小米麸皮膳食纤维提取工艺的研究

郑红艳，范超敏，钟 耕，王 博

(西南大学食品科学学院，重庆400715)

小米麸皮膳食纤维提取工艺的研究

郑红艳，范超敏，钟 耕*，王 博

(西南大学食品科学学院，重庆400715)

以非糯性小米麸皮为原料，研究了酶与化学结合法提取膳食纤维的工艺技术。结果表明，提取膳食纤维的最佳工艺条件为:在65℃条件下用4%的混合酶(α-淀粉酶∶糖化酶=1∶4)酶解100min，再用5%NaOH在100℃下处理70min，膳食纤维纯度为92%。

小米麸皮，膳食纤维，提取条件

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

非糯性小米麸皮 实验室自备;α-淀粉酶、糖化酶 北京奥博星生物科技有限公司;NaOH 分析纯。

FA2004A电子天平 上海精天电子仪器有限公司;SHZ-D(Ⅲ)型循环水真空泵 郑州市荥阳华盛仪器厂;HH-4型恒温水浴锅 金坛市富华仪器有限公司;DZF-6020型真空干燥箱 上海精宏实验设备有限公司;79-1磁力搅拌器 江苏金坛金城国胜实验仪器厂;210型酸度离子仪 北京哈纳科仪科技有限公司;TCL-16G型台式离心机 上海安亭科学仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 小米麸皮膳食纤维的提取工艺流程 首先，将购买的小米麸皮过40目筛做筛选清理，除杂，备用。

制备不溶性膳食纤维的主要方法是除去小米麸皮中含量较高的蛋白质和淀粉，以提高它的纯度，其制备工艺如下［8］:

麸皮→水洗→干燥粉碎(过40目)→加混合酶制剂(α-淀粉酶和糖化酶)分解淀粉类物质→加碱水解蛋白质、脂肪→抽滤水洗至中性→干燥→粉碎→膳食纤维

1.2.2 操作要点 参照文献［9-11］的方法，具体操作如下:

1.2.2.1 小米麸皮预处理 将原料分散于水中浸泡15～30min，洗涤除去淀粉类杂质，收集纯净的小米麸皮，放入干燥箱中干燥后备用。

1.2.2.2 蒸煮 将原料置于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 氢氧化钠水解蛋白质 不同碱液条件下处理灭酶后的小米麸皮。

1.2.2.5 水洗 用蒸馏水洗涤提取出的产物至溶液呈中性。

1.2.2.6 干燥 将呈中性的提取物放入电热鼓风干燥箱中105℃下干燥至恒重。

1.2.2.7 粉碎 用小型粉碎机将干燥后的产物粉碎后过80目筛得到成品-小米麸皮膳食纤维。

1.2.3 小米麸皮膳食纤维制备最佳工艺条件的确定

称取约5.00g预处理后的原料，定量加入10倍的水进行浸泡煮沸，并加入不同量的α-淀粉酶和糖化酶酶解一定时间，然后分别在不同的NaOH浓度、碱解时间、碱解温度下进行膳食纤维的制备，并通过产品纯度的测定，确定最佳工艺条件。

1.2.4 基本成分的测定 水分:直接干燥法［12］;蛋白质:凯氏定氮法［13］;脂肪:索氏抽提法［14］;灰分:直接灰化法［15］;淀粉:前处理与酶水解法相同［16］，还原糖:采用DNS(3，5二硝基水杨酸)比色法［17］。

1.2.5 膳食纤维的测定 采用AOAC 991.43的方法测定可溶性膳食纤维、不溶性膳食纤维和总膳食纤维，由于此工艺条件下得到的膳食纤维几乎全部是不溶性的。因此，仅用不溶性膳食纤维的量来计算纯度。

膳食纤维的纯度(%)=样品中不溶性膳食纤维的质量(g)/样品质量(g)×100%

1.2.6 实验设计与统计学分析 本实验采用单因素实验和旋转正交实验结合的方式，优化提取工艺。利用单因素实验分别研究混合酶的添加量、作用温度和时间以及NaOH的浓度、作用温度和时间对膳食纤维纯度的影响。根据单因素实验的结果，选择三元二次通用旋转正交组合表安排实验，确定提取膳食纤维的最佳工艺条件，因素和水平的设计见表1、表2。

表1 酶处理的因素水平表

实验数据处理均采用DPS7.05版统计软件进行统计学分析处理。

2 结果与分析

2.1 非糯性小米麸皮的主要成分分析

见表3。

表2 碱处理的因素水平表

表3 主要成分含量(%)

