Pretreatment of Corn Starch by Extrusion Combined with Soaking in Sulfite Acid
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摘要: 为解决传统玉米湿磨工艺浸泡时间长、淀粉提取率低的问题，展开了挤压技术对玉米淀粉提取预处理的可行性研究。以淀粉提取率和淀粉纯度为考察指标，分别研究挤压温度、挤压水分、螺杆转速、H2SO3浸泡时间对玉米淀粉提取率和淀粉纯度的影响。在单因素实验的基础上，采用四因素三水平的响应面分析法确定玉米淀粉提取工艺。结果表明，玉米淀粉提取的最佳工艺为：挤压温度40 ℃、挤压水分53%、螺杆转速194 r/min、H2SO3浸泡时间14 h。在此条件下玉米淀粉提取率达到了93.25%，相比传统湿磨工艺提高了1.79%，生产时间缩短34 h。通过红外光谱（FT-IR）分析发现，采用挤压预处理并未导致淀粉化学结构的改变；扫描电镜（SEM）图像表明挤压制备的淀粉颗粒表面出现轻微褶皱和凹陷，但颗粒形状依旧保持完整。故挤压技术应用于玉米淀粉的分离提取是有效可行的。Abstract: In order to solve the problems of long soaking time and low starch yield in traditional corn wet milling process, the feasibility of extrusion technology as pretreatment for corn to improve the starch extraction was carried out. The extraction rate and the purity of starch were studied by changing the extrusion temperature, extrusion moisture, screw speed, soaking time of H2SO3. After the single factor experiments, the response surface analysis (RSA) method which had four factors and three levels were used to determine the extraction technology of corn starch. The results showed that, the optimum process of corn starch extraction was that: The extrusion temperature was 40 ℃, extrusion moisture was 53%, the screw rotation speed was 194 r/min and the soaking time of H2SO3 was 14 h. The starch extraction rate reached to 93.25% in this method, which was 1.79% higher than that in traditional wet grinding process, and the production time was shortened by 34 h. Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) showed that extruding pretreatment did not change the chemical structure of starch and the scanning electron microscope (SEM) images showed that, though slight wrinkles and depressions appeared on the surface of extruded starch granules, the shape of the particle remained intact. Therefore, it was confirmed that extrusion technology was effective to separate and extract the corn starch.
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Keywords:
- wet-milling /
