响应面法优化麦麸蛋白质和膳食纤维的提取工艺

袁 建，李大川，石嘉怿，刘超英，鞠兴荣

(南京财经大学食品科学与工程学院，江苏省粮油品质控制及深加工技术实验室，江苏 南京 210003)

响应面法优化麦麸蛋白质和膳食纤维的提取工艺

袁 建，李大川，石嘉怿，刘超英，鞠兴荣

(南京财经大学食品科学与工程学院，江苏省粮油品质控制及深加工技术实验室，江苏 南京 210003)

研究麦麸中蛋白质、水不溶膳食纤维、水溶膳食纤维等功能成分的提取工艺。以麦麸为原料，采用醇碱提取-盐析的方法同时提取麦麸蛋白和水溶性膳食纤维，利用α-淀粉酶去除淀粉提取水不溶性膳食纤维。在单因素试验基础上，利用响应面分析法优化提取工艺参数。结果表明，麦麸功能成分的最佳提取工艺参数为酶添加量270U/g、酶反应温度56℃、酶反应料液比1:12(g/mL)、醇碱比1:4、反应温度51℃、硫酸铵饱和度33%，在此条件下得到麦麸蛋白质的得率为5.23%，水不溶性膳食纤维提取率为88.76%，水溶性膳食纤维提取率为3.08%。该数学模型对优化麦麸蛋白和水不溶性膳食纤维的提取工艺可行。

麦麸；蛋白质；水不溶性膳食纤维；水溶性膳食纤维；响应面

小麦是世界性的农作物之一，小麦麸皮是小麦面粉厂主要的加工副产品，其质量分数为小麦的15%左右，但实际生产中，由于面粉品质的要求，得到的麸皮可高达小麦质量的30%。世界年加工麸皮量约2～3亿吨，我国麸皮年产量约7000～8000万吨左右，这些麸皮国内基本上直接应用于饲料工业，很少用于深加工和再利用，经济价值不高。然而麸皮中含有较为丰富的蛋白质资源，其含量达14%以上。麸皮蛋白是一种优质蛋白，营养价值和生理价值都比小麦蛋白高，它具有较高的赖氨酸含量，而且含有人体必须的多种氨基酸。传统的豆制品是我国人民长期食用的植物蛋白的主要来源，而针对于麦麸蛋白这种植物蛋白的提取利用的研究较少[1-3]。

膳食纤维根据溶解性的不同，可分为水溶性膳食纤维和水不溶性膳食纤维两类。膳食纤维具有持水力、结合和交换阳离子、吸附螯合有机化合物、有类似填充剂的容积和改变肠道系统中的微生物群系组成的作用。被营养学家称为“第七大营养素”，膳食纤维的生理作用有降低胆固醇、改善血糖生成反应、预防便秘、结肠癌和解毒等。因麸皮中含有大量的对人体有益的膳食纤维，所以，对其进行深入研究极具价值[4-7]。本实验探讨提取麦麸蛋白及麦麸膳食纤维的方法，采用响应面法对提取工艺进行优化，为麦麸的进一步综合利用提供依据。

1 材料、方法与仪器

1.1 材料、试剂与仪器

麦麸 江苏海福食品有限公司。95%乙醇、硫酸铵、NaOH(均为分析纯)。

TDL-5-A离心机 上海安亭科学仪器厂；SHA-C恒温振荡器 常州国华电器有限公司；HG202-2(2A/2AD)电热干燥箱 南京盈鑫实验仪器厂；ALpHA2-4型真空冷冻干燥机 德国Christ公司。

1.2 方法[9-14]

