響應(yīng)面法優(yōu)化麥麩蛋白質(zhì)和膳食纖維的提取工藝

袁 建，李大川，石嘉懌，劉超英，鞠興榮

(南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省糧油品質(zhì)控制及深加工技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210003)

響應(yīng)面法優(yōu)化麥麩蛋白質(zhì)和膳食纖維的提取工藝

袁 建，李大川，石嘉懌，劉超英，鞠興榮

(南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省糧油品質(zhì)控制及深加工技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210003)

研究麥麩中蛋白質(zhì)、水不溶膳食纖維、水溶膳食纖維等功能成分的提取工藝。以麥麩為原料，采用醇?jí)A提取-鹽析的方法同時(shí)提取麥麩蛋白和水溶性膳食纖維，利用α-淀粉酶去除淀粉提取水不溶性膳食纖維。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化提取工藝參數(shù)。結(jié)果表明，麥麩功能成分的最佳提取工藝參數(shù)為酶添加量270U/g、酶反應(yīng)溫度56℃、酶反應(yīng)料液比1:12(g/mL)、醇?jí)A比1:4、反應(yīng)溫度51℃、硫酸銨飽和度33%，在此條件下得到麥麩蛋白質(zhì)的得率為5.23%，水不溶性膳食纖維提取率為88.76%，水溶性膳食纖維提取率為3.08%。該數(shù)學(xué)模型對(duì)優(yōu)化麥麩蛋白和水不溶性膳食纖維的提取工藝可行。

麥麩；蛋白質(zhì)；水不溶性膳食纖維；水溶性膳食纖維；響應(yīng)面

小麥?zhǔn)鞘澜缧缘霓r(nóng)作物之一，小麥麩皮是小麥面粉廠主要的加工副產(chǎn)品，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為小麥的15%左右，但實(shí)際生產(chǎn)中，由于面粉品質(zhì)的要求，得到的麩皮可高達(dá)小麥質(zhì)量的30%。世界年加工麩皮量約2～3億噸，我國(guó)麩皮年產(chǎn)量約7000～8000萬(wàn)噸左右，這些麩皮國(guó)內(nèi)基本上直接應(yīng)用于飼料工業(yè)，很少用于深加工和再利用，經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高。然而麩皮中含有較為豐富的蛋白質(zhì)資源，其含量達(dá)14%以上。麩皮蛋白是一種優(yōu)質(zhì)蛋白，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和生理價(jià)值都比小麥蛋白高，它具有較高的賴(lài)氨酸含量，而且含有人體必須的多種氨基酸。傳統(tǒng)的豆制品是我國(guó)人民長(zhǎng)期食用的植物蛋白的主要來(lái)源，而針對(duì)于麥麩蛋白這種植物蛋白的提取利用的研究較少[1-3]。

膳食纖維根據(jù)溶解性的不同，可分為水溶性膳食纖維和水不溶性膳食纖維兩類(lèi)。膳食纖維具有持水力、結(jié)合和交換陽(yáng)離子、吸附螯合有機(jī)化合物、有類(lèi)似填充劑的容積和改變腸道系統(tǒng)中的微生物群系組成的作用。被營(yíng)養(yǎng)學(xué)家稱(chēng)為“第七大營(yíng)養(yǎng)素”，膳食纖維的生理作用有降低膽固醇、改善血糖生成反應(yīng)、預(yù)防便秘、結(jié)腸癌和解毒等。因麩皮中含有大量的對(duì)人體有益的膳食纖維，所以，對(duì)其進(jìn)行深入研究極具價(jià)值[4-7]。本實(shí)驗(yàn)探討提取麥麩蛋白及麥麩膳食纖維的方法，采用響應(yīng)面法對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，為麥麩的進(jìn)一步綜合利用提供依據(jù)。

1 材料、方法與儀器

1.1 材料、試劑與儀器

麥麩 江蘇海福食品有限公司。95%乙醇、硫酸銨、NaOH(均為分析純)。

TDL-5-A離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；SHA-C恒溫振蕩器 常州國(guó)華電器有限公司；HG202-2(2A/2AD)電熱干燥箱 南京盈鑫實(shí)驗(yàn)儀器廠；ALpHA2-4型真空冷凍干燥機(jī) 德國(guó)Christ公司。

