天然糯玉米淀粉的提取工藝優(yōu)化

婁海偉，王媛，牛永武，孫藝銘，皇甫新燕，趙仁勇

（河南工業(yè)大學糧油食品學院，河南 鄭州 450001）

糯玉米是由普通玉米經(jīng)自然突變而形成的優(yōu)質谷物，其支鏈淀粉含量占總淀粉的95%以上[1]。糯玉米淀粉具有糊化溫度低[2]、峰值黏度高[3]、抗老化能力強[4]及透明度高[5]等優(yōu)質特性，擁有較高的商業(yè)價值和較好的發(fā)展前景[6-7]。但對糯玉米進行干燥時，胚乳結構會收縮聚集，淀粉與蛋白質的結合更加緊密，導致糯玉米淀粉的提取較為困難。為了實現(xiàn)糯玉米淀粉的高效提取，需要破壞或削弱蛋白質和淀粉之間的結合力[8]，因此選擇適合的糯玉米深加工工藝來分離淀粉與蛋白質尤為重要。

玉米的深加工主要分為干磨法和濕磨法兩種[9]，其中干磨法加工是通過脫胚、研磨、風選、篩分等方式將玉米中的各組分分離，該方法主要用于制備玉米粗粉、玉米糝等；濕磨法加工是通過浸泡的方式膨化玉米的內部組分，具有還原性的浸泡液可以還原蛋白質的二硫鍵，在研磨的過程中，使玉米中的各組分得到更好的分離，獲得純正的玉米淀粉及其他副產(chǎn)物。目前工業(yè)提取玉米淀粉的方法主要為濕磨法，所使用的浸泡液有亞硫酸[10]、乳酸[11]、L-半胱氨酸[12]、酸漿[13]、氫氧化鈉[14]、蛋白酶[15]等，通常需要在浸泡液中浸泡玉米籽粒36 h～60 h[16]后進行提取。浸泡玉米籽粒的過程十分耗時，且提取過程較為繁瑣，進而有學者采用超聲波[17]、擠壓[18]等方式輔助提取玉米淀粉，以期縮短提取時間、提高淀粉產(chǎn)量，但輔助提取法既耗能又耗材，尚未應用于實際生產(chǎn)中。有關玉米淀粉的提取主要以普通玉米為原料，從糯玉米中提取糯玉米淀粉的報道較少。

基于此，為了提高糯玉米淀粉的提取率和提取效率，本研究以糯玉米碴為原料，采用濕磨法提取糯玉米淀粉，研究浸泡液種類和濃度、浸泡時間和浸泡溫度對糯玉米淀粉提取率的影響，探究不同浸泡條件下糯玉米胚乳中淀粉與蛋白質的分離情況，優(yōu)化并確定糯玉米淀粉的最適提取工藝參數(shù)，為糯玉米淀粉的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

糯玉米碴（淀粉84.53%、蛋白質9.64%、灰分0.50%、粗脂肪1.82%、直鏈淀粉占總淀粉含量的1.49%）：產(chǎn)于河南省安陽市滑縣。

乳酸、可溶性淀粉、乙酸鎂：天津市科密歐化學試劑有限公司；L-半胱氨酸：天津光復科技發(fā)展有限公司；牛血清白蛋白：北京索萊寶科技有限公司；直鏈淀粉檢測試劑盒（K-AMYL）：愛爾蘭Megazyme公司；亞硫酸、硝酸鈣：天津市大茂化學試劑廠；碘化鉀、葡萄糖：國藥集團化學試劑有限公司；碘：天津市永大化學試劑有限公司；冰乙酸、石油醚、無水乙醇：天津市天力化學試劑有限公司；硫酸（色譜純）：洛陽市化學試劑廠；硫酸銅：天津市瑞金特化學品有限公司；硫酸鉀、鹽酸：天津市恒興化學試劑制造有限公司；磷酸：洛陽昊華化學試劑有限公司。除已標明純級的試劑外，以上其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

