酶法改性小米糠可溶性膳食纖維的工藝優化

葛云飛，康麗君

（黑龍江八一農墾大學，黑龍江　大慶163319）

酶法改性小米糠可溶性膳食纖維的工藝優化

葛云飛，*康麗君

（黑龍江八一農墾大學，黑龍江大慶163319）

以小米糠為材料，對其進行氣爆預處理，利用酶法對氣爆預處理小米糠進行改性。為了提高小米糠水溶性膳食纖維（Soluble dietary fiber，SDF）的得率，分別研究酶添加量、酶解溫度、酶解pH值、酶解時間對小米糠SDF含量的影響，根據單因素試驗結果設計Box-Behnken試驗，采用響應面法優化改性小米糠SDF的工藝條件。結果表明，氣爆條件設定為氣爆壓力1.0 MPa，氣爆時間90 s，最優工藝參數為酶添加量5.94%，酶解溫度56℃，酶解pH值4.65，酶解時間3 h；在此條件下，改性小米糠SDF含量達到10.507%，比未經改性小米糠SDF含量高8.35%。

水溶性膳食纖維；氣爆；酶法改性；響應面法

谷子是我國北方地區主要雜糧作物之一，而小米糠是谷子加工過程中的副產物。研究發現，小米糠中膳食纖維含量豐富，約占小米糠的50%～60%，以往主要作為動物飼料，造成資源嚴重浪費。膳食纖維對人體健康有著重要作用，被稱為人體的第七營養素[1-2]，根據溶解性的不同可分為水溶性膳食纖維（Soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（Insoluble dietary fiber，IDF）[3]。SDF有利于人體新陳代謝、降低糖尿病發病率，對促進胃腸道健康有重要作用，并對降低膽固醇、防止動脈硬化等具有顯著療效[4]。可以說，SDF較之IDF有更重要的生理功能和應用前景。

由于小米糠膳食纖維中SDF含量僅為3%～4%，無法達到優質膳食纖維（SDF，10%）的要求，所以采用簡便有效的改性方法尤為重要。已報道的膳食纖維改性方法有化學方法、生物技術方法和物理方法[5-8]。酶法具有作用條件溫和、專一性強、副產物較少、純度高等優點，將其應用到小米糠膳食纖維的改性研究中具有實際意義。

本文以小米糠為試驗材料，對其進行氣爆預處理[9]，采用酶-質量法制備SDF，利用響應面法優化酶法改性小米糠SDF工藝條件，從而推動小米糠水溶性膳食纖維的研究和開發利用，為功能性食品的開發提供了新途徑。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

紅谷小米糠，黑龍江省大慶肇州托古小米廠提供；耐高溫α-淀粉酶、中性蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶，Sigma公司提供；纖維素酶（30 000 U/g）、半纖維素酶（20 000 U/g），進口分裝；以上試劑均為分析純。

1.2儀器與設備

QBS-200B型氣爆工藝試驗臺，鶴壁正道生物能源公司產品；GDE-CSF6型意大利VELP膳食纖維測定儀，北京盈盛恒泰科技有限公司產品；K-360型全自動凱氏定氮儀，瑞士Buchi公司產品；AR224CN型電子天平，奧豪斯儀器（上海）有限公司產品。

1.3試驗方法

1.3.1小米糠預處理

稱取500 g小米糠加入到汽爆反應器中進行處理，設置氣爆壓力1.0 MPa，氣爆時間90 s，小米糠經氣爆預處理后，需再經烘干、粉碎、脫脂等處理。

1.3.2小米糠膳食纖維的制備

稱取1.0 g氣爆小米糠，在GDE酶培養消化器中分別經耐高溫α-淀粉酶、中性蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶酶解消化，去除淀粉和蛋白質；酶解后反應物移置GDE-CSF6型膳食纖維測定儀中過濾，殘渣用熱水洗滌，經干燥后稱質量，得IDF殘渣；濾液用4倍體積的95%乙醇，經沉淀、過濾、干燥后稱質量，得SDF。

1.3.3酶法改性小米糠膳食纖維的單因素試驗

每組試驗分別稱取1.0 g氣爆小米糠放在料水比為1∶50（g∶mL）的去離子水中，在酶添加量1.2%，2.4%，3.6%，4.8%，6.0%，7.2%，酶解溫度35，40，45，50，55，60℃，酶解pH值4.0，4.2，4.4，4.6，4.8，5.0，酶解時間0.5，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 h的條件下進行單因素試驗。考察酶添加量（纖維素酶∶半纖維素酶=1∶2）、酶解溫度、酶解pH值、酶解時間4個因素對改性小米糠SDF含量的影響，不同因素每個水平重復3次。

