小米可溶性膳食纤维提取及 其理化性质分析

张 荣，任 清*，罗 宇

（北京工商大学食品学院 食品添加剂与配料北京高校工程研究中心，北京 1000 48）

小米可溶性膳食纤维提取及 其理化性质分析

张 荣，任 清*，罗 宇

（北京工商大学食品学院 食品添加剂与配料北京高校工程研究中心，北京 1000 48）

采用酶法水浴浸提制备小米可溶性膳食纤维，比较不同液料比、提取温度、提取时间和溶液pH值对可溶性膳食纤维含量的影响。采用四因素三水平中心组合设计得到可溶性膳食纤维的最佳提取工艺为：液料比15∶1（mL/g）、提取温度73 ℃、提取时间2 h、pH 10，在此条件下可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）提取率可高达3.51 mg/g。此外还对产品理化特性进行测定，在pH 7、25 ℃条件下溶解性达到71.7%，黏度和乳化能力及乳化稳定性随着产品质量浓度增大而增加，在产品质量浓度为5 g/100 mL时分别为：4.20 cP、62.54%和97.53%，制得的SDF具有口感细腻，乳白色的特点，可广泛应用于焙烤、汤料、乳制品、饮料等食品和化妆品中。

小米；可溶性膳食纤维；提取工艺；理化性质

谷子（Setaria italica），又称粟，脱壳后为小米，“五谷”之一，我国传统粮食作物，已有4000多年栽培史[1-2]。在我国的“三北”地区广为种植，是主要粮食作物[3]。小米营养丰富，蛋白质含量为9.27%，比大米、玉米高；含脂肪3.15%，比大米、小麦高；还含有丰富的维生素；尤其是人体不能合成又不能缺少的色氨酸、蛋氨酸含量比大米、玉米、小麦、高粱都高[4]。

膳食纤维是食物中不被人体胃肠消化酶所分解的、不可消化植物成分的总称[5]，膳食纤维分为可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）两类。其中，SDF在很多方面的生理功能强于IDF，应用范围也广，并具有广泛的营养保健功效，不仅可以预防心脏病、肠胃病、糖尿病等疾病，还具有减肥功效[6-7]。此外，SDF可以被肠道中的微生物彻底分解，产生各种短链脂肪酸，对结肠癌的预防与治疗有一定的效果。目前已经开发的谷物膳食纤维资源主要来源于小麦、黑麦、大麦、米糠等[8]，对小米的开发利用在国内还很少见，而小米作为一种具有很高营养价值的天然功能性食品，其开发利用具有先天的优势。因此作为谷物SDF来源的一大类资源，开发小米SDF并探索其理化性质具有重要意义。

本实验以小米为研究对象，研究其SDF提取工艺及其理化性质，以期为 小米的深加工与综合利用提供理论依据。

1 材料与 方法

1.1 材料与试剂

小米 河北 省张家口市农业科学院；碱性蛋白水解酶（10 000 U/g） 北京 洪润宝顺科技有限公司；α-淀粉酶（40 000 U/g） 美国Sigma公司；无 水乙醇、浓硫酸、石油醚、氢氧化钠、苯酚等其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

Allegra 64r台式高速冷冻离心机 美国Beckman公司；T6紫外-可见光光度计 北京普析通用仪器有限公司；DSHZ-300多用途水浴恒温振荡器 江苏太仓市实验设备厂；PHS-3D 数字酸度计 上海三信仪表厂；DV-Ⅱ＋PRO黏度计 美国Brookfield公司；Kjeltec 8400凯氏定氮仪 美国Foss公司；Alpha 1-2LD Plus真空冷冻干燥机 德国Christ公司；JJ-1精密定时电动搅拌器、高速万能粉碎机 北京市中兴伟业仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 小米SDF的制备

小米原料→烘干、粉碎、过筛→加热灭酶（100 ℃，10 min）→石油醚脱脂（1 h）→HCl或NaOH溶液调pH 10→碱性溶液搅拌水浴提取、离心重复3次→取上清液加蛋白酶（0.6 g/100 mL，pH 7.5，50 ℃）水浴1 h→加α-淀粉酶（0.2 g/100 mL，pH 6.5，75 ℃）水解，用碘液检测直至不变蓝为止→加适量硫酸铵充分使未溶解的蛋白质沉淀→离心（5 000 r/min，15 min）→上清液加4倍无水乙醇重复2次，沉淀过夜→离心（5 000 r/min，15 min）沉淀水溶→乙醇沉淀离心（5 000 r/min，20 min）→沉淀物冷冻干燥，得SDF[9]。

