响应面法优化超声波辅助提取玉米淀粉的工艺研究

王喜庆，石光蕊，李雅琴，李春盼，马婉婷

(绥化学院 食品与制药工程学院,黑龙江 绥化 152000)

玉米俗称苞米，是世界公认的黄金作物。玉米中淀粉含量高，质量分数约为70%，因此常被用于玉米淀粉的提取[1]。玉米淀粉的提取方法主要有干法、湿法和酶法。在工业生产中普遍以湿法提取工艺为主，即在(50±2)℃下用0.2%～0.3%的亚硫酸溶液浸泡36～60 h，此方法的淀粉提取率一般在60%以上[2]。但长时间使用亚硫酸溶液浸泡玉米，生产效率低下，且存在腐蚀管道及设备，排放污染环境等缺点[3]。因此，急需对传统浸泡工艺技术进行革新。超声波是一种频率很高的声波，用超声辅助处理玉米粉提取玉米淀粉，具有耗能低、对环境友好和操作简单等优点[4]。超声波产生的空化和热效应可以促进淀粉与纤维素和蛋白质的分离，提高淀粉的提取率[5-7]。王亚丹[8]比较了超声波处理与非超声波处理对玉米淀粉提取率及其他工艺的影响，研究结果显示，采用超声波处理可以在保证玉米淀粉纯度的前提下，减少玉米浸泡时间和二氧化硫添加量，并提高淀粉得率。Sit等[9]研究超声波预处理对芋头淀粉得率的影响，发现采用超声波处理的淀粉得率在17.45%～18.97%，而常规处理淀粉得率为15.29%；当采用超声波处理10 min，淀粉的最高得率为18.97%。

超声波的工艺参数，一般包括超声频率[10]、超声功率[11-12]、超声时间[13-16]和超声温度[15-16]，参数的选择及大小直接影响到提取率。本试验以玉米为原料，选择浸泡时间、H2SO3质量分数、超声温度、超声时间和液料比5个因素进行单因素试验，选取影响较大的因素，进行响应面优化试验，研究各因素对玉米淀粉提取率的影响，以期获得一种玉米淀粉提取的最佳工艺。

1 材料与方法

1.1 材料

玉米，市售；亚硫酸，沈阳凯诚生物科技有限公司。

1.2 仪器

SHB-IIIS型循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；JY-501电子天平，上海衡平仪器仪表厂；FW100型粉碎机，天津泰斯特仪器有限公司；KQ-5200B型超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；DK-98-IIA型恒温水浴锅，天津市泰斯特仪器有限公司；TDL-60B-B型台式高速离心机，湖南星科科学仪器有限公司；DZF-6250型电热恒温鼓风干燥箱，北京中科博达有限公司；BCD-215DC型冰箱，青岛海尔股份有限公司。

1.3 试验方案

1.3.1玉米淀粉的提取工艺流程[17]

玉米→清理→称重→浸泡→粗磨→胚芽分离→细磨→过筛→研磨→洗涤→纤维分离→超声处理→离心分离→干燥→粉碎过筛→成品。

1.3.2淀粉提取率的计算

玉米淀粉含量测定参照GB/T 5009.9—2008进行，淀粉提取率计算公式如下：

淀粉提取率P=m/M×100%，

式中，M为玉米的总质量，g；m为淀粉的质量，g。

1.3.3试验方法

(1)单因素试验

以玉米为原料，选取浸泡时间、H2SO3质量分数、超声温度、超声时间和料液比为单因素，进行单因素试验，确定其对淀粉提取率的影响。

① 浸泡时间对玉米淀粉提取率的影响

称50.00 g玉米，设定H2SO3质量分数0.05%、超声温度35℃、超声时间20 min、料液比1∶10 g/ml，玉米浸泡时间分别为16、24、32、40、48 h，进行3次平行试验，确定其对淀粉提取率的影响。

②H2SO3质量分数对玉米淀粉提取率的影响

称50.00 g玉米，设定玉米浸泡时间24 h、超声温度35℃、超声时间20 min、料液比1∶10 g/ml，H2SO3质量分数分别为0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%，进行3次平行试验，确定其对淀粉提取率的影响。

③超声温度对玉米淀粉提取率的影响

称50.00 g玉米，设定玉米浸泡时间24 h、H2SO3质量分数0.05%、超声时间20 min、料液比1∶10 g/ml，超声温度分别为25、35、45、55、65℃，进行3次平行试验，确定其对淀粉提取率的影响。