2.2 膳食纤维提取过程中酶解工艺条件的优化

2.2.1 单因素实验结果

2.2.1.1 混合酶的添加比例 取一定量经处理的小米麸皮，按固液比为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的比例分别在用量3%，60℃的中性条件下处理60min，过滤烘干后，测定膳食纤维的纯度，结果见图1。

图1 混合酶比例对非糯性小米麸皮膳食纤维纯度的影响

在此工艺中，α-淀粉酶能将麸皮原料中的淀粉水解成糊精和低聚糖，糖化酶能专一地水解糊精、低聚糖成为葡萄糖而溶于有机溶剂。所以，水解除去原料中淀粉时一般选用α-淀粉酶和糖化酶，既可以有效除去淀粉，又能除去可溶性纤维中的糊精和低聚糖。由图1结果可见，膳食纤维的纯度随着混合酶比例的增大而明显有所提高，当达到1∶4时膳食纤维的纯度变化较小。

2.2.1.2 混合酶的添加量 取一定量经处理的小米麸皮，按固液比为1∶10的比例加入水，在混合酶用量分别为1%、2%、3%、4%、5%，60℃的中性条件下处理60min，过滤烘干后，测定膳食纤维的纯度，结果见图2。

图2 混合酶用量对非糯性小米麸皮膳食纤维纯度的影响

由图2可以看出，随着酶浓度的增加，膳食纤维的纯度也逐渐增加，当达到4%时，膳食纤维的纯度达到最高为76.51%。当加酶量达到一定值趋于饱和后，随着酶浓度的增加，膳食纤维的纯度反而有所下降，因为麸皮表面覆盖有淀粉，酶浓度过低淀粉水解不完全，而浓度过高，会使其中的半纤维素等生理活性物质溶出，造成纯度下降。从经济角度分析，确定混合酶的添加量在4%附近较为合适。

2.2.1.3 混合酶作用的温度 取一定量经处理的小米麸皮，按固液比为1∶10的比例加入水，再以混合酶用量 4%，在 50、55、60、65、70℃的条件下处理60min，过滤烘干后，测定膳食纤维的纯度，结果见图3。

图3 混合酶作用温度对非糯性小米麸皮膳食纤维纯度的影响

由图3可以看出，混合酶作用的最佳温度为60～65℃。低于60℃混合酶的活性不能得到充分发挥，淀粉不能完全水解，所以得到的膳食纤维的纯度较低，温度过高会使酶的部分活性降低导致指标降低。

2.2.1.4 混合酶作用的时间 取一定量经处理的小米麸皮，按固液比为1∶10的比例加入水，再以混合酶用量4%，在60～65℃的条件下处理30、60、90、120、150min后，过滤烘干后，测定膳食纤维的纯度，结果见图4。

图4 混合酶作用时间对非糯性小米麸皮膳食纤维纯度的影响

混合酶作用的时间与原料的颗粒大小有关，也与淀粉与原料的结合紧密度有关，结合的紧密度越高，酶反应的时间就越长。由图4可以看出，非糯性小米麸皮混合酶作用时间以90～120min较为合适。

2.2.2 小米麸皮膳食纤维酶解提取的旋转正交实验

在单因素实验的基础上，选出最优水平作为零水平，采用三元二次通用旋转正交组合设计，对混合酶的添加量、混合酶作用的温度及时间进行统计分析，共20个处理，其中14个为分析因子，6个为零水平，零水平用于估计实验误差。各个因子的编码见表4，采用DPS7.05对实验数据进行处理分析。二次通用旋转正交组合设计及膳食纤维的纯度结果见表4。

对表4中的实验数据进行分析，得到各个因素与膳食纤维纯度之间的多元二次回归方程:

表4 酶处理的三因子全实施二次正交通用旋转组合设计实验结果

在α=0.05显著水平下剔除不显著项后的简化方程式如下:

对二次回归方程式(2)进行回归显著性检验，F2=24.05618，p＜0.01达极显著水平，方程回归系数R2=0.9508，表明实验数据之间的相关性较好;失拟性检验F1=0.68332，p＞0.05不显著，说明实验设计所选因素正确，该回归方程无失拟因素存在，回归模型与实测值能较好地拟合。

正交实验确定最佳酶解条件:混合酶添加量4%，反应温度65℃，反应时间100min。

二次回归方程各系数的方差分析结果见表5。从表5中可以看出，混合酶添加量、混合酶作用温度及混合酶作用时间对膳食纤维的纯度均有极显著影响(p＜0.01);由回归方程的各个系数绝对值的大小可以判定三个因素对膳食纤维纯度的影响大小次序为:混合酶作用时间＞混合酶作用温度＞混合酶添加量。