- extrusion technology /
- corn starch /
- response surface method /
- extraction rate
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玉米淀粉是应用很广泛的碳水化合物，适用于食品加工、环保材料、酿造和医疗等行业[1]。玉米淀粉的生产不受季节影响，具有纯度高、品质好、附加值高等特点，经不同改性处理后的玉米淀粉具备多种优点，不仅在食品领域广受青睐，而且在化工、材料和医疗等领域广泛应用[2]。
目前，传统的玉米淀粉提取工艺存在生产周期长，长时间浸泡腐蚀设备、污染环境等缺点[3]，为了解决湿磨工艺浸泡周期长、环境污染等问题，国内外研究集中于寻找亚硫酸的替代品如蛋白酶、细胞渗透剂和L-半胱氨酸等[4-6]，来破坏玉米颗粒中蛋白质网状结构，从而有利于淀粉颗粒的释放。利用两步浸泡工艺和超声波处理来缩短生产周期，提高生产效率[7-8]。为改进玉米湿法浸泡工艺，选取挤压手段对玉米进行预处理，在低温高水分的挤压条件下，通过一定机械能和水热作用[9]使米颗粒细胞壁和蛋白质网状结构被破坏，削弱蛋白质和淀粉间的结合力，减弱淀粉和蛋白分子间的相互作用，加速淀粉的分离[10-11]。
本实验研究不同的挤压温度、挤压水分、螺杆转速以及浸泡时间对玉米淀粉提取率的影响，探讨挤压处理改进玉米淀粉提取的可行性，运用剪切和水热作用来达到破坏淀粉和蛋白的相互作用，缩短玉米淀粉提取的生产周期，提高生产效率，同时为挤压技术在提取玉米淀粉工艺的可行性研究提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
玉米 质量分数74.24%，蛋白质含量6.3%，脂肪含量5.8%，水分含量为10.38%，产地黑龙江大庆淀粉；亚硫酸、氢氧化钾、氢氧化钠、盐酸 分析纯，天津大茂化学试剂有限公司；糖化酶（酶活性为10万U/G） 美伦生物公司；DNS试剂 北京索莱宝科技公司；醋酸钠缓冲溶液pH4.75 北京酷来搏科技有限公司。
AEY-212分析天平 湘仪仪器设备公司；HH-6A水浴锅 上海皓庄仪器有限公司；电热鼓风干燥箱、ZQPW-70全温震荡培养箱 天津市莱玻特瑞仪器设备有限公司；MA45C-000230VI型水分测定仪 赛多利斯生物有限公司；UV-1230S紫外分光光度计 翱艺仪器有限公司；贝克曼离心机 贝克曼商贸公司；中型双螺杆挤压机 自制；TENSOR II红外光谱 Bruken/Germany公司；H-9500扫描电镜 日本日立公司。
1.2 实验方法
1.2.1 传统湿磨工艺
操作要点：参照王亚丹[8]的方法略微改动，称取30.0 g玉米粒于三角瓶中，料液比为1:3，亚硫酸浓度为0.2%，乳酸浓度0.5%，在50 ℃下浸泡48 h，然后将充分浸泡的玉米粒去除浸泡液，加入150 mL蒸馏水，采用破壁机粗磨1 min，过100目筛，分离出粗纤维和胚芽，再细磨2 min，过200目筛，分离出细纤维，将过滤液进行离心10 min，转速4000 r/min，分离得到蛋白和淀粉，干燥备用[12]。
1.2.2 挤压联用H2SO3浸泡工艺
操作要点：将玉米粒进行脱胚，然后对玉米进行挤压预处理，称取挤压预处理后的玉米30.0 g于三角瓶中，料液比为1:3，亚硫酸浓度为0.2%，乳酸浓度为0.5%，在一定温度下浸泡一定时间，然后将充分浸泡的玉米去除浸泡液，加入150 mL蒸馏水，采用破壁机粗磨1 min，过100目筛，分离出粗纤维，再细磨2 min，过200目筛，分离出细纤维，将过滤液进行离心10 min，转速4000 r/min，分离得到蛋白和淀粉，干燥备用。
1.2.3 淀粉提取率和纯度测定
1.2.3.1 淀粉提取率
式中：P为淀粉提取率，%；m为分离提取的淀粉质量（干基），g；M为玉米的总质量，g；W为玉米中的含水量，%；74.24%为淀粉质量分数[4]。
1.2.3.2 3,5-二硝基水杨酸法测定淀粉纯度
称取淀粉样品50.0 mg，加入6 mL KOH（2 mol/L）溶液使其充分溶解，加入3 mL醋酸钠缓冲溶液（0.4 mol/L，pH=4.75），用1 mol/L盐酸调pH至4.75，最后加入70 μL糖化酶，于水浴锅中65 ℃下作用40 min。测定还原糖浓度，计算淀粉纯度[13]。
式中：X为玉米淀粉中的淀粉纯度，%；C为葡萄糖的浓度，mg/mL；V为样品稀释的体积，mL；M为淀粉样品的质量，mg；W为样品中的含水量，%；0.9为淀粉含量的换算系数。
1.2.4 单因素实验
1.2.4.1 挤压温度对提取率和纯度的影响
