小麦麸皮脱脂及酶解工艺条件的研究

陈梅斯，练习中，林丽芳

（1.江门市食品检验所，广东 江门529000；2.江门市程锦企业管理有限公司，广东 江门529000）

0 引言

小麦麸皮是小麦面粉加工的主要农副产品，一般都是作为饲料原料使用，为企业产生的经济效益不高。小麦麸皮中含有大量的纤维素，作为膳食界的新宠，从中提取出的纤维素及膳食纤维素可为企业带来可观的经济效益。目前，生产纤维素的工艺有化学法、双酶法、化学-酶法、发酵法、膜分离法[1]等。由于小麦麸皮中还含有脂肪、蛋白质、淀粉、砂类杂质[2]等成分，对提取工艺及产品的纯度有重大的影响，所以必须在提取前去除。研究不同溶剂对小麦麸皮脱脂效果的影响，同时摸索最佳的蛋白酶和淀粉酶的使用条件，在综合考虑生产成本、安全性及时间成本、投入产出比后，得出一个最佳的实验方案。实验室里摸索出来的工艺条件要放在企业生产中使用时，还必须考虑其生产成本及由此带来溶剂残留的问题，避免造成产品中杂质的增加。

1 试验部分

1.1 仪器设备与试剂

小麦麸皮，广东新粮面粉厂提供；乙醇、正己烷、乙酸乙酯、盐酸、氢氧化钠，均为分析纯；酸性蛋白酶、α-淀粉酶，均为食品工业级。

SHZ-88AI型往复水浴恒温振荡器、8400型FOSS定氮仪、FOSS Fibertec E膳食纤维测定仪，AL204-IC型万分之一电子天平、HG-9245A型电热鼓风干燥箱、高温电阻炉等。

1.2 试验方法

由于小麦麸皮比重小，至少需要2倍质量的溶剂才能浸泡，所以试验直接从2倍溶剂的使用量开始。将小麦麸皮进行粉碎，称取10 g样品于碘量瓶中，加入配比分别为1∶2，1∶3，1∶4，1∶5，1∶6的乙醇、正己烷和乙酸乙酯。在碘量瓶中加入玻璃珠，模拟生产中的搅拌作用。固定在振荡水浴锅上，50℃下水浴振荡，分别振荡1，2，3，4 h。将小麦麸皮和有机溶剂过滤，并用相应的溶剂洗涤2～3次，将洗涤后的物料转移到表面皿上，放在通风处使溶剂挥发干净。

1.2.1 脂肪的测定

参照GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》中酸水解法进行测定。称取1 g小麦麸皮，加入盐酸，80℃下水浴振荡。加入乙醇，冷却至室温，加入石油醚、乙醚，通过计算醚层高度和一定体积的醚层烘干物的比例，得出小麦麸皮脂肪含量。

1.2.2 蛋白质的测定

参照GB 5009.5—2010《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》中凯氏定氮法进行测定。称取1 g样品于蛋白管中，加入硫酸铜和硫酸钾混合试剂，加入浓硫酸，轻摇后于420℃下加热至液体呈蓝绿色并澄清透明后，继续加热一段时间，取下放置至室温后，置于凯氏定氮仪上测定，得出蛋白质含量。

1.2.3 淀粉含量的测定

参照GB 5009.9—2010《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》中酸水解法进行测定。称取适量样品于三角瓶中，用乙醚洗去样品中的脂肪，用80%乙醇洗涤残渣，滤干乙醇，把滤纸和滤渣置于碘量瓶中，加入100 mL水和30 mL（1+1）HCl，置于沸水中水浴回流2 h。取下冷却，加入2滴甲基红酯示剂，用氢氧化钠调pH值至7.0，加入20 mL乙酸铅溶液（200 g/L），静置10 min，再加入硫酸钠溶液（100 g/L）20 mL，转移至500 mL容量瓶，用水定容，过滤。吸取5.00 mL碱性酒石酸铜甲液及5.00 mL碱性酒石酸铜乙液，置于150 mL锥形瓶中，加水10 mL，加入玻璃珠2粒，从滴定管滴加比预测体积少1 mL的试样溶液至锥形瓶中，使之在2 min内加热至沸，保持沸腾状态并继续以每2 s/滴的速度滴定，直至蓝色刚好褪去为终点，记录样液消耗体积。

