α-淀粉酶和γ-淀粉酶水解麥麩淀粉工藝優(yōu)化

李湘江， 楊 丹， 邢家溧， 沈 堅(jiān)， 鄭睿行， 張書芬， 傅 曉， 羅小虎

(1.寧波市食品檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，浙江 寧波 315048； 2.江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122)

近年來，人們的生活水平不斷提高，膳食結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大改變，高脂高糖食品攝入過量，膳食纖維(Dietary fiber，DF)攝入不足，導(dǎo)致與飲食相關(guān)的疾病，例如糖尿病、高血脂、肥胖癥等的發(fā)病率逐年提高[1]。膳食纖維逐漸受到廣泛重視，世界范圍內(nèi)展開了研究膳食纖維保健食品的熱潮[2]。經(jīng)過多年的研究發(fā)展，膳食纖維保健食品已成為保健食品中重要一類。膳食纖維因其獨(dú)特的生理功能，被稱為繼蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪、維生素、礦物質(zhì)、水之后的人類“第七大營(yíng)養(yǎng)素”[3]。專家們認(rèn)為，隨著人民健康意識(shí)的逐步提高，纖維類食品將逐漸增加，成為主導(dǎo)食品之一[4]。

中國(guó)小麥產(chǎn)量位居世界首位，而麥麩是小麥加工業(yè)中最主要的副產(chǎn)品，年產(chǎn)量約有 2×107t[5]。麥麩富含多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，除可用作飼料原料、釀酒以外，還是加工膳食纖維的理想原料。麥麩中膳食纖維含量接近50%，麥麩膳食纖維具有安全、健康、低成本的優(yōu)點(diǎn)，其特有的生理保健功能受到人們的重視[6]。但是目前中國(guó)麥麩卻多用作牲畜飼料或者直接丟棄，其價(jià)值沒有得到充分利用[7]。因此，研究麥麩膳食纖維預(yù)處理技術(shù)，對(duì)提高麥麩的利用率，增加其經(jīng)濟(jì)價(jià)值，促進(jìn)小麥深加工，增加農(nóng)民收入等具有積極意義。

與傳統(tǒng)化學(xué)法相比，酶解法制備膳食纖維的條件更加溫和，對(duì)環(huán)境的污染更小，發(fā)展前景更好。酶解法基本原理是用蛋白酶與淀粉酶將麥麩中的蛋白質(zhì)和淀粉聯(lián)合水解從而制得膳食纖維[8]。由于麥麩中淀粉含量很高，淀粉水解是制備麥麩膳食纖維的重要一步[9]。王長(zhǎng)虹等[10]通過單獨(dú)使用糖化酶水解麥麩淀粉，利用響應(yīng)面優(yōu)化，去除了麥麩中84.14%的淀粉。朱蕓等[11]采用α-淀粉酶對(duì)麥麩淀粉進(jìn)行水解，以還原糖含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定了淀粉水解的最優(yōu)工藝。與傳統(tǒng)分步單酶去除麥麩淀粉的工藝不同，本研究采用α-淀粉酶與γ-淀粉酶復(fù)合酶一步酶解法去除麥麩中的淀粉，并對(duì)酶解工藝進(jìn)行優(yōu)化，為酶法水解淀粉提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

麥麩由中糧集團(tuán)提供，α-淀粉酶、γ-淀粉酶為無錫賽德生物有限公司產(chǎn)品，氫氧化鈉、次氯酸鈉、雙氧水、活性炭購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要設(shè)備

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DHG-9075A型，上海一恒科技有限公司產(chǎn)品；分析天平，AL204型，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司產(chǎn)品；高速萬能粉碎機(jī)，天津市泰斯特儀器有限公司產(chǎn)品；離心機(jī)，LXJ-IIB型，上海安亭科學(xué)儀器廠產(chǎn)品。

1.3 麥麩基本成分測(cè)定

淀粉含量測(cè)定方法參照GB/T 5009.9-2016，蛋白質(zhì)含量測(cè)定方法參照GB/T5009.5-2016，水分含量測(cè)定方法參照GB/T 5009.3-2016，灰分含量測(cè)定方法參照GB/T 5009.4-2016，膳食纖維含量測(cè)定方法參照GB/T 5009.88-2014，脂肪含量測(cè)定方法參照GB/T 5009.6-2016。