表5 实验结果方差分析

2.2.3 工艺参数的优化 由表6可知，混合酶浓度在4%～4.3%，混合酶反应温度在64～67℃，混合酶反应时间在90.6～95.5min条件下，膳食纤维纯度有95%的可能性达77%以上。

表6 膳食纤维纯度大于77%的各个方案中各变量取值的频率分布

2.2.4 模型预测准确性的验证 以表6中各个参数优化范围的下限值对模型预测的结果进行实验验证，重复五次，测定的结果见表 7，其平均值为79.74%，说明所得的数学模型具有较好的预测能力。

表7 验证实验结果

2.3 膳食纤维提取过程中碱解工艺条件的优化

2.3.1 单因素实验结果

2.3.1.1 碱浓度对膳食纤维纯度的影响 取一定量经酶处理的小米麸皮，加入10倍量小米麸皮重的NaOH水溶液，NaOH的浓度为1%～5%，70℃的中性条件下处理90min，过滤烘干后，测定膳食纤维的纯度，结果见图5。

图5 NaOH浓度对非糯性小米麸皮膳食纤维纯度的影响

由图5可看出，随着碱液浓度的增加，膳食纤维的纯度增加，当碱液浓度超过4%，膳食纤维纯度反而减少。这是因为蛋白质溶液在等电点时，溶解度低，蛋白质将发生凝聚沉降。而大部分蛋白质的等电点都偏酸性，因此，只要将麸皮调至碱性，大部分蛋白质都可溶于碱溶液中，从而达到去除蛋白质的目的［18］。当碱液浓度过大时，纤维素和半纤维素将发生轻度水解，且蛋白质出现变性反应，溶解度降低，从而降低膳食纤维的纯度。

2.3.1.2 碱处理的温度对膳食纤维纯度的影响 取一定量经酶处理的小米麸皮，加入10倍量小米麸皮重的NaOH水溶液，NaOH的浓度为4%，在30～100℃的中性条件下处理90min，过滤烘干后，测定膳食纤维的纯度，结果见图6。

图6 NaOH处理温度对非糯性小米麸皮膳食纤维纯度的影响

由图6可看出，随碱解温度的升高，膳食纤维的纯度也在增加。当碱解温度超过90℃时，纯度反而降低。这是由于温度过低，蛋白质碱解不完全，而温度过高，提取液粘度增大而使纤维素溶出，从而使纯度降低。因此90℃是碱解的适宜温度。

2.3.1.3 碱处理时间对膳食纤维纯度的影响 取一定量经酶处理的小米麸皮，加入10倍量小米麸皮重的NaOH水溶液，NaOH的浓度为4%，在90℃的中性条件下处理30～150min，过滤烘干后，测定膳食纤维的纯度，结果见图7。

图7 NaOH处理时间对非糯性小米麸皮膳食纤维纯度的影响

由图7可看出，随着碱解时间的增加，膳食纤维纯度也增加。当超过60min时，膳食纤维纯度反而降低。这是因为碱解时间过短，蛋白质水解不完全，造成膳食纤维纯度降低，而碱解时间过长，易造成纤维素和半纤维素发生轻度水解，也会导致膳食纤维的纯度降低。

2.3.2 小米麸皮膳食纤维碱解提取的旋转正交实验

在单因素实验的基础上，选出最优水平作为零水平，采用三元二次通用旋转正交组合设计，对碱浓度、碱作用的温度及时间进行统计分析，共20个处理，其中14个为分析因子，6个为零水平，零水平用于估计实验误差。各个因子的编码见表8，采用DPS7.05对实验数据进行处理分析。二次通用旋转正交组合设计及膳食纤维的纯度结果见表8。

对表8中的实验数据进行分析，得到各个因素与膳食纤维纯度之间的多元二次回归方程:

表8 碱处理的三因子全实施二次正交通用旋转组合设计实验结果

在α=0.05显著水平下剔除不显著项后的简化方程式如下:

对二次回归方程式(4)进行回归显著性检验，F2=7.38669，p＜0.01达极显著水平，方程回归系数R2=0.8722，表明实验数据之间的相关性较好;失拟性检验F1=5.63383，p＞0.05不显著，说明实验设计所选因素正确，该回归方程无失拟因素存在，回归模型与实测值能较好地拟合。

