响应面法优化麦麸膳食纤维提取条件

姜小苓,李小军,李 淦,胡喜贵,李笑慧,李秀玲,于红彩,茹振钢

(河南科技学院小麦中心,河南省现代生物育种协同创新中心,河南省高校作物分子育种重点开放实验室,河南新乡 453003)

响应面法优化麦麸膳食纤维提取条件

姜小苓,李小军,李 淦,胡喜贵,李笑慧,李秀玲,于红彩,茹振钢*

(河南科技学院小麦中心,河南省现代生物育种协同创新中心,河南省高校作物分子育种重点开放实验室,河南新乡 453003)

为探讨酶法和化学法结合提取麦麸中的膳食纤维,研究了酶添加量、酶解时间、碱添加量、碱解时间等因素对膳食纤维得率的影响。在单因素实验的基础上进行响应面实验设计,利用Design Expert软件对结果进行二次回归分析,确定了酶-化学法提取麦麸膳食纤维的最佳工艺条件:酶添加量1.5%,酶解时间45 min,碱添加量4%,碱解时间35 min,该条件下膳食纤维得率达87.84%,与理论预测值非常接近(相对误差约0.02%)。进一步说明利用响应面优化得到的回归方程在实践中具有一定的应用价值。

麦麸,膳食纤维,提取工艺,响应面分析

近年来,由于饮食结构的改变,人们摄入粗纤维的量越来越少,肥胖症、高血压、动脉硬化等心血管疾病,以及糖尿病、癌症等逐年上升,严重威胁着现代人的身体健康[1]。预防及治疗这类富贵病,首先应从膳食配餐着手,增加膳食纤维的摄入量。膳食纤维是能抗人体小肠消化吸收,而在大肠部分或全部发酵的可食用植物性成分以及以多糖类为主的大分子物质的总称,主要含纤维素、半纤维素、果胶及木质素[2]。根据溶解性分为可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维两大类。其中不溶性膳食纤维在人体内主要起机械蠕动作用[3-4],而可溶性膳食纤维具有较多的生理功能,起到防胆结石、排除有害金属离子、抗糖尿病、降低血脂及胆固醇、防高血压等作用[5]。

小麦是我国的主要粮食作物,是人们生活所需能量、蛋白质和膳食纤维的主要来源[6]。小麦籽粒中约含10%～14%的膳食纤维,面粉中约含2.5%～4.5%[7],麦麸中约含35%～50%[8]。麦麸作为小麦面粉的主要副产品,是重要的膳食纤维资源。同时,小麦膳食纤维安全性高,是公认的天然食物纤维,已在多种食品中添加,用来解决食品中膳食纤维不足的问题[9-10]。膳食纤维分子的游离羟基会与水发生作用,因此,添加了纤维的面团性质会发生改变[11-12]。在面粉中适量添加膳食纤维,一方面可改善我国居民面临的营养失衡和营养缺乏的现状,另一方面可对面制品的品质和风味起到一定改善作用。

提取膳食纤维的方法主要有酶法、化学法、酶-化学法、发酵法等。其中,发酵法制备膳食纤维条件很难控制,且后期的分离纯化也较困难;而酶法简便易行,膳食纤维得率高,且条件温和,对环境污染也较小[13-14],但成本较高。邵佩兰等[15]比较分析了不同提取方法对麦麸膳食纤维感官性状和物理特性的影响,结果表明,酶-化学法、酶法提取的膳食纤维的持水性、溶胀性及得率均优于化学法,但酶法提取的成本相对较高且得率也较酶-化学法低,建议提取麦麸膳食纤维以酶-化学法为宜。

因此,本实验采用酶-化学法提取麦麸中的膳食纤维,即先用α-淀粉酶将麸皮中的淀粉水解成糊精和低聚糖,再用糖化酶进一步将糊精、低聚糖水解为葡萄糖,进而溶于有机溶剂,最后用碱除去蛋白质。该实验利用响应面法(二次回归旋转组合设计)优化提取工艺,进而确定最佳提取条件,为麦麸膳食纤维的有效利用及增加小麦附加值提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

麦麸 实验室自制;高温α-淀粉酶(酶活为4000 U/g)、糖化酶(酶活为100000 U/g)、柠檬酸 北京索莱宝科技有限公司;氢氧化钠、过氧化氢、95%乙醇试剂 均为分析纯,天津市天力化学试剂有限公司。

