α-淀粉酶和γ-淀粉酶水解麥麩淀粉工藝優化

李湘江， 楊 丹， 邢家溧， 沈 堅， 鄭睿行， 張書芬， 傅 曉， 羅小虎

(1.寧波市食品檢驗檢測研究院，浙江 寧波 315048； 2.江南大學糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室，江蘇 無錫 214122)

近年來，人們的生活水平不斷提高，膳食結構也發生了很大改變，高脂高糖食品攝入過量，膳食纖維(Dietary fiber，DF)攝入不足，導致與飲食相關的疾病，例如糖尿病、高血脂、肥胖癥等的發病率逐年提高[1]。膳食纖維逐漸受到廣泛重視，世界范圍內展開了研究膳食纖維保健食品的熱潮[2]。經過多年的研究發展，膳食纖維保健食品已成為保健食品中重要一類。膳食纖維因其獨特的生理功能，被稱為繼蛋白質、碳水化合物、脂肪、維生素、礦物質、水之后的人類“第七大營養素”[3]。專家們認為，隨著人民健康意識的逐步提高，纖維類食品將逐漸增加，成為主導食品之一[4]。

中國小麥產量位居世界首位，而麥麩是小麥加工業中最主要的副產品，年產量約有 2×107t[5]。麥麩富含多種營養物質，除可用作飼料原料、釀酒以外，還是加工膳食纖維的理想原料。麥麩中膳食纖維含量接近50%，麥麩膳食纖維具有安全、健康、低成本的優點，其特有的生理保健功能受到人們的重視[6]。但是目前中國麥麩卻多用作牲畜飼料或者直接丟棄，其價值沒有得到充分利用[7]。因此，研究麥麩膳食纖維預處理技術，對提高麥麩的利用率，增加其經濟價值，促進小麥深加工，增加農民收入等具有積極意義。

與傳統化學法相比，酶解法制備膳食纖維的條件更加溫和，對環境的污染更小，發展前景更好。酶解法基本原理是用蛋白酶與淀粉酶將麥麩中的蛋白質和淀粉聯合水解從而制得膳食纖維[8]。由于麥麩中淀粉含量很高，淀粉水解是制備麥麩膳食纖維的重要一步[9]。王長虹等[10]通過單獨使用糖化酶水解麥麩淀粉，利用響應面優化，去除了麥麩中84.14%的淀粉。朱蕓等[11]采用α-淀粉酶對麥麩淀粉進行水解，以還原糖含量為評價指標，確定了淀粉水解的最優工藝。與傳統分步單酶去除麥麩淀粉的工藝不同，本研究采用α-淀粉酶與γ-淀粉酶復合酶一步酶解法去除麥麩中的淀粉，并對酶解工藝進行優化，為酶法水解淀粉提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

麥麩由中糧集團提供，α-淀粉酶、γ-淀粉酶為無錫賽德生物有限公司產品，氫氧化鈉、次氯酸鈉、雙氧水、活性炭購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 主要設備

電熱恒溫鼓風干燥箱，DHG-9075A型，上海一恒科技有限公司產品；分析天平，AL204型，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司產品；高速萬能粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司產品；離心機，LXJ-IIB型，上海安亭科學儀器廠產品。

1.3 麥麩基本成分測定

淀粉含量測定方法參照GB/T 5009.9-2016，蛋白質含量測定方法參照GB/T5009.5-2016，水分含量測定方法參照GB/T 5009.3-2016，灰分含量測定方法參照GB/T 5009.4-2016，膳食纖維含量測定方法參照GB/T 5009.88-2014，脂肪含量測定方法參照GB/T 5009.6-2016。

1.4 水解麥麩中淀粉的工藝流程

工藝流程：麥麩→干燥→粉碎→泡洗→加熱攪拌→冷卻1 h→調溶液pH→過濾→離心→淀粉酶水解→過濾→煮沸滅酶→漂洗離心烘干→測定淀粉殘留率。操作要點：(1)干燥，70 ℃鼓風干燥3 h后除雜；(2)粉碎，萬能粉碎機粉碎5 min，并過80目篩；(3)加熱攪拌，100 ℃，12 min；(4)淀粉酶水解，加入適量α-淀粉酶，并在特定溫度下水解一段時間；(5)離心烘干，離心后，70 ℃鼓風干燥8 h。

1.5 單因素及優化工藝試驗設計

在其他參數不變的基礎上，選擇不同水平的料液比、α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例、用量、酶解的溫度、時間、pH值等因素進行單因素試驗。在單因素試驗基礎上，選用α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例(A)、復合酶添加量(B)、酶解溫度(C)、酶解時間(D)、pH值(E)共5個因素，利用正交試驗L16(45)(表1)，以酶解后麥麩中淀粉的殘留率為評價指標，采用極差分析方法，篩選復合酶法去除麥麩中淀粉的最佳條件。

