酶-化學法優化麥麩可溶性膳食纖維提取工藝

陶志杰 王改玲 王家良 陳杰

摘要：建立了麥麩中提取可溶性膳食纖維的方法，為高效利用小麥加工副產物提供參考.以麥麩為試驗材料，考察堿用量、堿解時間、酶用量、酶解時間對麥麩可溶性膳食纖維提取率的影響.在單因素實驗基礎上通過正交L9（34）優化提取條件.麥麩通過酶-化學法提取后，其最優提取條件為堿用量12%，堿解時間45min，酶用量0.2%，酶解時間4.5h，可溶性膳食纖維提取率平均值為16.53%，相對標準差RSD=1.86%.建立了麥麩可溶性膳食纖維的酶-化學法提取最佳工藝.

關鍵詞：麥麩;可溶性膳食纖維;酶-化學法;提取工藝

中圖分類號：Q813.1? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）01-0043-04

小麥是世界上種植和消費需求最廣的糧食作物之一，被稱為世界糧食.小麥麩皮是小麥加工過程中的主要副產物，占小麥重量的15%左右.據相關數據顯示，我國2016年小麥總產量12886萬t[1]，我國每年可開發利用的麥麩可達2000萬t，是我國大宗農副產品資源之一[2].這些麩皮大多數被廢棄，部分用于飼料加工和釀造業，而深加工和再利用則較少.麥麩中富含被譽為“第七大營養素”的膳食纖維.膳食纖維是一種不能被人體消化的碳水化合物，以熱水中的溶解性可分為兩個基本類型：非水溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber，IDF）與水溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）[3].膳食纖維尤其是可溶性膳食纖維具有吸水膨脹性和黏滯性[4]，可促進腸道蠕動、預防腸道疾病[5]、預防心血管疾病和癌癥[6]、調節血糖[7]、減肥[8]等功能，被認為是保證人體健康的必需營養成分.據相關研究表明：麥麩中膳食纖維含量約為35～50%，水溶性膳食纖維即SDF含量僅為2%[9].而膳食纖維具有溶解性后，不僅口感好，性質更穩定，在面制食品[10-11]、乳制品[12]、肉制品[13]和飲料[14]等食品生產中應用更加廣泛.如何提高麥麩中SDF提取及應用是當前研究的重點.目前的提取方法主要有化學法、物理法、酶法和酶-化學法[15].酶-化學法提取膳食纖維是將酶解和化學處理組合在一起的方法，進行酸堿處理和酶解，這樣得到的產品純度高、品質好[16].本實驗以麥麩為實驗材料，采用酶-化學法聯合提取SDF，通過單因素試驗和正交優化試驗對堿用量、堿解時間、酶用量、酶解時間等因素進行研究，并分析各因素的變化規律.以期獲得酶-化學法提取麥麩SDF的優化工藝.

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

原料：安徽雁湖面粉有限公司.

試劑：鹽酸：分析純，上海振企化學試劑有限公司;氫氧化鈉：分析純，天津市展云化工有限公司;無水乙醇：分析純，天津市永大化學試劑有限公司;α﹣淀粉酶（≥2000 U/g），上海凱爾生物科技有限公司;糖化酶（5000 U/g），張家港金源生物化工有限公司;纖維素酶（10000 U/g），上海原生態生物科技有限公司.

1.2 主要儀器與設備

電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司;BS224S型電子分析天平，北京賽多利斯儀器系統有限公司;高速中藥粉碎機，永康市久品工貿有限公司;數顯恒溫水浴鍋，江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司;高速冷凍離心機，上海菁華科技儀器有限公司.

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

麩皮預處理（60℃烘干，40目）→淀粉酶酶解→滅酶（100℃，10min）→堿解→調pH值（4）→纖維素酶酶解→滅酶→離心過濾（6000r/min，10 min，取上清）→調pH值（7）→醇沉（95%乙醇4倍體積，過夜）→干燥→SDF

1.3.2 試驗操作方法及提取率計算

稱取5.0g經預處理的麥麩于250mL的燒杯中，按料液比1：10[17]加入65～70℃的蒸餾水，加入0.3%淀粉酶制劑（α-淀粉酶與糖化酶的比例1∶3），在65℃的恒溫水浴鍋中酶解40min，滅酶后添加適量NaOH在55℃水浴鍋中堿解，之后加適量纖維素酶，酶解溫度60℃，酶解一段時間后按照工藝流程進行處理得到SDF[18-19].稱重計算SDF提取率[20].

1.3.3 試驗設計

1.3.3.1 單因素試驗設計

按1.3.2試驗操作，分別在不同的堿用量、堿解時間、酶用量和酶解時間下，考察各單因素對麥麩SDF提取率的影響，具體試驗設計如下.

1.3.3.1.1 堿用量對麥麩SDF提取率的影響

分別以4、6、8、10、12%的堿含量添加NaOH，65℃水浴鍋中堿解45min，之后按0.7%加酶量加入纖維素酶，酶解溫度60℃，反應時間4h后按照工藝流程進行處理得到可溶性膳食纖維.考察堿用量對麥麩SDF提取率的影響.

1.3.3.1.2 堿解時間對麥麩SDF提取率的影響

4%的NaOH堿含量，65℃水浴鍋中分別堿解5、15、25、35、45、55、65、75min，之后加纖維素酶，酶解溫度60℃，加酶量0.7%，反應時間4h后按照工藝流程進行處理，得到可溶性膳食纖維.考察堿解時間對麥麩SDF提取率的影響.

