酶法提取荞麦仁中膳食纤维的研究
杨芙莲，任蓓蕾＊
（陕西科技大学生命科学与工程学院，陕西 西安 ７１００２１）
摘 要：本实验以荞麦仁为原料，采用酶法制备膳食纤维，得出最佳提取工艺，并对所得膳食纤维进行脱色研究。结果表明：最佳提取条件为：温度６０℃，ｐＨ６．０时，淀粉酶酶解６０ｍｉｎ，淀粉酶浓度０．３％；调节ｐＨ７．０，温度４０℃时，蛋白酶酶解４５ｍｉｎ，蛋白酶浓度０．３％。最佳脱色条件为：ｐＨ１１．０，Ｈ２Ｏ２浓度４％，温度９０℃，脱色时间 ９０ｍｉｎ。关键词：荞麦仁；膳食纤维；酶解；脱色
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｄｉｅｔａｒｙ Ｆｉｂｅｒ ｆｒｏｍ Ｂｕｃｋｗｈｅａｔ Ｇｒａｉｎ
ＹＡＮＧ Ｆｕ－ｌｉａｎ，ＲＥＮ Ｂｅｉ－ｌｅｉ＊
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｈａａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｉ ａｎ ７１００２１， Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ ：Ｔｈｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｅｔａｒｙ ｆｉｂｅｒ ｆｒｏｍ ｂｕｃｋｗｈｅａｔ ｇｒａｉｎ ｗｅｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｗｉｔｈ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ， ａｓｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｄｅｃｏｌｏｒｏｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｄｉｅｔａｒｙ ｆｉｂｅｒ． Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｒｅ： ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ６０ ℃， ｐＨ ６．０， ａｍｙｌａｓｅ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｔｉｍｅ ６０ ｍｉｎ， ａｍｙｌａｓｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ０．３％， ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｐＨ ｔｏ ７．０ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｏ ４０ ℃，ｐｒｏｔｅｉｎａｓｅ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｔｉｍｅ ３０ ｍｉｎ， ａｎｄ ｐｒｏｔｅｉｎａｓｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ０．３％． Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｃｏｌｏｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｒｅ： ｐＨ １１．０，ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｐｅｒｏｘｉｄｅ ４％， ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ９０℃ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ９０ ｍｉｎ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｕｃｋｗｈｅａｔ ｇｒａｉｎ；ｄｉｅｔａｒｙ ｆｉｂｅｒ；ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ；ｄｅｃｏｌｏｒｉｚａｔｉｏｎ
