曲鵬宇 ，李志江 ，李丹 ，周義 ，張東杰

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，大慶 163319；2.黑龍江省農(nóng)產(chǎn)品加工與質(zhì)量安全重點實驗室）

鮮食水稻是指在乳熟期至蠟熟初期收獲的水稻。乳熟是農(nóng)作物成熟過程的一個階段，谷物經(jīng)灌漿，營養(yǎng)物質(zhì)逐漸積累，乳熟期的谷粒逐漸變硬谷殼呈綠色。蠟熟期，水稻籽粒內(nèi)部成熟到一定程度，籽?；咀冇?，谷殼逐漸發(fā)黃但仍有淺綠色。在整個變化過程中水稻的不同部分是營養(yǎng)成分發(fā)生了巨大的變化[1-2]。黑龍江省作為我國主要的水稻生產(chǎn)基地，種植面積及產(chǎn)量均很豐富[3]，將水稻和一些副產(chǎn)物進行開發(fā)利用，這也為黑龍江省水稻精深加工提供有力依據(jù)。

膳食纖維（Dietary Fiber）作為人類第七種營養(yǎng)素，受到了廣泛的關(guān)注，可有效地提升膳食質(zhì)量，對當(dāng)前飲食結(jié)構(gòu)改善有較好的促進作用。膳食纖維按照其水溶性特點不同，可以分為水溶性膳食纖維（Soluble dietary fiber，SDF）和水不溶性膳食纖維（Insoluble dietary fiber，IDF）兩大類[4-5]。每個類別的成分都有不同的生理功效。不溶部分與水吸收和腸調(diào)節(jié)有關(guān)，而可溶部分與血液中膽固醇有關(guān)[6-7]。國內(nèi)外對于可溶性膳食纖維研究較為廣泛，但是對于鮮食水稻還未涉及，若能將鮮食水稻的加工副產(chǎn)物進行合理利用，將對以后稻米產(chǎn)品新品種開發(fā)和水稻增值利用提供理論和數(shù)據(jù)支撐。目前提取可溶性膳食纖維方法很多，化學(xué)法、酶法、二者結(jié)合法等[8-10]，實驗通過微波-酶結(jié)合方法進行鮮食水稻可溶性膳食纖維提取制備，并通過響應(yīng)面優(yōu)化提取制備工藝[11]，為鮮食水稻水溶性膳食纖維的性質(zhì)測定和產(chǎn)品的開發(fā)提供有利的參考價值和實驗依據(jù)，拓展水稻深加工和營養(yǎng)利用前景。

1 材料與方法

1.1 試驗試劑與材料

鮮食水稻的莖，黑龍江省鶴崗市蘿北明山農(nóng)場提供的龍粳31號。

鹽酸、氫氧化鈉、石油醚，95%乙醇（分析純），遼寧泉瑞試劑有限公司；熱高溫α-淀粉酶液10 000 U·mL-1、蛋白酶液300～400 U·mL-1、淀粉葡萄糖苷酶溶液2 000～3 300 U·mL-1，上海源葉生物科技有限公司。蒸餾水，實驗室超純水系統(tǒng)自制。

1.2 試驗儀器

GDE-CSF型意大利VELP膳食纖維測定儀，北京盈盛恒泰科技有限公司；TGL16B型臺式離心機，上海安亭科學(xué)儀器廠制造；RE-2000A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠；精密增力電動攪拌器，金壇市科興儀器廠；高速多功能攪碎機，永康市速鋒工貿(mào)有限公司；電子天平，奧豪斯儀器有限公司；超純水系統(tǒng)，蘇州江東精密儀器有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋，金壇市科興儀器廠；DGG-9023A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海森信實驗儀器有限公司；電磁爐，廣州美的生活電器制造有限公司；P70D20TP-C6微波爐，佛山市順德區(qū)格蘭仕微波爐電器有限公司；實驗室pH計FE20，梅特勒-托利多儀器有限公司等。