1.2.1 麸皮蛋白质的制备

麦麸粉碎过100目筛，然后加入淀粉酶。水浴加热后，按料液比1:15(g/mL)加入95%乙醇-0.05mol/L NaOH溶液，经4500r/min离心分离10min得到沉淀和上清液。沉淀经过漂白、105℃干燥4h得到水不溶性膳食纤维，根据国标测定其纯度；上清液加入饱和硫酸铵溶液，经4500r/min离心分离10min得到上清液和沉淀。上清液经过旋转蒸发仪进行浓缩，控制加热温度85℃、真空度0.08MPa以上，浓缩液加入约4倍体积的95%乙醇，隔夜静置得到水溶性膳食纤维；沉淀经过透析、最后通过－50℃，0.05MPa冷冻干燥10h得到麸皮蛋白质。

式中：m1为上清液中的蛋白质量；m2为原料质量。

式中：w1为提取的水不溶性膳食纤维质量；w2为水不溶性膳食纤维纯度[15]；w3为原料中应有的膳食纤维质量。

式中：W1为提取的水溶性膳食纤维质量；W2为原料质量。

1.2.2 影响麦麸蛋白质得率的单因素试验

1.2.2.1 醇碱比对蛋白质得率的影响

醇碱比分别为3:1、2:1、1:1、1:2、1:3、1:4，50℃浸提90min，以30%的硫酸铵沉淀蛋白质，以蛋白质得率为评价指标，考察醇碱比对麦麸蛋白质得率的影响。

1.2.2.2 提取温度对蛋白质得率的影响

采用醇碱比1:2，分别于40、45、50、55、60℃条件下浸提90min，以30%的硫酸铵沉淀蛋白质，以蛋白质得率为评价指标，考察提取温度对麦麸蛋白质得率的影响。

1.2.2.3 硫酸铵饱和度对蛋白质得率的影响

采用醇碱比1:2，50℃浸提90min，分别以20%、30%、40%、50%的硫酸铵沉淀蛋白质，以蛋白质得率为评价指标，硫酸铵饱和度对麦麸蛋白质得率的影响。

1.2.3 影响麦麸水不溶性膳食纤维提取率的单因素试验

1.2.3.1 酶添加量对提取率的影响

分别以添加量200、300、400、500U/g将α-淀粉酶添加到麦麸中，以1:10(g/mL)的料液比55℃酶解40min，然后采用醇碱比1:2，50℃浸提90min，以提取率为评价指标，考察酶添加量对麦麸水不溶性膳食纤维提取率的影响。

1.2.3.2 酶反应温度对提取率的影响

添加300U/g α-淀粉酶到麦麸中，以1:10(g/mL)的料液比分别在45、50、55、60、65℃条件下酶解40min，然后采用醇碱比1:2，在50℃条件下浸提90min，以提取率为评价指标，考察酶反应温度对麦麸水不溶性膳食纤维提取率的影响。

1.2.3.3 酶反应料液比对提取率的影响

添加300U/g α-淀粉酶到麦麸中，分别以1:8、1:10、1:12、1:15(g/mL)的料液比在55℃条件下酶解40min，然后采用醇碱比1:2，在50℃条件下浸提90min，以提取率为评价指标，考察酶反应料液比对麦麸水不溶性膳食纤维提取率的影响。

1.2.4 麦麸蛋白质和水不溶性膳食纤维提取工艺的优化

表1 响应面分析因素与水平表Table 1 Factors and levels in the response surface analysis

在单因素试验的基础上，以α-淀粉酶添加量、酶反应温度、酶反应料液比、醇碱比、醇碱反应温度和硫酸铵饱和度为自变量，蛋白质得率、水不溶性膳食纤维提取率为响应值，设计六因素五水平的二次回归方程拟合自变量和蛋白质得率和水不溶性膳食纤维提取率之间的函数关系，采用响应面分析方法优化提取工艺。试验设计因素水平见表1。

2 结果与分析

2.1 麦麸蛋白提取工艺单因素试验

2.1.1 醇碱比对蛋白质得率的影响

图1 醇碱比对蛋白质得率的影响Fig.1 Effect of ethanol/alkali ratio on extraction rate of wheat bran protein

