祝水蘭 劉光憲 周巾英 付曉記 馮健雄
(江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,江西 南昌 330200)
中國稻米年產(chǎn)量占世界稻谷年總產(chǎn)量的34%左右,居世界首位[1]。稻米加工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生約10%~35%的碎米,碎米的價格僅為整米的1/3~1/2,而其化學(xué)組成與大米相同[2],淀粉含量達80%的左右[3]。楊夫光等[4]利用碎米生產(chǎn)淀粉糖漿,單斌等[5]利用碎米調(diào)配成米乳飲料,本試驗擬利用碎米提取其功能性成分純淀粉。目前國際市場上對高純度大米淀粉的需求較大,美國、比利時、德國、荷蘭、意大利等國家興起了大米淀粉研究開發(fā)的熱潮[6]。制備大米淀粉的方法主要有堿浸法、酶法、表面活性劑法、超聲波法、物理法等[7]。如馬麗娜等[8]采用堿法提取大米淀粉,但堿法提取更易吸水膨脹;Bliaderis等[9]發(fā)現(xiàn)用高純度的Pronase蛋白酶水解大米蛋白來制備大米淀粉不會破壞淀粉與脂肪之間的結(jié)合,淀粉顆粒的完整性保持得最好;蘆鑫等[10]采用表面活性劑結(jié)合超聲波法分離淀粉和蛋白,但表面活性劑使用量大,生產(chǎn)成本較高,大米蛋白難回收利用。本試驗擬以谷物加工副產(chǎn)物碎米為原料,通過負(fù)壓工藝使碎米粉快速吸水膨脹,使結(jié)合緊密的碎米淀粉和蛋白分離,再采用超聲波-堿酶聯(lián)用處理,研究制取碎米淀粉的最佳提取條件,并優(yōu)化碎米淀粉分步提取的制備工藝,為碎米淀粉深加工提供參考。
1.1.1 材料與試劑
早秈碎米:農(nóng)戶售,水分5.92%、粗蛋白8.85%、粗淀粉69.4%、粗脂肪1.4%、灰分3.4%,色澤氣味正常;
氫氧化鈉、乙酸鉛、硫酸鈉、乙醚、硫酸鈉、鹽酸、乙醇等:分析純,國藥化學(xué)試劑有限公司;
堿性蛋白酶:酶活2.0×105U/g,江蘇銳陽生物科技有限公司。
1.1.2 主要儀器
高速組織搗碎機:JJ-2(2003-61)型:常州億通分析儀器制造有限公司;
粉碎機:XL-200A型,上海潤實電器有限公司;
分析天平:TP-214型,北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;
超聲波細(xì)胞粉碎儀:UP250型,寧波新芝生物科技股份有限公司;
水分測定儀:HB43-S緊湊型,瑞士Metter Toledo公司;
水浴恒溫振蕩器:SHA-B型,常州潤華電器有限公司;
pH計:雷磁PHS-3C型,上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;
離心機:LXJ-ⅡB型,上海安亭科學(xué)儀器廠。
1.2.1 碎米粗淀粉和純淀粉制取 將碎米置烘箱中干燥后置于粉碎機中粉碎,過80目篩,得干米粉。將NaOH固體配成一定濃度溶液,按一定固液比將干米粉調(diào)配成碎米溶液,在高速組織搗碎機中搗碎30 min,將搗碎后的漿液倒回容器,置于真空干燥箱負(fù)壓處理15 min,用磁力攪拌器攪拌25 min,使溶液混合均勻,從配制溶液到磁力攪拌結(jié)束時間為提取時間。將溶液轉(zhuǎn)入離心機中以3 000 r/min離心3次,每次15 min,接著用85%乙醇溶液脫脂,再在離心機中以5 000 r/min離心水洗3次,每次10 min,真空干燥,粉碎后制得粗淀粉;將粗淀粉按一定固液比加水溶解,超聲波振蕩,在一定條件下加入堿性蛋白酶在水浴振蕩中水解一定時間,在5 000 r/min離心水洗3次,每次10 min,干燥粉碎后制得純淀粉。
1.2.2 單因素試驗
