大米淀粉提取工藝對(duì)淀粉產(chǎn)品鎘含量的影響

田 陽(yáng) 魏 帥 魏益民 郭波莉 趙多勇

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

大米淀粉是大米的主要營(yíng)養(yǎng)成分之一，它以其特有的理化性質(zhì)，廣泛用于食品、醫(yī)藥及化工等行業(yè)［1－2］。水稻是對(duì)重金屬鎘富集能力較強(qiáng)的糧食作物，水稻鎘污染對(duì)大米生產(chǎn)、加工及質(zhì)量安全構(gòu)成了潛在威脅［3－5］。研究表明，水稻植株中的鎘在由莖葉向水稻籽粒運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，會(huì)選擇性地與蛋白質(zhì)以絡(luò)合物的形式結(jié)合［6－8］，因此大米蛋白質(zhì)是鎘富集的主要部位。有研究報(bào)道，大米中60%以上的鎘均蓄積在蛋白質(zhì)中［9］，說(shuō)明淀粉等其他營(yíng)養(yǎng)成分中的鎘含量較低，這為提取大米淀粉，獲得符合標(biāo)準(zhǔn)的淀粉產(chǎn)品奠定了一定的理論基礎(chǔ)。目前，有關(guān)大米淀粉提取的研究主要集中在對(duì)淀粉提取率、純度及產(chǎn)品理化特性分析方面［10－12］，還沒(méi)有提取工藝對(duì)淀粉產(chǎn)品鎘含量影響的研究報(bào)道，以及有效的淀粉和鎘的分離技術(shù)。

大米淀粉的提取方法主要包括堿浸提法、酶水解法和表面活性劑法［10，13－16］。堿法提取的淀粉純度和提取率較高［13］，但淀粉結(jié)構(gòu)和性質(zhì)會(huì)受到一定程度的影響［14］;而酶水解法和表面活性劑法提取條件溫和，淀粉結(jié)構(gòu)不易被破壞［10，14］，但淀粉純度較低，且由于提取劑費(fèi)用昂貴導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高［15－16］。本研究重點(diǎn)比較分析3種提取方法對(duì)淀粉中鎘含量、淀粉提取率及純度的影響，并對(duì)淀粉鎘含量低的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。以期為開(kāi)發(fā)含鎘大米中淀粉與鎘的分離工藝提供依據(jù)，進(jìn)而為大米中鎘的去除與控制技術(shù)實(shí)施提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

在湖南省某地選取鎘含量不同的稻谷樣品3份。稻谷經(jīng)礱谷－碾米、粉碎、過(guò)100目篩，得到試驗(yàn)樣品。

Pronase中性蛋白酶、SDS:美國(guó) Sigma－Aldrich公司;淀粉總量檢測(cè)試劑盒:愛(ài)爾蘭Megazyme公司;硝酸、雙氧水:國(guó)產(chǎn)BV－Ⅲ級(jí)純;其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 主要儀器與設(shè)備

CEM Mars 240/50型微波消解儀:美國(guó)Pynn公司;Shimadzu AA－7000型原子吸收光譜儀:日本Shimadzu公司;2300全自動(dòng)凱氏定氮儀:瑞典Foss公司;Christ Alpha 1－4 LSC實(shí)驗(yàn)室高級(jí)型凍干機(jī):德國(guó)Marin Christ公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 大米淀粉提取工藝

參考Wang等［13］的工藝提取大米淀粉:將30 g大米粉與浸提液以1∶5的比例混勻，置于40℃恒溫水浴振蕩器中反應(yīng)12 h，于室溫下3 000 r/min離心20 min;棄去上清液，水洗沉淀3次，提取的淀粉濕塊在－40℃冷凍干燥24 h，粉碎過(guò)100目篩，存儲(chǔ)于干燥器中備用。

堿法提取用的浸提液為0.2%的NaOH溶液;酶法提取用的浸提液為0.01%的Pronase中性蛋白酶的磷酸鹽緩沖液(0.03 mol/L，pH 7.0)［16］;表面活性劑法用的浸提液為1.0%的表面活性劑(SDS)溶液［17］。

1.3.2 成分測(cè)定

水分含量測(cè)定采用GB/T 14769—1993常壓加熱干燥法;蛋白質(zhì)含量測(cè)定采用GB/T 5511—1985凱氏定氮法，蛋白質(zhì)系數(shù)為5.95;淀粉含量的測(cè)定采用 AOAC 996－11。

