盛志佳，林親祿，肖華西

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；

2.中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

目前我國(guó)稻谷的加工僅僅處于一種滿足大部分人口口糧需求的初級(jí)加工狀態(tài)，每年有各類稻米加工副產(chǎn)品近9 000萬(wàn)t未得到合理開(kāi)發(fā)和進(jìn)一步充分利用[1]。稻米深加工還處于起步階段，而且絕大部分停留在理論和實(shí)驗(yàn)室研究階段。相對(duì)西方發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)較高的儲(chǔ)糧損耗率（偏高約8個(gè)百分點(diǎn)）和每年損耗230萬(wàn)t糧食，給我國(guó)糧庫(kù)和財(cái)政帶來(lái)了沉重的經(jīng)濟(jì)壓力和負(fù)擔(dān)[2]。為使我國(guó)農(nóng)業(yè)由低效農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化的高效農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，由稻米生產(chǎn)大國(guó)向稻米加工強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變，對(duì)現(xiàn)有的稻谷加工副產(chǎn)物資源進(jìn)行深入研究和整合開(kāi)發(fā)利用，大力提升稻米附加值，實(shí)現(xiàn)稻米加工的高效產(chǎn)業(yè)化，已經(jīng)迫在眉睫。本研究通過(guò)制備高純度大米淀粉，以期提高大米的附加值，為改變我國(guó)大米深加工的落后局面提供可以借鑒的科學(xué)依據(jù)。

1 材料、試劑與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為市售早秈稻秈米（水分14.2%，粗蛋白質(zhì)8.5%，粗淀粉78.6%，粗脂肪1.9%），由湖南金健米業(yè)股份有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)試劑

試驗(yàn)試劑包括氫氧化鈉（NaOH）、鹽酸、硫酸、硫酸鉀和硫酸銅（AR 級(jí)），堿性蛋白酶（3.0 T），由長(zhǎng)沙隆和化玻實(shí)驗(yàn)用品有限公司提供。

1.3 儀器與設(shè)備

半微量凱氏定氮裝置；索氏提取器；FA2104N型電子分析天平（上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司）；JM-80（J）型立式膠體磨（廊坊通用機(jī)械制造有限公司）；KQ200DB型數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲波儀器有限公司）；TD5A-WS型低速大容量離心機(jī)（金壇市精達(dá)儀器制造廠）；PHSCAN20型酸度計(jì)（上海浦東儀器廠）；101-1-BS型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科技有限公司）；JB50-D型增力電動(dòng)攪拌機(jī)（上海越磁電子科技有限公司）；HH-S6型電熱恒溫水浴鍋（北京科偉永興儀器有限公司）。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在傳統(tǒng)堿法提取大米淀粉的基礎(chǔ)上，采用單因素試驗(yàn)，尋找到合適的提取范圍，再采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，找到堿法提取大米淀粉的最佳組合，得到粗大米淀粉。然后用超聲波技術(shù)對(duì)粗大米淀粉進(jìn)行振蕩處理，使大米淀粉和蛋白質(zhì)分離，再通過(guò)堿性蛋白酶在一定條件下分離提純大米淀粉，找到最佳的酶解工藝，在保證大米淀粉得率的同時(shí)，最大限度地提高大米淀粉的純度和品質(zhì)。

2.1 大米淀粉提取流程

大米→浸泡（30min）→膠體磨濕磨→浸泡（堿液）→離心→水洗（重復(fù)以上步驟3次）→（乙醇）脫脂→水洗→干燥→粉碎→粗大米淀粉→加水溶解→超聲波振蕩→在一定條件下加入堿性蛋白酶反應(yīng)→離心→水洗→干燥→粉碎→高純度大米淀粉。