3100錘式旋風磨：瑞典Perten公司；UV-2550紫外可見光分光光度計：日本島津公司；5810R離心機：德國艾本德股份公司；Freezone 6L真空冷凍干燥機：美國Labconco公司；Kjeltec8400凱氏定氮儀：丹麥FOSS公司；SHB-IV循環(huán)真空泵：鄭州長城科工貿有限公司；Innova 40氣浴恒溫搖床：美國New Brunswick Scientific公司；Waters 2707高效液相色譜儀：美國Waters公司；SX2-5-12電阻爐：天津市中環(huán)實驗電爐有限公司；SUS304食品級粉碎機：永康市艾澤拉電器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 糯玉米基礎理化指標的測定

參照葉俊芳等[19]的方法測定糯玉米碴中淀粉的含量；參照GB 5009.4—2016《食品安全國家標準食品中灰分的測定》中的方法測定灰分含量；參照GB5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》中的方法測定蛋白質含量；參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》中的方法測定脂肪含量；參照直鏈淀粉檢測試劑盒（K-AMYL）說明書測定總淀粉中直鏈淀粉含量。

1.3.2 糯玉米淀粉的制備

糯玉米淀粉的提取參照王亞丹[20]的方法并適當修改，具體方法如下：稱取19 g～21 g糯玉米碴樣品，在料液比1∶3（g/mL）的浸泡液中浸泡。使用食品級粉碎機將糯玉米碴打碎成漿液，漿液先過50目篩網(wǎng)，后過200目篩網(wǎng)，用蒸餾水沖洗篩上物，直至濾網(wǎng)濾下液體呈澄清透明狀，對上述濾液進行抽濾，獲得粗淀粉（即濾餅），加水洗滌，經(jīng)多次離心（8 000 r/min，10 min）清洗后進行真空冷凍干燥，過100目篩后即為糯玉米淀粉。

1.3.3 淀粉提取率的計算

參照葉俊芳等[19]的方法測定所提取的糯玉米淀粉的干基含量。使用李曉娜等[21]的方式計算糯玉米淀粉的提取率，具體公式如下。

式中：P為糯玉米淀粉提取率，%；m為提取樣品中的糯玉米淀粉質量，g；M為糯玉米碴質量，g；w為糯玉米碴含水量，%；C為糯玉米碴中淀粉的干基含量，%。

1.3.4 游離淀粉含量的測定

參照閆榮[22]的方法并稍作修改，稱取1.00 g玉米碴樣品，在不同的浸泡條件下使用碘顯色法測定游離淀粉的含量。

1.3.5 可溶性蛋白的測定

參照閆榮[22]的方法測定浸泡液中的可溶性蛋白含量，使用鄧麗莉等[23]的方法建立標準曲線（Y=6.169 1X+0.004 7，R2=0.999 6；X 為蛋白質濃度，mg/mL；Y 為吸光度）。

1.3.6 單因素試驗

以糯玉米淀粉提取率、游離淀粉含量及可溶性蛋白含量為指標，探究乳酸濃度（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%）、亞硫酸濃度（0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）、L-半胱氨酸濃度（0.2%、0.4%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%）、浸泡時間（2、4、6、8、10 h）及浸泡溫度（46、48、50、52、54、56、58、60 ℃）對糯玉米淀粉提取率、游離淀粉含量和可溶性蛋白含量的影響。

1.3.7 最佳提取工藝參數(shù)的優(yōu)化試驗

根據(jù)單因素試驗結果，選取亞硫酸濃度、浸泡時間、浸泡溫度3個因素進行響應面Box-Behnken試驗設計，以糯玉米淀粉提取率作為評價指標，因素水平設計見表1。

表1 響應面試驗因素水平Table 1 Factors and levels of response surface experimental design

1.3.8 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)均為3次試驗結果的平均值，P＜0.05表示數(shù)據(jù)間具有顯著差異。使用軟件SPSS 25分析數(shù)據(jù)的差異顯著性，軟件Origin 8.5進行圖形的繪制，軟件Design-Expert 11進行Box-Behnken試驗設計及分析。

