康麗君,寇 芳,夏甜天,寧冬雪,曹龍奎,2,*

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學,黑龍江大慶 163319;2.國家雜糧工程技術(shù)研究中心,黑龍江大慶 163319)

?

超聲-微波協(xié)同酶法改性小米糠膳食纖維及工藝優(yōu)化

康麗君1,寇 芳1,夏甜天1,寧冬雪1,曹龍奎1,2,*

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學,黑龍江大慶 163319;2.國家雜糧工程技術(shù)研究中心,黑龍江大慶 163319)

為提高小米糠水溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber,SDF)的得率,本實驗以小米糠為材料,對其進行氣爆預處理,利用超聲-微波協(xié)同酶法對氣爆預處理小米糠進行改性,分別研究酶添加量、溫度、pH、微波功率對小米糠SDF含量的影響,根據(jù)單因素實驗結(jié)果設(shè)計Box-Behnken實驗,采用響應面法優(yōu)化改性小米糠SDF的工藝條件。結(jié)果表明:氣爆條件設(shè)定為壓力1.0 MPa、時間90 s,最優(yōu)工藝參數(shù)為酶添加量5.85%,溫度56 ℃,pH4.64,微波功率451 W,在此條件下改性小米糠SDF含量為13.117%,比未經(jīng)改性小米糠SDF含量高出了10.96%。

小米糠,氣爆,超聲-微波協(xié)同酶法,水溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber,SDF),響應面法

谷子為我國北方地區(qū)主要雜糧作物,種植面積達1400千畝,產(chǎn)量為370～450萬t。小米糠為谷子加工過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物,是一種產(chǎn)量較大的可再生利用資源,主要作為動物的飼料,不僅造成了資源的嚴重浪費,而且對環(huán)境造成污染[1]。小米糠中含有50%～60%的膳食纖維,根據(jù)其溶解性不同可分為不溶性膳食纖維(Insoluble dietary fiber,IDF)和水溶性膳食纖維(Soluble dietary fiber,SDF)[2]。IDF包括纖維素、木質(zhì)素和部分半纖維素,纖維素與另外兩種成分之間主要以氫鍵結(jié)合,而半纖維素與木質(zhì)素之間除了氫鍵外還有很強的化學鍵作用,并且木質(zhì)素和半纖維素形成牢固結(jié)合層,包圍著纖維素[3]。SDF包括可溶性半纖維素、葡聚糖、低聚糖和果膠等物質(zhì),較IDF有更重要的生理功能,SDF可以降低血糖和膽固醇含量、防止心血管疾病、控制肥胖等[4-5]。由于小米糠膳食纖維中SDF含量僅為3%～4%,無法達到高品質(zhì)膳食纖維(SDF,10%)的要求,其功能受到一定的限制,同時導致生產(chǎn)成本偏高,大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)難以實現(xiàn),所以采用簡便有效的改性方法使IDF向SDF轉(zhuǎn)化,獲得高含量SDF尤為重要[6]。

國內(nèi)外已報道的膳食纖維改性方法有以酸法、堿法為主的化學方法[7],以酶法、發(fā)酵法為主的生物技術(shù)方法[8-9]及以超微粉碎技術(shù)、擠壓技術(shù)、超高壓技術(shù)為主的物理方法[10-12]。但經(jīng)這些改性方法得到的SDF含量較低且反應時間較長。超聲-微波協(xié)同萃取[13-14]作為一種新的技術(shù)手段,有助于物料中可溶性膳食纖維的溶出。酶法具有作用條件溫和、專一性強、副產(chǎn)物較少、純度高等優(yōu)點[15]。超聲-微波協(xié)同酶法改性作為一種聯(lián)合改性手段,具有反應時間短、改性效果好等特點,將其應用于膳食纖維改性研究中具有重要意義。

本文以小米糠為實驗材料,對其進行氣爆預處理[16-17],采用AOAC法[18]制備高生理活性、適用于保健食品中的優(yōu)質(zhì)SDF。采用超聲-微波協(xié)同酶法對氣爆預處理小米糠膳食纖維進行改性處理,并利用響應面法[19]優(yōu)化改性小米糠SDF的工藝條件。本研究旨在提高小米糠中SDF含量,確定改性小米糠SDF的最優(yōu)工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅谷小米糠 黑龍江省大慶肇州托古小米廠;耐高溫α-淀粉酶、中性蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶 Sigma公司;纖維素酶(30000 U/g)、半纖維素酶(20000 U/g)進口分裝;試劑均為分析純。

