蘇雪鋒，黃繼紅*，惠 明，安 民，馮軍偉

（1.河南工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南興發(fā)精細化工有限公司，河南 溫縣 454850；3.鄭州市中食農(nóng)產(chǎn)品加工研究院，河南 鄭州 450001）

0 引言

隨著我國玉米淀粉工業(yè)的快速發(fā)展，企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，一些小規(guī)模的淀粉廠由于污染大、能耗高等原因，已逐漸被淘汰.企業(yè)規(guī)模的擴大，相應(yīng)帶來了昂貴的投資、高能耗和大面積的土地占用，這不但制約著企業(yè)的發(fā)展，而且對環(huán)境造成了嚴重污染.為了解決淀粉工業(yè)面臨的浸泡耗時長、高能耗、污染嚴重、釋放的SO2氣體對人們健康造成危害等問題，國內(nèi)外開發(fā)了一些新的浸泡工藝應(yīng)用于玉米浸泡工序[1-3].

高壓浸泡和酶法浸泡技術(shù)是近年來制取玉米淀粉的新技術(shù)，這些技術(shù)的應(yīng)用使得浸泡時間大大地縮短，國外已有示范工廠采用這些新技術(shù)[4-5].

酶法浸泡是用酶（如蛋白酶、纖維素酶等）代替亞硫酸來降解蛋白質(zhì)網(wǎng)，縮短了浸泡時間，降低了污染[6-7].在玉米沒有破碎的情況下，加入的酶液不能很好地浸入玉米顆粒中，達不到很好的酶解作用，為了解除酶進入胚乳的障礙，本試驗將現(xiàn)行的浸泡工藝分成兩步.第1 步，將玉米放入50 ℃清水中浸潤2～3 h，使胚吸水膨脹富有彈性，使其在后面的粗磨工序中不易破碎；第2 步，將玉米粗破碎，然后加入酸性蛋白酶和細胞滲透劑，在50 ℃條件下進行浸泡3～5 h，再進入標準的濕磨工藝階段.采用這種方法，可去除擴散阻礙，使酶能夠滲透進玉米胚乳層與蛋白質(zhì)反應(yīng)[8-10].

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米：淀粉含量70.2%，產(chǎn)于河南；酸性蛋白酶：購于Solarbio，酶活3 000～3 500 U/mg；Cellpenetrant：FBJ，F(xiàn)ood Biotechnology Co.，Ltd.，USA；HCl：分析純.

1.2 主要儀器和設(shè)備

SP25001 電子天平：上海精諾爾電子設(shè)備有限公司；FA1204B 電子天平、雷磁pH 計：上海精密科學(xué)儀器有限公司；HH-4 水浴鍋：河南智誠科技發(fā)展有限公司；SHA-C 水浴振蕩器：金壇華峰儀器有限公司；9FZ-280 粉碎機：廣州市廣萊機械設(shè)備廠；JML-50 膠體磨：鄭州玉祥食品機械有限公司；TDZ5-WS 離心機：湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司；PYX-DHS-40×50-BS-Ⅱ鼓風(fēng)干燥箱：上海躍進醫(yī)療器械廠.

1.3 試驗方法

酶與細胞滲透劑協(xié)同浸泡提玉米淀粉工藝經(jīng)過兩次浸泡，第1 步浸泡玉米使胚吸水，以便在后面的粗磨工序中不易破碎；第2 步，將玉米粗破碎，然后加入酸性蛋白酶和細胞滲透劑，破壞蛋白質(zhì)網(wǎng)使淀粉析出；然后經(jīng)過胚的分離、細磨、分漿、離心分離和干燥得到淀粉.工藝流程如圖1 所示.

圖1 酶與細胞滲透劑協(xié)同浸泡提取玉米淀粉工藝流程

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

影響玉米淀粉提取的條件有多方面，如浸泡時間、浸泡溫度、加酶量和pH 等.

2.1.1 浸泡時間對淀粉提取率的影響

取500 g 玉米，在按15 000 U/100 g 添加酸性蛋白酶、浸泡溫度50 ℃、pH 3.0 條件下，分別浸泡2、3、4、5、6 h.浸泡時間對淀粉提取率的影響如圖2 所示，可以看出，隨著浸泡時間的增長，淀粉提取率不斷地提高，4 h 后提取率基本保持穩(wěn)定，說明浸泡4 h 的時候，包裹在淀粉外層的蛋白質(zhì)網(wǎng)被破壞得較為徹底.

圖2 浸泡時間對淀粉提取率的影響

2.1.2 浸泡溫度對淀粉提取率的影響

取500 g 玉米，在按15 000 U/100 g 添加酸性蛋白酶、浸泡時間4 h、pH 3.0 的條件下，分別于35、40、45、50、55 ℃恒溫水浴鍋中浸泡.浸泡溫度對淀粉提取率的影響如圖3 所示，可以看出，隨著溫度的增高，淀粉提取率不斷地提高，當(dāng)溫度為50℃時，提取率達到最大值，50 ℃后，隨著溫度的增高，提取率不斷下降，可能是50 ℃后酶活力降低的原因.