2 結果與分析

2.1 浸泡液對糯玉米淀粉提取的影響

2.1.1 乳酸濃度對糯玉米淀粉提取的影響

乳酸濃度的變化對糯玉米淀粉提取的影響見圖1。

圖1 乳酸濃度對糯玉米淀粉提取的影響Fig.1 The effect of lactic acid concentration on the extraction rate of waxy corn starch

由圖1可知，乳酸濃度從0.1%升高到0.5%時，糯玉米淀粉提取率逐漸增大，當乳酸濃度為0.2%～0.3%時浸泡溶液中可溶性蛋白的含量顯著升高（P＜0.05）；乳酸濃度為0.5%時，淀粉提取率達到最大值（66.12%），隨著乳酸濃度繼續(xù)增加，糯玉米淀粉的提取率呈下降趨勢，游離淀粉與可溶性蛋白含量變化趨于穩(wěn)定，這可能是由于淀粉被蛋白質緊密地包裹，而乳酸可以使玉米蛋白質軟化并加快糯玉米的膨脹速率，適量的乳酸濃度促進了蛋白質的溶解，有效地削弱了蛋白質網(wǎng)絡結構的強度，使糯玉米碴中淀粉與蛋白質的結合力下降，淀粉游離出來的“通道”被擴寬，因此糯玉米淀粉更容易從結構中脫離，但乳酸濃度過高時會導致蛋白質變性，使糯玉米淀粉與蛋白質的分離難度增加，進而降低了糯玉米淀粉的提取率，這同Roushdi等[24]的結論一致。因此，乳酸濃度0.5%時適合糯玉米淀粉的提取。

2.1.2 亞硫酸濃度對糯玉米淀粉提取的影響

亞硫酸濃度的變化對糯玉米淀粉提取的影響見圖2。

圖2 亞硫酸濃度對糯玉米淀粉提取的影響Fig.2 The effect of sulfurous acid concentration on the extraction rate of waxy corn starch

由圖2可知，亞硫酸濃度對糯玉米淀粉提取率的影響呈先上升后下降的趨勢。當亞硫酸濃度為0.1%～0.3%時，隨著亞硫酸濃度的升高，淀粉提取率、游離淀粉和可溶性蛋白的含量均逐漸上升，當亞硫酸濃度升至0.3%時，淀粉提取率最高（73.83%），這是由于亞硫酸具有還原性，可以還原蛋白質中的二硫鍵，破壞束縛淀粉的蛋白質網(wǎng)絡結構[25]，使淀粉更容易與蛋白質脫離，從而提高了糯玉米的淀粉提取率。當亞硫酸濃度大于0.3%時，淀粉提取率及游離淀粉的含量降低，這可能是在浸泡過程中，部分玉米蛋白質溶解于浸泡液中，所形成的小分子多肽等物質會將淀粉顆粒包裹[26]，同時，亞硫酸濃度增大會使浸泡體系的pH值降低，導致部分蛋白質變性，這也會阻礙蛋白質和淀粉的分離，進而降低糯玉米淀粉的提取率及游離淀粉的含量。因此，亞硫酸濃度0.3%適于糯玉米淀粉的提取。

2.1.3 L-半胱氨酸濃度對糯玉米淀粉提取的影響

L-半胱氨酸濃度的變化對糯玉米淀粉提取的影響見圖3。

圖3 L-半胱氨酸濃度對糯玉米淀粉提取的影響Fig.3 The effect of L-cysteine concentration on the extraction rate of waxy corn starch