QBS-200B型氣爆工藝實驗臺 鶴壁正道生物能源公司;GDE-CSF6 意大利VELP膳食纖維測定儀 北京盈盛恒泰科技有限公司;CW-2000A 超聲-微波協(xié)同萃取/反應儀 上海新拓分析儀器科技有限公司;K-360 瑞士Buchi全自動凱氏定氮儀;AR224CN電子天平 奧豪斯儀器(上海)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 小米糠預處理 稱取500 g小米糠加入到汽爆反應器中進行處理?？紤]處理壓力(0.5～1.5 MPa)、時間(30～90 s)對小米糠水溶性膳食纖維含量的影響,并確定最佳的氣爆條件。小米糠經(jīng)氣爆預處理后,烘干,粉碎,脫脂。

1.2.2 小米糠膳食纖維的制備 稱取1.0 g脫脂小米糠,分別經(jīng)耐高溫α-淀粉酶、中性蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶酶解消化,去除淀粉和蛋白質(zhì),直接過濾,殘渣用熱水洗滌,經(jīng)干燥后稱重,得IDF殘渣;濾液用4倍體積的95%乙醇沉淀、過濾、干燥后稱重,得SDF。

1.2.3 超聲-微波協(xié)同酶法改性小米糠膳食纖維的單因素實驗 分別考察酶添加量(纖維素酶∶半纖維素酶=1∶2)、溫度、pH、微波功率四個因素對改性小米糠SDF含量的影響,每組實驗分別稱取1.0 g氣爆預處理小米糠放在料水比為1∶50(g/mL)的去離子水中,設(shè)置超聲功率50 W,超聲-微波協(xié)同時間為60 min,在酶添加量1.2%、2.4%、3.6%、4.8%、6%、7.2%,溫度35、40、45、50、55、60 ℃,pH4.0、4.2、4.4、4.6、4.8、5.0,微波功率300、350、400、450、500、550 W的條件下進行單因素實驗。不同因素每個水平重復三次。

1.2.4 響應面法優(yōu)化超聲-微波協(xié)同酶法改性小米糠膳食纖維的工藝 在單因素實驗的基礎(chǔ)上,以酶添加量X1、溫度X2、pH X3、微波功率X4為響應因素,改性小米糠SDF含量(Y)為響應值,根據(jù)Box-Behnken實驗設(shè)計原理,采用四因素三水平的響應面分析法,對數(shù)據(jù)進行回歸分析及顯著性檢驗,確定最優(yōu)工藝。每個實驗點重復三次,取平均值。實驗因素水平設(shè)計表如表1。

表1 響應面因素水平編碼表
Table 1 Factors levels and codes

因素水平-101X1酶添加量(%)48672X2溫度(℃)505560X3pH444648X4微波功率(W)400450500

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所得數(shù)據(jù)均為三次重復實驗的平均值,并利用Design-Expert.V8.0.6軟件進行數(shù)據(jù)分析,采用Origin 8.6對實驗數(shù)據(jù)進行圖形處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 小米糠最佳氣爆條件的確定

圖1 不同氣爆條件對小米糠SDF含量的影響Fig.1 Effects of different gas explosion conditions on content of millet bran SDF注:1為0.5 MPa、30 s,2為0.5 MPa、60 s,3為0.5 MPa、90 s,4為1.0 MPa、30 s,5為1.0 MPa、60 s,6為1.0 MPa、90 s,7為1.5 MPa、30 s,6為1.5 MPa、60 s,6為1.5 MPa、90 s。

