響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化米糠膳食纖維脂肪替代物的制備工藝

劉 穎，宋丹丹，付 薇，于曉紅，竇博鑫（哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150076）

響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化米糠膳食纖維脂肪替代物的制備工藝

劉 穎，宋丹丹，付 薇，于曉紅，竇博鑫
（哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150076）

以米糠膳食纖維為原料，采取羧甲基取代的方法制備米糠膳食纖維脂肪替代物。利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化米糠膳食纖維脂肪替代物的制備工藝。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參考響應(yīng)面Box-Behnken法選擇初始參數(shù)，利用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行二次回歸分析對(duì)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。結(jié)果顯示，最優(yōu)參數(shù)為堿化溫度25.9 ℃、氯乙酸添加量16.27 g/15 g、醚化時(shí)間4.54 h、醚化溫度69 ℃。此條件下，所得的米糠膳食纖維脂肪替代物的羧甲基取代度為1.266 8。從紅外光譜圖可以看出，制備出的米糠膳食纖維脂肪替代物發(fā)生了羧甲基取代反應(yīng)。

米糠膳食纖維；脂肪替代物；制備工藝；響應(yīng)面分析法

脂肪同葡萄糖、蛋白質(zhì)并稱三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，它提供給人體所需的營(yíng)養(yǎng)成分[1]，在食品的風(fēng)味、質(zhì)構(gòu)、口感等方面起著重要的作用[2]。但近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，高脂肪膳食被認(rèn)為是肥胖癥、高血脂、糖尿病等的誘因之一[3-5]。因此，脂肪替代物應(yīng)運(yùn)而生[6]。

脂肪替代物是一類(lèi)添加到食品中可模擬同類(lèi)全脂食品相同或相近的感官效果，但減少能量的物質(zhì)。理想的脂肪替代物應(yīng)具有類(lèi)似脂肪的滑膩口感、低能量、無(wú)生理副作用等特點(diǎn)[7]。目前，脂肪替代物在人造黃油、冷凍食品和焙烤類(lèi)食品中得到廣泛應(yīng)用[8-10]。米糠是稻谷加工中最重要的一類(lèi)副產(chǎn)品，含有優(yōu)質(zhì)并且豐富的膳食纖維、脂肪、蛋白質(zhì)和淀粉等營(yíng)養(yǎng)素[11]。是開(kāi)發(fā)米糠油、米糠保健食品及多種生物活性物質(zhì)的寶貴資源。

我國(guó)以可溶性膳食纖維為原料制成脂肪替代物的研究較多，吉義平等[12]以麥芽糊精、可溶性米糠蛋白、米糠多糖和可溶性米糠膳食纖維為原料，采用酶解法制備脂肪替代物。但以不溶性膳食纖維為原料的很少，荊曉飛[13]以玉米皮不溶性膳食纖維為原料，采用羧甲基取代法制備脂肪替代物。

本研究參考荊曉飛[13]制備脂肪替代物的方法，以不被人體消化吸收的不溶性米糠膳食纖維為原料制備米糠膳食纖維脂肪替代物，研究其最佳制備工藝。本研究為了解決低附加值米糠大量廢置的問(wèn)題，并滿足人們對(duì)低脂、低熱量健康飲食產(chǎn)品的需求，從而創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

米糠膳食纖維為實(shí)驗(yàn)室自制：米糠溶于4 倍體積的乙醇在25 ℃條件下浸泡4 h，蒸餾水清洗掉殘留有機(jī)溶劑，離心，清洗，60 ℃烘干，粉碎，過(guò)40 目篩，即得到脫脂米糠。脫脂后的米糠含有的脂肪含量為0.87%。

無(wú)水乙醇 天津市天力化學(xué)試劑有限公司；甲醇、異丙醇、冰乙酸 天津市富宇精細(xì)化工有限公司；氯乙酸 天津市巴斯夫化工有限公司；蒸餾水 實(shí)驗(yàn)室外供；氫氧化鈉 天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠；鹽酸哈爾濱市化工試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；HH-ZK4雙列四孔水浴鍋 鞏凡市予華儀器有限責(zé)任公司；低速大容量離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；SHBIV雙A循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；R-205旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、W20513數(shù)控恒溫水浴鍋 上海申勝生物技術(shù)有限公司；HZQ-D恒溫振蕩器 哈爾濱東聯(lián)電子技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司；Spectrum One-B型傅里葉變換紅外光譜儀 美國(guó)鉑金埃爾默公司。