1.3.2 小米SDF的测定方法[8]

以冷冻干燥后得到的物质的质量为小米SDF的质量，小米SDF计算公式如下：

1.3.3 小米 SDF的提取及其工艺优化

单因素试验：准确称取小米10 g，在温度65 ℃、pH 9、提取时间2 h、液料比15∶1条件下提取小米SDF[10-13]，固定其他条件，分别考察提取温度、提取时间、液料比及提取液pH值对小米SDF提取率的影响。

响应面试验：根据Box-B ehnken试验设计原理，通过单因素试验选择料液比、提取时间、提 取温度和溶液pH值4个影响因素的最佳水平，以其为自变量，SDF提取率为响应值，采用响应面分析法，对水浴提取法制备小米SDF的工艺进行优化。

1.3.4 小米SDF的理化性质分析

1.3.4.1 小米及其SDF的成分分析

水分含量：GB 5009.3—2010《食品中水分的测定》中直接干燥法[14]；蛋白质含量：GB 5009.5—2010《食品中蛋白质的测定》中凯氏定氮法[15]；脂肪含量：GB/T 5512—2008《粮油检验：粮食中粗脂肪含量测定》中索氏抽提法[16]；淀粉含量：GB/T 5514—2008《粮油检验：油料中淀粉含量测定》[17]；灰分含量：GB 5009.4—2010《食品中灰分的测定》[18]；还原糖和总糖含量：3,5-二硝基水杨酸比色法[19]；粗纤维含量：酸洗涤剂法[19]。

1.3.4.2 小米SDF样品溶解度的测定[12]

取1.000 g小米SDF置于100 mL烧杯中，加50 mL蒸馏水，磁力搅拌一定时间至分散均匀，25 ℃条件下保温30 min，离心（5 000 r/min，10 min），将上清液置于烧杯（已恒质量）中，在烘箱中（105 ℃）烘干至恒质量，计算得小米SDF的溶解度和溶解性。

1.3.4.3 小米SDF样品黏度的测定

用旋转黏度计在25 ℃，转速60 r/min条件下检测不同质量浓度（1、2、3、4、5 g/100 mL）SDF的黏度，绘制黏度变化曲线[10,20]。

1.3.4.4 小米SDF样品乳化 性及乳化稳定性研究

分别配制质量浓度为1、2、3.5、5.5 g/100 mL的小米SDF溶液100 mL，加入100 mL大豆油，于高速分散器中以2 000 r/min的转速均质乳化2 min，乳化后的溶液置于离心机中，以2 000 r/min离心8 min，测量乳化层的高度，算出乳化层体积，乳化后的溶液在80 ℃的水浴中保温30 min，用自来水冷却至常温，放入离心机中，相同的转速时间，进行离心，然后测量乳化层体积[21]。

2 结果与分析

2.1 影响小米SDF提取率的单因素试验

2.1.1 液料比对小米SDF提取率的影响

如图1所示，当液料比小于20∶1时，SDF提取率随着液料比增大而增加，但是当液料比超过20∶1时，SDF提取率变化不是很大。由于增大液料比，会加大水的消耗，增加后续处理的费用，因此考虑提取率等因素，选择液料比20∶1较为合适。

图1 液料比对SDF提取率的影响Fig.1 Effect of solvent-to-solid ratio on SDF yield

2.1.2 提取温度对小米SDF提取率的影响

图2 提取温度对SDF提取率的影响Fig.2 Effect of temperature on SDF yield

由图2所示，当提取温度低于50 ℃时，随着温度升高，SDF提取率逐渐上升；随着温度继续上升，高于75 ℃后提取率下降。因为温度低于75 ℃，淀粉酶活性不能得到充分发挥，淀粉不能完全水解所以得到的小米SDF提取率较低，但是温度过高会使酶的活性降低，使原料提取液黏度增大导致部分纤维素溶出，从而导致小米SDF提取率降低，这 说明以小米为底物，淀粉酶的最佳温度为75 ℃。因此选择65～75 ℃作为响应面试验的因素水平。

2.1.3 溶液pH值对小米SDF提取率的影响

图3 pH值对SDF提取率的影响Fig.3 Effects of solvent pH on SDF yield

如图3所示，pH值太低，水解反应过于强烈会使提取率降低；pH值过高则水解反应迟钝，SDF提取率也会降低，控制溶液pH值为10左右时，SDF的提取率最高，因此，本实验选择pH值为9～11作为响应面试验的因素水平。

