RSM法研究麥糟不溶性膳食纖維的淀粉酶水解工藝

肖連冬 李慧星 臧 晉 許 彬

(南陽理工學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，南陽 473004)

RSM法研究麥糟不溶性膳食纖維的淀粉酶水解工藝

肖連冬 李慧星 臧 晉 許 彬

(南陽理工學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院，南陽 473004)

試驗(yàn)優(yōu)化麥糟不溶性膳食纖維的淀粉酶水解工藝條件，考察因素對(duì)不溶性膳食纖維得率和不溶性膳食纖維中淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。采用響應(yīng)曲面(RSM)法分析因素的顯著性，建立數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化工藝條件。建立了淀粉酶水解模型，模型高度顯著且有效，可用于分析和預(yù)測(cè)淀粉酶水解過程。優(yōu)化得到的最佳工藝條件為加酶量0.06 g，水解溫度65℃，時(shí)間60 min，在該條件下，制備得到不溶性膳食纖維得率為28.8%，不溶性膳食纖維中淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.41%。

不溶性膳食纖維 淀粉酶 麥糟 響應(yīng)曲面法

膳食纖維具有促進(jìn)腸道蠕動(dòng)，腸道益生菌生長(zhǎng)繁殖和吸收毒素等特性，可作為預(yù)防和緩解冠心病、高血壓、結(jié)腸炎等疾病的功能性食品，分為可溶性膳食纖維(SDF)和不溶性膳食纖維(IDF)兩類［1－3］。麥糟占啤酒工業(yè)副產(chǎn)物的80%以上，是一種可以提取并被人體所利用的良好膳食纖維來源［4－5］。目前，酶堿法是麥糟IDF的主要制備方法，通過脫脂、酶堿和堿溶等步驟去除IDF中的脂肪、淀粉和蛋白質(zhì)，提高IDF的純度，增強(qiáng)其持水性、溶脹性等功能特性［6－7］。王金華等［7］研究了麥糟中IDF的提取和化學(xué)組成，結(jié)果表明通過酶解，可提取29.5%的IDF，其主要成分為纖維素和幾丁質(zhì)等，組成單糖為葡萄糖、木糖和阿拉伯糖等，但系統(tǒng)研究淀粉酶水解過程中各因素對(duì)IDF得率和IDF中淀粉含量的影響尚未見報(bào)道。

本試驗(yàn)利用酶堿法制備麥糟IDF，研究淀粉酶水解過程中各因素對(duì)IDF得率和IDF淀粉含量的影響，基于響應(yīng)曲面法［8］，通過Box－Behnken試驗(yàn)方案考察因素的交互作用和顯著性、建立數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化淀粉酶水解工藝條件，以期降低麥糟IDF中淀粉含量，為制備優(yōu)質(zhì)IDF提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

DHG－9146A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;TDL－4013臺(tái)式離心機(jī):上海安亭科學(xué)儀器廠;HHS21－4電熱恒溫水浴鍋:上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠;FW－100高速萬能粉碎機(jī):北京中興偉業(yè)儀器有限公司;JA1003電子天平:上海良平儀器儀表有限公司。

麥糟(膳食纖維60.8%，粗蛋白21.8%，粗脂肪7.8%，淀粉3.0%，灰分3.0%):南陽天冠啤酒有限公司;α－淀粉酶(pH 6.0～8.0，溫度30～80℃，酶活力4000 u/g):北京奧博星生物技術(shù)有限公司;脂肪酶(pH 6.5～10.5，溫度15～40℃，酶活力10 000 u/g)、南寧東恒華道生物科技有限責(zé)任公司;堿性蛋白酶(pH 6.0～9.5，溫度30～50℃，酶活力100 000 u/g):南寧東恒華道生物科技有限責(zé)任公司;葡萄糖、酒石酸鉀鈉、硫酸銅、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、硫酸銨、次甲基藍(lán)、甲基紅等試劑均為分析純。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 酶堿法制備麥糟IDF的工藝流程

