徐彩紅，李莎怡靜，李桂杰，公 勛

(沈陽師范大學糧食學院，遼寧 沈陽 110034)

響應面法優(yōu)化米糠水溶性膳食纖維酶法提取工藝研究

徐彩紅，李莎怡靜，李桂杰，公 勛

(沈陽師范大學糧食學院，遼寧 沈陽 110034)

對超聲輔助混合酶法提取米糠水溶性膳食纖維(RSDF)的提取工藝進行了研究。考察了酶及其添加量、料液比、超聲功率和超聲時間等對RSDF得率的影響。經過單因素試驗和central composite design中心復合響應面分析法，確定了RSDF的最佳提取工藝為：添加6%的木瓜蛋白酶，60℃水解1 h并滅酶后，再添加1.5%木聚糖酶、料液比1∶25 g/ml，55℃水浴超聲(600 W)5 min。在此條件下，米糠水溶性膳食纖維得率最高為25.10%。

響應面法；米糠；水溶性膳食纖維；纖維素酶；木聚糖酶；提取工藝

膳食纖維(DF)是一類復雜混合物的總稱，國際食品法典委員會(2009年)定義為具有10個以上單體鏈節(jié)的不被人體小腸內生酶水解的碳水化合物，被稱為第七營養(yǎng)素，可有效的預防或減少心血管疾病、高血壓、糖尿病和肥胖癥等慢性疾病的發(fā)生，具有重要的保健功能[1-2]。DF中的可溶性膳食纖維包括果膠和葡聚糖等親水膠體物質和部分半纖維素，可清除體內自由基和外源有害物質，有抗氧化防衰老、增強機體免疫力、抗癌防癌等生理功效[3]。

米糠是稻谷加工的主要副產品，約占稻谷質量的5%～8%，卻集中了稻米約65%的營養(yǎng)素，是一種極具開發(fā)潛力的高附加值資源。脫脂米糠中DF質量分數(shù)高達30%～50%，是DF的理想來源[4]。米糠膳食纖維(RSDF)具有降血糖、降低膽固醇和抗大腸癌等生理作用，若加以開發(fā)利用，可拓寬米糠的應用載體，延長稻谷加工產業(yè)鏈。但由于新鮮米糠貯存穩(wěn)定性差、易酸敗、DF溶解性低、加工性差等原因嚴重制約了米糠的開發(fā)利用。我國2015年米糠的產量超過1 600 萬t，僅約10%～15%的米糠被用作制油或提取植酸鈣等高附加值產品，小部分作為動物飼料，絕大部分未被開發(fā)而浪費。因此，開展米糠基礎研究以推動其高效利用意義重大。

目前，RSDF提取的主要方法有物理法、化學法和酶解法[5]，物理法DF的提取率偏低，化學法提取的DF提取率較高(38.5%)[6]，但活性較低、環(huán)境污染也較重。酶解法能夠顯著提高DF的提取率和品質，國內外多采用此法制備DF，但不同酶解工藝得到的RSDF提取率和品質差異較大(6.68%～16.32%)[7-9]，采用的酶主要是蛋白酶和纖維素酶，未見采用木聚糖酶進行酶解提取RSDF的報道。因此，本研究考察了酶的種類及其添加量、料液比、超聲時間和超聲功率等對RSDF得率的影響，并進一步采用CCD中心復合響應面試驗分析法優(yōu)化了RSDF的提取工藝，顯著提高RSDF的提取率和品質，這對推動米糠的綜合應用具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

米糠：遼寧華潤五豐營銷有限公司；石油醚、無水乙醇、冰乙酸、無水乙酸鈉；木瓜蛋白酶(1 000 U/mg)、纖維素酶(1 800 U/mg)、木聚糖酶(60 000 U/mg)；去離子水。

1.2 儀器與設備

HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋，SB-25-12DT型超聲波清洗機，DHG-9146A型電熱恒溫鼓風干燥箱，F(xiàn)W型高速萬能粉碎機，ESJ120-48型電子天平，MODEL868型電子pH計。

1.3 試驗方法

1.3.1 米糠預處理

將米糠粗粉于60 ℃烘箱中干燥6 h后過60目篩，將篩下部分加入4倍體積石油醚，室溫下浸泡30 min，真空抽濾收集濾渣，重復脫脂2～3次，將濾渣用4倍體積的80%乙醇清洗殘留石油醚，重復2～3次，將濾渣在60℃烘箱中烘干粉碎，即得脫脂米糠。

