小麥麩皮脫脂及酶解工藝條件的研究

陳梅斯，練習中，林麗芳

（1.江門市食品檢驗所，廣東 江門529000；2.江門市程錦企業管理有限公司，廣東 江門529000）

0 引言

小麥麩皮是小麥面粉加工的主要農副產品，一般都是作為飼料原料使用，為企業產生的經濟效益不高。小麥麩皮中含有大量的纖維素，作為膳食界的新寵，從中提取出的纖維素及膳食纖維素可為企業帶來可觀的經濟效益。目前，生產纖維素的工藝有化學法、雙酶法、化學-酶法、發酵法、膜分離法[1]等。由于小麥麩皮中還含有脂肪、蛋白質、淀粉、砂類雜質[2]等成分，對提取工藝及產品的純度有重大的影響，所以必須在提取前去除。研究不同溶劑對小麥麩皮脫脂效果的影響，同時摸索最佳的蛋白酶和淀粉酶的使用條件，在綜合考慮生產成本、安全性及時間成本、投入產出比后，得出一個最佳的實驗方案。實驗室里摸索出來的工藝條件要放在企業生產中使用時，還必須考慮其生產成本及由此帶來溶劑殘留的問題，避免造成產品中雜質的增加。

1 試驗部分

1.1 儀器設備與試劑

小麥麩皮，廣東新糧面粉廠提供；乙醇、正己烷、乙酸乙酯、鹽酸、氫氧化鈉，均為分析純；酸性蛋白酶、α-淀粉酶，均為食品工業級。

SHZ-88AI型往復水浴恒溫振蕩器、8400型FOSS定氮儀、FOSS Fibertec E膳食纖維測定儀，AL204-IC型萬分之一電子天平、HG-9245A型電熱鼓風干燥箱、高溫電阻爐等。

1.2 試驗方法

由于小麥麩皮比重小，至少需要2倍質量的溶劑才能浸泡，所以試驗直接從2倍溶劑的使用量開始。將小麥麩皮進行粉碎，稱取10 g樣品于碘量瓶中，加入配比分別為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，模擬生產中的攪拌作用。固定在振蕩水浴鍋上，50℃下水浴振蕩，分別振蕩1，2，3，4 h。將小麥麩皮和有機溶劑過濾，并用相應的溶劑洗滌2～3次，將洗滌后的物料轉移到表面皿上，放在通風處使溶劑揮發干凈。

1.2.1 脂肪的測定

參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》中酸水解法進行測定。稱取1 g小麥麩皮，加入鹽酸，80℃下水浴振蕩。加入乙醇，冷卻至室溫，加入石油醚、乙醚，通過計算醚層高度和一定體積的醚層烘干物的比例，得出小麥麩皮脂肪含量。

1.2.2 蛋白質的測定

參照GB 5009.5—2010《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》中凱氏定氮法進行測定。稱取1 g樣品于蛋白管中，加入硫酸銅和硫酸鉀混合試劑，加入濃硫酸，輕搖后于420℃下加熱至液體呈藍綠色并澄清透明后，繼續加熱一段時間，取下放置至室溫后，置于凱氏定氮儀上測定，得出蛋白質含量。

1.2.3 淀粉含量的測定

參照GB 5009.9—2010《食品安全國家標準 食品中淀粉的測定》中酸水解法進行測定。稱取適量樣品于三角瓶中，用乙醚洗去樣品中的脂肪，用80%乙醇洗滌殘渣，濾干乙醇，把濾紙和濾渣置于碘量瓶中，加入100 mL水和30 mL（1+1）HCl，置于沸水中水浴回流2 h。取下冷卻，加入2滴甲基紅酯示劑，用氫氧化鈉調pH值至7.0，加入20 mL乙酸鉛溶液（200 g/L），靜置10 min，再加入硫酸鈉溶液（100 g/L）20 mL，轉移至500 mL容量瓶，用水定容，過濾。吸取5.00 mL堿性酒石酸銅甲液及5.00 mL堿性酒石酸銅乙液，置于150 mL錐形瓶中，加水10 mL，加入玻璃珠2粒，從滴定管滴加比預測體積少1 mL的試樣溶液至錐形瓶中，使之在2 min內加熱至沸，保持沸騰狀態并繼續以每2 s/滴的速度滴定，直至藍色剛好褪去為終點，記錄樣液消耗體積。

