小米麩皮膳食纖維提取工藝的研究

鄭紅艷，范超敏，鐘 耕，王 博

(西南大學食品科學學院，重慶400715)

小米麩皮膳食纖維提取工藝的研究

鄭紅艷，范超敏，鐘 耕*，王 博

(西南大學食品科學學院，重慶400715)

以非糯性小米麩皮為原料，研究了酶與化學結合法提取膳食纖維的工藝技術。結果表明，提取膳食纖維的最佳工藝條件為:在65℃條件下用4%的混合酶(α-淀粉酶∶糖化酶=1∶4)酶解100min，再用5%NaOH在100℃下處理70min，膳食纖維純度為92%。

小米麩皮，膳食纖維，提取條件

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

非糯性小米麩皮 實驗室自備;α-淀粉酶、糖化酶 北京奧博星生物科技有限公司;NaOH 分析純。

FA2004A電子天平 上海精天電子儀器有限公司;SHZ-D(Ⅲ)型循環水真空泵 鄭州市滎陽華盛儀器廠;HH-4型恒溫水浴鍋 金壇市富華儀器有限公司;DZF-6020型真空干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司;79-1磁力攪拌器 江蘇金壇金城國勝實驗儀器廠;210型酸度離子儀 北京哈納科儀科技有限公司;TCL-16G型臺式離心機 上海安亭科學儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 小米麩皮膳食纖維的提取工藝流程 首先，將購買的小米麩皮過40目篩做篩選清理，除雜，備用。

制備不溶性膳食纖維的主要方法是除去小米麩皮中含量較高的蛋白質和淀粉，以提高它的純度，其制備工藝如下［8］:

麩皮→水洗→干燥粉碎(過40目)→加混合酶制劑(α-淀粉酶和糖化酶)分解淀粉類物質→加堿水解蛋白質、脂肪→抽濾水洗至中性→干燥→粉碎→膳食纖維

1.2.2 操作要點 參照文獻［9-11］的方法，具體操作如下:

1.2.2.1 小米麩皮預處理 將原料分散于水中浸泡15～30min，洗滌除去淀粉類雜質，收集純凈的小米麩皮，放入干燥箱中干燥后備用。

1.2.2.2 蒸煮 將原料置于250mL三角瓶中加入1∶10的水，于65～75℃下蒸煮。

1.2.2.3 酶水解 加入一定量的α-淀粉酶和糖化酶于65℃下水解。

1.2.2.4 氫氧化鈉水解蛋白質 不同堿液條件下處理滅酶后的小米麩皮。

1.2.2.5 水洗 用蒸餾水洗滌提取出的產物至溶液呈中性。

1.2.2.6 干燥 將呈中性的提取物放入電熱鼓風干燥箱中105℃下干燥至恒重。

1.2.2.7 粉碎 用小型粉碎機將干燥后的產物粉碎后過80目篩得到成品-小米麩皮膳食纖維。

1.2.3 小米麩皮膳食纖維制備最佳工藝條件的確定

稱取約5.00g預處理后的原料，定量加入10倍的水進行浸泡煮沸，并加入不同量的α-淀粉酶和糖化酶酶解一定時間，然后分別在不同的NaOH濃度、堿解時間、堿解溫度下進行膳食纖維的制備，并通過產品純度的測定，確定最佳工藝條件。

1.2.4 基本成分的測定 水分:直接干燥法［12］;蛋白質:凱氏定氮法［13］;脂肪:索氏抽提法［14］;灰分:直接灰化法［15］;淀粉:前處理與酶水解法相同［16］，還原糖:采用DNS(3，5二硝基水楊酸)比色法［17］。

1.2.5 膳食纖維的測定 采用AOAC 991.43的方法測定可溶性膳食纖維、不溶性膳食纖維和總膳食纖維，由于此工藝條件下得到的膳食纖維幾乎全部是不溶性的。因此，僅用不溶性膳食纖維的量來計算純度。

