響應(yīng)面優(yōu)化濕熱法降解糙米中植酸的研究

黃金梅，李靜，寧恩創(chuàng)，居詩瑤

（廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西南寧530004）

近幾年，全谷物食品的開發(fā)和消費逐漸成為一種流行趨勢[1]。糙米，作為全谷物食品的重要原料之一，其含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，如脂肪、蛋白質(zhì)、淀粉、維生素和功能性成分，能提供比精米更全面的基本營養(yǎng)素[2]。這些功能性成分包括：谷胱甘肽、膳食纖維、米糠脂多糖、γ-氨基丁酸、γ-谷維醇等，它們大多都具有增強(qiáng)免疫力、預(yù)防心血管疾病、抗氧化等生理功能[3]。目前，國外已研發(fā)出一系列的糙米全谷物食品，如發(fā)芽糙米食品、營養(yǎng)速食糙米粉、糙米烘焙食品等。我國對糙米產(chǎn)品的研發(fā)起步較晚，相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模不大，種類較少[4]。隨著生活水平的提高，人們需要更健康、營養(yǎng)、保健的食品，而糙米作為一種全谷物食品原料，來源豐富，營養(yǎng)價值高，具有廣闊的開發(fā)前景[5]。

糙米食品在開發(fā)的過程中仍存在一些問題，抗?fàn)I養(yǎng)因子植酸的存在是主要問題之一。植酸，也稱為六磷酸肌醇，是屬于維生素B族的肌醇類物質(zhì)[6]。其易與微量元素結(jié)合，形成金屬螯合物，導(dǎo)致人體對微量元素的吸收利用率低[2]。此外，植酸與蛋白質(zhì)結(jié)合形成植酸-蛋白質(zhì)不溶性復(fù)合物，從而阻礙蛋白質(zhì)的吸收利用[7]。如何降低糙米中植酸含量是當(dāng)前需解決的問題。目前有關(guān)降低糙米植酸含量的研究有很多，但研究濕熱法對糙米植酸的去除卻很少。本研究旨在通過響應(yīng)面優(yōu)化濕熱法來降低糙米中植酸含量，改善糙米營養(yǎng)缺陷，進(jìn)而有效利用糙米營養(yǎng)資源，為糙米及以糙米為原料的食品開發(fā)和利用提供一定的借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 原料

雜優(yōu)早稻：由廣西國泰米業(yè)公司提供。

1.2 試劑

磷酸二氫鉀、氯化鈉、氫氧化鈉、磷酸氫二鈉、乳酸、乙酸、乙酸鈉、三氯化鐵、硫酸鈉、亞硫酸鈉、檸檬酸、檸檬酸鈉、磺基水楊酸、陰離子交換樹脂、對苯二酚、鹽酸、植酸鈉（純度98%），（均為分析純）：上海一研生物科技有限公司；鉬酸銨：Sigma公司。

1.3 儀器與設(shè)備

DHG-9123A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏實驗設(shè)備有限公司；HW.SY21-K電熱恒溫水浴：北京市長風(fēng)儀器儀表公司；GL-21M磁力攪拌器：湖南湘儀離心機(jī)儀器公司；LXJ-ⅡB離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器公司；FA1104H分析天平：上海精密科學(xué)儀器有限公司；T6新世紀(jì)紫外可見分光光度計：北京華威興業(yè)科技有限公司；BLH-3250礱谷機(jī)：宏泰糧食公司。

1.4 方法

稱量50 g原料，用冷水清洗干凈，然后加一定倍數(shù)的浸泡液進(jìn)行浸泡處理，目的是激活內(nèi)源植酸酶，同時使原料中的植酸盡可能游離出來。然后進(jìn)行一定時間的恒溫保濕，使內(nèi)源植酸酶活性達(dá)到最大，使糙米植酸充分降解。文獻(xiàn)報道[8]，糙米只有達(dá)到一定的水分活度，其中的內(nèi)源植酸酶才可能被激活。同時谷物中的植酸多以植酸鹽的形式存在，植酸鹽只有在酸性條件下才能游離出來，因此采用酸浸處理[9]。本試驗著重探討浸泡條件及恒溫保濕條件對糙米植酸降解率的影響。濕熱過程流程圖如圖1所示。

