小米可溶性膳食纖維提取及 其理化性質分析

張 榮，任 清*，羅 宇

（北京工商大學食品學院 食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，北京 1000 48）

小米可溶性膳食纖維提取及 其理化性質分析

張 榮，任 清*，羅 宇

（北京工商大學食品學院 食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，北京 1000 48）

采用酶法水浴浸提制備小米可溶性膳食纖維，比較不同液料比、提取溫度、提取時間和溶液pH值對可溶性膳食纖維含量的影響。采用四因素三水平中心組合設計得到可溶性膳食纖維的最佳提取工藝為：液料比15∶1（mL/g）、提取溫度73 ℃、提取時間2 h、pH 10，在此條件下可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）提取率可高達3.51 mg/g。此外還對產品理化特性進行測定，在pH 7、25 ℃條件下溶解性達到71.7%，黏度和乳化能力及乳化穩定性隨著產品質量濃度增大而增加，在產品質量濃度為5 g/100 mL時分別為：4.20 cP、62.54%和97.53%，制得的SDF具有口感細膩，乳白色的特點，可廣泛應用于焙烤、湯料、乳制品、飲料等食品和化妝品中。

小米；可溶性膳食纖維；提取工藝；理化性質

谷子（Setaria italica），又稱粟，脫殼后為小米，“五谷”之一，我國傳統糧食作物，已有4000多年栽培史[1-2]。在我國的“三北”地區廣為種植，是主要糧食作物[3]。小米營養豐富，蛋白質含量為9.27%，比大米、玉米高；含脂肪3.15%，比大米、小麥高；還含有豐富的維生素；尤其是人體不能合成又不能缺少的色氨酸、蛋氨酸含量比大米、玉米、小麥、高粱都高[4]。

膳食纖維是食物中不被人體胃腸消化酶所分解的、不可消化植物成分的總稱[5]，膳食纖維分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）兩類。其中，SDF在很多方面的生理功能強于IDF，應用范圍也廣，并具有廣泛的營養保健功效，不僅可以預防心臟病、腸胃病、糖尿病等疾病，還具有減肥功效[6-7]。此外，SDF可以被腸道中的微生物徹底分解，產生各種短鏈脂肪酸，對結腸癌的預防與治療有一定的效果。目前已經開發的谷物膳食纖維資源主要來源于小麥、黑麥、大麥、米糠等[8]，對小米的開發利用在國內還很少見，而小米作為一種具有很高營養價值的天然功能性食品，其開發利用具有先天的優勢。因此作為谷物SDF來源的一大類資源，開發小米SDF并探索其理化性質具有重要意義。

本實驗以小米為研究對象，研究其SDF提取工藝及其理化性質，以期為 小米的深加工與綜合利用提供理論依據。

1 材料與 方法

1.1 材料與試劑

小米 河北 省張家口市農業科學院；堿性蛋白水解酶（10 000 U/g） 北京 洪潤寶順科技有限公司；α-淀粉酶（40 000 U/g） 美國Sigma公司；無 水乙醇、濃硫酸、石油醚、氫氧化鈉、苯酚等其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

Allegra 64r臺式高速冷凍離心機 美國Beckman公司；T6紫外-可見光光度計 北京普析通用儀器有限公司；DSHZ-300多用途水浴恒溫振蕩器 江蘇太倉市實驗設備廠；PHS-3D 數字酸度計 上海三信儀表廠；DV-Ⅱ＋PRO黏度計 美國Brookfield公司；Kjeltec 8400凱氏定氮儀 美國Foss公司；Alpha 1-2LD Plus真空冷凍干燥機 德國Christ公司；JJ-1精密定時電動攪拌器、高速萬能粉碎機 北京市中興偉業儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 小米SDF的制備

