α-淀粉酶和γ-淀粉酶水解麦麸淀粉工艺优化

李湘江， 杨 丹， 邢家溧， 沈 坚， 郑睿行， 张书芬， 傅 晓， 罗小虎

(1.宁波市食品检验检测研究院，浙江 宁波 315048； 2.江南大学粮食发酵工艺与技术国家工程实验室，江苏 无锡 214122)

近年来，人们的生活水平不断提高，膳食结构也发生了很大改变，高脂高糖食品摄入过量，膳食纤维(Dietary fiber，DF)摄入不足，导致与饮食相关的疾病，例如糖尿病、高血脂、肥胖症等的发病率逐年提高[1]。膳食纤维逐渐受到广泛重视，世界范围内展开了研究膳食纤维保健食品的热潮[2]。经过多年的研究发展，膳食纤维保健食品已成为保健食品中重要一类。膳食纤维因其独特的生理功能，被称为继蛋白质、碳水化合物、脂肪、维生素、矿物质、水之后的人类“第七大营养素”[3]。专家们认为，随着人民健康意识的逐步提高，纤维类食品将逐渐增加，成为主导食品之一[4]。

中国小麦产量位居世界首位，而麦麸是小麦加工业中最主要的副产品，年产量约有 2×107t[5]。麦麸富含多种营养物质，除可用作饲料原料、酿酒以外，还是加工膳食纤维的理想原料。麦麸中膳食纤维含量接近50%，麦麸膳食纤维具有安全、健康、低成本的优点，其特有的生理保健功能受到人们的重视[6]。但是目前中国麦麸却多用作牲畜饲料或者直接丢弃，其价值没有得到充分利用[7]。因此，研究麦麸膳食纤维预处理技术，对提高麦麸的利用率，增加其经济价值，促进小麦深加工，增加农民收入等具有积极意义。

与传统化学法相比，酶解法制备膳食纤维的条件更加温和，对环境的污染更小，发展前景更好。酶解法基本原理是用蛋白酶与淀粉酶将麦麸中的蛋白质和淀粉联合水解从而制得膳食纤维[8]。由于麦麸中淀粉含量很高，淀粉水解是制备麦麸膳食纤维的重要一步[9]。王长虹等[10]通过单独使用糖化酶水解麦麸淀粉，利用响应面优化，去除了麦麸中84.14%的淀粉。朱芸等[11]采用α-淀粉酶对麦麸淀粉进行水解，以还原糖含量为评价指标，确定了淀粉水解的最优工艺。与传统分步单酶去除麦麸淀粉的工艺不同，本研究采用α-淀粉酶与γ-淀粉酶复合酶一步酶解法去除麦麸中的淀粉，并对酶解工艺进行优化，为酶法水解淀粉提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

麦麸由中粮集团提供，α-淀粉酶、γ-淀粉酶为无锡赛德生物有限公司产品，氢氧化钠、次氯酸钠、双氧水、活性炭购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 主要设备

电热恒温鼓风干燥箱，DHG-9075A型，上海一恒科技有限公司产品；分析天平，AL204型，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司产品；高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司产品；离心机，LXJ-IIB型，上海安亭科学仪器厂产品。

1.3 麦麸基本成分测定

淀粉含量测定方法参照GB/T 5009.9-2016，蛋白质含量测定方法参照GB/T5009.5-2016，水分含量测定方法参照GB/T 5009.3-2016，灰分含量测定方法参照GB/T 5009.4-2016，膳食纤维含量测定方法参照GB/T 5009.88-2014，脂肪含量测定方法参照GB/T 5009.6-2016。

1.4 水解麦麸中淀粉的工艺流程

工艺流程：麦麸→干燥→粉碎→泡洗→加热搅拌→冷却1 h→调溶液pH→过滤→离心→淀粉酶水解→过滤→煮沸灭酶→漂洗离心烘干→测定淀粉残留率。操作要点：(1)干燥，70 ℃鼓风干燥3 h后除杂；(2)粉碎，万能粉碎机粉碎5 min，并过80目筛；(3)加热搅拌，100 ℃，12 min；(4)淀粉酶水解，加入适量α-淀粉酶，并在特定温度下水解一段时间；(5)离心烘干，离心后，70 ℃鼓风干燥8 h。

1.5 单因素及优化工艺试验设计

在其他参数不变的基础上，选择不同水平的料液比、α-淀粉酶与γ-淀粉酶的比例、用量、酶解的温度、时间、pH值等因素进行单因素试验。在单因素试验基础上，选用α-淀粉酶与γ-淀粉酶的比例(A)、复合酶添加量(B)、酶解温度(C)、酶解时间(D)、pH值(E)共5个因素，利用正交试验L16(45)(表1)，以酶解后麦麸中淀粉的残留率为评价指标，采用极差分析方法，筛选复合酶法去除麦麸中淀粉的最佳条件。

