小米麸皮酶法改性工艺及其功能特性

李静，毕晓丹，朝乐门，陈建兴

（赤峰学院 化学与生命科学学院，内蒙古 赤峰 024000）

谷麸是制备膳食纤维的优质原料，但统计数据显示目前谷麸质利用率不足20%[1]。小米麸皮（millet bran，MB）为小米加工的主要副产物，目前主要用作禽类饲料或直接废弃，造成了资源的浪费。小米麸皮膳食纤维（millet bran total dietary fiber，MBTDF）的含量高[2-3]，但其中可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）含量较低，为2%～3%，只有SDF 含量在10%以上才能称为高品质膳食纤维，反之只能被称作填充型膳食纤维[4-5]，后者的降血糖、降胆固醇等功能性比较有限。

酶法改性技术现常用于提高可溶性膳食纤维含量，该法条件温和、可控、无溶剂残留问题[6]。周小理等[7]采用纤维素酶对苦荞麸皮进行改性处理，水溶性膳食纤维含量提高了17.41%，持水力、膨胀力均显著提高。朱玉等[8]采用纤维素酶改性小米糠，以体外胆固醇吸附活性为指标对改性工艺进行优化，改性后膳食纤维体外吸附胆固醇量为14.21 mg/g，提高了1.4 倍。张梦云[9]采用复合酶法对麦麸膳食纤维进行改性，改性后麦麸膳食纤维的持油力、葡萄糖吸附能力、亚硝酸根离子吸附能力及阳离子交换能力均显著提高。陈闯等[10]使用复合酶处理玉米皮渣，可溶性膳食纤维得率为2.996%。本文对小米麸皮膳食纤维采用纤维素酶进行改性处理，以提高可溶性膳食纤维的得率，通过正交试验优化改性工艺，并对改性处理前后小米麸皮的理化特性进行研究，以期为小米麸皮的开发利用及优质膳食纤维的制备提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小米麸皮：内蒙古赤峰市阿鲁科尔沁金丰米业有限责任公司；α-淀粉酶（4 000 U/g）、糖化酶（10 万U/g）、纤维素酶（30 U/g）：上海源叶生物科技有限公司；氢氧化钠、胆固醇：国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇：西陇科学股份有限公司；柠檬酸钠：天津市众联化学试剂有限公司。以上试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

HH-601 恒温水浴锅：常州市金坛区环宇科学仪器厂；SHZ-D（Ш）循环水真空泵：金坛市金祥龙电子有限公司；CLF-308 超微粉碎机：浙江省温岭市创力药材器械厂；BSA224S 电子天平：赛多利斯科学仪器有限公司；DZF-1ASB 真空干燥箱：北京科伟永兴仪器有限公司；TG16-WS 台式离心机：湖南沪康离心机有限公司；DF-101S 恒温磁力搅拌器：上海力辰邦西仪器科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

小米麸皮→清洗、55 ℃烘干→粉碎过60 目筛→混合酶水解淀粉（α-淀粉酶、糖化酶）→沸水浴中灭酶→NaOH 溶液水解蛋白质、脂肪→抽滤水解至中性→干燥→粉碎过60 目筛→小米麸皮膳食纤维→纤维素酶处理→沸水浴中灭酶→醇沉→离心→干燥→改性小米麸皮膳食纤维。

1.3.2 小米麸皮膳食纤维的制备

准确称取5 g 过筛后的小米麸皮，料液比固定为1∶10（g/mL），加入4.0%混合酶（α-淀粉酶∶糖化酶质量比为1∶6），置于72 ℃水浴中恒温加热110 min，取出放入沸水浴中灭酶5 min，加入5% NaOH 溶液于沸水浴中加热50 min，然后抽滤水洗至中性，干燥至恒重后过60 目筛，即为小米麸皮膳食纤维。