1.2.4 膳食纤维的测定

参照GB 5009.88—2010《食品安全国家标准 食品中膳食纤维的测定》的方法进行检测。称取适量样品，脱脂脱糖后，于105℃烘箱中过夜烘干，称取1 g样品，4个平行样，进行淀粉酶解、蛋白酶解和葡萄糖酶解。加入乙醇静置。对样品进行抽滤，抽滤后将样品放置105℃烘箱中过夜。取出冷却后称质量，并取其中的2份残渣测量灰分，2份测量蛋白质。

1.2.5 提取效果的计算

以试验前后，样品的质量减少量与初始样品中该成分的含量质量比为提取效果的数据，均以干基计算。计算的原理是基于各种提取方法均具有较专门针对性，每个试验基本只对其中一种物质发生作用，因此可以用称量法进行计算。

2 结果与分析

2.1 小麦麸皮脂肪、蛋白和淀粉含量

小麦麸皮成分见表1。

表1 小麦麸皮成分/%

通过分析表1数据，确立了工艺重点是除掉脂肪、蛋白质、淀粉3种主要杂质，最大限度地保留纤维素，同时要提取可溶性的膳食纤维。针对这3种营养成分的物理和化学特性及现行的常规处理手段，结合工业上生产的可行性，分别采取溶剂浸提法[3-4]和酶解法来去除。

2.2 脱脂工艺试验

2.2.1 单因素试验

根据相似相溶的原理，脂肪易溶于有机溶剂，在不同溶剂中脂肪的提取率有明显差别。试验以不同的溶剂为提取液，料液比为1∶3，浸泡2 h，50℃下水浴振荡提取，风干后得到的小麦麸皮进行脂肪测定。在溶剂的选择中，对脂肪提取最有效的醚类，主要是考虑这类物质沸点低、挥发性大、易燃，在工业化生产时，消防安全隐患大，且难以使用技术控制，故放弃使用。从安全性、成本和处理残留等各方面考虑，选择用正己烷、乙醇、乙酸乙酯3种工业常用有机溶剂作为提取液进行试验。

（1）不同料液比对提取率的影响。以不同料液比，浸泡2 h，50℃下水浴振荡，烘干后得到的小麦麸皮进行脂肪测定。

小麦麸皮在不同溶剂中的提取率见图1。

图1 小麦麸皮在不同溶剂中的提取率

由图1可知，乙醇的提取效果最好。试验中发现，料液比为1∶2～1∶3时的提取率上升比较明显，但料液比为1∶3～1：6，溶剂量增加的量对提取率影响不大。这是因为当溶剂量是物料的3倍时，已经完全浸没且有足够的余液可以让搅拌流畅。结合经济因素，乙醇的获取方式更加方便、经济。综上所述，选择料液比1∶3进行脱脂。

（2）反应时间对小麦麸皮脱脂的影响。

反应时间对小麦麸皮脱脂的影响见图2。

由图2可知，随着反应时间的延长，提取率在同步提升，但是提升的幅度逐渐减小，与投入的时间成本及生产成本不呈正比，因此结合经济因素，选择小麦麸皮脱脂反应时间为2 h。

图2 反应时间对小麦麸皮脱脂的影响

2.2.2 正交试验

由于提取率实际中受到溶剂、料液比和时间3个因素交叉影响，而以上试验都是单因素影响，为了全面考查这3个因素的影响，设计四因素三水平正交试验，选择3种溶剂、料液比、反应时间为考查因素，选用L9（34）正交表对小麦麸皮脱脂工艺进行研究。

脱脂条件水平设计见表2，正交试验数据记录见表3。

表2 脱脂条件水平设计

表3 正交试验数据记录

由表3可知，各因素对小麦麸皮脱脂的影响依次为B＞C＞A，正交试验最优水平组为A2B3C3，即溶剂为乙醇，料液比为1∶4，反应时间为3 h，小麦麸皮的脱脂效果最好，此条件下测得小麦麸皮的脂肪提取率为88.6%。

