響應(yīng)面法優(yōu)化麥麩膳食纖維提取條件

姜小苓,李小軍,李 淦,胡喜貴,李笑慧,李秀玲,于紅彩,茹振鋼

(河南科技學(xué)院小麥中心,河南省現(xiàn)代生物育種協(xié)同創(chuàng)新中心,河南省高校作物分子育種重點(diǎn)開放實驗室,河南新鄉(xiāng) 453003)

響應(yīng)面法優(yōu)化麥麩膳食纖維提取條件

姜小苓,李小軍,李 淦,胡喜貴,李笑慧,李秀玲,于紅彩,茹振鋼*

(河南科技學(xué)院小麥中心,河南省現(xiàn)代生物育種協(xié)同創(chuàng)新中心,河南省高校作物分子育種重點(diǎn)開放實驗室,河南新鄉(xiāng) 453003)

為探討酶法和化學(xué)法結(jié)合提取麥麩中的膳食纖維,研究了酶添加量、酶解時間、堿添加量、堿解時間等因素對膳食纖維得率的影響。在單因素實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面實驗設(shè)計,利用Design Expert軟件對結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析,確定了酶-化學(xué)法提取麥麩膳食纖維的最佳工藝條件:酶添加量1.5%,酶解時間45 min,堿添加量4%,堿解時間35 min,該條件下膳食纖維得率達(dá)87.84%,與理論預(yù)測值非常接近(相對誤差約0.02%)。進(jìn)一步說明利用響應(yīng)面優(yōu)化得到的回歸方程在實踐中具有一定的應(yīng)用價值。

麥麩,膳食纖維,提取工藝,響應(yīng)面分析

近年來,由于飲食結(jié)構(gòu)的改變,人們攝入粗纖維的量越來越少,肥胖癥、高血壓、動脈硬化等心血管疾病,以及糖尿病、癌癥等逐年上升,嚴(yán)重威脅著現(xiàn)代人的身體健康[1]。預(yù)防及治療這類富貴病,首先應(yīng)從膳食配餐著手,增加膳食纖維的攝入量。膳食纖維是能抗人體小腸消化吸收,而在大腸部分或全部發(fā)酵的可食用植物性成分以及以多糖類為主的大分子物質(zhì)的總稱,主要含纖維素、半纖維素、果膠及木質(zhì)素[2]。根據(jù)溶解性分為可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維兩大類。其中不溶性膳食纖維在人體內(nèi)主要起機(jī)械蠕動作用[3-4],而可溶性膳食纖維具有較多的生理功能,起到防膽結(jié)石、排除有害金屬離子、抗糖尿病、降低血脂及膽固醇、防高血壓等作用[5]。

小麥?zhǔn)俏覈闹饕Z食作物,是人們生活所需能量、蛋白質(zhì)和膳食纖維的主要來源[6]。小麥籽粒中約含10%～14%的膳食纖維,面粉中約含2.5%～4.5%[7],麥麩中約含35%～50%[8]。麥麩作為小麥面粉的主要副產(chǎn)品,是重要的膳食纖維資源。同時,小麥膳食纖維安全性高,是公認(rèn)的天然食物纖維,已在多種食品中添加,用來解決食品中膳食纖維不足的問題[9-10]。膳食纖維分子的游離羥基會與水發(fā)生作用,因此,添加了纖維的面團(tuán)性質(zhì)會發(fā)生改變[11-12]。在面粉中適量添加膳食纖維,一方面可改善我國居民面臨的營養(yǎng)失衡和營養(yǎng)缺乏的現(xiàn)狀,另一方面可對面制品的品質(zhì)和風(fēng)味起到一定改善作用。

提取膳食纖維的方法主要有酶法、化學(xué)法、酶-化學(xué)法、發(fā)酵法等。其中,發(fā)酵法制備膳食纖維條件很難控制,且后期的分離純化也較困難;而酶法簡便易行,膳食纖維得率高,且條件溫和,對環(huán)境污染也較小[13-14],但成本較高。邵佩蘭等[15]比較分析了不同提取方法對麥麩膳食纖維感官性狀和物理特性的影響,結(jié)果表明,酶-化學(xué)法、酶法提取的膳食纖維的持水性、溶脹性及得率均優(yōu)于化學(xué)法,但酶法提取的成本相對較高且得率也較酶-化學(xué)法低,建議提取麥麩膳食纖維以酶-化學(xué)法為宜。