正交实验确定的最佳碱解条件为:NaOH浓度为5%，反应温度100℃，反应时间70min。

二次回归方程各系数的方差分析结果见表9。从表9中可以看出，碱作用温度对膳食纤维的纯度均有极显著影响(p＜0.01);碱浓度及碱作用的时间对膳食纤维的纯度均有显著影响(p＜0.05)。由回归方程的各个系数绝对值的大小可以判定三个因素对膳食纤维纯度的影响大小次序为:碱作用温度＞碱浓度＞碱作用的时间。

表9 实验结果方差分析

2.3.3 工艺参数的优化 由表10可知，NaOH浓度在4%～4.4%，NaOH反应温度在94～96℃，NaOH反应时间在60～63min条件下，膳食纤维纯度有95%的可能性达86%以上。

表10 膳食纤维纯度大于86%的各个方案中各变量取值的频率分布

2.3.4 模型预测准确性验证 以表10中各个参数优化范围的下限值对模型预测的结果进行实验验证，重复五次，测定的结果见表11，其平均值为86.62%，说明所得的数学模型具有较好的预测能力。

表11 验证实验结果

3 结论

3.1 研究结果表明，采用酶-化学结合法提取膳食纤维时，在实验条件下，适当提高酶和碱的用量，虽然降低制品的得率但纯度有较大提高;而且该方法简便易行，不需要特殊的设备，投资少，污染少。

3.2 本研究在单因素实验的基础上采用三元二次通用旋转正交组合设计讨论了小米麸皮膳食纤维的提取条件，得出混合酶添加量、作用温度以及时间对小米麸皮膳食纤维纯度的影响大小次序为:混合酶作用时间＞混合酶作用温度＞混合酶添加量;NaOH浓度、作用温度以及时间对膳食纤维纯度的影响大小次序为:NaOH作用温度＞NaOH浓度＞NaOH作用的时间。提取小米麸皮膳食纤维的最佳工艺条件如下:4%的混合酶(α-淀粉酶∶糖化酶=1∶4)在65℃下处理100min，5%NaOH在100℃下处理70min，得到的膳食纤维纯度为92%。

3.3 混合酶添加量在4%～4.3%，混合酶反应温度在64～67℃，混合酶反应时间在90.6～95.5min;NaOH浓度在4%～4.4%，NaOH反应温度在94～96℃，NaOH反应时间在60～63min条件下，膳食纤维纯度有95%的可能性达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

小米为禾本科狗尾草属，具有生育期短，适应性广、耐干旱、耐贫瘠、耐储存、价格低廉等优点［1］，是我国北方地区主要的杂粮作物之一。而小米麸皮是小米加工的副产品，由小米的果皮、种皮、糊粉层、少量胚和胚乳组成，富含蛋白质、脂肪、矿物质、维生素和纤维素等营养成分，尤其是纤维素的含量可达麦麸总量的18%以上，是一种理想的食用纤维素源［2］。目前，小米麸皮主要大多用作饲料，经济价值不高，而谷物纤维不仅有促进肠蠕动，防止便秘，预防结肠癌、大肠癌的作用，还能降血压和降低血液中胆固醇的含量，抑制体内脂肪的蓄积，对心肌梗塞等心脏病的发生也有较好的预防作用［3］。国内外的研究人员发现，谷物纤维摄取量偏少的人，心脏病的发生率高，反之则低。因此。小米麸皮膳食纤维的开发具有重要意义，有关研究也日渐丰富［4-6］。本研究初步探讨了利用酶-化学法从小米麸皮中提取高质量的膳食纤维，由于麸皮中的蛋白质是以特殊的立体结构和网状组织与膳食纤维结合紧密，难于除去。如果在提取膳食纤维的工艺中，先除去蛋白质，后除去淀粉，那么蛋白质网络中还包裹着淀粉，淀粉高温易糊化，进一步阻止碱与蛋白质的反应，影响膳食纤维的纯度［7］。本研究设计的工艺是先用淀粉酶和糖化酶除去蛋白质网络中的淀粉，然后再用碱除去蛋白质，这样能使NaOH以较快速度渗透到蛋白质网络中，一方面可使碱解时间缩短，另一方面可使蛋白质碱解完全。小米有糯性和非糯性之分，本文是以非糯性小米麸皮为研究对象。

2010-02-02 *通讯联系人

郑红艳(1983-)，女，硕士研究生，研究方向:粮食、油脂及植物蛋白工程。

国家农业科技成果转化资金项目(2009GB2F100311);重庆市重庆高校优秀成果转化项目资助。