超聲-微波協(xié)同酶法改性小米糠膳食纖維及工藝優(yōu)化

康麗君,寇 芳,夏甜天,寧冬雪,曹龍奎,2,*

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué),黑龍江大慶 163319;2.國(guó)家雜糧工程技術(shù)研究中心,黑龍江大慶 163319)

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超聲-微波協(xié)同酶法改性小米糠膳食纖維及工藝優(yōu)化

康麗君1,寇 芳1,夏甜天1,寧冬雪1,曹龍奎1,2,*

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué),黑龍江大慶 163319;2.國(guó)家雜糧工程技術(shù)研究中心,黑龍江大慶 163319)

為提高小米糠水溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber,SDF)的得率,本實(shí)驗(yàn)以小米糠為材料,對(duì)其進(jìn)行氣爆預(yù)處理,利用超聲-微波協(xié)同酶法對(duì)氣爆預(yù)處理小米糠進(jìn)行改性,分別研究酶添加量、溫度、pH、微波功率對(duì)小米糠SDF含量的影響,根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)Box-Behnken實(shí)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)定為壓力1.0 MPa、時(shí)間90 s,最優(yōu)工藝參數(shù)為酶添加量5.85%,溫度56 ℃,pH4.64,微波功率451 W,在此條件下改性小米糠SDF含量為13.117%,比未經(jīng)改性小米糠SDF含量高出了10.96%。

小米糠,氣爆,超聲-微波協(xié)同酶法,水溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber,SDF),響應(yīng)面法

谷子為我國(guó)北方地區(qū)主要雜糧作物,種植面積達(dá)1400千畝,產(chǎn)量為370～450萬t。小米糠為谷子加工過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物,是一種產(chǎn)量較大的可再生利用資源,主要作為動(dòng)物的飼料,不僅造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi),而且對(duì)環(huán)境造成污染[1]。小米糠中含有50%～60%的膳食纖維,根據(jù)其溶解性不同可分為不溶性膳食纖維(Insoluble dietary fiber,IDF)和水溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber,SDF)[2]。IDF包括纖維素、木質(zhì)素和部分半纖維素,纖維素與另外兩種成分之間主要以氫鍵結(jié)合,而半纖維素與木質(zhì)素之間除了氫鍵外還有很強(qiáng)的化學(xué)鍵作用,并且木質(zhì)素和半纖維素形成牢固結(jié)合層,包圍著纖維素[3]。SDF包括可溶性半纖維素、葡聚糖、低聚糖和果膠等物質(zhì),較IDF有更重要的生理功能,SDF可以降低血糖和膽固醇含量、防止心血管疾病、控制肥胖等[4-5]。由于小米糠膳食纖維中SDF含量?jī)H為3%～4%,無法達(dá)到高品質(zhì)膳食纖維(SDF,10%)的要求,其功能受到一定的限制,同時(shí)導(dǎo)致生產(chǎn)成本偏高,大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)難以實(shí)現(xiàn),所以采用簡(jiǎn)便有效的改性方法使IDF向SDF轉(zhuǎn)化,獲得高含量SDF尤為重要[6]。

國(guó)內(nèi)外已報(bào)道的膳食纖維改性方法有以酸法、堿法為主的化學(xué)方法[7],以酶法、發(fā)酵法為主的生物技術(shù)方法[8-9]及以超微粉碎技術(shù)、擠壓技術(shù)、超高壓技術(shù)為主的物理方法[10-12]。但經(jīng)這些改性方法得到的SDF含量較低且反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。超聲-微波協(xié)同萃取[13-14]作為一種新的技術(shù)手段,有助于物料中可溶性膳食纖維的溶出。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)[15]。超聲-微波協(xié)同酶法改性作為一種聯(lián)合改性手段,具有反應(yīng)時(shí)間短、改性效果好等特點(diǎn),將其應(yīng)用于膳食纖維改性研究中具有重要意義。