中图分类号：ＴＳ２５５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－６６３０（２００８）１２－０１９８－０４
收稿日期：２００７－１０－１５
基金项目：陕西科技大学科技项目（２００５Ｃ１２６）
作者简介：杨芙莲（１９６５－），女，教授，硕士，研究方向为食品加工与食品机械。Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｇｆｌ＠ｓｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ＊通讯作者：任蓓蕾（１９８３－），女，硕士研究生，研究方向为农产品加工与贮藏。Ｅ－ｍａｉｌ：０６ｒｅｎｂｅｉｌｅｉ＠ｓｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
近年来，随着人们生活水平的提高，膳食结构的变化，由于营养过剩或不平衡所造成的超重、肥胖、糖尿
病、动脉粥样硬化、冠心病等所谓的“文明病”的发病率逐年增高。大量研究结果表明，“文明病”发病率的上升与饮食中膳食纤维摄入量不足有关［１］。因此，我国对膳食纤维的生理功能做了大量研究，现已证实它具有多种生理功能，被称为“第七营养素”［２］。膳食纤维（ＤＦ）按溶解性不同可分为水溶性膳食纤维（ＳＤＦ）和水不溶性膳食纤维（ＩＤＦ）两类。二者在人体内所具有的生理结构和保健作用不同，可溶性膳食纤维在许多方面具有比不溶性膳食纤维更强的生理功能，如持水率高，防便秘，降低胆固醇等［３］。
荞麦又名三角麦、乌麦，是一种耐冷冻、耐瘠薄环境的双子叶蓼科植物。我国是世界荞麦的主产区，常年种植面积在２７０万公顷，占世界总面积的５５％，年产量约２６３万吨左右，总产量居世界第二［４］。由于目前还未开发出综合利用荞麦的方法，大多荞麦残渣通常被撇弃不用或廉价处理，造成了大量荞麦资源浪费。从荞麦中提取
膳食纤维，可以经济有效地利用资源，延长荞麦加工的产业链，提高荞麦的综合利用价值，为荞麦产区调整产业结构、促进地区农业经济的良性发展、形成特色农业的架构提供技术支撑。传统的酸碱制备法成本较低，但在环保上存在弊端。本实验探讨了快速、高效、无污染的酶法制备膳食纤维，并对所得膳食纤维进行了脱色研究。１材料与方法１．１
材料与试剂
荞麦仁（产地：陕西神木）１０５℃烘箱中烘干，粉碎，过４０目筛。
淀粉酶（２０００Ｕ／ｇ，食品级） 北京美的生物技术有限公司；蛋白酶（８００００Ｕ／ｇ，食品级） 广西南宁庞博生物工程有限公司；Ｈ２Ｏ２、ＨＣｌ、ＮａＯＨ等均为分析纯。１．２
仪器与设备
ＦＷ－４００Ａ倾斜式高速万能粉碎机、ＢＳ３２３Ｓ型分析天
平、ＨＳ．２型电热恒温水浴锅、ＰＢ－１０酸度计、ＲＥ－５２Ａ旋转
＇
蒸发仪、ＳＨＢ－３循环水多用真空泵、ＤＧ／２０－００２ 台式干燥箱、ＬＧ１０－２４Ａ离心机、ＷＳＢ－３Ａ数显白度仪、４０目、１４０目筛等。
１．３方法
１．３．１常规营养成分的测定
蛋白质：半微量凯氏定氮法；脂肪：索氏提取法；总糖：蒽酮比色法；淀粉：酸水解法；粗纤维：重量法；水分：１０５℃烘箱干燥法。
１．３．２膳食纤维的提取
１．３．２．１提取路线
荞麦仁→粉碎→过筛→淀粉酶水解→除去酶解液→蛋白酶水解→除去酶解液→干燥→脱色→成品１．３．２．２提取方法［５］
准确称取荞麦仁１０ｇ 于２５０ｍｌ烧杯中，加１００ｍｌ蒸馏水，加热煮沸１５ｍｉｎ，使荞麦仁充分吸水膨胀，然后冷却至室温，在托盘天平上称量并补充水分，使总的质量与煮沸前相等，记为ｍ１。在电热炉上稍微加热升温至 ６０℃，用 １ｍｏｌ／Ｌ的 ＨＣｌ 溶液和 ０．５ｍｏｌ／Ｌ 的 ＮａＯＨ 溶液调节ｐＨ值为６．０±０．２，将烧杯放在 ６０℃（淀粉酶最适温度）的恒温水浴箱里，加适量淀粉酶并用搅拌器搅拌使其充分反应，用１４０目筛洗涤多次，除去酶解液，收集荞麦残渣于原烧杯中。然后调节温度为 ４０℃（蛋白酶最适温度），用１ｍｏｌ／Ｌ ＨＣｌ溶液和 ０．５ｍｏｌ／Ｌ ＮａＯＨ 溶液调节 ｐＨ值为７．０±０．２，在 ４０℃恒温水浴箱内，加入蛋白酶，在搅拌器搅拌下充分反应，用１４０目筛洗涤酶解液多次，收集荞麦残渣，于１０５～１１０℃鼓风干燥箱内脱水干燥至恒重， 记为ｍ２，即得粗膳食纤维。
