酶法改性小米糠可溶性膳食纖維的工藝優(yōu)化

葛云飛，康麗君

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江　大慶163319）

酶法改性小米糠可溶性膳食纖維的工藝優(yōu)化

葛云飛，*康麗君

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江大慶163319）

以小米糠為材料，對(duì)其進(jìn)行氣爆預(yù)處理，利用酶法對(duì)氣爆預(yù)處理小米糠進(jìn)行改性。為了提高小米糠水溶性膳食纖維（Soluble dietary fiber，SDF）的得率，分別研究酶添加量、酶解溫度、酶解pH值、酶解時(shí)間對(duì)小米糠SDF含量的影響，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)Box-Behnken試驗(yàn)，采用響應(yīng)面法優(yōu)化改性小米糠SDF的工藝條件。結(jié)果表明，氣爆條件設(shè)定為氣爆壓力1.0 MPa，氣爆時(shí)間90 s，最優(yōu)工藝參數(shù)為酶添加量5.94%，酶解溫度56℃，酶解pH值4.65，酶解時(shí)間3 h；在此條件下，改性小米糠SDF含量達(dá)到10.507%，比未經(jīng)改性小米糠SDF含量高8.35%。

水溶性膳食纖維；氣爆；酶法改性；響應(yīng)面法

谷子是我國(guó)北方地區(qū)主要雜糧作物之一，而小米糠是谷子加工過程中的副產(chǎn)物。研究發(fā)現(xiàn)，小米糠中膳食纖維含量豐富，約占小米糠的50%～60%，以往主要作為動(dòng)物飼料，造成資源嚴(yán)重浪費(fèi)。膳食纖維對(duì)人體健康有著重要作用，被稱為人體的第七營(yíng)養(yǎng)素[1-2]，根據(jù)溶解性的不同可分為水溶性膳食纖維（Soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（Insoluble dietary fiber，IDF）[3]。SDF有利于人體新陳代謝、降低糖尿病發(fā)病率，對(duì)促進(jìn)胃腸道健康有重要作用，并對(duì)降低膽固醇、防止動(dòng)脈硬化等具有顯著療效[4]?？梢哉f，SDF較之IDF有更重要的生理功能和應(yīng)用前景。

由于小米糠膳食纖維中SDF含量?jī)H為3%～4%，無法達(dá)到優(yōu)質(zhì)膳食纖維（SDF，10%）的要求，所以采用簡(jiǎn)便有效的改性方法尤為重要。已報(bào)道的膳食纖維改性方法有化學(xué)方法、生物技術(shù)方法和物理方法[5-8]。酶法具有作用條件溫和、專一性強(qiáng)、副產(chǎn)物較少、純度高等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用到小米糠膳食纖維的改性研究中具有實(shí)際意義。

本文以小米糠為試驗(yàn)材料，對(duì)其進(jìn)行氣爆預(yù)處理[9]，采用酶-質(zhì)量法制備SDF，利用響應(yīng)面法優(yōu)化酶法改性小米糠SDF工藝條件，從而推動(dòng)小米糠水溶性膳食纖維的研究和開發(fā)利用，為功能性食品的開發(fā)提供了新途徑。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

紅谷小米糠，黑龍江省大慶肇州托古小米廠提供；耐高溫α-淀粉酶、中性蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶，Sigma公司提供；纖維素酶（30 000 U/g）、半纖維素酶（20 000 U/g），進(jìn)口分裝；以上試劑均為分析純。

1.2儀器與設(shè)備

QBS-200B型氣爆工藝試驗(yàn)臺(tái)，鶴壁正道生物能源公司產(chǎn)品；GDE-CSF6型意大利VELP膳食纖維測(cè)定儀，北京盈盛恒泰科技有限公司產(chǎn)品；K-360型全自動(dòng)凱氏定氮儀，瑞士Buchi公司產(chǎn)品；AR224CN型電子天平，奧豪斯儀器（上海）有限公司產(chǎn)品。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1小米糠預(yù)處理