本文以小米糠為實(shí)驗(yàn)材料,對(duì)其進(jìn)行氣爆預(yù)處理[16-17],采用AOAC法[18]制備高生理活性、適用于保健食品中的優(yōu)質(zhì)SDF。采用超聲-微波協(xié)同酶法對(duì)氣爆預(yù)處理小米糠膳食纖維進(jìn)行改性處理,并利用響應(yīng)面法[19]優(yōu)化改性小米糠SDF的工藝條件。本研究旨在提高小米糠中SDF含量,確定改性小米糠SDF的最優(yōu)工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅谷小米糠 黑龍江省大慶肇州托古小米廠;耐高溫α-淀粉酶、中性蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶 Sigma公司;纖維素酶(30000 U/g)、半纖維素酶(20000 U/g)進(jìn)口分裝;試劑均為分析純。

QBS-200B型氣爆工藝實(shí)驗(yàn)臺(tái) 鶴壁正道生物能源公司;GDE-CSF6 意大利VELP膳食纖維測(cè)定儀 北京盈盛恒泰科技有限公司;CW-2000A 超聲-微波協(xié)同萃取/反應(yīng)儀 上海新拓分析儀器科技有限公司;K-360 瑞士Buchi全自動(dòng)凱氏定氮儀;AR224CN電子天平 奧豪斯儀器(上海)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 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?？紤]處理壓力(0.5～1.5 MPa)、時(shí)間(30～90 s)對(duì)小米糠水溶性膳食纖維含量的影響,并確定最佳的氣爆條件。小米糠經(jīng)氣爆預(yù)處理后,烘干,粉碎,脫脂。

1.2.2 小米糠膳食纖維的制備 稱取1.0 g脫脂小米糠,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),直接過濾,殘?jiān)脽崴礈?經(jīng)干燥后稱重,得IDF殘?jiān)?濾液用4倍體積的95%乙醇沉淀、過濾、干燥后稱重,得SDF。

1.2.3 超聲-微波協(xié)同酶法改性小米糠膳食纖維的單因素實(shí)驗(yàn) 分別考察酶添加量(纖維素酶∶半纖維素酶=1∶2)、溫度、pH、微波功率四個(gè)因素對(duì)改性小米糠SDF含量的影響,每組實(shí)驗(yàn)分別稱取1.0 g氣爆預(yù)處理小米糠放在料水比為1∶50(g/mL)的去離子水中,設(shè)置超聲功率50 W,超聲-微波協(xié)同時(shí)間為60 min,在酶添加量1.2%、2.4%、3.6%、4.8%、6%、7.2%,溫度35、40、45、50、55、60 ℃,pH4.0、4.2、4.4、4.6、4.8、5.0,微波功率300、350、400、450、500、550 W的條件下進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。不同因素每個(gè)水平重復(fù)三次。

1.2.4 響應(yīng)面法優(yōu)化超聲-微波協(xié)同酶法改性小米糠膳食纖維的工藝 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以酶添加量X1、溫度X2、pH X3、微波功率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實(shí)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。每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)重復(fù)三次,取平均值。實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)表如表1。

表1 響應(yīng)面因素水平編碼表
Table 1 Factors levels and codes

因素水平-101X1酶添加量(%)48672X2溫度(℃)505560X3pH444648X4微波功率(W)400450500

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

所得數(shù)據(jù)均為三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值,并利用Design-Expert.V8.0.6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,采用Origin 8.6對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 小米糠最佳氣爆條件的確定

圖1 不同氣爆條件對(duì)小米糠SDF含量的影響Fig.1 Effects of different gas explosion conditions on content of millet bran SDF注:1為0.5 MPa、30 s,2為0.5 MPa、60 s,3為0.5 MPa、90 s,4為1.0 MPa、30 s,5為1.0 MPa、60 s,6為1.0 MPa、90 s,7為1.5 MPa、30 s,6為1.5 MPa、60 s,6為1.5 MPa、90 s。

