小麥麩皮淀粉的分離制備與特征分析

趙瑞昌，田益華，姜 東*，戴廷波，荊 奇，曹衛(wèi)星

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 江蘇省信息農(nóng)業(yè)高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)部南方作物生理生態(tài)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210095)

小麥麩皮淀粉的分離制備與特征分析

趙瑞昌，田益華，姜 東*，戴廷波，荊 奇，曹衛(wèi)星

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 江蘇省信息農(nóng)業(yè)高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)部南方作物生理生態(tài)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210095)

利用中性蛋白酶制備小麥麩皮淀粉條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析所制備小麥麩皮淀粉的形態(tài)及理化特性。結(jié)果表明：中性蛋白酶法制備小麥麩皮淀粉的最佳條件為中性蛋白酶質(zhì)量濃度3g/L、反應(yīng)溫度45℃、反應(yīng)時(shí)間90min，在此條件下，100g麩皮的淀粉產(chǎn)量為14.86g、蛋白含量為0.25%；麩皮淀粉中蛋白含量和破損淀粉含量均較低，小淀粉粒體積分?jǐn)?shù)為58.4%；與面粉淀粉相比，麩皮淀粉中直鏈淀粉含量和糊化值較低，膨脹勢較高，淀粉粒的相對結(jié)晶度較小。

小麥；麩皮；淀粉；中性蛋白酶

谷物淀粉不僅是人類主要的食物來源，也是一種工業(yè)原材料，廣泛應(yīng)用于食品、石油、造紙、紡織、醫(yī)藥等行業(yè)[1-2]。隨著社會(huì)發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對小麥淀粉品質(zhì)也提出了更高的要求[3]。特定的應(yīng)用目的對淀粉結(jié)構(gòu)有特定的要求[4]，因此，拓寬淀粉來源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

小麥麩皮是小麥加工的副產(chǎn)品，麩皮中含有較豐富的淀粉(15%～20%)、蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)及抗氧化物質(zhì)等營養(yǎng)成分[5-7]，因此也是重要的淀粉源。但有關(guān)小麥麩皮淀粉分離制備的研究較少，目前已有文獻(xiàn)報(bào)道的小麥麩皮淀粉提取方法是濕磨法[8]，即采用高溫振蕩和甲苯提?。坏邷馗淖兞说矸鄣脑夹螒B(tài)和理化性質(zhì)，使小麥麩皮淀粉的應(yīng)用受到限制，因此需改善小麥麩皮淀粉的分離制備方法。蛋白酶可分解麩皮蛋白質(zhì)，使淀粉與纖維的結(jié)合松弛，而且分離成多肽的蛋白更利于人體的吸收利用，同時(shí)超聲波具有空穴效應(yīng)、熱效應(yīng)等有效機(jī)制[9-11]，可以進(jìn)一步促進(jìn)淀粉與纖維的分離，從而更有效的分離制備小麥麩皮淀粉。本實(shí)驗(yàn)采用中性蛋白酶溶液，結(jié)合超聲波處理，研究小麥麩皮淀粉的分離制備方法，并分析比較小麥麩皮與面粉提取淀粉的理化特性，以期為進(jìn)一步開發(fā)利用小麥麩皮淀粉提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

小麥麩皮(含水量11.9%、淀粉含量17.2%、蛋白質(zhì)含量16.9%)、面粉 南京海富食品廠；面粉淀粉由本實(shí)驗(yàn)室純化。

中性蛋白酶(酶活力2萬IU/mL) 上海如吉生物有限公司；其他藥品均為分析純。

Saturn Digisizer 5200激光衍射粒度分析儀 美國麥克科技儀器公司；Super3快速黏度儀 澳大利亞Newport公司；Dmax-B型X-射線衍射儀 日本理學(xué)電機(jī)株式會(huì)社。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上[12-13]，確定了影響淀粉產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的3個(gè)主要因素：中性蛋白酶濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間，每個(gè)因素三個(gè)水平，進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

