響應(yīng)面法優(yōu)化米糠水溶性膳食纖維酶法提取工藝研究

徐彩紅，李莎怡靜，李桂杰，公 勛

(沈陽(yáng)師范大學(xué)糧食學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

響應(yīng)面法優(yōu)化米糠水溶性膳食纖維酶法提取工藝研究

徐彩紅，李莎怡靜，李桂杰，公 勛

(沈陽(yáng)師范大學(xué)糧食學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

對(duì)超聲輔助混合酶法提取米糠水溶性膳食纖維(RSDF)的提取工藝進(jìn)行了研究?？疾炝嗣讣捌涮砑恿?、料液比、超聲功率和超聲時(shí)間等對(duì)RSDF得率的影響。經(jīng)過(guò)單因素試驗(yàn)和central composite design中心復(fù)合響應(yīng)面分析法，確定了RSDF的最佳提取工藝為：添加6%的木瓜蛋白酶，60℃水解1 h并滅酶后，再添加1.5%木聚糖酶、料液比1∶25 g/ml，55℃水浴超聲(600 W)5 min。在此條件下，米糠水溶性膳食纖維得率最高為25.10%。

響應(yīng)面法；米糠；水溶性膳食纖維；纖維素酶；木聚糖酶；提取工藝

膳食纖維(DF)是一類復(fù)雜混合物的總稱，國(guó)際食品法典委員會(huì)(2009年)定義為具有10個(gè)以上單體鏈節(jié)的不被人體小腸內(nèi)生酶水解的碳水化合物，被稱為第七營(yíng)養(yǎng)素，可有效的預(yù)防或減少心血管疾病、高血壓、糖尿病和肥胖癥等慢性疾病的發(fā)生，具有重要的保健功能[1-2]。DF中的可溶性膳食纖維包括果膠和葡聚糖等親水膠體物質(zhì)和部分半纖維素，可清除體內(nèi)自由基和外源有害物質(zhì)，有抗氧化防衰老、增強(qiáng)機(jī)體免疫力、抗癌防癌等生理功效[3]。

米糠是稻谷加工的主要副產(chǎn)品，約占稻谷質(zhì)量的5%～8%，卻集中了稻米約65%的營(yíng)養(yǎng)素，是一種極具開發(fā)潛力的高附加值資源。脫脂米糠中DF質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)30%～50%，是DF的理想來(lái)源[4]。米糠膳食纖維(RSDF)具有降血糖、降低膽固醇和抗大腸癌等生理作用，若加以開發(fā)利用，可拓寬米糠的應(yīng)用載體，延長(zhǎng)稻谷加工產(chǎn)業(yè)鏈。但由于新鮮米糠貯存穩(wěn)定性差、易酸敗、DF溶解性低、加工性差等原因嚴(yán)重制約了米糠的開發(fā)利用。我國(guó)2015年米糠的產(chǎn)量超過(guò)1 600 萬(wàn)t，僅約10%～15%的米糠被用作制油或提取植酸鈣等高附加值產(chǎn)品，小部分作為動(dòng)物飼料，絕大部分未被開發(fā)而浪費(fèi)。因此，開展米糠基礎(chǔ)研究以推動(dòng)其高效利用意義重大。

目前，RSDF提取的主要方法有物理法、化學(xué)法和酶解法[5]，物理法DF的提取率偏低，化學(xué)法提取的DF提取率較高(38.5%)[6]，但活性較低、環(huán)境污染也較重。酶解法能夠顯著提高DF的提取率和品質(zhì)，國(guó)內(nèi)外多采用此法制備DF，但不同酶解工藝得到的RSDF提取率和品質(zhì)差異較大(6.68%～16.32%)[7-9]，采用的酶主要是蛋白酶和纖維素酶，未見(jiàn)采用木聚糖酶進(jìn)行酶解提取RSDF的報(bào)道。因此，本研究考察了酶的種類及其添加量、料液比、超聲時(shí)間和超聲功率等對(duì)RSDF得率的影響，并進(jìn)一步采用CCD中心復(fù)合響應(yīng)面試驗(yàn)分析法優(yōu)化了RSDF的提取工藝，顯著提高RSDF的提取率和品質(zhì)，這對(duì)推動(dòng)米糠的綜合應(yīng)用具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