1.3.3 小米麸皮膳食纤维改性处理单因素试验

准确称取5g 过筛后的MBTDF，加入50mL0.05mol/L pH4.6 的柠檬酸缓冲液，以纤维素酶添加量、反应温度、反应时间为研究对象进行单因素试验，分别考察纤维素酶添加量（1.5%、2.5%、3.5%、4.5%、5.5%）、反应温度（50、55、60、65、70 ℃）、反应时间（5、6、7、8、9 h）对可溶性膳食纤维（SDF）得率的影响。可溶性膳食纤维得率的计算公式如下。

式中：X 为可溶性膳食纤维得率，%；A 为可溶性膳食纤维质量，g；B 为小米麸皮质量，g。

1.3.4 正交试验设计

根据单因素试验得出的较优水平设计正交试验，因素水平如表1 所示。

表1 L（934）正交因素水平Table 1 Factors and levels of L（934）orthogonal

1.3.5 指标测定方法

1.3.5.1 持水力测定

分别准确称取MB、MBTDF、改性后小米麸皮膳食纤维（cellulase modified-millet bran total dietary fiber，CM-MBTDF）3 g 样品于50 mL 离心管中，加入25 mL去离子水，室温搅打30 min，2 500 r/min 离心10 min，弃去上清液，并用滤纸吸干离心管壁残留水分，称重[11-13]。持水力计算公式如下。

式中：X1为持水力，g/g；w0为样品湿重，g；w1为样品干重，g。

1.3.5.2 持油力的测定

分别准确称取MB、MBTDF、CM-MBTDF 1.0 g 于离心管中，加入玉米油20 g，分别在25、37 ℃静置1 h，3 000 r/min 离心30 min，去掉上层油，用滤纸吸干游离油，将结合了油的膳食纤维转移到表面皿上称重[11]。持油力的计算公式如下。

式中：X2为持油力，g/g；m0为样品湿重，g；m1为样品干重，g。

1.3.5.3 膨胀力的测定

分别准确称取MB、MBTDF、CM-MBTDF 0.3 g，置于10 mL 量筒中，移液管准确移取5.00 mL 蒸馏水，振荡均匀后室温放置24 h，读取膳食纤维的体积[14]。膨胀力计算公式如下。

式中：X3为膨胀力，mL/g；V0为膨胀后体积，mL；V1为干品体积，mL；m 为样品干重，g。

1.3.6 吸附亚硝酸盐能力的测定

在250 mL 锥形瓶中加入pH 值分别为2.0、7.0 的22 μmol/L NaNO2溶液100 mL，分别准确称取MB、MBTDF、CM-MBTDF 0.5 g 加入锥形瓶中，分别放置于磁力搅拌器上，37 ℃搅拌5、15、30、60、120、180、240 min，取出1.0 mL 样液测定NO2-浓度[11，15]。

1.3.7 吸附胆固醇能力的测定

取市售鸡蛋的蛋黄，用9 倍量蒸馏水搅打成乳液，分别准确称取MB、MBTDF、CM-MBTDF 2.0 g 于250 mL锥形瓶中，加入50 g 蛋黄乳液，搅拌均匀，调整pH 值至2.0 和7.0，在37 ℃恒温振荡150 min，4 000 r/min 下离心25 min，吸取0.04 mL 上清液，采用硫酸铁铵法在560 nm 下比色测定胆固醇含量[3，11，15]。胆固醇吸附量计算公式如下。

式中：X4为胆固醇吸附量，g；M0为吸附前蛋黄液中胆固醇含量，g；M1为吸附后上清液中胆固醇含量，g。

1.3.8 总膳食纤维、水溶性膳食纤维、不溶性膳食纤维含量测定

参照GB 5009.88—2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》，测定总膳食纤维、水溶性膳食纤维、不溶性膳食纤维含量[16]。

1.4 数据处理

每个测定指标进行3 次平行试验，使用Excel 进行数据计算，Origin 2020 绘图软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 小米麸皮膳食纤维改性工艺条件优化

