低蛋白大米的加工调制与优化研究

郭骐玮，孙 涛

（邯郸市第一中学，河北邯郸 056006）

目前，慢性肾脏疾病（Chronic Kideny Disease，CKD）已经成为全球较为关注的公共健康问题，据中华医学会肾脏病学会统计，2017年我国总患病人数达到1.33亿人，而用于治疗慢性肾病的医疗费用超过6 000亿元。除了常规治疗，CKD的饮食护理也很重要，低蛋白饮食（LowProtein Diet，LPD） 是治疗CKD的有效方法。姜娜等人[1]研究发现，通过对CKD患者使用低蛋白饮食，可有效缓解CKD的病症，且对高血压、尿毒症、高磷血症等有一定的减轻作用。大米是我国餐食重要的主食之一，其米粒凯氏蛋白质含量在5.5%～8.5%，若CKD患者以普通大米作为主食，将导致体内的蛋白质含量增加，使病情更加恶化。目前，淀粉塑性再生米是大部分CKD患者低蛋白饮食主食之一，虽然蛋白含量为零，但是存在米粒形状不规则、口感皮实、胶质感强且略带有挥发性酸味等缺点。蛋白酶发酵脱蛋白法是利用蛋白酶能够降解大米蛋白，使其转化为可溶性肽的原理，将大米中的蛋白提取分离出来。日本学者研究发现，酸性蛋白酶水解大米蛋白的分解率达90%以上，并且制成的大米无酸味。而国内在酶法脱蛋白米的文献报道较少，王文高等人[2]通过研究发现，蛋白酶的种类选取对大米蛋白的分解具有很大的影响。周常[3]研究表明，通过优化酶解条件，使酸性蛋白酶水解大米蛋白的分解率达73%以上，碱性蛋白酶水解大米蛋白的分解率达76%以上，制成的大米不仅与普通大米具有相同的外观，而且口感较好。因此，选择一个优良的低蛋白大米加工调制工艺，将大米脱蛋白，并保持与普通大米有相同的外观和口感，让CKD患者无需改变饮食习惯，对延缓慢性肾病、满足慢性肾病患者的饮食需求具有重大意义。试验以乳酸菌作为发酵菌种，通过Placket Burman与正交试验优化酶解和发酵条件，降低大米中蛋白质含量，并保持外观完整和口感品质，为工业化生产低蛋白大米提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与酶制剂

稻花香长粒米（蛋白含量6.8%）、盘锦蟹田大米（蛋白含量7.1%）、金龙鱼稻香贡米（蛋白含量7.5%），均为市售；木瓜蛋白酶、风味蛋白酶、中性蛋白酶、碱性蛋白酶、酸性蛋白酶，食品级，活力单位10×109U/g，河南万邦实业有限公司提供；乳酸菌，嗜热链球菌，粉末状固体，活菌量＞4×109CFU/g，常州益菌加生物科技有限公司提供；发酵袋，具有单向排气阀装置，规格30 cm×20 cm，袋装容量1 000 g。

1.2 主要仪器设备

全自动凯氏定氮仪，济南海能仪器股份有限公司产品。

1.3 试验方法

工艺流程：清洗→发酵→酶解→清洗沥干水分→干燥。

将大米放入发酵袋中，加水，调节pH值至一定值，加入乳酸菌发酵一定时间后，将大米与发酵液分离，大米用水清洗后加入酶，在设定温度下反应，酶解完成后，将大米清洗干净，置于60℃下烘箱烘干。

1.4 加工调制与优化试验设计

1.4.1 Plackett Burman设计

采用Plackett Burman设计法对影响低蛋白大米制备后蛋白质含量影响的10个影响因素进行筛选，采取N=12的试验设计[4]。

Plackett-Burman设计各因素水平及编码见表1。

1.4.2 正交试验设计

正交试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法，根据Plackett Burman试验结果的关键因素进行试验，具有均匀分散、齐整可比的特点，是一种高效、快速、经济的试验设计方法[5-6]。