1.2.4 膳食纖維的測定

參照GB 5009.88—2010《食品安全國家標準 食品中膳食纖維的測定》的方法進行檢測。稱取適量樣品，脫脂脫糖后，于105℃烘箱中過夜烘干，稱取1 g樣品，4個平行樣，進行淀粉酶解、蛋白酶解和葡萄糖酶解。加入乙醇靜置。對樣品進行抽濾，抽濾后將樣品放置105℃烘箱中過夜。取出冷卻后稱質量，并取其中的2份殘渣測量灰分，2份測量蛋白質。

1.2.5 提取效果的計算

以試驗前后，樣品的質量減少量與初始樣品中該成分的含量質量比為提取效果的數據，均以干基計算。計算的原理是基于各種提取方法均具有較專門針對性，每個試驗基本只對其中一種物質發生作用，因此可以用稱量法進行計算。

2 結果與分析

2.1 小麥麩皮脂肪、蛋白和淀粉含量

小麥麩皮成分見表1。

表1 小麥麩皮成分/%

通過分析表1數據，確立了工藝重點是除掉脂肪、蛋白質、淀粉3種主要雜質，最大限度地保留纖維素，同時要提取可溶性的膳食纖維。針對這3種營養成分的物理和化學特性及現行的常規處理手段，結合工業上生產的可行性，分別采取溶劑浸提法[3-4]和酶解法來去除。

2.2 脫脂工藝試驗

2.2.1 單因素試驗

根據相似相溶的原理，脂肪易溶于有機溶劑，在不同溶劑中脂肪的提取率有明顯差別。試驗以不同的溶劑為提取液，料液比為1∶3，浸泡2 h，50℃下水浴振蕩提取，風干后得到的小麥麩皮進行脂肪測定。在溶劑的選擇中，對脂肪提取最有效的醚類，主要是考慮這類物質沸點低、揮發性大、易燃，在工業化生產時，消防安全隱患大，且難以使用技術控制，故放棄使用。從安全性、成本和處理殘留等各方面考慮，選擇用正己烷、乙醇、乙酸乙酯3種工業常用有機溶劑作為提取液進行試驗。

（1）不同料液比對提取率的影響。以不同料液比，浸泡2 h，50℃下水浴振蕩，烘干后得到的小麥麩皮進行脂肪測定。

小麥麩皮在不同溶劑中的提取率見圖1。

圖1 小麥麩皮在不同溶劑中的提取率

由圖1可知，乙醇的提取效果最好。試驗中發現，料液比為1∶2～1∶3時的提取率上升比較明顯，但料液比為1∶3～1：6，溶劑量增加的量對提取率影響不大。這是因為當溶劑量是物料的3倍時，已經完全浸沒且有足夠的余液可以讓攪拌流暢。結合經濟因素，乙醇的獲取方式更加方便、經濟。綜上所述，選擇料液比1∶3進行脫脂。

（2）反應時間對小麥麩皮脫脂的影響。

反應時間對小麥麩皮脫脂的影響見圖2。

由圖2可知，隨著反應時間的延長，提取率在同步提升，但是提升的幅度逐漸減小，與投入的時間成本及生產成本不呈正比，因此結合經濟因素，選擇小麥麩皮脫脂反應時間為2 h。

圖2 反應時間對小麥麩皮脫脂的影響

2.2.2 正交試驗

由于提取率實際中受到溶劑、料液比和時間3個因素交叉影響，而以上試驗都是單因素影響，為了全面考查這3個因素的影響，設計四因素三水平正交試驗，選擇3種溶劑、料液比、反應時間為考查因素，選用L9（34）正交表對小麥麩皮脫脂工藝進行研究。

脫脂條件水平設計見表2，正交試驗數據記錄見表3。

表2 脫脂條件水平設計

表3 正交試驗數據記錄

由表3可知，各因素對小麥麩皮脫脂的影響依次為B＞C＞A，正交試驗最優水平組為A2B3C3，即溶劑為乙醇，料液比為1∶4，反應時間為3 h，小麥麩皮的脫脂效果最好，此條件下測得小麥麩皮的脂肪提取率為88.6%。

