薏仁米糠膳食纤维酶法制备工艺优化及品质研究

林廷龙邹 兰潘晓威刘元靖

(1. 中国热带农业科学院农产品加工研究所,广东 湛江 524001;2. 黔西南州检验检测中心,贵州 兴义 562400)

膳食纤维是一类天然植物提取的有机化合物,不能被人体小肠消化,但能被大肠菌群完全或部分发酵。由于其能够改善人体营养情况并调节机体功能,因此被视为“第七类营养素”[1]。膳食纤维又分为水溶性膳食纤维(SDF)和不溶性膳食纤维(IDF)[2]。SDF不被人体消化,但可溶于温水或热水,主要成分为微生物多糖和合成类多糖;IDF不被人体消化且不能溶于温水或热水,主要成分为纤维素、半纤维素和木质素等。膳食纤维可以促进消化,降低血液中的胆固醇和血糖含量,从而改善健康[3-4]。目前,膳食纤维已被作为添加剂应用于鱼糜制品、肉制品、焙烤制品、面条、馒头、饮料和乳制品中[5-6]。在食品加工中添加一定量的膳食纤维,不仅可以提高食品的口感和风味,还增加了其保健功能,如乳制品中添加的膳食纤维可以帮助肠道保持紧凑,防止便秘、降低胆固醇,并有助于调节血脂[7]、血糖,进而促进减肥。

薏仁米糠是薏仁米在加工过程中产生的副产品,其中富含的油脂类物质和膳食纤维,是一种极具开发潜力、有高附加值的资源。目前,有关米糠类的研究还仅限于水稻等农作物[8-10],对薏仁米糠中膳食纤维的提取研究尚未见报道,仅有部分研究人员利用薏仁米糠来提取米糠油和蛋白质[11-13]。而薏仁米糠主要用作牲畜的饲料,甚至被当作废弃物丢掉或烧掉,利用价值极低。试验拟对薏仁米糠膳食纤维的提取工艺和特性进行研究,旨在为薏仁米糠的产品开发提供依据,并提高薏仁米糠的社会经济效益。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

薏仁米糠:贵州兴仁聚丰薏苡股份公司;

盐酸、氢氧化钠和乙醇:分析纯,重庆川东化工(集团)有限公司;

高温淀粉酶、碱性蛋白酶:上海如吉生物科技发展有限公司;

膳食纤维测定试剂盒:爱尔兰Megazyme公司。

1.2 仪器与设备

数显恒温振荡器:SHA-CA型,上海梅香仪器有限公司;

高速粉碎机:XS-10型,上海兆申科技有限公司;

pH计:DDS-307A型,上海盛磁仪器有限公司;

电热恒温水浴锅:DK-98-Ⅱ型,天津泰斯特仪器有限公司;

电热鼓风干燥箱:101-2AB型,天津泰斯特仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 薏仁米糠预处理 将薏仁米糠浸入超纯水中清洗10 min,以去除杂质,于60 ℃热空气中烘干,粉碎备用。

1.3.2 薏仁米糠膳食纤维的制备 将4 g样品与超纯水按一定比例混合,加入沸水浴中糊化15 min,50 ℃超声处理30 min,放冷后调整pH至5.5,加入淀粉酶,95 ℃振摇60 min,调节pH至10.0,添加碱性蛋白酶,60 ℃振摇120 min,抽滤,将残渣加入预热到60 ℃的4倍体积的95%乙醇中,60 ℃水浴60 min,取出,抽滤,60 ℃烘干,得薏仁米糠膳食纤维。

1.3.3 单因素试验

(1) 料液比:固定淀粉酶添加量150 U/g,碱性蛋白酶添加量150 U/g,考察料液比(m薏仁米糠∶V水)[1∶5,1∶10,1∶15,1∶20,1∶25 (g/mL)]对薏仁米糠膳食纤维提取率的影响。

(2) 淀粉酶添加量:固定料液比(m薏仁米糠∶V水)1∶15 (g/mL),碱性蛋白酶添加量150 U/g,考察淀粉酶添加量(50,100,150,200,250 U/g)对薏仁米糠膳食纤维提取率的影响。

(3) 碱性蛋白酶添加量:固定料液比(m薏仁米糠∶V水)1∶15 (g/mL),淀粉酶添加量150 U/g,考察碱性蛋白酶添加量(50,100,150,200,250 U/g)对薏仁米糠膳食纤维提取率的影响。

1.3.4 正交优化试验 以料液比、淀粉酶添加量和碱性蛋白酶添加量为因素,以膳食纤维提取率为考察指标,采用正交试验进行薏仁米糠膳食纤维制备工艺优化。

1.3.5 膳食纤维提取率计算 按式(1)进行计算。

(1)

式中:

R——薏仁米糠膳食纤维提取率,%;

m1——薏仁米糠膳食纤维干燥后质量,g;

m2——处理前薏仁米糠质量,g。

1.4 薏仁米糠及膳食纤维的化学组成分析

1.4.1 水分含量 参照GB 5009.3—2016。

1.4.2 蛋白质含量 参照GB 5009.5—2016。

1.4.3 脂肪含量 参照GB 5009.6—2016。

1.4.4 灰分含量 参照GB 5009.4—2016。

1.4.5 淀粉含量 参照 GB 5009.9—2016。

1.4.6 总膳食纤维、可溶性膳食纤维及不溶性膳食纤维含量 参照GB 5009.88—2014。

1.5 薏仁米糠膳食纤维的物化特性分析

1.5.1 膨胀力 根据文献[14],按式(2)计算膨胀力。

(2)

