碎米淀粉分步制取工艺优化

祝水兰 刘光宪 周巾英 付晓记 冯健雄

(江西省农业科学院，江西 南昌 330200)

中国稻米年产量占世界稻谷年总产量的34%左右，居世界首位[1]。稻米加工生产过程中产生约10%～35%的碎米，碎米的价格仅为整米的1/3～1/2，而其化学组成与大米相同[2]，淀粉含量达80%的左右[3]。杨夫光等[4]利用碎米生产淀粉糖浆，单斌等[5]利用碎米调配成米乳饮料，本试验拟利用碎米提取其功能性成分纯淀粉。目前国际市场上对高纯度大米淀粉的需求较大，美国、比利时、德国、荷兰、意大利等国家兴起了大米淀粉研究开发的热潮[6]。制备大米淀粉的方法主要有碱浸法、酶法、表面活性剂法、超声波法、物理法等[7]。如马丽娜等[8]采用碱法提取大米淀粉，但碱法提取更易吸水膨胀；Bliaderis等[9]发现用高纯度的Pronase蛋白酶水解大米蛋白来制备大米淀粉不会破坏淀粉与脂肪之间的结合，淀粉颗粒的完整性保持得最好；芦鑫等[10]采用表面活性剂结合超声波法分离淀粉和蛋白，但表面活性剂使用量大，生产成本较高，大米蛋白难回收利用。本试验拟以谷物加工副产物碎米为原料，通过负压工艺使碎米粉快速吸水膨胀，使结合紧密的碎米淀粉和蛋白分离，再采用超声波-碱酶联用处理，研究制取碎米淀粉的最佳提取条件，并优化碎米淀粉分步提取的制备工艺，为碎米淀粉深加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

早籼碎米：农户售，水分5.92%、粗蛋白8.85%、粗淀粉69.4%、粗脂肪1.4%、灰分3.4%，色泽气味正常；

氢氧化钠、乙酸铅、硫酸钠、乙醚、硫酸钠、盐酸、乙醇等：分析纯，国药化学试剂有限公司；

碱性蛋白酶：酶活2.0×105U/g，江苏锐阳生物科技有限公司。

1.1.2 主要仪器

高速组织捣碎机：JJ-2(2003-61)型：常州亿通分析仪器制造有限公司；

粉碎机：XL-200A型，上海润实电器有限公司；

分析天平：TP-214型，北京赛多利斯仪器系统有限公司；

超声波细胞粉碎仪：UP250型，宁波新芝生物科技股份有限公司；

水分测定仪：HB43-S紧凑型，瑞士Metter Toledo公司；

水浴恒温振荡器：SHA-B型，常州润华电器有限公司；

pH计：雷磁PHS-3C型，上海仪电科学仪器股份有限公司；

离心机：LXJ-ⅡB型，上海安亭科学仪器厂。

1.2 方法

1.2.1 碎米粗淀粉和纯淀粉制取 将碎米置烘箱中干燥后置于粉碎机中粉碎，过80目筛，得干米粉。将NaOH固体配成一定浓度溶液，按一定固液比将干米粉调配成碎米溶液，在高速组织捣碎机中捣碎30 min，将捣碎后的浆液倒回容器，置于真空干燥箱负压处理15 min，用磁力搅拌器搅拌25 min，使溶液混合均匀，从配制溶液到磁力搅拌结束时间为提取时间。将溶液转入离心机中以3 000 r/min离心3次，每次15 min，接着用85%乙醇溶液脱脂，再在离心机中以5 000 r/min离心水洗3次，每次10 min，真空干燥，粉碎后制得粗淀粉；将粗淀粉按一定固液比加水溶解，超声波振荡，在一定条件下加入碱性蛋白酶在水浴振荡中水解一定时间，在5 000 r/min离心水洗3次，每次10 min，干燥粉碎后制得纯淀粉。

1.2.2 单因素试验

(1) 粗淀粉单因素试验：以碎米淀粉提取率为指标，分别考察NaOH浓度(0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%)、固液比[1∶4，1∶5，1∶6，1∶7，1∶8 (g/mL)]、提取时间(1，2，3，4，5，6 h)3个因素对粗淀粉提取率的影响。当选定某一因素进行单因素试验时，其他因素的条件为：NaOH浓度0.3%，固液比1∶4 (g/mL)，提取时间2 h，进行3次重复试验。