由圖3可知，當L-半胱氨酸濃度為0.2%～0.6%時，對糯玉米淀粉提取率的影響不顯著（P＞0.05），當L-半胱氨酸濃度為0.6%～0.8%時，糯玉米淀粉的提取率及可溶性蛋白的含量逐漸升高，這可能是由于L-半胱氨酸的活性巰基基團具有還原蛋白質中二硫鍵的能力[27]，削弱了淀粉與蛋白質間的結合力，促進了糯玉米淀粉的分離，因此，提高了糯玉米淀粉的提取率和可溶性蛋白的含量。當L-半胱氨酸濃度為0.8%時，糯玉米淀粉的提取率達到最大值（73.69%）。當L-半胱氨酸濃度大于0.8%時，糯玉米淀粉提取率、游離淀粉及可溶性蛋白的含量均逐漸降低，這主要是由于L-半胱氨酸濃度增大，浸泡體系的pH值降低，同時，玉米碴浸泡過程中存在乳酸菌的生長繁殖和乳酸的合成[28]，進一步使pH值降低，從而導致部分蛋白質的變性，造成淀粉提取率的下降。因此，L-半胱氨酸濃度0.8%時適宜糯玉米淀粉的提取。

綜上所述，采用乳酸浸泡液提取糯玉米淀粉的提取率較低；采用亞硫酸浸泡液或L-半胱氨酸浸泡液提取糯玉米淀粉的提取率較高且差別不大，基于成本因素，選取亞硫酸作為提取糯玉米淀粉的最適浸泡液并進行后續(xù)試驗。

2.2 浸泡時間對糯玉米淀粉提取的影響

浸泡時間對糯玉米淀粉提取的影響見圖4。

圖4 浸泡時間對糯玉米淀粉提取的影響Fig.4 The effect of soaking time on the extraction rate of waxy corn starch

由圖4可知，在浸泡2 h～4 h時糯玉米淀粉的提取率顯著上升（P＜0.05），延長浸泡時間發(fā)現(xiàn)糯玉米淀粉的提取率與4 h時的淀粉提取率無顯著差異（P＞0.05）。在浸泡時間2 h～10 h內，游離淀粉的含量無顯著差異（P＞0.05）；可溶性蛋白的含量在浸泡2 h～4 h時快速升高，浸泡4 h～10 h時上升緩慢。這說明亞硫酸浸泡液在前4 h已經(jīng)浸透糯玉米碴，浸泡4 h～10 h時糯玉米淀粉提取率無顯著差異（P＞0.05）。這與玉米粒浸泡36 h～60 h相比，明顯縮短了糯玉米淀粉提取所需要的浸泡時間，有效提高生產(chǎn)效率。

2.3 浸泡溫度對糯玉米淀粉提取的影響

浸泡溫度對糯玉米淀粉提取的影響見圖5。

圖5 浸泡溫度對糯玉米淀粉提取的影響Fig.5 The effect of soaking temperature on the extraction rate of waxy corn starch

由圖5可知，當浸泡溫度為46℃～52℃時，隨著浸泡溫度的升高，糯玉米淀粉的提取率逐漸升高，當浸泡溫度為52℃時，糯玉米淀粉的提取率最高。但浸泡溫度大于54℃時，糯玉米淀粉的提取率變化不顯著（P＞0.05）；可溶性蛋白的含量在浸泡溫度54℃～56℃時顯著增加（P＜0.05），說明此溫度條件適宜玉米蛋白質的溶解，而在58℃～60℃時可溶性蛋白的含量顯著下降（P＜0.05），這可能是由于較高的溫度使蛋白質發(fā)生了變性，可溶性蛋白的含量逐漸降低，這與陳龍鳳[29]的研究結論相似。游離淀粉含量在54℃～60℃時呈顯著升高的趨勢（P＜0.05），這是由于糯玉米淀粉易糊化，導致部分淀粉吸水膨脹并溶解于水中，使糯玉米淀粉的提取率下降。因此，提取糯玉米淀粉的浸泡溫度不宜過高，較適宜的浸泡溫度為50℃～54℃。

2.4 響應面試驗優(yōu)化糯玉米淀粉提取工藝參數(shù)

對比不同浸泡條件對糯玉米淀粉提取率、游離淀粉及可溶性蛋白含量的影響，選取影響效果顯著的亞硫酸浸泡液、浸泡時間和浸泡溫度進行響應面試驗設計，以糯玉米淀粉提取率作為評價指標，響應面試驗設計及結果見表2。