2.3 蛋白质和淀粉的去除

淀粉与蛋白质的去除，如果采用化学方法会引入更多的化学物质，后期工序难以完全清除该物质，使产品残留更多的化学成分，影响纤维素的质量。目前，食品生产中常用酶解法除去这2种成分[5]。小麦麸皮中含有的淀粉以支链淀粉为主，大概比例是直链淀粉20%～25%，支链淀粉45%～55%[6]。而直链淀粉能溶于水，可以用水洗方法洗脱，而支链淀粉则无法用水洗方法去除。因此，在工艺上，以除去支链淀粉为主要目的。从化学结构来说，支链淀粉中葡萄糖分子之间除以α-1,4-糖苷键相连外，还有以α-1,6-糖苷键相连的，因此选择采用α-淀粉酶（糖化酶）进行酶解反应，其性价比最高。α-淀粉酶（糖化酶）要求反应液pH值约为4.0，考虑到工业生产中的可操作性，选择可以同时使用，且互不干扰的酸性蛋白酶作为去除蛋白质的酶制剂，两者的反应温度范围基本一致，结合生产中设备实际的升温能耗等因素，选定60℃作为混合使用的温度，不再单独对温度因素进行探讨[7]。

2.3.1 淀粉酶质量分数的影响

根据α-淀粉酶（糖化酶）的酶解温度为60℃，调节pH值至4.0，设置质量分数分别为0.6%，0.8%，1.0%，1.2%，1.4%（W/W），根据说明书要求，酶解时间为30 min，测量样品的淀粉含量。

α-淀粉酶质量分数与酶解程度关系见图3。

图3 α-淀粉酶质量分数与酶解程度关系

由图3可知，随着淀粉酶质量分数的增加，小麦麸皮的酶解程度逐渐增高，达到一定的酶解程度后，酶解程度基本保持不变。淀粉酶质量分数1.0%（W/W）时，小麦麸皮淀粉酶解程度最高。

2.3.2 蛋白酶质量分数的影响

蛋白酶的酶解温度确定为60℃，蛋白酶质量分数为1.0%，1.2%，1.4%，1.6%，1.8%（W/W），根据说明书推荐，酶解时间40 min，测量蛋白质的含量。

蛋白酶质量分数与酶解程度关系见图4。

图4 蛋白酶质量分数与酶解程度关系

由图4可知，随着蛋白酶质量分数的增加，小麦麸皮的蛋白酶解程度逐渐增加，达到一定程度后不再增加。

2.3.3 淀粉酶和蛋白酶混合反应时间的影响

由以上淀粉酶和蛋白酶最佳的质量分数为酶解质量分数，为了缩短生产时间，工艺上选择将两者混合使用，同时酶解淀粉和蛋白质。α-淀粉酶和蛋白酶的质量分数为1.0%（W/W）和1.4%（W/W），60℃下分别酶解20，30，40，50，60 min，测量小麦麸皮膳食纤维含量。

淀粉酶和蛋白酶反应时间与膳食纤维提取率的关系见图5。

图5 淀粉酶和蛋白酶反应时间与膳食纤维提取率的关系

由图3～图5可知，混合酶反应时间为40 min时，提取率为最高；当反应时间大于40 min时，提取率开始下降。因此，取40 min为宜。由于酶反应具有专一性，效果好坏仅与本身的质量分数有关，因此根据酶本身的性状特点，决定选取蛋白酶1.4%（W/W），α-淀粉酶1.0%（W/W）质量分数作为最佳生产条件。

2.3.4 生物酶各因素正交试验

由以上单因素的试验结果，确定正交试验各因素的水平情况，对生物酶各因素的综合影响[8-9]做正交试验。

因素与水平设计见表4，正交试验数据记录结果见表5。

由表5可知，各因素对小麦麸皮除蛋白淀粉的影响依次为A'＞B'＞C'，正交试验最优水平组为A'3B'3C'4，即蛋白酶质量分数为1.6%（W/W），淀粉酶质量分数为1.2%（W/W），混合酶反应时间为50 min，小麦麸皮的除蛋白淀粉效果最好，在此条件下测得小麦麸皮膳食纤维提取率为80.9%。

3 结论

根据上述试验可知，最佳提取条件为乙醇，料液比1∶4，反应时间3 h，蛋白酶质量分数1.6%（W/W），淀粉酶质量分数1.2%（W/W），混合酶反应时间50 min，为下一步麦麸皮膳食纤维工业提取工艺提供了指导。

表4 因素与水平设计

表5 正交试验数据记录