酶法輔助提取小米多酚的工藝研究

魏春紅 何麗娜 丁聞浩 鹿保鑫 曹龍奎

(黑龍江八一農墾大學食品學院1，大慶 163319)(國家雜糧工程技術研究中心2，大慶 163319)

小米(Setariaitalica)，亦稱作谷子，是一類小種可食用禾本科植物的總稱，主要種植于干燥帶邊緣、溫帶、亞熱帶和熱帶地區，是全球第六大重要谷物[1]。小米是我國一種主要食用的雜糧，產于東北、華北地區。小米富含蛋白質、氨基酸、維生素及優質的不飽和脂肪酸，具有防止動脈硬化、減少心腦血管疾病、降血壓和抗癌等重要作用[2]，這些功能主要是由許多微量營養元素和小米中的植物化學物質，包括抗性淀粉、抗氧化劑如酚酸和類黃酮，以及激素活性化合物，如木脂素和植物甾醇[3]，相比于其他的雜糧物質，小米中多酚的含量與種類更加的豐富[4]。

近年來，多酚類物質成為國內外食品界研究的重點之一，大量的實驗與研究表明多酚類物質具有獨特的生理功效與藥用價值，市場前景廣闊。其可以廣泛應用于食品的抗氧化、防腐與澄清等方面；在農業生產中，可與多種微量元素螯合物處理蘋果樹和銀杏樹，使蘋果增產19.8%～25.4%，銀杏葉增產25.5%[5]；而在醫藥領域，還可作為抗菌、抗病毒、抗癌的天然藥物[6]。盡管多酚有諸多作用，但國內多酚的提取率相對較低[7]，而且提取方法的差異對提取率的影響非常大。為了有效獲取小米中的多酚，研究者們已通過多種途徑提取。最常用的方法是溶劑提取法[8]，此法處理時間長、提取效率低，雖然通過一些輔助的提取方法如微波[9]、超聲波[10]等可以適當的提高多酚的得率[11-12]，但始終無法避免大量有機試劑如乙醇的使用，造成了不可避免的環境污染和能源浪費。近幾年，一些研究人員利用酶法來輔助多酚的提取，取得了理想的效果[13-15]，如利用木瓜蛋白酶酶解核桃粕蛋白產物[16]，利用α-淀粉酶水解制備銀杏抗性淀粉[17]。與其他方法相比，酶處理方法具有快速、高效、溫和、專一性強等諸多優點，并且在成本和使用上更加簡便，對設備和工藝的要求也較少[18]。但目前，利用酶法提取小米多酚還鮮見報道。

本研究利用小米作為原料，采取單因素與響應面為研究手段，將酶法引入到小米中多酚的提取工藝中，以期提高小米中多酚的得率，為小米資源的進一步開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 原料

武安小米：產于河北省邯鄲市武安市，蛋白質質量分數約為9.2%～14.3%，粗脂肪質量分數3.0%～4.6%。

沒食子酸：上海一研生物科技有限公司；福林酚：北京華邁科生物技術有限責任公司；木瓜蛋白酶(6 000 U/g)：滕州市天水生物科技有限公司；α-淀粉酶(40 000 U/g)：邢臺萬達生物工程有限公司；DPPH、TPTZ：美國Sigma公司。

1.2 主要儀器設備

WKF-20BZ高速萬能粉碎機：北京格瑞德曼儀器設備有限公司； SP-752/752PC紫外可見分光光度計：上海光譜儀器有限公司； CTK120C離心機：湘儀離心機儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 酶法輔助提取工藝流程及操作要點

小米→40 ℃烘箱處理5 h→粉碎篩分→稱取定量樣品按0.8%添加酶液→設定酶解條件→過濾→離心→上清液→定容→檢測多酚含量。

將小米去雜、磨碎、過篩，準確稱取一定量的小米粉，加入石油醚索式抽提得到小米脫脂產物，4 ℃下儲藏備用。精密稱取一定質量脫脂小米粉放入錐形瓶中，調整其pH至5.0，隨后加入1%的木瓜蛋白酶與α-淀粉酶，二者比例為1∶1(m/m)，分別調整不同的酶的添加量、酶解時間跟酶解溫度，過濾，收集濾液，將濾液離心得到上清液，減壓蒸餾得到濃縮液，取濃縮液1 mL定容至10 mL，測吸光度并計算多酚得率。

1.3.2 多酚含量測定方法

1.3.2.1 總酚標準曲線繪制

精確稱取沒食子酸標準品25 mg，去離子水溶解后定容于250 mL容量瓶中，得0.1 mg/mL的對照品標準溶液。精密吸取對照樣品溶液0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL于10 mL容量瓶中，再加入1 mL Folin-Cio-calteau試劑，搖勻后加入2 mL 15%Na2CO3溶液定容10 mL，常溫下讓其反應2 h，在760 nm處測定其吸光值。得回歸方程為：y=12.861x+0.0829，R2=0.999 0。Y為吸光度值，X為沒食子酸含量(mg)。

