王 旭 王 鵬 王 娜 肖志剛,2
(1.東北農(nóng)業(yè)大學食品學院,黑龍江 哈爾濱 150030;2.沈陽師范大學糧食學院,遼寧 沈陽 110034)
米糠是稻谷深加工中的副產(chǎn)品[1,2],含有人體必需的氨基酸、多種不飽和脂肪酸、膳食纖維及較好生理功能的活性物質(zhì)[3],對人體健康有很大的好處。然而,米糠口感粗糙、速溶性差等缺點卻制約著米糠的應用。現(xiàn)階段,米糠大多被用作飼料或被遺棄,資源有效利用率及產(chǎn)品附加值極低[4-6]。造成了資源的極大浪費。目前,人們?yōu)榱私鉀Q米糠口感粗糙、速溶性差的缺點,已開展了很多的研究,如擠壓膨化技術(shù)[3]、酶水解法[3]等的應用在一定程度上改善了米糠的口感和溶解性。
擠壓膨化技術(shù)是將物料在擠壓膨化機內(nèi)經(jīng)過高溫高壓處理,瞬間釋放至常溫常壓條件,使物料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化的過程[7-9]。擠壓處理后,米糠的口感得到了改善,也提高了米糠中膳食纖維的含量。但是,米糠溶解性變化不太明顯。而酶水解處理卻能很大程度上改善米糠的溶解性[10,11]。如今,這兩種方法的單獨研究正逐漸增多,但是卻沒有將擠壓和酶解聯(lián)用的研究。
本研究采用雙螺桿擠壓技術(shù)復合酶解技術(shù)對米糠進行處理,以期能改善米糠的口感和較大程度的提升其溶解性,為米糠產(chǎn)品深加工及其綜合利用提供依據(jù)與參考。
1.1.1 材料與試劑
全脂米糠:水分含量10%,蛋白質(zhì)含量15.8%,膳食纖維含量24.7%,黑龍江米糠油廠。
濃硫酸:98%,分析純,國藥集團化學試劑有限公司;
乙醇:95%,分析純,國藥集團化學試劑有限公司;
#-淀粉酶:酶活力3 000~5 000U/g,北京雙旋微生物培養(yǎng)基制品廠。
1.1.2 主要儀器設備
雙螺桿擠壓膨化機:DS56-Ⅲ型,濟南賽信膨化機械有限公司;
電子分析天平:DF110型,中國輕工機械總公司常熟衡器工業(yè)公司;
低速離心機:LD4-2型,安徽中科中佳科學儀器有限公司;
旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀:SYR29-RE-52AA型,上海申生科技有限公司;磁力攪拌器:M304430型,江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠;恒溫水浴鍋:HH·SY11-Ni 4B型,北京長風儀器儀表公司。
1.2.1 提取工藝 經(jīng)預試驗,確定擠壓酶解法生產(chǎn)營養(yǎng)米糠速溶粉的工藝流程:
全脂米糠→擠壓膨化→烘干、過篩(80目)→酶解→滅酶(90℃,10min)→ 冷 卻 (60 ℃)→ 離 心 (2 000r/min,1 5min)→濃縮(40min,70 ℃,真空度0.08MPa)→均質(zhì)(2 0MPa,5 0℃)→噴霧干燥(135 ℃,進風量0.8m3/min,進料量4.0×180mL/h)→米糠速溶粉樣品
1.2.2 米糠速溶粉得率的測定 米糠速溶粉是全脂米糠經(jīng)過擠壓膨化等方法處理后得到的固態(tài)粉末。米糠速溶粉得率反應經(jīng)處理后速溶粉質(zhì)量的變化情況。若米糠速溶粉得率在處理后有所增加,則說明該處理方法改善了米糠的溶解性。米糠速溶粉得率按式(1)計算。
式中:
R——米糠速溶粉得率,%;
m1——米糠速溶粉質(zhì)量,g;
m2——全脂米糠質(zhì)量,g。
1.2.3 擠壓膨化處理條件研究 以機筒溫度、物料含水率、螺桿轉(zhuǎn)速、模頭孔徑為影響因素,以米糠速溶粉得率為指標進行單因素試驗[12]。單因素試驗固定參數(shù)值為:機筒溫度130℃,物料含水量22%,螺桿轉(zhuǎn)速160r/min,模頭孔徑6 mm。4種影響因素每個因素選5組數(shù)值,機筒溫度梯度10,選取110~150℃;物料含水量梯度為5,選取1 2%~32%;螺桿轉(zhuǎn)速梯度20,選取120~200r/min;模頭孔徑梯度2,選取2~10mm。在單因素的基礎上,進行L9(34)正交試驗,確定這4個因素對米糠速溶粉得率的影響的最佳工藝參數(shù)。