由圖1可知,當6號實驗的氣爆條件,也就是壓力為1.0 MPa、時間90 s時,小米糠SDF含量達到最高值7.22%。當氣爆壓力為0.5 MPa時,隨著處理時間的延長,小米糠SDF含量變化不大,說明壓力過低氣爆效果不明顯。當氣爆壓力為1.0 MPa時,小米糠SDF含量顯著增加。實驗中發(fā)現(xiàn)氣爆預處理的小米糠呈海綿狀,這可能是由于氣爆處理破壞了小米糠的某些結(jié)構(gòu)組織如等,更利于目的物的溶出[20]。而當壓力高于1.0 MPa時,小米糠變色嚴重并造成了纖維素、半纖維素等物質(zhì)降解嚴重,成為小分子物質(zhì),不能以醇析法醇沉,降低了小米糠SDF的得率。綜上所述,氣爆壓力1.0 MPa、時間90 s為小米糠最佳的氣爆條件。

2.2 超聲-微波協(xié)同酶法改性小米糠膳食纖維的工藝的單因素實驗分析

2.2.1 酶添加量對改性小米糠中SDF含量的影響 如圖2所示。

圖2 酶添加量對改性小米糠SDF含量的影響Fig.2 Effect of enzyme dosage on content of modified millet bran SDF注:不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。

在一定范圍內(nèi),隨著酶添加量的增加,改性小米糠SDF含量隨之增加,當酶添加量為6%時,改性小米糠SDF含量最大為11.94%。酶添加量大于6%時,改性小米糠SDF含量略有較少。其原因是當酶添加量過大時,IDF被降解成低聚糖或單糖,由于分子質(zhì)量較小不能被醇沉,得到改性小米糠SDF含量較少[21]。

2.2.2 溫度對改性小米糠中SDF含量的影響 如圖3所示。

圖3 溫度對改性小米糠SDF含量的影響Fig.3 Effect of temperature on content of modified millet bran SDF注:不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。

在35～55 ℃范圍內(nèi),隨著酶解溫度的上升,改性小米糠SDF含量增加。當酶解溫度為55 ℃時,改性小米糠SDF含量最大為11.92%。當溫度超過55 ℃時,改性小米糠SDF含量較少。因為酶在較低溫度時隨著溫度升高,酶活力加強;當溫度過高時,酶受熱變性因素的影響,反應速度反而隨溫度上升而減慢,酶活力減弱,不利于IDF向SDF轉(zhuǎn)化[22]。

2.2.3 pH對改性小米糠中SDF含量的影響 如圖4所示。

圖4 pH對改性小米糠SDF含量的影響Fig.4 Effect of pH value on content of modified millet bran SDF注:不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。

當反應體系中pH在4.0～5.0范圍,改性小米糠SDF含量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。當pH為4.6時,改性小米糠SDF含量最大為12.07%。當pH大于4.6時,改性小米糠SDF含量逐漸減少。由于酶活力受反應體系中pH的影響,pH通過影響酶活性中心上必需基團的解離程度和催化基團中質(zhì)子所需的離子化狀態(tài),從而影響酶與底物的結(jié)合[23]。在特定的pH條件下,酶與底物互相結(jié)合,并發(fā)生催化作用,在最適的pH條件下,酶促反應速度達最大值。由圖可知pH4.6為最適pH。

2.2.4 微波功率對改性小米糠中SDF含量的影響 如圖5所示。

圖5 微波功率對改性小米糠SDF含量的影響Fig.5 Effect of microwave power on content of modified millet bran SDF注:不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。

在超聲波開啟狀態(tài)下,隨著微波功率的增大,改性小米糠中SDF含量逐漸增加,當微波功率達到450 W,超聲-微波協(xié)同酶法改性小米糠中SDF含量達到最大值為11.89%,說明超聲波的機械振動作用和微波的熱效應結(jié)合起來,有利于SDF與原料分離進入溶劑中[24]。微波通過物料吸收微波能,細胞內(nèi)部溫度迅速上升,小米糠IDF中的纖維素、半纖維素等粗纖維成分被選擇性加熱,IDF就容易水解成低聚寡糖。當微波功率大于450 W,溫度較高,導致酶活力下降,得到的SDF含量隨之減少。