1.3 方法

1.3.1 米糠膳食纖維的制備

參考鄭紅艷[14]的方法制備米糠膳食纖維，在此基礎(chǔ)上略有改動(dòng)。稱取10 g脫脂米糠，按1∶10的料液比添加蒸餾水，煮沸糊化10 min，冷卻。在60 ℃、pH 6.5的條件下加入耐高溫α-淀粉酶酶解50 min，沸水浴滅酶10 min。然后在50 ℃條件下加入1% 0.2 mol/L NaOH溶液，磁力攪拌60 min，以去除蛋白質(zhì)和脂肪，離心后傾去上清液。蒸餾水洗滌沉淀至溶液呈中性；60 ℃條件下烘干；粉碎后得到膳食纖維提取率為33.23%米糠膳食纖維。

1.3.2 米糠膳食纖維脂肪替代物制備的單因素試驗(yàn)

1.3.2.1 溶劑媒介對(duì)米糠膳食纖維脂肪替代物羧甲基取代度的影響

以甲醇、乙醇、異丙醇以及水為介質(zhì)，15 g米糠膳食纖維溶于150 mL溶劑中，向其加入100 mL 15%的NaOH溶液，25 ℃堿化1.5 h，加入與米糠膳食纖維等量的氯乙酸配制成的15%氯乙酸溶液，70 ℃反應(yīng)4.5 h，以羧甲基取代度為指標(biāo)選擇最佳反應(yīng)媒介。

1.3.2.2 堿化溫度對(duì)米糠膳食纖維脂肪替代物羧甲基取代度的影響

15 g米糠膳食纖維溶于150 mL溶劑中，向其加入100 mL 15%的NaOH溶液，在20、25、30、35、40 ℃的條件下堿化1.5 h，加入與米糠膳食纖維等量的氯乙酸配制成的15%氯乙酸溶液，70 ℃條件下醚化反應(yīng)4.5 h，測(cè)定米糠膳食纖維脂肪替代物的羧甲基取代度。

1.3.2.3 氯乙酸添加量對(duì)米糠膳食纖維脂肪替代物羧甲基取代度的影響

15 g米糠膳食纖維溶于150 mL溶劑中，在25 ℃條件下，向其加入100 mL 15%的NaOH溶液堿化1.5 h，分別取氯乙酸添加量為7.5、10.0、15.0、22.5、30.0 g/15 g，并將其配制成15%氯乙酸溶液，70 ℃醚化4.5 h，測(cè)定米糠膳食纖維脂肪替代物的羧甲基取代度。

1.3.2.4 醚化時(shí)間對(duì)米糠脂肪替代物羧甲基取代度的影響

15 g米糠膳食纖維溶于150 mL溶劑中，向其加入100 mL 15%的NaOH溶液，在25 ℃條件下堿化1.5 h，加入與米糠膳食纖維等質(zhì)量的15%氯乙酸溶液，70 ℃醚化3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 h，測(cè)定米糠膳食纖維脂肪替代物的羧甲基取代度。

1.3.2.5 醚化溫度對(duì)米糠膳食纖維脂肪替代物羧甲基取代度的影響

15 g米糠膳食纖維溶于150 mL溶劑中，向其加入100 mL 15%的NaOH溶液，在25 ℃條件下堿化1.5 h，加入與米糠膳食纖維等質(zhì)量的15%氯乙酸溶液，分別在50、55、60、65、70、75 ℃醚化反應(yīng)4.5 h，測(cè)定米糠膳食纖維脂肪替代物的羧甲基取代度。

1.3.3 米糠膳食纖維脂肪替代物制備的響應(yīng)面試驗(yàn)