因此,本實驗采用酶-化學(xué)法提取麥麩中的膳食纖維,即先用α-淀粉酶將麩皮中的淀粉水解成糊精和低聚糖,再用糖化酶進(jìn)一步將糊精、低聚糖水解為葡萄糖,進(jìn)而溶于有機(jī)溶劑,最后用堿除去蛋白質(zhì)。該實驗利用響應(yīng)面法(二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計)優(yōu)化提取工藝,進(jìn)而確定最佳提取條件,為麥麩膳食纖維的有效利用及增加小麥附加值提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

麥麩 實驗室自制;高溫α-淀粉酶(酶活為4000 U/g)、糖化酶(酶活為100000 U/g)、檸檬酸 北京索萊寶科技有限公司;氫氧化鈉、過氧化氫、95%乙醇試劑 均為分析純,天津市天力化學(xué)試劑有限公司。

HH-S4恒溫水浴鍋 上海普渡生化科技有限公司;DHG-9240A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實驗設(shè)備有限公司;BS223S電子分析天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;SHZ-DⅢ型循環(huán)水真空泵 鄭州市亞榮儀器有限公司;FW-80高速萬能粉碎機(jī) 北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司;FE20 pH計 梅特莉-托利多儀器(上海)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 麩皮清理→分解植酸→干燥→粉碎過20目篩→混合酶水解→堿水解→過氧化氫脫色→95%乙醇沉淀→洗滌抽濾→干燥粉碎→麥麩膳食纖維

1.2.2 原料預(yù)處理 將麩皮分散水中(麩皮∶水=1∶7)浸泡15 min,以3000 r/min離心脫水10 min,用30倍水洗滌,除去部分淀粉和蛋白質(zhì),以免影響提取物的純度,收集純凈的濕麥麩備用。將清理后所得濕麥麩(麩皮∶水=1∶10)在pH5.5、55 ℃條件下維持4 h,利用內(nèi)源植酸酶分解植酸,然后水洗至中性,于電熱鼓風(fēng)干燥箱50 ℃干燥8 h,收集干燥后的麥麩,水分含量為10%,粉碎過20目篩得到預(yù)處理麥麩。

1.2.3 單因素實驗

1.2.3.1 考察混合酶添加量對膳食纖維得率的影響 準(zhǔn)確稱取預(yù)處理麥麩1 g,按料液比1∶10將麩皮分散于水中,按質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別添加1%、1.25%、1.5%、1.75%、2%混合酶(α-淀粉酶∶糖化酶=1∶1),pH6.5,60 ℃反應(yīng)60 min,100 ℃滅酶10 min,將溫度降到60 ℃,加4% 1 mol/L NaOH反應(yīng)40 min,調(diào)節(jié)pH為9.0,加5% H2O2,55 ℃脫色2 h,用4倍體積95%的乙醇沉淀1 h,用78%和95%的乙醇洗滌3次,真空抽濾,將抽濾后的濾渣干燥、粉碎即得小麥麩皮膳食纖維。將膳食纖維的得率作為最終的評價指標(biāo),每個處理三次重復(fù)。膳食纖維得率的計算公式為:膳食纖維得率(%)=所得膳食纖維質(zhì)量/樣品質(zhì)量×100。

1.2.3.2 考察混合酶酶解時間對膳食纖維得率的影響 準(zhǔn)確稱取預(yù)處理麥麩1 g,按料液比1∶10將麩皮分散于水中,添加1.5%混合酶(α-淀粉酶∶糖化酶=1∶1),pH6.5,60 ℃反應(yīng)30、40、50、60、70 min,其它步驟同1.2.3.1。以膳食纖維得率為評價指標(biāo)進(jìn)行實驗,每個水平重復(fù)三次。