1.3 試驗方法

1.3.1 水稻莖水溶性膳食纖維提取工藝

試驗流程

乳熟中期水稻莖→脫脂→粉碎→浸泡→加酶水解→滅酶→微波處理→沉淀、抽濾→濃縮→醇沉→離心→沉淀烘干。

1.3.2 操作要點

稱取1.0 g的乳熟中期水稻莖樣品，按照1∶30的料液比加入30 mL的蒸餾水，用玻璃棒攪拌至均勻調(diào)節(jié)其pH=6.0，加入0.2%的耐高溫α-淀粉酶，置于GDE中在97℃下進行水浴培養(yǎng)，時間為20 min，將水浴好的樣品進行靜置放涼，之后調(diào)節(jié)pH=7.0加入0.2%（50 mg溶于1 mL蒸餾水中）的中性蛋白酶，在60℃下進行水浴，時間為30 min，放涼調(diào)節(jié)pH=4.5加入0.2%淀粉葡萄糖苷酶，同樣在60℃水浴30 min。將酶解好的樣品進行滅酶處理，將反應(yīng)物轉(zhuǎn)移至過濾裝置中，濾液經(jīng)濃縮后用4倍體積的95%進行醇沉24 h，離心，干燥得到水溶性膳食纖維。

1.3.3 微波處理

將脫脂粉碎好的水稻莖取1.0 g，按照1∶30的料液比加入30 mL的蒸餾水放入微波中進行微波處理，步驟同1.3.2。

1.4 單因素試驗設(shè)計

參照近幾年學(xué)者文獻選擇不同物料比、耐高溫α-淀粉酶用量、耐高溫α-淀粉酶酶解時間、微波功率為因素，測定各因素對提取莖水溶性膳食纖維的影響。試驗涉及熱高溫α-淀粉酶、蛋白酶和淀粉葡萄糖苷酶，高溫α-淀粉酶在文獻中多次被選擇，并且在前期預(yù)試驗中發(fā)現(xiàn)蛋白酶和淀粉葡萄糖苷酶添加量沒有顯著性變化，蛋白酶和淀粉葡萄糖苷酶選擇的添加量為0.2%。

1.4.1 物料比對提取SDF的影響

根據(jù)1.3.2的操作步驟，稱取1.0 g的乳熟中期水稻莖，設(shè)置微波在450 W，淀粉酶酶解時間為20 min，淀粉酶添加量為0.2%等條件一定的情況下選擇料液比分別為 1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35 g·mL-1。

1.4.2 酶添加量對提取膳食纖維的影響

同1.4.1一致在其他條件一定下，耐高溫α-淀粉酶添加量分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。

1.4.3 酶解時間對提取SDF的影響

同1.4.1一致在其他條件一定下，耐高溫α-淀粉酶的酶解時間分別為 10、20、30、40、50 min。

1.4.4 微波功率對提取膳食纖維的影響

同1.4.1一致在其他條件一定下，稱取1.0 g的水稻莖樣品，按照1∶30的料液比加入30 mL的蒸餾水，放入微波中在進行微波處理20 min。微波功率分別為 350、400、450、500、550 W 進行試驗。

1.5 響應(yīng)面試驗

以單因素試驗結(jié)果為依據(jù)，選取α-淀粉酶添加量（A），酶解時間（B），微波功率（C）為因素對乳熟中期水稻莖水溶性膳食纖維進行提取工藝優(yōu)化的研究。根據(jù)Box-Behnken試驗設(shè)計原理，采用三因素三水平的響應(yīng)面分析，每組試驗重復(fù)3次，通過顯著性檢驗和回歸分析得到最佳提取工藝參數(shù)，試驗因素水平設(shè)計表如表1。

表1 響應(yīng)面實驗設(shè)計Table 1 Response surface experiment design

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 不同料液比對水溶性膳食纖維提取率的影響

圖1 物料比對SDF提取率的影響Fig.1 Effect of material ratio on SDF extraction rate

圖1 為當(dāng)其他條件一定時，隨著料液比的增加，水稻莖的SDF提取率曲線是先增加后平緩下降的，在料液比為1∶25時水稻的 SDF得率平均率為11.1%，之后的曲線較為平緩，原因可能是隨著料液比的增加物料與水的接觸面積增加[12]，水稻的SDF可以與溶劑充分結(jié)合使得溶解效果變好，得到的SDF提取率最大，但是當(dāng)料液比過大時SDF的提取率卻下降了，原因可能過大量的溶劑使水溶性纖維素遭到破壞因此選擇1∶25為宜。