(2) 纯淀粉单因素试验：以碎米淀粉提取率为指标，分别考察超声波处理时间(10，15，20，25，30，35 min)、固液比[1∶3，1∶4，1∶5，1∶6，1∶7，1∶8 (g/mL)]、酶解温度(30，35，40，45，50，55 ℃)、酶用量(3，4，5，6，7，8 mg/g)、酶解时间(1，2，3，4，5，6 h)5个因素对纯淀粉提取率的影响。当选定某一因素进行单因素试验时，其他因素的条件为：超声波处理时间25 min，固液比1∶4 (g/mL)，酶解时间2 h，酶解温度45 ℃，进行3次重复试验。

1.2.3 正交试验 根据单因素试验结果，粗淀粉提取每个因素选取3个水平；纯淀粉的提取每个因素选取4个水平，以碎米淀粉提取率为考察指标，进行3次重复试验。

1.2.4 淀粉提取率的计算

(1)

m3=m1×c1，

(2)

m=m2×c2，

(3)

c3=100%-c4-c5-c6，

(4)

式中：

c——碎米淀粉提取率，%；

c1——样品中淀粉含量，%；

c2——原料中淀粉含量，%；

c3——淀粉纯度，%；

c4——残留蛋白质含量，%；

c5——脂肪含量，%；

c5——灰分含量，%；

m1——样品质量，g；

m2——原料质量，g；

m3——样品中淀粉质量，g；

m——原料中淀粉质量，g。

1.2.5 检测指标及方法

(1) 淀粉的测定：按GB/T 5009.9—2008的酸水解法执行。

(2) 蛋白质测定：按GB 5009.5—2010的凯氏定氮法执行。

(3) 灰分测定：按GB 5009.4—2016执行。

(4) 脂肪测定：按GB 5009.6—2016执行。

1.2.6 数据统计分析 试验数据采用Excel 2003软件作图，用正交助手软件进行极差分析。

2 结果与分析

2.1 粗淀粉提取单因素试验

2.1.1 NaOH浓度对碎米粗淀粉提取率的影响 由图1可知，当NaOH浓度为0.3%左右时，碎米淀粉的提取率最高。这是因为大米胚乳中蛋白体PBⅡ约占总蛋白质含量的80%，是碱溶性的谷蛋白[9,11]，碱液能使蛋白质溶解在溶液中，从而使碎米淀粉沉淀分离出来。当NaOH浓度过大时，碎米淀粉的结构和性质受到破坏，碎米淀粉提取率下降。故NaOH的浓度选择在0.3%附近。

图1 NaOH浓度对碎米淀粉提取率的影响

2.1.2 固液比对碎米粗淀粉提取率的影响 由图2可知，随着溶剂增加，碎米淀粉提取率先升高再降低，当固液比为1∶5 (g/mL)时碎米淀粉提取率最高。这是由于一定的固液比可提高碎米淀粉的提取率，但随着溶剂增加，碎米内的蛋白质不能与淀粉分离，从而使碎米淀粉的提取率下降。所以选择固液比1∶5 (g/mL)较为合适。

图2 固液比对碎米淀粉提取率的影响

2.1.3 提取时间对碎米淀粉提取率的影响 由图3可知，随着提取时间的延长，碎米淀粉的提取率增加，但当提取3 h后，碎米淀粉的提取率增加缓慢。这是由于时间增加，NaOH破坏大米淀粉结构，不利于碎米蛋白从淀粉中分离。从成本考虑，浸提时间应选择在3 h左右。

图3 不同提取时间对碎米淀粉提取率的影响

2.2 正交试验

2.2.1 正交试验因素水平确定 正交试验因素水平见表1。

2.2.2 正交试验结果及分析 由表2可见，粗淀粉提取工艺中，影响碎米提取率的主次因素依次为C>A>B，最佳工艺组合为A1B2C3，即碱液浓度0.4%，固液比1∶4 (g/mL)，浸提时间2 h。最佳工艺组合不在正交表组合中，在最优组合条件下进行验证实验，结果提取率为91.67%，纯度为96.58%。