由圖1可知,當(dāng)6號(hào)實(shí)驗(yàn)的氣爆條件,也就是壓力為1.0 MPa、時(shí)間90 s時(shí),小米糠SDF含量達(dá)到最高值7.22%。當(dāng)氣爆壓力為0.5 MPa時(shí),隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),小米糠SDF含量變化不大,說明壓力過低氣爆效果不明顯。當(dāng)氣爆壓力為1.0 MPa時(shí),小米糠SDF含量顯著增加。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)氣爆預(yù)處理的小米糠呈海綿狀,這可能是由于氣爆處理破壞了小米糠的某些結(jié)構(gòu)組織如等,更利于目的物的溶出[20]。而當(dāng)壓力高于1.0 MPa時(shí),小米糠變色嚴(yán)重并造成了纖維素、半纖維素等物質(zhì)降解嚴(yán)重,成為小分子物質(zhì),不能以醇析法醇沉,降低了小米糠SDF的得率。綜上所述,氣爆壓力1.0 MPa、時(shí)間90 s為小米糠最佳的氣爆條件。

2.2 超聲-微波協(xié)同酶法改性小米糠膳食纖維的工藝的單因素實(shí)驗(yàn)分析

2.2.1 酶添加量對(duì)改性小米糠中SDF含量的影響 如圖2所示。

圖2 酶添加量對(duì)改性小米糠SDF含量的影響Fig.2 Effect of enzyme dosage on content of modified millet bran SDF注:不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。

在一定范圍內(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%時(shí),改性小米糠SDF含量最大為11.94%。酶添加量大于6%時(shí),改性小米糠SDF含量略有較少。其原因是當(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,得到改性小米糠SDF含量較少[21]。

2.2.2 溫度對(duì)改性小米糠中SDF含量的影響 如圖3所示。

圖3 溫度對(duì)改性小米糠SDF含量的影響Fig.3 Effect of temperature on content of modified millet bran SDF注:不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。

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11.92%。當(dāng)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)隨著溫度升高,酶活力加強(qiáng);當(dāng)溫度過高時(shí),酶受熱變性因素的影響,反應(yīng)速度反而隨溫度上升而減慢,酶活力減弱,不利于IDF向SDF轉(zhuǎn)化[22]。

2.2.3 pH對(duì)改性小米糠中SDF含量的影響 如圖4所示。

圖4 pH對(duì)改性小米糠SDF含量的影響Fig.4 Effect of pH value on content of modified millet bran SDF注:不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。

當(dāng)反應(yīng)體系中pH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)pH為4.6時(shí),改性小米糠SDF含量最大為12.07%。當(dāng)pH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pH的影響,pH通過影響酶活性中心上必需基團(tuán)的解離程度和催化基團(tuán)中質(zhì)子所需的離子化狀態(tài),從而影響酶與底物的結(jié)合[23]。在特定的pH條件下,酶與底物互相結(jié)合,并發(fā)生催化作用,在最適的pH條件下,酶促反應(yīng)速度達(dá)最大值。由圖可知pH4.6為最適pH。

2.2.4 微波功率對(duì)改性小米糠中SDF含量的影響 如圖5所示。

圖5 微波功率對(duì)改性小米糠SDF含量的影響Fig.5 Effect of microwave power on content of modified millet bran SDF注:不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。

在超聲波開啟狀態(tài)下,隨著微波功率的增大,改性小米糠中SDF含量逐漸增加,當(dāng)微波功率達(dá)到450 W,超聲-微波協(xié)同酶法改性小米糠中SDF含量達(dá)到最大值為11.89%,說明超聲波的機(jī)械振動(dòng)作用和微波的熱效應(yīng)結(jié)合起來,有利于SDF與原料分離進(jìn)入溶劑中[24]。微波通過物料吸收微波能,細(xì)胞內(nèi)部溫度迅速上升,小米糠IDF中的纖維素、半纖維素等粗纖維成分被選擇性加熱,IDF就容易水解成低聚寡糖。當(dāng)微波功率大于450 W,溫度較高,導(dǎo)致酶活力下降,得到的SDF含量隨之減少。