2.1.2 不同α-淀粉酶用量對水溶性膳食纖維提取率的影響

圖2為隨著α-淀粉酶用量的增加，SDF的提取率呈先上升后呈平緩下降的趨勢，當(dāng)α-淀粉酶用量為0.3%時，SDF得率最大值為11.0%，是因為酶用量不足時淀粉水解不完全，用量過高時膳食纖維中容易水解出半纖維素等活性物質(zhì)[13]，造成SDF提取率的下降。

圖2 α-淀粉酶添加量對SDF提取率的影響Fig.2 Effect of α-amylase addition on SDF extraction

2.1.3 α-淀粉酶酶解時間對提取膳食纖維的影響

圖3 酶解時間對SDF提取率影響Fig.3 Effect of enzymolysis time on SDF extraction rate

圖3 試驗結(jié)果可知，隨著酶解時間的延長，膳食纖維的提取率先增加后下降，當(dāng)酶解時間為30 min時，SDF的提取率達到最大值為10.9%，當(dāng)酶解時間超過30 min后，得率逐漸下降。前期因為酶解時間不足造成反應(yīng)不充分，部分的膳食纖維沒有提取出來，而后期時間過長嚴(yán)重破壞膳食纖維細(xì)胞，可能使得其他活性物質(zhì)也出來，因此酶解時間以30 min為宜。

2.1.4微波功率對提取膳食纖維的影響

圖4 微波功率對SDF提取率的影響Fig.4 Effect of microwave power on SDF

根據(jù)試驗結(jié)果可知，隨著微波功率的增加，水稻中SDF的提取率先增加后下降，當(dāng)微波功率為450 W時，SDF的得率達到最大值為10.4%，微波的原理即為可以通過熱效應(yīng)來加快水稻莖中纖維素的降解，也可以將一些不溶性的膳食纖維進行轉(zhuǎn)化，使得提取率大大增加提取率。當(dāng)微波功率超過450 W后，提取率逐漸下降?？赡苁且驗槲⒉üβ矢邷囟壬咂茐暮退厩o中SDF結(jié)構(gòu)[14-15]，使得其中一部分SDF分解為小分子物質(zhì)[16]，提取率降低。因此選擇450 W最為適宜。

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析

2.2.1 響應(yīng)面實驗結(jié)果及回歸方程方差分析

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，以α-淀粉酶添加量（A），酶解時間（B），微波功率（C）為變量，提取率為因變量，利用Design Expert 8.0.6軟件對表2中的數(shù)據(jù)進行分析，得到方差分析表如表3所示。

對表2的數(shù)據(jù)進行擬合，得到二次回歸方程為：

Y=+11.74-0.087*A+0.15*B+0.39*C+0.000*A*B+0.18*A*C-0.10*B*C-0.26*A2-0.23*B2-0.56*C2

由表3可知，回歸模型極顯著（P=0.000 1＜0.01），其相關(guān)系數(shù)系數(shù)R2=0.996 0，校正判定系數(shù)R2Adj=0.990 8，說明模型擬合程度好。失擬項不顯著（P=0.839 5＞0.05），說明試驗誤差較小，認(rèn)為擬合方程比較好，其次從表可以看出模型A、B、C、AC和所有二次項都是極顯著的BC項為顯著，AB項為不顯著。根據(jù)因素水平可以得到影響水稻SDF提取因素主次順序即：A＞B＞C。

表3 回歸方程方差分析表Table 3 Regression equation variance analysis table

2.2.2 響應(yīng)面圖

由圖5可知，液料比（A）和微波功率（C）與之間的交互作用十分明顯，其相應(yīng)曲面陡峭，且等高線接近橢圓形。隨著微波功率增加和液料比的增加，水稻莖中SDF溶出和擴散量也逐漸增加，在接近中心點時達到峰值。

圖5 AC因素對SDF提取率響應(yīng)面圖Fig 5 AC factor response to SDF extraction rate

由圖6可知，微波功率（C）和酶解時間（B）響應(yīng)曲面為陡峭，等高線呈橢圓形密集排列，表明其交互作用十分顯著。即適當(dāng)增大微波功率與酶解溫度，有利于水稻SDF的充分溶出，加速提取進程，但微波功率及酶解時間過高，則會導(dǎo)致SDF結(jié)構(gòu)破壞，得率逐漸下降。