(1) 粗淀粉單因素試驗:以碎米淀粉提取率為指標(biāo),分別考察NaOH濃度(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)]、提取時間(1,2,3,4,5,6 h)3個因素對粗淀粉提取率的影響。當(dāng)選定某一因素進行單因素試驗時,其他因素的條件為:NaOH濃度0.3%,固液比1∶4 (g/mL),提取時間2 h,進行3次重復(fù)試驗。
(2) 純淀粉單因素試驗:以碎米淀粉提取率為指標(biāo),分別考察超聲波處理時間(10,15,20,25,30,35 min)、固液比[1∶3,1∶4,1∶5,1∶6,1∶7,1∶8 (g/mL)]、酶解溫度(30,35,40,45,50,55 ℃)、酶用量(3,4,5,6,7,8 mg/g)、酶解時間(1,2,3,4,5,6 h)5個因素對純淀粉提取率的影響。當(dāng)選定某一因素進行單因素試驗時,其他因素的條件為:超聲波處理時間25 min,固液比1∶4 (g/mL),酶解時間2 h,酶解溫度45 ℃,進行3次重復(fù)試驗。
1.2.3 正交試驗 根據(jù)單因素試驗結(jié)果,粗淀粉提取每個因素選取3個水平;純淀粉的提取每個因素選取4個水平,以碎米淀粉提取率為考察指標(biāo),進行3次重復(fù)試驗。
1.2.4 淀粉提取率的計算
(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——樣品中淀粉含量,%;
c2——原料中淀粉含量,%;
c3——淀粉純度,%;
c4——殘留蛋白質(zhì)含量,%;
c5——脂肪含量,%;
c5——灰分含量,%;
m1——樣品質(zhì)量,g;
m2——原料質(zhì)量,g;
m3——樣品中淀粉質(zhì)量,g;
m——原料中淀粉質(zhì)量,g。
1.2.5 檢測指標(biāo)及方法
(1) 淀粉的測定:按GB/T 5009.9—2008的酸水解法執(zhí)行。
(2) 蛋白質(zhì)測定:按GB 5009.5—2010的凱氏定氮法執(zhí)行。
(3) 灰分測定:按GB 5009.4—2016執(zhí)行。
(4) 脂肪測定:按GB 5009.6—2016執(zhí)行。
1.2.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003軟件作圖,用正交助手軟件進行極差分析。
2.1.1 NaOH濃度對碎米粗淀粉提取率的影響 由圖1可知,當(dāng)NaOH濃度為0.3%左右時,碎米淀粉的提取率最高。這是因為大米胚乳中蛋白體PBⅡ約占總蛋白質(zhì)含量的80%,是堿溶性的谷蛋白[9,11],堿液能使蛋白質(zhì)溶解在溶液中,從而使碎米淀粉沉淀分離出來。當(dāng)NaOH濃度過大時,碎米淀粉的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)受到破壞,碎米淀粉提取率下降。故NaOH的濃度選擇在0.3%附近。
圖1 NaOH濃度對碎米淀粉提取率的影響
2.1.2 固液比對碎米粗淀粉提取率的影響 由圖2可知,隨著溶劑增加,碎米淀粉提取率先升高再降低,當(dāng)固液比為1∶5 (g/mL)時碎米淀粉提取率最高。這是由于一定的固液比可提高碎米淀粉的提取率,但隨著溶劑增加,碎米內(nèi)的蛋白質(zhì)不能與淀粉分離,從而使碎米淀粉的提取率下降。所以選擇固液比1∶5 (g/mL)較為合適。
圖2 固液比對碎米淀粉提取率的影響
2.1.3 提取時間對碎米淀粉提取率的影響 由圖3可知,隨著提取時間的延長,碎米淀粉的提取率增加,但當(dāng)提取3 h后,碎米淀粉的提取率增加緩慢。這是由于時間增加,NaOH破壞大米淀粉結(jié)構(gòu),不利于碎米蛋白從淀粉中分離。從成本考慮,浸提時間應(yīng)選擇在3 h左右。
圖3 不同提取時間對碎米淀粉提取率的影響
2.2.1 正交試驗因素水平確定 正交試驗因素水平見表1。