1.2.3.3 考察堿添加量對膳食纖維得率的影響 準(zhǔn)確稱取預(yù)處理麥麩1 g,按料液比1∶10將麩皮分散于水中,按質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加1.5%混合酶(α-淀粉酶∶糖化酶=1∶1),pH6.5,60 ℃反應(yīng)50 min,滅酶后,冷卻到60 ℃,按質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別加2%、3%、4%、5%、6% 1 mol/L NaOH反應(yīng)40 min,其它步驟同1.2.3.1。以膳食纖維得率為評價指標(biāo)進(jìn)行實驗,每個水平重復(fù)三次。

1.2.3.4 考察堿解時間對膳食纖維得率的影響 準(zhǔn)確稱取預(yù)處理麥麩1 g,按料液比1∶10將麩皮分散于水中,按質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加1.5%混合酶(α-淀粉酶∶糖化酶=1∶1),pH6.5,60 ℃反應(yīng)50 min,滅酶后,冷卻到60 ℃,按質(zhì)量分?jǐn)?shù)加4% 1 mol/L NaOH反應(yīng)10、20、30、40、50 min,其它步驟同1.2.3.1。以膳食纖維得率為評價指標(biāo)進(jìn)行實驗,每個水平重復(fù)三次。

1.2.4 麥麩膳食纖維提取響應(yīng)面法優(yōu)化設(shè)計 綜合單因素實驗,利用Design-Expert 7.0軟件中的Central Composite Design(CCD)響應(yīng)面分析設(shè)計原理,采用4因素3水平的分析方法,確定酶-化學(xué)法提取麥麩膳食纖維的最佳工藝條件。相關(guān)因素及水平設(shè)計見表1。

表1 響應(yīng)面分析因素及水平

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2010處理,結(jié)果取3次重復(fù)的其平均值。使用Design-Expert 7.0軟件中的Central Composite Design(CCD)中心組合實驗對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 酶-化學(xué)法提取麥麩膳食纖維單因素實驗

2.1.1 混合酶添加量對膳食纖維得率的影響 由圖1可看出,混合酶添加量顯著影響膳食纖維的得率。隨混合酶添加量的增加,得率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,當(dāng)添加量為1.5%時膳食纖維得率達(dá)到最高;隨后,隨著酶添加量的增加,膳食纖維得率急劇下降,當(dāng)添加量為2.0%時,得率降到最低。原因可能是酶濃度過低,麥麩表面覆蓋的淀粉可能水解不完全;若酶濃度太高,膳食纖維中的半纖維素等生理活性物質(zhì)容易溶出而使得率降低[16],所以混合酶添加量以1.5%最宜。

圖1 酶添加量對膳食纖維得率的影響Fig.1 Effect of enzyme concentration on DF yield

2.1.2 混合酶酶解時間對膳食纖維得率的影響 由圖2可知,酶解時間對麥麩膳食纖維的影響也較大。主要表現(xiàn)在:隨混合酶作用時間的延長,膳食纖維得率呈先增加后降低的趨勢,當(dāng)作用時間為50 min時,得率達(dá)到最高;隨后得率迅速下降,當(dāng)酶解時間70 min時,降到最低。可能是由于混合酶作用時間與麥麩原料顆粒大小以及淀粉跟原料結(jié)合的緊密度有關(guān),結(jié)合越緊密,酶反應(yīng)時間越長;同時,隨酶解時間的延長部分可溶性膳食纖維會流失,致使得率下降。因此,混合酶作用時間以50 min為宜。

圖2 酶解時間對膳食纖維得率的影響Fig.2 Effect of enzyme digestion time on DF yield

2.1.3 堿添加量對膳食纖維得率的影響 由圖3可知,堿添加量對麥麩膳食纖維得率的影響也很大。隨堿添加量的增加,膳食纖維得率也呈先增后減的趨勢;當(dāng)堿添加量為4%時,得率最高;而堿添加量超過4%時,得率反而減少。原因可能是堿液濃度在低于4%時可較充分的達(dá)到溶解蛋白質(zhì)的作用;而當(dāng)堿液濃度過大時,纖維和半纖維素會發(fā)生輕度水解[17],導(dǎo)致膳食纖維得率降低,且膳食纖維色澤加深。故堿添加4%為宜。