表1正交試驗因素和水平表

Table1Factorsandlevelstableoforthogonaltest

水平α?淀粉酶與γ?淀粉酶比例(A)復合酶添加量(B)(%)酶解溫度(C)(℃)酶解時間(D)(min)pH值(E)18：20．340805．027：30．545905．536：40．7501006．045：50．9551106．5

2 結果與分析

2.1 小麥麩皮中總膳食纖維含量

小麥麩皮成分測定結果顯示，麥麩中總膳食纖維(Total dietary fiber，TDF)含量達到41.56%，這與張國真等[12]和陳建寶[13]的測定結果一致。不溶性膳食纖維含量(Insoluble dietary fiber，IDF)為37.25%，占總膳食纖維的89.26%，可溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber，SDF)含量為4.31%，僅占總膳食纖維的10.37%。其余成分含量分別為淀粉30.77%、蛋白質14.82%、粗脂肪3.86%、灰分7.69%、水分9.65%。淀粉是提取麥麩中膳食纖維的主要影響因素，去除麥麩中淀粉是制備膳食纖維工藝中的關鍵環節。

2.2 麥麩淀粉酶解過程中單因素對淀粉殘留率的影響

2.2.1 料液比對麥麩中淀粉殘留率的影響 參考曹新志等[14-15]、馮志強等[16]的研究結果，確定α-淀粉酶與γ-淀粉酶比例為 7∶3，復合酶添加量為0.5%(相對于麥麩總量而言)，酶解時間設為90 min，溫度為45 ℃，pH為5.0。在此條件下研究料液比與淀粉殘留率的關系，淀粉殘留率計算方法為淀粉殘留率=干麥麩淀粉質量/干麥麩質量×100%[17]。由圖1可知，料液比從 1∶8 增加到 1∶12的過程中，淀粉殘留率顯著降低；料液比從 1∶12到 1∶16，淀粉殘留率有下降趨勢，但是不顯著，可能是由于料液比過大時復合酶被稀釋，淀粉的水解效果下降。在膳食纖維的實際生產工藝中，料液比過低可能會影響膳食纖維的提取效率，比例過高提取效率增加有限，因此綜合考慮，選擇料液比 1∶12作為優化參數。

1′、2′、3′、4′、5′、6′、7′、8′、9′、10′分別表示α-淀粉酶與γ-淀粉酶比例為10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8、1∶9。圖1 麥麩淀粉酶解過程中單因素對淀粉殘留率的影響Fig.1 Effects of single factors on residual rate of starch in enzymolysis process of wheat bran starch

2.2.2 復合酶比例對麥麩中淀粉殘留率的影響 確定料液比為1∶12，復合酶添加量為0.5%，酶解時間設為90 min，溫度為45 ℃，pH為5.0。在此條件下研究α-淀粉酶和γ-淀粉酶比例與淀粉殘留率的關系。由圖1可以看出，α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例從10∶0減少到1∶9的過程中，淀粉殘留率呈現先下降而后又上升的趨勢。當兩種酶的比例為 7∶3時，淀粉殘留率最低，僅為0.65%；當α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例為 10∶0，即僅有α-淀粉酶時，麥麩中淀粉殘留率為0.9%；當α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例為1∶9時，淀粉殘留率為1.48%。前人研究結果表明，α-淀粉酶作用于淀粉，γ-淀粉酶作用于α-淀粉酶酶解后的產物，當α-淀粉酶與γ-淀粉酶比例合適時，水解速度會加快，并且水解更為完全[18]。

2.2.3 復合酶添加量對麥麩中淀粉殘留率的影響 確定料液比為1∶12，α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例為 7∶3，酶解時間設為90 min，溫度為45 ℃，pH為5.0。在此條件下研究復合酶添加量與麥麩中淀粉殘留率的關系。由圖1可知，復合酶用量在0.1%至0.7%之間，淀粉殘留率逐漸下降，復合酶用量0.7%時淀粉殘留率最低，然后隨著復合酶用量的增加，淀粉殘留率反而迅速增加。這可能是因為當α-淀粉酶和γ-淀粉酶的添加量過高時增加了溶液黏性，使淀粉酶的活性受到了抑制，水解不夠徹底，淀粉殘留率增加。

2.2.4 酶解溫度對麥麩中淀粉殘留率的影響 確定料液比為1∶12，α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例為7∶3，復合酶添加量為0.5%，酶解時間設為90 min，pH為5.0。在此條件下研究酶解溫度與淀粉殘留率的關系。由圖1可以看出，淀粉殘留率隨著酶解溫度的上升先減小后又逐漸增加。當溫度分別從35 ℃上升到45 ℃時，殘留率從1.30%下降到0.62%；當酶解溫度升高到55 ℃時，淀粉殘留率升高到1.00%。溫度影響酶的活性，只有當溫度處于該酶的最佳溫度下時，才能最大程度發揮其活性。α-淀粉酶和γ-淀粉酶分別有其最適的溫度，而當兩者共同作用時，即淀粉酶的酶解效果最好。本試驗中，最佳溫度為45 ℃，此時淀粉殘留率最低。