1.3.4響應面法優化酶法改性小米糠膳食纖維的工藝

在單因素試驗的基礎上，以酶添加量（X1）、酶解溫度（X2）、酶解pH值（X3）、酶解時間（X4）為響應因素，改性小米糠SDF含量（Y）為響應值，根據Box-Behnken試驗設計原理，采用四因素三水平的響應面分析法，對數據進行回歸分析及顯著性檢驗，確定最優工藝。

響應面因素與水平設計見表1。

表1　響應面因素與水平設計

1.4數據統計分析

所得數據均為3次重復試驗的平均值，并利用Design Expert.V 8.0.6軟件進行數據分析。

2　結果分析

2.1酶法改性小米糠膳食纖維工藝加工的單因素試驗分析

2.1.1酶添加量對改性小米糠SDF含量的影響

酶添加量對改性小米糠SDF含量的影響見圖1。

在1.2%～6.0%范圍內，隨著酶添加量的增加，改性小米糠SDF含量隨之增加；當酶添加量為6.0%時，改性小米糠SDF含量最大為9.94%；當酶添加量大于6.0%時，改性小米糠SDF含量略有較少。分析其原因可知，當酶添加量過大時，IDF被降解成低聚糖或單糖，由于分子質量較小，不能被醇沉，得到SDF含量較少。

2.1.2酶解溫度對改性小米糠SDF含量的影響

酶解溫度對改性小米糠SDF含量的影響見圖2。

圖2　酶解溫度對改性小米糠SDF含量的影響

在35～55℃范圍內，隨著酶解溫度的上升，改性小米糠SDF含量增加；當酶解溫度為55℃時，改性小米糠SDF含量最大為9.92%；當酶解溫度超過55℃時，改性小米糠SDF含量較少。因為酶在較低溫度時隨著酶解溫度升高，酶活力加強；當酶解溫度過高時，酶受熱變性因素的影響，反應速度反而隨酶解溫度上升而減慢，酶活力減弱，不利于IDF向SDF轉化。

2.1.3酶解pH值對改性小米糠SDF含量的影響

酶解pH值對改性小米糠SDF含量的影響見圖3。

當反應體系中酶解pH值在4.0～5.0范圍，改性小米糠SDF含量呈現先升高后下降的趨勢；當酶解pH值為4.6時，改性小米糠SDF含量最大為10.07%；當酶解pH值大于4.6時，改性小米糠SDF含量逐漸減少。由于酶活力受反應體系中酶解pH值的影響，在最適的酶解pH值條件下，酶與底物互相結合，并發生催化作用，酶促反應速度達最大值。

圖3　酶解pH值對改性小米糠SDF含量的影響

2.1.4酶解時間對改性小米糠SDF含量的影響

酶解時間對改性小米糠SDF含量的影響見圖4。

圖4　酶解時間對改性小米糠SDF含量的影響

在0.5～2.0 h范圍內，隨著酶解時間的延長，改性小米糠SDF含量變化略呈上升趨勢；在0.5～2.0 h范圍內，改性小米糠SDF含量變化呈明顯上升趨勢。當酶解時間超過3.0 h，SDF含量變化幅度趨于平緩，說明此后酶解時間的延長對于SDF含量的影響不顯著，故酶解時間宜為3.0 h。

2.2響應面優化酶法改性小米糠膳食纖維工藝的試驗結果與分析

2.2.1響應面試驗結果

Box-Behnken試驗設計方案及結果見表2，響應面二次模型的方差分析見表3，回歸模型系數的顯著性檢驗見表4。

表2　Box-Behnken試驗設計方案及結果

由表3可知，整體模型p＜0.000 1，二次方程模型極顯著，且失擬項p=0.287 4＞0.05不顯著，說明回歸模型擬合度較好，試驗誤差小。R2=0.986 1＞90%，相關性較好，說明此模型能夠反映響應值Y的變化，可用該模型對改性小米糠膳食纖維的工藝進行分析和預測。由表4可知，該模型的一次項X1，X2，X3達到極顯著水平，X4達到顯著水平；所有的二次項對SDF含量的曲面效應極顯著；同時交互項X1X2達到顯著水平，X2X3，X2X4達到顯著水平，表明各因素對SDF含量的影響作用不是簡單的線性關系。以SDF含量為Y值，以酶添加量、酶解溫度、酶解pH值、酶解時間的編碼值為自變量的四元二次回歸方程為：