表1正交试验因素和水平表

Table1Factorsandlevelstableoforthogonaltest

水平α⁃淀粉酶与γ⁃淀粉酶比例(A)复合酶添加量(B)(%)酶解温度(C)(℃)酶解时间(D)(min)pH值(E)18：20．340805．027：30．545905．536：40．7501006．045：50．9551106．5

2 结果与分析

2.1 小麦麸皮中总膳食纤维含量

小麦麸皮成分测定结果显示，麦麸中总膳食纤维(Total dietary fiber，TDF)含量达到41.56%，这与张国真等[12]和陈建宝[13]的测定结果一致。不溶性膳食纤维含量(Insoluble dietary fiber，IDF)为37.25%，占总膳食纤维的89.26%，可溶性膳食纤维(Soluble dietary fiber，SDF)含量为4.31%，仅占总膳食纤维的10.37%。其余成分含量分别为淀粉30.77%、蛋白质14.82%、粗脂肪3.86%、灰分7.69%、水分9.65%。淀粉是提取麦麸中膳食纤维的主要影响因素，去除麦麸中淀粉是制备膳食纤维工艺中的关键环节。

2.2 麦麸淀粉酶解过程中单因素对淀粉残留率的影响

2.2.1 料液比对麦麸中淀粉残留率的影响 参考曹新志等[14-15]、冯志强等[16]的研究结果，确定α-淀粉酶与γ-淀粉酶比例为 7∶3，复合酶添加量为0.5%(相对于麦麸总量而言)，酶解时间设为90 min，温度为45 ℃，pH为5.0。在此条件下研究料液比与淀粉残留率的关系，淀粉残留率计算方法为淀粉残留率=干麦麸淀粉质量/干麦麸质量×100%[17]。由图1可知，料液比从 1∶8 增加到 1∶12的过程中，淀粉残留率显著降低；料液比从 1∶12到 1∶16，淀粉残留率有下降趋势，但是不显著，可能是由于料液比过大时复合酶被稀释，淀粉的水解效果下降。在膳食纤维的实际生产工艺中，料液比过低可能会影响膳食纤维的提取效率，比例过高提取效率增加有限，因此综合考虑，选择料液比 1∶12作为优化参数。

1′、2′、3′、4′、5′、6′、7′、8′、9′、10′分别表示α-淀粉酶与γ-淀粉酶比例为10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8、1∶9。图1 麦麸淀粉酶解过程中单因素对淀粉残留率的影响Fig.1 Effects of single factors on residual rate of starch in enzymolysis process of wheat bran starch

2.2.2 复合酶比例对麦麸中淀粉残留率的影响 确定料液比为1∶12，复合酶添加量为0.5%，酶解时间设为90 min，温度为45 ℃，pH为5.0。在此条件下研究α-淀粉酶和γ-淀粉酶比例与淀粉残留率的关系。由图1可以看出，α-淀粉酶与γ-淀粉酶的比例从10∶0减少到1∶9的过程中，淀粉残留率呈现先下降而后又上升的趋势。当两种酶的比例为 7∶3时，淀粉残留率最低，仅为0.65%；当α-淀粉酶与γ-淀粉酶的比例为 10∶0，即仅有α-淀粉酶时，麦麸中淀粉残留率为0.9%；当α-淀粉酶与γ-淀粉酶的比例为1∶9时，淀粉残留率为1.48%。前人研究结果表明，α-淀粉酶作用于淀粉，γ-淀粉酶作用于α-淀粉酶酶解后的产物，当α-淀粉酶与γ-淀粉酶比例合适时，水解速度会加快，并且水解更为完全[18]。

2.2.3 复合酶添加量对麦麸中淀粉残留率的影响 确定料液比为1∶12，α-淀粉酶与γ-淀粉酶的比例为 7∶3，酶解时间设为90 min，温度为45 ℃，pH为5.0。在此条件下研究复合酶添加量与麦麸中淀粉残留率的关系。由图1可知，复合酶用量在0.1%至0.7%之间，淀粉残留率逐渐下降，复合酶用量0.7%时淀粉残留率最低，然后随着复合酶用量的增加，淀粉残留率反而迅速增加。这可能是因为当α-淀粉酶和γ-淀粉酶的添加量过高时增加了溶液黏性，使淀粉酶的活性受到了抑制，水解不够彻底，淀粉残留率增加。