圖3 堿添加量對膳食纖維得率的影響Fig.3 Effect of alkali concentration on DF yield

2.1.4 堿解時間對膳食纖維得率的影響 由圖4可知,隨堿水解時間延長,膳食纖維得率呈先增后降趨勢,當(dāng)堿水解時間為30 min時,得率最高,隨后急劇下降,當(dāng)堿解時間為50 min時,膳食纖維得率降到最低。原因可能是堿解時間過短,水解不完全導(dǎo)致得率較低;而堿解時間過長,膳食纖維發(fā)生軟化,甚至有的部分發(fā)生輕度水解,最終會造成得率降低[18],故堿解以30 min為宜。

圖4 堿解時間對膳食纖維得率的影響Fig.4 Effect of alkali hydrolysis time on DF yield

2.2 酶-化學(xué)法提取麥麩膳食纖維的響應(yīng)面實驗

2.2.1 模型的建立及顯著性檢驗 本實驗利用CCD中心組合實驗設(shè)計原理,綜合單因素實驗結(jié)果,選取X1、X2、X3和X4為響應(yīng)因素,小麥麩皮膳食纖維得率為響應(yīng)值Y,響應(yīng)面實驗設(shè)計方案及結(jié)果見表2。實驗設(shè)計共29個實驗點(diǎn),其中5個為重復(fù)零點(diǎn)實驗,以估計誤差。

表2 響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果

將表2實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合,統(tǒng)計分析后得到麥麩膳食纖維得率預(yù)測值Y為目標(biāo)函數(shù)的二次回歸方程:

Y=87.20+1.86X1-015X2+0.20X3+0.42X4-3.03X12-2.67X22-1.87X32+0.046X42-0.95X1X2-0.22X1X3-0.75X1X4-2.70X2X3-0.15X2X4-0.98X3X4

由表3可知,失擬項不顯著(p值為0.3439,大于0.05),回歸模型極顯著(p<0.0001),說明該模型對實驗擬合程度高。為了進(jìn)一步提高方程的擬合效果,手動優(yōu)化去掉不顯著交互項X2X4(其p值較大,為0.7292),使得R2達(dá)到0.9483,說明該模型預(yù)測性較好,能解釋響應(yīng)值Y變化的94.83%。進(jìn)而得到新的方程為:

Y=87.20+1.86X1-015X2+0.20X3+0.42X4-3.03X12-2.67X22-1.87X32+0.046X42-0.95X1X2-0.22X1X3-0.75X1X4-2.70X2X3-0.98X3X4,可獲得更好的擬合效果。同時,CV=0.98,精密度(14.59)大于4,也表明用該模型對酶-化學(xué)法提取小麥麩皮膳食纖維的過程進(jìn)行優(yōu)化是合適的。顯著性檢驗表明一次項X1(混合酶添加量),平方項X12(混合酶添加量)、X22(酶解時間)、X32(堿添加量)及交互項X2X3表現(xiàn)出了高度顯著水平,對膳食纖維得率具有極顯著影響。交互項X1X2、X3X4對膳食纖維得率有顯著影響。

表3 回歸方程方差分析表

注:p<0.05,差異顯著;p<0.01,差異極顯著。

2.2.2 響應(yīng)面分析 任何兩個因素的交互作用對得率的影響程度可以通過圖5中的響應(yīng)曲面圖及等高線圖進(jìn)行分析評價,進(jìn)而得到最佳的因素水平范圍。因素間交互效應(yīng)的強(qiáng)弱則可從等高線的形狀看出,其形狀越接近圓形,說明交互作用越不顯著;越接近橢圓形,表明因素間的交互作用越顯著,且橢圓排列的緊密程度可反映因素對響應(yīng)值變化的影響程度[19-21]。由以上響應(yīng)曲面圖可知,極值條件出現(xiàn)在等高線的圓心處。在交互項對得率的影響中,酶解時間(X2)與堿添加量(X3)的交互作用對膳食纖維得率的影響達(dá)極顯著水平;混合酶添加量(X1)與酶解時間(X2)、堿添加量(X3)與堿解時間(X4)的交互作用對得率的影響達(dá)顯著水平。