表1 正交试验因素水平表

表2 正交试验提取率结果及分析

2.3 纯淀粉的提取单因素试验

2.3.1 超声处理时间对碎米纯淀粉提取率的影响 由图4可知，随超声处理时的延长，碎米淀粉提取率先升高后降低，当超声时间为25 min时碎米淀粉的提取率最高。可能是超声波细胞粉碎机[12]是一种利用强超声在液体体系中产生空化、剪切、剧烈搅拌等作用，使碎米淀粉和蛋白质分离。因此超声波处理时间选25 min 左右。

图4 超声波处理时间对碎米淀粉提取率的影响

2.3.2 固液比对碎米纯淀粉提取率的影响 由图5可知，随着固液比的增加，碎米纯淀粉的提取率先升高后降低，当固液比为1∶5 (g/mL)时，达到最大值。这是由于溶剂增加，蛋白酶与蛋白质反应，从而使蛋白质更易溶解在溶液中，而淀粉通过离心沉淀分离。因此固液比选择1∶5 (g/mL)左右。

2.3.3 酶解温度对碎米纯淀粉提取率的影响 由图6可知，随着温度的升高，碎米淀粉提取率先升高后降低，当酶解温度为45 ℃时，碎米淀粉提取率最高达98.72%。由于温度升高，酶的活性上升，蛋白质分解；当温度达到45 ℃时，随温度升高，酶活性下降。因此酶解温度选择在45 ℃以下。

图5 固液比对碎米纯淀粉提取率的影响

图6 酶解温度对碎米淀粉提取率的影响

2.3.4 酶用量对碎米纯淀粉提取率的影响 由图7可知，碎米淀粉提取率随酶用量的增加先升高后降低，当酶用量达到5 mg/g，碎米淀粉提取率达到最大值。因为随酶用量增加，提高了蛋白质的分解效率，当酶用量超过5 mg/g时，酶用量抑制碎米淀粉的提取效率。因此酶用量选择5 mg/g 左右。

图7 酶用量对碎米提取率的影响

2.3.5 酶解时间对碎米纯淀粉提取率的影响 由图8可知，碎米淀粉的提取率随酶解时间的延长先升高，当达到2 h随酶解时间的延长提取率反而下降，可能是由于酶解时间过长，淀粉颗粒结构变得疏松，不利于沉淀，从而影响了淀粉的提取率。因此酶解时间选择2 h左右。

图8 酶解时间对碎米淀粉提取率的影响

2.4 纯淀粉正交试验

2.4.1 正交试验因素水平确定 正交试验因素水平见表3。

2.4.2 纯淀粉正交试验结果及分析 由表4可知，碎米纯淀粉提取工艺中，影响碎米纯淀粉提取率的主次因素依次为：B>A>D>E>C，最优工艺组合为A4B3C2D4E3，即超声波处理时间25 min，酶用量5 mg/g，酶解时间2 h，酶解温度45 ℃，固液比1∶5 (g/mL)。最佳工艺组合不在正交表组合中，在最优组合条件下进行验证实验，结果为：淀粉提取率达98.56%，纯度达99.13%。

表3 正交试验因素水平表

3 结论

超声波-碱性蛋白酶联用在一定工艺条件下，能有效提高碎米淀粉的提取率和纯度，碎米粗淀粉的最佳提取条件为：碱浓度0.4%，固液比1∶4 (g/mL)，浸提时间2 h，粗淀粉提取率为91.67%，纯度达96.58%；纯淀粉的最佳提取条件为：固液比1∶5 (g/mL)，超声时间25 min，碱性蛋白酶的浓度5 mg/g，时间2 h，温度45 ℃，淀粉提取率达98.56%，纯度达99.13%。李玥[13]提取大米淀粉前大米浸泡18 h再打浆提大米淀粉；李翠莲等[14]提取大米淀粉需反应5 h，本试验证实米提取淀粉无需提前浸泡，采用干法粉碎碎米成米粉，负压工艺使结合紧密的碎米淀粉和蛋白产生松动，碎米淀粉和蛋白易分离，大大缩短了提取淀粉时间，提高效率，避免了夏季气温高或浸泡时间长使碎米粉变质酸败。后续将对淀粉的理化特性进行研究，以期为碎米淀粉的应用提供理论依据。