2.3 響應面優(yōu)化超聲-微波協(xié)同改性小米糠膳食纖維工藝的實驗結(jié)果與分析

2.3.1 響應面實驗結(jié)果 結(jié)合單因素實驗,采用Box-Behnken實驗設(shè)計原理,以酶添加量X1、溫度X2、pH X3、微波功率X4為自變量,小米糠中SDF含量為響應值Y,實驗設(shè)計及結(jié)果如表2。利用Design Expert 8.0.6軟件對表2中的數(shù)據(jù)進行分析,得到方差分析的結(jié)果如表3,二次回歸參數(shù)模型數(shù)據(jù)如表4所示。

表2 Box-Behnken實驗設(shè)計方案及結(jié)果
Table 2 Experimental scheme and results of Box-Behnken design

實驗號編碼響應值X1X2X3X4SDF含量(%)1-1-10090221-1009393-11001123411001051500-1-19356001-11086700-119838001111269-100-1102410100-198211-100110861210011029130-1-108541401-101085150-1101045160110116117-10-109621810-1092119-101011122010101063210-10-196522010-11184230-1011012240101112625000013022600001327270000129228000013092900001316

表3 響應面二次模型的方差分析
Table 3 Variance analysis of response surface quadratic model

來源平方和自由度均方F值p值模型4897143508098<00001殘差060140043失擬項05310005330001504誤差007140018和495828R2=09878

由表3可見,整體模型p<0.0001,二次方程模型極顯著,且失擬項p=0.1504>0.05不顯著,說明回歸模型擬合度較好,實驗誤差小。R2=0.9878>90%,相關(guān)性較好,說明此模型能夠反映響應值Y的變化,可用該模型對改性小米糠膳食纖維的工藝進行分析和預測。由表4可見,該模型的一次項X1、X2、X3達到極顯著水平,X4達到顯著水平,所有的二次項對SDF含量的曲面效應極顯著,同時交互項X1X2、X2X3、X2X4也達到顯著水平,表明各因素對SDF含量的影響作用不是簡單的線性關(guān)系。以SDF含量為Y值,以酶添加量(%)、溫度(℃)、pH、微波功率(W)的編碼值為自變量的四元二次回歸方程為:

Y=13.09-0.19X1+0.84X2+0.71X3+0.15X4-0.27X1X2-0.020X1X3-0.038X1X4-0.29X2X3-0.26X2X4-0.020X3X4-1.62X12-1.30X22-1.44X32-1.19X42

并由表4可得出四因素對SDF含量影響大小的順序為:溫度>pH>酶添加量>微波功率。

2.3.2 交互效應分析 在某一因素條件固定不變的情況下,考察交互項對SDF含量的影響,并對模型進行降維分析。所得的響應面圖和等高線圖如圖6～8。

圖6 酶添加量和溫度交互作用對改性小米糠SDF含量影響的響應面圖及等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots showing the interactive effects of enzyme dosage and temperature content of modified millet bran SDF

表4 回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗
Table 4 Regression coefficients and their significance

模型系數(shù)系數(shù)估計自由度標準誤差F值p值顯著性常數(shù)項130910093X1酶添加量-0191006096800077??X2溫度0841006019798<00001??X3-pH0711006014038<00001??X4微波功率0151006066700217?X1X2-027101068800210?X1X3-00201010003708501X1X4-0038101001307236X2X3-029101076500151?X2X4-026101063800242?X3X4-00201010003708501X12-1621008239339<00001??X22-1301008225467<00001??X32-1441008231346<00001??X42-1191008221213<00001??

圖7 溫度和pH交互作用對改性小米糠SDF含量影響的響應面圖及等高線圖Fig.7 Response surface and contour plots showing the interactive effects of temperature and pH value on the content of modified millet bran SDF

圖8 溫度和微波功率交互作用對改性小米糠SDF含量影響的響應面圖及等高線圖Fig.8 Response surface and contour plots showing the interactive effects of temperature and microwave poweron the content of modified millet bran SDF

