酶-化學(xué)法優(yōu)化麥麩可溶性膳食纖維提取工藝

陶志杰 王改玲 王家良 陳杰

摘要：建立了麥麩中提取可溶性膳食纖維的方法，為高效利用小麥加工副產(chǎn)物提供參考.以麥麩為試驗(yàn)材料，考察堿用量、堿解時(shí)間、酶用量、酶解時(shí)間對(duì)麥麩可溶性膳食纖維提取率的影響.在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上通過(guò)正交L9（34）優(yōu)化提取條件.麥麩通過(guò)酶-化學(xué)法提取后，其最優(yōu)提取條件為堿用量12%，堿解時(shí)間45min，酶用量0.2%，酶解時(shí)間4.5h，可溶性膳食纖維提取率平均值為16.53%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差RSD=1.86%.建立了麥麩可溶性膳食纖維的酶-化學(xué)法提取最佳工藝.

關(guān)鍵詞：麥麩;可溶性膳食纖維;酶-化學(xué)法;提取工藝

中圖分類號(hào)：Q813.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）01-0043-04

小麥?zhǔn)鞘澜缟戏N植和消費(fèi)需求最廣的糧食作物之一，被稱為世界糧食.小麥麩皮是小麥加工過(guò)程中的主要副產(chǎn)物，占小麥重量的15%左右.據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)2016年小麥總產(chǎn)量12886萬(wàn)t[1]，我國(guó)每年可開(kāi)發(fā)利用的麥麩可達(dá)2000萬(wàn)t，是我國(guó)大宗農(nóng)副產(chǎn)品資源之一[2].這些麩皮大多數(shù)被廢棄，部分用于飼料加工和釀造業(yè)，而深加工和再利用則較少.麥麩中富含被譽(yù)為“第七大營(yíng)養(yǎng)素”的膳食纖維.膳食纖維是一種不能被人體消化的碳水化合物，以熱水中的溶解性可分為兩個(gè)基本類型：非水溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber，IDF）與水溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）[3].膳食纖維尤其是可溶性膳食纖維具有吸水膨脹性和黏滯性[4]，可促進(jìn)腸道蠕動(dòng)、預(yù)防腸道疾病[5]、預(yù)防心血管疾病和癌癥[6]、調(diào)節(jié)血糖[7]、減肥[8]等功能，被認(rèn)為是保證人體健康的必需營(yíng)養(yǎng)成分.據(jù)相關(guān)研究表明：麥麩中膳食纖維含量約為35～50%，水溶性膳食纖維即SDF含量?jī)H為2%[9].而膳食纖維具有溶解性后，不僅口感好，性質(zhì)更穩(wěn)定，在面制食品[10-11]、乳制品[12]、肉制品[13]和飲料[14]等食品生產(chǎn)中應(yīng)用更加廣泛.如何提高麥麩中SDF提取及應(yīng)用是當(dāng)前研究的重點(diǎn).目前的提取方法主要有化學(xué)法、物理法、酶法和酶-化學(xué)法[15].酶-化學(xué)法提取膳食纖維是將酶解和化學(xué)處理組合在一起的方法，進(jìn)行酸堿處理和酶解，這樣得到的產(chǎn)品純度高、品質(zhì)好[16].本實(shí)驗(yàn)以麥麩為實(shí)驗(yàn)材料，采用酶-化學(xué)法聯(lián)合提取SDF，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交優(yōu)化試驗(yàn)對(duì)堿用量、堿解時(shí)間、酶用量、酶解時(shí)間等因素進(jìn)行研究，并分析各因素的變化規(guī)律.以期獲得酶-化學(xué)法提取麥麩SDF的優(yōu)化工藝.

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

原料：安徽雁湖面粉有限公司.

試劑：鹽酸：分析純，上海振企化學(xué)試劑有限公司;氫氧化鈉：分析純，天津市展云化工有限公司;無(wú)水乙醇：分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司;α﹣淀粉酶（≥2000 U/g），上海凱爾生物科技有限公司;糖化酶（5000 U/g），張家港金源生物化工有限公司;纖維素酶（10000 U/g），上海原生態(tài)生物科技有限公司.