稱取500 g小米糠加入到汽爆反應(yīng)器中進(jìn)行處理，設(shè)置氣爆壓力1.0 MPa，氣爆時(shí)間90 s，小米糠經(jīng)氣爆預(yù)處理后，需再經(jīng)烘干、粉碎、脫脂等處理。

1.3.2小米糠膳食纖維的制備

稱取1.0 g氣爆小米糠，在GDE酶培養(yǎng)消化器中分別經(jīng)耐高溫α-淀粉酶、中性蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶酶解消化，去除淀粉和蛋白質(zhì)；酶解后反應(yīng)物移置GDE-CSF6型膳食纖維測(cè)定儀中過濾，殘?jiān)脽崴礈欤?jīng)干燥后稱質(zhì)量，得IDF殘?jiān)粸V液用4倍體積的95%乙醇，經(jīng)沉淀、過濾、干燥后稱質(zhì)量，得SDF。

1.3.3酶法改性小米糠膳食纖維的單因素試驗(yàn)

每組試驗(yàn)分別稱取1.0 g氣爆小米糠放在料水比為1∶50（g∶mL）的去離子水中，在酶添加量1.2%，2.4%，3.6%，4.8%，6.0%，7.2%，酶解溫度35，40，45，50，55，60℃，酶解pH值4.0，4.2，4.4，4.6，4.8，5.0，酶解時(shí)間0.5，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 h的條件下進(jìn)行單因素試驗(yàn)。考察酶添加量（纖維素酶∶半纖維素酶=1∶2）、酶解溫度、酶解pH值、酶解時(shí)間4個(gè)因素對(duì)改性小米糠SDF含量的影響，不同因素每個(gè)水平重復(fù)3次。

1.3.4響應(yīng)面法優(yōu)化酶法改性小米糠膳食纖維的工藝

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以酶添加量（X1）、酶解溫度（X2）、酶解pH值（X3）、酶解時(shí)間（X4）為響應(yīng)因素，改性小米糠SDF含量（Y）為響應(yīng)值，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用四因素三水平的響應(yīng)面分析法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析及顯著性檢驗(yàn)，確定最優(yōu)工藝。

響應(yīng)面因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1　響應(yīng)面因素與水平設(shè)計(jì)

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

所得數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)試驗(yàn)的平均值，并利用Design Expert.V 8.0.6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2　結(jié)果分析

2.1酶法改性小米糠膳食纖維工藝加工的單因素試驗(yàn)分析

2.1.1酶添加量對(duì)改性小米糠SDF含量的影響

酶添加量對(duì)改性小米糠SDF含量的影響見圖1。

在1.2%～6.0%范圍內(nèi)，隨著酶添加量的增加，改性小米糠SDF含量隨之增加；當(dāng)酶添加量為6.0%時(shí)，改性小米糠SDF含量最大為9.94%；當(dāng)酶添加量大于6.0%時(shí)，改性小米糠SDF含量略有較少。分析其原因可知，當(dāng)酶添加量過大時(shí)，IDF被降解成低聚糖或單糖，由于分子質(zhì)量較小，不能被醇沉，得到SDF含量較少。

2.1.2酶解溫度對(duì)改性小米糠SDF含量的影響

酶解溫度對(duì)改性小米糠SDF含量的影響見圖2。

圖2　酶解溫度對(duì)改性小米糠SDF含量的影響

在35～55℃范圍內(nèi)，隨著酶解溫度的上升，改性小米糠SDF含量增加；當(dāng)酶解溫度為55℃時(shí)，改性小米糠SDF含量最大為9.92%；當(dāng)酶解溫度超過55℃時(shí)，改性小米糠SDF含量較少。因?yàn)槊冈谳^低溫度時(shí)隨著酶解溫度升高，酶活力加強(qiáng)；當(dāng)酶解溫度過高時(shí)，酶受熱變性因素的影響，反應(yīng)速度反而隨酶解溫度上升而減慢，酶活力減弱，不利于IDF向SDF轉(zhuǎn)化。