1.3.2.2 總多酚含量的測定

以Foiri-Ciocalteu法[19]測定總多酚含量，以沒食子酸作為標準物。

用移液槍移取1mL待測樣品，添加Foiri-Ciocalteu溶液，隨后，添加2 mL 15%的Na2CO3溶液，將其充分搖勻后，常溫放置2 h，隨后在760 nm處測定其吸光值。

1.3.3 抗氧化性測定

1.3.3.1 DPPH自由基消除能力測定

取0.5 mL樣品，加入2.5 mL含100 μmol/L DPPH的乙醇溶液，混勻，室溫放置30 min后，5 000 r/min離心5 min，在517 nm處測定吸光值(A樣)，以5 000 r/min離心5 min過后的上清液調儀器零點；同時檢測2.5 mL含 100 μmol/L DPPH 的乙醇溶液與0.5 mL蒸餾水的吸光值(A0)。對DPPH自由基的清除率=[(A0-A樣)/A0]×100%。

1.3.3.2 FRAP法測定抗氧化能力

配制不同質量濃度的FeSO4溶液50 μL，各加入3.0 mL TPTZ工作液，37 ℃水浴30 min，測定595 nm處的吸光度。以蒸餾水為空白樣調零。以吸光度為縱坐標，FeSO4質量濃度為橫坐標繪制標準曲線。取1.0 mL樣品，以蒸餾水定容到10 mL，準確吸取稀釋液50 μL，加入3.0 mL TPTZ工作液，37 ℃水浴30 min，測定595 nm處的吸光度。抗氧化能力用FeSO4標準溶液的濃度來表示。

1.3.4 單因素實驗

為獲得小米中的多酚含量，分別對液料比10 ∶1、12∶1、14∶1、16∶1、18∶1(V/m)、雙酶添加量為0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%，酶解時間1、1.5、2、2.5、3 h，酶解溫度20、30、40、50、60 ℃做單因素實驗，以確定各因素的最佳水平。

1.3.5 響應面優化工藝參數

為了確定最優酶法輔助提取小米多酚工藝條件，以單因素實驗為基礎，利用響應曲面法對其進行優化處理，即以液料比、雙酶添加量、酶解時間、酶解溫度為自變量，多酚得率為響應值，設計四因素三水平優化實驗。其實驗因素水平如表1所示。

表1 Box-Behnken 實驗因素水平表

1.4 數據處理

所有數據通過3次測定后取得平均值，用Origin9.1作圖，SPSS V19.0分析其顯著性，響應面分析采用Box-Behnken模型。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果與分析

2.1.1 液料比對小米多酚得率的影響

由圖1可見，隨著料液比的不斷上升，小米中的多酚得率呈現出先快速上升，后緩慢下降的趨勢。在液料比為14∶1時，其多酚的得率最高，為4.80 mg/g。這是因為伴隨著液料比的不斷增加，溶劑和小米之間的接觸面增大，從而有利于小米多酚的溶出[20]，但當液料比的比值過高時，由于酶與底物的接觸會由于稀釋過度而受限，酶的作用受到抑制，進而影響了多酚的提取率。不僅如此，過大的料液比在實際的生產過程中不僅增加了水的消耗，并且增加后續的濃縮成本，對后續加工造成困難因此，選擇液料比為14∶1做為最適宜液料比。

2.1.2 雙酶添加量對小米多酚得率的影響

從圖1中可以發現，隨著復合酶用量增加，多酚含量明顯上升。這是因為淀粉酶在適宜的介質中可以水解小米中的淀粉，有助于與淀粉結合的部分多酚釋放，這與呂俊麗等[21]研究莜麥中多酚的提取的結果相一致，但當雙酶的添加量超過0.9%時，多酚的含量卻呈現出下降的趨勢。雖然適量木瓜蛋白酶可以通過破壁改變細胞壁的通透性，使得細胞壁破裂增加有效成分的溶出，提高多酚的提取率，但是多酚的分子可以與蛋白質和氨基酸發生很強的絡合反應，而酶是具有催化活性的蛋白質，當酶過量時就會與多酚絡合[22]，而且當繼續增加酶量，酶與底物的接觸面積過剩，會降低反應速率，不僅總酚溶出會降低，而且會增加投入，進而減少了溶液中可提取的多酚的含量。

2.1.3 酶解時間對小米多酚得率的影響

從圖1能發現，伴隨著酶解時間的不斷延長，小米多酚得率也不斷的上升，在2 h時便達到最大值，隨著酶解時間的繼續延長，其多酚得率趨于穩定。這是由于隨著酶解時間的不斷變化，小米細胞壁與細胞間層的纖維素的隔層被有效破壞，多酚便可以更容易地從細胞內流出，但當達到適宜的時間后，其多酚類物質在細胞內外處于平衡的狀態，更長的酶解時間對其作用影響不大，反而會由于更長時間的酶解使得小米中的多酚產生不必要的損失，甚至于發生氧化反應，導致酚類的含量有所降低[23]。因此，考慮到時間與生產成本等因素，選擇酶解時間2 h為宜。

