米糠營養速溶粉工藝優化

王 旭 王 鵬 王 娜 肖志剛，2

（1.東北農業大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.沈陽師范大學糧食學院，遼寧 沈陽 110034）

米糠是稻谷深加工中的副產品［1，2］，含有人體必需的氨基酸、多種不飽和脂肪酸、膳食纖維及較好生理功能的活性物質［3］，對人體健康有很大的好處。然而，米糠口感粗糙、速溶性差等缺點卻制約著米糠的應用。現階段，米糠大多被用作飼料或被遺棄，資源有效利用率及產品附加值極低［4－6］。造成了資源的極大浪費。目前，人們為了解決米糠口感粗糙、速溶性差的缺點，已開展了很多的研究，如擠壓膨化技術［3］、酶水解法［3］等的應用在一定程度上改善了米糠的口感和溶解性。

擠壓膨化技術是將物料在擠壓膨化機內經過高溫高壓處理，瞬間釋放至常溫常壓條件，使物料的內部結構和性質發生變化的過程［7－9］。擠壓處理后，米糠的口感得到了改善，也提高了米糠中膳食纖維的含量。但是，米糠溶解性變化不太明顯。而酶水解處理卻能很大程度上改善米糠的溶解性［10，11］。如今，這兩種方法的單獨研究正逐漸增多，但是卻沒有將擠壓和酶解聯用的研究。

本研究采用雙螺桿擠壓技術復合酶解技術對米糠進行處理，以期能改善米糠的口感和較大程度的提升其溶解性，為米糠產品深加工及其綜合利用提供依據與參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

全脂米糠：水分含量10%，蛋白質含量15.8%，膳食纖維含量24.7%，黑龍江米糠油廠。

濃硫酸：98%，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

乙醇：95%，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

#-淀粉酶：酶活力3 000～5 000U/g，北京雙旋微生物培養基制品廠。

1.1.2 主要儀器設備

雙螺桿擠壓膨化機：DS56-Ⅲ型，濟南賽信膨化機械有限公司；

電子分析天平：DF110型，中國輕工機械總公司常熟衡器工業公司；

低速離心機：LD4-2型，安徽中科中佳科學儀器有限公司；

旋轉蒸發儀：SYR29-RE-52AA型，上海申生科技有限公司；磁力攪拌器：M304430型，江蘇省金壇市醫療儀器廠；恒溫水浴鍋：HH·SY11-Ni 4B型，北京長風儀器儀表公司。

1.2 方法

1.2.1 提取工藝 經預試驗，確定擠壓酶解法生產營養米糠速溶粉的工藝流程：

全脂米糠→擠壓膨化→烘干、過篩（80目）→酶解→滅酶（90℃，10min）→ 冷 卻 （60 ℃）→ 離 心 （2 000r/min，1 5min）→濃縮（40min，70 ℃，真空度0.08MPa）→均質（2 0MPa，5 0℃）→噴霧干燥（135 ℃，進風量0.8m3/min，進料量4.0×180mL/h）→米糠速溶粉樣品

1.2.2 米糠速溶粉得率的測定 米糠速溶粉是全脂米糠經過擠壓膨化等方法處理后得到的固態粉末。米糠速溶粉得率反應經處理后速溶粉質量的變化情況。若米糠速溶粉得率在處理后有所增加，則說明該處理方法改善了米糠的溶解性。米糠速溶粉得率按式（1）計算。

式中：

R——米糠速溶粉得率，%；

m1——米糠速溶粉質量，g；

m2——全脂米糠質量，g。

1.2.3 擠壓膨化處理條件研究 以機筒溫度、物料含水率、螺桿轉速、模頭孔徑為影響因素，以米糠速溶粉得率為指標進行單因素試驗［12］。單因素試驗固定參數值為：機筒溫度130℃，物料含水量22%，螺桿轉速160r/min，模頭孔徑6 mm。4種影響因素每個因素選5組數值，機筒溫度梯度10，選取110～150℃；物料含水量梯度為5，選取1 2%～32%；螺桿轉速梯度20，選取120～200r/min；模頭孔徑梯度2，選取2～10mm。在單因素的基礎上，進行L9（34）正交試驗，確定這4個因素對米糠速溶粉得率的影響的最佳工藝參數。

