王喜慶，石光蕊，李雅琴，李春盼，馬婉婷

(綏化學(xué)院 食品與制藥工程學(xué)院,黑龍江 綏化 152000)

玉米俗稱苞米，是世界公認(rèn)的黃金作物。玉米中淀粉含量高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為70%，因此常被用于玉米淀粉的提取[1]。玉米淀粉的提取方法主要有干法、濕法和酶法。在工業(yè)生產(chǎn)中普遍以濕法提取工藝為主，即在(50±2)℃下用0.2%～0.3%的亞硫酸溶液浸泡36～60 h，此方法的淀粉提取率一般在60%以上[2]。但長時間使用亞硫酸溶液浸泡玉米，生產(chǎn)效率低下，且存在腐蝕管道及設(shè)備，排放污染環(huán)境等缺點[3]。因此，急需對傳統(tǒng)浸泡工藝技術(shù)進行革新。超聲波是一種頻率很高的聲波，用超聲輔助處理玉米粉提取玉米淀粉，具有耗能低、對環(huán)境友好和操作簡單等優(yōu)點[4]。超聲波產(chǎn)生的空化和熱效應(yīng)可以促進淀粉與纖維素和蛋白質(zhì)的分離，提高淀粉的提取率[5-7]。王亞丹[8]比較了超聲波處理與非超聲波處理對玉米淀粉提取率及其他工藝的影響，研究結(jié)果顯示，采用超聲波處理可以在保證玉米淀粉純度的前提下，減少玉米浸泡時間和二氧化硫添加量，并提高淀粉得率。Sit等[9]研究超聲波預(yù)處理對芋頭淀粉得率的影響，發(fā)現(xiàn)采用超聲波處理的淀粉得率在17.45%～18.97%，而常規(guī)處理淀粉得率為15.29%；當(dāng)采用超聲波處理10 min，淀粉的最高得率為18.97%。

超聲波的工藝參數(shù)，一般包括超聲頻率[10]、超聲功率[11-12]、超聲時間[13-16]和超聲溫度[15-16]，參數(shù)的選擇及大小直接影響到提取率。本試驗以玉米為原料，選擇浸泡時間、H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲溫度、超聲時間和液料比5個因素進行單因素試驗，選取影響較大的因素，進行響應(yīng)面優(yōu)化試驗，研究各因素對玉米淀粉提取率的影響，以期獲得一種玉米淀粉提取的最佳工藝。

1 材料與方法

1.1 材料

玉米，市售；亞硫酸，沈陽凱誠生物科技有限公司。

1.2 儀器

SHB-IIIS型循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；JY-501電子天平，上海衡平儀器儀表廠；FW100型粉碎機，天津泰斯特儀器有限公司；KQ-5200B型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；DK-98-IIA型恒溫水浴鍋，天津市泰斯特儀器有限公司；TDL-60B-B型臺式高速離心機，湖南星科科學(xué)儀器有限公司；DZF-6250型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，北京中科博達有限公司；BCD-215DC型冰箱，青島海爾股份有限公司。

1.3 試驗方案

1.3.1玉米淀粉的提取工藝流程[17]

玉米→清理→稱重→浸泡→粗磨→胚芽分離→細(xì)磨→過篩→研磨→洗滌→纖維分離→超聲處理→離心分離→干燥→粉碎過篩→成品。

1.3.2淀粉提取率的計算

玉米淀粉含量測定參照GB/T 5009.9—2008進行，淀粉提取率計算公式如下：

淀粉提取率P=m/M×100%，

式中，M為玉米的總質(zhì)量，g；m為淀粉的質(zhì)量，g。

1.3.3試驗方法

(1)單因素試驗

以玉米為原料，選取浸泡時間、H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲溫度、超聲時間和料液比為單因素，進行單因素試驗，確定其對淀粉提取率的影響。

① 浸泡時間對玉米淀粉提取率的影響

稱50.00 g玉米，設(shè)定H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%、超聲溫度35℃、超聲時間20 min、料液比1∶10 g/ml，玉米浸泡時間分別為16、24、32、40、48 h，進行3次平行試驗，確定其對淀粉提取率的影響。

②H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對玉米淀粉提取率的影響

稱50.00 g玉米，設(shè)定玉米浸泡時間24 h、超聲溫度35℃、超聲時間20 min、料液比1∶10 g/ml，H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%，進行3次平行試驗，確定其對淀粉提取率的影響。

③超聲溫度對玉米淀粉提取率的影響

稱50.00 g玉米，設(shè)定玉米浸泡時間24 h、H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%、超聲時間20 min、料液比1∶10 g/ml，超聲溫度分別為25、35、45、55、65℃，進行3次平行試驗，確定其對淀粉提取率的影響。

④超聲時間對玉米淀粉提取率的影響

稱50.00 g玉米，設(shè)定玉米浸泡時間24 h、H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%、超聲溫度35℃、料液比1∶10 g/ml，超聲時間分別為10、15、20、25、30 min，進行3次平行試驗，確定其對淀粉提取率的影響。