2.2.3 驗證試驗

通過DesignExpert優(yōu)化響應(yīng)面分析，水稻莖中SDF提取最佳工藝參數(shù)是：物料比為1∶30，淀粉酶酶解時間為32 min，微波功率474 W。水稻莖SDF得率理論值為11.55%。為保證實驗的可行性，將具體的工藝參數(shù)調(diào)整為微波功率470 W，酶解時間32 min物料比1∶30，并進行三次重復(fù)試驗，最終得到的鮮食水稻莖SDF得率約為11.26%，與理論值較為接近一致。因此，此響應(yīng)面模型對水稻莖中SDF提取得率準(zhǔn)確可靠，具有參考價值。

圖6 BC兩因素對SDF提取率響應(yīng)面圖Fig.6 BC factor response to SDF extraction rate

3 討論

實驗采用微波輔助酶法提取水稻莖中的水溶性膳食纖維，在文獻中可以了解到提取水溶性膳食纖維多數(shù)采用化學(xué)法或者酶法，化學(xué)法提取率很低。用堿法以及酸法所提取制得的膳食纖維色澤較差純度不高，讓膳食纖維活性遭到破壞，還會因為大量污水而對環(huán)境造成嚴(yán)重污染[17]。酶法能夠明顯降低膳食纖維的損失和對環(huán)境破壞，也能明顯提高產(chǎn)品的提取率和產(chǎn)品質(zhì)量，但是提取過程所花費的費用和時間較高[18-19]。通過實驗也可以發(fā)現(xiàn)物理與酶結(jié)合的方法對提取率的影響很大。陳磊等[20]采用酶法從豆渣中提取SDF，最佳的工藝參數(shù)為粉碎目數(shù)60、料水比為1∶15、加入0.7%纖維素酶、提取時間為90 min、提取溫度為50℃，pH=5，得到的提取率為8.05%。宋榮珍等[21]從生姜中提取SDF及IDF，采用的方法為物理與酶結(jié)合的方法SDF提取率高達28%，可以知道生姜中水溶性膳食纖維要比水稻莖中高很多。

4 結(jié)論

在單因素結(jié)果中，隨著物料比的增加水稻SDF的提取率曲線先增加后平緩下降，在料液比為1∶25時水稻莖的SDF提取率最大為11.1%。當(dāng)α-淀粉酶用量為0.3%時，SDF的提取率最大為11.0%。當(dāng)酶解時間為30 min時，SDF的提取率最大為10.9%。當(dāng)功率為450 W時，SDF的提取率最大為10.4%。通過響應(yīng)面優(yōu)化分析得到最佳的提取工藝參數(shù)，參數(shù)為：物料比為 1∶30，酶解時間 32 min，微波功率 470 W，最終得到的鮮食水稻SDF得率約為11.26%，與理論值11.55%相接近。從單因素和響應(yīng)面分析選擇的因素用量過高或者過低都會影響提取率的變化，過低水稻莖中的SDF溶出不完全，過高可能破壞水稻莖中的膳食纖維結(jié)構(gòu)，使得其中物質(zhì)分解成小分子物質(zhì)，無法醇沉得到。

試驗采用微波輔助酶法提取乳熟中期水稻水溶性膳食纖維，與之前單純的化學(xué)法或者酶法相比此方法簡單準(zhǔn)確提取率較高并且無污染，方法可以在以后的提取試驗中所采納。試驗團隊以鮮食水稻為樣品對水稻在不同成熟時期進行各種成分提取與檢測，試驗提取水稻中水溶性膳食纖維，也是為以后的檢測及分析不同時期水溶性膳食纖維奠定了堅實基礎(chǔ)。水稻中水溶性膳食纖維到底有何功能性價值將在以后的試驗中逐一探討。工藝為以后黑龍江省水稻副產(chǎn)物的開發(fā)利用及新型水稻水溶性膳食纖維的產(chǎn)品開發(fā)提供有利的參考價值和實驗依據(jù)。