圖1 濕熱法降解糙米中植酸工藝流程圖Fig.1 Flow chart of hydrothermal degradation of phytic acid in brown rice

1.4.1 植酸含量的測定

參照GB 5009.153-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中植酸的測定》。

1.4.2 單因素試驗

對濕熱法中浸泡液及其pH值、液料比、恒溫保濕溫度、恒溫保濕時間、浸泡次數(shù)、第n（n＞1）次恒溫保濕溫度進(jìn)行單因素試驗，分別研究6個因素對糙米植酸降解率的影響。

1.4.2.1 不同浸泡液對糙米植酸降解率的影響

乳酸溶液：浸泡液濃度設(shè)為0.0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%6個梯度，其他條件固定為：液料比1.5∶1（mL/g），恒溫保濕溫度 55 ℃，恒溫保濕時間 21 h，浸泡1次。

乙酸-乙酸鈉緩沖液：浸泡液pH值設(shè)為3.8、4.2、4.6、5.0、5.4、5.8、6.2 7個梯度，其他條件固定為：液料比1.5∶1（mL/g），恒溫保濕溫度 55 ℃，恒溫保濕時間 21 h。

磷酸氫二鈉-檸檬酸鈉緩沖液：浸泡液pH值設(shè)為2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5 6 個梯度，其他條件固定為：液料比 1.5∶1（mL/g），恒溫保濕溫度 55 ℃，恒溫保濕時間21 h，浸泡1次。

檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液：浸泡液pH值設(shè)為2.8、3.2、3.6、4.0、4.4、4.8、5.2、5.6、6.0 9 個梯度，其他條件固定為：液料比 1.5∶1（mL/g），恒溫保濕溫度 55 ℃，恒溫保濕時間21 h，浸泡1次。

測定不同浸泡液處理的糙米植酸降解率，獲得適宜的浸泡液及其pH值。

1.4.2.2 液料比對糙米植酸降解率的影響

液料比設(shè)為 0.5∶1、1.0∶1、1.5∶1、2.0∶1、3.0∶1、4.0∶1、5.0∶1、6.0∶1（mL/g）8 個梯度。其他條件固定為：pH4.6 乙酸-乙酸鈉浸泡液，恒溫保濕溫度55℃，恒溫保濕時間21 h，浸泡1次。測定不同液料比的糙米植酸降解率，獲得適宜的液料比。

1.4.2.3 恒溫保濕溫度T1對糙米植酸降解率的影響

恒溫保濕溫度設(shè)為 40、45、50、55、60、65、70 ℃ 7個梯度。其他條件固定為：液料比 1.5∶1（mL/g），pH4.6 乙酸-乙酸鈉浸泡液，恒溫保濕時間21 h，浸泡1次。測定不同溫度的糙米植酸降解率，獲得適宜的恒溫保濕溫度。

1.4.2.4 恒溫保濕時間對糙米植酸降解率的影響

恒溫保濕時間設(shè)為 2、7、12、17、22、27、32 h 7 個梯度。其他條件固定為：液料比 1.5∶1（mL/g），pH4.6 乙酸－乙酸鈉浸泡液，恒溫保濕溫度55℃，浸泡1次。測定不同時間的糙米植酸降解率，獲得適宜的恒溫保濕時間。

1.4.2.5 浸泡次數(shù)對糙米植酸降解率的影響

浸泡次數(shù)設(shè)為1、2、3次3個梯度，其他條件固定為：1）1 次浸泡：液料比 1.5∶1（mL/g），pH4.6 乙酸－乙酸鈉浸泡液，恒溫保濕溫度T1為55℃，恒溫保濕時間為12 h；2）2次浸泡：在1次浸泡的基礎(chǔ)上，進(jìn)行第2次浸泡1 h，恒溫保濕溫度為55℃，恒溫保濕時間為7 h；3）3次浸泡：在1、2次浸泡的基礎(chǔ)上，進(jìn)行第3次浸泡1 h，恒溫保濕溫度為55℃，恒溫保濕時間為4 h。測定不同浸泡次數(shù)處理的糙米植酸降解率，獲得適宜的浸泡次數(shù)。