2.2.3 提取工藝條件優(yōu)化 采用軟件中Optimization的Numerical功能,進(jìn)行參數(shù)最優(yōu)化分析,得最優(yōu)理論工藝條件為:混合酶添加量1.65%,混合酶解時間47.01 min,堿添加量4.32%,堿解時間38.16 min,在此條件下麥麩膳食纖維的理論得率為87.8576%。為了檢驗實驗結(jié)果的可靠性,根據(jù)以上實驗結(jié)果進(jìn)行驗證實驗,考慮到可操作性,將提取工藝參數(shù)修正為混合酶添加量1.5%,混合酶解時間45 min,堿添加量4%,堿解時間35 min,在此條件下進(jìn)行3次平行實驗,實際的平均得率值(87.84%)與理論預(yù)測值的相對誤差較小(約為0.02%)。因此,該數(shù)學(xué)模型對優(yōu)化酶-化學(xué)法提取麥麩膳食纖維的工藝是可行的。

3 結(jié)論

采用酶-化學(xué)法提取小麥麩皮膳食纖維,在單因素實驗的基礎(chǔ)上采用了CCD中心組合設(shè)計方法設(shè)計響應(yīng)面實驗,建立數(shù)學(xué)模型,得到較優(yōu)提取工藝。結(jié)合響應(yīng)面分析數(shù)據(jù)并進(jìn)行實驗驗證,得到最佳提取工藝條件為混合酶添加量1.5%,混合酶酶解時間45 min,堿添加量4%,堿解時35 min,此條件下麩皮膳食纖維得率可達(dá)到87.84%。并得到膳食纖維得率與各因素變量的二次方程模型,該模型回歸極顯著,對實驗擬合較好,有一定的應(yīng)用價值。

圖5 各因素交互作用對膳食纖維得率影響的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface for the effects of pairwise interactions among various variables on extraction efficiency of DF

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Response surface methodology for extraction optimization of dietary fiber from wheat bran

JIANG Xiao-ling,LI Xiao-jun,LI Gan,HU Xi-gui,LI Xiao-hui,LI Xiu-ling,YU Hong-cai,RU Zhen-gang*

(Center of wheat breeding,Henan Institute of Science and Technology,Collaborative Innovation Center of Modern Biological Breeding,Henan Province,Key Discipline Open Laboratory on Crop Molecular Breeding of Henan Institute,Xinxiang 453003,China)

In order to research the effects of the enzymatic and chemical method on the extraction of the dietary fiber from wheat bran,four parameters(i.e. enzyme concentration,enzyme digestion time,alkali concentration and alkali hydrolysis time)were identified to be main variables to analyze their effects on extraction efficiency of dietary fiber. Furthermore,on the basis of the single-factor experiment,the response surface test was designed and Design Expert software was used to make quadratic regression analysis to determine the optimal process conditions for preparing dietary fiber of wheat bran. The optimum extracting conditions for extracting dietary fiber from wheat bran were found as follows:mixed enzyme 1.5%,digestion time 45 min,alkali 4%,hydrolysis time 35 min. Under these conditions,the extraction yield of dietary fiber was up to 87.84%,which was very close to the theoretical prediction value(relative error was 0.02%). Results showed that the regression equation of this experiment had certain application value.

wheat bran;dietary fiber;extraction technology;response surface analysis

2016-10-11

姜小苓(1982-)，女，博士，講師，研究方向：小麥品質(zhì)檢測及改良，E-mail：xiao_ling_jiang@163.com。

*通訊作者:茹振鋼(1958-)，男，教授，研究方向：小麥育種，E-mail：rzgh58@163.com。

河南省科技攻關(guān)項目(152102110085)。

TS213.2

A

1002-0306(2017)06-0158-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.06.022