由图1可知，随着醇碱比的增加，蛋白质得率也随之升高。在醇碱比达到1:2前，蛋白质得率增幅较为明显。当醇碱比小于1:1时，蛋白质得率明显偏低，所以选择醇碱比1:3 左右较为适宜。

2.1.2 提取温度对蛋白质得率的影响

图2 提取温度对蛋白质得率的影响Fig.2 Effect of extraction temperature on extraction rate of wheat bran protein

由图2可知，随着温度的增加，蛋白质得率也随之升高。在温度达到50℃前，蛋白质得率增幅较为明显。当温度小于45℃时，蛋白质得率明显偏低，所以选择温度50℃左右较为适宜。

2.1.3 硫酸铵饱和度对蛋白质得率的影响

由图3可知，随着硫酸铵饱和度的增加，蛋白质得率也随之升高。在硫酸铵饱和度达到30%前，蛋白质得率增幅较为明显。当硫酸铵饱和度大于40%时，蛋白质得率尽管增加，但增幅较小，且在透析时会消耗大量的时间，同时需要消耗更多的硫酸铵。从经济角度考虑，选择30%左右的硫酸铵饱和度较为适宜。

图3 硫酸铵饱和度对蛋白质得率的影响Fig.3 Effect of ammonium sulfate saturation degree on extraction rate of wheat bran protein

2.2 麦麸水不溶性膳食纤维提取工艺单因素试验

2.2.1 酶添加量对水不溶性膳食纤维提取率的影响

图4 酶添加量对水不溶性膳食纤维提取率的影响Fig.4 Effect of enzyme addition amount on extraction rate of waterinsoluble fiber

由图4可知，随着淀粉酶添加量的增加，水不溶性膳食纤维的提取率逐渐增加，当淀粉酶添加量达400U/g时，提取率最高，当淀粉酶添加量进一步增加，水不溶性膳食纤维的提取率反而下降。因麦麸表面覆盖着大量淀粉，淀粉酶添加量过低，淀粉水解不完全，而淀粉酶添加量过高，易使其中的半纤维素等生理活性物质溶出，造成提取率降低，故选择α-淀粉酶的浓度在0.3U/g左右为宜[16]。

2.2.2 酶反应温度对水不溶性膳食纤维提取率的影响

图5 酶反应温度对水不溶性膳食纤维提取率的影响Fig.5 Effect of enzymatic reaction temperature on extraction rate of water-insoluble fiber

由图5可知，随着酶反应温度的增加，水不溶性膳食的提取率逐渐增加，当酶反应温度达55℃时，提取率最高，当酶反应温度进一步增加，水不溶性膳食的提取率反而下降。因为过高温度使淀粉酶失活，水解淀粉的效率降低，故选择酶反应温度在55℃左右为宜。

2.2.3 酶反应料液比对水不溶性膳食纤维提取率的影响

图6 酶反应料液比对水不溶性膳食纤维提取率的影响Fig.6 Effect of material/liquid ratio on extraction rate of waterinsoluble fiber

由图6可知，随着酶反应料液比的增加，水不溶性膳食的提取率逐渐增加，当酶反应料液比达1:10时提取率最高，当酶反应料液比进一步增加，水不溶性膳食纤维的提取率反而下降。因过高的料液比使淀粉酶添加量降低，水解淀粉的效率降低，故选择酶反应料液比在1:10左右为宜。

2.3 麦麸蛋白质和水不溶性膳食纤维提取工艺的优化

2.3.1 数学模型的建立与检验

本试验利用Design-Expert 7.0 Trial软件中的中心组合设计(CCD)选项，可获得麦麸蛋白和水不溶性膳食纤维提取的六因素五水平试验设计及结果(表2)。对2结果进行统计分析，可建立如下二次回归方程：

对二次回归方程进行方差分析，结果见表3、4。从表 3 可知，Y1的 X4、X5、X6、X1X5、X4X5、X5X6均表现出了显著水平；从表4可知，Y2的X1、X2、X3、X5、X1X3、X1X4、X4X5均表现出了显著水平，二次回归方程整体模型比较显著，并且失拟项不显著，该回归模型与实测值能较好地拟合。