ｍ２－ｍ１
粗膳食纤维提取率（％）＝—————×１００
１０
１．３．３膳食纤维的脱色
１．３．３．１脱色方法
称取１．５ｇ提取所得的粗膳食纤维，按料液比１：１２加入一定量的Ｈ２Ｏ２，调成浆状液，在一定温度，一定ｐＨ值条件下，搅拌反应一定时间，洗去反应液，干燥残渣，即得脱色的膳食纤维。
１．３．３．２白度测定
本实验采用ＷＳＢ－３Ａ型数显白度仪测定脱色产品白度，用Ｈｕｎｔｅｒ白度表示，数值越大，表示膳食纤维样品颜色越浅。
１．３．４提取工艺条件的确定
１．３．４．１单因素试验设计
主要分析淀粉酶浓度、淀粉酶酶解时间、蛋白酶浓度、蛋白酶酶解时间四个因素对提取荞麦膳食纤维的影响。提取单因素试验水平表见表１。１．３．４．２正交试验设计
根据单因素试验，选出对提取率影响较大的条件进行正交试验，以提取率为参考指标，确定最优提取工艺。进行Ｌ９（３４）正交试验，各因素水平见表２。
１．３．５脱色工艺条件的确定
１．３．５．１单因素试验设计
主要分析Ｈ２Ｏ２浓度、ｐＨ值、温度与时间四个单因素对荞麦膳食纤维脱色的影响，因素水平见表３。
１．３．５．２正交试验设计
根据单因素试验，选出对脱色影响较大的条件进行正交试验，以脱色后的白度值为参考指标，确定最优脱色工艺。进行Ｌ９（３４）正交试验，各因素水平见表４。
２结果与分析
表３ 脱色单因素试验水平表
Table 3 Factors and levels of single factor test on decolorization 因素
水平
１２３４５６Ｈ２Ｏ２浓度（％）４６８１０１２—ｐＨ７８９１０１１１２温度（℃）７０８０９０———时间（ｍｉｎ）６０９０１２０１５０——
水平
因素
Ａ ｐＨＢ Ｈ２Ｏ２浓度（％）Ｃ 温度（℃）Ｄ 时间（ｍｉｎ）１９４７０６０
２１０６８０９０
３１１８９０１２０
表４ 脱色因素水平表
Table 4 Factors and levels of orthogonal test on decolorization
表１ 提取单因素试验水平表
Table 1 Factors and levels of single factor test on enzymatic
extraction of dietary fiber
因素
水平
１２３４５淀粉酶酶解时间（ｍｉｎ）１５３０４５６０７５淀粉酶浓度（％）０．１０．２０．３０．４０．５蛋白酶酶解时间（ｍｉｎ）１５３０４５６０７５蛋白酶浓度（％）０．１０．２０．３０．４０．５
表２ 提取因素水平表
Table 2 Factors and levels of orthogonal test on enaymatic
extraction of dietary fiber
因素
水平Ａ淀粉酶酶解Ｂ淀粉酶Ｃ蛋白酶酶解Ｄ蛋白酶时间（ｍｉｎ）浓度（％）时间（ｍｉｎ）浓度（％）１３００．２３００．２
２４５０．３４５０．３
３６００．４６００．４
２．１提取工艺试验结果
２．１．１
淀粉酶酶解时间对提取率的影响
图１ 淀粉酶水解时间对提取率的影响
Fig.1 Effects of amylolysis time on extraction rate
９５９０８５８０７５７０６５５００
１０
２０
３０
４０
５０
６０
７０
８０
提取率（％）
淀粉酶水解时间（ｍｉｎ）
从图１得出，随着反应时间的延长，提取率不断降低。２５～６０ｍｉｎ时变化缓慢，而６０ｍｉｎ以后又急剧降低。这是因为随着反应时间延长，淀粉酶与淀粉充分接触，所得的膳食纤维纯度提高。因此选用反应时间为６０ｍｉｎ为宜。２．１．２
淀粉酶浓度对提取率的影响
图２ 淀粉酶浓度对提取率的影响
Fig.2 Effects of amylase concentration on extraction rate
８０７５７０６５６０５５５００
０．１０．２０．３０．４０．５０．６
提取率
（％）
淀粉酶浓度（％）