1.4.2.6 第n（n＞1）次恒溫保濕溫度對糙米植酸降解率的影響

第二次恒溫保濕溫度 T2設(shè)為 40、45、50、55、60、65、70℃7個梯度。其他條件固定為：液料比1.5∶1（mL/g），pH4.6乙酸－乙酸鈉浸泡液，第一次恒溫保濕溫度T1為55℃，浸泡次數(shù)2次。測定第2次不同恒溫保濕溫度T2的糙米植酸降解率，獲得適宜的溫度。

1.4.3 中心組合設(shè)計試驗

在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，以第一次恒溫保濕溫度T1（X1）、第二次恒溫保濕溫度T2（X2）、乙酸－乙酸鈉浸泡液pH值（X3）為自變量，以糙米植酸降解率為響應(yīng)值（Y），進(jìn)行中心組合設(shè)計，中心組合設(shè)計各因素水平如表1所示。

表1 中心組合試驗因素和水平Table1 Experimentalfactorsandlevelsincentralcompositedesign

1.4.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用SPSS17.0統(tǒng)計軟件對單因素各水平進(jìn)行差異顯著性分析。分析方法采用單因素方差分析的同類子集，均值差的顯著水平為0.05。采用Design－Expert 8統(tǒng)計分析軟件，對響應(yīng)面進(jìn)行多元二次回歸分析，建立稻谷植酸降解率的二階響應(yīng)回歸模型，并對回歸模型進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.2 單因素試驗結(jié)果分析

2.2.1 不同浸泡液對糙米植酸降解率的影響

乳酸溶液濃度對植酸降解率的影響見圖2。

圖2 乳酸溶液濃度對植酸降解率的影響Fig.2 Effect of concent rations of lacti cacid solution on phytic acid degradation rate

由圖2可知，稻谷在乳酸濃度0.0%～2.0%范圍內(nèi)處理，植酸降解率先升后平緩。0.0%～0.8%范圍內(nèi)，降解率隨著乳酸濃度的提高而上升，0.8%濃度時降解率達(dá)到最大值55.70%。當(dāng)乳酸濃度大于0.8%后，植酸降解率無顯著變化趨勢。

不同pH值乙酸－乙酸鈉緩沖液對植酸降解率的影響見圖3。

圖3 不同pH值乙酸-乙酸鈉緩沖液對植酸降解率的影響Fig.3 Effect of different pH of aceti cacid-sodium acetate buffer solution on phytic acid degradation rate

由圖3可知，稻谷在乙酸－乙酸鈉緩沖液pH3.8～6.2范圍內(nèi)處理，植酸降解率呈先升后降趨勢，且差異明顯，pH4.6時降解率達(dá)到最大值59.49%。

不同pH值磷酸氫二鈉－檸檬酸緩沖液對植酸降解率的影響見圖4。

由圖4可知，稻谷在磷酸氫二鈉－檸檬酸緩沖液pH2.5～7.5范圍內(nèi)處理，植酸降解率呈下降趨勢，pH2.5時降解率達(dá)到最大值47.50%，且pH2.5與0.8%乳酸（pH2.0）的pH值接近，但降解效果比0.8%乳酸差。隨著pH值的增大，降解率不斷下降，總體上該法不適合采用。

圖4 不同pH值磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液對植酸降解率的影響Fig.4 Effect of different pH of NA buffer solution on phytic acid degradation rate

不同pH值檸檬酸－檸檬酸鈉緩沖液對植酸降解率的影響見圖5。

圖5 不同pH值檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液對植酸降解率的影響Fig.5 Effect of different pH of citric acid sodium citrate buffer solution on phytic acid degradation rate

由圖5可知，稻谷在檸檬酸－檸檬酸鈉緩沖液pH2.8～6.0范圍內(nèi)處理，植酸降解率呈先降再升后降的趨勢。pH偏酸性時，在pH2.5緩沖液中有較高降解率47.16%，與磷酸氫二鈉－檸檬酸緩沖液有類似結(jié)果。在pH4.8緩沖液中達(dá)到降解率最大值49.00%，且pH4.8緩沖液與乙酸－乙酸鈉緩沖液pH4.6的pH值相似，但降解率較低，故總體上該法不適合采用。