2.3 蛋白質和淀粉的去除

淀粉與蛋白質的去除，如果采用化學方法會引入更多的化學物質，后期工序難以完全清除該物質，使產品殘留更多的化學成分，影響纖維素的質量。目前，食品生產中常用酶解法除去這2種成分[5]。小麥麩皮中含有的淀粉以支鏈淀粉為主，大概比例是直鏈淀粉20%～25%，支鏈淀粉45%～55%[6]。而直鏈淀粉能溶于水，可以用水洗方法洗脫，而支鏈淀粉則無法用水洗方法去除。因此，在工藝上，以除去支鏈淀粉為主要目的。從化學結構來說，支鏈淀粉中葡萄糖分子之間除以α-1,4-糖苷鍵相連外，還有以α-1,6-糖苷鍵相連的，因此選擇采用α-淀粉酶（糖化酶）進行酶解反應，其性價比最高。α-淀粉酶（糖化酶）要求反應液pH值約為4.0，考慮到工業生產中的可操作性，選擇可以同時使用，且互不干擾的酸性蛋白酶作為去除蛋白質的酶制劑，兩者的反應溫度范圍基本一致，結合生產中設備實際的升溫能耗等因素，選定60℃作為混合使用的溫度，不再單獨對溫度因素進行探討[7]。

2.3.1 淀粉酶質量分數的影響

根據α-淀粉酶（糖化酶）的酶解溫度為60℃，調節pH值至4.0，設置質量分數分別為0.6%，0.8%，1.0%，1.2%，1.4%（W/W），根據說明書要求，酶解時間為30 min，測量樣品的淀粉含量。

α-淀粉酶質量分數與酶解程度關系見圖3。

圖3 α-淀粉酶質量分數與酶解程度關系

由圖3可知，隨著淀粉酶質量分數的增加，小麥麩皮的酶解程度逐漸增高，達到一定的酶解程度后，酶解程度基本保持不變。淀粉酶質量分數1.0%（W/W）時，小麥麩皮淀粉酶解程度最高。

2.3.2 蛋白酶質量分數的影響

蛋白酶的酶解溫度確定為60℃，蛋白酶質量分數為1.0%，1.2%，1.4%，1.6%，1.8%（W/W），根據說明書推薦，酶解時間40 min，測量蛋白質的含量。

蛋白酶質量分數與酶解程度關系見圖4。

圖4 蛋白酶質量分數與酶解程度關系

由圖4可知，隨著蛋白酶質量分數的增加，小麥麩皮的蛋白酶解程度逐漸增加，達到一定程度后不再增加。

2.3.3 淀粉酶和蛋白酶混合反應時間的影響

由以上淀粉酶和蛋白酶最佳的質量分數為酶解質量分數，為了縮短生產時間，工藝上選擇將兩者混合使用，同時酶解淀粉和蛋白質。α-淀粉酶和蛋白酶的質量分數為1.0%（W/W）和1.4%（W/W），60℃下分別酶解20，30，40，50，60 min，測量小麥麩皮膳食纖維含量。

淀粉酶和蛋白酶反應時間與膳食纖維提取率的關系見圖5。

圖5 淀粉酶和蛋白酶反應時間與膳食纖維提取率的關系

由圖3～圖5可知，混合酶反應時間為40 min時，提取率為最高；當反應時間大于40 min時，提取率開始下降。因此，取40 min為宜。由于酶反應具有專一性，效果好壞僅與本身的質量分數有關，因此根據酶本身的性狀特點，決定選取蛋白酶1.4%（W/W），α-淀粉酶1.0%（W/W）質量分數作為最佳生產條件。

2.3.4 生物酶各因素正交試驗

由以上單因素的試驗結果，確定正交試驗各因素的水平情況，對生物酶各因素的綜合影響[8-9]做正交試驗。

因素與水平設計見表4，正交試驗數據記錄結果見表5。

由表5可知，各因素對小麥麩皮除蛋白淀粉的影響依次為A'＞B'＞C'，正交試驗最優水平組為A'3B'3C'4，即蛋白酶質量分數為1.6%（W/W），淀粉酶質量分數為1.2%（W/W），混合酶反應時間為50 min，小麥麩皮的除蛋白淀粉效果最好，在此條件下測得小麥麩皮膳食纖維提取率為80.9%。

3 結論

根據上述試驗可知，最佳提取條件為乙醇，料液比1∶4，反應時間3 h，蛋白酶質量分數1.6%（W/W），淀粉酶質量分數1.2%（W/W），混合酶反應時間50 min，為下一步麥麩皮膳食纖維工業提取工藝提供了指導。

表4 因素與水平設計

表5 正交試驗數據記錄