根據(jù)響應(yīng)面Box-Behnken設(shè)計(jì)原理[15-16]，將單因素試驗(yàn)中對(duì)米糠膳食纖維脂肪替代物羧甲基取代度影響明顯的因素進(jìn)行分析試驗(yàn)，以堿化溫度、氯乙酸添加量、醚化時(shí)間、醚化溫度4 個(gè)因素為自變量，米糠膳食纖維脂肪替代物羧甲基取代度為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)為四因素三水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels used in Box-Behnken design

1.3.4 羧甲基取代度的測(cè)定

通過(guò)添加強(qiáng)親水基團(tuán)羧甲基基團(tuán)來(lái)改進(jìn)不溶性米糠膳食纖維的親水性質(zhì)，賦予膳食纖維良好的水溶性并且能夠模擬脂肪的性質(zhì)，從而使米糠膳食纖維達(dá)到脂肪替代物的效果。羧甲基取代度是指每個(gè)脫水葡萄糖單元上羥基被取代的平均數(shù)目。參考黃紀(jì)念[17]、張炯亮[18]等的方法，稱取0.100 g米糠膳食纖維脂肪替代物，加入40 mL 2 mol/L HCl溶液，攪拌3.5 h，過(guò)濾，80%的甲醇溶液洗滌米糠膳食纖維脂肪替代物，直到濾液用AgNO3檢查無(wú)氯離子為止。用50 mL 0.5 mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液溶解樣品，加熱使溶液呈透明狀態(tài)，立即用0.5 mol/L的標(biāo)準(zhǔn)HCl溶液滴定剩余NaOH，用酚酞作指示劑，滴至紅色剛剛褪去為止。

式（1）、（2）中：DS為米糠膳食纖維脂肪替代物的羧甲基取代度；C（NaOH）為加入NaOH濃度，0.5 mol/L；V（NaOH）為加入NaOH體積，50 mL；C（HCl）為滴定時(shí)加入HCl濃度，0.5 mol/L；V（HCl）為滴定時(shí)所消耗的HCl體積/mL。

1.3.5 米糠膳食纖維脂肪替代物的紅外光譜表征

將米糠膳食纖維脂肪替代物2 mg放入瑪瑙研缽中，加入200 mg干燥的光譜純KBr，混合研磨均勻，使其粒度在2.5 μm以下，裝入壓片模具中，進(jìn)行壓片，即可得到一透明KBr樣品片，用紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

各因素在相同條件下平行測(cè)定2 次，應(yīng)用Microsoft Excel軟件和Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 溶劑媒介對(duì)米糠膳食纖維脂肪替代物羧甲基取代度的影響

圖1 溶劑媒介對(duì)米糠膳食纖維脂肪替代物羧甲基取代度的影響Fig.1 Influence of solvent media on the degree of carboxymethyl substitution of rice bran fat substitute

由圖1可以看出，在相同的試驗(yàn)條件下，水作為溶劑媒介具有最高的羧甲基取代度為0.416 8，甲醇、異戊醇的羧甲基取代度為0.203 8、0.227 2，乙醇作為有機(jī)溶劑媒介的效果最差為0.199 2，這說(shuō)明乙醇作為本反應(yīng)的媒介對(duì)于試驗(yàn)條件的要求較高，在同等反應(yīng)條件下，其副反應(yīng)嚴(yán)重抑制了主要的羧甲基化反應(yīng)，對(duì)醚化劑的利用程度大幅降低，增加了反應(yīng)的難度，從而增大了反應(yīng)成本[13]。與此同時(shí)，水作為溶劑媒介可以降低成本，有利于后續(xù)反應(yīng)的安全性。綜上所述，選水作為溶劑媒介。

2.1.2 堿化溫度對(duì)米糠膳食纖維脂肪替代物羧甲基取代度的影響

圖2 堿化溫度對(duì)米糠膳食纖維脂肪替代物羧甲基取代度的影響Fig.2 Influence of alkalization temperature on the degree of carboxymethyl substitution of rice bran fat substitute