1.4 水解麥麩中淀粉的工藝流程

工藝流程：麥麩→干燥→粉碎→泡洗→加熱攪拌→冷卻1 h→調(diào)溶液pH→過濾→離心→淀粉酶水解→過濾→煮沸滅酶→漂洗離心烘干→測(cè)定淀粉殘留率。操作要點(diǎn)：(1)干燥，70 ℃鼓風(fēng)干燥3 h后除雜；(2)粉碎，萬能粉碎機(jī)粉碎5 min，并過80目篩；(3)加熱攪拌，100 ℃，12 min；(4)淀粉酶水解，加入適量α-淀粉酶，并在特定溫度下水解一段時(shí)間；(5)離心烘干，離心后，70 ℃鼓風(fēng)干燥8 h。

1.5 單因素及優(yōu)化工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在其他參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，選擇不同水平的料液比、α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例、用量、酶解的溫度、時(shí)間、pH值等因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選用α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例(A)、復(fù)合酶添加量(B)、酶解溫度(C)、酶解時(shí)間(D)、pH值(E)共5個(gè)因素，利用正交試驗(yàn)L16(45)(表1)，以酶解后麥麩中淀粉的殘留率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用極差分析方法，篩選復(fù)合酶法去除麥麩中淀粉的最佳條件。

表1正交試驗(yàn)因素和水平表

Table1Factorsandlevelstableoforthogonaltest

水平α?淀粉酶與γ?淀粉酶比例(A)復(fù)合酶添加量(B)(%)酶解溫度(C)(℃)酶解時(shí)間(D)(min)pH值(E)18：20．340805．027：30．545905．536：40．7501006．045：50．9551106．5

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥麩皮中總膳食纖維含量

小麥麩皮成分測(cè)定結(jié)果顯示，麥麩中總膳食纖維(Total dietary fiber，TDF)含量達(dá)到41.56%，這與張國(guó)真等[12]和陳建寶[13]的測(cè)定結(jié)果一致。不溶性膳食纖維含量(Insoluble dietary fiber，IDF)為37.25%，占總膳食纖維的89.26%，可溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber，SDF)含量為4.31%，僅占總膳食纖維的10.37%。其余成分含量分別為淀粉30.77%、蛋白質(zhì)14.82%、粗脂肪3.86%、灰分7.69%、水分9.65%。淀粉是提取麥麩中膳食纖維的主要影響因素，去除麥麩中淀粉是制備膳食纖維工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.2 麥麩淀粉酶解過程中單因素對(duì)淀粉殘留率的影響

2.2.1 料液比對(duì)麥麩中淀粉殘留率的影響 參考曹新志等[14-15]、馮志強(qiáng)等[16]的研究結(jié)果，確定α-淀粉酶與γ-淀粉酶比例為 7∶3，復(fù)合酶添加量為0.5%(相對(duì)于麥麩總量而言)，酶解時(shí)間設(shè)為90 min，溫度為45 ℃，pH為5.0。在此條件下研究料液比與淀粉殘留率的關(guān)系，淀粉殘留率計(jì)算方法為淀粉殘留率=干麥麩淀粉質(zhì)量/干麥麩質(zhì)量×100%[17]。由圖1可知，料液比從 1∶8 增加到 1∶12的過程中，淀粉殘留率顯著降低；料液比從 1∶12到 1∶16，淀粉殘留率有下降趨勢(shì)，但是不顯著，可能是由于料液比過大時(shí)復(fù)合酶被稀釋，淀粉的水解效果下降。在膳食纖維的實(shí)際生產(chǎn)工藝中，料液比過低可能會(huì)影響膳食纖維的提取效率，比例過高提取效率增加有限，因此綜合考慮，選擇料液比 1∶12作為優(yōu)化參數(shù)。

