李鎖霞，閔偉紅*，李鴻梅，劉 嘉，張 丹，劉景圣

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

響應(yīng)面法優(yōu)化玉米兩步浸泡工藝

李鎖霞，閔偉紅*，李鴻梅，劉 嘉，張 丹，劉景圣

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

以玉米為原料，采用兩步浸泡工藝提取淀粉，通過單因素試驗(yàn)考察第2步浸泡工藝中浸泡時間、浸泡溫度和酸性蛋白酶添加量對淀粉得率的影響，并通過響應(yīng)面法建立淀粉得率與浸泡時間、浸泡溫度及蛋白酶添加量之間的關(guān)系。玉米浸泡的最優(yōu)工藝條件：第1步浸泡溫度52℃、浸泡時間3h；第2步浸泡溫度51℃、浸泡時間2.25h、加酶量700U/g。擬合得到的模型較好的符合實(shí)際。該方法浸泡時間2.25h，淀粉得率64.9%。

玉米淀粉；浸泡；響應(yīng)面法

浸泡工藝是玉米淀粉加工過程中所涉及的第一道也是最重要的一道工序，浸泡效果的好壞直接影響淀粉成品和其他副產(chǎn)品的收率、質(zhì)量和成本[1]。傳統(tǒng)玉米淀粉生產(chǎn)中浸泡工藝普遍采用亞硫酸在48～53℃條件，于8～12只浸泡罐逆流循環(huán)浸泡的間歇操作，浸泡時間為36～48h，1t商品玉米耗蒸汽157kg，產(chǎn)生0.7～1.0t稀玉米漿[2]。該方法存在浸泡時間長，生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低，耗能高，廢水排放量大，同時所釋放SO2氣體污染環(huán)境，亞硫酸對設(shè)備和管道有強(qiáng)烈腐蝕作用等缺點(diǎn)，因此需要對傳統(tǒng)浸泡工藝技術(shù)進(jìn)行革新。

國外在上世紀(jì)70年代就有學(xué)者對浸泡工序進(jìn)行研究。Perez等[3-4]在浸泡前先把玉米破碎成幾塊能夠縮短浸泡時間，提高淀粉得率。許多學(xué)者[5-11]研究發(fā)現(xiàn)在浸泡液中添加乳酸或是酶制劑可以縮短浸泡時間且提高淀粉得率。Johnston等[8]報道了一種新的浸泡工藝，將整粒玉米粗磨后，加特定酶浸泡，較大程度的縮短了浸泡時間。

國內(nèi)也有關(guān)于浸泡工藝的研究報道。趙壽經(jīng)等[12]根據(jù)嗜熱乳酸菌的發(fā)酵特性和菠蘿蛋白酶的動力學(xué)特征，結(jié)合兩步粉碎法，將整個浸泡時間縮短至16h；閔偉紅等[13]采用復(fù)合酶和加壓法聯(lián)合浸泡，將整個浸泡時間縮短至15h。

本研究在篩選所需浸泡酶的種類，確定酸性蛋白酶為高效作用酶的基礎(chǔ)上，采用兩步浸泡法，并應(yīng)用響應(yīng)面分析對玉米兩步浸泡方法進(jìn)行優(yōu)化，探討縮短玉米浸泡時間，降低環(huán)境污染，提高玉米淀粉成品及下游產(chǎn)品的國際競爭力途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米(水分含量14%) 黃龍食品工業(yè)有限公司；酸性蛋白酶 寧夏和氏璧生物技術(shù)有限公司。

考馬斯亮藍(lán)G-250、牛血清白蛋白、無水乙醇、苯酚、濃硫酸、乳酸、乳酸鈉、氫氧化鈉、鹽酸、DNS等均為分析純(AR)。

1.2 儀器與設(shè)備

AUY220分析天平 菲律賓Shimadzu公司；Z-36HK高速低溫離心機(jī) 德國HermLe公司；UV-1700紫外-可見分光光度計 日本島津公司；FE20 pH測定儀 梅特勒-托利多儀器有限公司；JYL-610粉碎機(jī) 山東九陽小家電有限公司；半微量凱式定氮儀 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；HH-8數(shù)顯電子恒溫水浴鍋 國華電器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米淀粉加工工藝流程