稱取100g小麥麩皮加入Tris-HCl (pH7.0)溶液中，固液比為1:10(g/mL)。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)加入中性蛋白酶2、3、4g/L，分別在40、45、50℃溫度條件下，振蕩反應(yīng)60、30、90min，超聲波處理10min；過325目金屬篩，去離子水沖洗篩上物3次，2500r/min離心淀粉漿液10min，去掉上清液；加入100mL酒精，振蕩30min，2500r/min離心10min，重復(fù)3次，干燥即得淀粉。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 總淀粉含量測定

總淀粉含量測定采用旋光法；直鏈淀粉含量測定采用碘-碘化鉀比色法[14]；破損淀粉測定[15-16]參照AACC 2000(76-30)；蛋白質(zhì)含量測定采用凱氏定氮法，氮含量乘5.7即為蛋白質(zhì)含量。

1.3.2 淀粉粒級(jí)分布測定

以水為分散劑(每個(gè)樣品取500～600mL)，添加輔助試劑為偏六磷酸鈉(sodium meta-phosphate)，其與分散劑的比值為1:2000(g/mL)；分散劑水的參數(shù)設(shè)置：折射率1.331、密度0.996g/cm3、黏度0.798mPa·s，樣品淀粉的參數(shù)設(shè)置：折射率1.530、0.200(實(shí)部、虛部)，密度3.880g/cm3；采用激光衍射粒度分析儀測定樣品中淀粉粒度。

1.3.3 淀粉粒膨脹勢測定

參考McCormick[17]等方法，略有改變。稱取0.2g淀粉，置于離心管中，加入5mL蒸餾水，混勻10s，60℃水浴10min后再100℃水浴5min，冷卻，2000r/min離心4min，去除上清液，收集沉淀物。

采用Super3快速黏度儀，參照AACC 76-21標(biāo)準(zhǔn)方法2和標(biāo)準(zhǔn)分析方法2測定淀粉粒糊化值，3.0g淀粉樣品與25mL蒸餾水混合于樣品缽內(nèi)，攪拌均勻后測定黏度；先以960r/min的速度攪拌10s，之后整個(gè)過程速度維持在160r/min。溫度控制如下：50℃維持1min，以6℃/min的步幅升至95℃，保持5min，然后以相同步幅冷卻至50℃，并保持3min。使用軟件分析糊化參數(shù)。

淀粉結(jié)晶度的測定參考Fujita[18]方法略有改動(dòng)：采用X-射線衍射儀，衍射角2θ的旋轉(zhuǎn)范圍為4～35℃，測得淀粉的X-衍射圖譜，相對結(jié)晶度按照以下公式計(jì)算：

式中：Ia為X-射線衍射圖譜中非結(jié)晶區(qū)的面積；Ic是結(jié)晶區(qū)的面積。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Statistica 7.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，所有數(shù)據(jù)均3次重復(fù)，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 分離條件的確定

2.1.1 分離條件對淀粉產(chǎn)量的影響

正交試驗(yàn)結(jié)果和極差分析分別見表1和表2。由淀粉產(chǎn)量的極差分析可知，影響因素大小依次為A＞C＞B，優(yōu)化方案為A3B2C3，即中性蛋白酶質(zhì)量濃度4g/L、反應(yīng)溫度45℃、反應(yīng)時(shí)間90min。該方案在9個(gè)試樣中都沒有出現(xiàn)，從試驗(yàn)結(jié)果分析，試樣8(A3B2C1)的產(chǎn)量最高達(dá)15.51g/100g麩皮。

摘 要：《窗邊的小豆豆》里的巴學(xué)園是孩子的天堂。無數(shù)次，我幻想著能給孩子們一座夢寐以求的“巴學(xué)園”，但直到遇到他，我才真正意識(shí)到，作為老師要用自己的真情換取學(xué)生的真情，用老師的愛換取學(xué)生的信賴與努力，因材施教、揚(yáng)長補(bǔ)短，讓他們爭取做最好的自己。只有這樣才能達(dá)到我們的教育目的，真正的給予每一個(gè)學(xué)生一座心中的“巴學(xué)園”。