将原料进行挤压预处理，挤压温度分别为25、30、35、40、45、50 ℃，螺杆转速设置为180 r/min，控制物料水分为45%，挤压后烘干，称取30 g样品在H2SO3浓度0.2%、乳酸浓度0.5%、浸泡温度50 ℃、时间12 h下浸泡，然后通过细磨、过筛、静置、离心、干燥，得到玉米淀粉，计算淀粉提取率和纯度。
1.2.4.2 挤压水分对提取率和纯度的影响
将原料进行挤压预处理，挤压温度控制在35 ℃，螺杆转速设置为180 r/min，设置物料水分分别为35%、40%、45%、50%、55%，挤压后烘干，称取30 g样品在H2SO3浓度0.2%、乳酸浓度0.5%、浸泡温度50 ℃、时间12 h下浸泡，然后通过细磨、过筛、静置、离心、干燥，得到玉米淀粉，计算淀粉提取率和纯度。
1.2.4.3 螺杆转速对提取率和纯度的影响
将原料进行挤压预处理，挤压温度控制在35 ℃，螺杆转速分别为100、140、180、220、260 r/min，控制物料水分为45%，挤压后烘干，称取30 g样品在H2SO3浓度0.2%、乳酸浓度0.5%、浸泡温度50 ℃、时间12 h下浸泡，然后通过细磨、过筛、静置、离心、干燥，得到玉米淀粉，计算淀粉提取率和纯度。
1.2.4.4 H2SO3浸泡时间对提取率和纯度的影响
将原料进行挤压预处理，挤压温度控制在35℃，螺杆转速设置为180r/min，控制物料水分为45%，挤压后烘干，称取30 g样品在H2SO3浓度0.2%、乳酸浓度0.5%、浸泡温度50 ℃，时间分别为6、9、12、15、18 h条件下浸泡，然后通过细磨、过筛、静置、离心、干燥，得到玉米淀粉，计算淀粉提取率和纯度[14]。
1.2.5 响应面试验设计
根据单因素实验结果分析，选择挤压温度、挤压水分、螺杆转速以及浸泡时间为自变量，淀粉提取率为响应值，设计4因素3水平响应面分析，优化出最佳的玉米淀粉提取工艺参数。其他因素为：H2SO3浓度0.2%，乳酸浓度0.5%，浸泡温度为50℃。试验设计因素见表1。
表 1 响应面设计自变量因素水平设计Table 1. Response surface design independent variable factor level水平 因素 挤压温度（℃） 挤压水分（%） 螺杆转速（r/min） 浸泡时间（h） −1 40 45 140 10 0 45 50 180 12 1 50 55 220 14 1.2.6 传统湿磨工艺与挤压联用H2SO3浸泡工艺比较
参照王亚丹[8]的方法将传统湿磨工艺略微改动，其浸泡条件为：H2SO3浓度0.2%、乳酸浓度0.5%、浸泡温度为50 ℃、浸泡时间48 h，与挤压联用H2SO3浸泡工艺通过响应面优化得到最佳工艺参数的淀粉提取率、淀粉纯度和浸泡时间进行对比。
1.2.7 玉米淀粉化学结构和颗粒形态特征的分析
1.2.7.1 红外光谱的测定
准确称取3.00 mg干燥后研磨均匀的样品，进行压片处理，压力保持控制在15 kPa，选择4000~400 cm−1光谱范围，分辨率设置为4 cm−1[15]。
1.2.7.2 淀粉颗粒形态的测定
将淀粉样品放入45 ℃烘箱中烘干，过100目筛，取少量待测淀粉样品用导电银胶粘到扫描电镜放置台，将样品进行喷金处理，然后放入电子显微镜中进行观察[16]。
1.3 数据处理
每组均进行三次平行实验，采用SPSS26.0进行方差分析和差异化显著分析，Origin9.5软件作图，Design-Expert 8.0.6响应面分析。
2. 结果与分析
2.1 单因素结果
2.1.1 挤压温度对玉米淀粉提取率和纯度的影响
相关研究表明，挤压作用中产生的热能对淀粉结构影响很大，如颗粒损坏、有序态消失、分子降解等[17]，因此，在玉米淀粉的提取过程中，合理的控制挤压温度在60 ℃以下。由图1可知，在25~45 ℃时，挤压过程中产生的热能较小，没有达到分离淀粉的最佳热能，不足以充分破坏包裹淀粉颗粒的蛋白网状结构，但此时的淀粉纯度较高，可能是由于此时的热能并未对淀粉纯度造成影响，随着温度的逐渐升高，淀粉提取率也随之升高[18]，当温度达到45 ℃时，淀粉得到最高提取率89.77%，纯度为91.93%。当挤压温度继续升温达到50 ℃时，淀粉提取率和纯度都有所下降，可能的原因是挤压中的热能会破坏淀粉的结构，使得淀粉发生部分降解，形成多糖和部分小分子糖类[11]。因此，选取挤压温度为45 ℃较为合适。
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2.1.2 挤压水分对玉米淀粉提取率和纯度的影响