表2 响应面分析方案及试验结果Table 2 Experimental design and results of response surface analysis

表3 蛋白质得率回归方程方差分析表Table 3 Variance analysis for the yield of wheat bran protein with various extraction conditions

表4 水不溶膳食纤维提取率回归方程方差分析表Table 4 Variance analysis for the yield of wheat bran water-insoluble fiber with various extraction conditions

2.3.2 响应面分析

为了考察交互项对提取率的影响，在其他因素条件固定不变的情况下，考察交互项对提取率的影响，对模型进行降维分析。经Design-Expert 7.0 Trial软件分析，所得的响应面及其等高线图见图7。

图7 各两因素交互作用的响应面及等高线图Fig.7 Response surface and contour of the effects of any two factors on the yield of wheat bran protein

由图7可知，随着每个因素的增大，响应值增大；当响应值增大到极值后，随着因素的增大，响应值逐渐减小；在交互项对蛋白质得率和水不溶性膳食纤维提取率的影响中，酶添加量与反应温度、醇碱比与反应温度、硫酸铵饱和度与反应温度对蛋白质得率影响较显著；酶添加量与酶反应料液比、醇碱比与酶添加量对水不溶性膳食纤维提取率的影响较显著。

2.3.3 提取工艺的优化与验证

经Design-Expert 7.0 Trial软件分析优化，可得到麦麸蛋白和水不溶性膳食纤维最佳提取工艺参数为：酶添加量273U/g、酶反应温度56.2℃、酶反应料液比1:11.8、醇碱比1:3.8、反应温度51.1℃、硫酸铵饱和度33%。在此最佳工艺条件下麦麸蛋白质的理论得率为5.29803%；水不溶性膳食纤维的理论得率为89.0634%。考虑到可操作性，将最优提取条件定为酶添加量270U/g、酶反应温度56℃、酶反应料液比1:12、醇碱比1:4、反应温度51℃、硫酸铵饱和度33%。用此最优提取条件进行验证，得到麦麸蛋白质的得率为5.23%，水不溶性膳食纤维得提取率为88.76%，与理论值较为接近，表明数学模型对优化麦麸蛋白和水不溶性膳食纤维的提取工艺是可行的。

3 结 论

在单因素试验基础上，采用二次通用旋转组合设计，以α-淀粉酶添加量、酶反应温度、酶反应料液比、醇碱比、醇碱反应温度和硫酸铵饱和度为试验因素，以蛋白质得率、水不溶性膳食纤维提取率响应值，得到蛋白质得率、水不溶性膳食纤维的六元二次数学回归模型。通过回归模型的分析可知，α-淀粉酶添加量、酶反应温度、酶反应料液比和醇碱反应温度对水不溶性膳食纤维提取率的影响较显著；醇碱比、醇碱反应温度和硫酸铵饱和度对蛋白质得率的影响较显著。交互项中酶添加量与反应温度、醇碱比与反应温度、硫酸铵饱和度与反应温度对蛋白质得率影响较显著；酶添加量与酶反应料液比、醇碱比与酶添加量对水不溶性膳食纤维提取率的影响较显著。对回归模型进行分析，得出麦麸蛋白和水不溶性膳食纤维最佳提取工艺参数为酶添加量270U/g、酶反应温度56℃、酶反应料液比1:12、醇碱比1:4、反应温度51℃、硫酸铵饱和度33%，在此条件下得到麦麸蛋白质的得率为5.23%，水不溶性膳食纤维得提取率为88.76%，水溶性膳食纤维得率为3.08%。该数学模型对优化麦麸蛋白和水不溶性膳食纤维的提取工艺可行。

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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

江苏省科学技术厅科技攻关项目(BE2007312)

袁建(1965—)，男，教授，本科，研究方向为食品科学。E-mail：yuanjian@njue.edu.cn