低蛋白大米的加工調制與優化研究

郭騏瑋，孫 濤

（邯鄲市第一中學，河北邯鄲 056006）

目前，慢性腎臟疾病（Chronic Kideny Disease，CKD）已經成為全球較為關注的公共健康問題，據中華醫學會腎臟病學會統計，2017年我國總患病人數達到1.33億人，而用于治療慢性腎病的醫療費用超過6 000億元。除了常規治療，CKD的飲食護理也很重要，低蛋白飲食（LowProtein Diet，LPD） 是治療CKD的有效方法。姜娜等人[1]研究發現，通過對CKD患者使用低蛋白飲食，可有效緩解CKD的病癥，且對高血壓、尿毒癥、高磷血癥等有一定的減輕作用。大米是我國餐食重要的主食之一，其米粒凱氏蛋白質含量在5.5%～8.5%，若CKD患者以普通大米作為主食，將導致體內的蛋白質含量增加，使病情更加惡化。目前，淀粉塑性再生米是大部分CKD患者低蛋白飲食主食之一，雖然蛋白含量為零，但是存在米粒形狀不規則、口感皮實、膠質感強且略帶有揮發性酸味等缺點。蛋白酶發酵脫蛋白法是利用蛋白酶能夠降解大米蛋白，使其轉化為可溶性肽的原理，將大米中的蛋白提取分離出來。日本學者研究發現，酸性蛋白酶水解大米蛋白的分解率達90%以上，并且制成的大米無酸味。而國內在酶法脫蛋白米的文獻報道較少，王文高等人[2]通過研究發現，蛋白酶的種類選取對大米蛋白的分解具有很大的影響。周常[3]研究表明，通過優化酶解條件，使酸性蛋白酶水解大米蛋白的分解率達73%以上，堿性蛋白酶水解大米蛋白的分解率達76%以上，制成的大米不僅與普通大米具有相同的外觀，而且口感較好。因此，選擇一個優良的低蛋白大米加工調制工藝，將大米脫蛋白，并保持與普通大米有相同的外觀和口感，讓CKD患者無需改變飲食習慣，對延緩慢性腎病、滿足慢性腎病患者的飲食需求具有重大意義。試驗以乳酸菌作為發酵菌種，通過Placket Burman與正交試驗優化酶解和發酵條件，降低大米中蛋白質含量，并保持外觀完整和口感品質，為工業化生產低蛋白大米提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與酶制劑

稻花香長粒米（蛋白含量6.8%）、盤錦蟹田大米（蛋白含量7.1%）、金龍魚稻香貢米（蛋白含量7.5%），均為市售；木瓜蛋白酶、風味蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶、酸性蛋白酶，食品級，活力單位10×109U/g，河南萬邦實業有限公司提供；乳酸菌，嗜熱鏈球菌，粉末狀固體，活菌量＞4×109CFU/g，常州益菌加生物科技有限公司提供；發酵袋，具有單向排氣閥裝置，規格30 cm×20 cm，袋裝容量1 000 g。

1.2 主要儀器設備

全自動凱氏定氮儀，濟南海能儀器股份有限公司產品。

1.3 試驗方法

工藝流程：清洗→發酵→酶解→清洗瀝干水分→干燥。

將大米放入發酵袋中，加水，調節pH值至一定值，加入乳酸菌發酵一定時間后，將大米與發酵液分離，大米用水清洗后加入酶，在設定溫度下反應，酶解完成后，將大米清洗干凈，置于60℃下烘箱烘干。

1.4 加工調制與優化試驗設計

1.4.1 Plackett Burman設計

采用Plackett Burman設計法對影響低蛋白大米制備后蛋白質含量影響的10個影響因素進行篩選，采取N=12的試驗設計[4]。

Plackett-Burman設計各因素水平及編碼見表1。

1.4.2 正交試驗設計

正交試驗設計是研究多因素多水平的一種設計方法，根據Plackett Burman試驗結果的關鍵因素進行試驗，具有均勻分散、齊整可比的特點，是一種高效、快速、經濟的試驗設計方法[5-6]。