由图2可知，在开始阶段，当挤压水分在35%~50%时，提高挤压过程中的水分，淀粉的提取率和纯度逐渐升高，可能是因为在挤压过程中，水分的增加会加速淀粉的溶出，从而提高淀粉提取率，而在低水分条件下，淀粉在物理剪切作用下容易发生降解影响其纯度，随着水分升高淀粉降解程度降低，纯度逐渐提高[19]；随着水分含量不断增加，当挤压水分达到50%时，淀粉获得最高提取率90.46%和纯度93.22%，此时的挤压水分使得淀粉的溶出达到最大值，同时淀粉的纯度也不会受到影响。当挤压水分到达55%，此时淀粉的溶出量达到饱和，淀粉提取率略有下降的原因可能是高水分条件下挤压作用对包裹蛋白质网状结构的破坏作用减小，部分淀粉不能充分溶出，此时的淀粉纯度也不会受到挤压作用的影响[20]。因此，挤压水分选择50%较为合适。
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图 2 挤压水分对玉米淀粉提取率和淀粉纯度的影响Figure 2. Effects of extrusion moisture on extraction rate and purity of corn starch2.1.3 螺杆转速对玉米淀粉提取率和纯度的影响
在挤压过程中，提高螺杆转速，增加机械剪切力，有利于破坏分子间的作用力。由图3可知，挤压转速在100～180 r/min时，挤压转速增加与淀粉的提取率变化趋势相同，可能是机械能对胚乳中的蛋白质网状结构的破坏程度提高，游离淀粉随之增加，从而使淀粉和蛋白质的分离更加容易[21]；当转速达到180 r/min时，获得最高淀粉提取率91.21%和淀粉纯度92.42%；挤压转速在180～260 r/min时，随着转速的提高，机械剪切力增大，不仅能破坏蛋白质的网状结构，还会对淀粉颗粒破碎，部分结晶度损失[22]。因此，选取适中的挤压转速为180 r/min。
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图 3 螺杆转速对玉米淀粉提取率和淀粉纯度的影响Figure 3. Effects of extrusion speed on extraction rate and purity of corn starch2.1.4 H2SO3浸泡时间对玉米淀粉提取率和纯度的影响
玉米原料通过挤压处理，在水热和剪切力作用下，胚乳中的蛋白质基质受到了不同程度的破坏，但是对蛋白质基质的主要结构二硫键的破坏程度还不够充分，还是需要通过H2SO3浸泡提取。由图4可知，随着浸泡时间的延长，亚硫酸会破坏蛋白质的二硫键，导致蛋白质逐渐变性，淀粉颗粒充分的溶出，当浸泡时间达到12 h时，蛋白质网状结构被充分破坏，淀粉颗粒的溶出达到最大值，此时的淀粉提取率92.44%和淀粉纯度92.04%；随着浸泡时间的增加，淀粉提取率和纯度变化不大[23]，因此，从节约时间和提高效益的角度考虑，最佳浸泡时间为12 h。
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图 4 H2SO3浸泡时间对玉米淀粉提取率和淀粉纯度的影响Figure 4. Effects of H2SO3 soaking time on extraction rate and purity of corn starch2.2 响应面试验对工艺参数的优化
2.2.1 响应面试验设计
根据以上单因素实验结果，进行4因素3水平的响应面优化试验，以玉米淀粉提取率作为评价指标，确定挤压联用H2SO3工艺的最佳工艺条件，根据Box-Behnken试验设计与结果见表2[24]。
表 2 响应面工艺优化及结果分析Table 2. Process optimization and results of response surface methodology实验号 A B C D 玉米淀粉 挤压温度（℃） 挤压水分（%） 螺杆转速（r/min） 浸泡时间（h） 提取率（%） 1 45 55 220 12 92.27±0.09 2 50 45 180 12 91.64±0.12 3 45 45 140 12 91.92±0.12 4 40 50 180 10 90.94±0121 5 40 55 180 12 92.25±0.11 6 45 50 180 12 92.58±0.13 7 40 50 220 12 91.94±0.09 8 50 55 180 12 91.79±0.09 9 45 55 140 12 91.46±0.17 10 45 50 140 14 92.03±0.16 11 45 45 220 12 91.06±0.18 12 50 50 180 10 91.46±0.11 13 50 50 220 12 91.11±0.06 14 40 50 180 14 93.25±0.16 15 45 55 180 10 91.36±0.09 16 45 45 180 10 90.81±0.28 17 50 50 180 12 92.69±0.29 18 50 50 