2.1.3酶解pH值對(duì)改性小米糠SDF含量的影響

酶解pH值對(duì)改性小米糠SDF含量的影響見圖3。

當(dāng)反應(yīng)體系中酶解pH值在4.0～5.0范圍，改性小米糠SDF含量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)；當(dāng)酶解pH值為4.6時(shí)，改性小米糠SDF含量最大為10.07%；當(dāng)酶解pH值大于4.6時(shí)，改性小米糠SDF含量逐漸減少。由于酶活力受反應(yīng)體系中酶解pH值的影響，在最適的酶解pH值條件下，酶與底物互相結(jié)合，并發(fā)生催化作用，酶促反應(yīng)速度達(dá)最大值。

圖3　酶解pH值對(duì)改性小米糠SDF含量的影響

2.1.4酶解時(shí)間對(duì)改性小米糠SDF含量的影響

酶解時(shí)間對(duì)改性小米糠SDF含量的影響見圖4。

圖4　酶解時(shí)間對(duì)改性小米糠SDF含量的影響

在0.5～2.0 h范圍內(nèi)，隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng)，改性小米糠SDF含量變化略呈上升趨勢(shì)；在0.5～2.0 h范圍內(nèi)，改性小米糠SDF含量變化呈明顯上升趨勢(shì)。當(dāng)酶解時(shí)間超過3.0 h，SDF含量變化幅度趨于平緩，說明此后酶解時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)于SDF含量的影響不顯著，故酶解時(shí)間宜為3.0 h。

2.2響應(yīng)面優(yōu)化酶法改性小米糠膳食纖維工藝的試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表2，響應(yīng)面二次模型的方差分析見表3，回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)見表4。

表2　Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

由表3可知，整體模型p＜0.000 1，二次方程模型極顯著，且失擬項(xiàng)p=0.287 4＞0.05不顯著，說明回歸模型擬合度較好，試驗(yàn)誤差小。R2=0.986 1＞90%，相關(guān)性較好，說明此模型能夠反映響應(yīng)值Y的變化，可用該模型對(duì)改性小米糠膳食纖維的工藝進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。由表4可知，該模型的一次項(xiàng)X1，X2，X3達(dá)到極顯著水平，X4達(dá)到顯著水平；所有的二次項(xiàng)對(duì)SDF含量的曲面效應(yīng)極顯著；同時(shí)交互項(xiàng)X1X2達(dá)到顯著水平，X2X3，X2X4達(dá)到顯著水平，表明各因素對(duì)SDF含量的影響作用不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。以SDF含量為Y值，以酶添加量、酶解溫度、酶解pH值、酶解時(shí)間的編碼值為自變量的四元二次回歸方程為：

表3　響應(yīng)面二次模型的方差分析

表4　回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)

由表4可知，4個(gè)因素對(duì)SDF含量影響大小的順序?yàn)槊附鉁囟龋久附鈖H值＞酶添加量＞酶解時(shí)間。

2.2.2交互效應(yīng)分析

在某2個(gè)因素條件固定不變的情況下，考察交互項(xiàng)對(duì)SDF含量的影響，并對(duì)模型進(jìn)行降維分析。

酶添加量和酶解溫度交互作用對(duì)改性小米糠SDF含量影響的響應(yīng)面圖及等高線見圖5，酶解溫度和酶解pH值交互作用對(duì)改性小米糠SDF含量影響的響應(yīng)面圖及等高線見圖6，酶解溫度和酶解時(shí)間交互作用對(duì)改性小米糠SDF含量影響的響應(yīng)面圖及等高線見圖7。