2.1.4 酶解溫度對小米多酚得率的影響

圖1中，在適宜的溫度范圍內，溫度升高，小麥中多酚得率也有所增加，在40 ℃ 時其多酚的得率達到了最大值。這是因為：一方面木瓜蛋白酶與α-淀粉酶酶解活力隨溫度升高而增強，使反應速率加快；另一方面，在加熱過程中，淀粉本身可發生膨脹并釋放直鏈淀粉，隨著加熱的進行，淀粉顆粒破裂，使得多酚物質得以從籠形包含物中釋放出來，因此，多酚得率隨之增加[24]。有研究表明，酶解作用是促進小麥粉中多酚釋放的主要原因[25]。當溫度進一步提高過程中，多酚得率反而降低。這是因為溫度持續升高，導致酶活力減弱，穩定性降低，且高溫還可能會破壞已提取出來的多酚結構[10]，故選取40 ℃為最佳酶解溫度。

圖1 液料比、復合酶用量、 酶解時間、 酶解溫度對小米多酚得率的影響

2.2 響應面法對小米多酚提取工藝的優化

在單因素實驗的基礎上，選取液料比、雙酶添加量、酶解時間、酶解溫度為4個影響因素，將響應R值確定為多酚得率，其實驗方案與設計見表2。

表2 實驗方案及結果

通過統計分析軟件Design-Expert進行數據分析，得到關于R的方程為：

R=4.81+0.045A+0.043B-0.022C-5.833E-003D+0.13AB+0.022AC+2.500E-003AD+0.040BC-0.14BD+5.000E-003CD-0.98A2-0.70B2-0.54C2-0.41D2

表3 方差分析

由回歸系數的顯著性檢驗可知，液料比與雙酶添加量、雙酶添加量與酶解溫度的交互作用達到顯著水平(P<0.05)。響應面越陡，各因素之間的兩兩交互作用越顯著。液料比在 13∶1～15∶1、 雙酶添加量0.8%～1%的范圍內存在極值，即兩者之間存在較好的交互作用。在液料比為13∶1～14∶1之間時，隨著雙酶添加量的增大，總多酚得率增加，在液料比為14∶1～15∶1之間時，隨著雙酶添加量的增大，總多酚得率減少。雙酶添加量在0.8%～1.0%，酶解溫度在39～41 ℃之間存在極值，在雙酶添加量0.8%～0.9%之間，隨著酶解溫度的增加，總多酚得率增加，在雙酶添加量0.9%～1.0%之間，隨著酶解溫度的增加，總多酚得率降低。

通過模型得到的結果為：液料比為14.05∶1、雙酶添加量為0.91%、酶解時間為1.99 h、酶解溫度為39.94 ℃，所能提取到的多酚得率為4.81 mg/g。結合實際生產中的工藝水平，調整到：液料比為14∶1、雙酶添加量為0.9%、酶解時間為2 h、酶解溫度為40 ℃。

為了驗證更為可靠的數據，采用工藝條件進行3次實際提取，結果見表5，所得到的多酚得率平均值為4.83 mg/g，與理論預測值相差0.02 mg/g。所以，通過本方法優化的工藝條件準確可靠。

由表4對比實驗結果可知，在不加酶條件下提取小米中多酚得率為3.95 mg/g，比加酶提取工藝低0.88 mg/g。由此可見，在小米多酚的提取工藝中，通過添加木瓜蛋白酶與α-淀粉酶可以調高小米多酚的含量。

表4 驗證和對比實驗結果

2.3 抗氧化能力的對比

由表5可見，在木瓜蛋白酶與α-淀粉酶作用后，樣品的自由基消除能力有所增加，從未處理樣品的76.51%提高到83.42%，提升了9.03%，抗氧化能力也有所提高，未處理樣品為2.96，處理后樣品為3.67，提升力23.99%，因此，通過雙酶法提取小米多酚不僅可以提升其多酚的含量，也可以提升小米的抗氧化能力。

表5 抗氧化能力的對比

3 結論

以單因素實驗為基礎，考察了液料比、雙酶添加量、酶解時間、酶解溫度對小米多酚得率的影響。由響應面分析實驗得出，液料比、雙酶添加量是影響小米多酚得率的主要因素，其中液料比的影響最為顯著。通過回歸分析確定小米多酚提取的最佳工藝液料比為14∶1、雙酶添加量為0.9%、酶解時間為2 h、酶解溫度為40 ℃。這種處理條件下，小米多酚得率可達4.83 mg/g，比未添加酶處理的樣品高0.95 mg/g。不僅如此，還可以提升小米的抗氧化能力。由驗證實驗結果可以發現，利用響應曲面優化小米多酚的提取工藝條件在實踐上具有可操作性。而酶法輔助提取小米多酚具有條件簡便、耗時較短、反應條件溫和、經濟成本低與高效率的優勢，其研究價值值得肯定。