以麥糟為原料，采用酶堿法制備不溶性膳食纖維(IDF)。工藝流程如下:稱取麥糟10 g，粉碎過60目篩，按固液比1∶10，脂肪酶酶解脫脂(參數(shù):加酶量0.7 g，溫度37℃，時(shí)間6 h)，離心(4 000 r/min，10 min)，沉淀物通過淀粉酶水解去除淀粉，離心，沉淀物加入堿性蛋白酶水解蛋白(參數(shù):加酶量0.08 g，pH 8.0，45℃，3 h)，離心，沉淀物加入NaOH溶液堿溶進(jìn)一步除去雜質(zhì)(參數(shù):1 mol/L，50℃，45 min)，離心，沉淀物用1 mol/L鹽酸中和，水洗后干燥至恒重。測(cè)定IDF中淀粉含量［9］。

1.2.2 淀粉酶水解單因子試驗(yàn)

以IDF中淀粉含量和IDF得率(式1)為指標(biāo)，通過單因子試驗(yàn)考察淀粉酶水解過程中的主要影響因素:水解溫度、時(shí)間和加酶量。每次試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

1.2.3 淀粉酶水解工藝優(yōu)化的方案設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以IDF中淀粉含量為指標(biāo)，設(shè)計(jì)Box－Behnken試驗(yàn)方案優(yōu)化淀粉酶水解工藝條件，考察因素的交互作用及顯著性，建立數(shù)學(xué)模型。設(shè)變量X1、X2、X3分別代表加酶量、水解溫度和時(shí)間，試驗(yàn)因素水平及編碼見表1。

表1 試驗(yàn)因素水平及編碼

2 結(jié)果與分析

2.1 單因子試驗(yàn)

2.1.1 加酶量對(duì)IDF淀粉含量和IDF得率的影響

在水解時(shí)間40 min、溫度65℃的條件下，圖1表明了加酶量對(duì)IDF中淀粉含量和IDF得率的影響。隨著加酶量的提高，IDF中的淀粉含量逐漸減少，這是由于提高酶量，有更多的酶活性位點(diǎn)催化淀粉水解。當(dāng)酶量大于0.04 g時(shí)，酶量逐漸趨于飽和，繼續(xù)提高酶量，淀粉含量下降趨緩。從IDF得率方面看，隨著酶量的提高，IDF的得率逐漸降低，但降低幅度較小，IDF的最小得率比最大得率減小1.3%。

圖1 加酶量對(duì)IDF淀粉含量和得率的影響

2.1.2 水解時(shí)間對(duì)IDF淀粉含量和IDF得率的影響

當(dāng)加酶量為0.04 g，水解溫度65℃的條件下，水解時(shí)間對(duì)IDF的淀粉含量和IDF得率的影響見圖2。隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng)，酶活性位點(diǎn)與淀粉能充分接觸并進(jìn)行酶促反應(yīng)，從圖2中可以看出，在20～40 min內(nèi)，IDF的淀粉含量隨著水解時(shí)間延長(zhǎng)顯著降低，繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，由于酶活性和底物濃度的降低，淀粉含量下降逐漸趨于平緩。從IDF得率方面看，IDF得率隨著水解時(shí)間延長(zhǎng)，變化曲線較為平坦，下降不明顯。

圖2 水解時(shí)間對(duì)IDF淀粉含量和得率的影響

2.1.3 水解溫度對(duì)IDF淀粉含量和IDF得率的影響

提高溫度，可以加速分子熱運(yùn)動(dòng)，使底物與酶活性中心的充分接觸，促進(jìn)酶促反應(yīng)，但過高溫度易造成酶的失活。圖3為水解溫度對(duì)IDF淀粉含量和IDF得率的影響?？梢钥闯?，在加酶量0.04 g，水解40 min的條件下，當(dāng)溫度為65℃，IDF淀粉含量達(dá)最小，繼續(xù)提高溫度，熱變性引起酶活性降低，淀粉酶水解淀粉能力下降，IDF中淀粉含量反而提高。從圖3可以看出IDF得率隨著溫度的上升而降低，是由于高溫造成麥糟中成份的溶出所致，與有關(guān)報(bào)道的結(jié)果一致［7］，在試驗(yàn)選擇的水平范圍內(nèi)，IDF得率的從29.2%下降至28.0%。

圖3 水解溫度對(duì)IDF淀粉含量和得率的影響

2.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化淀粉酶水解工藝

2.2.1 數(shù)學(xué)模型的建立及方差分析

通過單因子試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，酶堿法制備麥糟IDF，淀粉酶水解對(duì)麥糟IDF的淀粉含量有明顯的影響。試驗(yàn)以IDF的淀粉含量為指標(biāo)，設(shè)計(jì)Box－Behnken方案優(yōu)化淀粉酶水解的工藝條件，結(jié)果見表2，因素方差分析見表3，模型的方差分析見表4。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