④超声时间对玉米淀粉提取率的影响

称50.00 g玉米，设定玉米浸泡时间24 h、H2SO3质量分数0.05%、超声温度35℃、料液比1∶10 g/ml，超声时间分别为10、15、20、25、30 min，进行3次平行试验，确定其对淀粉提取率的影响。

⑤料液比对玉米淀粉提取率的影响

称50.00 g玉米，设定玉米浸泡时间24 h、H2SO3质量分数0.05%、超声温度35℃、超声时间20 min，料液比分别为1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30 g/ml，进行3次平行试验，确定其对淀粉提取率的影响。

(2)响应面试验

根据单因素试验的结果，并结合实际条件，选浸泡时间、超声温度和超声时间为响应面试验因素，以玉米淀粉提取率为指标，运用响应面分析法对提取玉米淀粉的工艺参数，进行响应面试验。响应面试验因素水平表见表1。

表1 响应面试验因素与水平表

(3)对比试验

依据传统玉米淀粉湿法加工的方法提取玉米淀粉，然后与响应面优化的结果进行对比，分别进行3次平行试验。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1浸泡时间对玉米淀粉提取率的影响

浸泡时间对玉米淀粉提取率的影响见图1。由图1可知，浸泡时间为16、24、32、40、48 h时，提取率分别为64.39%、65.76%、66.14%、66.02%、65.94%。在浸泡过程中，随着浸泡时间的增加，玉米淀粉提取率先增加，当浸泡时间达到32 h时，提取率最大66.14%，之后缓慢下降。这主要是因为在浸泡初期玉米吸水膨胀，玉米表皮遭到破坏，胚和胚乳分离，淀粉暴露出来，进入到液体中。但随着浸泡时间的增加，玉米会因吸水过多而达到饱和，且淀粉的含量一定，因此淀粉提取率不会随着浸泡时间继续增加而是处于稳定下降。因此，选32 h最为合适。

图1 浸泡时间对玉米淀粉提取率的影响

2.1.2H2SO3质量分数对玉米淀粉提取率的影响

H2SO3质量分数对玉米淀粉提取率的影响见图2。

图2 H2SO3质量分数对玉米淀粉提取率的影响

由图2可知，H2SO3质量分数为0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%时，提取率分别为65.51%、65.57%、65.65%、65.71%、65.74%。随着H2SO3质量分数的增加，提取率稳定上升，在H2SO3质量分数为0.05%时提取率最低为65.51%，在H2SO3质量分数为0.25%时提取率最高为65.74%，提取率之差为0.23个百分点。从整个质量分数变化过程来看，H2SO3质量分数增加对提取率的影响较小。考虑到成本、淀粉中SO2的残留、SO2腐蚀性和环境保护等问题，选择H2SO3质量分数为0.05%。

2.1.3超声温度对玉米淀粉提取率的影响

超声温度对玉米淀粉提取率的影响见图3。由图3可知，超声温度为25、35、45、55、65℃时，提取率分别为63.08%、64.31%、65.51%、63.72%、60.05%。随着超声温度的增加，提取率呈现出先上升后下降的变化趋势，在45℃时提取率最高为65.51%。这主要是因为在超声温度较低时，随着温度的升高，淀粉加速溶出，加快淀粉和蛋白质分离，提取率增加；但当温度过高时，淀粉在高温下会发生糊化，淀粉提取率快速降低。因此，将超声温度定为45℃最佳。

图3 超声温度对玉米淀粉提取率的影响

2.1.4超声时间对玉米淀粉提取率的影响

超声时间对玉米淀粉提取率的影响见图4。

图4 超声时间对玉米淀粉提取率的影响

由图4可知，超声时间为10、15、20、25、30 min时，提取率分别为64.04%、64.64%、65.11%、64.97%、64.82%。随着超声时间的增加，提取率呈现出先增加后降低的变化趋势，在超声时间为20 min时提取率最高为65.11%。这主要是因为当超声时间较少时，超声波产生的机械作用和空化作用破坏了淀粉和蛋白质之间的二硫键，促进淀粉和蛋白质分离[6]；当超声时间过长时，淀粉颗粒分解产生较小的分子，在离心的过程中，淀粉颗粒很难被分离出。因此，选择超声时间为20 min。

2.1.5料液比对玉米淀粉提取率的影响

料液比对玉米淀粉提取率的影响见图5。由图5可知，料液比分别为1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30时，提取率分别为64.31%、64.25%、64.18%、64.14%、64.12%。随着浸泡液中物料的减少，玉米淀粉提取率下降。主要是因为分散相浓度降低，粒子之间的碰撞和搅动减弱，并且超声波对玉米淀粉的选择性降低，超声波气流很难破坏或削弱淀粉颗粒与蛋白质之间的作用力，所以在离心时，淀粉颗粒很难被释放和分离出来。因此，料液比选择1∶10 g/ml最佳。