表1 Plackett-Burman設計各因素水平及編碼

1.5 測定方法與數據統計

蛋白質含量的測定依據GB 5009.5—2010食品安全國家標準 食品中的蛋白質的測定。采用Design Expert軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 Plackett Burman試驗篩選主要影響因子

試驗以蛋白質含量為響應值，選用試驗次數N=12的試驗設計，對大米種類、乳酸菌與嗜熱菌用量比、菌液接種量、酶制劑種類、酶添加量、袋裝量、初始pH值、濕度、酶解溫度和酶解時間10個因素進行考查。每個因素取高低2個水平，另設2個虛擬變量，考查試驗誤差。

Plackett Burman試驗設計結果見表2。

表2 Plackett Burman試驗設計結果

利用Design Expert 8.0.5對試驗結果進行回歸分析，得到各影響因素的偏回歸系數及其顯著性。

偏回歸系數及影響因子的顯著性分析結果見表3，回歸模型方差分析結果見表4。

對表3進行分析可知，以因素B為例，偏回歸系數為0.32，影響水平E（xi）為1.32，為正效應，應適當增加該因素的水平；因素B對模型的貢獻率為20.21%，較其他因素具有明顯優勢，顯著性結果為重要（Significant）。10個因素中菌液接種比、酶制劑種類、酶添加量、酶解時間的貢獻率分別為20.21%，28.43%，15.14%，13.24%，總和為77.02%。

由表 4 可以看出，Prob（p）＞F=0.001 9＜0.01，表示擬合的線性回歸方程為極顯著。模型確定系數R2=0.932 1，這表示93.21%試驗數據的可變性可用此模型解釋。調整后的Radj2=0.842 1表示方程模型有很高的可信度。精密度是有效信號與噪聲的比值，大于4.0視為合理，試驗得出的精密度為16.31，說明模型擬合程度較好。模型線性方程：

表3 偏回歸系數及影響因子的顯著性分析結果

表4 回歸模型方差分析結果

2.2 正交試驗設計結果與分析

同樣以蛋白質為響應值，對Plackett Burman試驗設計篩選出的4個主要影響因子進行正交試驗設計。

正交試驗設計與結果見表5，正交試驗設計方差分析見表6。

表5 正交試驗設計與結果

表6 正交試驗設計方差分析

由表5和表6可以看出，篩選出的4個因素都效果顯著（p＜0.05），結果與Plackett Burman試驗設計各因素顯著性一致，因素間具有顯著性（p＜0.05）。經多重比較，結合各因素差異顯著性，確定最優組合為A'2B'3C'1D'2，即乳酸菌與嗜熱菌配比4∶1，酶制劑為復合，酶添加量2%，酶解時間36 h。在此最優組合基礎上進行6次平行試驗，測得大米中蛋白質平均含量由原來的7%降至0.63%，大米蛋白分解率達91%。結果表明，大米經過乳酸菌和嗜熱菌接種發酵后產生蛋白酶降解大米中的植物蛋白，再次經過酶解后，進一步降低其蛋白含量；將其烘干后，大米不僅與普通大米具有相同的外觀，而且口感較好。

3 結論

試驗通過響應面分析法中Plackett Burman試驗設計，在眾多相關因素中篩選出影響蛋白質降解效果的4個主要影響因子，即乳酸菌與嗜熱菌用量比、酶制劑種類、酶添加量和酶解時間。在此基礎上，運用正交試驗設計對大米中蛋白質降解的條件進行優化，得到最佳制備工藝條件為乳酸菌與嗜熱菌配比4∶1，酶制劑為復合酶制劑，酶添加量2%，酶解時間36 h。在此條件下測得大米中蛋白質含量平均為0.63%。低蛋白米能滿足CKD等特殊人群的需求，有利于對蛋白攝入量的控制，讓CKD患者無需改變飲食習慣，對延緩慢性腎病、滿足慢性腎病患者的飲食需求具有重大意義。