响应面法优化米糠水溶性膳食纤维酶法提取工艺研究

徐彩红，李莎怡静，李桂杰，公 勋

(沈阳师范大学粮食学院，辽宁 沈阳 110034)

响应面法优化米糠水溶性膳食纤维酶法提取工艺研究

徐彩红，李莎怡静，李桂杰，公 勋

(沈阳师范大学粮食学院，辽宁 沈阳 110034)

对超声辅助混合酶法提取米糠水溶性膳食纤维(RSDF)的提取工艺进行了研究。考察了酶及其添加量、料液比、超声功率和超声时间等对RSDF得率的影响。经过单因素试验和central composite design中心复合响应面分析法，确定了RSDF的最佳提取工艺为：添加6%的木瓜蛋白酶，60℃水解1 h并灭酶后，再添加1.5%木聚糖酶、料液比1∶25 g/ml，55℃水浴超声(600 W)5 min。在此条件下，米糠水溶性膳食纤维得率最高为25.10%。

响应面法；米糠；水溶性膳食纤维；纤维素酶；木聚糖酶；提取工艺

膳食纤维(DF)是一类复杂混合物的总称，国际食品法典委员会(2009年)定义为具有10个以上单体链节的不被人体小肠内生酶水解的碳水化合物，被称为第七营养素，可有效的预防或减少心血管疾病、高血压、糖尿病和肥胖症等慢性疾病的发生，具有重要的保健功能[1-2]。DF中的可溶性膳食纤维包括果胶和葡聚糖等亲水胶体物质和部分半纤维素，可清除体内自由基和外源有害物质，有抗氧化防衰老、增强机体免疫力、抗癌防癌等生理功效[3]。

米糠是稻谷加工的主要副产品，约占稻谷质量的5%～8%，却集中了稻米约65%的营养素，是一种极具开发潜力的高附加值资源。脱脂米糠中DF质量分数高达30%～50%，是DF的理想来源[4]。米糠膳食纤维(RSDF)具有降血糖、降低胆固醇和抗大肠癌等生理作用，若加以开发利用，可拓宽米糠的应用载体，延长稻谷加工产业链。但由于新鲜米糠贮存稳定性差、易酸败、DF溶解性低、加工性差等原因严重制约了米糠的开发利用。我国2015年米糠的产量超过1 600 万t，仅约10%～15%的米糠被用作制油或提取植酸钙等高附加值产品，小部分作为动物饲料，绝大部分未被开发而浪费。因此，开展米糠基础研究以推动其高效利用意义重大。

目前，RSDF提取的主要方法有物理法、化学法和酶解法[5]，物理法DF的提取率偏低，化学法提取的DF提取率较高(38.5%)[6]，但活性较低、环境污染也较重。酶解法能够显著提高DF的提取率和品质，国内外多采用此法制备DF，但不同酶解工艺得到的RSDF提取率和品质差异较大(6.68%～16.32%)[7-9]，采用的酶主要是蛋白酶和纤维素酶，未见采用木聚糖酶进行酶解提取RSDF的报道。因此，本研究考察了酶的种类及其添加量、料液比、超声时间和超声功率等对RSDF得率的影响，并进一步采用CCD中心复合响应面试验分析法优化了RSDF的提取工艺，显著提高RSDF的提取率和品质，这对推动米糠的综合应用具有十分重要的意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

米糠：辽宁华润五丰营销有限公司；石油醚、无水乙醇、冰乙酸、无水乙酸钠；木瓜蛋白酶(1 000 U/mg)、纤维素酶(1 800 U/mg)、木聚糖酶(60 000 U/mg)；去离子水。

1.2 仪器与设备

HH-6型数显恒温水浴锅，SB-25-12DT型超声波清洗机，DHG-9146A型电热恒温鼓风干燥箱，FW型高速万能粉碎机，ESJ120-48型电子天平，MODEL868型电子pH计。

1.3 试验方法

1.3.1 米糠预处理

将米糠粗粉于60 ℃烘箱中干燥6 h后过60目筛，将筛下部分加入4倍体积石油醚，室温下浸泡30 min，真空抽滤收集滤渣，重复脱脂2～3次，将滤渣用4倍体积的80%乙醇清洗残留石油醚，重复2～3次，将滤渣在60℃烘箱中烘干粉碎，即得脱脂米糠。

1.3.2 水溶性膳食纤维的提取工艺

称取一定质量的脱脂米糠，按一定料液比加入去离子水，用醋酸-醋酸钠水溶液调pH值 5.0，加入6%的木瓜蛋白酶，60℃水浴中水解1 h，然后90℃灭酶10 min，待样液温度降至60℃以下时，加入一定量的酶，定温下超声既定时间后，90℃灭酶10 min，真空抽滤，滤液浓缩蒸发至一定体积，用4倍体积的无水乙醇沉淀，滤渣反复用无水乙醇洗涤至中性，最后将滤渣在60℃下烘干至含水量在13.0左右，粉碎，即得RSDF。