膳食纖維的純度(%)=樣品中不溶性膳食纖維的質量(g)/樣品質量(g)×100%

1.2.6 實驗設計與統計學分析 本實驗采用單因素實驗和旋轉正交實驗結合的方式，優化提取工藝。利用單因素實驗分別研究混合酶的添加量、作用溫度和時間以及NaOH的濃度、作用溫度和時間對膳食纖維純度的影響。根據單因素實驗的結果，選擇三元二次通用旋轉正交組合表安排實驗，確定提取膳食纖維的最佳工藝條件，因素和水平的設計見表1、表2。

表1 酶處理的因素水平表

實驗數據處理均采用DPS7.05版統計軟件進行統計學分析處理。

2 結果與分析

2.1 非糯性小米麩皮的主要成分分析

見表3。

表2 堿處理的因素水平表

表3 主要成分含量(%)

2.2 膳食纖維提取過程中酶解工藝條件的優化

2.2.1 單因素實驗結果

2.2.1.1 混合酶的添加比例 取一定量經處理的小米麩皮，按固液比為1∶10的比例加入水，再以混合酶(α-淀粉酶和糖化酶)1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5的比例分別在用量3%，60℃的中性條件下處理60min，過濾烘干后，測定膳食纖維的純度，結果見圖1。

圖1 混合酶比例對非糯性小米麩皮膳食纖維純度的影響

在此工藝中，α-淀粉酶能將麩皮原料中的淀粉水解成糊精和低聚糖，糖化酶能專一地水解糊精、低聚糖成為葡萄糖而溶于有機溶劑。所以，水解除去原料中淀粉時一般選用α-淀粉酶和糖化酶，既可以有效除去淀粉，又能除去可溶性纖維中的糊精和低聚糖。由圖1結果可見，膳食纖維的純度隨著混合酶比例的增大而明顯有所提高，當達到1∶4時膳食纖維的純度變化較小。

2.2.1.2 混合酶的添加量 取一定量經處理的小米麩皮，按固液比為1∶10的比例加入水，在混合酶用量分別為1%、2%、3%、4%、5%，60℃的中性條件下處理60min，過濾烘干后，測定膳食纖維的純度，結果見圖2。

圖2 混合酶用量對非糯性小米麩皮膳食纖維純度的影響

由圖2可以看出，隨著酶濃度的增加，膳食纖維的純度也逐漸增加，當達到4%時，膳食纖維的純度達到最高為76.51%。當加酶量達到一定值趨于飽和后，隨著酶濃度的增加，膳食纖維的純度反而有所下降，因為麩皮表面覆蓋有淀粉，酶濃度過低淀粉水解不完全，而濃度過高，會使其中的半纖維素等生理活性物質溶出，造成純度下降。從經濟角度分析，確定混合酶的添加量在4%附近較為合適。

2.2.1.3 混合酶作用的溫度 取一定量經處理的小米麩皮，按固液比為1∶10的比例加入水，再以混合酶用量 4%，在 50、55、60、65、70℃的條件下處理60min，過濾烘干后，測定膳食纖維的純度，結果見圖3。

圖3 混合酶作用溫度對非糯性小米麩皮膳食纖維純度的影響

由圖3可以看出，混合酶作用的最佳溫度為60～65℃。低于60℃混合酶的活性不能得到充分發揮，淀粉不能完全水解，所以得到的膳食纖維的純度較低，溫度過高會使酶的部分活性降低導致指標降低。

2.2.1.4 混合酶作用的時間 取一定量經處理的小米麩皮，按固液比為1∶10的比例加入水，再以混合酶用量4%，在60～65℃的條件下處理30、60、90、120、150min后，過濾烘干后，測定膳食纖維的純度，結果見圖4。