圖3 浸泡溫度對淀粉提取率的影響

2.1.3 加酶量對淀粉提取率的影響

取500 g 玉米，在浸泡時間4 h、浸泡溫度50 ℃、pH 3.0 的條件下，分別按0、5 000、10 000、15 000、20 000 U/100 g 加酶量添加酸性蛋白酶.加酶量對淀粉提取率的影響如圖4 所示，可以看出，隨著加酶量的增加，淀粉提取率不斷地提高，當(dāng)加酶量增加到15 000 U/100 g 之后淀粉提取率趨于穩(wěn)定.

圖4 加酶量對淀粉提取率的影響

2.1.4 pH 對淀粉提取率的影響

取500 g 玉米，在按15 000 U/100 g 添加酸性蛋白酶、浸泡時間4 h、浸泡溫度50 ℃條件下，分別于pH 2.6、3、3.4、3.8、4.2 下浸泡.pH 對淀粉提取率的影響如圖5 所示，可以看出，當(dāng)pH 值為3.4時，淀粉提取率達到最大值，之后隨pH 值增大，提取率不斷地降低.

圖5 pH 對淀粉提取率的影響

表1 響應(yīng)面試驗因素與水平

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果

2.2 響應(yīng)面試驗

根據(jù)單因素試驗選擇試驗條件進行響應(yīng)面試驗，利用 Design-Expert 7.1.6 軟件進行 Box-Behnken 試驗設(shè)計，各因素與水平見表1，每個因素3 個水平，中心點有5 個重復(fù).

Box-Behnken 試驗結(jié)果見表2.

以淀粉提取率為響應(yīng)面指標，利用Design-Expert 7.1.6 軟件對表2 中的數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，得到X1、X2、X3和X4對淀粉提取率（R）影響的預(yù)測方程如下：

響應(yīng)值二次模型的方差分析及顯著性如表3所示.

表3 響應(yīng)值二次模型的方差分析

由表3 可以看出，模型P＜0.000 1，模型極顯著.失擬項P=0.091 8＞0.05 不顯著，因此，二次模型成立，應(yīng)用此模型可以分析和預(yù)測酶與細胞滲透劑協(xié)同浸泡提取玉米淀粉的工藝優(yōu)化.其中一次項X1、X3極顯著，X2顯著，X4不顯著；二次項X1、X2、X4極顯著，X3顯著，交互項X1X2顯著.所以，浸泡時間和加酶量對玉米淀粉提取率影響極顯著，浸泡溫度對玉米淀粉提取率影響顯著，而pH 對玉米淀粉提取率影響不顯著.

交互項X1X2顯著，即浸泡時間與浸泡溫度交互作用顯著，交互作用的響應(yīng)曲面及等高線如圖6所示，可以看出，隨著浸泡溫度的增大，玉米提取率先增后降，隨著浸泡時間的增加，玉米提取率逐漸提高并趨于穩(wěn)定，在浸泡時間與浸泡溫度交叉區(qū)域存在一個最優(yōu)點，而且浸泡溫度和浸泡時間的等高線呈橢圓，表示交互作用顯著，說明浸泡溫度和浸泡時間的交互作用能顯著影響玉米淀粉的提取率.

圖6 交互作用的響應(yīng)曲面和等高線

通過Design-Expert 軟件分析，由二次回歸方程預(yù)測最佳工藝參數(shù)，由Design-Expert 軟件分析出最佳工藝參數(shù)為浸泡時間4.54 h、浸泡溫度49.74 ℃、加酶量17 824 U/100 g、pH 值3.42，玉米淀粉理論提取值為89.90%，在相應(yīng)條件下進行驗證試驗，玉米淀粉提取率為88.97%.但從實際操作和經(jīng)濟效益方面考慮，將數(shù)據(jù)修正為浸泡時間4.5 h、浸泡溫度50 ℃、加酶量17 800 U/100 g、pH值3.4，此條件下玉米淀粉提取率為86.60%，實際值與理論值基本相符，表明模型建立合理，預(yù)測的結(jié)果較為準確.

3 結(jié)論

酶與細胞滲透劑協(xié)同浸泡提取玉米淀粉工藝較傳統(tǒng)浸泡工藝具有耗時短、能耗低和污染小等特點，該工藝優(yōu)化條件下淀粉提取率較傳統(tǒng)方法得到了提高.但是這種工藝仍存在一些問題，如胚收率較傳統(tǒng)方法低、胚芽油含量低等，在這些方面仍需要進一步完善.

對于現(xiàn)代玉米淀粉廠面臨的污染嚴重、耗時長和能耗高等問題，酶與細胞滲透劑協(xié)同浸泡提取玉米淀粉工藝具有很好的應(yīng)用前景.

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