1.2.4 α-淀粉酶酶解處理條件研究 將在最佳擠壓參數(shù)條件下獲取的原料進行酶解。酶解溫度、酶解時間、pH、酶用量在分別保持其他因素不變的情況下,采用前步最佳值的條件下進行單因素試驗[13]。在單因素試驗的基礎上,以酶解時間、酶解溫度、酶用量、pH為自變量,米糠速溶粉的得率為響應值進行響應面優(yōu)化試驗。
試驗數(shù)據(jù)采用Design-Expert 8.0、正交試驗設計助手進行分析。
2.1.1 擠壓處理單因素試驗結(jié)果 由圖1可知,當溫度從100℃開始升高時,米糠速溶粉的得率也隨之增加,在1 30℃時達到最大,之后速溶粉得率逐漸降低。由于適當?shù)母邷啬艽龠M熔融、斷裂不溶性的大分子物質(zhì),讓網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的親水基團暴露數(shù)量增多,加快了不溶性纖維裂解為可溶性小分子的速度,增加了其可溶性成分。但是,擠出溫度如果過高就會破壞物料本身的組織及結(jié)構(gòu),同時物料也容易在擠壓機內(nèi)呈現(xiàn)焦糊、結(jié)塊的狀態(tài),從而降低了速溶粉得率。
圖1 擠壓溫度對米糠速溶粉得率的影響Figure 1 Extrusion temperatures on the yield of rice bran instant powder
由圖2可知:米糠速溶粉的得率隨物料含水量增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在物料含水量為22%時達到最大。這是因為擠壓膨化是一個高溫高壓的反應過程[14],因此對物料含水量有較高的要求。適當?shù)暮靠梢源偈估w維素等不溶解成分濕潤及溶解,這樣使纖維素等在外力作用的迫使下打開,而后分子重組[15]。在含水量較低時,米糠速溶粉得率較大,若物料水分含量過低,則會造成擠壓機的堵塞或者焦糊現(xiàn)象。相反,若物料含水量過高,擠出時溫度降低的幅度就會較大,不易控制操作溫度,速溶粉得率較低。
圖2 物料含水量對米糠速溶粉得率的影響Figure 2 Material moisture contents on the yield of rice bran instant powder
由圖3可知:隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加,米糠速溶粉的得率變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當轉(zhuǎn)速為160r/min時達到最大,然后速溶粉得率開始下降。當螺桿轉(zhuǎn)速較低時,物料所受的剪切力較低,物料顆粒分解不完全[16]。當螺桿轉(zhuǎn)速增加,物料與機筒間剪切作用和摩擦增強,能夠加速物料顆粒的糊化;但當螺桿轉(zhuǎn)速較大時,物料在機筒內(nèi)的時間變短,導致物料間的反應不徹底,速溶粉得率下降。
由圖4可知:隨著模頭孔數(shù)的增加,米糠速溶粉得率先增大后減小,在模頭孔數(shù)為6時速溶粉得率最大。隨著孔數(shù)的增加速溶粉得率有所下降,這可能是由于模頭孔數(shù)增加后,物料擠出時的壓強下降,膨化度變小,物料間的反應不充分。與單純水酶法提取米糠速溶粉相比,米糠速溶粉得率有了很大的提高,提取時間也縮短[17],這是因為經(jīng)過擠壓機處理后,米糠在高溫、高壓的條件下受到剪切作用,使米糠中的部分纖維素降解成半纖維素,最終提高了米糠速溶粉的得率。
圖4 模頭孔數(shù)對米糠速溶粉得率的影響Figure 4 Die holes on the yield of rice bran instant powder
2.1.2 擠壓處理正交試驗結(jié)果 在單因素試驗結(jié)果的基礎上,運用正交表L9(34)對影響提取速溶粉的因素:物料含水量、擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、模頭孔數(shù)進行條件優(yōu)化。正交試驗因素和水平見表1,試驗結(jié)果見表2。