1.3.2 水溶性膳食纖維的提取工藝

稱取一定質量的脫脂米糠，按一定料液比加入去離子水，用醋酸-醋酸鈉水溶液調pH值 5.0，加入6%的木瓜蛋白酶，60℃水浴中水解1 h，然后90℃滅酶10 min，待樣液溫度降至60℃以下時，加入一定量的酶，定溫下超聲既定時間后，90℃滅酶10 min，真空抽濾，濾液濃縮蒸發(fā)至一定體積，用4倍體積的無水乙醇沉淀，濾渣反復用無水乙醇洗滌至中性，最后將濾渣在60℃下烘干至含水量在13.0左右，粉碎，即得RSDF。

1.3.3 水溶性膳食纖維提取率

1.3.4 單因素試驗

按1.3.2節(jié)中RSDF的提取工藝，稱取脫脂米糠3.0 g，按一定料液比加入去離子水，調pH值至5.0，加入6 %的木瓜蛋白酶，60℃水浴水解1 h后，滅酶，加入纖維素酶或木聚糖酶，并采用超聲波輔助提取。選取酶添加量、超聲時間和超聲功率、料液比四個因素進行RSDF提取的單因素試驗，確定各因素對RSDF得率的影響，詳見表1。

表1 RSDF酶提工藝的單因素試驗設計

1.3.5 提取工藝的優(yōu)化

根據單因素試驗，選取料液比和纖維素酶或木聚糖酶的添加量2個因素為自變量，以RSDF得率值為響應值(Y)，進行兩因素五水平的CCD響應面試驗設計優(yōu)化提取工藝，因素水平編碼見表2。

1.3.6 數(shù)據處理與分析

每組試驗重復三次，數(shù)據結果運用Design Expert 8.0.6軟件進行響應面設計和統(tǒng)計學分析，采用Origin 8.0進行統(tǒng)計分析和制圖。

表2 central composite design試驗設計因素水平編碼表

編碼因素料液比(X1)g·ml-1加酶量(X2)/%纖維素酶木聚糖酶-1.4145.862.380-11∶103001∶204.51.011∶3062.01.41434.146.622.41

2 結果與分析

2.1 RSDF制備工藝的單因素試驗

2.1.1 加酶量對RSDF得率的影響

由圖1可知，纖維素酶在添加量0.5%～6%內，隨著加入量的增多，RSDF得率增高。在0.5%～3%內，RSDF的得率顯著升高，當加酶量達6%以上時，RSDF的得率趨于穩(wěn)定，因此，考慮經濟成本，選擇加酶量3%～6%進行優(yōu)化研究。

圖1 纖維素酶加入量對RSDF制備條件的影響

由圖2可知，木聚糖酶在添加量0～5%內，隨著加入量的增多，RSDF得率增高。在0～3%內，RSDF的得率顯著升高，當加酶量達2%以上時，RSDF的得率趨于穩(wěn)定，因此，選擇加酶量0～2%進行進一步研究。

圖2 木聚糖酶加入量對RSDF制備條件的影響

2.1.2 超聲功率和超聲時間對RSDF得率的影響

由圖3可知，超聲功率在200～600 W內，纖維素酶和木聚糖酶酶解法對RSDF得率的影響結果均是增大的，但功率過大可能會降低酶的活性，因此，本研究采用超聲功率600 W為提取條件。

圖3 超聲功率對RSDF制備條件的影響

由圖4可知，超聲時間增加，RSDF的得率先提高，但超聲5 min后，纖維素酶和木聚糖酶酶解法的RSDF得率均顯著減小。考慮到超聲時間過長，可能導致酶失活或膳食纖維分解，而降低RSDF得率，因此，超聲時間選擇5 min為宜。

圖4 超聲時間對RSDF制備條件的影響

2.1.3 料液比對RSDF得率的影響

由圖5可知，料液比增大，RSDF得率先增高，當料液比超過1∶30時，RSDF得率快速下降。因此，選擇料液比1∶10～1∶30進行優(yōu)化。

圖5 料液比對RSDF制備條件的影響

2.2 RSDF制備工藝條件的優(yōu)化

2.2.1 響應模型的建立與分析

根據單因素試驗結果，采用CCD響應面試驗設計,結果見表3。其中，X1為纖維素酶料液比，X2為纖維素酶加酶量，Y1為RSDF得率，X3為木聚糖酶的料液比，X4為木聚糖酶加酶量，Y2為RSDF得率。對表3中纖維素酶和木聚糖酶的試驗數(shù)據分別采用Design Expert.8.0.6軟件處理，并進行多元線性回歸，得到二項式擬合的代碼方程分別為：