2.2 提取工藝及數(shù)據(jù)測(cè)量方法

圖1 粗大米淀粉提取率的影響因素

參考Tanaka等人的工藝技術(shù)[3-4]，大米在水中浸泡30min后，再經(jīng)過(guò)膠體磨濕磨，即為原料大米粉。將原料大米粉按1∶4固液比添加濃度為0.3%的NaOH溶液攪拌，浸泡3 h后，再用離心機(jī)（3 000 r/min）離心15 min，去掉黃色上層液體；用去離子水清洗沉淀物離心，去掉上層清液，重復(fù)離心洗滌3次后，置于50℃烘箱中烘干，即獲得粗大米淀粉。參照前人方法[5-7]，取粗大米淀粉配成濃度為35%的乳液，于55℃，pH＝10的條件下加入0.5%的蛋白酶，溫和攪拌5 h，反應(yīng)過(guò)程中要補(bǔ)充NaOH溶液以維持pH值恒定。反應(yīng)結(jié)束后離心，洗滌，去掉上層清液，沉淀層用水清洗2次，重復(fù)3～4次后將沉淀物分散于清水中，調(diào)節(jié)pH值到7，再離心，刮掉暗色上層，用水將下層沉淀物清洗3遍。在大米淀粉樣品中加入體積比為1∶1的甲醇和乙醚的混合液，與大米淀粉進(jìn)行充分混合后靜置1 h，然后再用離心機(jī)（5 000 r/min）離心 10 min，之后重復(fù) 3次，最大限度除去大米中的脂類成分。置于烘箱中干燥即得高純度大米淀粉。

采用半微量凱氏定氮法[8]測(cè)定蛋白質(zhì)，蒽酮比色法測(cè)定淀粉含量。

大米淀粉提取率（%）=100×提取得到的大米淀粉含量/原料中大米淀粉含量[9]

殘留蛋白含量（%）=100×制品中蛋白質(zhì)量/制品質(zhì)量（干基）[10-12]

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)

對(duì)影響粗大米淀粉提取率的NaOH濃度、固液比和堿液浸提時(shí)間進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定這3個(gè)因素的合適水平以進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

3.1.1 NaOH濃度對(duì)粗大米淀粉提取率的影響大米在常溫下用不同濃度的NaOH溶液浸泡2 h，固液比為1∶5，氫氧化鈉濃度設(shè)置為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%，提取粗大米淀粉。

從圖1-A可以看出，當(dāng)NaOH濃度在0.4%左右時(shí)，粗大米淀粉的提取率最高。這是因?yàn)榇竺字?0%以上的蛋白質(zhì)為堿溶性蛋白，易溶于堿液。NaOH濃度較低時(shí)，對(duì)大米淀粉的品質(zhì)影響較小；隨著NaOH濃度的升高，大米淀粉開(kāi)始出現(xiàn)糊化現(xiàn)象，影響了大米淀粉的品質(zhì)。故提取大米淀粉時(shí)NaOH的濃度宜選0.4%左右。

3.1.2 不同固液比對(duì)粗大米淀粉提取率的影響大米在常溫下用0.4%的NaOH溶液浸泡2 h，固液比設(shè)為 1∶3，1∶4，1∶5，1∶6，1∶7，1∶8，提取粗大米淀粉，結(jié)果如圖1-B所示。從圖可知，當(dāng)固液比為1∶5時(shí)粗大米淀粉的提取率最高，可見(jiàn)適度的固液比有利于大米蛋白的溶解。但隨著液體量的增加懸浮液濃度降低，淀粉顆粒在磨漿過(guò)程中不能有效縮小，導(dǎo)致淀粉顆粒內(nèi)部的蛋白質(zhì)不能被堿液溶解出來(lái)，降低了大米淀粉的提取效率。故固液比的選取應(yīng)在1∶5附近。

3.1.3 不同浸提時(shí)間對(duì)粗大米淀粉提取率的影響大米在常溫下用0.4%的NaOH溶液浸泡，固液比為 1∶5，浸泡時(shí)間設(shè)置為 1、2、3、4、5、6 h，提取粗大米淀粉的結(jié)果見(jiàn)圖1-C。從圖可以看出，隨著浸提時(shí)間的增加，粗大米淀粉的提取率增加；但當(dāng)浸提時(shí)間超過(guò)4 h，粗大米淀粉的提取率增加緩慢。這可能是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，NaOH溶液腐蝕破壞大米的結(jié)構(gòu)，不利于大米蛋白從大米淀粉中分離，影響了大米淀粉提取率的增加。從效率和成本出發(fā)，浸提時(shí)間應(yīng)選擇在4 h左右。

3.2 提取粗大米淀粉的影響因素的正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果，并考慮到控制生產(chǎn)成本等目的，設(shè)計(jì)3因素3水平正交試驗(yàn)，為了排除系統(tǒng)誤差的影響，試驗(yàn)中對(duì)各因素的排列順序進(jìn)行了無(wú)序重組。不同條件下蛋白質(zhì)含量和淀粉提取率的結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 提取粗大米淀粉的影響因素的正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)極差分析 （%）

