RSM法研究麥糟不溶性膳食纖維的淀粉酶水解工藝

肖連冬 李慧星 臧 晉 許 彬

(南陽理工學院生物與化學工程學院，南陽 473004)

RSM法研究麥糟不溶性膳食纖維的淀粉酶水解工藝

肖連冬 李慧星 臧 晉 許 彬

(南陽理工學院生物與化學工程學院，南陽 473004)

試驗優化麥糟不溶性膳食纖維的淀粉酶水解工藝條件，考察因素對不溶性膳食纖維得率和不溶性膳食纖維中淀粉質量分數的影響。采用響應曲面(RSM)法分析因素的顯著性，建立數學模型，優化工藝條件。建立了淀粉酶水解模型，模型高度顯著且有效，可用于分析和預測淀粉酶水解過程。優化得到的最佳工藝條件為加酶量0.06 g，水解溫度65℃，時間60 min，在該條件下，制備得到不溶性膳食纖維得率為28.8%，不溶性膳食纖維中淀粉質量分數為0.41%。

不溶性膳食纖維 淀粉酶 麥糟 響應曲面法

膳食纖維具有促進腸道蠕動，腸道益生菌生長繁殖和吸收毒素等特性，可作為預防和緩解冠心病、高血壓、結腸炎等疾病的功能性食品，分為可溶性膳食纖維(SDF)和不溶性膳食纖維(IDF)兩類［1－3］。麥糟占啤酒工業副產物的80%以上，是一種可以提取并被人體所利用的良好膳食纖維來源［4－5］。目前，酶堿法是麥糟IDF的主要制備方法，通過脫脂、酶堿和堿溶等步驟去除IDF中的脂肪、淀粉和蛋白質，提高IDF的純度，增強其持水性、溶脹性等功能特性［6－7］。王金華等［7］研究了麥糟中IDF的提取和化學組成，結果表明通過酶解，可提取29.5%的IDF，其主要成分為纖維素和幾丁質等，組成單糖為葡萄糖、木糖和阿拉伯糖等，但系統研究淀粉酶水解過程中各因素對IDF得率和IDF中淀粉含量的影響尚未見報道。

本試驗利用酶堿法制備麥糟IDF，研究淀粉酶水解過程中各因素對IDF得率和IDF淀粉含量的影響，基于響應曲面法［8］，通過Box－Behnken試驗方案考察因素的交互作用和顯著性、建立數學模型，優化淀粉酶水解工藝條件，以期降低麥糟IDF中淀粉含量，為制備優質IDF提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

DHG－9146A電熱恒溫鼓風干燥箱:上海精宏實驗設備有限公司;TDL－4013臺式離心機:上海安亭科學儀器廠;HHS21－4電熱恒溫水浴鍋:上海躍進醫療器械廠;FW－100高速萬能粉碎機:北京中興偉業儀器有限公司;JA1003電子天平:上海良平儀器儀表有限公司。

麥糟(膳食纖維60.8%，粗蛋白21.8%，粗脂肪7.8%，淀粉3.0%，灰分3.0%):南陽天冠啤酒有限公司;α－淀粉酶(pH 6.0～8.0，溫度30～80℃，酶活力4000 u/g):北京奧博星生物技術有限公司;脂肪酶(pH 6.5～10.5，溫度15～40℃，酶活力10 000 u/g)、南寧東恒華道生物科技有限責任公司;堿性蛋白酶(pH 6.0～9.5，溫度30～50℃，酶活力100 000 u/g):南寧東恒華道生物科技有限責任公司;葡萄糖、酒石酸鉀鈉、硫酸銅、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、硫酸銨、次甲基藍、甲基紅等試劑均為分析純。

1.2 試驗方法

1.2.1 酶堿法制備麥糟IDF的工藝流程

以麥糟為原料，采用酶堿法制備不溶性膳食纖維(IDF)。工藝流程如下:稱取麥糟10 g，粉碎過60目篩，按固液比1∶10，脂肪酶酶解脫脂(參數:加酶量0.7 g，溫度37℃，時間6 h)，離心(4 000 r/min，10 min)，沉淀物通過淀粉酶水解去除淀粉，離心，沉淀物加入堿性蛋白酶水解蛋白(參數:加酶量0.08 g，pH 8.0，45℃，3 h)，離心，沉淀物加入NaOH溶液堿溶進一步除去雜質(參數:1 mol/L，50℃，45 min)，離心，沉淀物用1 mol/L鹽酸中和，水洗后干燥至恒重。測定IDF中淀粉含量［9］。