从图２得出，随淀粉酶浓度的增大，膳食纤维的提取率不断降低。０．１％～０．３％时变化幅度较小，０．３％～０．４％降低幅度较大，０．４％之后降低幅度减小。这是因为随着酶浓度的增大，与淀粉接触机会增加使得淀粉分解充分，膳食纤维纯度提高。而当浓度增大到一定程度时，反应趋于饱和，因此曲线变化较小。所以淀粉酶浓度以０．４％为宜。２．１．３
蛋白酶酶解时间对提取率的影响
图３ 蛋白酶酶解时间对提取率的影响
Fig. 3 Effects of proteolysis time on extraction rate
９０８８８６８４８２８０７８７６０
２０
４０
６０
８０
提取率（％）
蛋白酶水解时间（ｍｉｎ）
率急剧下降。这是因为时间短时水解不充分，可能还存在未分解的蛋白质。考虑到膳食纤维的纯度及提取率，反应时间为４５ｍｉｎ较好。２．１．４
蛋白酶浓度对提取率的影响
图４ 蛋白酶浓度对提取率的影响
Fig. 4 Effects of proteinase concentration on extraction rate
９０８５８０７５７０６５６００
０．１
０．２
０．３
０．４
０．５
０．６
提取率（％）
蛋白酶浓度（％）
序号
ＡＢＣＤ提取率（％）１１１１１８８．９０２１２２２８７．３８３１３３３７０．３９４２１２３６９．５７５２２３１８０．０８６２３１２８４．４３７３１３２８２．５３８３２１３９３．３２９３３２１８５．２３
Ｋ１２４６．６７２４１．００２６６．６５２５４．２１Ｋ２２３４．０８２６０．７８２４２．１８２５４．３４Ｋ３２６１．０８２４０．０５２３３．００２３３．２８ｋ１８２．２２８０．３３８８．８８８４．７４ｋ２７８．０３８６．９３８０．７３８４．７８ｋ３８７．０３８０．０２７７．６７７７．７６Ｒ
９．００
６．９１
１１．２１
７．０２
表５ 正交试验结果
Table 5 Results of orthogonal test on enzymatic extraction 由表５结果可知，在酶法提取荞麦仁膳食纤维的各个影响因素中，影响程度大小依次为：Ｃ＞Ａ＞Ｄ＞Ｂ，即蛋白酶酶解时间对膳食纤维得率影响最大，淀粉酶浓度对膳食纤维得率影响最小，最佳工艺参数组合为：Ａ３Ｂ２Ｃ１Ｄ２，即淀粉酶酶解时间为６０ｍｉｎ，淀粉酶浓度为０．３％，蛋白酶酶解时间为３０ｍｉｎ，蛋白酶浓度为０．３％。２．２脱色工艺试验结果２．２．１
Ｈ２Ｏ２浓度对脱色效果的影响
由图５可知，随着过氧化氢浓度的增加，白度不断增大，当浓度大于１０％时脱色效果不再明显增强。因此，考虑到生产成本以及脱色效果，浓度选１０％较好。
从图４得出，随蛋白酶浓度的增大，膳食纤维得率不断降低。浓度在０．１％～０．２％时变化缓慢，０．２％～０．４％变化比较大，０．４％以后变化又减缓。考虑到膳食纤维的纯度及提取率，蛋白酶浓度为０．３％较好。２．１．５
正交试验结果
从图３得出，随着反应时间的延长，提取率不断下降。反应时间为１５～３０ｍｉｎ时变化较小，大于３０ｍｉｎ后提取
图５ Ｈ２Ｏ２浓度对脱色效果影响
Fig.5 Effects of H 2O 2
concentration on decolorization
１１１０９８７６５４０
２
４
６
８
１０
１２
１４
白度过氧化氢浓度（％）
２．２．２
ｐＨ值对脱色效果的影响
图６ ｐＨ值对脱色效果的影响
Fig.6 Effects of pH value on decolorization
８．５８７．５７６．５６５．５５４．５４
５
６
７
８
９
１０
１１
１２
１３
白度
ｐＨ
序号ＡＢＣＤ白度１１１１１７．６７２１２２２７．８９３１３３３９．５３４２１２３
８．５４５２２３１７．９２６２３１２９．９８７３１３２１５．６９８３２１３１２．０２９３３２１１１．９４
Ｋ１２５．０９３１．９０２９．６７２７．５３Ｋ２２６．４４２７．８３２８．３７３３．５６Ｋ３３９．６５３１．４５３３．１４３０．０９ｋ１８．３６１０．６３９．８９９．１８ｋ２
８．８１９．２８９．４６１１．１９ｋ３１３．２２１０．４８１１．０５１０．０３Ｒ
４．８６
１．３５
１．５９
２．０１表６ 荞麦膳食纤维脱色正交试验表
Table 6 Results of orthogonal test on decolirization of dietary