1.3.3 鎘含量測(cè)定

樣品消解:樣品利用微波消解法消解。稱樣量為0.300 g，消解體系為8 mL HNO3(65%)+2 mL H2O2(40%)。采用逐步升溫的方式消解，初始溫度為40℃，以10℃/min的速度升溫至120℃，保持2 min;再以8℃/min的速度升溫至160℃，保持5 min;最后以4℃/min的速度升溫至180℃，保持15 min。消解完成后，將消解液于電熱板上(180℃)迅速用超純水(電阻≥18.2 MΩ)定容至鎘濃度范圍為0.5～5.0 μg/L 待測(cè)。

鎘含量測(cè)定參照 GB/T 5009.15—2003食品中鎘的測(cè)定中的石墨爐原子吸收光譜法執(zhí)行。測(cè)定條件:波長(zhǎng)228.8 nm，狹縫寬度 0.7 nrn，燈電流 8 mA，進(jìn)樣量10μL。

1.3.4 大米淀粉提取工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用Box－Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以液料比、堿液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和反應(yīng)時(shí)間3因素為自變量，以淀粉鎘含量為響應(yīng)指標(biāo)，設(shè)計(jì)3因素3水平組合的響應(yīng)面分析試驗(yàn)。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果，確定3個(gè)自變量的范圍及水平編碼(表1)。

表1 試驗(yàn)因子水平及編碼表

1.3.5 淀粉提取率和純度的計(jì)算

淀粉提取率=產(chǎn)品中淀粉總質(zhì)量/原料大米中淀粉總質(zhì)量×100%

淀粉純度=產(chǎn)品中淀粉總質(zhì)量/產(chǎn)品質(zhì)量×100%

1.3.6 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2003處理數(shù)據(jù)，SAS 8.1和Design－Expert 7.0統(tǒng)計(jì)軟件做方差分析和響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 大米成分及含量

由表2可以看出，3份大米樣品鎘含量差異較大，且超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 2762—2005，0.2 mg/kg)。

表2 大米樣品中的鎘、蛋白質(zhì)和淀粉含量(干基)

2.2 淀粉提取方法對(duì)淀粉產(chǎn)品鎘含量的影響

比較3份大米樣品經(jīng)不同提取方法制得的大米淀粉的鎘含量(圖1)，可以看出，與大米樣品相比，3種方法提取淀粉產(chǎn)品的鎘含量均大幅度降低。堿法提取的大米淀粉產(chǎn)品鎘含量顯著低于酶法和表面活性劑法(P＜0.05);表面活性劑法提取的淀粉產(chǎn)品鎘含量最高。

圖1 大米及不同方法提取的淀粉的鎘含量

3種方法的淀粉提取率及淀粉純度分別如圖2和圖3所示。從圖2中可以看出，表面活性劑法的淀粉提取率顯著高于酶法和堿法(P＜0.05);堿法的淀粉提取率與酶法無(wú)顯著差異。從圖3中可以看出堿法提取的淀粉純度最高，淀粉含量達(dá)95%以上，顯著高于酶法和表面活性劑法(P＜0.05);表面活性劑法提取的淀粉純度最低。

圖2 大米淀粉提取方法與大米淀粉提取率

圖3 大米淀粉提取方法與提取物中大米淀粉的純度

綜合比較可以得出，堿法提取的大米淀粉產(chǎn)品鎘含量最低、淀粉純度最高。因此，選取堿法作為大米淀粉提取工藝，以淀粉產(chǎn)品中鎘含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化提取工藝條件。

2.3 堿法提取工藝對(duì)淀粉產(chǎn)品鎘含量的影響

2.3.1 堿法提取淀粉工藝優(yōu)化

選取2號(hào)大米樣品(鎘含量為0.720 4 mg/kg)為試驗(yàn)材料，采用Box－Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化堿法分離大米淀粉和鎘的工藝條件。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。試驗(yàn)設(shè)計(jì)包括12個(gè)因子點(diǎn)和3個(gè)中心點(diǎn)重復(fù)。每一條件進(jìn)行3次試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

表3 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案和試驗(yàn)結(jié)果

采用Design－Expert 7.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得對(duì)響應(yīng)值——淀粉鎘含量(Y)的影響因子——液料比(X1)、堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)(X2)和反應(yīng)時(shí)間(X3)的二次多項(xiàng)式回歸模型，得到淀粉產(chǎn)品鎘含量(Y)的回歸方程為:

2.3.2 響應(yīng)面分析

對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析(表4)，結(jié)果表明，模型的回歸性極顯著(P＜0.000 1)，決定系數(shù)R2=0.988 6;失擬檢驗(yàn) P 值為 0.121 4 ＞0.05，失擬檢驗(yàn)不顯著。決定系數(shù)和失擬檢驗(yàn)兩項(xiàng)結(jié)果表明方程(1)的數(shù)學(xué)模型擬合良好。模型中一次項(xiàng)X1、X2、X3和二次項(xiàng)均對(duì)響應(yīng)值Y影響極顯著(P＜0.01)，二次項(xiàng)X12和交互項(xiàng)X1X2、X1X3對(duì)響應(yīng)值Y影響顯著(P＜0.05);而交互項(xiàng)X2X3對(duì)響應(yīng)值Y影響不顯著。圖4和圖5是顯著影響淀粉產(chǎn)品鎘含量因素間交互作用的3維曲面圖及等高線圖。由回歸模型得到淀粉鎘含量最小預(yù)測(cè)值為0.111 8 mg/kg。優(yōu)化組合為 X1=6.8，X2=0.23，X3=16.3，即液料比為6.8∶1，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.23%，反應(yīng)時(shí)間為 16.3 h。

表4 回歸模型方差分析表

圖4 液料比與堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)交互作用的響應(yīng)面和等高線

圖5 液料比與反應(yīng)時(shí)間交互作用的響應(yīng)面和等高線

2.3.3 模型驗(yàn)證

依據(jù)回歸模型得到的最佳工藝條件，兼顧實(shí)際操作，優(yōu)化的工藝參數(shù)為:液料比為6.8∶1，堿液濃度為0.23%，反應(yīng)時(shí)間為16 h。試驗(yàn)重復(fù)5次，所得淀粉產(chǎn)品鎘含量為0.109 7 mg/kg，其鎘含量與理論預(yù)測(cè)值(0.114 0 mg/kg)相比無(wú)顯著性差異?？梢?jiàn)該模型能較好地模擬和預(yù)測(cè)提取條件對(duì)制得的淀粉中鎘含量的影響。在該工藝條件下制得的淀粉其鎘含量下降了84.77%，淀粉純度為 97.02%，提取率為75.12%。

3 討論

有關(guān)不同分離方法提取大米淀粉的文獻(xiàn)報(bào)道表明，與酶法和表面活性劑法相比，堿法提取的淀粉純度最高、蛋白質(zhì)含量最低［15－16］。堿法提取的淀粉產(chǎn)品鎘含量顯著低于酶法和表面活性劑法。大米中的鎘主要與具有特定分子質(zhì)量的蛋白質(zhì)組分以絡(luò)合物的形式結(jié)合，在淀粉等其他成分中積累較少［6－9］。大米淀粉提取工藝是將淀粉與蛋白質(zhì)分離的過(guò)程。在該過(guò)程中，隨著蛋白質(zhì)的去除，與蛋白質(zhì)結(jié)合的鎘也隨之被去除。在堿法提取淀粉過(guò)程中，堿液可使蛋白質(zhì)與淀粉結(jié)合的緊密結(jié)構(gòu)變得疏松，并破壞蛋白質(zhì)分子間的次級(jí)鍵，使極性基團(tuán)發(fā)生解離，從而對(duì)蛋白質(zhì)分子有增溶作用，促進(jìn)了淀粉和蛋白質(zhì)的分離［18－19］。與酶水解法和表面活性劑法相比，堿法對(duì)含鎘蛋白的去除能力更強(qiáng)。這可能是堿法提取的淀粉產(chǎn)品鎘含量低于其他兩種方法的主要原因。

以3份大米樣品為原料提取的淀粉產(chǎn)品鎘含量均大幅度降低，而且鎘含量的下降比例無(wú)明顯差異，可見(jiàn)原料鎘含量對(duì)生產(chǎn)工藝優(yōu)化無(wú)顯著影響。本試驗(yàn)選取了2號(hào)大米樣品來(lái)優(yōu)化堿法分離淀粉和鎘的工藝條件。試驗(yàn)結(jié)果表明，含鎘大米在該優(yōu)化工藝條件下提取的淀粉其鎘含量下降84.77%。目前，國(guó)家有關(guān)淀粉制品的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 2713—2003)規(guī)定淀粉制品的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中并不包括鎘的限量標(biāo)準(zhǔn)，如果按照國(guó)家規(guī)定的大米中鎘的限量標(biāo)準(zhǔn)(GB 2762—2005，0.2 mg/kg)計(jì)算，鎘含量低于 1.31 mg/kg 的大米均可通過(guò)本研究的工藝(按鎘含量下降84.77%計(jì)算)制得鎘含量達(dá)標(biāo)的淀粉產(chǎn)品。本試驗(yàn)提取的大米淀粉純度為97.02%;淀粉提取率為75.12%。陳季旺等［20］研究了堿酶兩步法純化大米淀粉的工藝，結(jié)果表明優(yōu)化后的堿法提取的大米淀粉純度為94.35%(干基)，淀粉提取率為78.74%，再經(jīng)酶法進(jìn)一步純化后大米淀粉純度和淀粉提取率分別為97.21%和77.10%。與陳季旺等［20］研究結(jié)果相比，本試驗(yàn)提取的大米淀粉雖提取率較低，但純度較高，接近于酶法純化后的淀粉純度。因此，該大米淀粉提取工藝不但對(duì)鎘具有較好的去除效果，而且淀粉分離效果也較好。