2.2.4 酶解温度对麦麸中淀粉残留率的影响 确定料液比为1∶12，α-淀粉酶与γ-淀粉酶的比例为7∶3，复合酶添加量为0.5%，酶解时间设为90 min，pH为5.0。在此条件下研究酶解温度与淀粉残留率的关系。由图1可以看出，淀粉残留率随着酶解温度的上升先减小后又逐渐增加。当温度分别从35 ℃上升到45 ℃时，残留率从1.30%下降到0.62%；当酶解温度升高到55 ℃时，淀粉残留率升高到1.00%。温度影响酶的活性，只有当温度处于该酶的最佳温度下时，才能最大程度发挥其活性。α-淀粉酶和γ-淀粉酶分别有其最适的温度，而当两者共同作用时，即淀粉酶的酶解效果最好。本试验中，最佳温度为45 ℃，此时淀粉残留率最低。

2.2.5 酶解时间对麦麸中淀粉残留率的影响 确定料液比为1∶12，α-淀粉酶和γ-淀粉酶的比例为7∶3，复合酶添加量为0.5%，酶解温度45 ℃，pH为5.0。在此条件下研究酶解时间与淀粉残留率的关系。由图1可以看出，随着酶解时间从60 min增加到100 min，麦麸中淀粉残留率逐渐下降，从1.22%降低到0.60%。当酶解时间从100 min增加到120 min时，麦麸中淀粉残留率又开始上升，从0.60%上升到1.12%。酶解时间为100 min时淀粉残留率最低，为0.60%。当酶解时间大于100 min后，淀粉残留率反而上升，可能是由于酶解时间过长，导致溶液的黏度增加，聚集成团，抑制了复合酶的活性。

2.2.6 pH值对麦麸中淀粉残留率的影响 确定料液比为1∶12，α-淀粉酶和γ-淀粉酶的比例为7∶3，复合酶添加量为0.5%，酶解温度为45 ℃，时间为90 min。在此条件下研究pH值与淀粉残留率的关系。由图1可知，随着pH值从4.5升高到6.5，淀粉残留率先逐渐减小而后又逐渐增加。pH 5.0时残留率为0.62%，当pH为5.5时残留率为0.60%，相差不大，此时麦麸中淀粉残留率均为最低。pH值影响酶活性，过酸或过碱都能使酶的分子结构遭到破坏而失去活性。α-淀粉酶与γ-淀粉酶有各自最适宜的pH[19]，但当它们共同作用时，最适pH在5.0到5.5之间。

2.3 麦麸中淀粉酶解工艺的最佳条件

固定料液比为1∶12，选用α-淀粉酶与γ-淀粉酶的比例(A)、复合酶添加量(B)、酶解温度(C)、酶解时间(D)、pH值(E)共5个因素，进行正交试验，采用L16(45)的方式，以酶解后麦麸中淀粉残留率为评价指标，分析复合酶去除麦麸中淀粉的最佳工艺条件。正交试验结果(表2)显示，α-淀粉酶与γ-淀粉酶的比例、复合酶添加量、酶解时间、酶解温度以及pH值对淀粉残留率均有不同程度的影响。分析极差值可以发现，上述因素对淀粉残留率的影响由大到小排序为：复合酶比例>温度>复合酶添加量>时间>pH值，最佳条件为A3B3C1D2E4。即为复合酶比例6∶4、复合酶添加量0.7%、酶解温度40 ℃、酶解时间90 min、pH 6.5，此时酶解后的麦麸中淀粉残留率仅为0.62%。

表2α-淀粉酶和γ-淀粉酶水解淀粉正交试验结果

Table2Orthogonaltestresultsofhydrolyzedstarchwithα-amylaseandγ-amylasecomplex

序号因素水平ABCDE淀粉残留率(%)1111111．482122221．623133331．084144441．025212341．526221431．217234120．818243210．909313421．0110324310．7311331240．6212342130．9213414231．0214423141．5215432411．3216441321．09K15．225．034．404．734．43K24．445．085．384．164．53K33．283．834．514．424．23K44．953．933．584．564．68极差1．941．251．800．570．45

各因素水平见表1。

3 结 论

本试验以麦麸作为原料，研究了麦麸膳食纤维制备过程中淀粉水解工艺。试验中以料液比、α-淀粉酶与γ-淀粉酶比例、复合酶添加量、酶解温度、酶解时间、pH值为单因素，淀粉残留率为评定指标，分析了各单因素对淀粉残留率的影响。单因素试验结果表明，料液比、α-淀粉酶与γ-淀粉酶比例、复合酶添加量、酶解温度、酶解时间、pH值均对淀粉残留率有影响。在单因素试验的基础上，固定料液比为1∶12，再采用L16(45)进行正交试验，结果显示，当α-淀粉酶与γ-淀粉酶的比例为6∶4、复合酶添加量为0.7%、酶解温度为40 ℃、酶解时间为90 min、pH值为6.5时，所得麦麸中淀粉残留率最低，仅0.62%。酶解法提取膳食纤维具有提取条件较为温和，耗能较少，操作过程较为简便等优点，有利于降低环境污染，复合酶法比单纯酶法提取效果更好，特别适合于淀粉含量高的原料。

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