酶-化学法优化麦麸可溶性膳食纤维提取工艺

陶志杰 王改玲 王家良 陈杰

摘要：建立了麦麸中提取可溶性膳食纤维的方法，为高效利用小麦加工副产物提供参考.以麦麸为试验材料，考察碱用量、碱解时间、酶用量、酶解时间对麦麸可溶性膳食纤维提取率的影响.在单因素实验基础上通过正交L9（34）优化提取条件.麦麸通过酶-化学法提取后，其最优提取条件为碱用量12%，碱解时间45min，酶用量0.2%，酶解时间4.5h，可溶性膳食纤维提取率平均值为16.53%，相对标准差RSD=1.86%.建立了麦麸可溶性膳食纤维的酶-化学法提取最佳工艺.

关键词：麦麸;可溶性膳食纤维;酶-化学法;提取工艺

中图分类号：Q813.1  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）01-0043-04

小麦是世界上种植和消费需求最广的粮食作物之一，被称为世界粮食.小麦麸皮是小麦加工过程中的主要副产物，占小麦重量的15%左右.据相关数据显示，我国2016年小麦总产量12886万t[1]，我国每年可开发利用的麦麸可达2000万t，是我国大宗农副产品资源之一[2].这些麸皮大多数被废弃，部分用于饲料加工和酿造业，而深加工和再利用则较少.麦麸中富含被誉为“第七大营养素”的膳食纤维.膳食纤维是一种不能被人体消化的碳水化合物，以热水中的溶解性可分为两个基本类型：非水溶性膳食纤维（Insoluble Dietary Fiber，IDF）与水溶性膳食纤维（Soluble Dietary Fiber，SDF）[3].膳食纤维尤其是可溶性膳食纤维具有吸水膨胀性和黏滞性[4]，可促进肠道蠕动、预防肠道疾病[5]、预防心血管疾病和癌症[6]、调节血糖[7]、减肥[8]等功能，被认为是保证人体健康的必需营养成分.据相关研究表明：麦麸中膳食纤维含量约为35～50%，水溶性膳食纤维即SDF含量仅为2%[9].而膳食纤维具有溶解性后，不仅口感好，性质更稳定，在面制食品[10-11]、乳制品[12]、肉制品[13]和饮料[14]等食品生产中应用更加广泛.如何提高麦麸中SDF提取及应用是当前研究的重点.目前的提取方法主要有化学法、物理法、酶法和酶-化学法[15].酶-化学法提取膳食纤维是将酶解和化学处理组合在一起的方法，进行酸碱处理和酶解，这样得到的产品纯度高、品质好[16].本实验以麦麸为实验材料，采用酶-化学法联合提取SDF，通过单因素试验和正交优化试验对碱用量、碱解时间、酶用量、酶解时间等因素进行研究，并分析各因素的变化规律.以期获得酶-化学法提取麦麸SDF的优化工艺.

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

原料：安徽雁湖面粉有限公司.

试剂：盐酸：分析纯，上海振企化学试剂有限公司;氢氧化钠：分析纯，天津市展云化工有限公司;无水乙醇：分析纯，天津市永大化学试剂有限公司;α﹣淀粉酶（≥2000 U/g），上海凯尔生物科技有限公司;糖化酶（5000 U/g），张家港金源生物化工有限公司;纤维素酶（10000 U/g），上海原生态生物科技有限公司.

1.2 主要仪器与设备

电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司;BS224S型电子分析天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司;高速中药粉碎机，永康市久品工贸有限公司;数显恒温水浴锅，江苏金坛市荣华仪器制造有限公司;高速冷冻离心机，上海菁华科技仪器有限公司.

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

麸皮预处理（60℃烘干，40目）→淀粉酶酶解→灭酶（100℃，10min）→碱解→调pH值（4）→纤维素酶酶解→灭酶→离心过滤（6000r/min，10 min，取上清）→调pH值（7）→醇沉（95%乙醇4倍体积，过夜）→干燥→SDF

1.3.2 试验操作方法及提取率计算

称取5.0g经预处理的麦麸于250mL的烧杯中，按料液比1：10[17]加入65～70℃的蒸馏水，加入0.3%淀粉酶制剂（α-淀粉酶与糖化酶的比例1∶3），在65℃的恒温水浴锅中酶解40min，灭酶后添加适量NaOH在55℃水浴锅中碱解，之后加适量纤维素酶，酶解温度60℃，酶解一段时间后按照工艺流程进行处理得到SDF[18-19].称重计算SDF提取率[20].

1.3.3 試验设计

1.3.3.1 单因素试验设计

按1.3.2试验操作，分别在不同的碱用量、碱解时间、酶用量和酶解时间下，考察各单因素对麦麸SDF提取率的影响，具体试验设计如下.

1.3.3.1.1 碱用量对麦麸SDF提取率的影响

分别以4、6、8、10、12%的碱含量添加NaOH，65℃水浴锅中碱解45min，之后按0.7%加酶量加入纤维素酶，酶解温度60℃，反应时间4h后按照工艺流程进行处理得到可溶性膳食纤维.考察碱用量对麦麸SDF提取率的影响.

1.3.3.1.2 碱解时间对麦麸SDF提取率的影响

4%的NaOH碱含量，65℃水浴锅中分别碱解5、15、25、35、45、55、65、75min，之后加纤维素酶，酶解温度60℃，加酶量0.7%，反应时间4h后按照工艺流程进行处理，得到可溶性膳食纤维.考察碱解时间对麦麸SDF提取率的影响.