2.1.1 单因素试验结果

2.1.1.1 反应时间对可溶性膳食纤维（SDF）得率的影响

反应时间对可溶性膳食纤维（SDF）得率的影响见图1。

图1 反应时间对SDF 得率的影响Fig.1 Effect of enzyme action time on yield of SDF

由图1 可知，随着反应时间的延长，SDF 得率逐渐升高，5～7 h 时上升较快，这一时间段MBTDF 酶解条件适宜，SDF 产生速度较快。7～9 h SDF 得率趋于平缓，9 h 时SDF 得率达到最大值17.7%，随着反应时间延长，酶解反应趋于相对饱和的状态，因此SDF 得率没有明显变化。综合考虑后选择反应时间为7、8、9 h 进行后续试验。

2.1.1.2 酶添加量对可溶性膳食纤维（SDF）得率的影响

当反应时间为7 h，反应温度为55 ℃时，酶添加量对可溶性膳食纤维（SDF）得率的影响如图2 所示。

图2 酶添加量对SDF 得率的影响Fig.2 Effect of enzyme addition level on yield of SDF

由图2 可知，在酶添加量1.5%～4.5%时，酶添加量越大，SDF 得率越高，在酶添加量为4.5%时，SDF 得率最高，为22.86%，酶添加量为5.5%时，SDF 得率明显降低，为17.11%，这可能是由于SDF 发生降解，生成小分子的单糖或低聚糖等在醇沉时无法沉淀析出导致。综合考虑后确定酶添加量为2.5%、3.5%、4.5%进行后续试验。

2.1.1.3 反应温度对可溶性膳食纤维（SDF）得率的影响

当反应时间7 h，酶添加量4.5%时，反应温度对可溶性膳食纤维（SDF）得率的影响如图3 所示。

图3 反应温度对SDF 得率的影响Fig.3 Effect of reaction temperature on yield of SDF

由图3 可知，在50～65 ℃范围内，随着反应温度的上升，SDF 得率逐渐提高，酶解能力较强，在65 ℃时达到最大值23.98%，在70 ℃时SDF 得率显著降低，为15.6%。SDF 得率的降低可能是温度升高使酶活性受到抑制或部分失活引起。综合考虑后确定反应温度为55、60、65 ℃进行后续试验。

2.1.2 正交试验

正交试验结果见表2。

表2 L（93）4正交试验结果与极差分析Table 2 Results and range analysis of L（93）4orthogonal

对表2 中正交试验结果进行极差分析，由极差值R（B）＞R（A）＞R（D）＞R（C）可知，影响可溶性膳食纤维得率的4 个因素顺序依次为酶添加量＞反应时间＞反应温度。由k 值分析最佳组合为A3B3C3，正交试验最优组合为A3B3C2，将两个组合进行比较试验后，确定A3B3C2组合SDF 得率最高，为24.77%，因此确定A3B3C2为最佳条件，即纤维素酶添加量4.5%、反应时间9 h、反应温度60 ℃。

2.2 物化特性分析

2.2.1 持油力、持水力、膨胀力分析

小米麸皮膳食纤维改性前后持油力、持水力、膨胀力的影响如图4、图5 所示。

图4 小米麸皮膳食纤维改性前后持油力的影响Fig.4 Oil holding capacity of millet bran dietary fiber before and after modification

图5 小米麸皮膳食纤维改性前后持水力、膨胀力的影响Fig.5 Water holding capacity and expansion of millet bran dietary fiber before and after modification

如图4、图5 所示，经改性处理得到的CM-MBTDF在25、37 ℃下持油力分别为2.750、3.440 g/g，是MBTDF持油力的2.3 倍和2.9 倍，显著高于MBTDF。这可能是可溶性膳食纤维含量提高，使小米麸皮膳食纤维的组成发生变化，有更多的非极性基团暴露出来，提高了持油力[8，17]。

持水力是指潮湿的膳食纤维在外部离心力作用下保持水分的能力，膨胀力则表示膳食纤维在吸水时体积的膨胀程度[18]，从图5 中可以看出MBTDF 的持水力为3.585 g/g，显著高于MB（2.763 g/g）、CM-MBTDF（2.313 g/g），MB 的膨胀力为3.2 mL/g， 显著高于MBTDF（2.08 mL/g）、CM-MBTDF（1.79 mL/g），持水力、膨胀力的变化可能是由膳食纤维的组成、空间结构均发生改变引起的。