原料玉米→清理、除雜→第1步浸泡→粗粉碎→分離胚芽和種皮→加酶第2步浸泡→細(xì)磨→多次水洗，離心→蛋白質(zhì)分離→淀粉→洗滌→離心脫水→干燥→商品淀粉

1.3.2 第1步浸泡時間和浸泡溫度的確定

分別稱取整粒玉米100g，按照玉米與水1:2的比例，置于溫度48、50、52、54℃的清水中，并分別于以上溫度浸泡2、3、4、5h后，測定玉米籽粒、玉米胚芽含水量以及浸泡液中干物質(zhì)含量。試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

1.3.3 第2步加酶浸泡試驗(yàn)條件確定

1.3.3.1 加酶量確定

把去除胚芽和種皮的粗磨后玉米與浸泡水按照1:2浸泡，調(diào)整浸泡液pH3.5、浸泡溫度50℃，酸性蛋白酶加酶量分別為200、400、600、800、1000U/g進(jìn)行浸泡，每1h取樣，測定指標(biāo)，浸泡時間為6h。玉米浸泡好后把浸泡液搖勻，取10mL 3000r/min離心5min，取上清液測量浸泡液中總糖含量，確定最佳酸性蛋白酶加酶量。試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

1.3.3.2 浸泡溫度確定

酸性蛋白酶加酶量為600U/g，浸泡溫度分別為46、48、50、52、54℃，其他條件同1.3.3.1節(jié)，確定最佳浸泡溫度。

1.3.3.3 浸泡時間確定

酸性蛋白酶加酶量為600U/g，浸泡溫度50℃，浸泡時間分別為1、2、3、4、5h進(jìn)行浸泡，其他條件同1.3.3.1節(jié)，確定最佳浸泡時間。

1.3.4 指標(biāo)測定

浸泡液中干物質(zhì)含量、玉米顆粒和玉米胚芽含水量測定：均采用105℃烘箱連續(xù)烘干，直至質(zhì)量恒定，稱質(zhì)量；淀粉中蛋白質(zhì)含量測定：采用凱氏定氮法進(jìn)行測量[1]；浸泡液中總糖含量測定：采用3,5-二硝基水楊酸法進(jìn)行測量[14]。

1.3.5 玉米淀粉得率測定

把浸泡后的玉米連同浸泡液一起放入粉碎機(jī)中，以轉(zhuǎn)速9500r/min進(jìn)行3min粗粉碎，再以12000r/min進(jìn)行3min細(xì)粉碎，用清水沖洗粉碎機(jī)，所得混合液過100目篩，多次水洗篩上物，所得篩下物淀粉乳混合液靜止沉淀。去除上清液，剩余淀粉乳混合液多次水洗并離心脫水，得到的淀粉在通風(fēng)條件下自然晾干稱質(zhì)量，測定淀粉得率。用凱氏定氮法測定淀粉中蛋白質(zhì)含量。

1.3.6 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計

在第2步浸泡單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)B o xbenhnken試驗(yàn)設(shè)計原理，選取影響淀粉得率的浸泡溫度、浸泡時間和酸性蛋白酶添加量3個主因素進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化組合，因素水平設(shè)計見表1。

表1 響應(yīng)面分析因素水平表Table 1 Factors and their coded levels in response surface analysis

2 結(jié)果與分析

2.1 第1步浸泡時間和浸泡溫度的確定

圖1 不同浸泡溫度和浸泡時間條件下玉米籽粒含水量(A)、玉米胚芽含水量(B)及浸泡液中干物質(zhì)含量(C)Fig.1 Moisture contents of corn grains (A) and corn germ (B) and dry mass content (C) in steeping solution after different hours of the first steeping at different temperatures