2.2.2 正交試驗結(jié)果及分析 由表2可見,粗淀粉提取工藝中,影響碎米提取率的主次因素依次為C>A>B,最佳工藝組合為A1B2C3,即堿液濃度0.4%,固液比1∶4 (g/mL),浸提時間2 h。最佳工藝組合不在正交表組合中,在最優(yōu)組合條件下進行驗證實驗,結(jié)果提取率為91.67%,純度為96.58%。
表1 正交試驗因素水平表
表2 正交試驗提取率結(jié)果及分析
2.3.1 超聲處理時間對碎米純淀粉提取率的影響 由圖4可知,隨超聲處理時的延長,碎米淀粉提取率先升高后降低,當(dāng)超聲時間為25 min時碎米淀粉的提取率最高??赡苁浅暡?xì)胞粉碎機[12]是一種利用強超聲在液體體系中產(chǎn)生空化、剪切、劇烈攪拌等作用,使碎米淀粉和蛋白質(zhì)分離。因此超聲波處理時間選25 min 左右。
圖4 超聲波處理時間對碎米淀粉提取率的影響
2.3.2 固液比對碎米純淀粉提取率的影響 由圖5可知,隨著固液比的增加,碎米純淀粉的提取率先升高后降低,當(dāng)固液比為1∶5 (g/mL)時,達到最大值。這是由于溶劑增加,蛋白酶與蛋白質(zhì)反應(yīng),從而使蛋白質(zhì)更易溶解在溶液中,而淀粉通過離心沉淀分離。因此固液比選擇1∶5 (g/mL)左右。
2.3.3 酶解溫度對碎米純淀粉提取率的影響 由圖6可知,隨著溫度的升高,碎米淀粉提取率先升高后降低,當(dāng)酶解溫度為45 ℃時,碎米淀粉提取率最高達98.72%。由于溫度升高,酶的活性上升,蛋白質(zhì)分解;當(dāng)溫度達到45 ℃時,隨溫度升高,酶活性下降。因此酶解溫度選擇在45 ℃以下。
圖5 固液比對碎米純淀粉提取率的影響
圖6 酶解溫度對碎米淀粉提取率的影響
2.3.4 酶用量對碎米純淀粉提取率的影響 由圖7可知,碎米淀粉提取率隨酶用量的增加先升高后降低,當(dāng)酶用量達到5 mg/g,碎米淀粉提取率達到最大值。因為隨酶用量增加,提高了蛋白質(zhì)的分解效率,當(dāng)酶用量超過5 mg/g時,酶用量抑制碎米淀粉的提取效率。因此酶用量選擇5 mg/g 左右。
圖7 酶用量對碎米提取率的影響
2.3.5 酶解時間對碎米純淀粉提取率的影響 由圖8可知,碎米淀粉的提取率隨酶解時間的延長先升高,當(dāng)達到2 h隨酶解時間的延長提取率反而下降,可能是由于酶解時間過長,淀粉顆粒結(jié)構(gòu)變得疏松,不利于沉淀,從而影響了淀粉的提取率。因此酶解時間選擇2 h左右。
圖8 酶解時間對碎米淀粉提取率的影響
2.4.1 正交試驗因素水平確定 正交試驗因素水平見表3。
2.4.2 純淀粉正交試驗結(jié)果及分析 由表4可知,碎米純淀粉提取工藝中,影響碎米純淀粉提取率的主次因素依次為:B>A>D>E>C,最優(yōu)工藝組合為A4B3C2D4E3,即超聲波處理時間25 min,酶用量5 mg/g,酶解時間2 h,酶解溫度45 ℃,固液比1∶5 (g/mL)。最佳工藝組合不在正交表組合中,在最優(yōu)組合條件下進行驗證實驗,結(jié)果為:淀粉提取率達98.56%,純度達99.13%。
表3 正交試驗因素水平表
超聲波-堿性蛋白酶聯(lián)用在一定工藝條件下,能有效提高碎米淀粉的提取率和純度,碎米粗淀粉的最佳提取條件為:堿濃度0.4%,固液比1∶4 (g/mL),浸提時間2 h,粗淀粉提取率為91.67%,純度達96.58%;純淀粉的最佳提取條件為:固液比1∶5 (g/mL),超聲時間25 min,堿性蛋白酶的濃度5 mg/g,時間2 h,溫度45 ℃,淀粉提取率達98.56%,純度達99.13%。李玥[13]提取大米淀粉前大米浸泡18 h再打漿提大米淀粉;李翠蓮等[14]提取大米淀粉需反應(yīng)5 h,本試驗證實米提取淀粉無需提前浸泡,采用干法粉碎碎米成米粉,負(fù)壓工藝使結(jié)合緊密的碎米淀粉和蛋白產(chǎn)生松動,碎米淀粉和蛋白易分離,大大縮短了提取淀粉時間,提高效率,避免了夏季氣溫高或浸泡時間長使碎米粉變質(zhì)酸敗。后續(xù)將對淀粉的理化特性進行研究,以期為碎米淀粉的應(yīng)用提供理論依據(jù)。