RSM法研究麦糟不溶性膳食纤维的淀粉酶水解工艺

肖连冬 李慧星 臧 晋 许 彬

(南阳理工学院生物与化学工程学院，南阳 473004)

RSM法研究麦糟不溶性膳食纤维的淀粉酶水解工艺

肖连冬 李慧星 臧 晋 许 彬

(南阳理工学院生物与化学工程学院，南阳 473004)

试验优化麦糟不溶性膳食纤维的淀粉酶水解工艺条件，考察因素对不溶性膳食纤维得率和不溶性膳食纤维中淀粉质量分数的影响。采用响应曲面(RSM)法分析因素的显著性，建立数学模型，优化工艺条件。建立了淀粉酶水解模型，模型高度显著且有效，可用于分析和预测淀粉酶水解过程。优化得到的最佳工艺条件为加酶量0.06 g，水解温度65℃，时间60 min，在该条件下，制备得到不溶性膳食纤维得率为28.8%，不溶性膳食纤维中淀粉质量分数为0.41%。

不溶性膳食纤维 淀粉酶 麦糟 响应曲面法

膳食纤维具有促进肠道蠕动，肠道益生菌生长繁殖和吸收毒素等特性，可作为预防和缓解冠心病、高血压、结肠炎等疾病的功能性食品，分为可溶性膳食纤维(SDF)和不溶性膳食纤维(IDF)两类［1－3］。麦糟占啤酒工业副产物的80%以上，是一种可以提取并被人体所利用的良好膳食纤维来源［4－5］。目前，酶碱法是麦糟IDF的主要制备方法，通过脱脂、酶碱和碱溶等步骤去除IDF中的脂肪、淀粉和蛋白质，提高IDF的纯度，增强其持水性、溶胀性等功能特性［6－7］。王金华等［7］研究了麦糟中IDF的提取和化学组成，结果表明通过酶解，可提取29.5%的IDF，其主要成分为纤维素和几丁质等，组成单糖为葡萄糖、木糖和阿拉伯糖等，但系统研究淀粉酶水解过程中各因素对IDF得率和IDF中淀粉含量的影响尚未见报道。

本试验利用酶碱法制备麦糟IDF，研究淀粉酶水解过程中各因素对IDF得率和IDF淀粉含量的影响，基于响应曲面法［8］，通过Box－Behnken试验方案考察因素的交互作用和显著性、建立数学模型，优化淀粉酶水解工艺条件，以期降低麦糟IDF中淀粉含量，为制备优质IDF提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

DHG－9146A电热恒温鼓风干燥箱:上海精宏实验设备有限公司;TDL－4013台式离心机:上海安亭科学仪器厂;HHS21－4电热恒温水浴锅:上海跃进医疗器械厂;FW－100高速万能粉碎机:北京中兴伟业仪器有限公司;JA1003电子天平:上海良平仪器仪表有限公司。

麦糟(膳食纤维60.8%，粗蛋白21.8%，粗脂肪7.8%，淀粉3.0%，灰分3.0%):南阳天冠啤酒有限公司;α－淀粉酶(pH 6.0～8.0，温度30～80℃，酶活力4000 u/g):北京奥博星生物技术有限公司;脂肪酶(pH 6.5～10.5，温度15～40℃，酶活力10 000 u/g)、南宁东恒华道生物科技有限责任公司;碱性蛋白酶(pH 6.0～9.5，温度30～50℃，酶活力100 000 u/g):南宁东恒华道生物科技有限责任公司;葡萄糖、酒石酸钾钠、硫酸铜、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、硫酸铵、次甲基蓝、甲基红等试剂均为分析纯。

1.2 试验方法

1.2.1 酶碱法制备麦糟IDF的工艺流程

以麦糟为原料，采用酶碱法制备不溶性膳食纤维(IDF)。工艺流程如下:称取麦糟10 g，粉碎过60目筛，按固液比1∶10，脂肪酶酶解脱脂(参数:加酶量0.7 g，温度37℃，时间6 h)，离心(4 000 r/min，10 min)，沉淀物通过淀粉酶水解去除淀粉，离心，沉淀物加入碱性蛋白酶水解蛋白(参数:加酶量0.08 g，pH 8.0，45℃，3 h)，离心，沉淀物加入NaOH溶液碱溶进一步除去杂质(参数:1 mol/L，50℃，45 min)，离心，沉淀物用1 mol/L盐酸中和，水洗后干燥至恒重。测定IDF中淀粉含量［9］。