由表2可知:影響米糠速溶粉得率的主次順序是A>C>B>D,即擠壓溫度>螺桿轉(zhuǎn)速>物料含水量>模頭孔數(shù)。在表3中,因為因素D摸頭孔數(shù)的極差最小,所以將因素D作為誤差項,從將顯著水平a值定在0.1,方差分析結(jié)果及顯著性見表3。最佳水平因素組合是A2C2B2D1,即擠壓溫度為140℃,螺桿轉(zhuǎn)速為160r/min,物料含水量為22%,模頭孔數(shù)為4。為了獲得更高得率的米糠速溶粉,在此基礎上,進行酶處理進行條件優(yōu)化。
表1 正交試驗因素和水平設計Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment
表2 正交試驗結(jié)果Table 2 Results of orthogonal experiment
表3 正交試驗方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal experiment
2.2.1 酶處理單因素試驗結(jié)果 由圖5可知,隨著加酶量的增加,米糠速溶粉得率逐漸升高,達到1 000U/g后,變化趨勢比較緩慢。這是由于酶水解后,淀粉類物質(zhì)水解生成了單糖及可溶解的多糖,大分子變成小分子,因此速溶粉的得率相應提高[18]。隨著酶用量的增加,酶解不溶性淀粉相對穩(wěn)定,由于底物的量是恒定不變的,繼續(xù)增加酶用量酶解長淀粉鏈,使鏈斷裂成小鏈。但是此時的變化趨勢相對緩慢。因此最適的加酶量為1 000~1 500U/g。
由圖6可知,隨著反應時間的延長,米糠速溶粉的得率逐漸增大,但是當達到90min后增加幅度變緩。這是因為隨著酶解反應的進行,底物濃度減小,反應位點相繼被酶分子飽和;產(chǎn)物的濃度增加,競爭性抑制也變強,酶活性降低。在經(jīng)歷了初始階段積累后的中間復合物逐漸達到穩(wěn)定,并趨于恒定。所以確定最適的酶解時間范圍為60~120min。
圖5 α-淀粉酶用量對米糠速溶粉得率的影響Figure 5 Effects of the amount of a-amylase on the yield of rice bran instant powder
圖6 酶解時間對米糠速溶粉得率的影響Figure 6 Effects of hydrolysis time on the yield of rice bran instant powder
圖7 酶解溫度對米糠速溶粉得率的影響Figure 7 Effects of hydrolysis temperatures on the yield of rice bran instant powder
由圖7可知,隨著溫度的升高,米糠速溶粉的得率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢,當酶解溫度為55℃時,速溶粉得率最大。隨后開始下降,這是因為溫度對酶活性有著很大的影響,溫度過低導致酶促反應減弱,溫度升高加快酶促反應速度,在最適溫度條件下酶的活性最強,此時得到最大的酶促反應速度[19]。但是若超過了最適的溫度,反應的速度反而會下降,甚至使酶變性、失活,因此選擇最適的酶解溫度范圍為50~60℃。
由圖8可知:pH為6~7時隨著pH的增加,米糠速溶粉得率逐漸增加,在pH為7時達到最大值,而高于7時,速溶粉得率開始逐漸下降。這是因為:不同的酶有各自最適的pH作用范圍,在最適范圍內(nèi),酶的催化活性部位可解離的基團能夠得到完全的解離,這樣酶的活性中心與底物就能充分的結(jié)合,從而將底物最大程度的轉(zhuǎn)變?yōu)樗猱a(chǎn)物,最終速溶粉得率升高[20]。pH過高或者過低都可能導致速溶粉得率的下降,因此α-淀粉酶最適pH范圍為6.0~7.5。
圖8 pH對米糠速溶粉得率的影響Figure 8 Effects of pH on the yield of rice bran instant powder
2.2.2 酶處理工藝優(yōu)化試驗 采用響應曲面分析法進行工藝優(yōu)化,試驗設計與數(shù)據(jù)處理采用統(tǒng)計軟件Design-Expert來完成。以米糠速溶粉得率為響應值,選擇α-淀粉酶用量、酶解時間、酶解溫度、底物濃度為影響因素(見表4),響應面試驗方案及結(jié)果見表5。
