酶法提取米糠水溶性膳食纖維工藝及性質

周曉瑞，鄭麗慧，孫晟源，劉稼鑫，萬磊，賈俊強*

江蘇科技大學糧食學院（鎮江 212004）

米糠是稻谷加工的副產物，含有13%～20%脂肪、12%～17%蛋白和23%～30%膳食纖維[1]，脫脂米糠中大部分為不溶性膳食纖維，可溶性膳食纖維僅占7%～13%[2-4]。可溶膳食纖維具有良好的加工特性，如較高的黏度、良好的持水性和氧化凝膠特性，可用于饅頭、掛面、方便面、面包等主食中，也可被添加到膨化產品、糖果、肉制品、乳制品和調味品中，具有廣泛的市場需求[5]。研究表明，膳食纖維對人體具有多種生理功能，被稱作第七大營養素，可以調節腸的功能，減少血液中的膽固醇水平，調節血糖水平，從而降低心臟病的危險，改善糖尿病[6]。然而，目前關于米糠水溶性膳食纖維提取的研究鮮見報道。此次試驗以蒸餾水提取脫脂米糠中的水溶性物質，然后利用蛋白酶水解水溶性蛋白質，再利用醇沉的方法提取水溶液性膳食纖維，通過Plackett-Burman試驗設計篩選影響因素，在此基礎上利用正交試驗優化提取條件，并對提取的水溶性膳食纖維理化性質進行研究，為米糠的深加工提供理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮米糠，脫脂處理后粉碎，過80目篩備用。

α-淀粉酶、堿性蛋白酶、胰蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、中性蛋白酶（諾維信公司）；乙醇、NaOH（分析純）。

1.2 儀器與設備

DF-101B集熱式磁力加熱攪拌器（金壇市醫療儀器廠）；SY-601型超級恒溫水?。ㄌ旖蚴袣W諾儀器儀表有限公司）；PHS-3C精密pH計（上海今邁儀器儀表有限公司）；UV-2450紫外可見分光光度計（日本島津公司）；H205DR-1高速冷凍離心機（長沙湘儀離心機儀器有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 米糠水溶性膳食纖維的制備流程

米糠→脫脂→加入蒸餾水→懸浮液→α-淀粉酶酶解→離心→調節pH→蛋白酶酶解→離心收集上清液→濃縮→醇析→沉淀→米糠水溶性膳食纖維

1.3.2 蛋白酶的篩選

脫除淀粉的米糠水溶性提取液，利用蛋白酶進行脫蛋白；以水解度為指標，從5種商用蛋白酶中篩選蛋白酶，蛋白酶的條件見表1。

1.3.3 水解度的測定

采用pH-stat法[7]測定蛋白的水解度。

1.3.4 米糠水溶性膳食纖維素的工藝優化

1.3.4.1 Plackett-Burman試驗設計

采用Design-Expert進行Plackett-Burman試驗設計，虛擬變量均不加以編碼，各因素及編碼水平設計見表2。

表1 五種蛋白酶酶解條件

表2 米糠蛋白酶解的Plackett-Burman試驗設計因素及水平

1.3.4.2 最陡爬坡試驗

以各因素效應的正負、大小分別確定爬坡方向和變化步長，從而迅速逼近最大響應值。試驗時除了篩選的主要因素以外，其他因素的水平均保持不變。

1.3.4.3 正交試驗方法

依據Plackett-Burman試驗結合最陡爬坡試驗結果，進行L9(34)正交試驗設計（表3）。

表3 正交試驗因素水平表

1.3.5 米糠水溶性膳食纖維的理化性質分析

1.3.5.1 持水性

根據李茜等[8]的方法測定米糠水溶性膳食纖維的持水力。按式（1）計算。

1.3.5.2 膨脹性

根據湯宇青等[6]的方法測定米糠水溶性膳食纖維的膨脹力。按式（2）計算。

2 結果與分析

2.1 蛋白酶的篩選

解米糠水提液中的蛋白，其水解度分別為57.4%，38.2%，50.6%，46.3%和43.2%，堿性蛋白酶的水解度最高，說明堿性蛋白酶水解米糠蛋白，可能是米糠蛋白中含有較多的堿性蛋白酶酶切位點。研究結果與李超楠等[9]在酶法水解碎米蛋白中的研究一致。因此，選用堿性蛋白酶作為米糠蛋白的酶解用酶。

