薏仁米糠膳食纖維酶法制備工藝優化及品質研究

林廷龍鄒 蘭潘曉威劉元靖

(1. 中國熱帶農業科學院農產品加工研究所,廣東 湛江 524001;2. 黔西南州檢驗檢測中心,貴州 興義 562400)

膳食纖維是一類天然植物提取的有機化合物,不能被人體小腸消化,但能被大腸菌群完全或部分發酵。由于其能夠改善人體營養情況并調節機體功能,因此被視為“第七類營養素”[1]。膳食纖維又分為水溶性膳食纖維(SDF)和不溶性膳食纖維(IDF)[2]。SDF不被人體消化,但可溶于溫水或熱水,主要成分為微生物多糖和合成類多糖;IDF不被人體消化且不能溶于溫水或熱水,主要成分為纖維素、半纖維素和木質素等。膳食纖維可以促進消化,降低血液中的膽固醇和血糖含量,從而改善健康[3-4]。目前,膳食纖維已被作為添加劑應用于魚糜制品、肉制品、焙烤制品、面條、饅頭、飲料和乳制品中[5-6]。在食品加工中添加一定量的膳食纖維,不僅可以提高食品的口感和風味,還增加了其保健功能,如乳制品中添加的膳食纖維可以幫助腸道保持緊湊,防止便秘、降低膽固醇,并有助于調節血脂[7]、血糖,進而促進減肥。

薏仁米糠是薏仁米在加工過程中產生的副產品,其中富含的油脂類物質和膳食纖維,是一種極具開發潛力、有高附加值的資源。目前,有關米糠類的研究還僅限于水稻等農作物[8-10],對薏仁米糠中膳食纖維的提取研究尚未見報道,僅有部分研究人員利用薏仁米糠來提取米糠油和蛋白質[11-13]。而薏仁米糠主要用作牲畜的飼料,甚至被當作廢棄物丟掉或燒掉,利用價值極低。試驗擬對薏仁米糠膳食纖維的提取工藝和特性進行研究,旨在為薏仁米糠的產品開發提供依據,并提高薏仁米糠的社會經濟效益。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

薏仁米糠:貴州興仁聚豐薏苡股份公司;

鹽酸、氫氧化鈉和乙醇:分析純,重慶川東化工(集團)有限公司;

高溫淀粉酶、堿性蛋白酶:上海如吉生物科技發展有限公司;

膳食纖維測定試劑盒:愛爾蘭Megazyme公司。

1.2 儀器與設備

數顯恒溫振蕩器:SHA-CA型,上海梅香儀器有限公司;

高速粉碎機:XS-10型,上海兆申科技有限公司;

pH計:DDS-307A型,上海盛磁儀器有限公司;

電熱恒溫水浴鍋:DK-98-Ⅱ型,天津泰斯特儀器有限公司;

電熱鼓風干燥箱:101-2AB型,天津泰斯特儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 薏仁米糠預處理 將薏仁米糠浸入超純水中清洗10 min,以去除雜質,于60 ℃熱空氣中烘干,粉碎備用。

1.3.2 薏仁米糠膳食纖維的制備 將4 g樣品與超純水按一定比例混合,加入沸水浴中糊化15 min,50 ℃超聲處理30 min,放冷后調整pH至5.5,加入淀粉酶,95 ℃振搖60 min,調節pH至10.0,添加堿性蛋白酶,60 ℃振搖120 min,抽濾,將殘渣加入預熱到60 ℃的4倍體積的95%乙醇中,60 ℃水浴60 min,取出,抽濾,60 ℃烘干,得薏仁米糠膳食纖維。

1.3.3 單因素試驗

(1) 料液比:固定淀粉酶添加量150 U/g,堿性蛋白酶添加量150 U/g,考察料液比(m薏仁米糠∶V水)[1∶5,1∶10,1∶15,1∶20,1∶25 (g/mL)]對薏仁米糠膳食纖維提取率的影響。

(2) 淀粉酶添加量:固定料液比(m薏仁米糠∶V水)1∶15 (g/mL),堿性蛋白酶添加量150 U/g,考察淀粉酶添加量(50,100,150,200,250 U/g)對薏仁米糠膳食纖維提取率的影響。

(3) 堿性蛋白酶添加量:固定料液比(m薏仁米糠∶V水)1∶15 (g/mL),淀粉酶添加量150 U/g,考察堿性蛋白酶添加量(50,100,150,200,250 U/g)對薏仁米糠膳食纖維提取率的影響。

1.3.4 正交優化試驗 以料液比、淀粉酶添加量和堿性蛋白酶添加量為因素,以膳食纖維提取率為考察指標,采用正交試驗進行薏仁米糠膳食纖維制備工藝優化。

1.3.5 膳食纖維提取率計算 按式(1)進行計算。

(1)

式中:

R——薏仁米糠膳食纖維提取率,%;

m1——薏仁米糠膳食纖維干燥后質量,g;

m2——處理前薏仁米糠質量,g。

1.4 薏仁米糠及膳食纖維的化學組成分析

1.4.1 水分含量 參照GB 5009.3—2016。

1.4.2 蛋白質含量 參照GB 5009.5—2016。

1.4.3 脂肪含量 參照GB 5009.6—2016。

1.4.4 灰分含量 參照GB 5009.4—2016。

1.4.5 淀粉含量 參照 GB 5009.9—2016。

1.4.6 總膳食纖維、可溶性膳食纖維及不溶性膳食纖維含量 參照GB 5009.88—2014。

1.5 薏仁米糠膳食纖維的物化特性分析

1.5.1 膨脹力 根據文獻[14],按式(2)計算膨脹力。

(2)