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化超聲-微波協(xié)同改性小米糠膳食纖維工藝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果 結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn),采用Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,以酶添加量X1、溫度X2、pH X3、微波功率X4為自變量,小米糠中SDF含量為響應(yīng)值Y,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表2。利用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到方差分析的結(jié)果如表3,二次回歸參數(shù)模型數(shù)據(jù)如表4所示。

表2 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果
Table 2 Experimental scheme and results of Box-Behnken design

實(shí)驗(yàn)號(hào)編碼響應(yīng)值X1X2X3X4SDF含量(%)1-1-10090221-1009393-11001123411001051500-1-19356001-11086700-119838001111269-100-1102410100-198211-100110861210011029130-1-108541401-101085150-1101045160110116117-10-109621810-1092119-101011122010101063210-10-196522010-11184230-1011012240101112625000013022600001327270000129228000013092900001316

表3 響應(yīng)面二次模型的方差分析
Table 3 Variance analysis of response surface quadratic model

來源平方和自由度均方F值p值模型4897143508098<00001殘差060140043失擬項(xiàng)05310005330001504誤差007140018和495828R2=09878

由表3可見,整體模型p<0.0001,二次方程模型極顯著,且失擬項(xiàng)p=0.1504>0.05不顯著,說明回歸模型擬合度較好,實(shí)驗(yàn)誤差小。R2=0.9878>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可見,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、X2X3、X2X4也達(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(%)、溫度(℃)、pH、微波功率(W)的編碼值為自變量的四元二次回歸方程為:

Y=13.09-0.19X1+0.84X2+0.71X3+0.15X4-0.27X1X2-0.020X1X3-0.038X1X4-0.29X2X3-0.26X2X4-0.020X3X4-1.62X12-1.30X22-1.44X32-1.19X42

并由表4可得出四因素對(duì)SDF含量影響大小的順序?yàn)?溫度>pH>酶添加量>微波功率。

2.3.2 交互效應(yīng)分析 在某一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。所得的響應(yīng)面圖和等高線圖如圖6～8。

圖6 酶添加量和溫度交互作用對(duì)改性小米糠SDF含量影響的響應(yīng)面圖及等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots showing the interactive effects of enzyme dosage and temperature content of modified millet bran SDF

表4 回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)
Table 4 Regression coefficients and their significance

模型系數(shù)系數(shù)估計(jì)自由度標(biāo)準(zhǔn)誤差F值p值顯著性常數(shù)項(xiàng)130910093X1酶添加量-0191006096800077??X2溫度0841006019798<00001??X3-pH0711006014038<00001??X4微波功率0151006066700217?X1X2-027101068800210?X1X3-00201010003708501X1X4-0038101001307236X2X3-029101076500151?X2X4-026101063800242?X3X4-00201010003708501X12-1621008239339<00001??X22-1301008225467<00001??X32-1441008231346<00001??X42-1191008221213<00001??

圖7 溫度和pH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Fig.7 Response surface and contour plots showing the interactive effects of temperature and pH value on the content of modified millet bran SDF

圖8 溫度和微波功率交互作用對(duì)改性小米糠SDF含量影響的響應(yīng)面圖及等高線圖Fig.8 Response surface and contour plots showing the interactive effects of temperature and microwave poweron the content of modified millet bran SDF