⑤料液比對玉米淀粉提取率的影響

稱50.00 g玉米，設(shè)定玉米浸泡時間24 h、H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%、超聲溫度35℃、超聲時間20 min，料液比分別為1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30 g/ml，進行3次平行試驗，確定其對淀粉提取率的影響。

(2)響應(yīng)面試驗

根據(jù)單因素試驗的結(jié)果，并結(jié)合實際條件，選浸泡時間、超聲溫度和超聲時間為響應(yīng)面試驗因素，以玉米淀粉提取率為指標(biāo)，運用響應(yīng)面分析法對提取玉米淀粉的工藝參數(shù)，進行響應(yīng)面試驗。響應(yīng)面試驗因素水平表見表1。

表1 響應(yīng)面試驗因素與水平表

(3)對比試驗

依據(jù)傳統(tǒng)玉米淀粉濕法加工的方法提取玉米淀粉，然后與響應(yīng)面優(yōu)化的結(jié)果進行對比，分別進行3次平行試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1浸泡時間對玉米淀粉提取率的影響

浸泡時間對玉米淀粉提取率的影響見圖1。由圖1可知，浸泡時間為16、24、32、40、48 h時，提取率分別為64.39%、65.76%、66.14%、66.02%、65.94%。在浸泡過程中，隨著浸泡時間的增加，玉米淀粉提取率先增加，當(dāng)浸泡時間達到32 h時，提取率最大66.14%，之后緩慢下降。這主要是因為在浸泡初期玉米吸水膨脹，玉米表皮遭到破壞，胚和胚乳分離，淀粉暴露出來，進入到液體中。但隨著浸泡時間的增加，玉米會因吸水過多而達到飽和，且淀粉的含量一定，因此淀粉提取率不會隨著浸泡時間繼續(xù)增加而是處于穩(wěn)定下降。因此，選32 h最為合適。

圖1 浸泡時間對玉米淀粉提取率的影響

2.1.2H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對玉米淀粉提取率的影響

H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對玉米淀粉提取率的影響見圖2。

圖2 H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對玉米淀粉提取率的影響

由圖2可知，H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%時，提取率分別為65.51%、65.57%、65.65%、65.71%、65.74%。隨著H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，提取率穩(wěn)定上升，在H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時提取率最低為65.51%，在H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%時提取率最高為65.74%，提取率之差為0.23個百分點。從整個質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化過程來看，H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加對提取率的影響較小?？紤]到成本、淀粉中SO2的殘留、SO2腐蝕性和環(huán)境保護等問題，選擇H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%。

2.1.3超聲溫度對玉米淀粉提取率的影響

超聲溫度對玉米淀粉提取率的影響見圖3。由圖3可知，超聲溫度為25、35、45、55、65℃時，提取率分別為63.08%、64.31%、65.51%、63.72%、60.05%。隨著超聲溫度的增加，提取率呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，在45℃時提取率最高為65.51%。這主要是因為在超聲溫度較低時，隨著溫度的升高，淀粉加速溶出，加快淀粉和蛋白質(zhì)分離，提取率增加；但當(dāng)溫度過高時，淀粉在高溫下會發(fā)生糊化，淀粉提取率快速降低。因此，將超聲溫度定為45℃最佳。

圖3 超聲溫度對玉米淀粉提取率的影響

2.1.4超聲時間對玉米淀粉提取率的影響

超聲時間對玉米淀粉提取率的影響見圖4。

圖4 超聲時間對玉米淀粉提取率的影響

由圖4可知，超聲時間為10、15、20、25、30 min時，提取率分別為64.04%、64.64%、65.11%、64.97%、64.82%。隨著超聲時間的增加，提取率呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢，在超聲時間為20 min時提取率最高為65.11%。這主要是因為當(dāng)超聲時間較少時，超聲波產(chǎn)生的機械作用和空化作用破壞了淀粉和蛋白質(zhì)之間的二硫鍵，促進淀粉和蛋白質(zhì)分離[6]；當(dāng)超聲時間過長時，淀粉顆粒分解產(chǎn)生較小的分子，在離心的過程中，淀粉顆粒很難被分離出。因此，選擇超聲時間為20 min。

2.1.5料液比對玉米淀粉提取率的影響

料液比對玉米淀粉提取率的影響見圖5。由圖5可知，料液比分別為1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30時，提取率分別為64.31%、64.25%、64.18%、64.14%、64.12%。隨著浸泡液中物料的減少，玉米淀粉提取率下降。主要是因為分散相濃度降低，粒子之間的碰撞和攪動減弱，并且超聲波對玉米淀粉的選擇性降低，超聲波氣流很難破壞或削弱淀粉顆粒與蛋白質(zhì)之間的作用力，所以在離心時，淀粉顆粒很難被釋放和分離出來。因此，料液比選擇1∶10 g/ml最佳。

