稻米淀粉提取工艺研究进展

稻米淀粉提取工艺研究进展

作者：张华博等

来源：《湖北农业科学》2013年第06期

摘要：综述了提取大米淀粉最常用的方法，阐述了碱法提取、酶法提取和表面活性剂法等方法的原理、流程、特点和研究进展，并对其前景进行了展望。 关键词：大米；淀粉；提取工艺

中图分类号：S511；TS213.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）06-1241-03 水稻是重要的粮食作物，提供世界上一半以上人口的主粮。中国年产大米1.8亿t左右，占世界产量的45%[1]。发达国家稻米深加工率占70%，而中国仅8%[2]。稻谷加工后产生55%的整米，15%的碎米，10%的米糠和20%的谷壳，碎米的售价和利用水平较低，没有使稻谷资源得到应有的增值[3]。淀粉作为大米的主要成分，占其重量的80%[4]。因此，充分利用碎米中的淀粉，能有效地提高粮食利用价值和附加值，有利于中国粮食生产加工的科学发展。 大米淀粉因其颗粒小、渗透力强、冻融稳定性好被广泛用于化妆品、脂肪替代品、制药和食品工业[5，6]，市场需求较大。目前，稻米淀粉提取的方法不一[7-10]。本文就不同提取方法的原理和特点进行阐述，希望对稻米深加工提供借鉴。 1 碱消化法 1.1 碱消化法的原理

大米淀粉纯度的高低取决于其中蛋白质的残留量。稻米中蛋白质聚集成颗粒状蛋白质，以蛋白体-Ⅰ（PB-Ⅰ）和蛋白体-Ⅱ（PB-Ⅱ）形式存在[11]。由于占绝大部分的PB-Ⅱ主要是碱溶性谷蛋白，稀碱可使大米蛋白质和淀粉的结合变得疏松，易于分离。同时，碱溶液可以破坏高级结构间的次级键，增加蛋白质表面的介电常数，使某些氨基酸侧链基团解离，增加蛋白质的水溶性，从而实现蛋白质和淀粉的有效分离。用碱液浸泡大米，搅拌，将多次水洗过的淀粉乳液经离心和干燥粉碎处理即得成品[12]。 1.2 碱消化法的特点

碱消化法提取的优点是工艺比较成熟、方法简单、成本低，且蛋白质提取效率高，淀粉损失率低。该方法可以实现蛋白质与淀粉的有效分离，是最适用于工业化生产的方法[13-18]。但是，分离过程会产生大量的碱性废液，给水处理增加很大负担，容易造成环境污染。此外，在高浓度碱的提取过程中，会产生一系列不良反应，破坏到大米淀粉的结构和性质。

Lumdubwong等[9]发现用碱法制备的大米淀粉比酶法制备的更易吸水膨胀。Chiou等[19]分别比较了大米淀粉经过蛋白酶、碱液和表面活性剂（SDS）短时间处理后的分子量变化情况，结

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果发现用酶法和表面活性剂法处理淀粉不会改变其分子量，但是用碱法处理以后，直链淀粉的分子量降低了，尤其是分子量较高的直链淀粉被破坏的程度更严重。 1.3 碱消化法的研究进展

虽然碱消化法的技术路线已经很成熟，但是很多实验室还在不断优化和改良此方法。刘一洋等[20]以大米为原料，采用NaOH溶液浸泡的方法提取大米淀粉，发现在质量分数为0.3%的NaOH溶液、固液比为1∶6和浸泡提取时间为4 h条件下，淀粉中的蛋白质含量和提取率最高。涂宗财等[21]在传统的碱消化法提取之后，用盐酸将浆液pH调至6.5～7.0再进行最后的水洗，而后采用超高压均质和超微粉碎制备了纳米级大米淀粉。刘娜等[22]改进了碱法制备高纯度大米淀粉的工艺，把对大米淀粉的一次碱提与对黄淀粉和黄淀粉浆的再提纯工艺相结合，所得到的优化新工艺不仅能够提高大米淀粉的纯度，也能够大大提高其回收率。 2 表面活性剂法 2.1 表面活性剂法的原理