由圖1可以看出，隨著浸泡時間的延長，不同溫度下的玉米籽粒和玉米胚芽的含水量和浸泡液中干物質(zhì)含量都在增加，此浸泡的目的是要找出能較容易去除玉米皮和胚芽的最佳條件，根據(jù)數(shù)據(jù)分析和在試驗(yàn)中的效果得出，浸泡液溫度52℃、玉米浸泡時間3h時，玉米籽粒含水量30.93%，胚芽含水量46.16%，在此試驗(yàn)條件浸泡后的玉米較容易去除玉米皮和胚芽，去除胚芽保持完整。因此第1步浸泡工藝的最適條件確定為浸泡溫度52℃、浸泡時間3h。

2.2 第2步浸泡工藝單因素試驗(yàn)

2.2.1 酸性蛋白酶添加量對淀粉得率的影響

圖2 酸性蛋白酶添加量對淀粉得率的影響Fig.2 Effect of acid protease additon on corn starch yield

酸性蛋白酶能夠進(jìn)入玉米胚乳，分散玉米胚乳細(xì)胞中的蛋白質(zhì)網(wǎng)，打破蛋白質(zhì)網(wǎng)的二硫鍵，使淀粉顆粒能夠從蛋白質(zhì)網(wǎng)中最大程度的釋放出來，破壞或消弱玉米粒各組成部分的聯(lián)系，同時能促進(jìn)玉米中不溶解蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變成溶解蛋白質(zhì)，同時胚乳中的蛋白質(zhì)失去自己的晶體結(jié)構(gòu)，吸水膨脹變成凝膠體，增強(qiáng)了淀粉和蛋白質(zhì)的分離，因而提高了淀粉得率[15]。由圖2可知，當(dāng)?shù)鞍酌柑砑恿窟_(dá)到600U/g左右時，淀粉得率最高，繼續(xù)增加酸性蛋白酶的量，淀粉得率反而逐漸降低，這是由于酸性蛋白酶為復(fù)合酶，含有一定量的淀粉酶，當(dāng)繼續(xù)增加酸性蛋白酶的量，造成淀粉的水解，降低了淀粉得率。因此確定酸性蛋白酶的最佳添加量為600U/g。

2.2.2 浸泡時間對淀粉得率的影響

圖3 浸泡時間對淀粉得率的影響Fig.3 Effect of steeping time on corn starch yield

浸泡時間過短，蛋白質(zhì)網(wǎng)分散不完全，可溶性物質(zhì)不能全部溶出，影響玉米淀粉的質(zhì)量和得率；浸泡時間過長，細(xì)胞壁的纖維強(qiáng)度下降，有一部分細(xì)小纖維留在淀粉中很難分離[6]。由圖3可知，隨著浸泡時間的延長，淀粉得率逐漸升高，當(dāng)達(dá)到2 h左右時，淀粉得率最高為63.8%，繼續(xù)延長浸泡時間，淀粉得率開始逐漸降低，這是因?yàn)殡S著浸泡時間的延長，蛋白酶中的淀粉酶對淀粉的水解造成淀粉得率下降。因此最佳浸泡時間確定為2h。

2.2.3 浸泡溫度對淀粉得率的影響

圖4 浸泡溫度對淀粉得率的影響Fig.4 Effect of steeping temperature on corn starch yield

浸泡溫度是影響玉米浸泡的重要因素之一，低溫時酸性蛋白酶的活性受到抑制使淀粉得率降低，高溫時又會造成酸性蛋白酶的變性失活。由圖4可知，最佳浸泡溫度為50℃。

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)對工藝參數(shù)的優(yōu)化

2.3.1 響應(yīng)面設(shè)計試驗(yàn)