綜合4種浸泡液的植酸降解率和趨勢變化，乙酸－乙酸鈉緩沖液對植酸降解效果在pH4.6最好，且降解趨勢明顯，降解效果在pH4.2～5.0范圍內(nèi)較好，pH值接近中性，降解率呈下降趨勢。故綜合考慮選用pH4.2～5.0乙酸－乙酸鈉緩沖液作為浸泡液進(jìn)行后續(xù)研究。

2.2.2 液料比對糙米植酸降解率的影響

液料比對植酸降解率的影響見圖6。

圖6 液料比對植酸降解率的影響Fig.6 Effect of the liquid-solid ratio on phytic acid degradation rate

由圖6可知，植酸降解率隨液料比增加呈先升后降趨勢。液料比為 0.5 ∶1（mL/g）～1.5 ∶1（mL/g）時，降解率提高顯著。液料比為0.5∶1（mL/g）時，降解率最低，可能是由稻谷不能完全浸濕所致。液料比大于等于1.5∶1（mL/g）時，稻谷完全浸濕，植酸完全浸提出來，因此降解率無明顯變化。為降低成本，節(jié)約溶劑用量，確定液料比為 1.5 ∶1（mL/g）。

2.2.3 恒溫保濕溫度T1對糙米植酸降解率的影響

恒溫保濕溫度T1對糙米植酸降解率的影響見圖7。

圖7 第一次恒溫保濕溫度T1對植酸降解率的影響Fig.7 Effect of the first thermostatic moisturizing temperature T1 on phytic acid degradation rate

由圖7可知，40℃～55℃內(nèi)，植酸降解率隨溫度增加而提高，在55℃時植酸降解率達(dá)到最大值，這可能是由于隨著溫度增加，溶液中分子動能增大，有利于植酸的降解[10]。55℃后降解率下降，一方面由于高溫下內(nèi)源植酸酶活性下降；另一方面是由于隨著溫度的升高，蛋白質(zhì)等物質(zhì)溶出，植酸與蛋白質(zhì)作用形成螯合物，使得植酸降解率下降[11]。故第一次浸泡和恒溫保濕溫度為55℃左右適宜。

2.2.4 恒溫保濕時間對糙米植酸降解率的影響

恒溫保濕時間對糙米植酸降解率的影響見圖8。

圖8 恒溫保濕時間對植酸降解率的影響Fig.8 Effect of thermostatic moisturizing time on phytic acid degradation rate

由圖8可知，植酸降解率隨恒溫保濕時間的延長而逐漸提高而后趨于平緩。2 h～12 h內(nèi)，降解率變化顯著，12 h時達(dá)到60.56%，12 h后降解率無明顯變化。這可能是由于隨著時間的延長，植酸逐漸溶出，同時蛋白質(zhì)等物質(zhì)也會溶出，與植酸形成螯合物，使得植酸降解率下降[9]。考慮到實際中的耗能問題，確定恒溫保濕時間為12 h。

2.2.5 浸泡次數(shù)對糙米植酸降解率的影響

浸泡次數(shù)對糙米植酸降解率的影響見圖9。

圖9 浸泡次數(shù)對植酸降解率的影響Fig.9 Effect of soaking times on phytic acid degradation rate

由圖9可知，1次浸泡降解率略低。2次和3次浸泡降解率均比1次浸泡的高，而3次浸泡和2次浸泡的效果無明顯變化，這與濕熱過程中水分含量有關(guān)。1次2 h的浸泡處理稻谷水分含量可達(dá)26%以上；而2次浸泡，由于經(jīng)過第一次浸泡后，稻谷再浸泡1 h，吸水接近飽和狀態(tài)；3次浸泡與2次浸泡效果無明顯變化，可能原因：一方面后期植酸含量越來越低，降解效果不顯著；另一方面稻谷的水分含量達(dá)到飽和，糊粉層細(xì)胞吸水膨脹死亡，活力下降，內(nèi)源植酸酶的合成分泌受到影響[8]。考慮到成本及耗能問題，確定浸泡次數(shù)為2次。

2.2.6 第二次恒溫保濕溫度T2對糙米植酸降解率的影響

第二次恒溫保濕溫度T2對糙米植酸降解率的影響見圖10。

圖10 第二次恒溫保濕溫度T2對植酸降解率的影響Fig.10 Effect of the second thermostatic moisturizing temperature T2on phytic acid degradation rate