表1 正交試驗(yàn)方案及各處理淀粉產(chǎn)量與蛋白質(zhì)含量Table 1 Orthogonal array design matrix and experimental values of starch yield and protein content in the prepared starch

2.1.2 分離條件對淀粉中蛋白質(zhì)含量的影響

試樣產(chǎn)量高不一定純度也高，試樣6的產(chǎn)量為

15.43g，但其蛋白質(zhì)含量為0.44%，所以單從產(chǎn)量的角度分析探討最佳水平的組合不太合適。從表2可以看出，因素A(中性蛋白酶質(zhì)量濃度)是影響蛋白質(zhì)含量最主要的因素，隨著中性蛋白酶質(zhì)量濃度的升高，麩皮淀粉中蛋白質(zhì)含量呈“V”字形變化，質(zhì)量濃度過高或過低時(shí)，蛋白質(zhì)含量均較高；其次為因素B(反應(yīng)溫度)和因素C(反應(yīng)時(shí)間)；根據(jù)極差分析得到優(yōu)化方案為A2B2C3，即當(dāng)中性蛋白酶濃度為3g/L時(shí)，在45℃條件下反應(yīng)90min，麩皮淀粉中蛋白質(zhì)含量最低為0.25%。

表2 淀粉產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的極差分析Table 2 Range analysis for starch yield and protein content in the prepared starch with various hydrolysis conditions

2.1.3 綜合分析

綜合麩皮淀粉產(chǎn)量和其蛋白含量的正交分析結(jié)果，當(dāng)?shù)鞍酌纲|(zhì)量濃度從3g/L增加到4g/L時(shí)，麩皮淀粉產(chǎn)量增加幅度較小，而相應(yīng)的蛋白質(zhì)含量增加幅度則較大，為獲得較純麩皮淀粉，取蛋白酶質(zhì)量濃度為3g/L較佳；反應(yīng)溫度處于45℃時(shí)，麩皮淀粉的產(chǎn)量最高，且麩皮淀粉中蛋白含量最低；隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，麩皮淀粉產(chǎn)量呈增加的趨勢，而蛋白質(zhì)含量呈減少的趨勢，得出試驗(yàn)的優(yōu)化方案為A2B2C3，即中性蛋白酶質(zhì)量濃度為3g/L，在45℃反應(yīng)90min時(shí)，麩皮淀粉產(chǎn)量為14.86g/100g麩皮，蛋白質(zhì)含量為0.25%。為確定其有效性，作4次重復(fù)，結(jié)果為淀粉產(chǎn)量(14.86±0.1)g/ 100g麩皮，蛋白質(zhì)含量(0.25±0.03)%。

2.2 麩皮淀粉與面粉淀粉理化特性比較

2.2.1 蛋白質(zhì)和淀粉含量

由表3可知，麩皮淀粉中蛋白質(zhì)含量為0.25%，顯著低于面粉淀粉中蛋白質(zhì)含量(0.85%)；與面粉淀粉相比，麩皮淀粉中的破損淀粉率較低，且差異達(dá)顯著水平，這可能是因?yàn)槟ブ泼娣圻^程中的物理剪切作用所致[19]；麩皮淀粉中小淀粉粒的體積分?jǐn)?shù)為58.4%，顯著高于面粉淀粉中的22%。

2.2.2 淀粉組分和膨脹勢

由表3可知，麩皮淀粉中直鏈淀粉含量為22.3%，低于面粉淀粉含量26.05%，差異顯著；麩皮淀粉中支鏈淀粉含量與直鏈淀粉含量的比值顯著高于面粉淀粉的比值，為3.48；膨脹特性反映淀粉懸浮液在糊化過程中的吸水特性和在一定條件下離心后的持水能力；麩皮淀粉的膨脹勢與面粉淀粉相比，差異顯著，這是因?yàn)榈矸鄣呐蛎泟菖c淀粉中的支鏈淀粉、直鏈淀粉以及支鏈淀粉含量與直鏈淀粉含量的比值有關(guān)。