2.1.4 提取时间对小米SDF提取率的影响

如图2所示，时间短于2 h，随着时间的延长，SDF的提取率逐渐上升，但是当提取时间超过2 h时，SDF的提取率开始下降。这 是因为水浴时间过短，蛋白质和淀粉水解不完全，造成SDF含量降低，而水浴时间过长，易造成纤维素和半纤维素发生轻度水解，也会导致SDF含量降低。因此最佳水浴时间为2 h，选择提取时间为1.5～2.5 h作为响应面试验的因素水平。

图4 提取时间对SDF提取率的影响Fig.4 Effect of extraction time on SDF yield

2.2 响应面法提取小米SDF的条件优化

2.2.1 响应面试验设计方案及试验结果在单因素试验的基础上，根据Box-Behnken试验设计原理，选择液料比、提取温度、提取液pH值和提取时间为考察因素，以小米SDF的提取率为响应值，设计四因素三水平试验，共29个试验点，其中24个为分析因子，5个为中心试验点，因素水平见表1，试验设计及结果见表2。

表1 Box-Behnken试验设计水平Table1 Coded levels for factor used in Box-Behnken experimental dessiiggnn

表2 Box-Behnken 试验设计及结果Table2 Box-Behnken experimental design arrangement and experimental resuullttss

2.2.2 模型的建立及显著性分析

表3 回归统计分析结果Table3 Analysis of variances for SDF yield with various extraction conditions

四因素三水平的响应面试验结果如表2所示，采用SAS 8.1对试验结果数据进行线性回归二次多项式拟合，得到数学模型如下：Y＝3.50＋0.054A－0.06B＋0.34C－0.49D－0.97A2－1.19B2－1.09C2－0.94D2－0.067AB＋0.31AC＋0.29AD－0.080BC－0.13BD－0.18CD，然后对方程和方程中的各个因子进行回归统计分析，结果见表3。回归方程中各变量对响应值影响的显著性用F检验来判定，概率P值越小，则相应变量的显著程度越高。从表3可看出，该模型效应显著（P＜0.05），不同处理间差异显著。因变量与所考察的自变量之间线性关系显著（R2＝0.937 6），模型调整确定系数＝0.925 5，说明该模型能模拟92.55%响应值的变化，可信度高，拟合程度较好，失拟项不显著（P＞0.05），说明本实验所得二次回归方程能很好的对响应值进行预测。各因素中一次项D（液料比）和二次项A2（溶液pH值）、B2（提取温度）、C2（提取时间）、D2（液料比）及交互项AC、AD表现为显著，说明它们对响应值SDF的提取率影响极大。根据表3，各影响因素主次顺序：液料比＞提取时间＞提取温度＞溶液pH值。

2.2.3 小米SDF提取的响应面分析及条件优化

图5 两因素交互作用对提取率影响的响应面和等高线图Fig.5 Response surface and contour plots showing the interactive effects of two factors on SDF yield

通过软件分析，得到响应面及其等高线图（图5），从图中可以反应出各个因素的交互作用对响应值的影响，将两因素固定在零水平，可以得到另外两个因素的响应面及等高线图，其中等高线为圆形的，表示交互作用较弱，等高线为椭圆形的，表示交互作用较强。

由图5a可见，随着提取时间和溶液pH值的增大，小米SDF的提取率呈迅速上升然后缓慢下降的趋势，由图5b可见，随着液料比和溶液pH值的增大，小米SDF的提取率呈先上升后下降的趋势，图5的等高线均呈椭圆形，说明两两因素交互作用显著。所以，在实际 的生产过程中，可以控制提取液pH值、液料比和提取时间来提高小米SDF的提取率。为进一步确定最佳提取工艺参数，对所得方程进行逐步回归，删除不显著项，然后一阶求导，可得优化后的最佳工艺参数为提取时间2.03 h、液料比14.77∶1、温度73.21 ℃、pH 10.10。

2.2.4 最佳工艺参数的验证

在最优的条件下，小米SDF提取率的理论预测值为3.5 mg/g，为检测所得结果的可靠性，采用最佳提取条件时间2 h、液料比15∶1、温度73 ℃、pH 10，在此条件下进行3组验证实验，得到SDF提取率结果平均值为3.51 mg/g。与理论预测值仅相差0.224%，因此，认为基于响应面优化得 到的工艺参数准确可靠，得到的制备条件具有一定的实际应用价值。