1.2.2 淀粉酶水解單因子試驗

以IDF中淀粉含量和IDF得率(式1)為指標，通過單因子試驗考察淀粉酶水解過程中的主要影響因素:水解溫度、時間和加酶量。每次試驗重復3次，結果取平均值。

1.2.3 淀粉酶水解工藝優化的方案設計

在單因素試驗的基礎上，以IDF中淀粉含量為指標，設計Box－Behnken試驗方案優化淀粉酶水解工藝條件，考察因素的交互作用及顯著性，建立數學模型。設變量X1、X2、X3分別代表加酶量、水解溫度和時間，試驗因素水平及編碼見表1。

表1 試驗因素水平及編碼

2 結果與分析

2.1 單因子試驗

2.1.1 加酶量對IDF淀粉含量和IDF得率的影響

在水解時間40 min、溫度65℃的條件下，圖1表明了加酶量對IDF中淀粉含量和IDF得率的影響。隨著加酶量的提高，IDF中的淀粉含量逐漸減少，這是由于提高酶量，有更多的酶活性位點催化淀粉水解。當酶量大于0.04 g時，酶量逐漸趨于飽和，繼續提高酶量，淀粉含量下降趨緩。從IDF得率方面看，隨著酶量的提高，IDF的得率逐漸降低，但降低幅度較小，IDF的最小得率比最大得率減小1.3%。

圖1 加酶量對IDF淀粉含量和得率的影響

2.1.2 水解時間對IDF淀粉含量和IDF得率的影響

當加酶量為0.04 g，水解溫度65℃的條件下，水解時間對IDF的淀粉含量和IDF得率的影響見圖2。隨著酶解時間的延長，酶活性位點與淀粉能充分接觸并進行酶促反應，從圖2中可以看出，在20～40 min內，IDF的淀粉含量隨著水解時間延長顯著降低，繼續延長時間，由于酶活性和底物濃度的降低，淀粉含量下降逐漸趨于平緩。從IDF得率方面看，IDF得率隨著水解時間延長，變化曲線較為平坦，下降不明顯。

圖2 水解時間對IDF淀粉含量和得率的影響

2.1.3 水解溫度對IDF淀粉含量和IDF得率的影響

提高溫度，可以加速分子熱運動，使底物與酶活性中心的充分接觸，促進酶促反應，但過高溫度易造成酶的失活。圖3為水解溫度對IDF淀粉含量和IDF得率的影響?？梢钥闯?，在加酶量0.04 g，水解40 min的條件下，當溫度為65℃，IDF淀粉含量達最小，繼續提高溫度，熱變性引起酶活性降低，淀粉酶水解淀粉能力下降，IDF中淀粉含量反而提高。從圖3可以看出IDF得率隨著溫度的上升而降低，是由于高溫造成麥糟中成份的溶出所致，與有關報道的結果一致［7］，在試驗選擇的水平范圍內，IDF得率的從29.2%下降至28.0%。

圖3 水解溫度對IDF淀粉含量和得率的影響

2.2 響應曲面優化淀粉酶水解工藝

2.2.1 數學模型的建立及方差分析

通過單因子試驗發現，酶堿法制備麥糟IDF，淀粉酶水解對麥糟IDF的淀粉含量有明顯的影響。試驗以IDF的淀粉含量為指標，設計Box－Behnken方案優化淀粉酶水解的工藝條件，結果見表2，因素方差分析見表3，模型的方差分析見表4。

表2 試驗設計方案及結果

表3 因素方差分析

由表3可以看出:FX3X3＞F0.01(1，5)=16.25，表明水解時間的二次項的影響高度顯著;F0.01(1，5)= 16.25＞FX2X2＞F0.05(1，5)=6.61，表明水解溫度的二次項影響顯著;F0.05(1，5)=6.61＞FX1、FX1X1、FX2X3＞F0.1(1，5)=4.06，表明加酶量的一次項、二次項及水解溫度和時間的交互作用影響較顯著。剔除影響不顯著項后，擬合得到數學模型(式2)，式中Y為淀粉含量，X1、X2、X3分別為加酶量、水解溫度和時間。