1′、2′、3′、4′、5′、6′、7′、8′、9′、10′分別表示α-淀粉酶與γ-淀粉酶比例為10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8、1∶9。圖1 麥麩淀粉酶解過程中單因素對(duì)淀粉殘留率的影響Fig.1 Effects of single factors on residual rate of starch in enzymolysis process of wheat bran starch

2.2.2 復(fù)合酶比例對(duì)麥麩中淀粉殘留率的影響 確定料液比為1∶12，復(fù)合酶添加量為0.5%，酶解時(shí)間設(shè)為90 min，溫度為45 ℃，pH為5.0。在此條件下研究α-淀粉酶和γ-淀粉酶比例與淀粉殘留率的關(guān)系。由圖1可以看出，α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例從10∶0減少到1∶9的過程中，淀粉殘留率呈現(xiàn)先下降而后又上升的趨勢(shì)。當(dāng)兩種酶的比例為 7∶3時(shí)，淀粉殘留率最低，僅為0.65%；當(dāng)α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例為 10∶0，即僅有α-淀粉酶時(shí)，麥麩中淀粉殘留率為0.9%；當(dāng)α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例為1∶9時(shí)，淀粉殘留率為1.48%。前人研究結(jié)果表明，α-淀粉酶作用于淀粉，γ-淀粉酶作用于α-淀粉酶酶解后的產(chǎn)物，當(dāng)α-淀粉酶與γ-淀粉酶比例合適時(shí)，水解速度會(huì)加快，并且水解更為完全[18]。

2.2.3 復(fù)合酶添加量對(duì)麥麩中淀粉殘留率的影響 確定料液比為1∶12，α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例為 7∶3，酶解時(shí)間設(shè)為90 min，溫度為45 ℃，pH為5.0。在此條件下研究復(fù)合酶添加量與麥麩中淀粉殘留率的關(guān)系。由圖1可知，復(fù)合酶用量在0.1%至0.7%之間，淀粉殘留率逐漸下降，復(fù)合酶用量0.7%時(shí)淀粉殘留率最低，然后隨著復(fù)合酶用量的增加，淀粉殘留率反而迅速增加。這可能是因?yàn)楫?dāng)α-淀粉酶和γ-淀粉酶的添加量過高時(shí)增加了溶液黏性，使淀粉酶的活性受到了抑制，水解不夠徹底，淀粉殘留率增加。

2.2.4 酶解溫度對(duì)麥麩中淀粉殘留率的影響 確定料液比為1∶12，α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例為7∶3，復(fù)合酶添加量為0.5%，酶解時(shí)間設(shè)為90 min，pH為5.0。在此條件下研究酶解溫度與淀粉殘留率的關(guān)系。由圖1可以看出，淀粉殘留率隨著酶解溫度的上升先減小后又逐漸增加。當(dāng)溫度分別從35 ℃上升到45 ℃時(shí)，殘留率從1.30%下降到0.62%；當(dāng)酶解溫度升高到55 ℃時(shí)，淀粉殘留率升高到1.00%。溫度影響酶的活性，只有當(dāng)溫度處于該酶的最佳溫度下時(shí)，才能最大程度發(fā)揮其活性。α-淀粉酶和γ-淀粉酶分別有其最適的溫度，而當(dāng)兩者共同作用時(shí)，即淀粉酶的酶解效果最好。本試驗(yàn)中，最佳溫度為45 ℃，此時(shí)淀粉殘留率最低。

2.2.5 酶解時(shí)間對(duì)麥麩中淀粉殘留率的影響 確定料液比為1∶12，α-淀粉酶和γ-淀粉酶的比例為7∶3，復(fù)合酶添加量為0.5%，酶解溫度45 ℃，pH為5.0。在此條件下研究酶解時(shí)間與淀粉殘留率的關(guān)系。由圖1可以看出，隨著酶解時(shí)間從60 min增加到100 min，麥麩中淀粉殘留率逐漸下降，從1.22%降低到0.60%。當(dāng)酶解時(shí)間從100 min增加到120 min時(shí)，麥麩中淀粉殘留率又開始上升，從0.60%上升到1.12%。酶解時(shí)間為100 min時(shí)淀粉殘留率最低，為0.60%。當(dāng)酶解時(shí)間大于100 min后，淀粉殘留率反而上升，可能是由于酶解時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致溶液的黏度增加，聚集成團(tuán)，抑制了復(fù)合酶的活性。