2.2.5 酶解時間對麥麩中淀粉殘留率的影響 確定料液比為1∶12，α-淀粉酶和γ-淀粉酶的比例為7∶3，復合酶添加量為0.5%，酶解溫度45 ℃，pH為5.0。在此條件下研究酶解時間與淀粉殘留率的關系。由圖1可以看出，隨著酶解時間從60 min增加到100 min，麥麩中淀粉殘留率逐漸下降，從1.22%降低到0.60%。當酶解時間從100 min增加到120 min時，麥麩中淀粉殘留率又開始上升，從0.60%上升到1.12%。酶解時間為100 min時淀粉殘留率最低，為0.60%。當酶解時間大于100 min后，淀粉殘留率反而上升，可能是由于酶解時間過長，導致溶液的黏度增加，聚集成團，抑制了復合酶的活性。

2.2.6 pH值對麥麩中淀粉殘留率的影響 確定料液比為1∶12，α-淀粉酶和γ-淀粉酶的比例為7∶3，復合酶添加量為0.5%，酶解溫度為45 ℃，時間為90 min。在此條件下研究pH值與淀粉殘留率的關系。由圖1可知，隨著pH值從4.5升高到6.5，淀粉殘留率先逐漸減小而后又逐漸增加。pH 5.0時殘留率為0.62%，當pH為5.5時殘留率為0.60%，相差不大，此時麥麩中淀粉殘留率均為最低。pH值影響酶活性，過酸或過堿都能使酶的分子結構遭到破壞而失去活性。α-淀粉酶與γ-淀粉酶有各自最適宜的pH[19]，但當它們共同作用時，最適pH在5.0到5.5之間。

2.3 麥麩中淀粉酶解工藝的最佳條件

固定料液比為1∶12，選用α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例(A)、復合酶添加量(B)、酶解溫度(C)、酶解時間(D)、pH值(E)共5個因素，進行正交試驗，采用L16(45)的方式，以酶解后麥麩中淀粉殘留率為評價指標，分析復合酶去除麥麩中淀粉的最佳工藝條件。正交試驗結果(表2)顯示，α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例、復合酶添加量、酶解時間、酶解溫度以及pH值對淀粉殘留率均有不同程度的影響。分析極差值可以發現，上述因素對淀粉殘留率的影響由大到小排序為：復合酶比例>溫度>復合酶添加量>時間>pH值，最佳條件為A3B3C1D2E4。即為復合酶比例6∶4、復合酶添加量0.7%、酶解溫度40 ℃、酶解時間90 min、pH 6.5，此時酶解后的麥麩中淀粉殘留率僅為0.62%。

表2α-淀粉酶和γ-淀粉酶水解淀粉正交試驗結果

Table2Orthogonaltestresultsofhydrolyzedstarchwithα-amylaseandγ-amylasecomplex

序號因素水平ABCDE淀粉殘留率(%)1111111．482122221．623133331．084144441．025212341．526221431．217234120．818243210．909313421．0110324310．7311331240．6212342130．9213414231．0214423141．5215432411．3216441321．09K15．225．034．404．734．43K24．445．085．384．164．53K33．283．834．514．424．23K44．953．933．584．564．68極差1．941．251．800．570．45

各因素水平見表1。

3 結 論

本試驗以麥麩作為原料，研究了麥麩膳食纖維制備過程中淀粉水解工藝。試驗中以料液比、α-淀粉酶與γ-淀粉酶比例、復合酶添加量、酶解溫度、酶解時間、pH值為單因素，淀粉殘留率為評定指標，分析了各單因素對淀粉殘留率的影響。單因素試驗結果表明，料液比、α-淀粉酶與γ-淀粉酶比例、復合酶添加量、酶解溫度、酶解時間、pH值均對淀粉殘留率有影響。在單因素試驗的基礎上，固定料液比為1∶12，再采用L16(45)進行正交試驗，結果顯示，當α-淀粉酶與γ-淀粉酶的比例為6∶4、復合酶添加量為0.7%、酶解溫度為40 ℃、酶解時間為90 min、pH值為6.5時，所得麥麩中淀粉殘留率最低，僅0.62%。酶解法提取膳食纖維具有提取條件較為溫和，耗能較少，操作過程較為簡便等優點，有利于降低環境污染，復合酶法比單純酶法提取效果更好，特別適合于淀粉含量高的原料。

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