表3　響應面二次模型的方差分析

表4　回歸模型系數的顯著性檢驗

由表4可知，4個因素對SDF含量影響大小的順序為酶解溫度＞酶解pH值＞酶添加量＞酶解時間。

2.2.2交互效應分析

在某2個因素條件固定不變的情況下，考察交互項對SDF含量的影響，并對模型進行降維分析。

酶添加量和酶解溫度交互作用對改性小米糠SDF含量影響的響應面圖及等高線見圖5，酶解溫度和酶解pH值交互作用對改性小米糠SDF含量影響的響應面圖及等高線見圖6，酶解溫度和酶解時間交互作用對改性小米糠SDF含量影響的響應面圖及等高線見圖7。

圖5　酶添加量和酶解溫度交互作用對改性小米糠SDF含量影響的響應面圖及等高線

圖6　酶解溫度和酶解pH值交互作用對改性小米糠SDF含量影響的響應面圖及等高線

由圖5～圖7可知，改性小米糠SDF含量隨各因素水平的增大先增大后減少。由等高線圖可知，各因素交互作用的等高線呈橢圓形，說明交互作用顯著。

圖7　酶解溫度和酶解時間交互作用對改性小米糠SDF含量影響的響應面圖及等高線

由圖5可知，酶添加量與酶解溫度對SDF含量的交互影響呈拋物線形、等高線呈橢圓形，說明酶添加量與酶解溫度的交互作用對SDF含量影響顯著。當酶添加量為4.8%～6.0%某固定值，酶解溫度為50～57℃某固定值時，SDF含量隨酶添加量增大與酶解溫度升高而增加；高于此值時，SDF含量減少。由圖6可知，酶解溫度與酶解pH值對SDF含量的交互影響呈拋物線形、等高線呈橢圓形，說明酶解溫度與酶解pH值的交互作用對SDF含量影響顯著。當酶解溫度為50～57℃某固定值，酶解pH值為4.4～4.7某固定值時，SDF含量隨酶解溫度升高與酶解時間的延長而增加；高于此值時，SDF含量減少。由圖7可知，酶解溫度與酶解時間對SDF含量的交互影響呈拋物線形、等高線呈橢圓形，說明酶解溫度與酶解時間的交互作用對SDF含量影響顯著。當酶解溫度為50～57℃某固定值，酶解時間為2.0～3.2 h某固定值時，SDF含量隨酶解溫度升高與酶解時間的延長而增加；高于此值時，SDF含量減少。

2.2.3最優工藝的確定與驗證試驗

通過對模型分析確定最優工藝條件為酶添加量5.92%，酶解溫度56.67℃，酶解pH值4.65，酶解時間2.99 h；在此條件下，改性小米糠中SDF含量為10.934 6%。為了驗證模型分析的準確性，選取酶添加量5.94%，酶解溫度56℃，酶解pH值4.65，酶解時間3 h進行驗證。試驗重復3次取平均值，所得SDF含量為10.507%，與理論值相差0.427 6%，說明響應面法適用于酶法改性小米糠工藝條件的研究。

3結論

采用Box-Behnken試驗設計，酶法改性小米糠膳食纖維最優的工藝條件為酶添加量5.94%，酶解溫度56℃，酶解pH值4.65，酶解時間3 h；在此條件下，改性小米糠SDF含量達到10.507%，比未經改性小米糠提高了8.35%。

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Process Optimization of the Enzyme Modified Millet Bran SDF

GE Yunfei，*KANG Lijun
（Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing，Heilongjiang 163319，China）

The millet bran is used as the experimental material in this study.In order to increase the yield of the millet bran SDF,the method of enzyme is used to modify the dietary fiber of the millet bran which is pre-processed by the method of steam explosion.The effect of the amount of enzyme，temperature，pH and the time are investigated separately.Besides，the Box-Behnken experiment is designed based on the result of single factor experiment，the process conditions of the modification of millet bran SDF is optimized by response surface methodology.The steam exploration condition is set as pressure equaled to 1.0 MPa and time equaled to 90 s，the optimal process parameters are set as：enzyme dosage is 5.94%，temperature is 56℃，pH value is 4.65 and time is 3 h.Under the condition above，the content of SDF is 10.507%which is 8.35%higher than the unmodified millet bran SDF.

soluble dietary fiber；steam explosion；enzymtic modification；response surface methodology

Q539

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.10.039

2016-08-22

國家星火計劃項目（2013GA670001）。

葛云飛（1992—），女，本科，研究方向為農產品加工。

康麗君（1992—），女，碩士，研究方向為糧油食品及副產物加工。

1671-9646（2016）10b-0041-04

1671-9646（2016）10b-0038-03