1.2 方法[9-14]

1.2.1 麩皮蛋白質(zhì)的制備

麥麩粉碎過(guò)100目篩，然后加入淀粉酶。水浴加熱后，按料液比1:15(g/mL)加入95%乙醇-0.05mol/L NaOH溶液，經(jīng)4500r/min離心分離10min得到沉淀和上清液。沉淀經(jīng)過(guò)漂白、105℃干燥4h得到水不溶性膳食纖維，根據(jù)國(guó)標(biāo)測(cè)定其純度；上清液加入飽和硫酸銨溶液，經(jīng)4500r/min離心分離10min得到上清液和沉淀。上清液經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行濃縮，控制加熱溫度85℃、真空度0.08MPa以上，濃縮液加入約4倍體積的95%乙醇，隔夜靜置得到水溶性膳食纖維；沉淀經(jīng)過(guò)透析、最后通過(guò)－50℃，0.05MPa冷凍干燥10h得到麩皮蛋白質(zhì)。

式中：m1為上清液中的蛋白質(zhì)量；m2為原料質(zhì)量。

式中：w1為提取的水不溶性膳食纖維質(zhì)量；w2為水不溶性膳食纖維純度[15]；w3為原料中應(yīng)有的膳食纖維質(zhì)量。

式中：W1為提取的水溶性膳食纖維質(zhì)量；W2為原料質(zhì)量。

1.2.2 影響麥麩蛋白質(zhì)得率的單因素試驗(yàn)

1.2.2.1 醇?jí)A比對(duì)蛋白質(zhì)得率的影響

醇?jí)A比分別為3:1、2:1、1:1、1:2、1:3、1:4，50℃浸提90min，以30%的硫酸銨沉淀蛋白質(zhì)，以蛋白質(zhì)得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察醇?jí)A比對(duì)麥麩蛋白質(zhì)得率的影響。

1.2.2.2 提取溫度對(duì)蛋白質(zhì)得率的影響

采用醇?jí)A比1:2，分別于40、45、50、55、60℃條件下浸提90min，以30%的硫酸銨沉淀蛋白質(zhì)，以蛋白質(zhì)得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察提取溫度對(duì)麥麩蛋白質(zhì)得率的影響。

1.2.2.3 硫酸銨飽和度對(duì)蛋白質(zhì)得率的影響

采用醇?jí)A比1:2，50℃浸提90min，分別以20%、30%、40%、50%的硫酸銨沉淀蛋白質(zhì)，以蛋白質(zhì)得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，硫酸銨飽和度對(duì)麥麩蛋白質(zhì)得率的影響。

1.2.3 影響麥麩水不溶性膳食纖維提取率的單因素試驗(yàn)

1.2.3.1 酶添加量對(duì)提取率的影響

分別以添加量200、300、400、500U/g將α-淀粉酶添加到麥麩中，以1:10(g/mL)的料液比55℃酶解40min，然后采用醇?jí)A比1:2，50℃浸提90min，以提取率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察酶添加量對(duì)麥麩水不溶性膳食纖維提取率的影響。

1.2.3.2 酶反應(yīng)溫度對(duì)提取率的影響

添加300U/g α-淀粉酶到麥麩中，以1:10(g/mL)的料液比分別在45、50、55、60、65℃條件下酶解40min，然后采用醇?jí)A比1:2，在50℃條件下浸提90min，以提取率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察酶反應(yīng)溫度對(duì)麥麩水不溶性膳食纖維提取率的影響。

1.2.3.3 酶反應(yīng)料液比對(duì)提取率的影響

添加300U/g α-淀粉酶到麥麩中，分別以1:8、1:10、1:12、1:15(g/mL)的料液比在55℃條件下酶解40min，然后采用醇?jí)A比1:2，在50℃條件下浸提90min，以提取率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察酶反應(yīng)料液比對(duì)麥麩水不溶性膳食纖維提取率的影響。