2.2.3 粒度分布

小麥淀粉顆粒呈圓形或橢圓形，少數(shù)無規(guī)則形狀；按直徑劃分，小麥淀粉包含A型淀粉粒(大于10μm)、B型淀粉粒(1.5μm＜B＜10μm)和C型淀粉粒(小于1.5μm)，通常將B型淀粉粒和C型淀粉粒統(tǒng)稱為B型淀粉粒(小于10μm)，淀粉粒大小分布是影響淀粉特性的一個(gè)重要因素。從圖1可以看出，面粉淀粉中A型淀粉粒含量大于B型淀粉粒含量，在10μm處有一個(gè)明顯的低谷，峰值出現(xiàn)在22μm處。麩皮淀粉中B型淀粉粒含量明顯增多，A型淀粉粒減少，峰值前移，出現(xiàn)在14μm處；10μm處無明顯低谷，低谷出現(xiàn)在1.5μm處，直徑小于1.5μm的淀粉粒明顯增多。

圖1 小麥麩皮淀粉的粒級(jí)分布Fig.1 Particle size distribution of wheat bran starch

表3 小麥麩皮與面粉淀粉部分理化特性比較Table 3 Comparison of physico-chemical traits between wheat bran starch and wheat flour

2.2.4 糊化特性

表4 小麥麩皮淀粉的糊化值Table 4 Comparison of pasting properties of wheat bran starch and wheat starch

由表4可知，麩皮淀粉與面粉淀粉相比，糊化溫度較高達(dá)86.9℃，峰值黏度、低谷黏度、崩解值、最終黏度以及回升值均較低，差異均顯著。

2.2.5 晶體特性

X-射線衍射圖譜是淀粉粒內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)狀況的“指紋”，根據(jù)X-射線衍射特征譜線，可將淀粉的晶體結(jié)構(gòu)分為4種類型——A、B、C和V，其中A、B、C型為天然淀粉的晶體結(jié)構(gòu)，V型為直鏈淀粉與脂類物質(zhì)形成復(fù)合體的晶型[20]。從圖2可以看出，對麩皮淀粉和面粉淀粉粒的X-射線衍射圖譜分析發(fā)現(xiàn)，面粉淀粉粒晶體結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)出典型的A型特征，具體表現(xiàn)為：在衍射角和18°位置分別有一單峰，在2θ為20°位置有一弱峰，且在2θ為17°和18°附近出現(xiàn)了相連的雙峰，淀粉麩皮除在2θ為17°附近的一單峰外，其余點(diǎn)的峰并不明顯。由表7可知，比較麩皮淀粉和面粉淀粉淀粉粒在不同2θ位置的尖峰強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)，淀粉粒在2θ＝23°左右的尖峰強(qiáng)度相對較高，其次是2θ＝17°左右的尖峰強(qiáng)度，而2θ＝21°左右的尖峰強(qiáng)度相對較低。面粉淀粉淀粉粒在不同2θ位置的尖峰強(qiáng)度都強(qiáng)于麩皮淀粉淀粉粒；麩皮淀粉淀粉粒的相對結(jié)晶度明顯小于面粉淀粉淀粉粒的相對結(jié)晶度。

圖2 麩皮淀粉和面粉淀粉的X-射線衍射圖Fig.2 X-ray powder diffraction patterns of wheat bran starch and wheat starch granules

表5 小麥麩皮和面粉淀粉X射線衍射圖譜的主要特征參數(shù)Table 5 X-ray powder diffraction data of wheat bran starch and wheat starch granules