2.2.2 胆固醇吸附能力

通过体外模拟胃酸环境pH2.0、小肠环境pH7.0，研究小米麸皮膳食纤维改性前后的体外胆固醇吸附能力，结果如图6 所示。

图6 小米麸皮膳食纤维改性前后胆固醇吸附能力Fig.6 Cholesterol adsorption capacity of millet bran dietary fiber before and after modification

如图6 所示，改性处理后的小米麸皮膳食纤维CM-MBTDF 在pH2.0、pH7.0 时体外胆固醇吸附量分别为23.68、22.28 μmol/L，显著高于MBTDF 及MB，分别为MBTDF 的1.31、1.96 倍，MB 的1.37、2.52 倍。这可能是改性处理使膳食纤维表面结构变得疏松，毛细管吸附能力加强，提高了胆固醇吸附能力[19-20]。

2.2.3 体外亚硝酸盐吸附能力

通过体外模拟胃酸环境pH2.0、小肠环境pH7.0，对小米麸皮膳食纤维改性前后亚硝酸盐吸附能力进行研究，结果如图7 所示。

图7 小米麸皮膳食纤维改性前后亚硝酸盐根离子清除率Fig.7 The nitrite ion clearance of millet bran dietary fiber before and after modification

如图7 所示，随着时间的延长，小米麸皮膳食纤维亚硝酸根离子的清除率均呈上升趋势。在pH2.0 时，CM-MBTDF 在5 min 时亚硝酸根离子清除率就达到了87.3%，吸吸附作用强烈，随后缓慢增加，在240 min时达到92.5%；MBTDF 在5 min 时亚硝酸根离子清除率为21.3%，随后在60 min 内快速升高达至93.3%，之后缓慢增加，在240 min 时达到98.5%；MB 亚硝酸根离子清除率随时间延长缓慢升高，在240 min 时为71.2%，明显低于MBTDF、CM-MBTDF；可见pH2.0 时，改性处理能够加快亚硝酸根离子的清除速度，但对最终清除率的影响不明显。在pH7.0 时，CM-MBTDF 在5～30 min 快速上升，30 min 时亚硝酸根离子清除率达到94.9%，吸附作用强烈，然后缓慢增加，在240 min 时为97.5%；MBTDF、MB 则缓慢上升，在240 min 亚硝酸根离子清除率分别为62.4%、38.9%，可见pH7.0 时改性处理能够明显提高亚硝酸根离子清除率。

3 结论

纤维素酶改性小米麸皮膳食纤维的最优工艺为纤维素酶添加量4.5%、反应时间9 h、反应温度60 ℃，此时可溶性膳食纤维得率24.77%；改性后的小米麸皮膳食纤维CM-MBTDF 持油力显著上升，在25、37 ℃分别为2.750、3.440 g/g，是改性前的小米麸皮膳食纤维MBTDF 持油力的2.3 倍和2.9 倍，而持水力和膨胀力显著下降。CM-MBTDF 体外清除胆固醇能力显著升高，在pH2.0、pH7.0 时体外胆固醇吸附量分别为23.68、22.28 μmol/L，是MBTDF 体外胆固醇吸附量的1.31、1.96 倍，MB 的1.37、2.52 倍。在pH2.0 时MBTDF、CM-MBTDF 均表现出较高的亚硝酸根离子清除率，其中CM-MBTDF 能够加快亚硝酸根离子清除速度，在pH7.0 时CM-MBTDF 亚硝酸根离子清除率明显提高。

本研究中酶法改性处理提高了小米麸皮可溶性膳食纤维的含量，为制备优质小米麸皮可溶性膳食纤维提供了一定的理论依据。改性后的小米麸皮膳食纤维其功能性质如持油力、体外胆固醇吸附能力及亚硝酸根离子清除率得到显著提高，表明改性小米麸皮膳食纤维有较好的功能特性，可广泛应用于功能性食品、饮料、乳制品、糖果、烘烤等食品领域。