140 12 91.58±0.13 19 45 50 220 10 90.57±0.17 20 40 45 180 12 91.88±0.15 21 50 50 180 14 92.02±0.14 22 45 50 140 10 91.05±0.16 23 45 50 180 12 92.52±0.22 24 40 50 140 12 91.51±0.13 25 45 45 180 14 92.34±0.19 26 45 55 180 14 92.62±0.18 27 45 50 220 14 92.36±0.14 28 45 50 180 12 92.41±0.16 29 45 50 180 12 92.46±0.16 2.2.2 方差分析
利用Design-Expert 8.0.6软件对表2进行二次回归拟合处理，得到回归方差分析结果见表3。
表 3 回归方程的方差分析结果Table 3. Results of variance analysis of regression equation方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性 模型 11.83 14 0.84 80.68 <0.0001 ** A-挤压温度 0.39 1 0.39 37.47 <0.001 ** B-挤压水分 0.37 1 0.37 35.09 <0.001 ** C-螺杆转速 0.048 1 0.048 0.46 0.5094 D-浸泡时间 5.92 1 5.92 565.46 <0.001 ** AB 0.012 1 0.012 1.16 0.3006 AC 0.20 1 0.20 19.34 0.0006 ** AD 0.77 1 0.77 73.10 <0.0001 ** BC 0.70 1 0.070 66.57 <0.0001 ** BD 0.018 1 0.018 1.74 0.2083 CD 0.16 1 0.16 15.6 0.0014 ** A2 0.63 1 0.63 60.39 <0.0001 ** B2 0.62 1 0.62 58.95 <0.0001 ** C2 2.54 1 2.54 242.71 <0.0001 ** D2 0.95 1 0.95 90.50 <0.001 ** 残差 0.15 14 0.010 失拟项 0.099 10 0.099 0.84 0.6298 净误差 0.047 4 0.012 总离差 11.98 28 注：*表示影响显著，P<0.05；**表示影响极显著，P<0.01；R2=0.9461；R2Adj=0.9755。 根据表3中的各因素回归拟合后得到二次回归方程为：Y=92.53−0.18A+0.17B−0.02C+0.70D−0.055AB−0.22AC−0.44AD+0.42BC−0.067BD+0.20CD−0.31A2−0.31B2−0.63C2−0.38D2，由表3可得，模型P<0.0001，说明回归方程已达到了极显著的水平，失拟项（P=0.6298>0.05）差异并不显著，表明所得到方程能够很好预测挤压各因素对玉米淀粉提取率的变化规律，决定系数为R2=0.9461，说明回归方程拟合程度很好。各个因素影响的程度由F值可知浸泡时间（D）>挤压温度（A）>挤压水分（B）>螺杆转速（C）。其中A、B、D与交互项AC、AD、BC和二次项A2、B2、C2、D2对响应值的影响达到极显著的水平（P<0.01），而C、交互项AB、BD对响应值的影响表现为不显著。
2.2.3 响应面交互作用分析
根据回归方程分析，考察挤压温度、挤压水分、螺杆转速、浸泡时间这四个因素间的交互作用与淀粉提取率的变化情况，经Design-Expert软件制作所得响应面，通过响应曲面陡峭程度和三维等高线疏密，可以直观判断两因素间的交互作用程度。如图5～图8所示，图5整个响应值较平缓，等高线的形状趋近于椭圆形，说明挤压温度与螺杆转速的交互作用对于淀粉提取率具有显著影响，但影响程度并不是最大的。图6整个响应面值较陡，等高线趋近于椭圆且分布较密集，说明挤压温度与浸泡时间的交互作用对于淀粉提取率具有较大影响，由方差分析结果得到其影响程度是最大的。图7整个响应面值较平缓，等高线趋近于椭圆，说明挤压水分与螺杆转速的交互作用对于淀粉提取率具有较大影响。图8整个响应面值较陡，等高线趋近于椭圆且分布密集，说明螺杆泵转速与浸泡的交互作用对于淀粉提取率具有显著影响。以上所有结果与方差分析的结果一致。
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图 5 挤压温度与螺杆转速对淀粉提取率的交互影响Figure 5. Interaction of extrusion temperature and screw speed on starch extraction rate![]()