由圖10可知，植酸降解率隨第2次恒溫保濕溫度的增加呈先升后降趨勢，50℃時植酸降解率達(dá)到最大值，50℃后降解率明顯下降，故第2次恒溫保濕溫度在50℃左右降解效果較佳。

根據(jù)以上單因素試驗結(jié)果，液料比確定為1.5 ∶1（mL/g），恒溫保濕時間確定為 12 h，浸泡次數(shù)確定為2次。通過比較4種不同浸泡液對植酸降解率的影響，確定pH4.2～5.0乙酸－乙酸鈉緩沖液作為浸泡液對植酸降解的效果較佳；第一次恒溫浸泡和保濕溫度在55℃左右對植酸降解效果較佳；第二次恒溫保濕溫度在50℃左右降解效果較佳。綜合各單因素對植酸降解率的影響，選取對植酸降解效果影響較大的3個因素進(jìn)行優(yōu)化試驗，即第一次恒溫保濕溫度T1（X1）、第二次恒溫保濕溫度T2（X2）、乙酸－乙酸鈉浸泡液pH值（X3）。

2.3 響應(yīng)優(yōu)化試驗結(jié)果分析

選用中心組合模型，做三因素五水平共20個試驗點的響應(yīng)面分析，采用Design－Expert 8統(tǒng)計分析軟件，對響應(yīng)面試驗結(jié)果（見表2）進(jìn)行多元二次回歸擬合，得到的回歸方程：

表2 試驗方案與結(jié)果Table 2 The experimental scheme and results

續(xù)表2 試驗方案與結(jié)果Continue table 2 The experimental scheme and results

2.3.1 方差分析

回歸模型方差分析見表3。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

由表3方差分析可看出，該模型具有極顯著性（P<0.01），擬合程度好（失擬項 P＞0.05），試驗誤差較小，可用于該試驗進(jìn)行分析和預(yù)測。方差分析表可知，X3，X12、X22、X32對植酸降解率的影響極顯著，X1、X2、X2X3對植酸降解率的影響顯著，而X1X2、X1X3對植酸降解率的影響不顯著。對植酸降解率影響大小的因素順序依次為：X3（pH值）＞X1（T1）＞X2（T2）。

2.3.2 響應(yīng)曲面分析

各因素之間的響應(yīng)面圖見圖11。

圖11 各因素之間的響應(yīng)面圖Fig.11 Response surface map of the various factors

根據(jù)回歸分析結(jié)果，作出的響應(yīng)面圖如圖11所示。響應(yīng)面圖反映了各因素的交互作用對響應(yīng)值的影響，由響應(yīng)面圖可以直觀地看出pH值和T2的交互作用對植酸降解率的影響最大，表現(xiàn)為曲線圖最陡峭，其次是pH值和T1的交互作用。

2.3.3 響應(yīng)面條件的確定

利用Design-Expert 8軟件對試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行分析，獲得最優(yōu)處理條件：T1=53.90℃，T2=50.46℃，pH=4.52℃，此時樣品植酸降解率為75.59%。考慮到實際操作的條件，最優(yōu)處理條件改為：T1=54℃，T2=51℃，pH=4.5。在此條件下，做3次平行試驗，植酸降解率平均值為75.62%，與理論值相比，誤差不大。因此優(yōu)化結(jié)果可靠，具有實際意義。

3 結(jié)論

本研究通過響應(yīng)面優(yōu)化濕熱法降解糙米植酸的工藝，得出的最佳工藝條件為：液料比1.5∶1（mL/g），在pH4.5的乙酸-乙酸鈉浸泡液中浸泡2 h（54℃），經(jīng)過濾在54℃恒溫保濕12 h；第二次投入浸泡液，浸泡1 h（51℃），經(jīng)過濾在51℃恒溫保濕7 h。經(jīng)處理，糙米植酸降解率提高到75.62%，與理論值相差不大。因此，采用響應(yīng)面法對濕熱法降解糙米植酸工藝條件進(jìn)行優(yōu)化具有可行性，建立的回歸模型可用于實際預(yù)測。