表3 central composite design響應面試驗設計和響應值

表4 纖維素酶提取工藝CCD試驗設計回歸模型方差分析表

注：*表示差異顯著(P<0.05)，**表示差異極顯著(P<0.01)。下同。

各試驗因素對響應值的影響均不是簡單的線性關系，酶的加入量與料液比對RSDF得率的影響可由圖6和圖7直觀反映。兩圖底面的等高線形狀反映出兩因素交互效應的強弱，等高線越接近橢圓而非圓形，表示交互作用越明顯。可見，木聚糖酶的酶提工藝中兩因素的交互作用較纖維素酶的更顯著些。

由圖6可知，當纖維素酶添加量一定時，隨料液比的增加，RSDF得率先增加后逐漸降低。當料液比一定時，RSDF的得率隨著纖維素酶加入量的增加先增后降。因此，綜合分析得到的最優(yōu)試驗條件為：纖維素酶添加量為4.5%，料液比為1∶25 g/ml。

由圖7可知，當木聚糖酶添加量一定時，隨料液比的增加，RSDF得率先增加后逐漸降低。當料液比一定時，RSDF的得率隨木聚糖酶加入量的增加先增后降。綜合數(shù)據、經濟原則和實際操作的可行性，選取最優(yōu)試驗條件為：木聚糖酶添加量為1.5%，料液比為1∶25 g/ml。

表5 木聚糖酶提取工藝CCD試驗設計回歸模型方差分析表

圖6 纖維素酶加入量和料液比對RSDF得率的影響

圖7 木聚糖酶加入量和料液比對RSDF得率的影響

2.2.2 響應面分析法的驗證

為驗證兩回歸模型的可靠性和實用性，按響應面分析法所得的纖維素酶和木聚糖酶的酶提最優(yōu)工藝進行3次平行試驗。此條件下，實際測得的RSDF得率值分別為17.90%和25.10%，預測值為分別為17.71%和26.20%，相對偏差小于5%，說明該模型對RSDF提取工藝預測性良好。

3 結果與討論

采用中心復合響應面試驗設計優(yōu)化了超聲波輔助混合酶法提取米糠水溶性膳食纖維的提取工藝，并且比較了纖維素酶和木聚糖酶的酶解效果。研究表明，后者的酶解能力更強，RSDF得率較高。因此，確定最佳工藝條件為：添加6%的木瓜蛋白酶，60℃水解1 h并滅酶后，再添加1.5%木聚糖酶、料液比1∶25 g/ml55℃水浴超聲(600 W)5 min。

本研究制備RSDF的工藝比酸堿法的提取工藝更加綠色，條件也溫和；與直接酶解法或超聲法相比，更加快速、高效，RSDF的得率也較高，并且所得的RSDF呈淡黃色，無異味，有望將其作為功能性食品配料用于食品生產,有助于米糠資源的開發(fā)，有利于提升米糠的附加值。

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(責任編輯：趙琳琳)

Optimization of soluble dietary fiber of rice bran extraction process by response surface methodology

XU Cai-hong, LI Sha-yijing, LI Gui-jie,GONG Xun

(College of Grain Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

The aim was to optimize the extraction process of rice bran soluble dietary fiber (RSDF) by ultrasonic assisted mixed enzyme methods. These factors which influence the extraction efficiency were discussed: the added amount of enzyme, solid to liquid ratio, ultrasonic time and power, water bath temperature and extraction time. The single factor and CCD of response surface analysis showed that the optimum extraction conditions were: papain amount 6%, hydrolysis of 1 h at 60℃ for enzyme inactivation,then adding xylanase dosage 1.5%, solid to liquid ratio of 1∶25 g/ml,ultrasonic time (600 W) of 5 min at 55℃.Under this conditions, the yield of RSDF was up to 25.10%.

response surface methodology；rice bran；soluble dietary fiber；cellulase；xylanase；extraction process

2016-12-03；

2017-04-21

遼寧省科技攻關項目(2015211003)；沈陽師范大學科學技術校內項目(XNL2016016)；沈陽師范大學博士科研啟動項目(BS201406)。

徐彩紅(1979-)，女，博士，講師，主要從事食品化學研究。

李桂杰(1959-)，女，教授，主要從事糧食與飼料工程研究。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.05.010

TS210.9;TS201.2+5

A

1003-6202(2017)05-0037-05