表面活性剂法是实验室制备大米淀粉常用的方法。十二烷基硫酸钠（SDS）是最常用的表面活性剂。它能使蛋白质发生变性，并且一个SDS分子能与两个氨基酸残基紧密结合。当大米中的蛋白质与SDS结合后，去除SDS-蛋白质复合物，大米淀粉可得到分离[17，23，24]。将大米在3～4倍体积的表面活性剂中浸泡24～48 h。倒掉上层清液，残余部分干燥后在研钵中研磨成粉即可[12]。 2.2 表面活性剂法的特点

表面活性剂可以与蛋白质形成复合物，提高蛋白质的提取率，使淀粉与蛋白质有效分离，淀粉回收率也较碱消化法高[24]。但是，此方法制备大米淀粉要使用较多的表面活性剂，生产成本较高，同时分离的大米蛋白质已与表面活性剂络合，很难再回收利用，达不到综合利用的目的，由于需要多次清洗以除去淀粉中残留的表面活性剂，因此与碱消化法类似，也存在废水处理困难等污染环境的问题[24，25]。 2.3 表面活性剂法的研究进展

由于表面活性剂法的局限性，此法多与其他方法联合使用。Puchongkavarin等[26]将酶法处理以后得到的大米淀粉又继续用SDS处理，得到的淀粉中的蛋白质含量显著降低，但是大米淀粉的糊化峰值黏度和终黏度均显著上升。芦鑫等[27]考虑分离效果和安全性等问题，采用与SDS性质相似，但生物降解性更好的食品加工助剂十二烷基磺酸钠来结合超声波分离大米淀粉，发现最佳分离工艺为SDS添加量为2.5%，超声波时间为50 min，液固比为7∶1。 3 酶法

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3.1 酶法的原理

酶法水解分离大米淀粉与蛋白质的原理是利用蛋白酶首先将包裹在大米淀粉外层的蛋白质水解，使淀粉与蛋白质的结合变得疏松，从而在水解过程中逐步释放出蛋白质以实现大米淀粉的分离。酶法制备大米淀粉常用的蛋白酶有碱性蛋白酶和中性蛋白酶[28]。将湿磨的米粉乳液加入蛋白酶，温和搅拌，反应过程中要保持pH恒定。反应后的乳液经过滤、离心，去掉上清液，水洗沉淀层，重复此清洗过程，将沉淀物分散于50 mL清水中，pH调节至7，离心，刮掉暗色上层，用水将下层沉淀物清洗，干燥即得成品[29]。 3.2 酶法的特点

与碱法相比，酶法反应条件较为温和，淀粉和营养物质基本不遭破坏，同时分离出来的大米蛋白质组分可以回收利用[9，19，30]。但是，酶法提取的大米蛋白质效率较碱法低，且所得产物溶于水，淀粉中的残余蛋白质也较碱法提取的多[25]。使用碱性蛋白酶水解分离大米淀粉时，一般通过加入NaOH溶液来控制反应的pH，使之保持在碱性条件下，反应结束后离心分离，多次水洗至水解液pH为中性。因此，与碱法类似，也会产生大量废碱液和盐[28]。Lumdubwong等[9]使用碱性蛋白酶Optimase APL-440从泰国大米中提取淀粉，为了使反应体系的pH保持在10.0，必须不断地在反应过程中加入NaOH溶液，最后发现碱液的加入量是碱法制备大米淀粉的2倍，但制得的大米淀粉中的残余蛋白质含量仍略高于碱法。此外，酶法提取的工艺条件并不成熟，且酶的价格较高，使生产成本大幅度提高。 3.3 酶法的研究进展