從表2中可見(jiàn)，各因素對(duì)大米多孔淀粉提取率的影響程度依次是：C>A>B，NaOH濃度影響最大，其次是浸提時(shí)間和固液比，最佳條件為A2B2C3。而對(duì)大米淀粉蛋白質(zhì)含量的影響依次為A>B>C，即浸提時(shí)間影響最大，NaOH濃度影響最小，最佳條件為A2B1C3。

結(jié)果表明：浸提時(shí)間對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較小，為考慮時(shí)間成本，選擇最佳條件是A2，時(shí)間為2 h；合適的固液比能提高大米蛋白質(zhì)的提取效率，B因素的最佳條件選擇B2，即固液比為1∶5；在一定范圍內(nèi)提高NaOH濃度，能有效地降低大米蛋白質(zhì)的含量，但濃度也不宜過(guò)高，故最佳條件選擇C3，即NaOH濃度為0.4%。在此條件下，粗大米淀粉的提取率達(dá)到75.2%，蛋白質(zhì)的含量降低至0.65%。

3.3 純化大米淀粉的單因素試驗(yàn)

用堿性蛋白酶進(jìn)一步除去大米淀粉中蛋白質(zhì)，對(duì)影響大米淀粉純化的超聲波處理時(shí)間、固液比、酶解溫度、酶解時(shí)間、酶用量5個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定這5個(gè)因素的合適水平以進(jìn)行正交試驗(yàn)（圖2）。

3.3.1 超聲波處理時(shí)間對(duì)大米淀粉提取率的影響為了研究超聲波處理時(shí)間對(duì)大米淀粉提取率的影響，分別選取超聲波處理時(shí)間為 5、10、15、20、25、30 min，酶解溫度為45℃，以0.4%的NaoH溶液浸泡大米，固液比為1∶6，酶解時(shí)間為4 h，酶用量為4 mg/g進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖2-A。

由圖2-A可知，超聲波處理能明顯提高大米淀粉的提取率，在25 min時(shí)大米淀粉的提取率達(dá)到最大值。分析其作用機(jī)制可能為：超聲波在液體中傳播時(shí)，使液體介質(zhì)不斷受到壓縮和拉伸，由于液體具有耐壓不耐拉的特性，故形成空化作用，超聲波處理后所產(chǎn)生的超聲空化氣泡隨聲壓變化而迅速增大，壓縮振動(dòng)和氣泡崩潰時(shí)所產(chǎn)生的沖擊波，有可能促使蛋白質(zhì)顆粒進(jìn)一步細(xì)化，與大米淀粉的連接產(chǎn)生松動(dòng)，有利于堿性蛋白酶的作用。但隨著超聲波處理時(shí)間的延長(zhǎng)，上述作用效應(yīng)不能無(wú)限制的累加，所以當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到25min之后，大米淀粉提取率隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加的幅度很小。因此，選用超聲波處理時(shí)間以25min左右為宜。

3.3.2 固液比對(duì)大米淀粉提取率的影響 為了研究固液比對(duì)大米淀粉提取率的影響，分別選取固液比為 1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8，酶解溫度為 45℃，超聲波處理時(shí)間為20 min，酶解時(shí)間為4 h，酶用量為4mg/g進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 純化大米淀粉的影響因素

由圖2-B可知，隨著浸提溶液量的增加，大米淀粉的提取率也隨之上升，在固液比為1∶6時(shí)，達(dá)到最大值。這是由于隨著固液比的增加，大米淀粉能更好地溶解于水中，更有利于蛋白質(zhì)和蛋白酶的反應(yīng)，大米蛋白更易分解。

3.3.3 酶解溫度對(duì)大米淀粉提取率的影響 為了研究不同的酶解溫度對(duì)大米淀粉提取率的影響，分別選取酶解溫度為 30、35、40、45、50、55、60℃，超聲波處理時(shí)間為20 min，固液比為1∶6，酶解時(shí)間為4 h，酶用量為4 mg/g進(jìn)行試驗(yàn)（圖2-C）。由圖2-C可知，當(dāng)酶解溫度為45℃時(shí)，大米淀粉的提取率達(dá)到最大值。這是由于隨著溫度的上升，酶的活性也隨之上升，大米蛋白也相應(yīng)得到了更充分的分解。但當(dāng)溫度超過(guò)一定的范圍后，由于溫度過(guò)高，酶的活性下降，故大米淀粉的提取率反而下降。所以酶解溫度的時(shí)間宜選擇在45℃左右。

