小麥麩皮脫脂及酶解工藝條件的研究

陳梅斯，練習(xí)中，林麗芳

（1.江門市食品檢驗(yàn)所，廣東 江門529000；2.江門市程錦企業(yè)管理有限公司，廣東 江門529000）

0 引言

小麥麩皮是小麥面粉加工的主要農(nóng)副產(chǎn)品，一般都是作為飼料原料使用，為企業(yè)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益不高。小麥麩皮中含有大量的纖維素，作為膳食界的新寵，從中提取出的纖維素及膳食纖維素可為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。目前，生產(chǎn)纖維素的工藝有化學(xué)法、雙酶法、化學(xué)-酶法、發(fā)酵法、膜分離法[1]等。由于小麥麩皮中還含有脂肪、蛋白質(zhì)、淀粉、砂類雜質(zhì)[2]等成分，對(duì)提取工藝及產(chǎn)品的純度有重大的影響，所以必須在提取前去除。研究不同溶劑對(duì)小麥麩皮脫脂效果的影響，同時(shí)摸索最佳的蛋白酶和淀粉酶的使用條件，在綜合考慮生產(chǎn)成本、安全性及時(shí)間成本、投入產(chǎn)出比后，得出一個(gè)最佳的實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)室里摸索出來的工藝條件要放在企業(yè)生產(chǎn)中使用時(shí)，還必須考慮其生產(chǎn)成本及由此帶來溶劑殘留的問題，避免造成產(chǎn)品中雜質(zhì)的增加。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器設(shè)備與試劑

小麥麩皮，廣東新糧面粉廠提供；乙醇、正己烷、乙酸乙酯、鹽酸、氫氧化鈉，均為分析純；酸性蛋白酶、α-淀粉酶，均為食品工業(yè)級(jí)。

SHZ-88AI型往復(fù)水浴恒溫振蕩器、8400型FOSS定氮儀、FOSS Fibertec E膳食纖維測(cè)定儀，AL204-IC型萬分之一電子天平、HG-9245A型電熱鼓風(fēng)干燥箱、高溫電阻爐等。

1.2 試驗(yàn)方法

由于小麥麩皮比重小，至少需要2倍質(zhì)量的溶劑才能浸泡，所以試驗(yàn)直接從2倍溶劑的使用量開始。將小麥麩皮進(jìn)行粉碎，稱取10 g樣品于碘量瓶中，加入配比分別為1∶2，1∶3，1∶4，1∶5，1∶6的乙醇、正己烷和乙酸乙酯。在碘量瓶中加入玻璃珠，模擬生產(chǎn)中的攪拌作用。固定在振蕩水浴鍋上，50℃下水浴振蕩，分別振蕩1，2，3，4 h。將小麥麩皮和有機(jī)溶劑過濾，并用相應(yīng)的溶劑洗滌2～3次，將洗滌后的物料轉(zhuǎn)移到表面皿上，放在通風(fēng)處使溶劑揮發(fā)干凈。

1.2.1 脂肪的測(cè)定

參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測(cè)定》中酸水解法進(jìn)行測(cè)定。稱取1 g小麥麩皮，加入鹽酸，80℃下水浴振蕩。加入乙醇，冷卻至室溫，加入石油醚、乙醚，通過計(jì)算醚層高度和一定體積的醚層烘干物的比例，得出小麥麩皮脂肪含量。

1.2.2 蛋白質(zhì)的測(cè)定

參照GB 5009.5—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》中凱氏定氮法進(jìn)行測(cè)定。稱取1 g樣品于蛋白管中，加入硫酸銅和硫酸鉀混合試劑，加入濃硫酸，輕搖后于420℃下加熱至液體呈藍(lán)綠色并澄清透明后，繼續(xù)加熱一段時(shí)間，取下放置至室溫后，置于凱氏定氮儀上測(cè)定，得出蛋白質(zhì)含量。