圖4 混合酶作用時間對非糯性小米麩皮膳食纖維純度的影響

混合酶作用的時間與原料的顆粒大小有關，也與淀粉與原料的結合緊密度有關，結合的緊密度越高，酶反應的時間就越長。由圖4可以看出，非糯性小米麩皮混合酶作用時間以90～120min較為合適。

2.2.2 小米麩皮膳食纖維酶解提取的旋轉正交實驗

在單因素實驗的基礎上，選出最優水平作為零水平，采用三元二次通用旋轉正交組合設計，對混合酶的添加量、混合酶作用的溫度及時間進行統計分析，共20個處理，其中14個為分析因子，6個為零水平，零水平用于估計實驗誤差。各個因子的編碼見表4，采用DPS7.05對實驗數據進行處理分析。二次通用旋轉正交組合設計及膳食纖維的純度結果見表4。

對表4中的實驗數據進行分析，得到各個因素與膳食纖維純度之間的多元二次回歸方程:

表4 酶處理的三因子全實施二次正交通用旋轉組合設計實驗結果

在α=0.05顯著水平下剔除不顯著項后的簡化方程式如下:

對二次回歸方程式(2)進行回歸顯著性檢驗，F2=24.05618，p＜0.01達極顯著水平，方程回歸系數R2=0.9508，表明實驗數據之間的相關性較好;失擬性檢驗F1=0.68332，p＞0.05不顯著，說明實驗設計所選因素正確，該回歸方程無失擬因素存在，回歸模型與實測值能較好地擬合。

正交實驗確定最佳酶解條件:混合酶添加量4%，反應溫度65℃，反應時間100min。

二次回歸方程各系數的方差分析結果見表5。從表5中可以看出，混合酶添加量、混合酶作用溫度及混合酶作用時間對膳食纖維的純度均有極顯著影響(p＜0.01);由回歸方程的各個系數絕對值的大小可以判定三個因素對膳食纖維純度的影響大小次序為:混合酶作用時間＞混合酶作用溫度＞混合酶添加量。

表5 實驗結果方差分析

2.2.3 工藝參數的優化 由表6可知，混合酶濃度在4%～4.3%，混合酶反應溫度在64～67℃，混合酶反應時間在90.6～95.5min條件下，膳食纖維純度有95%的可能性達77%以上。

表6 膳食纖維純度大于77%的各個方案中各變量取值的頻率分布

2.2.4 模型預測準確性的驗證 以表6中各個參數優化范圍的下限值對模型預測的結果進行實驗驗證，重復五次，測定的結果見表 7，其平均值為79.74%，說明所得的數學模型具有較好的預測能力。

表7 驗證實驗結果

2.3 膳食纖維提取過程中堿解工藝條件的優化

2.3.1 單因素實驗結果

2.3.1.1 堿濃度對膳食纖維純度的影響 取一定量經酶處理的小米麩皮，加入10倍量小米麩皮重的NaOH水溶液，NaOH的濃度為1%～5%，70℃的中性條件下處理90min，過濾烘干后，測定膳食纖維的純度，結果見圖5。

圖5 NaOH濃度對非糯性小米麩皮膳食纖維純度的影響

由圖5可看出，隨著堿液濃度的增加，膳食纖維的純度增加，當堿液濃度超過4%，膳食纖維純度反而減少。這是因為蛋白質溶液在等電點時，溶解度低，蛋白質將發生凝聚沉降。而大部分蛋白質的等電點都偏酸性，因此，只要將麩皮調至堿性，大部分蛋白質都可溶于堿溶液中，從而達到去除蛋白質的目的［18］。當堿液濃度過大時，纖維素和半纖維素將發生輕度水解，且蛋白質出現變性反應，溶解度降低，從而降低膳食纖維的純度。

2.3.1.2 堿處理的溫度對膳食纖維純度的影響 取一定量經酶處理的小米麩皮，加入10倍量小米麩皮重的NaOH水溶液，NaOH的濃度為4%，在30～100℃的中性條件下處理90min，過濾烘干后，測定膳食纖維的純度，結果見圖6。