表4 模型方差分析

從表4可知，模型的F=85.058 8＞F0.01(5，9)= 6.06，表明模型高度顯著;模型的校正決定系數Adj R2=96.87%，表明該模型能解釋96.87%響應值的變化，僅有3.13%變異的不能用此模型來解釋;相關系數R2=0.979 3，模型擬合程度好，可以用此模型分析和預測。

2.2.2 模型的驗證

檢驗模型的有效性，隨機選擇5組試驗進行驗證，結果見表5。利用SPSS對表5中實測值與預測值進行相關性分析，實測值與預測值的相關系數為0.92，表明數學模型是有效的。

表5 模型的驗證結果

2.2.3 最佳工藝條件

在擬合得到淀粉酶水解數學模型的基礎上，通過SAS8.0軟件分析，得到最佳工藝條件是:X1=1、X2=0、X3=0，即加酶量為0.06 g，水解溫度65℃，水解時間60 min。該條件下，模型預測淀粉質量分數為0.42%。在最佳工藝條件下，通過酶堿法制備麥糟IDF，考察IDF淀粉含量及IDF得率。試驗重復3組，每組試驗平行3個，取平均值，結果見表6。從表6中可以看出，制備得到的麥糟IDF得率為28.8%，IDF中淀粉質量分數0.41%。

表6 重復試驗結果

3 結論

酶堿法制備麥糟IDF的過程中，淀粉酶水解能顯著降低IDF的淀粉含量，提高IDF的純度。通過方差分析，淀粉酶水解時間二次項的影響高度顯著，水解溫度二次項的影響顯著，加酶量一次項、二次項及水解溫度和時間的交互作用影響較顯著。數學模型為:Y=0.513－0.032X1－0.057X+0.081X－0.050X2X3+0.346X。模型高度顯著且有效，可用于淀粉酶水解過程的預測與分析。在試驗選擇的水平范圍內，其最佳工藝條件是:加酶量0.06 g，水解溫度65℃，水解時間60 min，在該條件下，制備得到的麥糟IDF得率為28.8%，淀粉質量分數為0.41%。

［1］李潤國，陳革.大豆皮水不溶性膳食纖維制備的工藝研究［J］.食品科技，2006(3):129－131

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［3］馮翠萍，龐侯英，常明昌，等.酶法提取蘆筍中高活性膳食纖維的研究［J］.農業工程學報，2004，20(3):188－191

［4］邱雁臨.生物技術在啤酒糟綜合利用中的研究進展與前景［J］.食品與發酵工業，2002，28(1):72－73

［5］王金華，張聲華.啤酒糟中可溶性膳食纖維的提取及化學組成［J］.食品科學，2002，23(12):64－67

［6］李鳳鳳.啤酒糟膳食纖維的提取及不可溶性膳食纖維的改性研究［D］.長春:吉林大學，2007:19－35

［7］王金華，李冬生.啤酒糟中水不溶性膳食纖維的提取及化學組成［J］.釀酒，2002，29(6):80－83

［8］許暉，孫蘭萍，張斌，等.米曲霉固態發酵啤酒糟產α－淀粉酶的優化［J］.農業機械學報，2008，39(1):82－86

［9］天津輕工業學院、大連輕工業學院等.工業發酵分析［M］.北京:中國輕工業出版社，2007，35－50.

Optimizing Amylase Hydrolysis Technology in Insoluble Dietary Fiber Processing by Response Surface Methodology

Xiao Liandong Li Huixing Zang Jin Xu Bin
(Department of Biology and Chemical Engineering Nanyang Institute of Technology，Nanyang 473004)

The hydrolytic conditions by amylase in insoluble dietary fiber processing were studied.Response surface methodology was employed in the present work.A mathematics model for the hydrolysis technics was built and the model showed prominence and feasible.The effects of temperature，time and enzyme dosage were studied.Results:The optimal conditions are enzyme dosage 0.06 g，time 60 min and temperature 65℃.Under these conditions，the yield of insoluble dietary fiber is 28.8%and the starch content of the insoluble dietary fiber is 0.41%.

insoluble dietary fiber，amylase，Spent brewing grains，response surface methodology

TS262.5 文獻標識碼:A 文章編號:1003－0174(2010)11－0098－04

河南省科技發展攻關項目(082102340012)

2009－10－17

肖連冬，女，1964年出生，副教授，生化分離技術