2.3 小米SDF的理化性质

2.3.1 小米SDF的主要成分

表4 主要成分含量Table4 Proximate composition of the SDF extracted from foxtail millet %

从表4可以看出，小米和SDF中总糖的含量基本上等于还原糖、淀粉和粗纤维的含量之和，而且总糖和其他含量成分之和也基本上达到100%。小米经提取得到的SDF中淀粉、脂肪和蛋白质的含量均有较大程度下降，几乎检测不出，而粗纤维含量与小米原料中粗纤维含量相比有很大提高，除此之外其他成分含量如水分和还原糖也有所降低，这说明制备的SDF产品质量较好。

2.3.2 小米SDF样品的溶解度

在常温条 件（25 ℃，pH 7）下测得小米SDF的溶解度为1.434 g/100 mL，溶解性为71.7%，SDF作为一种可溶性产品，溶解度是评价的重要指标，溶解度的好坏直接影响了产品的质量和应用。小米SDF在25 ℃时其溶解性达到71.7%。由此可见，小米SDF的溶解性较好，适宜于作乳制品、饮料等食品或是化妆品的功能性添加剂。

2.3.3 小米SDF样品黏度的测定

黏度是一个流变特性参数，它的大小决定了小米SDF产品的应用范围，小米SDF质量浓度对黏度的影响如图6所示，黏度随着质量浓度的增大而升高。但总的来说SDF的黏度在测量的浓度范围内仍然是个比较小的数值，这说明SDF有制成高质量浓度膳食纤维饮料或冲剂的可能。

图6 小米SDF质量浓度对黏度的影响Fig.6 Effect of SDF concentration on its viscosity

2.3.4 小米SDF样品乳化性及乳化稳定性

实验测得的不同质量浓度的小米SDF样品溶液的乳化层体积以及根据公式计算出的EC和ES如表5所示。

表5 不同质量分数小米SDF样液的EC和ESTable5 EC and ES of different concentrations of SDF solutions

由表5可以 看出，小米SDF的EC随着质量浓度的增加而增加，质量浓度越大，乳化性能越好。但是质量浓度在2～4 g/100 mL时差异不显著，5 g/100 mL与1 g/100 mL的SDF相比差异比较显著。相应的ES也随着质量浓度的增加而有所变化，5 g/100 mL与1 g/100 mL含量的SDF相比差异也比较显著。这可能是因为SDF是高黏度溶液，黏度随质量浓度的增加而增加，而黏度是影响乳化性的一个重要因素，由于黏度增大，使得乳化液中液滴的运动减慢，因而有助于乳状液的稳定。此外，由于SDF是水溶性的大分子溶液，它具有一定的黏弹性，可以形成具有高黏弹性的界面膜，乳化剂分子在界面上连续相一侧形成具有一定强度的黏弹性膜是决定乳化液稳定的关键因素。此外，SDF的溶解性、流变学性质等也会对乳化性产生一定的影响，还待进一步研究。乳化性是食品体系的一个基本功能特性，而由实验结果可知小米SDF具有较好的乳化性和乳化稳定性，这说明SDF有制成高质量浓度乳品的可能。

3 结 论

通过单因素试验和响应面分析法对酶法水浴浸提制备小米SDF的工艺条件进行优化，经分析，影响SDF含量的因素主次顺序为：液料比＞提取时间＞提取温度＞溶液pH值；且最佳提取条件为：提取时间2 h、液料比15∶1、提取温度73 ℃、pH 10，在此条件下SDF提取率为3.51 mg/g，与理论预测值仅相差0.224%，因此，认为基于响应面优化得到的工艺参数准确可靠，得到的制备条件具有一定的实际应用价值。

小米SDF在25 ℃条件下，溶解性达到71.7%；其黏度和乳化性及乳化稳定性均随着质量分数的增加而增加，在质量浓度为5 g/100 mL时，分别为4.20 cP、62.54%和97.53%，这说明小米SDF能够广泛应用于焙烤、汤料、乳制品、饮料等食品工业中。

[1] IBRAHMA O, DHIIFI W, RAIES A, et al. Study of the variability of lipids in some millet cultivars from Tunisia and Mauritania[J]. Rivista Italianadelle Sostanze Grasse, 2004, 81(2): 112-116.

[2] 薛月圆, 李鹏, 林勤保. 小米的化学成分及物理性质的研究进展[J].中国粮油学报, 2008, 23(3): 199-204.

[3] 史宏, 史更生, 史关燕, 等. 谷子开发现状及结构调整的对策[J]. 陕西农业科学, 2001(3): 18-21.

[4] 蔡金星, 刘秀凤. 论小米的营养与食品开发[J]. 西部粮油科技, 1999, 24(1): 38-39.