從圖2可以看出，隨著堿化溫度的逐漸升高，羧甲基取代度開(kāi)始逐漸升高而后逐漸降低。溫度在20～25 ℃范圍內(nèi)羧甲基取代度從0.362 6升到0.422 5，這是因?yàn)榇朔磻?yīng)是親電取代反應(yīng)[19]，即羧甲基中碳進(jìn)攻堿化米糠膳食纖維的活性中心，隨著堿化溫度的不斷升高，羧甲基化反應(yīng)機(jī)率不斷升高，羧甲基取代度不斷增加。溫度在25～40 ℃范圍內(nèi)羧甲基取代度下降到0.335 3，隨著堿化溫度的不斷升高，導(dǎo)致米糠膳食纖維發(fā)生焦化反應(yīng)，產(chǎn)物顏色較深[20]，不利于米糠膳食纖維羥基基團(tuán)的外露，逐漸減小了可以反應(yīng)的空間，所以高溫對(duì)堿性米糠膳食纖維具有反作用[21]。當(dāng)溫度為25 ℃時(shí)，羧甲基取代度達(dá)到最大為0.422 5。相同條件下，較低的溫度有助于堿化反應(yīng)的充分進(jìn)行，25 ℃為一般室溫，減小了對(duì)設(shè)備和環(huán)境的特殊要求，從而25 ℃為制備高羧甲基取代度的米糠膳食纖維脂肪替代物的最優(yōu)堿化溫度。

2.1.3 氯乙酸添加量對(duì)米糠膳食纖維脂肪替代物羧甲基取代度的影響

圖3 氯乙酸添加量對(duì)米糠膳食纖維脂肪替代物羧甲基取代度的影響Fig.3 Influence of chloroacetic acid dosage on the degree of carboxymethyl substitution of rice bran fat substitute

從圖3可以看出，隨著氯乙酸添加量的不斷升高，羧甲基取代度先增大隨后減小。氯乙酸添加量在7.5～15 g/15 g范圍內(nèi)時(shí)，羧甲基取代度從0.512 0上升到0.715 7，這是因?yàn)楫?dāng)堿的添加量一定時(shí)，形成米糠膳食纖維的活性中心一定，在此情況下，隨著氯乙酸用量增加，活性中心與之碰撞發(fā)生羧甲基化反應(yīng)的機(jī)率也隨之增加，使得羧甲基化增加[22-24]；在氯乙酸添加量為15～30 g/15 g時(shí)，羧甲基取代度下降到0.602 3，當(dāng)氯乙酸添加量過(guò)高時(shí)，會(huì)消耗一部分堿，使副反應(yīng)增加，從而導(dǎo)致羧甲基化降低[25]，在氯乙酸添加量為15 g/15 g時(shí)，羧甲基取代度最大為0.715 7。此時(shí)的堿與氯乙酸的比例最為合適，既能保證整個(gè)反應(yīng)體系的堿性條件，又可以確保醚化反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)地位，反應(yīng)效率最高。

2.1.4 醚化時(shí)間對(duì)米糠膳食纖維脂肪替代物羧甲基取代度的影響

圖4 醚化時(shí)間對(duì)米糠膳食纖維脂肪替代物羧甲基取代度的影響Fig.4 Influence of etherification time on the degree of carboxymethyl substitution of rice bran fat substitute

從圖4可以看出，隨著醚化時(shí)間的延長(zhǎng)，羧甲基取代度先增大再降低，醚化時(shí)間3.0～4.5 h時(shí)，羧甲基取代度從0.414 4增加到0.530 8，這是因?yàn)殡S著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，反應(yīng)進(jìn)行得越充分[20]。醚化時(shí)間4.5～5.0 h時(shí)，羧甲基取代度從0.530 8下降到0.472 4，由于體系長(zhǎng)時(shí)間在強(qiáng)堿環(huán)境中，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能導(dǎo)致游離的堿將原本連接上的羧甲基裂解下來(lái)，羧甲基化產(chǎn)品發(fā)生輕微的水解，而導(dǎo)致羧甲基取代度下降，所以反應(yīng)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。在醚化時(shí)間為4.5 h時(shí)，羧甲基取代度最大為0.530 8，同時(shí)反應(yīng)進(jìn)行的也最為充分，因此選擇4.5 h作為制備米糠膳食纖維脂肪替代物的最佳醚化時(shí)間。

圖5 醚化溫度對(duì)米糠膳食纖維脂肪替代物羧甲基取代度的影響Fig.5 Iinfluence of etherification temperature on the degree of carboxymethyl substitution of rice bran fat substitute

