小米麩皮酶法改性工藝及其功能特性

李靜，畢曉丹，朝樂門，陳建興

（赤峰學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

谷麩是制備膳食纖維的優(yōu)質(zhì)原料，但統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示目前谷麩質(zhì)利用率不足20%[1]。小米麩皮（millet bran，MB）為小米加工的主要副產(chǎn)物，目前主要用作禽類飼料或直接廢棄，造成了資源的浪費(fèi)。小米麩皮膳食纖維（millet bran total dietary fiber，MBTDF）的含量高[2-3]，但其中可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）含量較低，為2%～3%，只有SDF 含量在10%以上才能稱為高品質(zhì)膳食纖維，反之只能被稱作填充型膳食纖維[4-5]，后者的降血糖、降膽固醇等功能性比較有限。

酶法改性技術(shù)現(xiàn)常用于提高可溶性膳食纖維含量，該法條件溫和、可控、無溶劑殘留問題[6]。周小理等[7]采用纖維素酶對(duì)苦蕎麩皮進(jìn)行改性處理，水溶性膳食纖維含量提高了17.41%，持水力、膨脹力均顯著提高。朱玉等[8]采用纖維素酶改性小米糠，以體外膽固醇吸附活性為指標(biāo)對(duì)改性工藝進(jìn)行優(yōu)化，改性后膳食纖維體外吸附膽固醇量為14.21 mg/g，提高了1.4 倍。張夢(mèng)云[9]采用復(fù)合酶法對(duì)麥麩膳食纖維進(jìn)行改性，改性后麥麩膳食纖維的持油力、葡萄糖吸附能力、亞硝酸根離子吸附能力及陽離子交換能力均顯著提高。陳闖等[10]使用復(fù)合酶處理玉米皮渣，可溶性膳食纖維得率為2.996%。本文對(duì)小米麩皮膳食纖維采用纖維素酶進(jìn)行改性處理，以提高可溶性膳食纖維的得率，通過正交試驗(yàn)優(yōu)化改性工藝，并對(duì)改性處理前后小米麩皮的理化特性進(jìn)行研究，以期為小米麩皮的開發(fā)利用及優(yōu)質(zhì)膳食纖維的制備提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小米麩皮：內(nèi)蒙古赤峰市阿魯科爾沁金豐米業(yè)有限責(zé)任公司；α-淀粉酶（4 000 U/g）、糖化酶（10 萬U/g）、纖維素酶（30 U/g）：上海源葉生物科技有限公司；氫氧化鈉、膽固醇：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；無水乙醇：西隴科學(xué)股份有限公司；檸檬酸鈉：天津市眾聯(lián)化學(xué)試劑有限公司。以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

HH-601 恒溫水浴鍋：常州市金壇區(qū)環(huán)宇科學(xué)儀器廠；SHZ-D（Ш）循環(huán)水真空泵：金壇市金祥龍電子有限公司；CLF-308 超微粉碎機(jī)：浙江省溫嶺市創(chuàng)力藥材器械廠；BSA224S 電子天平：賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；DZF-1ASB 真空干燥箱：北京科偉永興儀器有限公司；TG16-WS 臺(tái)式離心機(jī)：湖南滬康離心機(jī)有限公司；DF-101S 恒溫磁力攪拌器：上海力辰邦西儀器科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

小米麩皮→清洗、55 ℃烘干→粉碎過60 目篩→混合酶水解淀粉（α-淀粉酶、糖化酶）→沸水浴中滅酶→NaOH 溶液水解蛋白質(zhì)、脂肪→抽濾水解至中性→干燥→粉碎過60 目篩→小米麩皮膳食纖維→纖維素酶處理→沸水浴中滅酶→醇沉→離心→干燥→改性小米麩皮膳食纖維。

1.3.2 小米麩皮膳食纖維的制備

準(zhǔn)確稱取5 g 過篩后的小米麩皮，料液比固定為1∶10（g/mL），加入4.0%混合酶（α-淀粉酶∶糖化酶質(zhì)量比為1∶6），置于72 ℃水浴中恒溫加熱110 min，取出放入沸水浴中滅酶5 min，加入5% NaOH 溶液于沸水浴中加熱50 min，然后抽濾水洗至中性，干燥至恒重后過60 目篩，即為小米麩皮膳食纖維。