圖6 NaOH處理溫度對非糯性小米麩皮膳食纖維純度的影響

由圖6可看出，隨堿解溫度的升高，膳食纖維的純度也在增加。當堿解溫度超過90℃時，純度反而降低。這是由于溫度過低，蛋白質堿解不完全，而溫度過高，提取液粘度增大而使纖維素溶出，從而使純度降低。因此90℃是堿解的適宜溫度。

2.3.1.3 堿處理時間對膳食纖維純度的影響 取一定量經酶處理的小米麩皮，加入10倍量小米麩皮重的NaOH水溶液，NaOH的濃度為4%，在90℃的中性條件下處理30～150min，過濾烘干后，測定膳食纖維的純度，結果見圖7。

圖7 NaOH處理時間對非糯性小米麩皮膳食纖維純度的影響

由圖7可看出，隨著堿解時間的增加，膳食纖維純度也增加。當超過60min時，膳食纖維純度反而降低。這是因為堿解時間過短，蛋白質水解不完全，造成膳食纖維純度降低，而堿解時間過長，易造成纖維素和半纖維素發生輕度水解，也會導致膳食纖維的純度降低。

2.3.2 小米麩皮膳食纖維堿解提取的旋轉正交實驗

在單因素實驗的基礎上，選出最優水平作為零水平，采用三元二次通用旋轉正交組合設計，對堿濃度、堿作用的溫度及時間進行統計分析，共20個處理，其中14個為分析因子，6個為零水平，零水平用于估計實驗誤差。各個因子的編碼見表8，采用DPS7.05對實驗數據進行處理分析。二次通用旋轉正交組合設計及膳食纖維的純度結果見表8。

對表8中的實驗數據進行分析，得到各個因素與膳食纖維純度之間的多元二次回歸方程:

表8 堿處理的三因子全實施二次正交通用旋轉組合設計實驗結果

在α=0.05顯著水平下剔除不顯著項后的簡化方程式如下:

對二次回歸方程式(4)進行回歸顯著性檢驗，F2=7.38669，p＜0.01達極顯著水平，方程回歸系數R2=0.8722，表明實驗數據之間的相關性較好;失擬性檢驗F1=5.63383，p＞0.05不顯著，說明實驗設計所選因素正確，該回歸方程無失擬因素存在，回歸模型與實測值能較好地擬合。

正交實驗確定的最佳堿解條件為:NaOH濃度為5%，反應溫度100℃，反應時間70min。

二次回歸方程各系數的方差分析結果見表9。從表9中可以看出，堿作用溫度對膳食纖維的純度均有極顯著影響(p＜0.01);堿濃度及堿作用的時間對膳食纖維的純度均有顯著影響(p＜0.05)。由回歸方程的各個系數絕對值的大小可以判定三個因素對膳食纖維純度的影響大小次序為:堿作用溫度＞堿濃度＞堿作用的時間。

表9 實驗結果方差分析

2.3.3 工藝參數的優化 由表10可知，NaOH濃度在4%～4.4%，NaOH反應溫度在94～96℃，NaOH反應時間在60～63min條件下，膳食纖維純度有95%的可能性達86%以上。

表10 膳食纖維純度大于86%的各個方案中各變量取值的頻率分布

2.3.4 模型預測準確性驗證 以表10中各個參數優化范圍的下限值對模型預測的結果進行實驗驗證，重復五次，測定的結果見表11，其平均值為86.62%，說明所得的數學模型具有較好的預測能力。

表11 驗證實驗結果

3 結論

3.1 研究結果表明，采用酶-化學結合法提取膳食纖維時，在實驗條件下，適當提高酶和堿的用量，雖然降低制品的得率但純度有較大提高;而且該方法簡便易行，不需要特殊的設備，投資少，污染少。