2.1.5 醚化溫度對(duì)米糠膳食纖維脂肪替代物羧甲基取代度的影響

從圖5可以看出，羧甲基取代度隨著醚化溫度的升高體現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，醚化溫度在50～70 ℃時(shí)，羧甲基取代度由0.471 7逐漸升高到0.591 2，醚化溫度升高增加了體系的熱能，有助于基團(tuán)與活性位點(diǎn)間的相互作用，既提高了相互接觸的頻率又提高了醚化反應(yīng)強(qiáng)度[13]。若溫度過(guò)低則大大降低醚化反應(yīng)速率，副反應(yīng)的強(qiáng)度增強(qiáng)，對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。隨著溫度的升高，羧甲基取代度在醚化溫度75 ℃時(shí)下降到0.562 2，過(guò)高的溫度會(huì)使堿性纖維發(fā)生焦化反應(yīng)，產(chǎn)物顏色加深且結(jié)塊，造成反應(yīng)困難，已經(jīng)連接上的羧甲基基團(tuán)聯(lián)結(jié)牢固程度下降，導(dǎo)致最終的羧甲基取代度下降[19]。當(dāng)醚化溫度70 ℃時(shí)有最大羧甲基取代度0.591 2，此時(shí)溫度保證了主反應(yīng)的效率，副反應(yīng)速率降低，醚化劑得到充分利用。因此，制備米糠膳食纖維脂肪替代物的最適醚化溫度為70 ℃。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 2 Experimental matrix with results for response surface methodology

以堿化溫度、氯乙酸添加量、醚化時(shí)間、醚化溫度作為自變量，以取代度為響應(yīng)值，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表2。其中1～24為析因試驗(yàn)，25～29為中心試驗(yàn)。29 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分為析因點(diǎn)和零點(diǎn)，其中析因點(diǎn)為自變量取值在A、B、C、D所構(gòu)成的三維頂點(diǎn)，零點(diǎn)為區(qū)域的中心點(diǎn)，零點(diǎn)試驗(yàn)重復(fù)5 次，用以估計(jì)試驗(yàn)誤差[13]。利用ANOVA分析效應(yīng)面的回歸參數(shù)。采用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸擬合，得到以羧甲基取代度為響應(yīng)值的二次多項(xiàng)回歸模型方程：Y=－111.667 57＋0.625 35A＋9.359 2B＋10.260 06C＋2.190 12D＋0.128 84AB＋0.067 31AC－3.6×10－3AD－0.376 4BC＋0.038 82BD＋2.77×10－3CD－0.016 415A2－5.284 81B2－1.289 45C2－0.015 659D2。

2.2.2 回歸方程的顯著性檢驗(yàn)及方差分析

表3 回歸方程的顯著性檢驗(yàn)及方差分析Table 3 Significance test and analysis of variance (ANOVA) of regression equation

對(duì)模型方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，由表3方差分析結(jié)果可見(jiàn)，模型差異性極顯著（P＜0.000 1），說(shuō)明方程與實(shí)際情況擬合較好，能夠反映羧甲基取代度與各因素之間的關(guān)系。失擬項(xiàng)差異不顯著（P＞0.05），說(shuō)明其他因素對(duì)試驗(yàn)影響很小。適用于米糠膳食纖維脂肪替代物制備的工藝優(yōu)化。由表3中F值的大小可以判斷各因素對(duì)羧甲基取代度影響的強(qiáng)弱。各個(gè)因素對(duì)羧甲基取代度影響的程度大小的次序醚化溫度＞氯乙酸添加量＞堿化溫度＞醚化時(shí)間，數(shù)學(xué)模型的結(jié)果表明一次項(xiàng)A、B、D與二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2以及交互項(xiàng)AB、AC差異性達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），交互項(xiàng)AD達(dá)到顯著水平（P＜0.05），結(jié)果表明各考察因素對(duì)羧甲基取代度的影響具有交互作用，而不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。可用該回歸方程代替實(shí)驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。其相關(guān)系數(shù)R2=0.918 3，說(shuō)明試驗(yàn)所選擇的4 個(gè)變量對(duì)響應(yīng)值的影響已達(dá)91.83%，表示該模型條件能夠很好地反映實(shí)際值。其他影響因素對(duì)提取率的影響可忽略不計(jì)。