1.2.3 淀粉含量的測(cè)定

參照GB 5009.9—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中淀粉的測(cè)定》中酸水解法進(jìn)行測(cè)定。稱取適量樣品于三角瓶中，用乙醚洗去樣品中的脂肪，用80%乙醇洗滌殘?jiān)?，濾干乙醇，把濾紙和濾渣置于碘量瓶中，加入100 mL水和30 mL（1+1）HCl，置于沸水中水浴回流2 h。取下冷卻，加入2滴甲基紅酯示劑，用氫氧化鈉調(diào)pH值至7.0，加入20 mL乙酸鉛溶液（200 g/L），靜置10 min，再加入硫酸鈉溶液（100 g/L）20 mL，轉(zhuǎn)移至500 mL容量瓶，用水定容，過濾。吸取5.00 mL堿性酒石酸銅甲液及5.00 mL堿性酒石酸銅乙液，置于150 mL錐形瓶中，加水10 mL，加入玻璃珠2粒，從滴定管滴加比預(yù)測(cè)體積少1 mL的試樣溶液至錐形瓶中，使之在2 min內(nèi)加熱至沸，保持沸騰狀態(tài)并繼續(xù)以每2 s/滴的速度滴定，直至藍(lán)色剛好褪去為終點(diǎn)，記錄樣液消耗體積。

1.2.4 膳食纖維的測(cè)定

參照GB 5009.88—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中膳食纖維的測(cè)定》的方法進(jìn)行檢測(cè)。稱取適量樣品，脫脂脫糖后，于105℃烘箱中過夜烘干，稱取1 g樣品，4個(gè)平行樣，進(jìn)行淀粉酶解、蛋白酶解和葡萄糖酶解。加入乙醇靜置。對(duì)樣品進(jìn)行抽濾，抽濾后將樣品放置105℃烘箱中過夜。取出冷卻后稱質(zhì)量，并取其中的2份殘?jiān)鼫y(cè)量灰分，2份測(cè)量蛋白質(zhì)。

1.2.5 提取效果的計(jì)算

以試驗(yàn)前后，樣品的質(zhì)量減少量與初始樣品中該成分的含量質(zhì)量比為提取效果的數(shù)據(jù)，均以干基計(jì)算。計(jì)算的原理是基于各種提取方法均具有較專門針對(duì)性，每個(gè)試驗(yàn)基本只對(duì)其中一種物質(zhì)發(fā)生作用，因此可以用稱量法進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥麩皮脂肪、蛋白和淀粉含量

小麥麩皮成分見表1。

表1 小麥麩皮成分/%

通過分析表1數(shù)據(jù)，確立了工藝重點(diǎn)是除掉脂肪、蛋白質(zhì)、淀粉3種主要雜質(zhì)，最大限度地保留纖維素，同時(shí)要提取可溶性的膳食纖維。針對(duì)這3種營養(yǎng)成分的物理和化學(xué)特性及現(xiàn)行的常規(guī)處理手段，結(jié)合工業(yè)上生產(chǎn)的可行性，分別采取溶劑浸提法[3-4]和酶解法來去除。

2.2 脫脂工藝試驗(yàn)

2.2.1 單因素試驗(yàn)

根據(jù)相似相溶的原理，脂肪易溶于有機(jī)溶劑，在不同溶劑中脂肪的提取率有明顯差別。試驗(yàn)以不同的溶劑為提取液，料液比為1∶3，浸泡2 h，50℃下水浴振蕩提取，風(fēng)干后得到的小麥麩皮進(jìn)行脂肪測(cè)定。在溶劑的選擇中，對(duì)脂肪提取最有效的醚類，主要是考慮這類物質(zhì)沸點(diǎn)低、揮發(fā)性大、易燃，在工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)，消防安全隱患大，且難以使用技術(shù)控制，故放棄使用。從安全性、成本和處理殘留等各方面考慮，選擇用正己烷、乙醇、乙酸乙酯3種工業(yè)常用有機(jī)溶劑作為提取液進(jìn)行試驗(yàn)。