1.3.3.1.3 酶用量对麦麸SDF提取率的影响

4%的NaOH碱含量，65℃水浴锅中碱解45 min，之后分别以0.0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.1%的加酶量加入纤维素酶，酶解温度60℃，反应时间 4h后按照工艺流程进行处理得到可溶性膳食纤维.考察酶用量对麦麸SDF提取率的影响.

1.3.3.1.4 酶解时间对麦麸SDF提取率的影响

4%的NaOH碱含量，65℃水浴锅中碱解45min，之后以0.7%的加酶量加入纤维素酶，酶解温度60℃，反应时间分别在0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5h后按照工艺流程进行处理得到可溶性膳食纤维.考察酶解时间对麦麸SDF提取率的影响.

1.3.3.2 正交试验设计

在以上单因素试验结果基础上，进行4因素3水平正交试验，采用L9（34）正交试验设计方案进行优化提取，因素水平见表1.

取3份5.0g经预处理的麦麸于250mL的烧杯中，以正交试验优化的最佳提取条件提取麦麸SDF，计算SDF平均提取率.考察实验结果的可重复性.

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 碱用量对麦麸SDF提取率的影响

在1.3.3.1.1条件下，碱用量对麦麸SDF提取率的影响如图1所示.

由图1可知，在碱用量10%以下时，麦麸SDF提取率随着碱用量的增加而变大，当碱用量达到10%时达到最大提取率15.96%.当碱用量超过10%时，麦麸SDF提取率开始下降.这是因为通过碱解，纤维素和半纤维素将发生轻度的水解反应，不溶性膳食纤维降解为可溶性葡聚糖，可溶性膳食纤维含量增加.当碱浓度增大后，葡聚糖等聚合物再度水解成更小分子物质，导致可溶性膳食纤维含量降低.因此碱解浓度应选择10%为宜.

2.1.2 碱解时间对SDF提取率的影响

在1.3.3.1.2条件下，碱解时间对麦麸SDF提取率的影响如图2所示.

由图2可知，碱解开始时麦麸SDF提取率在逐渐增大，当碱解35min时，所测得SDF提取率最大.在碱解35～55min之间，SDF提取率略有下降，但都超过11%.再随时间延长，SDF提取率急剧下降.碱解时间过长，导致可溶性膳食纤维降解.因此碱解最佳时间为35min.

2.1.3 酶用量对SDF提取率的影响

在1.3.3.1.3条件下，酶用量对麦麸SDF提取率的影响如图3所示.

由图3可知，不添加纤维素酶，碱水解后麦麸中SDF提取率不足10%，当纤维素酶用量为0.1%时，麦麸中SDF的提取率最大，达到15.49%.而后随着纤维素酶添加量的增大，麦麸SDF提取率不但没有增加反而降低.此现象同姜北国[17]等人研究相同，原因可能是不溶性膳食纤维过度水解所致.综上所述，得出最佳纤维素酶用量为0.1%.

2.1.4 酶解时间对SDF提取率的影响

在1.3.3.1.4条件下，酶解时间对麦麸SDF提取率的影响如图4所示.

由图4可知，酶解开始，随时间延长麦麸SDF提取率逐渐增加.酶解至1.5～3.5h范围时，SDF提取率较好，3.5h时达到最大提取率.由于酶水解时间长，導致SDF的降解.综上所述，得出最佳纤维素酶解时间为3.5h.

2.2 正交优化结果与分析

2.2.1 正交试验结果与方差分析

利用正交设计助手IIV3.1软件，对不同的酶用量、碱用量、酶解时间、碱解时间四个影响因子通过正交试验设计，可以得到正交试验结果分析，见表2.

由表2可知，在麦麸SDF提取的研究试验过程中，不同的酶用量，碱用量，酶解时间，碱解时间因素对提取率的影响大小：A﹥B﹥C﹥D，即最大的因素是酶用量，碱用量次之，酶解时间的影响相对于酶用量和碱用量较小，碱解时间最小.提取麦麸SDF最优组合条件是A3B3C3D3：酶用量0.2%，碱用量12%，酶解时间4.5h，碱解时间45min.

由表3可知，在此范围内酶用量和碱用量对麦麸SDF的提取表现出较强的显著性，证明了酶用量和碱用量对麦麸SDF提取有较大的影响，酶解时间和碱解时间对麦麸SDF提取率的影响不显著.

2.2.2 验证试验

在正交试验的优化条件下，提取3组可溶性膳食纤维求麦麸SDF提取率，取平均值，结果见表4.

由表4可以看到，在最优的提取参数时，麦麸SDF提取率平均值为16.53%，麦麸SDF提取率高于其他的提取条件.相对标准差RSD=1.86%.说明该提取条件有较好的重复性.

3 结论

（1）仅碱法提取小麦麸皮SDF时的提取率为7.65%，而结合酶法再次处理后麦麸SDF提取率明显增高，最大提高了53.7%.

（2）酶-化学法提取小麦麸皮SDF最佳实验条件为碱用量12%，碱解时间45min，酶用量0.2%，酶解时间4.5h，麸皮SDF提取率平均值为16.53%，相对标准差RSD=1.86%.通过本次实验，证明了酶法辅助提取小麦麸皮SDF的高效性.

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