2.2.3 各因素交互作用的響應(yīng)面分析

響應(yīng)面圖中曲面的陡峭程度可以表明變量對(duì)羧甲基取代度的影響程度，曲面較陡表明影響較大，反之則較??；而等高線圖反映了因素間交互作用的強(qiáng)弱大小，橢圓形表示交互作用顯著，圓形表示交互作用不顯著[26]。結(jié)合本研究中的二次回歸方程及表3可知，二次項(xiàng)AB、AC、AD均具有顯著的交互作用（P＜0.05），其中二次項(xiàng)AB、AC具有極顯著的交互作用（P＜0.01），即堿化溫度與氯乙酸添加量、堿化溫度與醚化時(shí)間、堿化溫度與醚化溫度每?jī)蓚€(gè)因素間均具有顯著交互作用。

圖6 各因素交互作用對(duì)羧甲基取代度影響的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface graphs showing the effects of various factors on the degree of carboxymethyl substitution

由圖6可看出，堿化溫度和氯乙酸添加量、堿化溫度和醚化時(shí)間、堿化溫度和醚化溫度對(duì)羧甲基取代度的影響較大，交互作用較強(qiáng)。AB、AC、AD每?jī)蓚€(gè)因素的交互作用對(duì)米糠膳食纖維脂肪替代物的羧甲基取代度的影響結(jié)果升高后降低，響應(yīng)值呈拋物線形趨勢(shì)，因此回歸方程有極大值。

2.2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)軟件分析確定最佳米糠膳食纖維脂肪替代物的制備工藝為堿化溫度25.86 ℃、氯乙酸添加量16.27 g/15 g、醚化時(shí)間4.54 h、醚化溫度68.96 ℃，此條件下由公式算出羧甲基取代度的理論值為1.268 3。為方便實(shí)際操作并考慮水浴鍋的溫度控制，將最優(yōu)參數(shù)調(diào)整為堿化溫度25.9℃、氯乙酸添加量16.27 g/15 g、醚化時(shí)間4.54 h、醚化溫度69 ℃。此條件下對(duì)米糠膳食纖維脂肪替代物進(jìn)行3 次平行制備實(shí)驗(yàn)，米糠膳食纖維脂肪替代物的平均羧甲基取代度為1.266 8。與預(yù)測(cè)提取率誤差為0.118%，測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定，偏差不大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠，具有一定的實(shí)際預(yù)測(cè)性。

2.3 米糠膳食纖維脂肪替代物的紅外光譜表征

如圖7所示，米糠膳食纖維在3 444.02 cm－1處為—OH振動(dòng)吸收峰，2 925.94 cm－1處為C—H鍵振動(dòng)吸收峰。制備的羧甲基取代度為0.366 3的米糠膳食纖維脂肪替代物在1 606.97 cm－1處為C＝O雙鍵振動(dòng)吸收峰，1 412.36 cm－1處為亞甲基—CH2—的振動(dòng)吸收峰。1 023.66 cm－1處為醚鍵結(jié)構(gòu)C—O—C的特征振動(dòng)吸收峰。羧甲基的對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰在1 600～1 640 cm－1范圍內(nèi)，非對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰在1 400～1 450 cm－1范圍內(nèi)，所以1 606.97 cm－1和1 412.36 cm－1處的特征吸收峰表明氯乙酸與堿性米糠膳食纖維發(fā)生了醚化反應(yīng)，羧甲基成功連接到膳食纖維上[27]。

圖7 米糠膳食纖維脂肪替代物的紅外光譜圖Fig.7 FTIR spectra of rice bran dietary fiber and fat substitute prepared from it with a degree of substitution of 0.366 3