（1）不同料液比對(duì)提取率的影響。以不同料液比，浸泡2 h，50℃下水浴振蕩，烘干后得到的小麥麩皮進(jìn)行脂肪測(cè)定。

小麥麩皮在不同溶劑中的提取率見圖1。

圖1 小麥麩皮在不同溶劑中的提取率

由圖1可知，乙醇的提取效果最好。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，料液比為1∶2～1∶3時(shí)的提取率上升比較明顯，但料液比為1∶3～1：6，溶劑量增加的量對(duì)提取率影響不大。這是因?yàn)楫?dāng)溶劑量是物料的3倍時(shí)，已經(jīng)完全浸沒且有足夠的余液可以讓攪拌流暢。結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素，乙醇的獲取方式更加方便、經(jīng)濟(jì)。綜上所述，選擇料液比1∶3進(jìn)行脫脂。

（2）反應(yīng)時(shí)間對(duì)小麥麩皮脫脂的影響。

反應(yīng)時(shí)間對(duì)小麥麩皮脫脂的影響見圖2。

由圖2可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，提取率在同步提升，但是提升的幅度逐漸減小，與投入的時(shí)間成本及生產(chǎn)成本不呈正比，因此結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素，選擇小麥麩皮脫脂反應(yīng)時(shí)間為2 h。

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)小麥麩皮脫脂的影響

2.2.2 正交試驗(yàn)

由于提取率實(shí)際中受到溶劑、料液比和時(shí)間3個(gè)因素交叉影響，而以上試驗(yàn)都是單因素影響，為了全面考查這3個(gè)因素的影響，設(shè)計(jì)四因素三水平正交試驗(yàn)，選擇3種溶劑、料液比、反應(yīng)時(shí)間為考查因素，選用L9（34）正交表對(duì)小麥麩皮脫脂工藝進(jìn)行研究。

脫脂條件水平設(shè)計(jì)見表2，正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表3。

表2 脫脂條件水平設(shè)計(jì)

表3 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

由表3可知，各因素對(duì)小麥麩皮脫脂的影響依次為B＞C＞A，正交試驗(yàn)最優(yōu)水平組為A2B3C3，即溶劑為乙醇，料液比為1∶4，反應(yīng)時(shí)間為3 h，小麥麩皮的脫脂效果最好，此條件下測(cè)得小麥麩皮的脂肪提取率為88.6%。

2.3 蛋白質(zhì)和淀粉的去除

淀粉與蛋白質(zhì)的去除，如果采用化學(xué)方法會(huì)引入更多的化學(xué)物質(zhì)，后期工序難以完全清除該物質(zhì)，使產(chǎn)品殘留更多的化學(xué)成分，影響纖維素的質(zhì)量。目前，食品生產(chǎn)中常用酶解法除去這2種成分[5]。小麥麩皮中含有的淀粉以支鏈淀粉為主，大概比例是直鏈淀粉20%～25%，支鏈淀粉45%～55%[6]。而直鏈淀粉能溶于水，可以用水洗方法洗脫，而支鏈淀粉則無法用水洗方法去除。因此，在工藝上，以除去支鏈淀粉為主要目的。從化學(xué)結(jié)構(gòu)來說，支鏈淀粉中葡萄糖分子之間除以α-1,4-糖苷鍵相連外，還有以α-1,6-糖苷鍵相連的，因此選擇采用α-淀粉酶（糖化酶）進(jìn)行酶解反應(yīng)，其性價(jià)比最高。α-淀粉酶（糖化酶）要求反應(yīng)液pH值約為4.0，考慮到工業(yè)生產(chǎn)中的可操作性，選擇可以同時(shí)使用，且互不干擾的酸性蛋白酶作為去除蛋白質(zhì)的酶制劑，兩者的反應(yīng)溫度范圍基本一致，結(jié)合生產(chǎn)中設(shè)備實(shí)際的升溫能耗等因素，選定60℃作為混合使用的溫度，不再單獨(dú)對(duì)溫度因素進(jìn)行探討[7]。