1.3.3 水溶性膳食纤维提取率

1.3.4 单因素试验

按1.3.2节中RSDF的提取工艺，称取脱脂米糠3.0 g，按一定料液比加入去离子水，调pH值至5.0，加入6 %的木瓜蛋白酶，60℃水浴水解1 h后，灭酶，加入纤维素酶或木聚糖酶，并采用超声波辅助提取。选取酶添加量、超声时间和超声功率、料液比四个因素进行RSDF提取的单因素试验，确定各因素对RSDF得率的影响，详见表1。

表1 RSDF酶提工艺的单因素试验设计

1.3.5 提取工艺的优化

根据单因素试验，选取料液比和纤维素酶或木聚糖酶的添加量2个因素为自变量，以RSDF得率值为响应值(Y)，进行两因素五水平的CCD响应面试验设计优化提取工艺，因素水平编码见表2。

1.3.6 数据处理与分析

每组试验重复三次，数据结果运用Design Expert 8.0.6软件进行响应面设计和统计学分析，采用Origin 8.0进行统计分析和制图。

表2 central composite design试验设计因素水平编码表

编码因素料液比(X1)g·ml-1加酶量(X2)/%纤维素酶木聚糖酶-1.4145.862.380-11∶103001∶204.51.011∶3062.01.41434.146.622.41

2 结果与分析

2.1 RSDF制备工艺的单因素试验

2.1.1 加酶量对RSDF得率的影响

由图1可知，纤维素酶在添加量0.5%～6%内，随着加入量的增多，RSDF得率增高。在0.5%～3%内，RSDF的得率显著升高，当加酶量达6%以上时，RSDF的得率趋于稳定，因此，考虑经济成本，选择加酶量3%～6%进行优化研究。

图1 纤维素酶加入量对RSDF制备条件的影响

由图2可知，木聚糖酶在添加量0～5%内，随着加入量的增多，RSDF得率增高。在0～3%内，RSDF的得率显著升高，当加酶量达2%以上时，RSDF的得率趋于稳定，因此，选择加酶量0～2%进行进一步研究。

图2 木聚糖酶加入量对RSDF制备条件的影响

2.1.2 超声功率和超声时间对RSDF得率的影响

由图3可知，超声功率在200～600 W内，纤维素酶和木聚糖酶酶解法对RSDF得率的影响结果均是增大的，但功率过大可能会降低酶的活性，因此，本研究采用超声功率600 W为提取条件。

图3 超声功率对RSDF制备条件的影响

由图4可知，超声时间增加，RSDF的得率先提高，但超声5 min后，纤维素酶和木聚糖酶酶解法的RSDF得率均显著减小。考虑到超声时间过长，可能导致酶失活或膳食纤维分解，而降低RSDF得率，因此，超声时间选择5 min为宜。

图4 超声时间对RSDF制备条件的影响

2.1.3 料液比对RSDF得率的影响

由图5可知，料液比增大，RSDF得率先增高，当料液比超过1∶30时，RSDF得率快速下降。因此，选择料液比1∶10～1∶30进行优化。

图5 料液比对RSDF制备条件的影响

2.2 RSDF制备工艺条件的优化

2.2.1 响应模型的建立与分析

根据单因素试验结果，采用CCD响应面试验设计,结果见表3。其中，X1为纤维素酶料液比，X2为纤维素酶加酶量，Y1为RSDF得率，X3为木聚糖酶的料液比，X4为木聚糖酶加酶量，Y2为RSDF得率。对表3中纤维素酶和木聚糖酶的试验数据分别采用Design Expert.8.0.6软件处理，并进行多元线性回归，得到二项式拟合的代码方程分别为：

表3 central composite design响应面试验设计和响应值

表4 纤维素酶提取工艺CCD试验设计回归模型方差分析表

注：*表示差异显著(P<0.05)，**表示差异极显著(P<0.01)。下同。

各试验因素对响应值的影响均不是简单的线性关系，酶的加入量与料液比对RSDF得率的影响可由图6和图7直观反映。两图底面的等高线形状反映出两因素交互效应的强弱，等高线越接近椭圆而非圆形，表示交互作用越明显。可见，木聚糖酶的酶提工艺中两因素的交互作用较纤维素酶的更显著些。

由图6可知，当纤维素酶添加量一定时，随料液比的增加，RSDF得率先增加后逐渐降低。当料液比一定时，RSDF的得率随着纤维素酶加入量的增加先增后降。因此，综合分析得到的最优试验条件为：纤维素酶添加量为4.5%，料液比为1∶25 g/ml。