HH-S4恒温水浴锅 上海普渡生化科技有限公司;DHG-9240A电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司;BS223S电子分析天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司;SHZ-DⅢ型循环水真空泵 郑州市亚荣仪器有限公司;FW-80高速万能粉碎机 北京市永光明医疗仪器有限公司;FE20 pH计 梅特莉-托利多仪器(上海)有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 麸皮清理→分解植酸→干燥→粉碎过20目筛→混合酶水解→碱水解→过氧化氢脱色→95%乙醇沉淀→洗涤抽滤→干燥粉碎→麦麸膳食纤维

1.2.2 原料预处理 将麸皮分散水中(麸皮∶水=1∶7)浸泡15 min,以3000 r/min离心脱水10 min,用30倍水洗涤,除去部分淀粉和蛋白质,以免影响提取物的纯度,收集纯净的湿麦麸备用。将清理后所得湿麦麸(麸皮∶水=1∶10)在pH5.5、55 ℃条件下维持4 h,利用内源植酸酶分解植酸,然后水洗至中性,于电热鼓风干燥箱50 ℃干燥8 h,收集干燥后的麦麸,水分含量为10%,粉碎过20目筛得到预处理麦麸。

1.2.3 单因素实验

1.2.3.1 考察混合酶添加量对膳食纤维得率的影响 准确称取预处理麦麸1 g,按料液比1∶10将麸皮分散于水中,按质量分数分别添加1%、1.25%、1.5%、1.75%、2%混合酶(α-淀粉酶∶糖化酶=1∶1),pH6.5,60 ℃反应60 min,100 ℃灭酶10 min,将温度降到60 ℃,加4% 1 mol/L NaOH反应40 min,调节pH为9.0,加5% H2O2,55 ℃脱色2 h,用4倍体积95%的乙醇沉淀1 h,用78%和95%的乙醇洗涤3次,真空抽滤,将抽滤后的滤渣干燥、粉碎即得小麦麸皮膳食纤维。将膳食纤维的得率作为最终的评价指标,每个处理三次重复。膳食纤维得率的计算公式为:膳食纤维得率(%)=所得膳食纤维质量/样品质量×100。

1.2.3.2 考察混合酶酶解时间对膳食纤维得率的影响 准确称取预处理麦麸1 g,按料液比1∶10将麸皮分散于水中,添加1.5%混合酶(α-淀粉酶∶糖化酶=1∶1),pH6.5,60 ℃反应30、40、50、60、70 min,其它步骤同1.2.3.1。以膳食纤维得率为评价指标进行实验,每个水平重复三次。

1.2.3.3 考察碱添加量对膳食纤维得率的影响 准确称取预处理麦麸1 g,按料液比1∶10将麸皮分散于水中,按质量分数添加1.5%混合酶(α-淀粉酶∶糖化酶=1∶1),pH6.5,60 ℃反应50 min,灭酶后,冷却到60 ℃,按质量分数分别加2%、3%、4%、5%、6% 1 mol/L NaOH反应40 min,其它步骤同1.2.3.1。以膳食纤维得率为评价指标进行实验,每个水平重复三次。

1.2.3.4 考察碱解时间对膳食纤维得率的影响 准确称取预处理麦麸1 g,按料液比1∶10将麸皮分散于水中,按质量分数添加1.5%混合酶(α-淀粉酶∶糖化酶=1∶1),pH6.5,60 ℃反应50 min,灭酶后,冷却到60 ℃,按质量分数加4% 1 mol/L NaOH反应10、20、30、40、50 min,其它步骤同1.2.3.1。以膳食纤维得率为评价指标进行实验,每个水平重复三次。

1.2.4 麦麸膳食纤维提取响应面法优化设计 综合单因素实验,利用Design-Expert 7.0软件中的Central Composite Design(CCD)响应面分析设计原理,采用4因素3水平的分析方法,确定酶-化学法提取麦麸膳食纤维的最佳工艺条件。相关因素及水平设计见表1。

表1 响应面分析因素及水平

1.3 数据处理

数据采用Excel 2010处理,结果取3次重复的其平均值。使用Design-Expert 7.0软件中的Central Composite Design(CCD)中心组合实验对数据进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 酶-化学法提取麦麸膳食纤维单因素实验