2.3.1 淀粉酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

根據(jù)α-淀粉酶（糖化酶）的酶解溫度為60℃，調(diào)節(jié)pH值至4.0，設(shè)置質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.6%，0.8%，1.0%，1.2%，1.4%（W/W），根據(jù)說明書要求，酶解時(shí)間為30 min，測(cè)量樣品的淀粉含量。

α-淀粉酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)與酶解程度關(guān)系見圖3。

圖3 α-淀粉酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)與酶解程度關(guān)系

由圖3可知，隨著淀粉酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，小麥麩皮的酶解程度逐漸增高，達(dá)到一定的酶解程度后，酶解程度基本保持不變。淀粉酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%（W/W）時(shí)，小麥麩皮淀粉酶解程度最高。

2.3.2 蛋白酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

蛋白酶的酶解溫度確定為60℃，蛋白酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，1.2%，1.4%，1.6%，1.8%（W/W），根據(jù)說明書推薦，酶解時(shí)間40 min，測(cè)量蛋白質(zhì)的含量。

蛋白酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)與酶解程度關(guān)系見圖4。

圖4 蛋白酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)與酶解程度關(guān)系

由圖4可知，隨著蛋白酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，小麥麩皮的蛋白酶解程度逐漸增加，達(dá)到一定程度后不再增加。

2.3.3 淀粉酶和蛋白酶混合反應(yīng)時(shí)間的影響

由以上淀粉酶和蛋白酶最佳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為酶解質(zhì)量分?jǐn)?shù)，為了縮短生產(chǎn)時(shí)間，工藝上選擇將兩者混合使用，同時(shí)酶解淀粉和蛋白質(zhì)。α-淀粉酶和蛋白酶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%（W/W）和1.4%（W/W），60℃下分別酶解20，30，40，50，60 min，測(cè)量小麥麩皮膳食纖維含量。

淀粉酶和蛋白酶反應(yīng)時(shí)間與膳食纖維提取率的關(guān)系見圖5。

圖5 淀粉酶和蛋白酶反應(yīng)時(shí)間與膳食纖維提取率的關(guān)系

由圖3～圖5可知，混合酶反應(yīng)時(shí)間為40 min時(shí)，提取率為最高；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間大于40 min時(shí)，提取率開始下降。因此，取40 min為宜。由于酶反應(yīng)具有專一性，效果好壞僅與本身的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，因此根據(jù)酶本身的性狀特點(diǎn)，決定選取蛋白酶1.4%（W/W），α-淀粉酶1.0%（W/W）質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為最佳生產(chǎn)條件。

2.3.4 生物酶各因素正交試驗(yàn)

由以上單因素的試驗(yàn)結(jié)果，確定正交試驗(yàn)各因素的水平情況，對(duì)生物酶各因素的綜合影響[8-9]做正交試驗(yàn)。

因素與水平設(shè)計(jì)見表4，正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄結(jié)果見表5。

由表5可知，各因素對(duì)小麥麩皮除蛋白淀粉的影響依次為A'＞B'＞C'，正交試驗(yàn)最優(yōu)水平組為A'3B'3C'4，即蛋白酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.6%（W/W），淀粉酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%（W/W），混合酶反應(yīng)時(shí)間為50 min，小麥麩皮的除蛋白淀粉效果最好，在此條件下測(cè)得小麥麩皮膳食纖維提取率為80.9%。

3 結(jié)論

根據(jù)上述試驗(yàn)可知，最佳提取條件為乙醇，料液比1∶4，反應(yīng)時(shí)間3 h，蛋白酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.6%（W/W），淀粉酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%（W/W），混合酶反應(yīng)時(shí)間50 min，為下一步麥麩皮膳食纖維工業(yè)提取工藝提供了指導(dǎo)。

表4 因素與水平設(shè)計(jì)

表5 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