3.3.4 酶解時(shí)間對(duì)大米淀粉提取率的影響 為了研究酶解時(shí)間對(duì)大米淀粉提取率的影響，分別選取酶解時(shí)間為 1、2、3、4、5、6 h，酶解溫度為 45℃，固液比為1∶6，超聲波處理時(shí)間為20 min，酶用量為4 mg/g進(jìn)行試驗(yàn)（圖2-D）。由圖2-D可知，在其他條件一定的情況下，大米淀粉的提取率隨時(shí)間的增加而上升，這是由于隨著時(shí)間的增加，蛋白酶有充分的時(shí)間對(duì)大米蛋白進(jìn)行分解。但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，酶解反應(yīng)達(dá)到平衡，大米淀粉的提取率不再增加。綜合考慮，酶解時(shí)間選擇為5 h左右。

3.3.5 酶用量對(duì)大米淀粉提取率的影響 為了研究酶用量對(duì)大米淀粉提取率的影響，分別選取酶用量為 1、2、3、4、5、6 mg/g，酶解溫度 45℃，固液比 1:6，酶解時(shí)間4 h，超聲波處理20 min進(jìn)行試驗(yàn)（圖2-E）。由圖2-E可知，蛋白酶能提高大米蛋白的分解效率，加大酶用量能顯著提高大米淀粉的提取率，但在酶用量超過(guò)4 mg/g后，大米淀粉提取率不再明顯增加。

3.4 純化大米淀粉的影響因素的正交試驗(yàn)

根據(jù)影響大米淀粉純化的單因素試驗(yàn)結(jié)果，并在考慮控制生產(chǎn)成本和經(jīng)濟(jì)效益等前提的條件下，設(shè)計(jì)5因素4水平的正交試驗(yàn)（表3）。

表3 純化大米淀粉的影響因素的正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4可知，各因素對(duì)大米淀粉提取率影響程度由大到小依次是：B>A>D>E>C，即酶用量對(duì)大米淀粉提取率的影響最顯著，其次是超聲波處理時(shí)間和酶解溫度，酶解時(shí)間和固液比的影響較小。確定粗大米淀粉純化的最優(yōu)工藝條件組合為A4B4C1D4E3，即超聲波處理25 min，加酶量為5 mg/g，酶解 2 h，酶解溫度 45℃，固液比為 1∶6，此時(shí)大米淀粉提取率為91.2%，測(cè)得純度為98.7%。

表4 正交試驗(yàn)極差分析 （%）

4 結(jié) 論

（1）基于大米淀粉提取的傳統(tǒng)堿法，在保證大米淀粉質(zhì)量的前提下，運(yùn)用低濃度堿法最大限度地降低大米蛋白的含量，獲得了粗大米淀粉。堿法提取粗大米淀粉的最佳工藝條件為：0.4%濃度的NaOH溶液、固液比1∶5、浸泡時(shí)間2 h，所得淀粉中蛋白質(zhì)含量為0.65%，淀粉提取率為75.2%。

（2）在傳統(tǒng)酶法提純大米淀粉的基礎(chǔ)上，運(yùn)用超聲波輔助酶法對(duì)粗大米淀粉進(jìn)行純化，獲得了高純度的大米淀粉。超聲波輔助酶法提純大米淀粉的最佳工藝條件為：25 min，加酶量為5 mg/g，酶解時(shí)間為2 h，酶解溫度為45℃，固液比為1∶6。大米淀粉提取率為91.2%，測(cè)得純度為98.7%。

（3）大米淀粉在所有淀粉中品質(zhì)最高，具有顆粒小、低過(guò)敏性的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)有很大的需求空間。如何將實(shí)驗(yàn)室制備高品質(zhì)大米淀粉方法運(yùn)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，以期獲得規(guī)模化生產(chǎn)，并使高品質(zhì)大米淀粉得到充分利用，是今后研究的一個(gè)重要方面。

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