酶法改性小米糠可溶性膳食纤维的工艺优化

葛云飞，康丽君

（黑龙江八一农垦大学，黑龙江　大庆163319）

酶法改性小米糠可溶性膳食纤维的工艺优化

葛云飞，*康丽君

（黑龙江八一农垦大学，黑龙江大庆163319）

以小米糠为材料，对其进行气爆预处理，利用酶法对气爆预处理小米糠进行改性。为了提高小米糠水溶性膳食纤维（Soluble dietary fiber，SDF）的得率，分别研究酶添加量、酶解温度、酶解pH值、酶解时间对小米糠SDF含量的影响，根据单因素试验结果设计Box-Behnken试验，采用响应面法优化改性小米糠SDF的工艺条件。结果表明，气爆条件设定为气爆压力1.0 MPa，气爆时间90 s，最优工艺参数为酶添加量5.94%，酶解温度56℃，酶解pH值4.65，酶解时间3 h；在此条件下，改性小米糠SDF含量达到10.507%，比未经改性小米糠SDF含量高8.35%。

水溶性膳食纤维；气爆；酶法改性；响应面法

谷子是我国北方地区主要杂粮作物之一，而小米糠是谷子加工过程中的副产物。研究发现，小米糠中膳食纤维含量丰富，约占小米糠的50%～60%，以往主要作为动物饲料，造成资源严重浪费。膳食纤维对人体健康有着重要作用，被称为人体的第七营养素[1-2]，根据溶解性的不同可分为水溶性膳食纤维（Soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纤维（Insoluble dietary fiber，IDF）[3]。SDF有利于人体新陈代谢、降低糖尿病发病率，对促进胃肠道健康有重要作用，并对降低胆固醇、防止动脉硬化等具有显著疗效[4]。可以说，SDF较之IDF有更重要的生理功能和应用前景。

由于小米糠膳食纤维中SDF含量仅为3%～4%，无法达到优质膳食纤维（SDF，10%）的要求，所以采用简便有效的改性方法尤为重要。已报道的膳食纤维改性方法有化学方法、生物技术方法和物理方法[5-8]。酶法具有作用条件温和、专一性强、副产物较少、纯度高等优点，将其应用到小米糠膳食纤维的改性研究中具有实际意义。

本文以小米糠为试验材料，对其进行气爆预处理[9]，采用酶-质量法制备SDF，利用响应面法优化酶法改性小米糠SDF工艺条件，从而推动小米糠水溶性膳食纤维的研究和开发利用，为功能性食品的开发提供了新途径。

1　材料与方法

1.1材料与试剂

红谷小米糠，黑龙江省大庆肇州托古小米厂提供；耐高温α-淀粉酶、中性蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶，Sigma公司提供；纤维素酶（30 000 U/g）、半纤维素酶（20 000 U/g），进口分装；以上试剂均为分析纯。

1.2仪器与设备

QBS-200B型气爆工艺试验台，鹤壁正道生物能源公司产品；GDE-CSF6型意大利VELP膳食纤维测定仪，北京盈盛恒泰科技有限公司产品；K-360型全自动凯氏定氮仪，瑞士Buchi公司产品；AR224CN型电子天平，奥豪斯仪器（上海）有限公司产品。

1.3试验方法

1.3.1小米糠预处理

称取500 g小米糠加入到汽爆反应器中进行处理，设置气爆压力1.0 MPa，气爆时间90 s，小米糠经气爆预处理后，需再经烘干、粉碎、脱脂等处理。

1.3.2小米糠膳食纤维的制备

称取1.0 g气爆小米糠，在GDE酶培养消化器中分别经耐高温α-淀粉酶、中性蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶酶解消化，去除淀粉和蛋白质；酶解后反应物移置GDE-CSF6型膳食纤维测定仪中过滤，残渣用热水洗涤，经干燥后称质量，得IDF残渣；滤液用4倍体积的95%乙醇，经沉淀、过滤、干燥后称质量，得SDF。

1.3.3酶法改性小米糠膳食纤维的单因素试验

每组试验分别称取1.0 g气爆小米糠放在料水比为1∶50（g∶mL）的去离子水中，在酶添加量1.2%，2.4%，3.6%，4.8%，6.0%，7.2%，酶解温度35，40，45，50，55，60℃，酶解pH值4.0，4.2，4.4，4.6，4.8，5.0，酶解时间0.5，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 h的条件下进行单因素试验。考察酶添加量（纤维素酶∶半纤维素酶=1∶2）、酶解温度、酶解pH值、酶解时间4个因素对改性小米糠SDF含量的影响，不同因素每个水平重复3次。