米糠：遼寧華潤(rùn)五豐營(yíng)銷有限公司；石油醚、無(wú)水乙醇、冰乙酸、無(wú)水乙酸鈉；木瓜蛋白酶(1 000 U/mg)、纖維素酶(1 800 U/mg)、木聚糖酶(60 000 U/mg)；去離子水。

1.2 儀器與設(shè)備

HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋，SB-25-12DT型超聲波清洗機(jī)，DHG-9146A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，F(xiàn)W型高速萬(wàn)能粉碎機(jī)，ESJ120-48型電子天平，MODEL868型電子pH計(jì)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 米糠預(yù)處理

將米糠粗粉于60 ℃烘箱中干燥6 h后過(guò)60目篩，將篩下部分加入4倍體積石油醚，室溫下浸泡30 min，真空抽濾收集濾渣，重復(fù)脫脂2～3次，將濾渣用4倍體積的80%乙醇清洗殘留石油醚，重復(fù)2～3次，將濾渣在60℃烘箱中烘干粉碎，即得脫脂米糠。

1.3.2 水溶性膳食纖維的提取工藝

稱取一定質(zhì)量的脫脂米糠，按一定料液比加入去離子水，用醋酸-醋酸鈉水溶液調(diào)pH值 5.0，加入6%的木瓜蛋白酶，60℃水浴中水解1 h，然后90℃滅酶10 min，待樣液溫度降至60℃以下時(shí)，加入一定量的酶，定溫下超聲既定時(shí)間后，90℃滅酶10 min，真空抽濾，濾液濃縮蒸發(fā)至一定體積，用4倍體積的無(wú)水乙醇沉淀，濾渣反復(fù)用無(wú)水乙醇洗滌至中性，最后將濾渣在60℃下烘干至含水量在13.0左右，粉碎，即得RSDF。

1.3.3 水溶性膳食纖維提取率

1.3.4 單因素試驗(yàn)

按1.3.2節(jié)中RSDF的提取工藝，稱取脫脂米糠3.0 g，按一定料液比加入去離子水，調(diào)pH值至5.0，加入6 %的木瓜蛋白酶，60℃水浴水解1 h后，滅酶，加入纖維素酶或木聚糖酶，并采用超聲波輔助提取。選取酶添加量、超聲時(shí)間和超聲功率、料液比四個(gè)因素進(jìn)行RSDF提取的單因素試驗(yàn)，確定各因素對(duì)RSDF得率的影響，詳見(jiàn)表1。

表1 RSDF酶提工藝的單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.5 提取工藝的優(yōu)化

根據(jù)單因素試驗(yàn)，選取料液比和纖維素酶或木聚糖酶的添加量2個(gè)因素為自變量，以RSDF得率值為響應(yīng)值(Y)，進(jìn)行兩因素五水平的CCD響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化提取工藝，因素水平編碼見(jiàn)表2。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理與分析

每組試驗(yàn)重復(fù)三次，數(shù)據(jù)結(jié)果運(yùn)用Design Expert 8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用Origin 8.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和制圖。

表2 central composite design試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平編碼表

編碼因素料液比(X1)g·ml-1加酶量(X2)/%纖維素酶木聚糖酶-1.4145.862.380-11∶103001∶204.51.011∶3062.01.41434.146.622.41

2 結(jié)果與分析

2.1 RSDF制備工藝的單因素試驗(yàn)

2.1.1 加酶量對(duì)RSDF得率的影響

由圖1可知，纖維素酶在添加量0.5%～6%內(nèi)，隨著加入量的增多，RSDF得率增高。在0.5%～3%內(nèi)，RSDF的得率顯著升高，當(dāng)加酶量達(dá)6%以上時(shí)，RSDF的得率趨于穩(wěn)定，因此，考慮經(jīng)濟(jì)成本，選擇加酶量3%～6%進(jìn)行優(yōu)化研究。

圖1 纖維素酶加入量對(duì)RSDF制備條件的影響

由圖2可知，木聚糖酶在添加量0～5%內(nèi)，隨著加入量的增多，RSDF得率增高。在0～3%內(nèi)，RSDF的得率顯著升高，當(dāng)加酶量達(dá)2%以上時(shí)，RSDF的得率趨于穩(wěn)定，因此，選擇加酶量0～2%進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖2 木聚糖酶加入量對(duì)RSDF制備條件的影響