2.2.6 pH值對(duì)麥麩中淀粉殘留率的影響 確定料液比為1∶12，α-淀粉酶和γ-淀粉酶的比例為7∶3，復(fù)合酶添加量為0.5%，酶解溫度為45 ℃，時(shí)間為90 min。在此條件下研究pH值與淀粉殘留率的關(guān)系。由圖1可知，隨著pH值從4.5升高到6.5，淀粉殘留率先逐漸減小而后又逐漸增加。pH 5.0時(shí)殘留率為0.62%，當(dāng)pH為5.5時(shí)殘留率為0.60%，相差不大，此時(shí)麥麩中淀粉殘留率均為最低。pH值影響酶活性，過酸或過堿都能使酶的分子結(jié)構(gòu)遭到破壞而失去活性。α-淀粉酶與γ-淀粉酶有各自最適宜的pH[19]，但當(dāng)它們共同作用時(shí)，最適pH在5.0到5.5之間。

2.3 麥麩中淀粉酶解工藝的最佳條件

固定料液比為1∶12，選用α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例(A)、復(fù)合酶添加量(B)、酶解溫度(C)、酶解時(shí)間(D)、pH值(E)共5個(gè)因素，進(jìn)行正交試驗(yàn)，采用L16(45)的方式，以酶解后麥麩中淀粉殘留率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析復(fù)合酶去除麥麩中淀粉的最佳工藝條件。正交試驗(yàn)結(jié)果(表2)顯示，α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例、復(fù)合酶添加量、酶解時(shí)間、酶解溫度以及pH值對(duì)淀粉殘留率均有不同程度的影響。分析極差值可以發(fā)現(xiàn)，上述因素對(duì)淀粉殘留率的影響由大到小排序?yàn)椋簭?fù)合酶比例>溫度>復(fù)合酶添加量>時(shí)間>pH值，最佳條件為A3B3C1D2E4。即為復(fù)合酶比例6∶4、復(fù)合酶添加量0.7%、酶解溫度40 ℃、酶解時(shí)間90 min、pH 6.5，此時(shí)酶解后的麥麩中淀粉殘留率僅為0.62%。

表2α-淀粉酶和γ-淀粉酶水解淀粉正交試驗(yàn)結(jié)果

Table2Orthogonaltestresultsofhydrolyzedstarchwithα-amylaseandγ-amylasecomplex

序號(hào)因素水平ABCDE淀粉殘留率(%)1111111．482122221．623133331．084144441．025212341．526221431．217234120．818243210．909313421．0110324310．7311331240．6212342130．9213414231．0214423141．5215432411．3216441321．09K15．225．034．404．734．43K24．445．085．384．164．53K33．283．834．514．424．23K44．953．933．584．564．68極差1．941．251．800．570．45

各因素水平見表1。

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)以麥麩作為原料，研究了麥麩膳食纖維制備過程中淀粉水解工藝。試驗(yàn)中以料液比、α-淀粉酶與γ-淀粉酶比例、復(fù)合酶添加量、酶解溫度、酶解時(shí)間、pH值為單因素，淀粉殘留率為評(píng)定指標(biāo)，分析了各單因素對(duì)淀粉殘留率的影響。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，料液比、α-淀粉酶與γ-淀粉酶比例、復(fù)合酶添加量、酶解溫度、酶解時(shí)間、pH值均對(duì)淀粉殘留率有影響。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，固定料液比為1∶12，再采用L16(45)進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果顯示，當(dāng)α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例為6∶4、復(fù)合酶添加量為0.7%、酶解溫度為40 ℃、酶解時(shí)間為90 min、pH值為6.5時(shí)，所得麥麩中淀粉殘留率最低，僅0.62%。酶解法提取膳食纖維具有提取條件較為溫和，耗能較少，操作過程較為簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，有利于降低環(huán)境污染，復(fù)合酶法比單純酶法提取效果更好，特別適合于淀粉含量高的原料。

參考文獻(xiàn)：

[1] DOROTHY A K, ROY J M, SEAN H A, et al. Impact of dietary fibers on nutrient management and detoxification organs: Gut, liver, and kidneys[J]. Advances in Nutrition, 2016, 7:1111-1121.