图 8 螺杆转速与浸泡时间对淀粉提取率的交互影响Figure 8. Interaction of screw speed and soaking time on starch extraction rate![]()
图 6 挤压温度与浸泡时间对淀粉提取率的交互影响Figure 6. Interaction of extrusion temperature and soaking time on starch extraction rate![]()
图 7 挤压水分与螺杆转速对淀粉提取率的交互影响Figure 7. Interaction of extrusion moisture and screw speed on starch extraction rate2.2.4 验证试验
为了确定实验结果的正确性，利用Design-Expert软件进行分析，得到最优的玉米淀粉提取条件为挤压温度40 ℃、挤压水分53%、螺杆转速194 r/min、浸泡时间14 h，此条件下淀粉提取率预测其最大值为93.16%。在此最佳条件下进行3次平行试验，实验结果玉米淀粉提取率为93.25%±0.16%，纯度为95.15%±0.46%。实际值与理论值仅相差0.09%，两者一致性较高，表明该回归模型能够很好地反映各因素对玉米淀粉提取率的影响，并证明了采用挤压联用H2SO3浸泡预处理工艺的可行性。
2.3 传统湿磨工艺与挤压联用H2SO3预处理工艺的对比
由表4可知，挤压联用H2SO3浸泡工艺的提取率比传统湿磨工艺高1.79%，淀粉的纯度也相应提高了0.78%，整个生产工艺的提取时间缩短了34 h。为下一步研究挤压预处理工艺的分离机理提供一定的理论支撑。
表 4 传统湿磨工艺与挤压联用H2SO3工艺对比Table 4. Basic components of corn starch prepared by different preparation technology指标 传统湿磨法制备玉米淀粉 挤压联用H2SO3浸泡
制备玉米淀粉淀粉提取率（%） 91.46±0.25 93.25±0.16 淀粉含量（干基）（%） 94.37±0.37 95.15±0.46 H2SO3浸泡时间（h） 48 14 2.4 玉米淀粉结构和形态特征的结果分析
2.4.1 傅里叶红外光谱分析
采用红外光谱对不同提取工艺的玉米淀粉进行结构特征分析，如图9所示，3313 cm−1是碳水化合物的特征峰是O-H伸缩振动峰，与分子间的氢键有关，2978 cm−1所对应的是反对称的-CH2伸缩振动峰，1645 cm−1所对应的是吸附水中H-O-H弯曲振动所产生的[25]，1342 cm−1所对应的为-CH-伸缩振动峰，1020 cm−1所对应的为C-OH伸缩振动峰1170~998 cm−1为淀粉特征谱带，859 cm−1为D-吡喃糖苷键和572~757 cm−1是-CH2摇摆振动产生的淀粉特征峰[25]。a、b两种不同加工提取工艺所得到的玉米淀粉的红外光谱上出现的吸收峰是相同的，其最大吸收峰波数范围也没有变化，同时峰位的峰吸收强度也并没有差异，表明挤压预处理并未使淀粉的化学结构发生改变[26]。
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图 9 两种不同工艺制备玉米淀粉的红外光谱图注：a-湿磨法制备玉米淀粉；b-挤压联用H2SO3制备玉米淀粉。Figure 9. Infrared spectra of corn starch prepared by two different processes2.4.2 淀粉颗粒形态的分析
从图10可以看出未经挤压预处理的淀粉颗粒外形完整光滑，呈典型的多面体形态。而在低温高水分挤压处理后的部分淀粉颗粒表面出现微小凹坑及轻微褶皱，颗粒棱角不如原淀粉分明，但淀粉颗粒依然保持完好状态[27]。可能是由于淀粉颗粒受力向前，并在挤压机腔体内受到一系列复合作用力的过程导致淀粉颗粒微观结构发生变化，呈现出蓬松状态进而解体，淀粉颗粒由原先的光滑多角体形变为棱角明显的不规则碎石状[28]。
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图 10 玉米淀粉的扫描电镜图注：a、A湿磨法制备玉米淀粉（500×，3000×）；b、B挤压制备玉米淀粉（500×，3000×）。Figure 10. Scanning electron microscope of corn starch3. 结论