图5 料液比对玉米淀粉提取率的影响

2.2 响应面试验结果与分析

2.2.1响应面试验

根据单因素试验，选择对玉米淀粉提取率影响较大的因素，用Box-Behnken进行中心试验，并根据试验设计原理进行响应面试验[18]，试验结果见表2和表3。

表2 响应面试验结果

表3 方差分析表

2.2.2模型方程的建立与显著性检验

运用Design-Expert 8.0.6响应面软件分析回归模型，经回归拟合后得到玉米浸泡时间、超声温度、超声时间的回归方程为：

淀粉提取率=67.74+0.45A+0.59B+

0.33C-0.51AB+0.37AC-

0.24BC-1.5A2-

2.34B2-1.23C2

由表3可知，模型P值小于0.001，表明模型极显著，失拟项P=0.799 4>0.05表明该模型合适。用此模型对玉米淀粉提取率进行分析和预测是可靠的。一次项A、B、C极显著；二次项A2、B2和C2均极显著，说明这些因素对淀粉提取率都有的很大影响。根据F值，可得影响淀粉提取率的大小顺序为B、A、C。相关系数R2= 99.64%，表明二次回归方程的拟合度预测值和实验值相关性很强。因此，该回归方程可用于确定改善超声提取玉米淀粉的最佳工艺。

2.2.3响应面分析及优化

浸泡时间与超声温度的响应面和等值线图见图6。图6反应了在超声时间为20 min时，改变浸泡时间和超声温度，进一步确定在浸泡时间和超声温度的共同变化下，对玉米淀粉提取率的影响。由图6可以看出，随着浸泡时间的增加，提取率增加，32 h以后，提取率开始下降。随着超声温度的增加，玉米淀粉提取率先增后减。等值线图为椭圆形，表明在浸泡时间和超声温度的共同作用下，玉米淀粉提取率变化显著，即交互作用显著。根据方差分析表F值可知，B>A，表明合理设置超声温度可以明显增加玉米淀粉提取率，而浸泡时间在合理的数值内，超声温度对玉米淀粉提取率影响更显著。

浸泡时间与超声时间的响应面和等值线图加图7。图7为超声温度在45℃时，浸泡时间和超声时间的交互作用对淀粉提取率的影响。结果表明，浸泡时间增加，提取率增加，浸泡时间太长，提取率又会下降。当超声时间延长时，玉米淀粉得率也先增后减，但变化较小，当超声20 min时提取率最大。根据等值线图可以看出，浸泡时间对淀粉提取率的影响大于超声时间对其的影响。

超声温度与超声时间的响应面和等值线图见图8。图8显示了浸泡时间为32 h时，超声温度和超声时间相互作用对淀粉提取率的影响。当超声温度增大时，提取率先上升后下降；超声时间增加，淀粉提取率的变化趋势和超声温度改变时淀粉提取率的变化趋势相同，但超声温度的变化更明显。同时，根据等值线图可以看出超声温度要比超声时间对玉米淀粉提取率影响显著。表现为超声温度对应的等值曲线徒峭，超声时间对应的等值曲线相对平缓。

2.3 对比试验

由单因素试验得到H2SO3质量分数0.05%、料液比1∶10 g/ml最佳；根据响应面优化的结果，得到提取玉米淀粉的最佳工艺条件为浸泡时间32 h、超声温度45℃、超声时间20 min。将玉米淀粉传统湿法加工[19]与响应面优化试验进行比较，结果见表4。

表4 对比试验结果

由表4可知，H2SO3质量分数减少了75%，玉米浸泡时间减少了33%，玉米淀粉提取率增加了7.85个百分点。这是因为在超声处理之后，淀粉蛋白质间二硫键松弛，更多的淀粉被释放出来。

3 结论

(1)从单因素试验中得到影响玉米淀粉提取较显著的因素分别是浸泡时间、超声温度和超声时间。

(2)通过Box-Behnken试验设计进行响应面试验，得出超声温度对淀粉提取率的影响最大，浸泡时间和超声时间其次。

(3)通过单因素试验得出H2SO3质量分数0.05%、料液比1∶10 g/ml为最佳选择，通过响应面优化试验得出提取玉米淀粉的最佳工艺条件为浸泡时间32 h，超声温度45℃，超声时间20 min，提取率68.02%。在优化条件下淀粉提取率相比传统湿法加工增加了7.85个百分点。