3.2 本研究在單因素實驗的基礎上采用三元二次通用旋轉正交組合設計討論了小米麩皮膳食纖維的提取條件，得出混合酶添加量、作用溫度以及時間對小米麩皮膳食纖維純度的影響大小次序為:混合酶作用時間＞混合酶作用溫度＞混合酶添加量;NaOH濃度、作用溫度以及時間對膳食纖維純度的影響大小次序為:NaOH作用溫度＞NaOH濃度＞NaOH作用的時間。提取小米麩皮膳食纖維的最佳工藝條件如下:4%的混合酶(α-淀粉酶∶糖化酶=1∶4)在65℃下處理100min，5%NaOH在100℃下處理70min，得到的膳食纖維純度為92%。

3.3 混合酶添加量在4%～4.3%，混合酶反應溫度在64～67℃，混合酶反應時間在90.6～95.5min;NaOH濃度在4%～4.4%，NaOH反應溫度在94～96℃，NaOH反應時間在60～63min條件下，膳食纖維純度有95%的可能性達86%以上。

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Study on optimization of dietary fiber extraction from millet bran

ZHENG Hong-yan，FAN Chao-min，ZHONG Geng*，WANG Bo
(College of Food Science，Southwest University，Chongqing 400715，China)

The enzymatic-chemical extraction method was studied for the production of dietary fiber from millet bran.The results revealed that the optimal conditions for extraction were mixing enzyme(α-amylase∶glucoamylose =1∶4)amount 4%，temperature 65℃，time 100min and NaOH concentration 5%，temperature 100℃，time 70min. Under the conditions，the purity of dietary fiber was 92%.

millet bran;dietary fiber;the conditions of extraction

TS210.9

B

1002-0306(2011)03-0262-06

小米為禾本科狗尾草屬，具有生育期短，適應性廣、耐干旱、耐貧瘠、耐儲存、價格低廉等優點［1］，是我國北方地區主要的雜糧作物之一。而小米麩皮是小米加工的副產品，由小米的果皮、種皮、糊粉層、少量胚和胚乳組成，富含蛋白質、脂肪、礦物質、維生素和纖維素等營養成分，尤其是纖維素的含量可達麥麩總量的18%以上，是一種理想的食用纖維素源［2］。目前，小米麩皮主要大多用作飼料，經濟價值不高，而谷物纖維不僅有促進腸蠕動，防止便秘，預防結腸癌、大腸癌的作用，還能降血壓和降低血液中膽固醇的含量，抑制體內脂肪的蓄積，對心肌梗塞等心臟病的發生也有較好的預防作用［3］。國內外的研究人員發現，谷物纖維攝取量偏少的人，心臟病的發生率高，反之則低。因此。小米麩皮膳食纖維的開發具有重要意義，有關研究也日漸豐富［4-6］。本研究初步探討了利用酶-化學法從小米麩皮中提取高質量的膳食纖維，由于麩皮中的蛋白質是以特殊的立體結構和網狀組織與膳食纖維結合緊密，難于除去。如果在提取膳食纖維的工藝中，先除去蛋白質，后除去淀粉，那么蛋白質網絡中還包裹著淀粉，淀粉高溫易糊化，進一步阻止堿與蛋白質的反應，影響膳食纖維的純度［7］。本研究設計的工藝是先用淀粉酶和糖化酶除去蛋白質網絡中的淀粉，然后再用堿除去蛋白質，這樣能使NaOH以較快速度滲透到蛋白質網絡中，一方面可使堿解時間縮短，另一方面可使蛋白質堿解完全。小米有糯性和非糯性之分，本文是以非糯性小米麩皮為研究對象。

2010-02-02 *通訊聯系人

鄭紅艷(1983-)，女，碩士研究生，研究方向:糧食、油脂及植物蛋白工程。

國家農業科技成果轉化資金項目(2009GB2F100311);重慶市重慶高校優秀成果轉化項目資助。