圖5　酶添加量和酶解溫度交互作用對(duì)改性小米糠SDF含量影響的響應(yīng)面圖及等高線

圖6　酶解溫度和酶解pH值交互作用對(duì)改性小米糠SDF含量影響的響應(yīng)面圖及等高線

由圖5～圖7可知，改性小米糠SDF含量隨各因素水平的增大先增大后減少。由等高線圖可知，各因素交互作用的等高線呈橢圓形，說明交互作用顯著。

圖7　酶解溫度和酶解時(shí)間交互作用對(duì)改性小米糠SDF含量影響的響應(yīng)面圖及等高線

由圖5可知，酶添加量與酶解溫度對(duì)SDF含量的交互影響呈拋物線形、等高線呈橢圓形，說明酶添加量與酶解溫度的交互作用對(duì)SDF含量影響顯著。當(dāng)酶添加量為4.8%～6.0%某固定值，酶解溫度為50～57℃某固定值時(shí)，SDF含量隨酶添加量增大與酶解溫度升高而增加；高于此值時(shí)，SDF含量減少。由圖6可知，酶解溫度與酶解pH值對(duì)SDF含量的交互影響呈拋物線形、等高線呈橢圓形，說明酶解溫度與酶解pH值的交互作用對(duì)SDF含量影響顯著。當(dāng)酶解溫度為50～57℃某固定值，酶解pH值為4.4～4.7某固定值時(shí)，SDF含量隨酶解溫度升高與酶解時(shí)間的延長(zhǎng)而增加；高于此值時(shí)，SDF含量減少。由圖7可知，酶解溫度與酶解時(shí)間對(duì)SDF含量的交互影響呈拋物線形、等高線呈橢圓形，說明酶解溫度與酶解時(shí)間的交互作用對(duì)SDF含量影響顯著。當(dāng)酶解溫度為50～57℃某固定值，酶解時(shí)間為2.0～3.2 h某固定值時(shí)，SDF含量隨酶解溫度升高與酶解時(shí)間的延長(zhǎng)而增加；高于此值時(shí)，SDF含量減少。

2.2.3最優(yōu)工藝的確定與驗(yàn)證試驗(yàn)

通過對(duì)模型分析確定最優(yōu)工藝條件為酶添加量5.92%，酶解溫度56.67℃，酶解pH值4.65，酶解時(shí)間2.99 h；在此條件下，改性小米糠中SDF含量為10.934 6%。為了驗(yàn)證模型分析的準(zhǔn)確性，選取酶添加量5.94%，酶解溫度56℃，酶解pH值4.65，酶解時(shí)間3 h進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，所得SDF含量為10.507%，與理論值相差0.427 6%，說明響應(yīng)面法適用于酶法改性小米糠工藝條件的研究。

3結(jié)論

采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，酶法改性小米糠膳食纖維最優(yōu)的工藝條件為酶添加量5.94%，酶解溫度56℃，酶解pH值4.65，酶解時(shí)間3 h；在此條件下，改性小米糠SDF含量達(dá)到10.507%，比未經(jīng)改性小米糠提高了8.35%。

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Process Optimization of the Enzyme Modified Millet Bran SDF

GE Yunfei，*KANG Lijun
（Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing，Heilongjiang 163319，China）

The millet bran is used as the experimental material in this study.In order to increase the yield of the millet bran SDF,the method of enzyme is used to modify the dietary fiber of the millet bran which is pre-processed by the method of steam explosion.The effect of the amount of enzyme，temperature，pH and the time are investigated separately.Besides，the Box-Behnken experiment is designed based on the result of single factor experiment，the process conditions of the modification of millet bran SDF is optimized by response surface methodology.The steam exploration condition is set as pressure equaled to 1.0 MPa and time equaled to 90 s，the optimal process parameters are set as：enzyme dosage is 5.94%，temperature is 56℃，pH value is 4.65 and time is 3 h.Under the condition above，the content of SDF is 10.507%which is 8.35%higher than the unmodified millet bran SDF.

soluble dietary fiber；steam explosion；enzymtic modification；response surface methodology

Q539

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.10.039

2016-08-22

國(guó)家星火計(jì)劃項(xiàng)目（2013GA670001）。

葛云飛（1992—），女，本科，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工。

康麗君（1992—），女，碩士，研究方向?yàn)榧Z油食品及副產(chǎn)物加工。

1671-9646（2016）10b-0041-04

1671-9646（2016）10b-0038-03