綜合以上單因素試驗(yàn)，選擇浸泡溫度X1、浸泡時間X2和酸性蛋白酶添加量X3對淀粉得率影響顯著的因素，通過三因素三水平的響應(yīng)面分析方法，確定淀粉最佳提取工藝，試驗(yàn)設(shè)計與結(jié)果見表2，其中1～12是析因試驗(yàn)，13～17是中心試驗(yàn)，用來估計試驗(yàn)誤差。

表2 工藝參數(shù)優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

2.3.2 方差分析

通過Design-Expert 7.0軟件的Box-Behnken程序?qū)υ囼?yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析，經(jīng)二次回歸擬合后，得出回歸模型參數(shù)估計值、方差分析見表3。

表3 回歸模型方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variances for the established regression model

用響應(yīng)面軟件分析結(jié)果得到以淀粉得率為目標(biāo)函數(shù)的二次回歸方程：

Y＝64.48＋1.30X1＋1.66X2＋1.19X3-0.58X1X2-0.22X1X3-0.50X2X3-1.74X12-2.62X22-1.91X32

方程中各項(xiàng)系數(shù)的絕對值直接反映了各因素對淀粉得率的影響程度，系數(shù)的正負(fù)反映了影響的方向。從表3可知，用上述回歸方程描述各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系時，此模型P＜0.01，表明響應(yīng)回歸方程達(dá)到了極顯著水平，相關(guān)系數(shù)R2＝0.9765，表明97.65%的數(shù)據(jù)可以用此方程來解釋，因而該模型擬合程度良好。試驗(yàn)誤差小，適合對玉米淀粉得率進(jìn)行分析和預(yù)測。從模型的失擬性方差分析可以看出，失擬項(xiàng)不顯著(P＞0.05)，表明該模型穩(wěn)定，能很好的預(yù)測各因素對玉米淀粉得率的變化，使用該方程模擬真實(shí)的3因素3水平分析可行。

各因素影響程度從大到小的依次排列為浸泡時間、浸泡溫度和酸性蛋白酶添加量。浸泡時間的影響最大(0.0001)，其次為浸泡溫度(0.0006)和酸性蛋白酶添加量(0.0010)，均達(dá)到極顯著水平。浸泡溫度、浸泡時間和酸性蛋白酶添加量二次項(xiàng)對淀粉得率影響顯著，P值分別為0.0007、0.0001、0.0004，其余各項(xiàng)P值均大于0.05，影響均不顯著。

2.3.3 玉米淀粉得率的響應(yīng)面圖分析

圖5 各因素對淀粉得率影響的響應(yīng)面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots showing the interactive effects of three factors on corn starch yield

從圖5可知，浸泡溫度、浸泡時間和酸性蛋白酶添加量對淀粉得率的影響顯著，曲面較陡。隨浸泡溫度、浸泡時間和酸性蛋白酶添加量的增加響應(yīng)值先增大后減小。由浸泡溫度、浸泡時間和酸性蛋白酶添加量兩兩交互作用的等高線可知，沿浸泡溫度軸向等高線密集，沿浸泡時間軸向等高線密集，沿酸性蛋白酶添加量軸向等高線密集，說明兩因素的交互作用較強(qiáng)，影響顯著。

2.3.4 回歸方程及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

對回歸方程取一階偏導(dǎo)數(shù)等于0，整理可得如下方程：

由式(1)～(3)聯(lián)立解方程組。解得X1＝0.31、X2＝0.26、X3＝0.2581，即浸泡溫度51.25℃、浸泡時間2.26h、酸性蛋白酶添加量703.22U/g，理論預(yù)測玉米淀粉得率為65.0523%。

采用優(yōu)化條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，為了方便實(shí)驗(yàn)進(jìn)行將試驗(yàn)條件修改為浸泡溫度51℃、浸泡時間2.25h、酸性蛋白酶添加量700U/g。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，結(jié)果見表4。表4中平均值與回歸方程最優(yōu)解較接近，說明得到的二次回歸方程與實(shí)際情況擬合較好。