表1 Plackett-Burman设计各因素水平及编码

1.5 测定方法与数据统计

蛋白质含量的测定依据GB 5009.5—2010食品安全国家标准 食品中的蛋白质的测定。采用Design Expert软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 Plackett Burman试验筛选主要影响因子

试验以蛋白质含量为响应值，选用试验次数N=12的试验设计，对大米种类、乳酸菌与嗜热菌用量比、菌液接种量、酶制剂种类、酶添加量、袋装量、初始pH值、湿度、酶解温度和酶解时间10个因素进行考查。每个因素取高低2个水平，另设2个虚拟变量，考查试验误差。

Plackett Burman试验设计结果见表2。

表2 Plackett Burman试验设计结果

利用Design Expert 8.0.5对试验结果进行回归分析，得到各影响因素的偏回归系数及其显著性。

偏回归系数及影响因子的显著性分析结果见表3，回归模型方差分析结果见表4。

对表3进行分析可知，以因素B为例，偏回归系数为0.32，影响水平E（xi）为1.32，为正效应，应适当增加该因素的水平；因素B对模型的贡献率为20.21%，较其他因素具有明显优势，显著性结果为重要（Significant）。10个因素中菌液接种比、酶制剂种类、酶添加量、酶解时间的贡献率分别为20.21%，28.43%，15.14%，13.24%，总和为77.02%。

由表 4 可以看出，Prob（p）＞F=0.001 9＜0.01，表示拟合的线性回归方程为极显著。模型确定系数R2=0.932 1，这表示93.21%试验数据的可变性可用此模型解释。调整后的Radj2=0.842 1表示方程模型有很高的可信度。精密度是有效信号与噪声的比值，大于4.0视为合理，试验得出的精密度为16.31，说明模型拟合程度较好。模型线性方程：

表3 偏回归系数及影响因子的显著性分析结果

表4 回归模型方差分析结果

2.2 正交试验设计结果与分析

同样以蛋白质为响应值，对Plackett Burman试验设计筛选出的4个主要影响因子进行正交试验设计。

正交试验设计与结果见表5，正交试验设计方差分析见表6。

表5 正交试验设计与结果

表6 正交试验设计方差分析

由表5和表6可以看出，筛选出的4个因素都效果显著（p＜0.05），结果与Plackett Burman试验设计各因素显著性一致，因素间具有显著性（p＜0.05）。经多重比较，结合各因素差异显著性，确定最优组合为A'2B'3C'1D'2，即乳酸菌与嗜热菌配比4∶1，酶制剂为复合，酶添加量2%，酶解时间36 h。在此最优组合基础上进行6次平行试验，测得大米中蛋白质平均含量由原来的7%降至0.63%，大米蛋白分解率达91%。结果表明，大米经过乳酸菌和嗜热菌接种发酵后产生蛋白酶降解大米中的植物蛋白，再次经过酶解后，进一步降低其蛋白含量；将其烘干后，大米不仅与普通大米具有相同的外观，而且口感较好。

3 结论

试验通过响应面分析法中Plackett Burman试验设计，在众多相关因素中筛选出影响蛋白质降解效果的4个主要影响因子，即乳酸菌与嗜热菌用量比、酶制剂种类、酶添加量和酶解时间。在此基础上，运用正交试验设计对大米中蛋白质降解的条件进行优化，得到最佳制备工艺条件为乳酸菌与嗜热菌配比4∶1，酶制剂为复合酶制剂，酶添加量2%，酶解时间36 h。在此条件下测得大米中蛋白质含量平均为0.63%。低蛋白米能满足CKD等特殊人群的需求，有利于对蛋白摄入量的控制，让CKD患者无需改变饮食习惯，对延缓慢性肾病、满足慢性肾病患者的饮食需求具有重大意义。