大米淀粉的提取及純化方法研究

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 長沙 410004）

目前我國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加工狀態(tài)，每年有各類稻米加工副產(chǎn)品近9 000萬t未得到合理開發(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驗室研究階段。相對西方發(fā)達(dá)國家，我國較高的儲糧損耗率（偏高約8個百分點）和每年損耗230萬t糧食，給我國糧庫和財政帶來了沉重的經(jīng)濟(jì)壓力和負(fù)擔(dān)[2]。為使我國農(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)大國向稻米加工強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，對現(xiàn)有的稻谷加工副產(chǎn)物資源進(jìn)行深入研究和整合開發(fā)利用，大力提升稻米附加值，實現(xiàn)稻米加工的高效產(chǎn)業(yè)化，已經(jīng)迫在眉睫。本研究通過制備高純度大米淀粉，以期提高大米的附加值，為改變我國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 試驗試劑

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

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（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 試驗方法

試驗在傳統(tǒng)堿法提取大米淀粉的基礎(chǔ)上，采用單因素試驗，尋找到合適的提取范圍，再采用正交試驗設(shè)計法，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，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]測定蛋白質(zhì)，蒽酮比色法測定淀粉含量。

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

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

3.1.1 NaOH濃度對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，粗大米淀粉的提取率最高。這是因為大米中80%以上的蛋白質(zhì)為堿溶性蛋白，易溶于堿液。NaOH濃度較低時，對大米淀粉的品質(zhì)影響較??；隨著NaOH濃度的升高，大米淀粉開始出現(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NaOH的濃度宜選0.4%左右。

3.1.2 不同固液比對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時粗大米淀粉的提取率最高，可見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，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 不同浸提時間對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，浸泡時間設(shè)置為 1、2、3、4、5、6 h，提取粗大米淀粉的結(jié)果見圖1-C。從圖可以看出，隨著浸提時間的增加，粗大米淀粉的提取率增加；但當(dāng)浸提時間超過4 h，粗大米淀粉的提取率增加緩慢。這可能是隨著時間的延長，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

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

表1 提取粗大米淀粉的影響因素的正交試驗結(jié)果

對正交試驗的結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表2。

表2 正交試驗極差分析 （%）

從表2中可見，各因素對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，其次是浸提時間和固液比，最佳條件為A2B2C3。而對大米淀粉蛋白質(zhì)含量的影響依次為A>B>C，即浸提時間影響最大，NaOH濃度影響最小，最佳條件為A2B1C3。

結(jié)果表明：浸提時間對試驗結(jié)果的影響較小，為考慮時間成本，選擇最佳條件是A2，時間為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

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

3.3.1 超聲波處理時間對大米淀粉提取率的影響為了研究超聲波處理時間對大米淀粉提取率的影響，分別選取超聲波處理時間為 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，酶解時間為4 h，酶用量為4 mg/g進(jìn)行試驗，結(jié)果見圖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，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，壓縮振動和氣泡崩潰時所產(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，有利于堿性蛋白酶的作用。但隨著超聲波處理時間的延長，上述作用效應(yīng)不能無限制的累加，所以當(dāng)處理時間達(dá)到25min之后，大米淀粉提取率隨時間延長而增加的幅度很小。因此，選用超聲波處理時間以25min左右為宜。

3.3.2 固液比對大米淀粉提取率的影響 為了研究固液比對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℃，超聲波處理時間為20 min，酶解時間為4 h，酶用量為4mg/g進(jìn)行試驗。

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，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 酶解溫度對大米淀粉提取率的影響 為了研究不同的酶解溫度對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℃，超聲波處理時間為20 min，固液比為1∶6，酶解時間為4 h，酶用量為4 mg/g進(jìn)行試驗（圖2-C）。由圖2-C可知，當(dāng)酶解溫度為45℃時，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)溫度超過一定的范圍后，由于溫度過高，酶的活性下降，故大米淀粉的提取率反而下降。所以酶解溫度的時間宜選擇在45℃左右。

3.3.4 酶解時間對大米淀粉提取率的影響 為了研究酶解時間對大米淀粉提取率的影響，分別選取酶解時間為 1、2、3、4、5、6 h，酶解溫度為 45℃，固液比為1∶6，超聲波處理時間為20 min，酶用量為4 mg/g進(jìn)行試驗（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間的增加而上升，這是由于隨著時間的增加，蛋白酶有充分的時間對大米蛋白進(jìn)行分解。但經(jīng)過一段時間后，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，酶解時間選擇為5 h左右。

3.3.5 酶用量對大米淀粉提取率的影響 為了研究酶用量對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，酶解時間4 h，超聲波處理20 min進(jìn)行試驗（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

根據(jù)影響大米淀粉純化的單因素試驗結(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5因素4水平的正交試驗（表3）。

表3 純化大米淀粉的影響因素的正交試驗結(jié)果

對正交試驗的結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表4。

從表4可知，各因素對大米淀粉提取率影響程度由大到小依次是：B>A>D>E>C，即酶用量對大米淀粉提取率的影響最顯著，其次是超聲波處理時間和酶解溫度，酶解時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，此時大米淀粉提取率為91.2%，測得純度為98.7%。

表4 正交試驗極差分析 （%）

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、低過敏性的特點，在國內(nèi)外市場有很大的需求空間。如何將實驗室制備高品質(zhì)大米淀粉方法運(yùn)用到生產(chǎn)實踐中，以期獲得規(guī)?；a(chǎn)，并使高品質(zhì)大米淀粉得到充分利用，是今后研究的一個重要方面。

[1] Marshall W G,Wordsworth J I.Rice Science and Thechnologyl[M].New York:Mafc Dekker lnc,1994:237-259.

[2] 王良東，杜風(fēng)光，史吉平.大米淀粉的制備和應(yīng)用[J].糧食加工，2006，（4）：72-74.

[3] Tanaka K,Sugimoto T,Ogawa M,et al.Isolation and characerization of two types of protein bodies in the rice endosperm[J].Agricultural and Biological Chemistry,1980,44:1633-1639.

[4] 王領(lǐng)軍，王 立，姚惠源，等.大米淀粉的性質(zhì)、生產(chǎn)及應(yīng)用[J].糧食與飼料工業(yè)，2004，（11）：22-25.

[5] 李福謙，唐書澤，李愛萍等.堿消化法提純大米淀粉的研究[J].生產(chǎn)與科研經(jīng)驗，2005，（31）：55-57.

[6] 倪凌燕，王 立，易翠平，等.高純度大米淀粉的提取分離純化[J].糧油加工，2006，（9）：72-76.

[7] 王 萍，蘇玖玲，陳 磊.大米淀粉的提取[J].糧食與飼料工業(yè)，2006，（5）：20-21.

[8]GB/T5009.5—2003，食品中蛋白質(zhì)的測定[S].

[9] 陳季旺，劉 英，劉 剛，等.大米淀粉純化工藝及其性質(zhì)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23（9）：225-228.

[10]易翠平，倪凌燕，姚惠源.大米淀粉的純化及性質(zhì)研究[J].中國糧油學(xué)報，2005，20（3）：5-8.

[11]蘆 鑫，張 暉，姚惠源.采用表面活性劑結(jié)合超聲波法分離淀粉[J].食品工業(yè)科技，2007（4）：73-76.

[12]黃光文，沈玉平，李常健.甘薯淀粉含量測定的新方法[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，（9）：109-111.