1.3.4响应面法优化酶法改性小米糠膳食纤维的工艺

在单因素试验的基础上，以酶添加量（X1）、酶解温度（X2）、酶解pH值（X3）、酶解时间（X4）为响应因素，改性小米糠SDF含量（Y）为响应值，根据Box-Behnken试验设计原理，采用四因素三水平的响应面分析法，对数据进行回归分析及显著性检验，确定最优工艺。

响应面因素与水平设计见表1。

表1　响应面因素与水平设计

1.4数据统计分析

所得数据均为3次重复试验的平均值，并利用Design Expert.V 8.0.6软件进行数据分析。

2　结果分析

2.1酶法改性小米糠膳食纤维工艺加工的单因素试验分析

2.1.1酶添加量对改性小米糠SDF含量的影响

酶添加量对改性小米糠SDF含量的影响见图1。

在1.2%～6.0%范围内，随着酶添加量的增加，改性小米糠SDF含量随之增加；当酶添加量为6.0%时，改性小米糠SDF含量最大为9.94%；当酶添加量大于6.0%时，改性小米糠SDF含量略有较少。分析其原因可知，当酶添加量过大时，IDF被降解成低聚糖或单糖，由于分子质量较小，不能被醇沉，得到SDF含量较少。

2.1.2酶解温度对改性小米糠SDF含量的影响

酶解温度对改性小米糠SDF含量的影响见图2。

图2　酶解温度对改性小米糠SDF含量的影响

在35～55℃范围内，随着酶解温度的上升，改性小米糠SDF含量增加；当酶解温度为55℃时，改性小米糠SDF含量最大为9.92%；当酶解温度超过55℃时，改性小米糠SDF含量较少。因为酶在较低温度时随着酶解温度升高，酶活力加强；当酶解温度过高时，酶受热变性因素的影响，反应速度反而随酶解温度上升而减慢，酶活力减弱，不利于IDF向SDF转化。

2.1.3酶解pH值对改性小米糠SDF含量的影响

酶解pH值对改性小米糠SDF含量的影响见图3。

当反应体系中酶解pH值在4.0～5.0范围，改性小米糠SDF含量呈现先升高后下降的趋势；当酶解pH值为4.6时，改性小米糠SDF含量最大为10.07%；当酶解pH值大于4.6时，改性小米糠SDF含量逐渐减少。由于酶活力受反应体系中酶解pH值的影响，在最适的酶解pH值条件下，酶与底物互相结合，并发生催化作用，酶促反应速度达最大值。

图3　酶解pH值对改性小米糠SDF含量的影响

2.1.4酶解时间对改性小米糠SDF含量的影响

酶解时间对改性小米糠SDF含量的影响见图4。

图4　酶解时间对改性小米糠SDF含量的影响

在0.5～2.0 h范围内，随着酶解时间的延长，改性小米糠SDF含量变化略呈上升趋势；在0.5～2.0 h范围内，改性小米糠SDF含量变化呈明显上升趋势。当酶解时间超过3.0 h，SDF含量变化幅度趋于平缓，说明此后酶解时间的延长对于SDF含量的影响不显著，故酶解时间宜为3.0 h。

2.2响应面优化酶法改性小米糠膳食纤维工艺的试验结果与分析

2.2.1响应面试验结果

Box-Behnken试验设计方案及结果见表2，响应面二次模型的方差分析见表3，回归模型系数的显著性检验见表4。

表2　Box-Behnken试验设计方案及结果

由表3可知，整体模型p＜0.000 1，二次方程模型极显著，且失拟项p=0.287 4＞0.05不显著，说明回归模型拟合度较好，试验误差小。R2=0.986 1＞90%，相关性较好，说明此模型能够反映响应值Y的变化，可用该模型对改性小米糠膳食纤维的工艺进行分析和预测。由表4可知，该模型的一次项X1，X2，X3达到极显著水平，X4达到显著水平；所有的二次项对SDF含量的曲面效应极显著；同时交互项X1X2达到显著水平，X2X3，X2X4达到显著水平，表明各因素对SDF含量的影响作用不是简单的线性关系。以SDF含量为Y值，以酶添加量、酶解温度、酶解pH值、酶解时间的编码值为自变量的四元二次回归方程为：