圖1 五種不同的蛋白酶酶解的水解度

2.2 Plackett-Burman試驗篩選酶解條件的主要影響因素

以水解度為指標，對pH（X1）、溫度（X2）、酶解時間（X3）、加酶量（X4）、底物濃度（X5）5個因素進行全面考察，并等距插入2個虛擬變量（N1、N2），每個因素各設高（1）、低（-1）兩個水平，共12組。PB試驗設計與結果見表4。

表4 米糠蛋白酶解條件優化的Plackett-Burman試驗設計與結果

表5 Plackett-Burman試驗結果的方差分析

由圖1可知，相同條件下，分別用堿性蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰蛋白酶、胃蛋白酶水中，pH和加酶量影響顯著，而酶解溫度、酶解時間和底物濃度影響均不顯著（表5）。由于堿性蛋白酶酶解最適溫度為50 ℃，溫度越高反應越快，但高于50℃堿性蛋白酶會失活，酶解時間太長生產成本也高，因此在這3個不顯著的因素中，固定酶解溫度50 ℃和酶解時間90 min，選擇底物濃度作為變量之一。故確定底物濃度、加酶量、pH 3個因素進一步進行后續最陡爬坡試驗。

2.3 最陡爬坡試驗分析米糠蛋白酶解的最佳條件

根據各因素的效應大小、比例和變化方向進行最陡爬坡試驗設計，最陡爬坡試驗設計與結果見表6。在底物濃度0.9%、加酶量4 000 U/g和pH 9.0時米糠水溶性膳食纖維的提取率最高，所以最佳條件在此附近。以此條件設計正交試驗水平進行米糠水溶性膳食纖維提取工藝優化。

表6 米糠蛋白酶解條件優化的最陡爬坡試驗設計與結果

2.4 正交試驗結果

以加酶量、酶解pH和底物濃度為因素，選用L9(34)因素水平表設計正交試驗，結果見表7和表8。各因素對米糠水溶性膳食纖維提取率的影響程度依次為：酶解pH＞加酶量＞底物濃度。由表7的均值K結果可知，因素A水平的優劣順序為2＞1＞3；因素B水平的優劣順序為1＞2＞3；因素C水平的優劣順序為3＞2＞1。正交試驗優化出的米糠水溶性膳食纖維提取的最佳工藝條件為A2B1C3，即底物濃度0.9%，加酶量3 500 U/g，酶解pH 9.5。

表7 正交試驗結果分析

表8 方差分析

2.5 米糠水溶性膳食纖維的理化特性

米糠水溶性膳食纖維的持水性和膨脹性測定結果見表9。米糠水溶性膳食纖維的持水性為76.17%，低于麥麩水溶性膳食纖維的持水性[8]。米糠水溶性膳食纖維的膨脹力為14.02 mL/g，顯著高于麥麩水溶性膳食纖維[8]和石莼水溶性膳食纖維[6]。研究結果表明，米糠水溶性膳食纖維是一種優良的食源膳食纖維。米糠水溶性膳食纖維的復水后體積變大，有利于軟化糞便，降低人體內毒素的濃度，促使人體內糞便排出，減輕毒素對人體的危害[6,10]。

表9 米糠水溶性膳食纖維的持水性和膨脹性測定結果

3 結論

以蛋白水解度為指標，篩選出堿性蛋白酶用于脫除米糠水溶性膳食纖維中的蛋白質，利用Plackett-Burman設計篩選出底物濃度、加酶量、pH三個因素，并優化米糠水溶性膳食纖維提取工藝，L9(34)正交試驗最終確定的最優提取工藝為：底物濃度0.9%，加酶量3 500 U/g，酶解pH 9.5。米糠水溶性膳食纖維的持水性為76.17%，其膨脹力為14.02 mL/g。研究結果表明，米糠水溶性膳食纖維是一種優良的食源膳食纖維。此次試驗結果為米糠的深加工提供理論和技術參考。