式中:

SC——膨胀力,mL/g;

V1——吸水膨胀后膳食纤维粉的体积,mL;

V0——吸水膨胀前膳食纤维粉的体积,mL;

W0——吸水膨胀前膳食纤维粉的质量,g。

1.5.2 持水力 根据文献[15-16],按式(3)计算持水力。

(3)

式中:

WHC——持水力,g/g;

mf——膳食纤维吸水后的湿重,g;

md——膳食纤维吸水后烘干的干重,g。

1.5.3 持油力 根据文献[17-18],按式(4)计算持油力。

(4)

式中:

OHC——持油力,g/g;

mr——吸油饱和后膳食纤维粉的质量,g;

md——吸油前膳食纤维粉的质量,g。

1.6 统计分析

所有试验重复3次,采用SAS 9.0软件进行方差分析,以P<0.1为显著性检验水平。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 料液比 由图1可知,当料液比(m薏仁米糠∶V水)为1∶10 (g/mL)时,膳食纤维提取率最低,当料液比(m薏仁米糠∶V水)为1∶15 (g/mL)时,膳食纤维提取率达到最高;当料液比(m薏仁米糠∶V水)>1∶15 (g/mL)时,随着料液比的增加,膳食纤维提取率逐渐降低。这可能是因为料液比(m薏仁米糠∶V水)为1∶5～1∶10 (g/mL)时,反应体系比较黏稠,酶解反应不充分,而在料液比(m薏仁米糠∶V水)为1∶15～1∶25 (g/mL)时,由于底物含量较低,导致酶与底物接触不充分,使提取率降低[19]。

图1 料液比对糠膳食纤维提取率的影响

2.1.2 淀粉酶添加量 由图2 可知,随着淀粉酶添加量的增加,膳食纤维提取率先降低后升高再降低,当淀粉酶添加量为150 U/g时,薏仁米糠膳食纤维提取率达到最高,可能是因为淀粉酶添加量<150 U/g时,体系反应不充分,膳食纤维提取率下降;当淀粉酶添加量>150 U/g时,体系中酶过量,使体系中的大分子被降解为小分子在后续工艺中被除去[20]。

图2 淀粉酶添加量对膳食纤维提取率的影响

2.1.3 碱性蛋白酶添加量 由图3可知,当碱性蛋白酶添加量为200 U/g时,薏仁米糠膳食纤维提取率达到最高。

图3 碱性蛋白酶添加量对膳食纤维提取率的影响

2.2 正交优化试验

在单因素试验基础上,选择料液比、淀粉酶添加量和碱性蛋白酶添加量为影响因素,以膳食纤维提取率为指标,采用三因素三水平正交试验优化薏仁米糠膳食纤维酶法提取工艺,试验因素水平见表1,试验设计及结果见表2。

表1 正交试验因素水平

表2 正交试验结果

由表2可知,影响薏仁米糠膳食提取纤维的各因素影响程度依次为淀粉酶添加量>碱性蛋白酶添加量>料液比,酶法制备薏仁米糠膳食纤维的最佳提取工艺为A3B1C1,即料液比为1∶15 (g/mL),淀粉酶添加量为100 U/g,碱性蛋白酶添加量为100 U/g。而在试验中得到最优组为试验1。因此,在此基础上进行验证实验,得出最佳提取条件为A1B1C1,即料液比为1∶10 (g/mL),淀粉酶添加量为100 U/g,碱性蛋白酶添加量为100 U/g,此时,薏仁米糠膳食纤维提取率为84.39%,该提取率显著高于朱任威等[21]的。

2.3 薏仁米糠及膳食纤维的组成成分

由表3可知,薏仁米糠及其膳食纤维中均不含可溶性膳食纤维。薏仁米糠中不溶性膳食纤维含量为51.52%;酶法制备的膳食纤维中不溶性膳食纤维含量为64.49%;与薏仁米糠相比,脂肪、淀粉和蛋白质含量均有较大幅度下降,且与原料中不溶性膳食纤维相比也有较大幅度提高。

表3 薏仁米糠及其膳食纤维主要成分含量

2.3 膳食纤维的物化特性

膳食纤维的膨胀力、保水力及吸油力的强弱是衡量膳食纤维品质好坏的指标[22]。由表4可知,温度对薏仁米糠膳食纤维的物化特性有一定影响。同等条件下,随着温度的升高,膳食纤维的膨胀力、持水力和持油力增大。

表4 膳食纤维的物化特性

3 结论

研究利用酶提取法探讨了料液比、淀粉酶添加量和碱性蛋白酶添加量对薏仁米糠膳食纤维提取率的影响。结果表明,薏仁米糠膳食纤维酶法提取的最佳工艺条件为料液比(m薏仁米糠∶V水)1∶10 (g/mL),淀粉酶添加量100 U/g,碱性蛋白酶添加量100 U/g时,此时膳食纤维提取率为84.39%。与薏仁米糠相比,薏仁米糠膳食纤维的不溶性膳食纤维含量明显提高,达到64.49%;水分、脂肪、淀粉和蛋白质含量大幅下降。温度较高(37 ℃)时,薏仁米糠膳食纤维的膨胀力、持水力和持油力相应增大,分别为3.12 mL/g、4.02 g/g、4.29 g/g。后续将继续研究薏仁米糠膳食纤维的功能特性和结构特性,并积极探索其作为添加剂应用于食品中的可能性,加强对薏仁米糠膳食纤维产品的开发,提高其经济效益。