1.2.4 麥麩蛋白質(zhì)和水不溶性膳食纖維提取工藝的優(yōu)化

表1 響應(yīng)面分析因素與水平表Table 1 Factors and levels in the response surface analysis

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以α-淀粉酶添加量、酶反應(yīng)溫度、酶反應(yīng)料液比、醇?jí)A比、醇?jí)A反應(yīng)溫度和硫酸銨飽和度為自變量，蛋白質(zhì)得率、水不溶性膳食纖維提取率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)六因素五水平的二次回歸方程擬合自變量和蛋白質(zhì)得率和水不溶性膳食纖維提取率之間的函數(shù)關(guān)系，采用響應(yīng)面分析方法優(yōu)化提取工藝。試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 麥麩蛋白提取工藝單因素試驗(yàn)

2.1.1 醇?jí)A比對(duì)蛋白質(zhì)得率的影響

圖1 醇?jí)A比對(duì)蛋白質(zhì)得率的影響Fig.1 Effect of ethanol/alkali ratio on extraction rate of wheat bran protein

由圖1可知，隨著醇?jí)A比的增加，蛋白質(zhì)得率也隨之升高。在醇?jí)A比達(dá)到1:2前，蛋白質(zhì)得率增幅較為明顯。當(dāng)醇?jí)A比小于1:1時(shí)，蛋白質(zhì)得率明顯偏低，所以選擇醇?jí)A比1:3 左右較為適宜。

2.1.2 提取溫度對(duì)蛋白質(zhì)得率的影響

圖2 提取溫度對(duì)蛋白質(zhì)得率的影響Fig.2 Effect of extraction temperature on extraction rate of wheat bran protein

由圖2可知，隨著溫度的增加，蛋白質(zhì)得率也隨之升高。在溫度達(dá)到50℃前，蛋白質(zhì)得率增幅較為明顯。當(dāng)溫度小于45℃時(shí)，蛋白質(zhì)得率明顯偏低，所以選擇溫度50℃左右較為適宜。

2.1.3 硫酸銨飽和度對(duì)蛋白質(zhì)得率的影響

由圖3可知，隨著硫酸銨飽和度的增加，蛋白質(zhì)得率也隨之升高。在硫酸銨飽和度達(dá)到30%前，蛋白質(zhì)得率增幅較為明顯。當(dāng)硫酸銨飽和度大于40%時(shí)，蛋白質(zhì)得率盡管增加，但增幅較小，且在透析時(shí)會(huì)消耗大量的時(shí)間，同時(shí)需要消耗更多的硫酸銨。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，選擇30%左右的硫酸銨飽和度較為適宜。

圖3 硫酸銨飽和度對(duì)蛋白質(zhì)得率的影響Fig.3 Effect of ammonium sulfate saturation degree on extraction rate of wheat bran protein

2.2 麥麩水不溶性膳食纖維提取工藝單因素試驗(yàn)

2.2.1 酶添加量對(duì)水不溶性膳食纖維提取率的影響

圖4 酶添加量對(duì)水不溶性膳食纖維提取率的影響Fig.4 Effect of enzyme addition amount on extraction rate of waterinsoluble fiber

由圖4可知，隨著淀粉酶添加量的增加，水不溶性膳食纖維的提取率逐漸增加，當(dāng)?shù)矸勖柑砑恿窟_(dá)400U/g時(shí)，提取率最高，當(dāng)?shù)矸勖柑砑恿窟M(jìn)一步增加，水不溶性膳食纖維的提取率反而下降。因麥麩表面覆蓋著大量淀粉，淀粉酶添加量過(guò)低，淀粉水解不完全，而淀粉酶添加量過(guò)高，易使其中的半纖維素等生理活性物質(zhì)溶出，造成提取率降低，故選擇α-淀粉酶的濃度在0.3U/g左右為宜[16]。

2.2.2 酶反應(yīng)溫度對(duì)水不溶性膳食纖維提取率的影響

圖5 酶反應(yīng)溫度對(duì)水不溶性膳食纖維提取率的影響Fig.5 Effect of enzymatic reaction temperature on extraction rate of water-insoluble fiber

由圖5可知，隨著酶反應(yīng)溫度的增加，水不溶性膳食的提取率逐漸增加，當(dāng)酶反應(yīng)溫度達(dá)55℃時(shí)，提取率最高，當(dāng)酶反應(yīng)溫度進(jìn)一步增加，水不溶性膳食的提取率反而下降。因?yàn)檫^(guò)高溫度使淀粉酶失活，水解淀粉的效率降低，故選擇酶反應(yīng)溫度在55℃左右為宜。