圖5 料液比對玉米淀粉提取率的影響

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析

2.2.1響應(yīng)面試驗

根據(jù)單因素試驗，選擇對玉米淀粉提取率影響較大的因素，用Box-Behnken進行中心試驗，并根據(jù)試驗設(shè)計原理進行響應(yīng)面試驗[18]，試驗結(jié)果見表2和表3。

表2 響應(yīng)面試驗結(jié)果

表3 方差分析表

2.2.2模型方程的建立與顯著性檢驗

運用Design-Expert 8.0.6響應(yīng)面軟件分析回歸模型，經(jīng)回歸擬合后得到玉米浸泡時間、超聲溫度、超聲時間的回歸方程為：

淀粉提取率=67.74+0.45A+0.59B+

0.33C-0.51AB+0.37AC-

0.24BC-1.5A2-

2.34B2-1.23C2

由表3可知，模型P值小于0.001，表明模型極顯著，失擬項P=0.799 4>0.05表明該模型合適。用此模型對玉米淀粉提取率進行分析和預(yù)測是可靠的。一次項A、B、C極顯著；二次項A2、B2和C2均極顯著，說明這些因素對淀粉提取率都有的很大影響。根據(jù)F值，可得影響淀粉提取率的大小順序為B、A、C。相關(guān)系數(shù)R2= 99.64%，表明二次回歸方程的擬合度預(yù)測值和實驗值相關(guān)性很強。因此，該回歸方程可用于確定改善超聲提取玉米淀粉的最佳工藝。

2.2.3響應(yīng)面分析及優(yōu)化

浸泡時間與超聲溫度的響應(yīng)面和等值線圖見圖6。圖6反應(yīng)了在超聲時間為20 min時，改變浸泡時間和超聲溫度，進一步確定在浸泡時間和超聲溫度的共同變化下，對玉米淀粉提取率的影響。由圖6可以看出，隨著浸泡時間的增加，提取率增加，32 h以后，提取率開始下降。隨著超聲溫度的增加，玉米淀粉提取率先增后減。等值線圖為橢圓形，表明在浸泡時間和超聲溫度的共同作用下，玉米淀粉提取率變化顯著，即交互作用顯著。根據(jù)方差分析表F值可知，B>A，表明合理設(shè)置超聲溫度可以明顯增加玉米淀粉提取率，而浸泡時間在合理的數(shù)值內(nèi)，超聲溫度對玉米淀粉提取率影響更顯著。

浸泡時間與超聲時間的響應(yīng)面和等值線圖加圖7。圖7為超聲溫度在45℃時，浸泡時間和超聲時間的交互作用對淀粉提取率的影響。結(jié)果表明，浸泡時間增加，提取率增加，浸泡時間太長，提取率又會下降。當(dāng)超聲時間延長時，玉米淀粉得率也先增后減，但變化較小，當(dāng)超聲20 min時提取率最大。根據(jù)等值線圖可以看出，浸泡時間對淀粉提取率的影響大于超聲時間對其的影響。

超聲溫度與超聲時間的響應(yīng)面和等值線圖見圖8。圖8顯示了浸泡時間為32 h時，超聲溫度和超聲時間相互作用對淀粉提取率的影響。當(dāng)超聲溫度增大時，提取率先上升后下降；超聲時間增加，淀粉提取率的變化趨勢和超聲溫度改變時淀粉提取率的變化趨勢相同，但超聲溫度的變化更明顯。同時，根據(jù)等值線圖可以看出超聲溫度要比超聲時間對玉米淀粉提取率影響顯著。表現(xiàn)為超聲溫度對應(yīng)的等值曲線徒峭，超聲時間對應(yīng)的等值曲線相對平緩。

2.3 對比試驗

由單因素試驗得到H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%、料液比1∶10 g/ml最佳；根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化的結(jié)果，得到提取玉米淀粉的最佳工藝條件為浸泡時間32 h、超聲溫度45℃、超聲時間20 min。將玉米淀粉傳統(tǒng)濕法加工[19]與響應(yīng)面優(yōu)化試驗進行比較，結(jié)果見表4。

表4 對比試驗結(jié)果

由表4可知，H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少了75%，玉米浸泡時間減少了33%，玉米淀粉提取率增加了7.85個百分點。這是因為在超聲處理之后，淀粉蛋白質(zhì)間二硫鍵松弛，更多的淀粉被釋放出來。

3 結(jié)論

(1)從單因素試驗中得到影響玉米淀粉提取較顯著的因素分別是浸泡時間、超聲溫度和超聲時間。

(2)通過Box-Behnken試驗設(shè)計進行響應(yīng)面試驗，得出超聲溫度對淀粉提取率的影響最大，浸泡時間和超聲時間其次。

(3)通過單因素試驗得出H2SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%、料液比1∶10 g/ml為最佳選擇，通過響應(yīng)面優(yōu)化試驗得出提取玉米淀粉的最佳工藝條件為浸泡時間32 h，超聲溫度45℃，超聲時間20 min，提取率68.02%。在優(yōu)化條件下淀粉提取率相比傳統(tǒng)濕法加工增加了7.85個百分點。