2.1.2 超聲功率和超聲時(shí)間對(duì)RSDF得率的影響

由圖3可知，超聲功率在200～600 W內(nèi)，纖維素酶和木聚糖酶酶解法對(duì)RSDF得率的影響結(jié)果均是增大的，但功率過(guò)大可能會(huì)降低酶的活性，因此，本研究采用超聲功率600 W為提取條件。

圖3 超聲功率對(duì)RSDF制備條件的影響

由圖4可知，超聲時(shí)間增加，RSDF的得率先提高，但超聲5 min后，纖維素酶和木聚糖酶酶解法的RSDF得率均顯著減小?？紤]到超聲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能導(dǎo)致酶失活或膳食纖維分解，而降低RSDF得率，因此，超聲時(shí)間選擇5 min為宜。

圖4 超聲時(shí)間對(duì)RSDF制備條件的影響

2.1.3 料液比對(duì)RSDF得率的影響

由圖5可知，料液比增大，RSDF得率先增高，當(dāng)料液比超過(guò)1∶30時(shí)，RSDF得率快速下降。因此，選擇料液比1∶10～1∶30進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 料液比對(duì)RSDF制備條件的影響

2.2 RSDF制備工藝條件的優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)模型的建立與分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用CCD響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì),結(jié)果見(jiàn)表3。其中，X1為纖維素酶料液比，X2為纖維素酶加酶量，Y1為RSDF得率，X3為木聚糖酶的料液比，X4為木聚糖酶加酶量，Y2為RSDF得率。對(duì)表3中纖維素酶和木聚糖酶的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別采用Design Expert.8.0.6軟件處理，并進(jìn)行多元線性回歸，得到二項(xiàng)式擬合的代碼方程分別為：

表3 central composite design響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)值

表4 纖維素酶提取工藝CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)回歸模型方差分析表

注：*表示差異顯著(P<0.05)，**表示差異極顯著(P<0.01)。下同。

各試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值的影響均不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，酶的加入量與料液比對(duì)RSDF得率的影響可由圖6和圖7直觀反映。兩圖底面的等高線形狀反映出兩因素交互效應(yīng)的強(qiáng)弱，等高線越接近橢圓而非圓形，表示交互作用越明顯?？梢?jiàn)，木聚糖酶的酶提工藝中兩因素的交互作用較纖維素酶的更顯著些。

由圖6可知，當(dāng)纖維素酶添加量一定時(shí)，隨料液比的增加，RSDF得率先增加后逐漸降低。當(dāng)料液比一定時(shí)，RSDF的得率隨著纖維素酶加入量的增加先增后降。因此，綜合分析得到的最優(yōu)試驗(yàn)條件為：纖維素酶添加量為4.5%，料液比為1∶25 g/ml。

由圖7可知，當(dāng)木聚糖酶添加量一定時(shí)，隨料液比的增加，RSDF得率先增加后逐漸降低。當(dāng)料液比一定時(shí)，RSDF的得率隨木聚糖酶加入量的增加先增后降。綜合數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)原則和實(shí)際操作的可行性，選取最優(yōu)試驗(yàn)條件為：木聚糖酶添加量為1.5%，料液比為1∶25 g/ml。

表5 木聚糖酶提取工藝CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)回歸模型方差分析表

圖6 纖維素酶加入量和料液比對(duì)RSDF得率的影響

圖7 木聚糖酶加入量和料液比對(duì)RSDF得率的影響

2.2.2 響應(yīng)面分析法的驗(yàn)證

為驗(yàn)證兩回歸模型的可靠性和實(shí)用性，按響應(yīng)面分析法所得的纖維素酶和木聚糖酶的酶提最優(yōu)工藝進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。此條件下，實(shí)際測(cè)得的RSDF得率值分別為17.90%和25.10%，預(yù)測(cè)值為分別為17.71%和26.20%，相對(duì)偏差小于5%，說(shuō)明該模型對(duì)RSDF提取工藝預(yù)測(cè)性良好。