利用Design-Expert軟件對表5試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合,獲得米糠速溶粉得率對pH、酶用量、酶解時間和酶解溫度的二次多項回歸模型方程為:
采用Design-Expert軟件對米糠速溶粉得率的模型方程進行方差分析,結(jié)果見表6。
表4 因素水平編碼表Table 4 Factor level encoding table
表5 酶處理工藝試驗設計及結(jié)果Table 5 Experimental design and results
由表6可知,方程因變量與自變量之間的線性關系明顯,該模型回歸顯著(P<0.000 1),失擬項不顯著(P>0.05),并且該模型R2= 95.39%,R2Adj= 90.78%,說明該模型與試驗擬合良好,自變量與響應值之間線性關系顯著,可以用于該反應的理論推測。由F檢驗可以得到因子貢獻率為:D>B>C>A,即酶解溫度>酶用量>酶解時間>pH。兩因素交互作用對米糠速溶粉得率影響的響應面圖見圖9。
表6 回歸方程的方差分析結(jié)果Table 6 ANOVA results of regression equation
表6 回歸方程的方差分析結(jié)果Table 6 ANOVA results of regression equation
*.差異顯著(P<0.05);**.差異極顯著(P<0.01)。
方差來源自由度 平方和 均方 F值 P 值 顯著性A 1 2.25 2.25 6.54 0.022 8* B 1 8.55 8.55 24.82 0.000 2 **C 1 2.65 2.65 7.70 0.014 9 *D 1 26.31 26.31 76.39 <0.000 1 **AB 1 1.60 1.60 4.65 0.049 0 *AC 1 0.051 0.051 0.15 0.707 2 AD 1 0.090 0.090 0.26 0.617 2 BC 1 0.090 0.090 0.26 0.617 2 BD 1 0.49 0.49 1.42 0.252 8 CD 1 0.44 0.44 1.28 0.276 2 A2 1 22.21 22.21 64.49 <0.000 1 **B2 1 5.30 5.30 15.40 0.001 5 **C2 1 44.63 44.63 129.56 <0.000 1 **D2 1 3.33 3.33 9.68 0.007 7 **回歸 14 99.76 7.13 20.69 <0.000 1 28 104.58顯著剩余 14 4.82 0.34失擬 10 3.83 0.38 1.55 0.357 5 不顯著總和
通過Design-Expert軟件分析可知,該模型中最佳條件為酶解溫度54.27℃,酶用量1 333.57U/g,酶解時間1 20.27min,pH 6.59。為了驗證模型預測的準確性,在實際操作可行性的前提下,選擇試驗條件為酶解溫度54.3℃,酶用量1 333.6U/g,酶解時間120.3min,pH 6.6進行3次驗證實驗,在該條件下米糠速溶粉的得率的平均值為55.87%與預測值(56.403%)較接近,說明響應值的試驗值與回歸方程預測值吻合良好,可以采用。
本次研究通過單因素以及正交試驗,確定了擠壓膨化法制取米糠速溶粉的最佳擠壓工藝條件為:擠壓溫度1 40℃,螺桿轉(zhuǎn)速160r/min,物料含水量22%,模頭孔數(shù)4。在此基礎上,米糠速溶粉的酶解條件為:酶解溫度54.25℃,酶用量1 333.57U/g,酶解時間120.27min,pH 6.59,最終得到米糠速溶粉得率為55.87%,與未處理相比(得率為30.3%),米糠速溶粉的得率得到了很大的改善。
本研究仍有許多需要進一步研究并解決的問題,如米糠速溶粉的營養(yǎng)流失、綜合利用不夠以及得率仍然較低等,但是能對米糠速溶粉工藝研究的發(fā)展起到一定的推動和引導作用。
圖9 兩因素相互作用對米糠速溶粉得率影響的響應面圖Figure 9 two-factor interactions on the yield of rice bran instant powder affects the response surface chart
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