1.2.2 淀粉酶水解单因子试验

以IDF中淀粉含量和IDF得率(式1)为指标，通过单因子试验考察淀粉酶水解过程中的主要影响因素:水解温度、时间和加酶量。每次试验重复3次，结果取平均值。

1.2.3 淀粉酶水解工艺优化的方案设计

在单因素试验的基础上，以IDF中淀粉含量为指标，设计Box－Behnken试验方案优化淀粉酶水解工艺条件，考察因素的交互作用及显著性，建立数学模型。设变量X1、X2、X3分别代表加酶量、水解温度和时间，试验因素水平及编码见表1。

表1 试验因素水平及编码

2 结果与分析

2.1 单因子试验

2.1.1 加酶量对IDF淀粉含量和IDF得率的影响

在水解时间40 min、温度65℃的条件下，图1表明了加酶量对IDF中淀粉含量和IDF得率的影响。随着加酶量的提高，IDF中的淀粉含量逐渐减少，这是由于提高酶量，有更多的酶活性位点催化淀粉水解。当酶量大于0.04 g时，酶量逐渐趋于饱和，继续提高酶量，淀粉含量下降趋缓。从IDF得率方面看，随着酶量的提高，IDF的得率逐渐降低，但降低幅度较小，IDF的最小得率比最大得率减小1.3%。

图1 加酶量对IDF淀粉含量和得率的影响

2.1.2 水解时间对IDF淀粉含量和IDF得率的影响

当加酶量为0.04 g，水解温度65℃的条件下，水解时间对IDF的淀粉含量和IDF得率的影响见图2。随着酶解时间的延长，酶活性位点与淀粉能充分接触并进行酶促反应，从图2中可以看出，在20～40 min内，IDF的淀粉含量随着水解时间延长显著降低，继续延长时间，由于酶活性和底物浓度的降低，淀粉含量下降逐渐趋于平缓。从IDF得率方面看，IDF得率随着水解时间延长，变化曲线较为平坦，下降不明显。

图2 水解时间对IDF淀粉含量和得率的影响

2.1.3 水解温度对IDF淀粉含量和IDF得率的影响

提高温度，可以加速分子热运动，使底物与酶活性中心的充分接触，促进酶促反应，但过高温度易造成酶的失活。图3为水解温度对IDF淀粉含量和IDF得率的影响。可以看出，在加酶量0.04 g，水解40 min的条件下，当温度为65℃，IDF淀粉含量达最小，继续提高温度，热变性引起酶活性降低，淀粉酶水解淀粉能力下降，IDF中淀粉含量反而提高。从图3可以看出IDF得率随着温度的上升而降低，是由于高温造成麦糟中成份的溶出所致，与有关报道的结果一致［7］，在试验选择的水平范围内，IDF得率的从29.2%下降至28.0%。

图3 水解温度对IDF淀粉含量和得率的影响

2.2 响应曲面优化淀粉酶水解工艺

2.2.1 数学模型的建立及方差分析

通过单因子试验发现，酶碱法制备麦糟IDF，淀粉酶水解对麦糟IDF的淀粉含量有明显的影响。试验以IDF的淀粉含量为指标，设计Box－Behnken方案优化淀粉酶水解的工艺条件，结果见表2，因素方差分析见表3，模型的方差分析见表4。

表2 试验设计方案及结果

表3 因素方差分析

由表3可以看出:FX3X3＞F0.01(1，5)=16.25，表明水解时间的二次项的影响高度显著;F0.01(1，5)= 16.25＞FX2X2＞F0.05(1，5)=6.61，表明水解温度的二次项影响显著;F0.05(1，5)=6.61＞FX1、FX1X1、FX2X3＞F0.1(1，5)=4.06，表明加酶量的一次项、二次项及水解温度和时间的交互作用影响较显著。剔除影响不显著项后，拟合得到数学模型(式2)，式中Y为淀粉含量，X1、X2、X3分别为加酶量、水解温度和时间。