fiber from buckwheat
３结 论
３．１酶法提取荞麦仁膳食纤维，用淀粉酶水解除去淀粉，蛋白酶水解除去蛋白质。其最佳工艺为：在温度６０℃，ｐＨ６．０条件下，淀粉酶酶解６０ｍｉｎ，淀粉酶浓度０．３％。调节ｐＨ值为７．０，在温度４０℃条件下，蛋白酶酶解３０ｍｉｎ，蛋白酶浓度０．３％。
３．２酶法提取荞麦膳食纤维工艺简单，因为酶的专一性及高效性，它们只水解淀粉和蛋白质，半纤维素、多缩戊糖等不会被水解而损失掉，纤维得率高、纯度高。所得纤维成分较理想，口感好，易被消化吸收，色泽较好。
３．３用Ｈ２Ｏ２对所提取的荞麦膳食纤维进行脱色，其最佳工艺为：ｐＨ１１，Ｈ２Ｏ２浓度４％，温度９０℃，反应时间９０ｍｉｎ，膳食纤维色泽为淡黄色，可作为食品添加剂使用。
参考文献：
［１］谢碧霞， 李平安． 膳食纤维［Ｍ］． 北京： 科学出版社， ２００６．
［２］
管春梅． 豆渣中制取膳食纤维提取技术的研究［Ｊ］． 中国卫生检验杂志， ２００１， １１（４）：４２９．
［３］欧仕益， 高孔荣， 吴晖． 麦麸膳食纤维清除重金属离子的研究［Ｊ］． 食品科学， １９９８， １９（９）：７－１０．
［４］赵利霞， 谭军， 潘思轶， 等． 荞麦苗的开发利用与前景展望［Ｊ］． 食品科学， ２００６， ２７（４）： ２６７－２６９．
［５］徐广超，姚惠源． 豆渣水溶性膳食纤维制备工艺的研究［Ｊ］． 河南工业大学学报： 自然科学版， ２００５， ２６（１）： ５４－５７．［６］天学森， 王亚伟， 申晓琳， 等． 影响麦麸膳食纤维得率的因素分析［Ｊ］．食品工业科技， ２００３， ２４（１）： ７７－７９．［７］冯志强， 李梦琴， 刘燕燕， 等． 生物酶法提取麦麸膳食纤维的研究［Ｊ］．现代食品科技， ２００６（１）： ９－１０．
［８］ＢＩＮＧＨＡＭ Ｓ． Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｉｎｔａｋｅｓ ｏｆ ｄｉｅｔａｒｙ ｆｉｂｅｒ ［Ｊ］． ＡｍｅｒｉｃａｎＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｌｉｎｉｃ Ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ， １９８７， ４５： １２２６－１２３１．
［９］ＭＡＹ Ｃ Ｄ． Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｅｃｔｉｎｓ： ｓｏｕｒｃｅ， ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ［Ｊ］．Ｃａｒｂｏｈｙｄｒ Ｐｏｌｙｍ， １９９０， １２：７９－９９．
［１０］力应彪， 陆强． 麦麸膳食纤维的提取技术研究［Ｊ］． 粮油加工与食品机械， ２００５（１１）： ７７－７９．
［１１］
杨芙莲， 梁平． 甜荞麦茎中类黄酮的提取纯化工艺研究［Ｊ］． 食品研究与开发， ２００７， ２８（２）： ５４－５７．
由图６可知，随着ｐＨ值的不断增大，白度不断增大。但是当ｐＨ值大于９时，脱色效果不再明显增强。因此，ｐＨ值选９较好。２．２．３
温度与时间对脱色效果的影响
图７ 温度与时间对脱色效果的影响
Fig.7 Effects of time and temperature on decolorization
反应时间（ｍｉｎ）
１６１５１４１３１２１１１０９４０
６０
８０
１００
１２０
１４０
１６０
白度
７０℃８０℃９０℃
由图７可见，温度为９０℃时脱色效果最好。随着反应时间的延长，白度先增大后降低，因为随着反应时间的延长，Ｈ２Ｏ２与膳食纤维充分反应，使白度增加，但是随着时间的继续延长，过氧化氢的有效成份已被消耗完，造成色素的沉积而导致白度降低。因此反应时间为９０～１００ｍｉｎ为宜。
２．２．４
正交试验结果
由表６可见，在影响脱色的各个因素中，影响程度大小依次为Ａ＞Ｄ＞Ｃ＞Ｂ，其中ｐＨ值对脱色效果影响最大，Ｈ２Ｏ２的浓度对脱色效果影响最小，较优的工艺参数组合为：Ａ３Ｂ１Ｃ３Ｄ２，即ｐＨ１１，Ｈ２Ｏ２浓度４％，温度９０℃，反应时间９０ｍｉｎ。