1.2 主要儀器與設(shè)備

電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司;BS224S型電子分析天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;高速中藥粉碎機(jī)，永康市久品工貿(mào)有限公司;數(shù)顯恒溫水浴鍋，江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司;高速冷凍離心機(jī)，上海菁華科技儀器有限公司.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

麩皮預(yù)處理（60℃烘干，40目）→淀粉酶酶解→滅酶（100℃，10min）→堿解→調(diào)pH值（4）→纖維素酶酶解→滅酶→離心過(guò)濾（6000r/min，10 min，取上清）→調(diào)pH值（7）→醇沉（95%乙醇4倍體積，過(guò)夜）→干燥→SDF

1.3.2 試驗(yàn)操作方法及提取率計(jì)算

稱取5.0g經(jīng)預(yù)處理的麥麩于250mL的燒杯中，按料液比1：10[17]加入65～70℃的蒸餾水，加入0.3%淀粉酶制劑（α-淀粉酶與糖化酶的比例1∶3），在65℃的恒溫水浴鍋中酶解40min，滅酶后添加適量NaOH在55℃水浴鍋中堿解，之后加適量纖維素酶，酶解溫度60℃，酶解一段時(shí)間后按照工藝流程進(jìn)行處理得到SDF[18-19].稱重計(jì)算SDF提取率[20].

1.3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.3.1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按1.3.2試驗(yàn)操作，分別在不同的堿用量、堿解時(shí)間、酶用量和酶解時(shí)間下，考察各單因素對(duì)麥麩SDF提取率的影響，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下.

1.3.3.1.1 堿用量對(duì)麥麩SDF提取率的影響

分別以4、6、8、10、12%的堿含量添加NaOH，65℃水浴鍋中堿解45min，之后按0.7%加酶量加入纖維素酶，酶解溫度60℃，反應(yīng)時(shí)間4h后按照工藝流程進(jìn)行處理得到可溶性膳食纖維.考察堿用量對(duì)麥麩SDF提取率的影響.

1.3.3.1.2 堿解時(shí)間對(duì)麥麩SDF提取率的影響

4%的NaOH堿含量，65℃水浴鍋中分別堿解5、15、25、35、45、55、65、75min，之后加纖維素酶，酶解溫度60℃，加酶量0.7%，反應(yīng)時(shí)間4h后按照工藝流程進(jìn)行處理，得到可溶性膳食纖維.考察堿解時(shí)間對(duì)麥麩SDF提取率的影響.

1.3.3.1.3 酶用量對(duì)麥麩SDF提取率的影響

4%的NaOH堿含量，65℃水浴鍋中堿解45 min，之后分別以0.0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.1%的加酶量加入纖維素酶，酶解溫度60℃，反應(yīng)時(shí)間 4h后按照工藝流程進(jìn)行處理得到可溶性膳食纖維.考察酶用量對(duì)麥麩SDF提取率的影響.

1.3.3.1.4 酶解時(shí)間對(duì)麥麩SDF提取率的影響

4%的NaOH堿含量，65℃水浴鍋中堿解45min，之后以0.7%的加酶量加入纖維素酶，酶解溫度60℃，反應(yīng)時(shí)間分別在0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5h后按照工藝流程進(jìn)行處理得到可溶性膳食纖維.考察酶解時(shí)間對(duì)麥麩SDF提取率的影響.

1.3.3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在以上單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，進(jìn)行4因素3水平正交試驗(yàn)，采用L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化提取，因素水平見(jiàn)表1.

取3份5.0g經(jīng)預(yù)處理的麥麩于250mL的燒杯中，以正交試驗(yàn)優(yōu)化的最佳提取條件提取麥麩SDF，計(jì)算SDF平均提取率.考察實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性.

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 堿用量對(duì)麥麩SDF提取率的影響

在1.3.3.1.1條件下，堿用量對(duì)麥麩SDF提取率的影響如圖1所示.

由圖1可知，在堿用量10%以下時(shí)，麥麩SDF提取率隨著堿用量的增加而變大，當(dāng)堿用量達(dá)到10%時(shí)達(dá)到最大提取率15.96%.當(dāng)堿用量超過(guò)10%時(shí)，麥麩SDF提取率開(kāi)始下降.這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)堿解，纖維素和半纖維素將發(fā)生輕度的水解反應(yīng)，不溶性膳食纖維降解為可溶性葡聚糖，可溶性膳食纖維含量增加.當(dāng)堿濃度增大后，葡聚糖等聚合物再度水解成更小分子物質(zhì)，導(dǎo)致可溶性膳食纖維含量降低.因此堿解濃度應(yīng)選擇10%為宜.