表4 模型方差分析

从表4可知，模型的F=85.058 8＞F0.01(5，9)= 6.06，表明模型高度显著;模型的校正决定系数Adj R2=96.87%，表明该模型能解释96.87%响应值的变化，仅有3.13%变异的不能用此模型来解释;相关系数R2=0.979 3，模型拟合程度好，可以用此模型分析和预测。

2.2.2 模型的验证

检验模型的有效性，随机选择5组试验进行验证，结果见表5。利用SPSS对表5中实测值与预测值进行相关性分析，实测值与预测值的相关系数为0.92，表明数学模型是有效的。

表5 模型的验证结果

2.2.3 最佳工艺条件

在拟合得到淀粉酶水解数学模型的基础上，通过SAS8.0软件分析，得到最佳工艺条件是:X1=1、X2=0、X3=0，即加酶量为0.06 g，水解温度65℃，水解时间60 min。该条件下，模型预测淀粉质量分数为0.42%。在最佳工艺条件下，通过酶碱法制备麦糟IDF，考察IDF淀粉含量及IDF得率。试验重复3组，每组试验平行3个，取平均值，结果见表6。从表6中可以看出，制备得到的麦糟IDF得率为28.8%，IDF中淀粉质量分数0.41%。

表6 重复试验结果

3 结论

酶碱法制备麦糟IDF的过程中，淀粉酶水解能显著降低IDF的淀粉含量，提高IDF的纯度。通过方差分析，淀粉酶水解时间二次项的影响高度显著，水解温度二次项的影响显著，加酶量一次项、二次项及水解温度和时间的交互作用影响较显著。数学模型为:Y=0.513－0.032X1－0.057X+0.081X－0.050X2X3+0.346X。模型高度显著且有效，可用于淀粉酶水解过程的预测与分析。在试验选择的水平范围内，其最佳工艺条件是:加酶量0.06 g，水解温度65℃，水解时间60 min，在该条件下，制备得到的麦糟IDF得率为28.8%，淀粉质量分数为0.41%。

［1］李润国，陈革.大豆皮水不溶性膳食纤维制备的工艺研究［J］.食品科技，2006(3):129－131

［2］陈季旺，刘英，孙勤，等.燕麦麸膳食纤维脱色工艺及对产品特性的影响［J］.农业工程学报，2008，24(11):247－250

［3］冯翠萍，庞侯英，常明昌，等.酶法提取芦笋中高活性膳食纤维的研究［J］.农业工程学报，2004，20(3):188－191

［4］邱雁临.生物技术在啤酒糟综合利用中的研究进展与前景［J］.食品与发酵工业，2002，28(1):72－73

［5］王金华，张声华.啤酒糟中可溶性膳食纤维的提取及化学组成［J］.食品科学，2002，23(12):64－67

［6］李凤凤.啤酒糟膳食纤维的提取及不可溶性膳食纤维的改性研究［D］.长春:吉林大学，2007:19－35

［7］王金华，李冬生.啤酒糟中水不溶性膳食纤维的提取及化学组成［J］.酿酒，2002，29(6):80－83

［8］许晖，孙兰萍，张斌，等.米曲霉固态发酵啤酒糟产α－淀粉酶的优化［J］.农业机械学报，2008，39(1):82－86

［9］天津轻工业学院、大连轻工业学院等.工业发酵分析［M］.北京:中国轻工业出版社，2007，35－50.

Optimizing Amylase Hydrolysis Technology in Insoluble Dietary Fiber Processing by Response Surface Methodology

Xiao Liandong Li Huixing Zang Jin Xu Bin
(Department of Biology and Chemical Engineering Nanyang Institute of Technology，Nanyang 473004)

The hydrolytic conditions by amylase in insoluble dietary fiber processing were studied.Response surface methodology was employed in the present work.A mathematics model for the hydrolysis technics was built and the model showed prominence and feasible.The effects of temperature，time and enzyme dosage were studied.Results:The optimal conditions are enzyme dosage 0.06 g，time 60 min and temperature 65℃.Under these conditions，the yield of insoluble dietary fiber is 28.8%and the starch content of the insoluble dietary fiber is 0.41%.

insoluble dietary fiber，amylase，Spent brewing grains，response surface methodology

TS262.5 文献标识码:A 文章编号:1003－0174(2010)11－0098－04

河南省科技发展攻关项目(082102340012)

2009－10－17

肖连冬，女，1964年出生，副教授，生化分离技术