1.2.4 α－淀粉酶酶解處理條件研究 將在最佳擠壓參數條件下獲取的原料進行酶解。酶解溫度、酶解時間、pH、酶用量在分別保持其他因素不變的情況下，采用前步最佳值的條件下進行單因素試驗［13］。在單因素試驗的基礎上，以酶解時間、酶解溫度、酶用量、pH為自變量，米糠速溶粉的得率為響應值進行響應面優化試驗。

1.3 數據分析

試驗數據采用Design-Expert 8.0、正交試驗設計助手進行分析。

2 結果與分析

2.1 擠壓處理條件優化

2.1.1 擠壓處理單因素試驗結果 由圖1可知，當溫度從100℃開始升高時，米糠速溶粉的得率也隨之增加，在1 30℃時達到最大，之后速溶粉得率逐漸降低。由于適當的高溫能促進熔融、斷裂不溶性的大分子物質，讓網狀結構的親水基團暴露數量增多，加快了不溶性纖維裂解為可溶性小分子的速度，增加了其可溶性成分。但是，擠出溫度如果過高就會破壞物料本身的組織及結構，同時物料也容易在擠壓機內呈現焦糊、結塊的狀態，從而降低了速溶粉得率。

圖1 擠壓溫度對米糠速溶粉得率的影響Figure 1 Extrusion temperatures on the yield of rice bran instant powder

由圖2可知：米糠速溶粉的得率隨物料含水量增加呈現先增大后減小的趨勢，在物料含水量為22%時達到最大。這是因為擠壓膨化是一個高溫高壓的反應過程［14］，因此對物料含水量有較高的要求。適當的含水量可以促使纖維素等不溶解成分濕潤及溶解，這樣使纖維素等在外力作用的迫使下打開，而后分子重組［15］。在含水量較低時，米糠速溶粉得率較大，若物料水分含量過低，則會造成擠壓機的堵塞或者焦糊現象。相反，若物料含水量過高，擠出時溫度降低的幅度就會較大，不易控制操作溫度，速溶粉得率較低。

圖2 物料含水量對米糠速溶粉得率的影響Figure 2 Material moisture contents on the yield of rice bran instant powder

由圖3可知：隨著螺桿轉速的增加，米糠速溶粉的得率變化呈現先增大后減小的趨勢，當轉速為160r/min時達到最大，然后速溶粉得率開始下降。當螺桿轉速較低時，物料所受的剪切力較低，物料顆粒分解不完全［16］。當螺桿轉速增加，物料與機筒間剪切作用和摩擦增強，能夠加速物料顆粒的糊化；但當螺桿轉速較大時，物料在機筒內的時間變短，導致物料間的反應不徹底，速溶粉得率下降。

由圖4可知：隨著模頭孔數的增加，米糠速溶粉得率先增大后減小，在模頭孔數為6時速溶粉得率最大。隨著孔數的增加速溶粉得率有所下降，這可能是由于模頭孔數增加后，物料擠出時的壓強下降，膨化度變小，物料間的反應不充分。與單純水酶法提取米糠速溶粉相比，米糠速溶粉得率有了很大的提高，提取時間也縮短［17］，這是因為經過擠壓機處理后，米糠在高溫、高壓的條件下受到剪切作用，使米糠中的部分纖維素降解成半纖維素，最終提高了米糠速溶粉的得率。

圖4 模頭孔數對米糠速溶粉得率的影響Figure 4 Die holes on the yield of rice bran instant powder

2.1.2 擠壓處理正交試驗結果 在單因素試驗結果的基礎上，運用正交表L9（34）對影響提取速溶粉的因素：物料含水量、擠壓溫度、螺桿轉速、模頭孔數進行條件優化。正交試驗因素和水平見表1，試驗結果見表2。