1.3.3 小米麩皮膳食纖維改性處理單因素試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取5g 過篩后的MBTDF，加入50mL0.05mol/L pH4.6 的檸檬酸緩沖液，以纖維素酶添加量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間為研究對(duì)象進(jìn)行單因素試驗(yàn)，分別考察纖維素酶添加量（1.5%、2.5%、3.5%、4.5%、5.5%）、反應(yīng)溫度（50、55、60、65、70 ℃）、反應(yīng)時(shí)間（5、6、7、8、9 h）對(duì)可溶性膳食纖維（SDF）得率的影響?？扇苄陨攀忱w維得率的計(jì)算公式如下。

式中：X 為可溶性膳食纖維得率，%；A 為可溶性膳食纖維質(zhì)量，g；B 為小米麩皮質(zhì)量，g。

1.3.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)得出的較優(yōu)水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，因素水平如表1 所示。

表1 L（934）正交因素水平Table 1 Factors and levels of L（934）orthogonal

1.3.5 指標(biāo)測(cè)定方法

1.3.5.1 持水力測(cè)定

分別準(zhǔn)確稱取MB、MBTDF、改性后小米麩皮膳食纖維（cellulase modified-millet bran total dietary fiber，CM-MBTDF）3 g 樣品于50 mL 離心管中，加入25 mL去離子水，室溫?cái)嚧?0 min，2 500 r/min 離心10 min，棄去上清液，并用濾紙吸干離心管壁殘留水分，稱重[11-13]。持水力計(jì)算公式如下。

式中：X1為持水力，g/g；w0為樣品濕重，g；w1為樣品干重，g。

1.3.5.2 持油力的測(cè)定

分別準(zhǔn)確稱取MB、MBTDF、CM-MBTDF 1.0 g 于離心管中，加入玉米油20 g，分別在25、37 ℃靜置1 h，3 000 r/min 離心30 min，去掉上層油，用濾紙吸干游離油，將結(jié)合了油的膳食纖維轉(zhuǎn)移到表面皿上稱重[11]。持油力的計(jì)算公式如下。

式中：X2為持油力，g/g；m0為樣品濕重，g；m1為樣品干重，g。

1.3.5.3 膨脹力的測(cè)定

分別準(zhǔn)確稱取MB、MBTDF、CM-MBTDF 0.3 g，置于10 mL 量筒中，移液管準(zhǔn)確移取5.00 mL 蒸餾水，振蕩均勻后室溫放置24 h，讀取膳食纖維的體積[14]。膨脹力計(jì)算公式如下。

式中：X3為膨脹力，mL/g；V0為膨脹后體積，mL；V1為干品體積，mL；m 為樣品干重，g。

1.3.6 吸附亞硝酸鹽能力的測(cè)定

在250 mL 錐形瓶中加入pH 值分別為2.0、7.0 的22 μmol/L NaNO2溶液100 mL，分別準(zhǔn)確稱取MB、MBTDF、CM-MBTDF 0.5 g 加入錐形瓶中，分別放置于磁力攪拌器上，37 ℃攪拌5、15、30、60、120、180、240 min，取出1.0 mL 樣液測(cè)定NO2-濃度[11，15]。

1.3.7 吸附膽固醇能力的測(cè)定

取市售雞蛋的蛋黃，用9 倍量蒸餾水?dāng)嚧虺扇橐?，分別準(zhǔn)確稱取MB、MBTDF、CM-MBTDF 2.0 g 于250 mL錐形瓶中，加入50 g 蛋黃乳液，攪拌均勻，調(diào)整pH 值至2.0 和7.0，在37 ℃恒溫振蕩150 min，4 000 r/min 下離心25 min，吸取0.04 mL 上清液，采用硫酸鐵銨法在560 nm 下比色測(cè)定膽固醇含量[3，11，15]。膽固醇吸附量計(jì)算公式如下。

式中：X4為膽固醇吸附量，g；M0為吸附前蛋黃液中膽固醇含量，g；M1為吸附后上清液中膽固醇含量，g。

1.3.8 總膳食纖維、水溶性膳食纖維、不溶性膳食纖維含量測(cè)定

參照GB 5009.88—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中膳食纖維的測(cè)定》，測(cè)定總膳食纖維、水溶性膳食纖維、不溶性膳食纖維含量[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)測(cè)定指標(biāo)進(jìn)行3 次平行試驗(yàn)，使用Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，Origin 2020 繪圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 小米麩皮膳食纖維改性工藝條件優(yōu)化

2.1.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)可溶性膳食纖維（SDF）得率的影響

反應(yīng)時(shí)間對(duì)可溶性膳食纖維（SDF）得率的影響見圖1。

圖1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)SDF 得率的影響Fig.1 Effect of enzyme action time on yield of SDF