3 結(jié)果與討論

采用中心復(fù)合響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化了超聲波輔助混合酶法提取米糠水溶性膳食纖維的提取工藝，并且比較了纖維素酶和木聚糖酶的酶解效果。研究表明，后者的酶解能力更強(qiáng)，RSDF得率較高。因此，確定最佳工藝條件為：添加6%的木瓜蛋白酶，60℃水解1 h并滅酶后，再添加1.5%木聚糖酶、料液比1∶25 g/ml55℃水浴超聲(600 W)5 min。

本研究制備RSDF的工藝比酸堿法的提取工藝更加綠色，條件也溫和；與直接酶解法或超聲法相比，更加快速、高效，RSDF的得率也較高，并且所得的RSDF呈淡黃色，無(wú)異味，有望將其作為功能性食品配料用于食品生產(chǎn),有助于米糠資源的開發(fā)，有利于提升米糠的附加值。

[1] MACAGNAN F T, SILVA L P, HECKTHEUER L H. Dietary fibre: the scientific search for an ideal definition and methodology of analysis, and its physiological importance as a carrier of bioactive compounds[J].Food Res Inter, 2016,85:144-154.

[2] KING D E. Dietary fiber, inflammation, and cardiovascular disease[J]. Mol Nutr Food Res, 2005,49(6):594-600.

[3] ANDERSON J W, BAIRD P,DAVIS R H, et al. Health benefits of dietary fiber[J]. Nutr Rev, 2009,67(4): 188-205.

[4] 周顯青,楊繼紅,張玉榮. 國(guó)內(nèi)外米糠資源利用現(xiàn)狀與發(fā)展[J].糧食加工, 2014,39(5):24-29.

[5] 張 汪,時(shí) 超,褚瑩瑩,等.米糠膳食纖維提取工藝的研究進(jìn)展[J].食品工程,2016(4):1-3.

[6] 苗 欣,張 暉,李 倫,等.響應(yīng)面法優(yōu)化脫脂米糠膳食纖維提取工藝的研究[J]. 中國(guó)油脂, 2009,34(6):64-67.

[7] 文 偉,劉 磊,張名位,等.脫脂米糠復(fù)合酶解工藝條件優(yōu)化及其營(yíng)養(yǎng)特性評(píng)價(jià)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,48(8):1 597-1 608.

[8] 朱鳳霞,梁 盈,林親錄,等.響應(yīng)面法優(yōu)化超聲輔助酶法提取米糠水溶性膳食纖維[J]. 食品工業(yè)科技,2015,14:194-198.

[9] 許 暉,孫蘭萍.從米糠中制備水溶性膳食纖維的比較研究[J].糧食與飼料工業(yè),2007(5):13-15.

(責(zé)任編輯：趙琳琳)

Optimization of soluble dietary fiber of rice bran extraction process by response surface methodology

XU Cai-hong, LI Sha-yijing, LI Gui-jie,GONG Xun

(College of Grain Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

The aim was to optimize the extraction process of rice bran soluble dietary fiber (RSDF) by ultrasonic assisted mixed enzyme methods. These factors which influence the extraction efficiency were discussed: the added amount of enzyme, solid to liquid ratio, ultrasonic time and power, water bath temperature and extraction time. The single factor and CCD of response surface analysis showed that the optimum extraction conditions were: papain amount 6%, hydrolysis of 1 h at 60℃ for enzyme inactivation,then adding xylanase dosage 1.5%, solid to liquid ratio of 1∶25 g/ml,ultrasonic time (600 W) of 5 min at 55℃.Under this conditions, the yield of RSDF was up to 25.10%.

response surface methodology；rice bran；soluble dietary fiber；cellulase；xylanase；extraction process

2016-12-03；

2017-04-21

遼寧省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2015211003)；沈陽(yáng)師范大學(xué)科學(xué)技術(shù)校內(nèi)項(xiàng)目(XNL2016016)；沈陽(yáng)師范大學(xué)博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(BS201406)。

徐彩紅(1979-)，女，博士，講師，主要從事食品化學(xué)研究。

李桂杰(1959-)，女，教授，主要從事糧食與飼料工程研究。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.05.010

TS210.9;TS201.2+5

A

1003-6202(2017)05-0037-05