由表2可知：影響米糠速溶粉得率的主次順序是A＞C＞B＞D，即擠壓溫度＞螺桿轉速＞物料含水量＞模頭孔數。在表3中，因為因素D摸頭孔數的極差最小，所以將因素D作為誤差項，從將顯著水平a值定在0.1，方差分析結果及顯著性見表3。最佳水平因素組合是A2C2B2D1，即擠壓溫度為140℃，螺桿轉速為160r/min，物料含水量為22%，模頭孔數為4。為了獲得更高得率的米糠速溶粉，在此基礎上，進行酶處理進行條件優化。

表1 正交試驗因素和水平設計Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

表2 正交試驗結果Table 2 Results of orthogonal experiment

表3 正交試驗方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal experiment

2.2 酶處理條件優化

2.2.1 酶處理單因素試驗結果 由圖5可知，隨著加酶量的增加，米糠速溶粉得率逐漸升高，達到1 000U/g后，變化趨勢比較緩慢。這是由于酶水解后，淀粉類物質水解生成了單糖及可溶解的多糖，大分子變成小分子，因此速溶粉的得率相應提高［18］。隨著酶用量的增加，酶解不溶性淀粉相對穩定，由于底物的量是恒定不變的，繼續增加酶用量酶解長淀粉鏈，使鏈斷裂成小鏈。但是此時的變化趨勢相對緩慢。因此最適的加酶量為1 000～1 500U/g。

由圖6可知，隨著反應時間的延長，米糠速溶粉的得率逐漸增大，但是當達到90min后增加幅度變緩。這是因為隨著酶解反應的進行，底物濃度減小，反應位點相繼被酶分子飽和；產物的濃度增加，競爭性抑制也變強，酶活性降低。在經歷了初始階段積累后的中間復合物逐漸達到穩定，并趨于恒定。所以確定最適的酶解時間范圍為60～120min。

圖5 α－淀粉酶用量對米糠速溶粉得率的影響Figure 5 Effects of the amount of a-amylase on the yield of rice bran instant powder

圖6 酶解時間對米糠速溶粉得率的影響Figure 6 Effects of hydrolysis time on the yield of rice bran instant powder

圖7 酶解溫度對米糠速溶粉得率的影響Figure 7 Effects of hydrolysis temperatures on the yield of rice bran instant powder

由圖7可知，隨著溫度的升高，米糠速溶粉的得率呈現先升高后下降的趨勢，當酶解溫度為55℃時，速溶粉得率最大。隨后開始下降，這是因為溫度對酶活性有著很大的影響，溫度過低導致酶促反應減弱，溫度升高加快酶促反應速度，在最適溫度條件下酶的活性最強，此時得到最大的酶促反應速度［19］。但是若超過了最適的溫度，反應的速度反而會下降，甚至使酶變性、失活，因此選擇最適的酶解溫度范圍為50～60℃。

由圖8可知：pH為6～7時隨著pH的增加，米糠速溶粉得率逐漸增加，在pH為7時達到最大值，而高于7時，速溶粉得率開始逐漸下降。這是因為：不同的酶有各自最適的pH作用范圍，在最適范圍內，酶的催化活性部位可解離的基團能夠得到完全的解離，這樣酶的活性中心與底物就能充分的結合，從而將底物最大程度的轉變為水解產物，最終速溶粉得率升高［20］。pH過高或者過低都可能導致速溶粉得率的下降，因此α－淀粉酶最適pH范圍為6.0～7.5。

圖8 pH對米糠速溶粉得率的影響Figure 8 Effects of pH on the yield of rice bran instant powder

2.2.2 酶處理工藝優化試驗 采用響應曲面分析法進行工藝優化，試驗設計與數據處理采用統計軟件Design-Expert來完成。以米糠速溶粉得率為響應值，選擇α－淀粉酶用量、酶解時間、酶解溫度、底物濃度為影響因素（見表4），響應面試驗方案及結果見表5。