由图7可知，当木聚糖酶添加量一定时，随料液比的增加，RSDF得率先增加后逐渐降低。当料液比一定时，RSDF的得率随木聚糖酶加入量的增加先增后降。综合数据、经济原则和实际操作的可行性，选取最优试验条件为：木聚糖酶添加量为1.5%，料液比为1∶25 g/ml。

表5 木聚糖酶提取工艺CCD试验设计回归模型方差分析表

图6 纤维素酶加入量和料液比对RSDF得率的影响

图7 木聚糖酶加入量和料液比对RSDF得率的影响

2.2.2 响应面分析法的验证

为验证两回归模型的可靠性和实用性，按响应面分析法所得的纤维素酶和木聚糖酶的酶提最优工艺进行3次平行试验。此条件下，实际测得的RSDF得率值分别为17.90%和25.10%，预测值为分别为17.71%和26.20%，相对偏差小于5%，说明该模型对RSDF提取工艺预测性良好。

3 结果与讨论

采用中心复合响应面试验设计优化了超声波辅助混合酶法提取米糠水溶性膳食纤维的提取工艺，并且比较了纤维素酶和木聚糖酶的酶解效果。研究表明，后者的酶解能力更强，RSDF得率较高。因此，确定最佳工艺条件为：添加6%的木瓜蛋白酶，60℃水解1 h并灭酶后，再添加1.5%木聚糖酶、料液比1∶25 g/ml55℃水浴超声(600 W)5 min。

本研究制备RSDF的工艺比酸碱法的提取工艺更加绿色，条件也温和；与直接酶解法或超声法相比，更加快速、高效，RSDF的得率也较高，并且所得的RSDF呈淡黄色，无异味，有望将其作为功能性食品配料用于食品生产,有助于米糠资源的开发，有利于提升米糠的附加值。

[1] MACAGNAN F T, SILVA L P, HECKTHEUER L H. Dietary fibre: the scientific search for an ideal definition and methodology of analysis, and its physiological importance as a carrier of bioactive compounds[J].Food Res Inter, 2016,85:144-154.

[2] KING D E. Dietary fiber, inflammation, and cardiovascular disease[J]. Mol Nutr Food Res, 2005,49(6):594-600.

[3] ANDERSON J W, BAIRD P,DAVIS R H, et al. Health benefits of dietary fiber[J]. Nutr Rev, 2009,67(4): 188-205.

[4] 周显青,杨继红,张玉荣. 国内外米糠资源利用现状与发展[J].粮食加工, 2014,39(5):24-29.

[5] 张 汪,时 超,褚莹莹,等.米糠膳食纤维提取工艺的研究进展[J].食品工程,2016(4):1-3.

[6] 苗 欣,张 晖,李 伦,等.响应面法优化脱脂米糠膳食纤维提取工艺的研究[J]. 中国油脂, 2009,34(6):64-67.

[7] 文 伟,刘 磊,张名位,等.脱脂米糠复合酶解工艺条件优化及其营养特性评价[J].中国农业科学,2015,48(8):1 597-1 608.

[8] 朱凤霞,梁 盈,林亲录,等.响应面法优化超声辅助酶法提取米糠水溶性膳食纤维[J]. 食品工业科技,2015,14:194-198.

[9] 许 晖,孙兰萍.从米糠中制备水溶性膳食纤维的比较研究[J].粮食与饲料工业,2007(5):13-15.

(责任编辑：赵琳琳)

Optimization of soluble dietary fiber of rice bran extraction process by response surface methodology

XU Cai-hong, LI Sha-yijing, LI Gui-jie,GONG Xun

(College of Grain Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

The aim was to optimize the extraction process of rice bran soluble dietary fiber (RSDF) by ultrasonic assisted mixed enzyme methods. These factors which influence the extraction efficiency were discussed: the added amount of enzyme, solid to liquid ratio, ultrasonic time and power, water bath temperature and extraction time. The single factor and CCD of response surface analysis showed that the optimum extraction conditions were: papain amount 6%, hydrolysis of 1 h at 60℃ for enzyme inactivation,then adding xylanase dosage 1.5%, solid to liquid ratio of 1∶25 g/ml,ultrasonic time (600 W) of 5 min at 55℃.Under this conditions, the yield of RSDF was up to 25.10%.

response surface methodology；rice bran；soluble dietary fiber；cellulase；xylanase；extraction process

2016-12-03；

2017-04-21

辽宁省科技攻关项目(2015211003)；沈阳师范大学科学技术校内项目(XNL2016016)；沈阳师范大学博士科研启动项目(BS201406)。

徐彩红(1979-)，女，博士，讲师，主要从事食品化学研究。

李桂杰(1959-)，女，教授，主要从事粮食与饲料工程研究。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.05.010

TS210.9;TS201.2+5

A

1003-6202(2017)05-0037-05