式中:

SC——膨脹力,mL/g;

V1——吸水膨脹后膳食纖維粉的體積,mL;

V0——吸水膨脹前膳食纖維粉的體積,mL;

W0——吸水膨脹前膳食纖維粉的質量,g。

1.5.2 持水力 根據文獻[15-16],按式(3)計算持水力。

(3)

式中:

WHC——持水力,g/g;

mf——膳食纖維吸水后的濕重,g;

md——膳食纖維吸水后烘干的干重,g。

1.5.3 持油力 根據文獻[17-18],按式(4)計算持油力。

(4)

式中:

OHC——持油力,g/g;

mr——吸油飽和后膳食纖維粉的質量,g;

md——吸油前膳食纖維粉的質量,g。

1.6 統計分析

所有試驗重復3次,采用SAS 9.0軟件進行方差分析,以P<0.1為顯著性檢驗水平。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 料液比 由圖1可知,當料液比(m薏仁米糠∶V水)為1∶10 (g/mL)時,膳食纖維提取率最低,當料液比(m薏仁米糠∶V水)為1∶15 (g/mL)時,膳食纖維提取率達到最高;當料液比(m薏仁米糠∶V水)>1∶15 (g/mL)時,隨著料液比的增加,膳食纖維提取率逐漸降低。這可能是因為料液比(m薏仁米糠∶V水)為1∶5～1∶10 (g/mL)時,反應體系比較黏稠,酶解反應不充分,而在料液比(m薏仁米糠∶V水)為1∶15～1∶25 (g/mL)時,由于底物含量較低,導致酶與底物接觸不充分,使提取率降低[19]。

圖1 料液比對糠膳食纖維提取率的影響

2.1.2 淀粉酶添加量 由圖2 可知,隨著淀粉酶添加量的增加,膳食纖維提取率先降低后升高再降低,當淀粉酶添加量為150 U/g時,薏仁米糠膳食纖維提取率達到最高,可能是因為淀粉酶添加量<150 U/g時,體系反應不充分,膳食纖維提取率下降;當淀粉酶添加量>150 U/g時,體系中酶過量,使體系中的大分子被降解為小分子在后續工藝中被除去[20]。

圖2 淀粉酶添加量對膳食纖維提取率的影響

2.1.3 堿性蛋白酶添加量 由圖3可知,當堿性蛋白酶添加量為200 U/g時,薏仁米糠膳食纖維提取率達到最高。

圖3 堿性蛋白酶添加量對膳食纖維提取率的影響

2.2 正交優化試驗

在單因素試驗基礎上,選擇料液比、淀粉酶添加量和堿性蛋白酶添加量為影響因素,以膳食纖維提取率為指標,采用三因素三水平正交試驗優化薏仁米糠膳食纖維酶法提取工藝,試驗因素水平見表1,試驗設計及結果見表2。

表1 正交試驗因素水平

表2 正交試驗結果

由表2可知,影響薏仁米糠膳食提取纖維的各因素影響程度依次為淀粉酶添加量>堿性蛋白酶添加量>料液比,酶法制備薏仁米糠膳食纖維的最佳提取工藝為A3B1C1,即料液比為1∶15 (g/mL),淀粉酶添加量為100 U/g,堿性蛋白酶添加量為100 U/g。而在試驗中得到最優組為試驗1。因此,在此基礎上進行驗證實驗,得出最佳提取條件為A1B1C1,即料液比為1∶10 (g/mL),淀粉酶添加量為100 U/g,堿性蛋白酶添加量為100 U/g,此時,薏仁米糠膳食纖維提取率為84.39%,該提取率顯著高于朱任威等[21]的。

2.3 薏仁米糠及膳食纖維的組成成分

由表3可知,薏仁米糠及其膳食纖維中均不含可溶性膳食纖維。薏仁米糠中不溶性膳食纖維含量為51.52%;酶法制備的膳食纖維中不溶性膳食纖維含量為64.49%;與薏仁米糠相比,脂肪、淀粉和蛋白質含量均有較大幅度下降,且與原料中不溶性膳食纖維相比也有較大幅度提高。

表3 薏仁米糠及其膳食纖維主要成分含量

2.3 膳食纖維的物化特性

膳食纖維的膨脹力、保水力及吸油力的強弱是衡量膳食纖維品質好壞的指標[22]。由表4可知,溫度對薏仁米糠膳食纖維的物化特性有一定影響。同等條件下,隨著溫度的升高,膳食纖維的膨脹力、持水力和持油力增大。

表4 膳食纖維的物化特性

3 結論

研究利用酶提取法探討了料液比、淀粉酶添加量和堿性蛋白酶添加量對薏仁米糠膳食纖維提取率的影響。結果表明,薏仁米糠膳食纖維酶法提取的最佳工藝條件為料液比(m薏仁米糠∶V水)1∶10 (g/mL),淀粉酶添加量100 U/g,堿性蛋白酶添加量100 U/g時,此時膳食纖維提取率為84.39%。與薏仁米糠相比,薏仁米糠膳食纖維的不溶性膳食纖維含量明顯提高,達到64.49%;水分、脂肪、淀粉和蛋白質含量大幅下降。溫度較高(37 ℃)時,薏仁米糠膳食纖維的膨脹力、持水力和持油力相應增大,分別為3.12 mL/g、4.02 g/g、4.29 g/g。后續將繼續研究薏仁米糠膳食纖維的功能特性和結構特性,并積極探索其作為添加劑應用于食品中的可能性,加強對薏仁米糠膳食纖維產品的開發,提高其經濟效益。