小米原料→烘干、粉碎、過篩→加熱滅酶（100 ℃，10 min）→石油醚脫脂（1 h）→HCl或NaOH溶液調pH 10→堿性溶液攪拌水浴提取、離心重復3次→取上清液加蛋白酶（0.6 g/100 mL，pH 7.5，50 ℃）水浴1 h→加α-淀粉酶（0.2 g/100 mL，pH 6.5，75 ℃）水解，用碘液檢測直至不變藍為止→加適量硫酸銨充分使未溶解的蛋白質沉淀→離心（5 000 r/min，15 min）→上清液加4倍無水乙醇重復2次，沉淀過夜→離心（5 000 r/min，15 min）沉淀水溶→乙醇沉淀離心（5 000 r/min，20 min）→沉淀物冷凍干燥，得SDF[9]。

1.3.2 小米SDF的測定方法[8]

以冷凍干燥后得到的物質的質量為小米SDF的質量，小米SDF計算公式如下：

1.3.3 小米 SDF的提取及其工藝優化

單因素試驗：準確稱取小米10 g，在溫度65 ℃、pH 9、提取時間2 h、液料比15∶1條件下提取小米SDF[10-13]，固定其他條件，分別考察提取溫度、提取時間、液料比及提取液pH值對小米SDF提取率的影響。

響應面試驗：根據Box-B ehnken試驗設計原理，通過單因素試驗選擇料液比、提取時間、提 取溫度和溶液pH值4個影響因素的最佳水平，以其為自變量，SDF提取率為響應值，采用響應面分析法，對水浴提取法制備小米SDF的工藝進行優化。

1.3.4 小米SDF的理化性質分析

1.3.4.1 小米及其SDF的成分分析

水分含量：GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》中直接干燥法[14]；蛋白質含量：GB 5009.5—2010《食品中蛋白質的測定》中凱氏定氮法[15]；脂肪含量：GB/T 5512—2008《糧油檢驗：糧食中粗脂肪含量測定》中索氏抽提法[16]；淀粉含量：GB/T 5514—2008《糧油檢驗：油料中淀粉含量測定》[17]；灰分含量：GB 5009.4—2010《食品中灰分的測定》[18]；還原糖和總糖含量：3,5-二硝基水楊酸比色法[19]；粗纖維含量：酸洗滌劑法[19]。

1.3.4.2 小米SDF樣品溶解度的測定[12]

取1.000 g小米SDF置于100 mL燒杯中，加50 mL蒸餾水，磁力攪拌一定時間至分散均勻，25 ℃條件下保溫30 min，離心（5 000 r/min，10 min），將上清液置于燒杯（已恒質量）中，在烘箱中（105 ℃）烘干至恒質量，計算得小米SDF的溶解度和溶解性。

1.3.4.3 小米SDF樣品黏度的測定

用旋轉黏度計在25 ℃，轉速60 r/min條件下檢測不同質量濃度（1、2、3、4、5 g/100 mL）SDF的黏度，繪制黏度變化曲線[10,20]。

1.3.4.4 小米SDF樣品乳化 性及乳化穩定性研究

分別配制質量濃度為1、2、3.5、5.5 g/100 mL的小米SDF溶液100 mL，加入100 mL大豆油，于高速分散器中以2 000 r/min的轉速均質乳化2 min，乳化后的溶液置于離心機中，以2 000 r/min離心8 min，測量乳化層的高度，算出乳化層體積，乳化后的溶液在80 ℃的水浴中保溫30 min，用自來水冷卻至常溫，放入離心機中，相同的轉速時間，進行離心，然后測量乳化層體積[21]。

2 結果與分析

2.1 影響小米SDF提取率的單因素試驗

2.1.1 液料比對小米SDF提取率的影響

如圖1所示，當液料比小于20∶1時，SDF提取率隨著液料比增大而增加，但是當液料比超過20∶1時，SDF提取率變化不是很大。由于增大液料比，會加大水的消耗，增加后續處理的費用，因此考慮提取率等因素，選擇液料比20∶1較為合適。