利用Design-Expert軟件對表5試驗數據進行多元回歸擬合，獲得米糠速溶粉得率對pH、酶用量、酶解時間和酶解溫度的二次多項回歸模型方程為：

采用Design-Expert軟件對米糠速溶粉得率的模型方程進行方差分析，結果見表6。

表4 因素水平編碼表Table 4 Factor level encoding table

表5 酶處理工藝試驗設計及結果Table 5 Experimental design and results

由表6可知，方程因變量與自變量之間的線性關系明顯，該模型回歸顯著（P＜0.000 1），失擬項不顯著（P＞0.05），并且該模型R2＝ 95.39%，R2Adj＝ 90.78%，說明該模型與試驗擬合良好，自變量與響應值之間線性關系顯著，可以用于該反應的理論推測。由F檢驗可以得到因子貢獻率為：D＞B＞C＞A，即酶解溫度＞酶用量＞酶解時間＞pH。兩因素交互作用對米糠速溶粉得率影響的響應面圖見圖9。

表6 回歸方程的方差分析結果Table 6 ANOVA results of regression equation

表6 回歸方程的方差分析結果Table 6 ANOVA results of regression equation

＊.差異顯著（P＜0.05）；＊＊.差異極顯著（P＜0.01）。

方差來源自由度 平方和 均方 F值 P 值 顯著性A 1 2.25 2.25 6.54 0.022 8＊ B 1 8.55 8.55 24.82 0.000 2 ＊＊C 1 2.65 2.65 7.70 0.014 9 ＊D 1 26.31 26.31 76.39 ＜0.000 1 ＊＊AB 1 1.60 1.60 4.65 0.049 0 ＊AC 1 0.051 0.051 0.15 0.707 2 AD 1 0.090 0.090 0.26 0.617 2 BC 1 0.090 0.090 0.26 0.617 2 BD 1 0.49 0.49 1.42 0.252 8 CD 1 0.44 0.44 1.28 0.276 2 A2 1 22.21 22.21 64.49 ＜0.000 1 ＊＊B2 1 5.30 5.30 15.40 0.001 5 ＊＊C2 1 44.63 44.63 129.56 ＜0.000 1 ＊＊D2 1 3.33 3.33 9.68 0.007 7 ＊＊回歸 14 99.76 7.13 20.69 ＜0.000 1 28 104.58顯著剩余 14 4.82 0.34失擬 10 3.83 0.38 1.55 0.357 5 不顯著總和

通過Design-Expert軟件分析可知，該模型中最佳條件為酶解溫度54.27℃，酶用量1 333.57U/g，酶解時間1 20.27min，pH 6.59。為了驗證模型預測的準確性，在實際操作可行性的前提下，選擇試驗條件為酶解溫度54.3℃，酶用量1 333.6U/g，酶解時間120.3min，pH 6.6進行3次驗證實驗，在該條件下米糠速溶粉的得率的平均值為55.87%與預測值（56.403%）較接近，說明響應值的試驗值與回歸方程預測值吻合良好，可以采用。

3 結論

本次研究通過單因素以及正交試驗，確定了擠壓膨化法制取米糠速溶粉的最佳擠壓工藝條件為：擠壓溫度1 40℃，螺桿轉速160r/min，物料含水量22%，模頭孔數4。在此基礎上，米糠速溶粉的酶解條件為：酶解溫度54.25℃，酶用量1 333.57U/g，酶解時間120.27min，pH 6.59，最終得到米糠速溶粉得率為55.87%，與未處理相比（得率為30.3%），米糠速溶粉的得率得到了很大的改善。

本研究仍有許多需要進一步研究并解決的問題，如米糠速溶粉的營養流失、綜合利用不夠以及得率仍然較低等，但是能對米糠速溶粉工藝研究的發展起到一定的推動和引導作用。

圖9 兩因素相互作用對米糠速溶粉得率影響的響應面圖Figure 9 two-factor interactions on the yield of rice bran instant powder affects the response surface chart

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