注:**,影響極顯著,p<0.01;*,影響顯著,p<0.05。

由圖6～圖8的響應面圖可知,改性小米糠SDF含量隨各因素水平的增大先增大后減少。由等高線圖可知,各因素交互作用的等高線呈橢圓形,說明交互作用顯著。

由圖6可知,酶添加量與溫度對SDF含量的交互影響呈拋物線形,等高線呈橢圓形,說明酶添加量與溫度的交互作用對SDF含量影響顯著。當酶添加量為4%～5.8%之間某固定值,溫度為50～56 ℃之間某固定值時,SDF含量隨溫度升高與微波功率的增大而增加;高于此值時,SDF含量減少。由圖7可知,溫度與pH對SDF含量的交互影響呈拋物線形,等高線呈橢圓形,說明溫度與pH的交互作用對SDF含量影響顯著。B等高線密度高于沿C移動的密度,說明B對SDF含量的影響較C顯著。由圖8可知,溫度與微波功率對還SDF含量的交互影響呈拋物線形,等高線呈橢圓形,說明溫度與微波功率的交互作用對SDF含量影響顯著。當溫度為50～56 ℃之間某固定值,微波功率為400～450 W之間某固定值時,SDF含量隨溫度升高與微波功率的增大而增加;高于此值時,SDF含量減少。

2.3.3 最優(yōu)工藝的確定與驗證實驗 通過對模型分析確定最優(yōu)工藝條件為:酶添加量5.83%,溫度56.42 ℃,pH4.64,微波功率450.65 W,在此條件下改性小米糠中SDF含量為13.299%。為了驗證模型分析的準確性,選取酶添加量5.85%,溫度56 ℃,pH4.64,微波功率451 W進行驗證,實驗重復三次取平均值,所得SDF含量為13.117%,與理論值相差0.182%。說明響應面法適用于超聲-微波協(xié)同酶法改性小米糠工藝條件的研究。

表5 不同改性方法對小米糠SDF含量的影響
Table 5 Effect of modified different methods on content of millet bran SDF

改性方法氣爆預處理單一酶法超聲-微波協(xié)同法超聲-微波協(xié)同酶法SDF含量(%)7221105071084113117

2.3.4 幾種改性方法的比較 未改性小米糠SDF含量為2.157%,經(jīng)不同的改性方法處理,小米糠SDF含量均增加。由表4可知,經(jīng)超聲-微波協(xié)同酶法改性,小米糠SDF含量最大為13.117%,說明這種聯(lián)合改性方法最為有效。

3 結(jié)論

采用Box-Behnken實驗設(shè)計,通過響應面分析結(jié)合實際值確定超聲-微波協(xié)同酶法改性小米糠膳食纖維最優(yōu)的工藝條件為酶添加量5.85%,溫度56 ℃,pH4.64,微波功率451 W,在此條件下,改性小米糠SDF含量達到13.117%,比未經(jīng)改性小米糠提高了10.96%。

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Study of the modification of millet bran dietary fiber with the method of ultrasonic-microwave cooperated with enzyme and the optimization of process

KANG Li-jun1,KOU Fang1,XIA Tian-tian1,NING Dong-xue1,CAO Long-kui1,2，*

(1.Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319,China; 2.National Coarse Cereals Engineering Research Center,Daqing 163319,China)

The millet bran was used as the experimental material in this study. In order to increase the yield of the millet bran SDF,the method of ultrasonic-microwave cooperated with enzyme was used to modify the dietary fiber of the millet bran which was pre-processed by the method of steam explosion. The effect of the amount of enzyme,temperature,pH and the power of microwave were investigated separately. Besides,the Box-Behnken experiment was designed based on the result of single factor experiment,the process conditions of the modification of millet bran SDF was optimized by response surface methodology. The steam exploration condition was set as pressure equaled to 1.0 MPa and time equaled to 90 s,the optimal process parameters are set as:enzyme dosage was 5.85%,temperature was 56 ℃,pH value was 4.64 and microwave power was 451 W. Under the condition above,the content of SDF was 13.117% which was 10.96% higher than the unmodified millet bran SDF.

millet bran;steam explosion;ultrasonic-microwave cooperated with enzyme;soluble dietary fiber(Soluble dietary fiber,SDF);response surface methodology

2016-06-01

康麗君(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：糧油食品及副產(chǎn)物加工，E-mail：klj1518668559@163.com。

*通訊作者:曹龍奎(1965-)，男，博士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)，E-mail：caolongkui2013@163.com。

國家星火計劃項目(2013GA670001)。

TS201.1

B

1002-0306(2016)23-0221-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.23.033