3 討 論

目前，關(guān)于從小麥麩皮中分離制備淀粉的工藝較少。Verwimp等[12]和張國權(quán)等[21]采用蛋白酶分別制備了裸麥和蕎麥淀粉，并對所得淀粉特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明采用蛋白酶能夠很好的制備淀粉。本實(shí)驗(yàn)研究了利用中性蛋白酶分離制備小麥麩皮淀粉的條件。正交試驗(yàn)結(jié)果表明，中性蛋白酶法制備小麥麩皮淀粉的最佳條件為中性蛋白酶質(zhì)量濃度3g/L、反應(yīng)溫度45℃、反應(yīng)時(shí)間90min。此條件下，麩皮淀粉產(chǎn)量為14.86g/100g麩皮，蛋白含量為0.25%。

研究結(jié)果表明，麩皮淀粉與面粉淀粉相比有明顯不同的特征。麩皮淀粉中小淀粉粒的體積分?jǐn)?shù)為58.4%，顯著高于面粉的22%，麩皮淀粉中抗性淀粉含量亦高于胚乳淀粉。破損淀粉含量與峰值黏度、低谷黏度、最終黏度、回升值、峰值時(shí)間、糊化溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，說明破損淀粉含量的高低影響著淀粉黏度和食品加工品質(zhì)。這與李春燕等[22]研究結(jié)論相反，原因有待于進(jìn)一步研究。

研究發(fā)現(xiàn)，麩皮淀粉的膨脹勢(12.28)顯著高于面粉淀粉(8.90)。麩皮淀粉淀粉粒的相對結(jié)晶度明顯小于面粉淀粉淀粉粒的相對結(jié)晶度。說明麩皮淀粉與面粉淀粉淀粉結(jié)晶區(qū)的晶胞結(jié)構(gòu)或微晶排列存在差別。麩皮淀粉淀粉粒內(nèi)部的結(jié)晶區(qū)所占比例較小，淀粉粒的結(jié)構(gòu)較為疏松。面粉淀粉的峰值黏度、終值黏度回升值等均高于麩皮淀粉；峰值黏度與B型淀粉粒的含量有顯著負(fù)相關(guān)性，這與Xie等[8]的研究結(jié)果相似；B型淀粉粒含量和支鏈淀粉含量與直鏈淀粉含量的比值呈正相關(guān)性。

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Enzymatic Preparation and Physico-chemical Characterization of Wheat Bran Starch

ZHAO Rui-chang，TIAN Yi-hua，JIANG Dong*，DAI Ting-bo，JING Qi，CAO Wei-xing
(Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology in Southern China, Ministry of Agriculture, Hi-Tech Key Laboratory of Information Agriculture of Jiangsu Province, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

Optimal neutrase hydrolysis of wheat bran for starch preparation was investigated using orthogonal array design. Along with this, the prepared starch was characterized physicochemically. Results showed that the neutrase hydrolysis reaction for 90 min at 45 ℃ and an enzyme dosage of 3 g/L resulted in an optimal compromise between high starch yield and low protein content in the prepared starch, which reached up to 14.86 g/100 g wheat bran and 0.25%, respectively. The prepared starch contained lower contents of both protein and damaged starch and small starch granules with a volume fraction of 58.4%. Compared with wheat starch, this starch exhibited lower amylose content, pasting value and degree of crystallinity and higher swelling power.

wheat；bran；starch；neutrase

TS234.2

A

1002-6630(2010)10-0001-05

2009-07-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30671216；30700483；30971734)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2008329)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才資助計(jì)劃項(xiàng)目(06-0493)；國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(nycytx-03)；江蘇省糧豐工程項(xiàng)目(BE2009426)

趙瑞昌(1983—)，男，碩士，主要從事小麥深加工研究。E-mail：zruichang@163.com

*通信作者：姜東(1970—)，男，教授，博士，主要從事小麥品質(zhì)生理生態(tài)與深加工研究。E-mail：jiangd@njau.edu.cn