表3　响应面二次模型的方差分析

表4　回归模型系数的显著性检验

由表4可知，4个因素对SDF含量影响大小的顺序为酶解温度＞酶解pH值＞酶添加量＞酶解时间。

2.2.2交互效应分析

在某2个因素条件固定不变的情况下，考察交互项对SDF含量的影响，并对模型进行降维分析。

酶添加量和酶解温度交互作用对改性小米糠SDF含量影响的响应面图及等高线见图5，酶解温度和酶解pH值交互作用对改性小米糠SDF含量影响的响应面图及等高线见图6，酶解温度和酶解时间交互作用对改性小米糠SDF含量影响的响应面图及等高线见图7。

图5　酶添加量和酶解温度交互作用对改性小米糠SDF含量影响的响应面图及等高线

图6　酶解温度和酶解pH值交互作用对改性小米糠SDF含量影响的响应面图及等高线

由图5～图7可知，改性小米糠SDF含量随各因素水平的增大先增大后减少。由等高线图可知，各因素交互作用的等高线呈椭圆形，说明交互作用显著。

图7　酶解温度和酶解时间交互作用对改性小米糠SDF含量影响的响应面图及等高线

由图5可知，酶添加量与酶解温度对SDF含量的交互影响呈抛物线形、等高线呈椭圆形，说明酶添加量与酶解温度的交互作用对SDF含量影响显著。当酶添加量为4.8%～6.0%某固定值，酶解温度为50～57℃某固定值时，SDF含量随酶添加量增大与酶解温度升高而增加；高于此值时，SDF含量减少。由图6可知，酶解温度与酶解pH值对SDF含量的交互影响呈抛物线形、等高线呈椭圆形，说明酶解温度与酶解pH值的交互作用对SDF含量影响显著。当酶解温度为50～57℃某固定值，酶解pH值为4.4～4.7某固定值时，SDF含量随酶解温度升高与酶解时间的延长而增加；高于此值时，SDF含量减少。由图7可知，酶解温度与酶解时间对SDF含量的交互影响呈抛物线形、等高线呈椭圆形，说明酶解温度与酶解时间的交互作用对SDF含量影响显著。当酶解温度为50～57℃某固定值，酶解时间为2.0～3.2 h某固定值时，SDF含量随酶解温度升高与酶解时间的延长而增加；高于此值时，SDF含量减少。

2.2.3最优工艺的确定与验证试验

通过对模型分析确定最优工艺条件为酶添加量5.92%，酶解温度56.67℃，酶解pH值4.65，酶解时间2.99 h；在此条件下，改性小米糠中SDF含量为10.934 6%。为了验证模型分析的准确性，选取酶添加量5.94%，酶解温度56℃，酶解pH值4.65，酶解时间3 h进行验证。试验重复3次取平均值，所得SDF含量为10.507%，与理论值相差0.427 6%，说明响应面法适用于酶法改性小米糠工艺条件的研究。

3结论

采用Box-Behnken试验设计，酶法改性小米糠膳食纤维最优的工艺条件为酶添加量5.94%，酶解温度56℃，酶解pH值4.65，酶解时间3 h；在此条件下，改性小米糠SDF含量达到10.507%，比未经改性小米糠提高了8.35%。

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Process Optimization of the Enzyme Modified Millet Bran SDF

GE Yunfei，*KANG Lijun
（Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing，Heilongjiang 163319，China）

The millet bran is used as the experimental material in this study.In order to increase the yield of the millet bran SDF,the method of enzyme is used to modify the dietary fiber of the millet bran which is pre-processed by the method of steam explosion.The effect of the amount of enzyme，temperature，pH and the time are investigated separately.Besides，the Box-Behnken experiment is designed based on the result of single factor experiment，the process conditions of the modification of millet bran SDF is optimized by response surface methodology.The steam exploration condition is set as pressure equaled to 1.0 MPa and time equaled to 90 s，the optimal process parameters are set as：enzyme dosage is 5.94%，temperature is 56℃，pH value is 4.65 and time is 3 h.Under the condition above，the content of SDF is 10.507%which is 8.35%higher than the unmodified millet bran SDF.

soluble dietary fiber；steam explosion；enzymtic modification；response surface methodology

Q539

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.10.039

2016-08-22

国家星火计划项目（2013GA670001）。

葛云飞（1992—），女，本科，研究方向为农产品加工。

康丽君（1992—），女，硕士，研究方向为粮油食品及副产物加工。

1671-9646（2016）10b-0041-04

1671-9646（2016）10b-0038-03