由于传统的碱消化法产生大量的碱废液，对环境造成污染，越来越多的人开始关注酶法。Bliaderis等[31]发现用高纯度的Pronase蛋白酶水解大米蛋白质来制备大米淀粉不会破坏脂肪与淀粉之间的结合，淀粉颗粒的完整性保持的最好。Wang等[30]分别用酸性蛋白酶、中性蛋白酶、碱性蛋白酶和碱法制备大米淀粉，通过18 h水解反应，加酶量最高的一组淀粉中的残余蛋白质低于0.2%。陈季旺等[3]采用碱性蛋白酶对碱法制备的大米淀粉进行纯化，电镜显示纯化处理后的大米淀粉中未见明显的蛋白质颗粒存在，比较纯化前后的大米淀粉发现，大米淀粉经过碱性蛋白酶纯化后，其溶解度和膨润力都显著增加。李玥[28]通过对不同品种蛋白酶清除蛋白质效果的比较，筛选出2种能有效分离提取大米淀粉的蛋白酶，分别为Alcalase碱性蛋白酶和Protease N中性蛋白酶。 4 超声波法

20世纪80年代，Juliano[8]采用超声波法将大米淀粉分子外层的蛋白质破碎，使淀粉分子分离出来。这种方法的优点在于淀粉回收率高、淀粉颗粒结构不受破坏并可缩短生产周期， 但超声波使淀粉的黏度增加，并且成本比较高，不易工业化[25]。在实际操作中，超声波法多与其他方法联合使用，以达到优化提取条件的效果。2004年Wang等[32]将中性蛋白酶与超声波法结合使用制备大米淀粉，使提取制备时间大幅度缩短，但是制备得到的淀粉随着超声波强

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度的增大其破损率明显增大，且淀粉的糊化峰值黏度也有所升高。王萍等[29]发现，先酶解5 h，再超声波作用20 min（1 000 W），得到的蛋白质含量为0.43%，淀粉提取率为87.39%，说明酶法与超声波法联合应用可缩短生产周期，有利于大米淀粉的提取。 5 物理分离法

半个世纪以来，世界各国生产大米淀粉的加工方法一直没有大的改进，基本上采用碱消化法。该方法的弊端在于大量的废碱液产生，不利于环境保护。2002年美国农业部南部实验中心的食品科学家Harmeet研究发现了一种物理分离大米淀粉及大米蛋白质的环保方法，该方法采用名为高压微射流纳米分散的新型均质机，使大米浆料在通过均质机的高压孔隙时借助物理作用力而分离[25，28，33，34]。即利用一种特别的均质器所产生的高压，对大米中的淀粉和蛋白质聚成块进行物理分解，可有效节约成本。大米只需一次性通过这种设备，即可产生水状的颗粒均匀的淀粉和蛋白质微分子，然后通过传统的密度分离工艺对其中的淀粉和蛋白质进行分离。这种新工艺可保留所提取大米蛋白质和淀粉原有的品质，生产出的蛋白质和淀粉与传统的加工方法相比具有更好的完整性和功能性。美国科学家认为，这种新方法有可能对大米淀粉和蛋白质生产行业带来革命性的变化[25]。但是，高压微射流纳米分散均质机高昂的价格使得该方法的工业化应用受到限制，目前该均质机多用于医药等高附加值产品的生产，并不适用于以规模为依托的淀粉加工工业[18，28，34]。 6 展望

碱消化法、酶法和表面活性剂法为目前大米淀粉最常用的分离提取技术，但是没有一种是完美的分离淀粉的方法，每种方法都会给提取淀粉的结果带来不同程度的差异。随着人们环保意识的增强，传统的碱法制备大米淀粉的方法将逐渐被取代，而生物技术的进步将会大大降低酶的价格并提高酶的活力。因此，采用酶法进行大米淀粉的工业化生产将为期不远。 另外，随着研究的深入，科研工作者正在积极地综合利用各种方法，采用几种可相互弥补缺陷的技术来提取淀粉，这样可以最大限度地提高淀粉的品质，以期找到一种经济实用、简单方便的方法。科技飞速发展的今天，人民生活质量不断提高，对食品和药品的要求越来越高，具有特殊功效又安全无毒的大米淀粉及其衍生物将会成为人们的首选。随着人们对大米淀粉认识的加深，随着淀粉制备技术的发展，将会有更多更好的大米淀粉产品问世从而满足人们的需求。

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