[2] KNUD ERIK B K, NATALJA P N, ANNE KATRINE B, et al. Dietary fibers and associated phytochemicals in cereals[J]. Molecular Nutrition and Food Research, 2016,61(7):1-15.

[3] 趙二勞,王 璐. 膳食纖維的保健功能及其制備研究進(jìn)展[J].食品與機(jī)械, 2011, 27(3):165-168.

[4] CLARE S, MASH H, KATHERINE F, et al. A review of dietary influences on cardiovascular health: part 1: the role of dietary nutrients[J]. Cardiovascular and Hematological Disorders Drug Targets, 2013, 13(3):208-230.

[5] 黃紀(jì)念,王長(zhǎng)虹,孫 強(qiáng),等. 麥麩膳食纖維研究概況[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工, 2010(3) :20-23.

[6] BERRIN O, SECIL T , HAZIM O, et al. Dephytinization of wheat and rice brans by hydrothermal autoclaving process and the evaluation of consequences for dietary fiber content, antioxidant activity and phenolics[J]. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2017, 39:209-215.

[7] 李應(yīng)彪,陸 強(qiáng). 麥麩膳食纖維的提取技術(shù)研究[J]. 糧油加工與食品機(jī)械, 2005 (11):73-75.

[8] 楊夢(mèng)曦,朱 葉,鄧雪盈,等. 復(fù)合酶法提取豆渣膳食纖維的研究[J]. 食品與機(jī)械, 2014, 30(4): 186-189.

[9] 邵佩蘭,李雯霞,徐 明,等. 不同提取方法對(duì)麥麩膳食纖維特性的影響[J]. 食品科技, 2003 (11):98-100.

[10] 王長(zhǎng)虹,黃紀(jì)念,高向陽,等. 響應(yīng)面法優(yōu)化糖化酶水解麥麩淀粉工藝研究[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010(6): 1317-1322.

[11] 朱 蕓,信汝林,侯偉偉,等. 淀粉酶水解麥麩中淀粉工藝的研究[J]. 中國(guó)食物與營(yíng)養(yǎng), 2014, 20(4): 59-62.

[12] 張國(guó)真,何建軍,姚曉玲,等. 超微粉碎麥麩及其不同組分基本成分和物化特性分析[J]. 食品科技, 2014, 39(7):147-152.

[13] 陳建寶. 麥麩的擠壓膨化加工及其對(duì)麥麩主要成分的影響研究[D]. 杭州:浙江工業(yè)大學(xué), 2008.

[14] 曹新志,李慎新,陳永京,等. 酶法提取小麥麩皮膳食纖維工藝研究[J]. 糧食與油脂, 2009(9):13-15.

[15] 曹新志,劉 芳,熊 俐,等. 雙酶法提取麩皮膳食纖維的研究[J]. 中國(guó)食品學(xué)報(bào), 2010,10(2):138-141.

[16] 馮志強(qiáng),李夢(mèng)琴,劉燕燕,等. 生物酶法提取麥麩膳食纖維的研究[J]. 現(xiàn)代食品科技, 2006, 22(1):8-10.

[17] 張國(guó)真. 麥麩膳食纖維、低聚木糖制備及物化特性研究[D]. 武漢:湖北工業(yè)大學(xué), 2015.

[18] 李玉芹,袁正求,馮 岳,等. α-淀粉酶和糖化酶協(xié)同酶解馬鈴薯淀粉的工藝條件優(yōu)化[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 39(7):147-152.

[19] 黃 群,肖文軍,孫術(shù)國(guó),等. α-淀粉酶和糖化酶協(xié)同酶解葛根淀粉動(dòng)力學(xué)研究[J]. 食品科學(xué), 2012, 33(21):187-191.