1.3.3.1.3 酶用量對麥麩SDF提取率的影響

4%的NaOH堿含量，65℃水浴鍋中堿解45 min，之后分別以0.0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.1%的加酶量加入纖維素酶，酶解溫度60℃，反應時間 4h后按照工藝流程進行處理得到可溶性膳食纖維.考察酶用量對麥麩SDF提取率的影響.

1.3.3.1.4 酶解時間對麥麩SDF提取率的影響

4%的NaOH堿含量，65℃水浴鍋中堿解45min，之后以0.7%的加酶量加入纖維素酶，酶解溫度60℃，反應時間分別在0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5h后按照工藝流程進行處理得到可溶性膳食纖維.考察酶解時間對麥麩SDF提取率的影響.

1.3.3.2 正交試驗設計

在以上單因素試驗結果基礎上，進行4因素3水平正交試驗，采用L9（34）正交試驗設計方案進行優化提取，因素水平見表1.

取3份5.0g經預處理的麥麩于250mL的燒杯中，以正交試驗優化的最佳提取條件提取麥麩SDF，計算SDF平均提取率.考察實驗結果的可重復性.

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 堿用量對麥麩SDF提取率的影響

在1.3.3.1.1條件下，堿用量對麥麩SDF提取率的影響如圖1所示.

由圖1可知，在堿用量10%以下時，麥麩SDF提取率隨著堿用量的增加而變大，當堿用量達到10%時達到最大提取率15.96%.當堿用量超過10%時，麥麩SDF提取率開始下降.這是因為通過堿解，纖維素和半纖維素將發生輕度的水解反應，不溶性膳食纖維降解為可溶性葡聚糖，可溶性膳食纖維含量增加.當堿濃度增大后，葡聚糖等聚合物再度水解成更小分子物質，導致可溶性膳食纖維含量降低.因此堿解濃度應選擇10%為宜.

2.1.2 堿解時間對SDF提取率的影響

在1.3.3.1.2條件下，堿解時間對麥麩SDF提取率的影響如圖2所示.

由圖2可知，堿解開始時麥麩SDF提取率在逐漸增大，當堿解35min時，所測得SDF提取率最大.在堿解35～55min之間，SDF提取率略有下降，但都超過11%.再隨時間延長，SDF提取率急劇下降.堿解時間過長，導致可溶性膳食纖維降解.因此堿解最佳時間為35min.

2.1.3 酶用量對SDF提取率的影響

在1.3.3.1.3條件下，酶用量對麥麩SDF提取率的影響如圖3所示.

由圖3可知，不添加纖維素酶，堿水解后麥麩中SDF提取率不足10%，當纖維素酶用量為0.1%時，麥麩中SDF的提取率最大，達到15.49%.而后隨著纖維素酶添加量的增大，麥麩SDF提取率不但沒有增加反而降低.此現象同姜北國[17]等人研究相同，原因可能是不溶性膳食纖維過度水解所致.綜上所述，得出最佳纖維素酶用量為0.1%.

2.1.4 酶解時間對SDF提取率的影響

在1.3.3.1.4條件下，酶解時間對麥麩SDF提取率的影響如圖4所示.

由圖4可知，酶解開始，隨時間延長麥麩SDF提取率逐漸增加.酶解至1.5～3.5h范圍時，SDF提取率較好，3.5h時達到最大提取率.由于酶水解時間長，導致SDF的降解.綜上所述，得出最佳纖維素酶解時間為3.5h.

2.2 正交優化結果與分析

2.2.1 正交試驗結果與方差分析

利用正交設計助手IIV3.1軟件，對不同的酶用量、堿用量、酶解時間、堿解時間四個影響因子通過正交試驗設計，可以得到正交試驗結果分析，見表2.

由表2可知，在麥麩SDF提取的研究試驗過程中，不同的酶用量，堿用量，酶解時間，堿解時間因素對提取率的影響大小：A﹥B﹥C﹥D，即最大的因素是酶用量，堿用量次之，酶解時間的影響相對于酶用量和堿用量較小，堿解時間最小.提取麥麩SDF最優組合條件是A3B3C3D3：酶用量0.2%，堿用量12%，酶解時間4.5h，堿解時間45min.

由表3可知，在此范圍內酶用量和堿用量對麥麩SDF的提取表現出較強的顯著性，證明了酶用量和堿用量對麥麩SDF提取有較大的影響，酶解時間和堿解時間對麥麩SDF提取率的影響不顯著.

2.2.2 驗證試驗

在正交試驗的優化條件下，提取3組可溶性膳食纖維求麥麩SDF提取率，取平均值，結果見表4.

由表4可以看到，在最優的提取參數時，麥麩SDF提取率平均值為16.53%，麥麩SDF提取率高于其他的提取條件.相對標準差RSD=1.86%.說明該提取條件有較好的重復性.

3 結論

（1）僅堿法提取小麥麩皮SDF時的提取率為7.65%，而結合酶法再次處理后麥麩SDF提取率明顯增高，最大提高了53.7%.

（2）酶-化學法提取小麥麩皮SDF最佳實驗條件為堿用量12%，堿解時間45min，酶用量0.2%，酶解時間4.5h，麩皮SDF提取率平均值為16.53%，相對標準差RSD=1.86%.通過本次實驗，證明了酶法輔助提取小麥麩皮SDF的高效性.

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