由圖1 可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，SDF 得率逐漸升高，5～7 h 時(shí)上升較快，這一時(shí)間段MBTDF 酶解條件適宜，SDF 產(chǎn)生速度較快。7～9 h SDF 得率趨于平緩，9 h 時(shí)SDF 得率達(dá)到最大值17.7%，隨著反應(yīng)時(shí)間延長，酶解反應(yīng)趨于相對(duì)飽和的狀態(tài)，因此SDF 得率沒有明顯變化。綜合考慮后選擇反應(yīng)時(shí)間為7、8、9 h 進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.1.2 酶添加量對(duì)可溶性膳食纖維（SDF）得率的影響

當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為7 h，反應(yīng)溫度為55 ℃時(shí)，酶添加量對(duì)可溶性膳食纖維（SDF）得率的影響如圖2 所示。

圖2 酶添加量對(duì)SDF 得率的影響Fig.2 Effect of enzyme addition level on yield of SDF

由圖2 可知，在酶添加量1.5%～4.5%時(shí)，酶添加量越大，SDF 得率越高，在酶添加量為4.5%時(shí)，SDF 得率最高，為22.86%，酶添加量為5.5%時(shí)，SDF 得率明顯降低，為17.11%，這可能是由于SDF 發(fā)生降解，生成小分子的單糖或低聚糖等在醇沉?xí)r無法沉淀析出導(dǎo)致。綜合考慮后確定酶添加量為2.5%、3.5%、4.5%進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.1.3 反應(yīng)溫度對(duì)可溶性膳食纖維（SDF）得率的影響

當(dāng)反應(yīng)時(shí)間7 h，酶添加量4.5%時(shí)，反應(yīng)溫度對(duì)可溶性膳食纖維（SDF）得率的影響如圖3 所示。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)SDF 得率的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on yield of SDF

由圖3 可知，在50～65 ℃范圍內(nèi)，隨著反應(yīng)溫度的上升，SDF 得率逐漸提高，酶解能力較強(qiáng)，在65 ℃時(shí)達(dá)到最大值23.98%，在70 ℃時(shí)SDF 得率顯著降低，為15.6%。SDF 得率的降低可能是溫度升高使酶活性受到抑制或部分失活引起。綜合考慮后確定反應(yīng)溫度為55、60、65 ℃進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.2 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 L（93）4正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析Table 2 Results and range analysis of L（93）4orthogonal

對(duì)表2 中正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，由極差值R（B）＞R（A）＞R（D）＞R（C）可知，影響可溶性膳食纖維得率的4 個(gè)因素順序依次為酶添加量＞反應(yīng)時(shí)間＞反應(yīng)溫度。由k 值分析最佳組合為A3B3C3，正交試驗(yàn)最優(yōu)組合為A3B3C2，將兩個(gè)組合進(jìn)行比較試驗(yàn)后，確定A3B3C2組合SDF 得率最高，為24.77%，因此確定A3B3C2為最佳條件，即纖維素酶添加量4.5%、反應(yīng)時(shí)間9 h、反應(yīng)溫度60 ℃。

2.2 物化特性分析

2.2.1 持油力、持水力、膨脹力分析

小米麩皮膳食纖維改性前后持油力、持水力、膨脹力的影響如圖4、圖5 所示。

圖4 小米麩皮膳食纖維改性前后持油力的影響Fig.4 Oil holding capacity of millet bran dietary fiber before and after modification

圖5 小米麩皮膳食纖維改性前后持水力、膨脹力的影響Fig.5 Water holding capacity and expansion of millet bran dietary fiber before and after modification

如圖4、圖5 所示，經(jīng)改性處理得到的CM-MBTDF在25、37 ℃下持油力分別為2.750、3.440 g/g，是MBTDF持油力的2.3 倍和2.9 倍，顯著高于MBTDF。這可能是可溶性膳食纖維含量提高，使小米麩皮膳食纖維的組成發(fā)生變化，有更多的非極性基團(tuán)暴露出來，提高了持油力[8，17]。

持水力是指潮濕的膳食纖維在外部離心力作用下保持水分的能力，膨脹力則表示膳食纖維在吸水時(shí)體積的膨脹程度[18]，從圖5 中可以看出MBTDF 的持水力為3.585 g/g，顯著高于MB（2.763 g/g）、CM-MBTDF（2.313 g/g），MB 的膨脹力為3.2 mL/g， 顯著高于MBTDF（2.08 mL/g）、CM-MBTDF（1.79 mL/g），持水力、膨脹力的變化可能是由膳食纖維的組成、空間結(jié)構(gòu)均發(fā)生改變引起的。