2.1.2 堿解時(shí)間對(duì)SDF提取率的影響

在1.3.3.1.2條件下，堿解時(shí)間對(duì)麥麩SDF提取率的影響如圖2所示.

由圖2可知，堿解開(kāi)始時(shí)麥麩SDF提取率在逐漸增大，當(dāng)堿解35min時(shí)，所測(cè)得SDF提取率最大.在堿解35～55min之間，SDF提取率略有下降，但都超過(guò)11%.再隨時(shí)間延長(zhǎng)，SDF提取率急劇下降.堿解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致可溶性膳食纖維降解.因此堿解最佳時(shí)間為35min.

2.1.3 酶用量對(duì)SDF提取率的影響

在1.3.3.1.3條件下，酶用量對(duì)麥麩SDF提取率的影響如圖3所示.

由圖3可知，不添加纖維素酶，堿水解后麥麩中SDF提取率不足10%，當(dāng)纖維素酶用量為0.1%時(shí)，麥麩中SDF的提取率最大，達(dá)到15.49%.而后隨著纖維素酶添加量的增大，麥麩SDF提取率不但沒(méi)有增加反而降低.此現(xiàn)象同姜北國(guó)[17]等人研究相同，原因可能是不溶性膳食纖維過(guò)度水解所致.綜上所述，得出最佳纖維素酶用量為0.1%.

2.1.4 酶解時(shí)間對(duì)SDF提取率的影響

在1.3.3.1.4條件下，酶解時(shí)間對(duì)麥麩SDF提取率的影響如圖4所示.

由圖4可知，酶解開(kāi)始，隨時(shí)間延長(zhǎng)麥麩SDF提取率逐漸增加.酶解至1.5～3.5h范圍時(shí)，SDF提取率較好，3.5h時(shí)達(dá)到最大提取率.由于酶水解時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致SDF的降解.綜上所述，得出最佳纖維素酶解時(shí)間為3.5h.

2.2 正交優(yōu)化結(jié)果與分析

2.2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果與方差分析

利用正交設(shè)計(jì)助手IIV3.1軟件，對(duì)不同的酶用量、堿用量、酶解時(shí)間、堿解時(shí)間四個(gè)影響因子通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以得到正交試驗(yàn)結(jié)果分析，見(jiàn)表2.

由表2可知，在麥麩SDF提取的研究試驗(yàn)過(guò)程中，不同的酶用量，堿用量，酶解時(shí)間，堿解時(shí)間因素對(duì)提取率的影響大?。篈﹥B﹥C﹥D，即最大的因素是酶用量，堿用量次之，酶解時(shí)間的影響相對(duì)于酶用量和堿用量較小，堿解時(shí)間最小.提取麥麩SDF最優(yōu)組合條件是A3B3C3D3：酶用量0.2%，堿用量12%，酶解時(shí)間4.5h，堿解時(shí)間45min.

由表3可知，在此范圍內(nèi)酶用量和堿用量對(duì)麥麩SDF的提取表現(xiàn)出較強(qiáng)的顯著性，證明了酶用量和堿用量對(duì)麥麩SDF提取有較大的影響，酶解時(shí)間和堿解時(shí)間對(duì)麥麩SDF提取率的影響不顯著.

2.2.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

在正交試驗(yàn)的優(yōu)化條件下，提取3組可溶性膳食纖維求麥麩SDF提取率，取平均值，結(jié)果見(jiàn)表4.

由表4可以看到，在最優(yōu)的提取參數(shù)時(shí)，麥麩SDF提取率平均值為16.53%，麥麩SDF提取率高于其他的提取條件.相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差RSD=1.86%.說(shuō)明該提取條件有較好的重復(fù)性.

3 結(jié)論

（1）僅堿法提取小麥麩皮SDF時(shí)的提取率為7.65%，而結(jié)合酶法再次處理后麥麩SDF提取率明顯增高，最大提高了53.7%.

（2）酶-化學(xué)法提取小麥麩皮SDF最佳實(shí)驗(yàn)條件為堿用量12%，堿解時(shí)間45min，酶用量0.2%，酶解時(shí)間4.5h，麩皮SDF提取率平均值為16.53%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差RSD=1.86%.通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，證明了酶法輔助提取小麥麩皮SDF的高效性.

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