2.1.1 混合酶添加量对膳食纤维得率的影响 由图1可看出,混合酶添加量显著影响膳食纤维的得率。随混合酶添加量的增加,得率呈现先增加后降低的趋势,当添加量为1.5%时膳食纤维得率达到最高;随后,随着酶添加量的增加,膳食纤维得率急剧下降,当添加量为2.0%时,得率降到最低。原因可能是酶浓度过低,麦麸表面覆盖的淀粉可能水解不完全;若酶浓度太高,膳食纤维中的半纤维素等生理活性物质容易溶出而使得率降低[16],所以混合酶添加量以1.5%最宜。

图1 酶添加量对膳食纤维得率的影响Fig.1 Effect of enzyme concentration on DF yield

2.1.2 混合酶酶解时间对膳食纤维得率的影响 由图2可知,酶解时间对麦麸膳食纤维的影响也较大。主要表现在:随混合酶作用时间的延长,膳食纤维得率呈先增加后降低的趋势,当作用时间为50 min时,得率达到最高;随后得率迅速下降,当酶解时间70 min时,降到最低。可能是由于混合酶作用时间与麦麸原料颗粒大小以及淀粉跟原料结合的紧密度有关,结合越紧密,酶反应时间越长;同时,随酶解时间的延长部分可溶性膳食纤维会流失,致使得率下降。因此,混合酶作用时间以50 min为宜。

图2 酶解时间对膳食纤维得率的影响Fig.2 Effect of enzyme digestion time on DF yield

2.1.3 碱添加量对膳食纤维得率的影响 由图3可知,碱添加量对麦麸膳食纤维得率的影响也很大。随碱添加量的增加,膳食纤维得率也呈先增后减的趋势;当碱添加量为4%时,得率最高;而碱添加量超过4%时,得率反而减少。原因可能是碱液浓度在低于4%时可较充分的达到溶解蛋白质的作用;而当碱液浓度过大时,纤维和半纤维素会发生轻度水解[17],导致膳食纤维得率降低,且膳食纤维色泽加深。故碱添加4%为宜。

图3 碱添加量对膳食纤维得率的影响Fig.3 Effect of alkali concentration on DF yield

2.1.4 碱解时间对膳食纤维得率的影响 由图4可知,随碱水解时间延长,膳食纤维得率呈先增后降趋势,当碱水解时间为30 min时,得率最高,随后急剧下降,当碱解时间为50 min时,膳食纤维得率降到最低。原因可能是碱解时间过短,水解不完全导致得率较低;而碱解时间过长,膳食纤维发生软化,甚至有的部分发生轻度水解,最终会造成得率降低[18],故碱解以30 min为宜。

图4 碱解时间对膳食纤维得率的影响Fig.4 Effect of alkali hydrolysis time on DF yield

2.2 酶-化学法提取麦麸膳食纤维的响应面实验

2.2.1 模型的建立及显著性检验 本实验利用CCD中心组合实验设计原理,综合单因素实验结果,选取X1、X2、X3和X4为响应因素,小麦麸皮膳食纤维得率为响应值Y,响应面实验设计方案及结果见表2。实验设计共29个实验点,其中5个为重复零点实验,以估计误差。

表2 响应面实验设计及结果

将表2实验数据进行二次多元回归拟合,统计分析后得到麦麸膳食纤维得率预测值Y为目标函数的二次回归方程:

Y=87.20+1.86X1-015X2+0.20X3+0.42X4-3.03X12-2.67X22-1.87X32+0.046X42-0.95X1X2-0.22X1X3-0.75X1X4-2.70X2X3-0.15X2X4-0.98X3X4

由表3可知,失拟项不显著(p值为0.3439,大于0.05),回归模型极显著(p<0.0001),说明该模型对实验拟合程度高。为了进一步提高方程的拟合效果,手动优化去掉不显著交互项X2X4(其p值较大,为0.7292),使得R2达到0.9483,说明该模型预测性较好,能解释响应值Y变化的94.83%。进而得到新的方程为:

Y=87.20+1.86X1-015X2+0.20X3+0.42X4-3.03X12-2.67X22-1.87X32+0.046X42-0.95X1X2-0.22X1X3-0.75X1X4-2.70X2X3-0.98X3X4,可获得更好的拟合效果。同时,CV=0.98,精密度(14.59)大于4,也表明用该模型对酶-化学法提取小麦麸皮膳食纤维的过程进行优化是合适的。显著性检验表明一次项X1(混合酶添加量),平方项X12(混合酶添加量)、X22(酶解时间)、X32(碱添加量)及交互项X2X3表现出了高度显著水平,对膳食纤维得率具有极显著影响。交互项X1X2、X3X4对膳食纤维得率有显著影响。