圖1 液料比對SDF提取率的影響Fig.1 Effect of solvent-to-solid ratio on SDF yield

2.1.2 提取溫度對小米SDF提取率的影響

圖2 提取溫度對SDF提取率的影響Fig.2 Effect of temperature on SDF yield

由圖2所示，當提取溫度低于50 ℃時，隨著溫度升高，SDF提取率逐漸上升；隨著溫度繼續上升，高于75 ℃后提取率下降。因為溫度低于75 ℃，淀粉酶活性不能得到充分發揮，淀粉不能完全水解所以得到的小米SDF提取率較低，但是溫度過高會使酶的活性降低，使原料提取液黏度增大導致部分纖維素溶出，從而導致小米SDF提取率降低，這 說明以小米為底物，淀粉酶的最佳溫度為75 ℃。因此選擇65～75 ℃作為響應面試驗的因素水平。

2.1.3 溶液pH值對小米SDF提取率的影響

圖3 pH值對SDF提取率的影響Fig.3 Effects of solvent pH on SDF yield

如圖3所示，pH值太低，水解反應過于強烈會使提取率降低；pH值過高則水解反應遲鈍，SDF提取率也會降低，控制溶液pH值為10左右時，SDF的提取率最高，因此，本實驗選擇pH值為9～11作為響應面試驗的因素水平。

2.1.4 提取時間對小米SDF提取率的影響

如圖2所示，時間短于2 h，隨著時間的延長，SDF的提取率逐漸上升，但是當提取時間超過2 h時，SDF的提取率開始下降。這 是因為水浴時間過短，蛋白質和淀粉水解不完全，造成SDF含量降低，而水浴時間過長，易造成纖維素和半纖維素發生輕度水解，也會導致SDF含量降低。因此最佳水浴時間為2 h，選擇提取時間為1.5～2.5 h作為響應面試驗的因素水平。

圖4 提取時間對SDF提取率的影響Fig.4 Effect of extraction time on SDF yield

2.2 響應面法提取小米SDF的條件優化

2.2.1 響應面試驗設計方案及試驗結果在單因素試驗的基礎上，根據Box-Behnken試驗設計原理，選擇液料比、提取溫度、提取液pH值和提取時間為考察因素，以小米SDF的提取率為響應值，設計四因素三水平試驗，共29個試驗點，其中24個為分析因子，5個為中心試驗點，因素水平見表1，試驗設計及結果見表2。

表1 Box-Behnken試驗設計水平Table1 Coded levels for factor used in Box-Behnken experimental dessiiggnn

表2 Box-Behnken 試驗設計及結果Table2 Box-Behnken experimental design arrangement and experimental resuullttss

2.2.2 模型的建立及顯著性分析

表3 回歸統計分析結果Table3 Analysis of variances for SDF yield with various extraction conditions

四因素三水平的響應面試驗結果如表2所示，采用SAS 8.1對試驗結果數據進行線性回歸二次多項式擬合，得到數學模型如下：Y＝3.50＋0.054A－0.06B＋0.34C－0.49D－0.97A2－1.19B2－1.09C2－0.94D2－0.067AB＋0.31AC＋0.29AD－0.080BC－0.13BD－0.18CD，然后對方程和方程中的各個因子進行回歸統計分析，結果見表3。回歸方程中各變量對響應值影響的顯著性用F檢驗來判定，概率P值越小，則相應變量的顯著程度越高。從表3可看出，該模型效應顯著（P＜0.05），不同處理間差異顯著。因變量與所考察的自變量之間線性關系顯著（R2＝0.937 6），模型調整確定系數＝0.925 5，說明該模型能模擬92.55%響應值的變化，可信度高，擬合程度較好，失擬項不顯著（P＞0.05），說明本實驗所得二次回歸方程能很好的對響應值進行預測。各因素中一次項D（液料比）和二次項A2（溶液pH值）、B2（提取溫度）、C2（提取時間）、D2（液料比）及交互項AC、AD表現為顯著，說明它們對響應值SDF的提取率影響極大。根據表3，各影響因素主次順序：液料比＞提取時間＞提取溫度＞溶液pH值。