注:**,影響極顯著,p<0.01;*,影響顯著,p<0.05。

由圖6～圖8的響應(yīng)面圖可知,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。

由圖6可知,酶添加量與溫度對(duì)SDF含量的交互影響呈拋物線形,等高線呈橢圓形,說明酶添加量與溫度的交互作用對(duì)SDF含量影響顯著。當(dāng)酶添加量為4%～5.8%之間某固定值,溫度為50～56 ℃之間某固定值時(shí),SDF含量隨溫度升高與微波功率的增大而增加;高于此值時(shí),SDF含量減少。由圖7可知,溫度與pH對(duì)SDF含量的交互影響呈拋物線形,等高線呈橢圓形,說明溫度與pH的交互作用對(duì)SDF含量影響顯著。B等高線密度高于沿C移動(dòng)的密度,說明B對(duì)SDF含量的影響較C顯著。由圖8可知,溫度與微波功率對(duì)還SDF含量的交互影響呈拋物線形,等高線呈橢圓形,說明溫度與微波功率的交互作用對(duì)SDF含量影響顯著。當(dāng)溫度為50～56 ℃之間某固定值,微波功率為400～450 W之間某固定值時(shí),SDF含量隨溫度升高與微波功率的增大而增加;高于此值時(shí),SDF含量減少。

2.3.3 最優(yōu)工藝的確定與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 通過對(duì)模型分析確定最優(yōu)工藝條件為:酶添加量5.83%,溫度56.42 ℃,pH4.64,微波功率450.65 W,在此條件下改性小米糠中SDF含量為13.299%。為了驗(yàn)證模型分析的準(zhǔn)確性,選取酶添加量5.85%,溫度56 ℃,pH4.64,微波功率451 W進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次取平均值,所得SDF含量為13.117%,與理論值相差0.182%。說明響應(yīng)面法適用于超聲-微波協(xié)同酶法改性小米糠工藝條件的研究。

表5 不同改性方法對(duì)小米糠SDF含量的影響
Table 5 Effect of modified different methods on content of millet bran SDF

改性方法氣爆預(yù)處理單一酶法超聲-微波協(xié)同法超聲-微波協(xié)同酶法SDF含量(%)7221105071084113117

2.3.4 幾種改性方法的比較 未改性小米糠SDF含量為2.157%,經(jīng)不同的改性方法處理,小米糠SDF含量均增加。由表4可知,經(jīng)超聲-微波協(xié)同酶法改性,小米糠SDF含量最大為13.117%,說明這種聯(lián)合改性方法最為有效。

3 結(jié)論

采用Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),通過響應(yīng)面分析結(jié)合實(shí)際值確定超聲-微波協(xié)同酶法改性小米糠膳食纖維最優(yōu)的工藝條件為酶添加量5.85%,溫度56 ℃,pH4.64,微波功率451 W,在此條件下,改性小米糠SDF含量達(dá)到13.117%,比未經(jīng)改性小米糠提高了10.96%。

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Study of the modification of millet bran dietary fiber with the method of ultrasonic-microwave cooperated with enzyme and the optimization of process

KANG Li-jun1,KOU Fang1,XIA Tian-tian1,NING Dong-xue1,CAO Long-kui1,2，*

(1.Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319,China; 2.National Coarse Cereals Engineering Research Center,Daqing 163319,China)

The millet bran was used as the experimental material in this study. In order to increase the yield of the millet bran SDF,the method of ultrasonic-microwave cooperated with enzyme was used to modify the dietary fiber of the millet bran which was pre-processed by the method of steam explosion. The effect of the amount of enzyme,temperature,pH and the power of microwave were investigated separately. Besides,the Box-Behnken experiment was designed based on the result of single factor experiment,the process conditions of the modification of millet bran SDF was optimized by response surface methodology. The steam exploration condition was set as pressure equaled to 1.0 MPa and time equaled to 90 s,the optimal process parameters are set as:enzyme dosage was 5.85%,temperature was 56 ℃,pH value was 4.64 and microwave power was 451 W. Under the condition above,the content of SDF was 13.117% which was 10.96% higher than the unmodified millet bran SDF.

millet bran;steam explosion;ultrasonic-microwave cooperated with enzyme;soluble dietary fiber(Soluble dietary fiber,SDF);response surface methodology

2016-06-01

康麗君(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：糧油食品及副產(chǎn)物加工，E-mail：klj1518668559@163.com。

*通訊作者:曹龍奎(1965-)，男，博士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)，E-mail：caolongkui2013@163.com。

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

TS201.1

B

1002-0306(2016)23-0221-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.23.033