2.2.2 膽固醇吸附能力

通過體外模擬胃酸環(huán)境pH2.0、小腸環(huán)境pH7.0，研究小米麩皮膳食纖維改性前后的體外膽固醇吸附能力，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 小米麩皮膳食纖維改性前后膽固醇吸附能力Fig.6 Cholesterol adsorption capacity of millet bran dietary fiber before and after modification

如圖6 所示，改性處理后的小米麩皮膳食纖維CM-MBTDF 在pH2.0、pH7.0 時(shí)體外膽固醇吸附量分別為23.68、22.28 μmol/L，顯著高于MBTDF 及MB，分別為MBTDF 的1.31、1.96 倍，MB 的1.37、2.52 倍。這可能是改性處理使膳食纖維表面結(jié)構(gòu)變得疏松，毛細(xì)管吸附能力加強(qiáng)，提高了膽固醇吸附能力[19-20]。

2.2.3 體外亞硝酸鹽吸附能力

通過體外模擬胃酸環(huán)境pH2.0、小腸環(huán)境pH7.0，對(duì)小米麩皮膳食纖維改性前后亞硝酸鹽吸附能力進(jìn)行研究，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 小米麩皮膳食纖維改性前后亞硝酸鹽根離子清除率Fig.7 The nitrite ion clearance of millet bran dietary fiber before and after modification

如圖7 所示，隨著時(shí)間的延長，小米麩皮膳食纖維亞硝酸根離子的清除率均呈上升趨勢(shì)。在pH2.0 時(shí)，CM-MBTDF 在5 min 時(shí)亞硝酸根離子清除率就達(dá)到了87.3%，吸吸附作用強(qiáng)烈，隨后緩慢增加，在240 min時(shí)達(dá)到92.5%；MBTDF 在5 min 時(shí)亞硝酸根離子清除率為21.3%，隨后在60 min 內(nèi)快速升高達(dá)至93.3%，之后緩慢增加，在240 min 時(shí)達(dá)到98.5%；MB 亞硝酸根離子清除率隨時(shí)間延長緩慢升高，在240 min 時(shí)為71.2%，明顯低于MBTDF、CM-MBTDF；可見pH2.0 時(shí)，改性處理能夠加快亞硝酸根離子的清除速度，但對(duì)最終清除率的影響不明顯。在pH7.0 時(shí)，CM-MBTDF 在5～30 min 快速上升，30 min 時(shí)亞硝酸根離子清除率達(dá)到94.9%，吸附作用強(qiáng)烈，然后緩慢增加，在240 min 時(shí)為97.5%；MBTDF、MB 則緩慢上升，在240 min 亞硝酸根離子清除率分別為62.4%、38.9%，可見pH7.0 時(shí)改性處理能夠明顯提高亞硝酸根離子清除率。

3 結(jié)論

纖維素酶改性小米麩皮膳食纖維的最優(yōu)工藝為纖維素酶添加量4.5%、反應(yīng)時(shí)間9 h、反應(yīng)溫度60 ℃，此時(shí)可溶性膳食纖維得率24.77%；改性后的小米麩皮膳食纖維CM-MBTDF 持油力顯著上升，在25、37 ℃分別為2.750、3.440 g/g，是改性前的小米麩皮膳食纖維MBTDF 持油力的2.3 倍和2.9 倍，而持水力和膨脹力顯著下降。CM-MBTDF 體外清除膽固醇能力顯著升高，在pH2.0、pH7.0 時(shí)體外膽固醇吸附量分別為23.68、22.28 μmol/L，是MBTDF 體外膽固醇吸附量的1.31、1.96 倍，MB 的1.37、2.52 倍。在pH2.0 時(shí)MBTDF、CM-MBTDF 均表現(xiàn)出較高的亞硝酸根離子清除率，其中CM-MBTDF 能夠加快亞硝酸根離子清除速度，在pH7.0 時(shí)CM-MBTDF 亞硝酸根離子清除率明顯提高。

本研究中酶法改性處理提高了小米麩皮可溶性膳食纖維的含量，為制備優(yōu)質(zhì)小米麩皮可溶性膳食纖維提供了一定的理論依據(jù)。改性后的小米麩皮膳食纖維其功能性質(zhì)如持油力、體外膽固醇吸附能力及亞硝酸根離子清除率得到顯著提高，表明改性小米麩皮膳食纖維有較好的功能特性，可廣泛應(yīng)用于功能性食品、飲料、乳制品、糖果、烘烤等食品領(lǐng)域。