本研究采用挤压联合H2SO3浸泡提取玉米淀粉，在单因素实验的基础上利用响应面优化分析，确定了最佳的提取工艺：玉米淀粉提取条件为挤压温度40 ℃、挤压水分53.74%、螺杆转速194.48 r/min、浸泡时间14 h。得到玉米淀粉提取率达到了93.25%相比传统湿磨工艺提高了1.79%，相较于传统湿磨工艺缩短淀粉预处理时间34 h。红外图谱分析说明挤压技术只是利用物理剪切作用，没有改变淀粉的化学结构，通过SEM观察挤压后的少部分淀粉颗粒表面出现凹坑和轻微皱褶，颗粒状态整体保持完好，本次实验为下一步研究淀粉的理化特性和挤压预处理的分离机理提供一定的理论支撑。
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图 2 挤压水分对玉米淀粉提取率和淀粉纯度的影响
Figure 2. Effects of extrusion moisture on extraction rate and purity of corn starch
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图 3 螺杆转速对玉米淀粉提取率和淀粉纯度的影响
Figure 3. Effects of extrusion speed on extraction rate and purity of corn starch
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图 4 H2SO3浸泡时间对玉米淀粉提取率和淀粉纯度的影响
Figure 4. Effects of H2SO3 soaking time on extraction rate and purity of corn starch
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图 5 挤压温度与螺杆转速对淀粉提取率的交互影响
Figure 5. Interaction of extrusion temperature and screw speed on starch extraction rate
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图 8 螺杆转速与浸泡时间对淀粉提取率的交互影响
Figure 8. Interaction of screw speed and soaking time on starch extraction rate
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图 6 挤压温度与浸泡时间对淀粉提取率的交互影响
Figure 6. Interaction of extrusion temperature and soaking time on starch extraction rate
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图 7 挤压水分与螺杆转速对淀粉提取率的交互影响
Figure 7. Interaction of extrusion moisture and screw speed on starch extraction rate
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图 9 两种不同工艺制备玉米淀粉的红外光谱图
注：a-湿磨法制备玉米淀粉；b-挤压联用H2SO3制备玉米淀粉。
Figure 9. Infrared spectra of corn starch prepared by two different processes
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图 10 玉米淀粉的扫描电镜图
注：a、A湿磨法制备玉米淀粉（500×，3000×）；b、B挤压制备玉米淀粉（500×，3000×）。
Figure 10. Scanning electron microscope of corn starch
表 1 响应面设计自变量因素水平设计
Table 1 Response surface design independent variable factor level
水平 因素 挤压温度（℃） 挤压水分（%） 螺杆转速（r/min） 浸泡时间（h） −1 40 45 140 10 0 45 50 180 12 1 50 55 220 14 
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表 2 响应面工艺优化及结果分析