表2 響應面試驗設計和結果Table 2 Design and results of response surface experiment

利用Design Expert擬合得到淀粉提取率（Y）與各因素的二次回歸模型：Y=75.17+1.82X1+1.83X2-1.39X3-2.73X1X2+0.491 2X1X3+0.174 5X2X3-4.08X12-2.59X22-1.93X32?；貧w模型的方差分析結果見表3。

表3 回歸模型的方差分析Table 3 The variance analysis of the regression model

續(xù)表3 回歸模型的方差分析Continue table 3 The variance analysis of the regression model

由表3可知，通過響應面建立的回歸模型P＜0.01，失擬項P＞0.05，表明建立的回歸模型顯著性及擬合性強，其中 R2=0.973 8，R2Adj=0.940 1，信噪比大于 4，表明回歸方程可以模擬并分析糯玉米淀粉的提取率。3個因素（亞硫酸濃度、浸泡時間和浸泡溫度）的一次項和二次項均極顯著影響糯玉米淀粉的提取率（P＜0.01）。根據(jù)F值大小可判斷各因素對糯玉米淀粉提取率的影響大小，由大到小依次為浸泡時間、亞硫酸濃度、浸泡溫度。某些因素間的交互作用對響應值也很重要[30-31]，亞硫酸濃度與浸泡時間的交互作用極顯著影響糯玉米淀粉的提取率（P＜0.01），而亞硫酸濃度和浸泡溫度間的交互作用、浸泡時間和浸泡溫度間的交互作用對糯玉米淀粉提取率的影響不顯著（P＞0.05）。

為了進一步研究各因素之間的交互作用對糯玉米淀粉提取率的影響效果，通過Design-Expert繪制的3D響應曲面及2D等高線見圖6。

圖6 因素之間的交互作用對糯玉米淀粉提取率的影響Fig.6 The effect of the interaction between factors on the extraction rate of waxy corn starch

由圖6（a）可知，亞硫酸濃度與浸泡時間之間存在極顯著的交互作用（P＜0.01）。在浸泡 2 h～4 h時，隨著亞硫酸濃度的增加，淀粉提取率呈先升高后降低的趨勢；亞硫酸濃度在0.30%～0.35%時，隨著浸泡時間的延長，淀粉提取率出現(xiàn)最高值。

根據(jù)上述回歸模型，采用響應面試驗優(yōu)化得到糯玉米淀粉最適的提取工藝參數(shù)：亞硫酸濃度0.31%、浸泡時間4.45 h、浸泡溫度51.4℃，模型預測糯玉米淀粉的提取率為75.74%。該優(yōu)化條件下糯玉米淀粉的實際提取率為76.36%，與糯玉米淀粉的預測值無顯著性差異（P＞0.05），優(yōu)化后的糯玉米淀粉提取工藝明顯縮短了浸泡時間，不僅能夠降低能耗，還能夠有效提高生產(chǎn)效率。

根據(jù)最適工藝參數(shù)提取的糯玉米淀粉，其基礎理化指標：淀粉含量99.40%、蛋白質含量0.23%、灰分含量0.03%、粗脂肪含量0.19%，符合國家標準GB/T 8885—2017《食用玉米淀粉》。

3 結論

以糯玉米碴為原料，采用單因素試驗研究浸泡液種類、浸泡液濃度、浸泡時間、浸泡溫度對糯玉米淀粉提取率的影響，確定了亞硫酸溶液為提取糯玉米淀粉的最適浸泡液。在單因素試驗基礎上，采用響應面試驗優(yōu)化確定了糯玉米淀粉的最適提取工藝參數(shù)（亞硫酸濃度0.31%、浸泡時間4.45h、浸泡溫度51.4℃）。在該優(yōu)化條件下，糯玉米淀粉的實際提取率可達76.36%，提取的糯玉米淀粉基礎理化指標：淀粉含量99.40%、蛋白質含量0.23%、灰分含量0.03%、粗脂肪含量0.19%。該優(yōu)化條件縮短了糯玉米淀粉的提取時間，還降低了能耗，可有效提高生產(chǎn)效率，而且提取的天然糯玉米淀粉的純度較高，在食品工業(yè)具有較大的應用潛力。