2.2.3 酶反應(yīng)料液比對(duì)水不溶性膳食纖維提取率的影響

圖6 酶反應(yīng)料液比對(duì)水不溶性膳食纖維提取率的影響Fig.6 Effect of material/liquid ratio on extraction rate of waterinsoluble fiber

由圖6可知，隨著酶反應(yīng)料液比的增加，水不溶性膳食的提取率逐漸增加，當(dāng)酶反應(yīng)料液比達(dá)1:10時(shí)提取率最高，當(dāng)酶反應(yīng)料液比進(jìn)一步增加，水不溶性膳食纖維的提取率反而下降。因過(guò)高的料液比使淀粉酶添加量降低，水解淀粉的效率降低，故選擇酶反應(yīng)料液比在1:10左右為宜。

2.3 麥麩蛋白質(zhì)和水不溶性膳食纖維提取工藝的優(yōu)化

2.3.1 數(shù)學(xué)模型的建立與檢驗(yàn)

本試驗(yàn)利用Design-Expert 7.0 Trial軟件中的中心組合設(shè)計(jì)(CCD)選項(xiàng)，可獲得麥麩蛋白和水不溶性膳食纖維提取的六因素五水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果(表2)。對(duì)2結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可建立如下二次回歸方程：

對(duì)二次回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3、4。從表 3 可知，Y1的 X4、X5、X6、X1X5、X4X5、X5X6均表現(xiàn)出了顯著水平；從表4可知，Y2的X1、X2、X3、X5、X1X3、X1X4、X4X5均表現(xiàn)出了顯著水平，二次回歸方程整體模型比較顯著，并且失擬項(xiàng)不顯著，該回歸模型與實(shí)測(cè)值能較好地?cái)M合。

表2 響應(yīng)面分析方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental design and results of response surface analysis

表3 蛋白質(zhì)得率回歸方程方差分析表Table 3 Variance analysis for the yield of wheat bran protein with various extraction conditions

表4 水不溶膳食纖維提取率回歸方程方差分析表Table 4 Variance analysis for the yield of wheat bran water-insoluble fiber with various extraction conditions

2.3.2 響應(yīng)面分析

為了考察交互項(xiàng)對(duì)提取率的影響，在其他因素條件固定不變的情況下，考察交互項(xiàng)對(duì)提取率的影響，對(duì)模型進(jìn)行降維分析。經(jīng)Design-Expert 7.0 Trial軟件分析，所得的響應(yīng)面及其等高線圖見(jiàn)圖7。

圖7 各兩因素交互作用的響應(yīng)面及等高線圖Fig.7 Response surface and contour of the effects of any two factors on the yield of wheat bran protein

由圖7可知，隨著每個(gè)因素的增大，響應(yīng)值增大；當(dāng)響應(yīng)值增大到極值后，隨著因素的增大，響應(yīng)值逐漸減??；在交互項(xiàng)對(duì)蛋白質(zhì)得率和水不溶性膳食纖維提取率的影響中，酶添加量與反應(yīng)溫度、醇?jí)A比與反應(yīng)溫度、硫酸銨飽和度與反應(yīng)溫度對(duì)蛋白質(zhì)得率影響較顯著；酶添加量與酶反應(yīng)料液比、醇?jí)A比與酶添加量對(duì)水不溶性膳食纖維提取率的影響較顯著。

2.3.3 提取工藝的優(yōu)化與驗(yàn)證

經(jīng)Design-Expert 7.0 Trial軟件分析優(yōu)化，可得到麥麩蛋白和水不溶性膳食纖維最佳提取工藝參數(shù)為：酶添加量273U/g、酶反應(yīng)溫度56.2℃、酶反應(yīng)料液比1:11.8、醇?jí)A比1:3.8、反應(yīng)溫度51.1℃、硫酸銨飽和度33%。在此最佳工藝條件下麥麩蛋白質(zhì)的理論得率為5.29803%；水不溶性膳食纖維的理論得率為89.0634%?？紤]到可操作性，將最優(yōu)提取條件定為酶添加量270U/g、酶反應(yīng)溫度56℃、酶反應(yīng)料液比1:12、醇?jí)A比1:4、反應(yīng)溫度51℃、硫酸銨飽和度33%。用此最優(yōu)提取條件進(jìn)行驗(yàn)證，得到麥麩蛋白質(zhì)的得率為5.23%，水不溶性膳食纖維得提取率為88.76%，與理論值較為接近，表明數(shù)學(xué)模型對(duì)優(yōu)化麥麩蛋白和水不溶性膳食纖維的提取工藝是可行的。