[5] BILGICLI N, IBANOGLU S, HERKEN E N. Effect of dietary fiber addition on the selected nutritional properties of cookies[J]. Journal of Food Engineering, 2007, 78: 86-89.

[6] DEVRIES J W, PROSKY L, LI B, et al. A historical perspective on defining dietary fiber[J]. Cereal Food World, 1999, 44(5): 367-369.

[7] SEIDNER D L, LASHNER B A, BRZEZINSKI A, et al. An oral supplement enriched with fish oil, soluble fiber, and antioxidants for corticosteroid sparing in ulcerative colitis: a randomized , controlled trial[J]. Clinical Gastroenterology and Hepatology, 2005, 3(4): 358-369.

[8] 郑红艳. 小米麸皮膳食纤维的提取及成分和功能性质研究[D]. 重庆: 西南大学, 2010.

[9] KNUTSEN S H, HOLTEKJEN A K. Preparation and analysis of dietary fibre constituents in whole grain from hulled and hull-less barley[J]. Food Chemistry, 2007(6): 707-715.

[10] 彭章普, 龚伟中, 徐艳, 等. 苹果渣可溶性膳食纤维提取工艺的研究[J].食品科技, 2007, 72(7): 238-241.

[11] 唐孝青, 焦凌霞, 樊明涛, 等. 梨渣可溶性膳食纤维的提取及抗氧化特性[J]. 西北农业学报, 2010, 19(9): 93-98.

[12] 徐广超. 豆渣可溶性膳食纤维的制备及功能性的研究[D]. 无锡: 江南大学, 2005.

[13] 何玉凤, 张侠, 张玲, 等. 马铃薯渣可溶性膳食纤维提取工艺及其性能研究[J]. 食品与发酵工业, 2010, 36(11): 189-193.

[14] 中华人民共和国卫生部. GB 5009.3—2010 食品中水分的测定[S].

[15] 中华人民共和国卫生部. GB 5009.5—2010 食品中蛋白质的测定[S].

[16] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB/T 5512—2008 粮食中粗脂肪含量测定[S].

[17] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB/T 5514—2008 粮食、油料中淀粉含量测定[S].

[18] 中华人民共和国卫生部. GB 5009. 4—2010 食品中灰分的测定[S].

[19] 北京大学生物系生物化学教研室. 生物化学实验指导[M]. 北京: 人民教育出版社, 1979: 45-63.

[20] 管骁, 姚惠源. 燕麦β-葡聚糖流变性质的研究[J]. 食品工业科技, 2002, 23(9): 27-29.

[21] 梁敏. 燕麦的功能性及保健食品的开发[J]. 粮油加工与食品机械, 2006(4): 67-69.

Extraction of Soluble Dietary Fiber from Foxtail Millet and Analysis of its Physical and Chemical Properties

ZHANG Rong, REN Qing*, LUO Yu
(Beijing Higher Insti tution Engineering Research Center of Food Additives and Ingredients, School of Food and Chemical Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 1 00048, China)

The enzymatic ex traction of soluble dietary fiber (SDF) from foxtail millet in a hot water bath was optimized to obtain maximum SDF yield with respect to solid-to-solvent ratio, temperature, extraction time and solvent pH. By using a four-variable, three-level central composite design, the optimal extraction conditions were determined to be extraction at 73 ℃ for 2 h with a solvent-to-solid ratio of 15:1 (mL/g) at pH 10. Under these conditions, the maximum yield of SDF extracted from foxtail millet was 3.51 mg/g. In addition, the results of physical and chemical analysis indicated that the SDF extracted from foxtail millet had good water solubility (71.7%) at pH 7 and 25 ℃ as well as increased viscosity, emulsifying capacity and emulsion stability at higher concentrations, reaching 4.20 cP, 62.54% and 97.53%, respectively, at 5 g/100 mL. The SDF displayed a delicate taste and a milky color and could be applied in foods such as bakery products, soup bases, dairy products and drinks as well as cosmetics.

foxtail millet; soluble dietary fiber; extraction process; physical and chemical properties

TS213

A

1002-6630（2014）02-0069-06

10.7506/spkx1002-6630-201402013

2013-05-18

国家公益性行业（农业）科研专项（201303069-07）

张荣（1987—），女，硕士，研究方向为食品生物技术。E-mail：rongzhang1130@163.com

*通信作者：任清（1969—），男，副教授，博士，研究方向为食品生物技术。E-mail：renqing@th.btbu.edu.cn