從圖7還可看出，曲線a在3 444.02 cm－1處—OH振動(dòng)以及2 925.94 cm－1處C—H鍵吸收強(qiáng)度比曲線b的吸收強(qiáng)度的弱，也是由于羧甲基取代了米糠膳食纖維中的羥基所產(chǎn)生的效果。在醚化反應(yīng)階段，如果反應(yīng)條件不合適，醚化反應(yīng)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物HOCH2COONa，阻礙了羧甲基化反應(yīng)的正常進(jìn)行，會(huì)顯著增加在1 400～1 450 cm－1范圍內(nèi)的紅外吸收強(qiáng)度而對(duì)1 023.66 cm－1醚鍵特征峰的影響較小，從而導(dǎo)致1 412.36 cm－1處亞甲基—CH2—的紅外吸收強(qiáng)度高于1 023.66 cm－1處醚鍵的紅外吸收強(qiáng)度[28]。因此，當(dāng)1 412.36 cm－1處亞甲基—CH2—的紅外吸收強(qiáng)度低于1 023.66 cm－1處醚鍵的紅外吸收強(qiáng)度，表示制備的羧甲基米糠膳食纖維脂肪替代物純度較高，且此處選擇最優(yōu)工藝條件下高取代度的樣品更為合適。

3 結(jié) 論

采用Box-Behnken響應(yīng)面法，考察堿化溫度、氯乙酸添加量、醚化時(shí)間、醚化溫度4 個(gè)因素對(duì)米糠膳食纖維脂肪替代物羧甲基取代度的影響。在響應(yīng)面試驗(yàn)中，方差分析結(jié)果可見(jiàn)，4 個(gè)因素的一次項(xiàng)A、B、D和二次項(xiàng)均具有顯著性，4 個(gè)因素之間的乘積項(xiàng)AB、AC、AD均具有顯著性，表明AB、AC、AD各因素之間的具有相互作用。二次多項(xiàng)式回歸模型可以達(dá)到極顯著水平，且失擬項(xiàng)不顯著，表明回歸方程對(duì)試驗(yàn)擬合較好。在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，最終確定最佳提取工藝參數(shù)堿化溫度25.9 ℃、氯乙酸添加量16.27 g/15 g、醚化時(shí)間4.54 h、醚化溫度69 ℃。此條件下，所得的米糠膳食纖維脂肪替代物的羧甲基取代度為1.266 8。從紅外光譜圖可以看出，制備出的米糠膳食纖維脂肪替代物發(fā)生了羧甲基取代反應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)為充分研究米糠膳食纖維脂肪替代物提供理論依據(jù)，也為響應(yīng)面法在米糠膳食纖維脂肪替代物制備工藝的應(yīng)用提供示范性研究。

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Optimization of Preparation Process for Fat Substitute from Rice Bran Dietary Fiber by Response Surface Methodology

LIU Ying, SONG Dandan, FU Wei, YU Xiaohong, DOU Boxin
(College of Food Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150076, China)

In this study, response surface methodology was used to optimize the preparation of fat substitute by carboxymethyl substitution of rice bran dietary fiber. A Box-Behnken design involving the independent variables chosen based on single factor experiments was used to define an experimental design matrix of reaction conditions for rice bran dietary fiber. For the optimization of the independent variables, quadratic regression analysis was performed using Design-Expert 8.0.6 software. The optimal parameters for the preparation of fat substitute were achieved as alkalization of rice bran dietary fiber at 25.9 ℃ followed by 4.54 h etherification at 69 ℃ after addition of 16.27 g of chloroacetic acid per 15 g of dietary fiber. Under these conditions, the degree of carboxymethyl substitution of rice bran dietary fiber was 1.266 8. IR spectra confirmed the occurrence of carboxymethyl substitution in the fat substitute prepared rice bran dietary fiber.

rice bran dietary; fat substitute; preparation process; response surface methodology

10.7506/spkx1002-6630-201604007

TS210.9

A

1002-6630（2016）04-0037-07

劉穎, 宋丹丹, 付薇, 等. 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化米糠膳食纖維脂肪替代物的制備工藝[J]. 食品科學(xué), 2016, 37(4): 37-43. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201604007. http://www.spkx.net.cn

LIU Ying, SONG Dandan, FU Wei, et al. Optimization of preparation process for fat substitute from rice bran dietary fiber by response surface methodology[J]. Food Science, 2016, 37(4): 37-43. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201604007. http://www.spkx.net.cn

2015-06-12

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（GC13C112）

劉穎（1968 —），女，教授，博士，研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)。E-mail：liuysh@hrbcu.edu.cn