3 結(jié) 論

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，以α-淀粉酶添加量、酶反應(yīng)溫度、酶反應(yīng)料液比、醇?jí)A比、醇?jí)A反應(yīng)溫度和硫酸銨飽和度為試驗(yàn)因素，以蛋白質(zhì)得率、水不溶性膳食纖維提取率響應(yīng)值，得到蛋白質(zhì)得率、水不溶性膳食纖維的六元二次數(shù)學(xué)回歸模型。通過(guò)回歸模型的分析可知，α-淀粉酶添加量、酶反應(yīng)溫度、酶反應(yīng)料液比和醇?jí)A反應(yīng)溫度對(duì)水不溶性膳食纖維提取率的影響較顯著；醇?jí)A比、醇?jí)A反應(yīng)溫度和硫酸銨飽和度對(duì)蛋白質(zhì)得率的影響較顯著。交互項(xiàng)中酶添加量與反應(yīng)溫度、醇?jí)A比與反應(yīng)溫度、硫酸銨飽和度與反應(yīng)溫度對(duì)蛋白質(zhì)得率影響較顯著；酶添加量與酶反應(yīng)料液比、醇?jí)A比與酶添加量對(duì)水不溶性膳食纖維提取率的影響較顯著。對(duì)回歸模型進(jìn)行分析，得出麥麩蛋白和水不溶性膳食纖維最佳提取工藝參數(shù)為酶添加量270U/g、酶反應(yīng)溫度56℃、酶反應(yīng)料液比1:12、醇?jí)A比1:4、反應(yīng)溫度51℃、硫酸銨飽和度33%，在此條件下得到麥麩蛋白質(zhì)的得率為5.23%，水不溶性膳食纖維得提取率為88.76%，水溶性膳食纖維得率為3.08%。該數(shù)學(xué)模型對(duì)優(yōu)化麥麩蛋白和水不溶性膳食纖維的提取工藝可行。

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Optimization of Extraction Process for Protein and Dietary Fibers from Wheat Bran by Response Surface Analysis

YUAN Jian，LI Da-chuan，SHI Jia-yi，LIU Chao-ying，JU Xing-rong
(Jiangsu Provincial Laboratory of Quality Control and Further Professing of Food and Oil, College of Food Science and Engineering,Nanjing University of Finance and Economics, Nanjing 210003, China)

Wheat bran was used as raw material to extract protein, water-insoluble fiber and water-soluble fiber, respectively.Wheat bran protein and water-soluble dietary fiber were extracted simultaneously by alkaline ethanol extraction-salting out. The removal of water-insoluble dietary fiber was conducted using α-amylase hydrolysis. Based on single factor tests, the optimal extraction process was determined by using central composite design combined with response surface methodology. The results indicated that the optimal extraction process was enzyme addition amount of 270 U/g, enzymatic reaction temperature of 56 ℃,material/liquid ratio of 1:12, ethanol/alkali ratio of 1:4, extraction temperature of 51 ℃, and ammonium sulfate saturation degree of 33%. Under the optimal conditions, the extraction rate of wheat bran protein, water-insoluble dietary fiber and water-soluble dietary fiber were 5.23%, 88.76% and 3.08%, respectively. The fitted mathematical models for the extraction rates of wheat bran protein and insoluble dietary fiber had a good feasibility.

wheat bran；protein；water-insoluble fiber；water-soluble fiber；response surface

TS210.4

A

1002-6630(2011)10-0025-06

2010-08-05

江蘇省科學(xué)技術(shù)廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(BE2007312)

袁建(1965—)，男，教授，本科，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)。E-mail：yuanjian@njue.edu.cn