2.2.3 小米SDF提取的響應面分析及條件優化

圖5 兩因素交互作用對提取率影響的響應面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots showing the interactive effects of two factors on SDF yield

通過軟件分析，得到響應面及其等高線圖（圖5），從圖中可以反應出各個因素的交互作用對響應值的影響，將兩因素固定在零水平，可以得到另外兩個因素的響應面及等高線圖，其中等高線為圓形的，表示交互作用較弱，等高線為橢圓形的，表示交互作用較強。

由圖5a可見，隨著提取時間和溶液pH值的增大，小米SDF的提取率呈迅速上升然后緩慢下降的趨勢，由圖5b可見，隨著液料比和溶液pH值的增大，小米SDF的提取率呈先上升后下降的趨勢，圖5的等高線均呈橢圓形，說明兩兩因素交互作用顯著。所以，在實際 的生產過程中，可以控制提取液pH值、液料比和提取時間來提高小米SDF的提取率。為進一步確定最佳提取工藝參數，對所得方程進行逐步回歸，刪除不顯著項，然后一階求導，可得優化后的最佳工藝參數為提取時間2.03 h、液料比14.77∶1、溫度73.21 ℃、pH 10.10。

2.2.4 最佳工藝參數的驗證

在最優的條件下，小米SDF提取率的理論預測值為3.5 mg/g，為檢測所得結果的可靠性，采用最佳提取條件時間2 h、液料比15∶1、溫度73 ℃、pH 10，在此條件下進行3組驗證實驗，得到SDF提取率結果平均值為3.51 mg/g。與理論預測值僅相差0.224%，因此，認為基于響應面優化得 到的工藝參數準確可靠，得到的制備條件具有一定的實際應用價值。

2.3 小米SDF的理化性質

2.3.1 小米SDF的主要成分

表4 主要成分含量Table4 Proximate composition of the SDF extracted from foxtail millet %

從表4可以看出，小米和SDF中總糖的含量基本上等于還原糖、淀粉和粗纖維的含量之和，而且總糖和其他含量成分之和也基本上達到100%。小米經提取得到的SDF中淀粉、脂肪和蛋白質的含量均有較大程度下降，幾乎檢測不出，而粗纖維含量與小米原料中粗纖維含量相比有很大提高，除此之外其他成分含量如水分和還原糖也有所降低，這說明制備的SDF產品質量較好。

2.3.2 小米SDF樣品的溶解度

在常溫條 件（25 ℃，pH 7）下測得小米SDF的溶解度為1.434 g/100 mL，溶解性為71.7%，SDF作為一種可溶性產品，溶解度是評價的重要指標，溶解度的好壞直接影響了產品的質量和應用。小米SDF在25 ℃時其溶解性達到71.7%。由此可見，小米SDF的溶解性較好，適宜于作乳制品、飲料等食品或是化妝品的功能性添加劑。

2.3.3 小米SDF樣品黏度的測定

黏度是一個流變特性參數，它的大小決定了小米SDF產品的應用范圍，小米SDF質量濃度對黏度的影響如圖6所示，黏度隨著質量濃度的增大而升高。但總的來說SDF的黏度在測量的濃度范圍內仍然是個比較小的數值，這說明SDF有制成高質量濃度膳食纖維飲料或沖劑的可能。

圖6 小米SDF質量濃度對黏度的影響Fig.6 Effect of SDF concentration on its viscosity

2.3.4 小米SDF樣品乳化性及乳化穩定性

實驗測得的不同質量濃度的小米SDF樣品溶液的乳化層體積以及根據公式計算出的EC和ES如表5所示。

表5 不同質量分數小米SDF樣液的EC和ESTable5 EC and ES of different concentrations of SDF solutions