Table 2 Process optimization and results of response surface methodology
实验号 A B C D 玉米淀粉 挤压温度（℃） 挤压水分（%） 螺杆转速（r/min） 浸泡时间（h） 提取率（%） 1 45 55 220 12 92.27±0.09 2 50 45 180 12 91.64±0.12 3 45 45 140 12 91.92±0.12 4 40 50 180 10 90.94±0121 5 40 55 180 12 92.25±0.11 6 45 50 180 12 92.58±0.13 7 40 50 220 12 91.94±0.09 8 50 55 180 12 91.79±0.09 9 45 55 140 12 91.46±0.17 10 45 50 140 14 92.03±0.16 11 45 45 220 12 91.06±0.18 12 50 50 180 10 91.46±0.11 13 50 50 220 12 91.11±0.06 14 40 50 180 14 93.25±0.16 15 45 55 180 10 91.36±0.09 16 45 45 180 10 90.81±0.28 17 50 50 180 12 92.69±0.29 18 50 50 140 12 91.58±0.13 19 45 50 220 10 90.57±0.17 20 40 45 180 12 91.88±0.15 21 50 50 180 14 92.02±0.14 22 45 50 140 10 91.05±0.16 23 45 50 180 12 92.52±0.22 24 40 50 140 12 91.51±0.13 25 45 45 180 14 92.34±0.19 26 45 55 180 14 92.62±0.18 27 45 50 220 14 92.36±0.14 28 45 50 180 12 92.41±0.16 29 45 50 180 12 92.46±0.16
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表 3 回归方程的方差分析结果
Table 3 Results of variance analysis of regression equation
方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性 模型 11.83 14 0.84 80.68 <0.0001 ** A-挤压温度 0.39 1 0.39 37.47 <0.001 ** B-挤压水分 0.37 1 0.37 35.09 <0.001 ** C-螺杆转速 0.048 1 0.048 0.46 0.5094 D-浸泡时间 5.92 1 5.92 565.46 <0.001 ** AB 0.012 1 0.012 1.16 0.3006 AC 0.20 1 0.20 19.34 0.0006 ** AD 0.77 1 0.77 73.10 <0.0001 ** BC 0.70 1 0.070 66.57 <0.0001 ** BD 0.018 1 0.018 1.74 0.2083 CD 0.16 1 0.16 15.6 0.0014 ** A2 0.63 1 0.63 60.39 <0.0001 ** B2 0.62 1 0.62 58.95 <0.0001 ** C2 2.54 1 2.54 242.71 <0.0001 ** D2 0.95 1 0.95 90.50 <0.001 ** 残差 0.15 14 0.010 失拟项 0.099 10 0.099 0.84 0.6298 净误差 0.047 4 0.012 总离差 11.98 28 注：*表示影响显著，P<0.05；**表示影响极显著，P<0.01；R2=0.9461；R2Adj=0.9755。
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表 4 传统湿磨工艺与挤压联用H2SO3工艺对比
Table 4 Basic components of corn starch prepared by different preparation technology
指标 传统湿磨法制备玉米淀粉 挤压联用H2SO3浸泡
制备玉米淀粉淀粉提取率（%） 91.46±0.25 93.25±0.16 淀粉含量（干基）（%） 94.37±0.37 95.15±0.46 H2SO3浸泡时间（h） 48 14
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