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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guò)程的一個(gè)階段，谷物經(jīng)灌漿，營(yíng)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，籽粒基本變硬，谷殼逐漸發(fā)黃但仍有淺綠色。在整個(gè)變化過(guò)程中水稻的不同部分是營(yíng)養(yǎng)成分發(fā)生了巨大的變化[1-2]。黑龍江省作為我國(guó)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(jìn)行開(kāi)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(yíng)養(yǎng)素，受到了廣泛的關(guān)注，可有效地提升膳食質(zhì)量，對(duì)當(dāng)前飲食結(jié)構(gòu)改善有較好的促進(jìn)作用。膳食纖維按照其水溶性特點(diǎn)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(gè)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(guó)內(nèi)外對(duì)于可溶性膳食纖維研究較為廣泛，但是對(duì)于鮮食水稻還未涉及，若能將鮮食水稻的加工副產(chǎn)物進(jìn)行合理利用，將對(duì)以后稻米產(chǎn)品新品種開(kāi)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(shí)驗(yàn)通過(guò)微波-酶結(jié)合方法進(jìn)行鮮食水稻可溶性膳食纖維提取制備，并通過(guò)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(cè)定和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供有利的參考價(jià)值和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，拓展水稻深加工和營(yíng)養(yǎng)利用前景。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(chǎng)提供的龍粳31號(hào)。

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(shí)驗(yàn)室超純水系統(tǒng)自制。

1.2 試驗(yàn)儀器

GDE-CSF型意大利VELP膳食纖維測(cè)定儀，北京盈盛恒泰科技有限公司；TGL16B型臺(tái)式離心機(jī)，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(dòng)攪拌器，金壇市科興儀器廠；高速多功能攪碎機(jī)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室pH計(jì)FE20，梅特勒-托利多儀器有限公司等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 水稻莖水溶性膳食纖維提取工藝

試驗(yàn)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(diǎn)

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(jìn)行水浴培養(yǎng)，時(shí)間為20 min，將水浴好的樣品進(jìn)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(jìn)行水浴，時(shí)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(jìn)行滅酶處理，將反應(yīng)物轉(zhuǎn)移至過(guò)濾裝置中，濾液經(jīng)濃縮后用4倍體積的95%進(jìn)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(jìn)行微波處理，步驟同1.3.2。

1.4 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參照近幾年學(xué)者文獻(xiàn)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(shí)間、微波功率為因素，測(cè)定各因素對(duì)提取莖水溶性膳食纖維的影響。試驗(yàn)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(xiàn)中多次被選擇，并且在前期預(yù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)蛋白酶和淀粉葡萄糖苷酶添加量沒(méi)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(duì)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(shí)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(duì)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(shí)間對(duì)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(shí)間分別為 10、20、30、40、50 min。

1.4.4 微波功率對(duì)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(jìn)行微波處理20 min。微波功率分別為 350、400、450、500、550 W 進(jìn)行試驗(yàn)。

1.5 響應(yīng)面試驗(yàn)

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

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Response surface experiment design

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 不同料液比對(duì)水溶性膳食纖維提取率的影響

圖1 物料比對(duì)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(shí)，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(shí)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(guò)大時(shí)SDF的提取率卻下降了，原因可能過(guò)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(duì)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(shì)，當(dāng)α-淀粉酶用量為0.3%時(shí)，SDF得率最大值為11.0%，是因?yàn)槊赣昧坎蛔銜r(shí)淀粉水解不完全，用量過(guò)高時(shí)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(duì)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(shí)間對(duì)提取膳食纖維的影響

圖3 酶解時(shí)間對(duì)SDF提取率影響Fig.3 Effect of enzymolysis time on SDF extraction rate

圖3 試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng)，膳食纖維的提取率先增加后下降，當(dāng)酶解時(shí)間為30 min時(shí)，SDF的提取率達(dá)到最大值為10.9%，當(dāng)酶解時(shí)間超過(guò)30 min后，得率逐漸下降。前期因?yàn)槊附鈺r(shí)間不足造成反應(yīng)不充分，部分的膳食纖維沒(méi)有提取出來(lái)，而后期時(shí)間過(guò)長(zhǎng)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(lái)，因此酶解時(shí)間以30 min為宜。

2.1.4微波功率對(duì)提取膳食纖維的影響

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

根據(jù)試驗(yàn)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(shí)，SDF的得率達(dá)到最大值為10.4%，微波的原理即為可以通過(guò)熱效應(yīng)來(lái)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(jìn)行轉(zhuǎn)化，使得提取率大大增加提取率。當(dāng)微波功率超過(guò)450 W后，提取率逐漸下降?？赡苁且?yàn)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(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果及回歸方程方差分析

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以α-淀粉酶添加量（A），酶解時(shí)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(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到方差分析表如表3所示。

對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shuō)明模型擬合程度好。失擬項(xiàng)不顯著（P=0.839 5＞0.05），說(shuō)明試驗(yàn)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(xiàng)都是極顯著的BC項(xiàng)為顯著，AB項(xiàng)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(kuò)散量也逐漸增加，在接近中心點(diǎn)時(shí)達(dá)到峰值。

圖5 AC因素對(duì)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(shí)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(jìn)程，但微波功率及酶解時(shí)間過(guò)高，則會(huì)導(dǎo)致SDF結(jié)構(gòu)破壞，得率逐漸下降。

2.2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

通過(guò)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)間32 min物料比1∶30，并進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn)，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(duì)水稻莖中SDF提取得率準(zhǔn)確可靠，具有參考價(jià)值。

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

3 討論

實(shí)驗(yàn)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(xiàn)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(huì)因?yàn)榇罅课鬯鴮?duì)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(duì)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(guò)程所花費(fèi)的費(fèi)用和時(shí)間較高[18-19]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)也可以發(fā)現(xiàn)物理與酶結(jié)合的方法對(duì)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(shí)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(dá)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(shí)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(shí)，SDF的提取率最大為11.0%。當(dāng)酶解時(shí)間為30 min時(shí)，SDF的提取率最大為10.9%。當(dāng)功率為450 W時(shí)，SDF的提取率最大為10.4%。通過(guò)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(shí)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(guò)高或者過(guò)低都會(huì)影響提取率的變化，過(guò)低水稻莖中的SDF溶出不完全，過(guò)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(wú)法醇沉得到。

試驗(yàn)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(jiǎn)單準(zhǔn)確提取率較高并且無(wú)污染，方法可以在以后的提取試驗(yàn)中所采納。試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)以鮮食水稻為樣品對(duì)水稻在不同成熟時(shí)期進(jìn)行各種成分提取與檢測(cè)，試驗(yàn)提取水稻中水溶性膳食纖維，也是為以后的檢測(cè)及分析不同時(shí)期水溶性膳食纖維奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。水稻中水溶性膳食纖維到底有何功能性價(jià)值將在以后的試驗(yàn)中逐一探討。工藝為以后黑龍江省水稻副產(chǎn)物的開(kāi)發(fā)利用及新型水稻水溶性膳食纖維的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供有利的參考價(jià)值和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。