由表5可以 看出，小米SDF的EC隨著質量濃度的增加而增加，質量濃度越大，乳化性能越好。但是質量濃度在2～4 g/100 mL時差異不顯著，5 g/100 mL與1 g/100 mL的SDF相比差異比較顯著。相應的ES也隨著質量濃度的增加而有所變化，5 g/100 mL與1 g/100 mL含量的SDF相比差異也比較顯著。這可能是因為SDF是高黏度溶液，黏度隨質量濃度的增加而增加，而黏度是影響乳化性的一個重要因素，由于黏度增大，使得乳化液中液滴的運動減慢，因而有助于乳狀液的穩定。此外，由于SDF是水溶性的大分子溶液，它具有一定的黏彈性，可以形成具有高黏彈性的界面膜，乳化劑分子在界面上連續相一側形成具有一定強度的黏彈性膜是決定乳化液穩定的關鍵因素。此外，SDF的溶解性、流變學性質等也會對乳化性產生一定的影響，還待進一步研究。乳化性是食品體系的一個基本功能特性，而由實驗結果可知小米SDF具有較好的乳化性和乳化穩定性，這說明SDF有制成高質量濃度乳品的可能。

3 結 論

通過單因素試驗和響應面分析法對酶法水浴浸提制備小米SDF的工藝條件進行優化，經分析，影響SDF含量的因素主次順序為：液料比＞提取時間＞提取溫度＞溶液pH值；且最佳提取條件為：提取時間2 h、液料比15∶1、提取溫度73 ℃、pH 10，在此條件下SDF提取率為3.51 mg/g，與理論預測值僅相差0.224%，因此，認為基于響應面優化得到的工藝參數準確可靠，得到的制備條件具有一定的實際應用價值。

小米SDF在25 ℃條件下，溶解性達到71.7%；其黏度和乳化性及乳化穩定性均隨著質量分數的增加而增加，在質量濃度為5 g/100 mL時，分別為4.20 cP、62.54%和97.53%，這說明小米SDF能夠廣泛應用于焙烤、湯料、乳制品、飲料等食品工業中。

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Extraction of Soluble Dietary Fiber from Foxtail Millet and Analysis of its Physical and Chemical Properties

ZHANG Rong, REN Qing*, LUO Yu
(Beijing Higher Insti tution Engineering Research Center of Food Additives and Ingredients, School of Food and Chemical Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 1 00048, China)

The enzymatic ex traction of soluble dietary fiber (SDF) from foxtail millet in a hot water bath was optimized to obtain maximum SDF yield with respect to solid-to-solvent ratio, temperature, extraction time and solvent pH. By using a four-variable, three-level central composite design, the optimal extraction conditions were determined to be extraction at 73 ℃ for 2 h with a solvent-to-solid ratio of 15:1 (mL/g) at pH 10. Under these conditions, the maximum yield of SDF extracted from foxtail millet was 3.51 mg/g. In addition, the results of physical and chemical analysis indicated that the SDF extracted from foxtail millet had good water solubility (71.7%) at pH 7 and 25 ℃ as well as increased viscosity, emulsifying capacity and emulsion stability at higher concentrations, reaching 4.20 cP, 62.54% and 97.53%, respectively, at 5 g/100 mL. The SDF displayed a delicate taste and a milky color and could be applied in foods such as bakery products, soup bases, dairy products and drinks as well as cosmetics.

foxtail millet; soluble dietary fiber; extraction process; physical and chemical properties

TS213

A

1002-6630（2014）02-0069-06

10.7506/spkx1002-6630-201402013

2013-05-18

國家公益性行業（農業）科研專項（201303069-07）

張榮（1987—），女，碩士，研究方向為食品生物技術。E-mail：rongzhang1130@163.com

*通信作者：任清（1969—），男，副教授，博士，研究方向為食品生物技術。E-mail：renqing@th.btbu.edu.cn