表3 因素方差分析

由表3可以看出:FX3X3＞F0.01(1，5)=16.25，表明水解時(shí)間的二次項(xiàng)的影響高度顯著;F0.01(1，5)= 16.25＞FX2X2＞F0.05(1，5)=6.61，表明水解溫度的二次項(xiàng)影響顯著;F0.05(1，5)=6.61＞FX1、FX1X1、FX2X3＞F0.1(1，5)=4.06，表明加酶量的一次項(xiàng)、二次項(xiàng)及水解溫度和時(shí)間的交互作用影響較顯著。剔除影響不顯著項(xiàng)后，擬合得到數(shù)學(xué)模型(式2)，式中Y為淀粉含量，X1、X2、X3分別為加酶量、水解溫度和時(shí)間。

表4 模型方差分析

從表4可知，模型的F=85.058 8＞F0.01(5，9)= 6.06，表明模型高度顯著;模型的校正決定系數(shù)Adj R2=96.87%，表明該模型能解釋96.87%響應(yīng)值的變化，僅有3.13%變異的不能用此模型來解釋;相關(guān)系數(shù)R2=0.979 3，模型擬合程度好，可以用此模型分析和預(yù)測(cè)。

2.2.2 模型的驗(yàn)證

檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行?，隨機(jī)選擇5組試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見表5。利用SPSS對(duì)表5中實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)為0.92，表明數(shù)學(xué)模型是有效的。

表5 模型的驗(yàn)證結(jié)果

2.2.3 最佳工藝條件

在擬合得到淀粉酶水解數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過SAS8.0軟件分析，得到最佳工藝條件是:X1=1、X2=0、X3=0，即加酶量為0.06 g，水解溫度65℃，水解時(shí)間60 min。該條件下，模型預(yù)測(cè)淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.42%。在最佳工藝條件下，通過酶堿法制備麥糟IDF，考察IDF淀粉含量及IDF得率。試驗(yàn)重復(fù)3組，每組試驗(yàn)平行3個(gè)，取平均值，結(jié)果見表6。從表6中可以看出，制備得到的麥糟IDF得率為28.8%，IDF中淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.41%。

表6 重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

酶堿法制備麥糟IDF的過程中，淀粉酶水解能顯著降低IDF的淀粉含量，提高IDF的純度。通過方差分析，淀粉酶水解時(shí)間二次項(xiàng)的影響高度顯著，水解溫度二次項(xiàng)的影響顯著，加酶量一次項(xiàng)、二次項(xiàng)及水解溫度和時(shí)間的交互作用影響較顯著。數(shù)學(xué)模型為:Y=0.513－0.032X1－0.057X+0.081X－0.050X2X3+0.346X。模型高度顯著且有效，可用于淀粉酶水解過程的預(yù)測(cè)與分析。在試驗(yàn)選擇的水平范圍內(nèi)，其最佳工藝條件是:加酶量0.06 g，水解溫度65℃，水解時(shí)間60 min，在該條件下，制備得到的麥糟IDF得率為28.8%，淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.41%。

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［3］馮翠萍，龐侯英，常明昌，等.酶法提取蘆筍中高活性膳食纖維的研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20(3):188－191

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Optimizing Amylase Hydrolysis Technology in Insoluble Dietary Fiber Processing by Response Surface Methodology

Xiao Liandong Li Huixing Zang Jin Xu Bin
(Department of Biology and Chemical Engineering Nanyang Institute of Technology，Nanyang 473004)

The hydrolytic conditions by amylase in insoluble dietary fiber processing were studied.Response surface methodology was employed in the present work.A mathematics model for the hydrolysis technics was built and the model showed prominence and feasible.The effects of temperature，time and enzyme dosage were studied.Results:The optimal conditions are enzyme dosage 0.06 g，time 60 min and temperature 65℃.Under these conditions，the yield of insoluble dietary fiber is 28.8%and the starch content of the insoluble dietary fiber is 0.41%.

insoluble dietary fiber，amylase，Spent brewing grains，response surface methodology

TS262.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003－0174(2010)11－0098－04

河南省科技發(fā)展攻關(guān)項(xiàng)目(082102340012)

2009－10－17

肖連冬，女，1964年出生，副教授，生化分離技術(shù)