表3 回归方程方差分析表

注:p<0.05,差异显著;p<0.01,差异极显著。

2.2.2 响应面分析 任何两个因素的交互作用对得率的影响程度可以通过图5中的响应曲面图及等高线图进行分析评价,进而得到最佳的因素水平范围。因素间交互效应的强弱则可从等高线的形状看出,其形状越接近圆形,说明交互作用越不显著;越接近椭圆形,表明因素间的交互作用越显著,且椭圆排列的紧密程度可反映因素对响应值变化的影响程度[19-21]。由以上响应曲面图可知,极值条件出现在等高线的圆心处。在交互项对得率的影响中,酶解时间(X2)与碱添加量(X3)的交互作用对膳食纤维得率的影响达极显著水平;混合酶添加量(X1)与酶解时间(X2)、碱添加量(X3)与碱解时间(X4)的交互作用对得率的影响达显著水平。

2.2.3 提取工艺条件优化 采用软件中Optimization的Numerical功能,进行参数最优化分析,得最优理论工艺条件为:混合酶添加量1.65%,混合酶解时间47.01 min,碱添加量4.32%,碱解时间38.16 min,在此条件下麦麸膳食纤维的理论得率为87.8576%。为了检验实验结果的可靠性,根据以上实验结果进行验证实验,考虑到可操作性,将提取工艺参数修正为混合酶添加量1.5%,混合酶解时间45 min,碱添加量4%,碱解时间35 min,在此条件下进行3次平行实验,实际的平均得率值(87.84%)与理论预测值的相对误差较小(约为0.02%)。因此,该数学模型对优化酶-化学法提取麦麸膳食纤维的工艺是可行的。

3 结论

采用酶-化学法提取小麦麸皮膳食纤维,在单因素实验的基础上采用了CCD中心组合设计方法设计响应面实验,建立数学模型,得到较优提取工艺。结合响应面分析数据并进行实验验证,得到最佳提取工艺条件为混合酶添加量1.5%,混合酶酶解时间45 min,碱添加量4%,碱解时35 min,此条件下麸皮膳食纤维得率可达到87.84%。并得到膳食纤维得率与各因素变量的二次方程模型,该模型回归极显著,对实验拟合较好,有一定的应用价值。

图5 各因素交互作用对膳食纤维得率影响的响应面图Fig.5 Response surface for the effects of pairwise interactions among various variables on extraction efficiency of DF

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Response surface methodology for extraction optimization of dietary fiber from wheat bran

JIANG Xiao-ling,LI Xiao-jun,LI Gan,HU Xi-gui,LI Xiao-hui,LI Xiu-ling,YU Hong-cai,RU Zhen-gang*

(Center of wheat breeding,Henan Institute of Science and Technology,Collaborative Innovation Center of Modern Biological Breeding,Henan Province,Key Discipline Open Laboratory on Crop Molecular Breeding of Henan Institute,Xinxiang 453003,China)

In order to research the effects of the enzymatic and chemical method on the extraction of the dietary fiber from wheat bran,four parameters(i.e. enzyme concentration,enzyme digestion time,alkali concentration and alkali hydrolysis time)were identified to be main variables to analyze their effects on extraction efficiency of dietary fiber. Furthermore,on the basis of the single-factor experiment,the response surface test was designed and Design Expert software was used to make quadratic regression analysis to determine the optimal process conditions for preparing dietary fiber of wheat bran. The optimum extracting conditions for extracting dietary fiber from wheat bran were found as follows:mixed enzyme 1.5%,digestion time 45 min,alkali 4%,hydrolysis time 35 min. Under these conditions,the extraction yield of dietary fiber was up to 87.84%,which was very close to the theoretical prediction value(relative error was 0.02%). Results showed that the regression equation of this experiment had certain application value.

wheat bran;dietary fiber;extraction technology;response surface analysis

2016-10-11

姜小苓(1982-)，女，博士，讲师，研究方向：小麦品质检测及改良，E-mail：xiao_ling_jiang@163.com。

*通讯作者:茹振钢(1958-)，男，教授，研究方向：小麦育种，E-mail：rzgh58@163.com。

河南省科技攻关项目(152102110085)。

TS213.2

A

1002-0306(2017)06-0158-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.06.022