4 結(jié)論

與原料大米相比，3種方法提取的淀粉產(chǎn)品鎘含量均大幅度降低;堿法提取的淀粉產(chǎn)品鎘含量顯著低于酶法和表面活性劑法。優(yōu)化后的堿法提取大米淀粉的工藝條件為:液料比為6.8∶1，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.23%，反應(yīng)時(shí)間為16 h。該條件下提取的大米淀粉其鎘含量下降了84.77%，淀粉純度為97.02%，淀粉提取率為75.12%。

［1］顧正彪，李兆豐，洪雁，等.大米淀粉的結(jié)構(gòu)、組成與應(yīng)用［J］.中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2004，19(2):21 －26

［2］Puchongkavarin H，Varavinit S，Bergthaller W，et al.Comparative study of pilot scale rice starch production by an alkaline and an enzymatic process［J］.Starch/St rke，2005，57:134 －144

［3］He J Y，Zhu C，Ren Y F，et al.Uptake，subcellular distribution，and chemical forms of cadmium in wild － type and mu-tant rice［J］.Pedosphere，2008，18(3):371 － 377

［4］金亮，李戀卿，潘根興，等.蘇北地區(qū)土壤－水稻系統(tǒng)重金屬分布及其食物安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2007，23(1):33 －39

［5］楊春剛，廖西元，章秀福，等.不同基因型水稻籽粒對(duì)鎘積累的差異［J］.中國(guó)水稻科學(xué)，2006，20(6):660 －662

［6］Suzuki K T，Sasakura C，Ohmichi M.Binding of endogenous and exogenous cadmium to glutelin in rice grains as studied by HPLC/ICP － MS with use of a stable isotope［J］.Journal of Trace Elements in Medicine and Biology，1997，11:71 －76

［7］于輝，楊中藝，向佐湘，等.兩種不同鎘積累類型水稻糙米中鎘的存在形態(tài)［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，49(1):85－89

［8］何孟常，楊居榮.水稻籽實(shí)中蛋白質(zhì)－Cd，Pb結(jié)合體及其穩(wěn)定性［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21(2):213－217

［9］查燕，楊居榮，劉虹，等.污染稻麥籽實(shí)中鎘和鉛的分布及其存在形態(tài)［J］.北京師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2000，36(2):268－273

［10］蘆鑫，張暉，姚惠源.不同提取方法對(duì)粳米淀粉結(jié)構(gòu)的影響［J］.食品科學(xué)，2008，29(1):102 －106

［11］Li Y，Shoemaker CF，Ma JG，et al.Effects of Alcalase/Protease N treatments on rice starch isolation and their effects on its properties［J］.Food Chemistry，2009，114:821 －828

［12］Lumdubwong N，Seib P A.Rice starch isolation by alkaline protease digestion of wet－ milled rice flour［J］.Journal of Cereal Science，2000，31:63 －74

［13］Yamamoto K，Sumie S，Toshio O.Properties of rice starch prepared by alkali method with various conditions［J］.Denpun Kagaku，1973，20:99 －102

［14］Chiou H，Martin M，F(xiàn)itzgerald M.Effect of purification methods on rice starch structure［J］.Starch/St rke，2002，54:415－420

［15］Wang L F，Wang Y J.Application of high － intensity ultrasound and surfactants in rice starch isolation［J］.Cereal Chemistry，2004，81(1):140 － 144

［16］Wang L F，Wang Y J.Rice starch isolation by neutral protease and high － intensity ultrasound［J］.Journal of Cereal Science，2004，39:291 －296

［17］Zhong F，Li Y.The effect of rice variety and starch isolation method on the pasting and rheological properties of rice starch pastes［J］.Food Hydrocolloids，2009，23:406 － 414

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

［19］Landers PS，Hamaker B R.Antigenic properties of albumin，globulin and protein concentrate fractions from rice bran［J］.Cereal Chemistry，1994，71:409 －411

［20］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(bào)，2007，23(9):225 －228.