表4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表Table 4 Validation results of optimal corn steeping conditions

2.3.5 浸泡液中總糖含量與浸泡時間的關(guān)系圖

圖6 浸泡液中總糖含量與浸泡時間的關(guān)系Fig.6 Relationship between total sugar content in steeping solution and steeping time

由圖6可知，采用優(yōu)化后的條件進(jìn)行試驗(yàn)，浸泡液中總糖含量隨浸泡時間的延長而增加，總糖含量包括玉米籽粒中本身含有的糖類，其他是由淀粉水解產(chǎn)生?？偺呛康淖兓梢蚤g接反映出淀粉含量的高低，因此在試驗(yàn)中要密切關(guān)注總糖含量的變化。

3 結(jié) 論

3.1 通過試驗(yàn)得出第1步浸泡工藝最適條件：浸泡溫度52℃、浸泡時間3h。

3.2 通過單因素試驗(yàn)考察浸泡溫度、浸泡時間和酸性蛋白酶添加量對淀粉得率的影響，應(yīng)用響應(yīng)面法分析，建立第2步浸泡工藝提取玉米淀粉的數(shù)學(xué)模型。響應(yīng)面試驗(yàn)分析結(jié)果表明，第2步浸泡工藝條件為浸泡溫度51.25℃、浸泡時間2.26h、酸性蛋白酶添加量703.22U/g，理論預(yù)測玉米淀粉得率65.05%，回歸方程的決定系數(shù)為0.9765，回歸方程顯著，擬合良好，可進(jìn)行實(shí)際預(yù)測。

由優(yōu)化后得到的工藝條件：浸泡溫度51℃、浸泡時間2.25h、酸性蛋白酶添加量700U/g進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得到的玉米淀粉得率為64.9%，玉米淀粉中蛋白質(zhì)含量為0.42%。

浸泡液中總糖含量隨浸泡溫度的上升而增加，隨著浸泡時間的延長而增加，隨著酸性蛋白酶添加量的增多而增加，總糖含量包括玉米籽粒中本身含有的糖類，其余為淀粉水解產(chǎn)生，因此在試驗(yàn)中要密切主要總糖含量的高低。

3.3 在此浸泡工藝最佳條件下得到的淀粉得率比工業(yè)化中生產(chǎn)中的淀粉得率偏低，主要原因如下：在工廠生產(chǎn)中一些必要的分離步驟很難在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬，這會對工藝研究的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響淀粉的得率；由于酸性蛋白酶為復(fù)合酶，含有一定的淀粉酶，會造成淀粉水解，降低了淀粉得率。

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Optimization of Two-step Corn Steeping by Response Surface Methodology

LI Suo-xia，MIN Wei-hong*，LI Hong-mei，LIU Jia，ZHANG Dan，LIU Jing-sheng
(College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

A two-step steeping process was designed to extract corn starch in the present work. A series of one-factor-at-atime experiments were done to investigate the effects of steeping time and temperature and acid protease dosage in the second steeping on starch yield. Further, the relationship of starch yield versus the three parameters was modeled based on a Box-Benhnken experimental design and analyzed by response surface methodology. The optimal corn steeping process conditions were identified as steeping at 52 ℃ for 3 h and then steeping at 51 ℃ for 2.25 h in the presence of 700 U/g acid protease. Under the optimal conditions, the predicted starch yield was 65.05%, in good agreement with the experimental value of 64.9%.

corn starch；steeping；response surface methodology

TS235.1

：A

1002-6630(2011)20-0007-06

2011-03-10

吉林省科技廳重點(diǎn)資助項(xiàng)目(20080250)

李鎖霞(1983—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榘l(fā)酵工程。E-mail：lisuoxia521@yeah.net

*通信作者：閔偉紅(1971—)，女，教授，博士，研究方向?yàn)榘l(fā)酵工程、糧油科學(xué)與深加工技術(shù)。E-mail：minwh2000@163.com