响应面实验优化小麦胚芽淀粉酶解工艺

HJFNS

Hans Journal of Food and Nutrition Science

2166-613X

Scientific Research Publishing

10.12677/HJFNS.2018.74032

HJFNS-27361

HJFNS20180400000_77026352.pdf

医药卫生

响应面实验优化小麦胚芽淀粉酶解工艺 Optimization of Enzymolysis Conditions for Treatment of Wheat Germ Starch Using Response Surface Methodology

叶

云芳

²¹刘

咏

²¹汪

苗苗

²¹王

军辉

²¹

合肥工业大学食品与生物工程学院，安徽合肥

null

31082018

0704265273

2014

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

在加酶量、料液比、酶解时间及酶解温度四个单因素试验的基础上，运用响应面分析法，以小麦胚芽中还原糖含量为评价指标，对α-淀粉酶酶解小麦胚芽中淀粉的最佳工艺进行了研究，并利用统计学方法建立了α-淀粉酶酶解小麦胚芽淀粉的二次多项数学模型。结果表明,最佳酶解条件为：酶添加量44 U/mL，酶解温度88℃，酶解时间70 min。在此条件下酶解产物的还原糖含量达(14.75 ± 0.36)%。该试验用响应面法优选出的酶解工艺合理可行，为小麦胚芽固体饮料的开发提供了理论依据。 Based on the four single-factor experiments, namely enzyme dosage, solid-liquid ratio, tempera-ture and time, the optimization of enzymolysis conditions for treatment of wheat germ starch by α-amylase was studied using response surface methodology. A second-order mathematic model for the enzymolysis of wheat germ starch was established by statistical methods. The results showed that the optimal enzymolysis conditions were as follows: the enzyme dosage of 44 U/mL at 88˚C for 70 min. Under the optimal enzymolysis conditions, the reducing sugar content was obtained to (14.75 ± 0.36)%. The optimized enzymolysis conditions were proved reasonable and feasible, which can provide a theoretical basis for the development of wheat germ solid beverages.

小麦胚芽，酶解，响应面法，工艺优化, Wheat Germ Enzymolysis Response Surface Methodology Process Optimization

响应面实验优化小麦胚芽淀粉酶解工艺

叶云芳，刘咏^*，汪苗苗，王军辉

合肥工业大学食品与生物工程学院，安徽合肥

收稿日期：2018年10月8日；录用日期：2018年10月24日；发布日期：2018年10月31日

摘要

关键词 :小麦胚芽，酶解，响应面法，工艺优化

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

小麦胚芽又称麦芽粉、胚芽，金黄色颗粒状，是小麦发芽和生长的器官，约占小麦籽粒重量的2%~3% [1] 。小麦胚芽富含高品质蛋白质和脂肪酸、维他命E、B1和膳食纤维以及生理活性物质如黄酮类化合物和甾醇，营养价值非常的高 [2] 。但是由于小麦胚芽高灰分和色泽的影响，若将其混入面粉中，会影响面粉的色泽，也不利于面粉的长期贮藏。因此在小麦制粉过程中胚芽往往被脱除,作为下脚料扔掉或用作饲料 [3] 。

目前国内外对小麦胚芽的综合开发利用有很多，包括麦胚面制品、麦胚豆制品以及小麦胚芽油等 [4] 。葛焕生 [5] 等通过优化小麦胚芽饮料加工工艺，研制出一种利于人体生理健康的天然饮料，提高了小麦胚芽的综合利用率。但是，由于小麦胚芽中含有的淀粉在经过加热后易糊化，糊化后的淀粉容易老化产生沉淀或分层，造成制成的饮料溶解性差 [6] [7] 。用α-淀粉酶处理小麦胚芽中的淀粉，使其生成小分子糊精和还原糖 [8] ，制成后的饮料溶解性比较理想。而且降低了物料的黏度，有利于小麦胚芽固体饮料制作后期喷雾干燥制粉的工艺过程。

本实验以超微粉碎的小麦胚芽粉为原料，采用α-淀粉酶进行小麦胚芽淀粉的酶解，在单因素实验的基础上，运用响应面法优化酶解条件。旨在解决淀粉引起的饮料溶解性问题，为实现规模化生产营养健康的小麦胚芽饮料提供一定的理论基础。

2. 材料与方法2.1. 材料与试剂

新鲜小麦胚芽购自河南省驻马店汝南县，将小麦胚芽放置在温度为−20℃的冰箱内，保存备用。

α-淀粉酶：国药集团化学试剂有限公司。其他试剂均为分析纯。

2.2. 试验方法2.2.1. 小麦胚芽粉的制备

将小麦胚芽放入干燥箱中烘干，使用超微粉碎机将干燥的小麦胚芽粉碎15 min，过100目筛，得到小麦胚芽粉。

2.2.2. 单因素实验

将α-淀粉酶加入到小麦胚芽粉溶液中，进行酶解条件的单因素实验。α-淀粉酶加入量为10~50 U/mL，料液比为1:8~1:16，酶解时间为30~90 min，酶解温度为80℃~100℃，逐个考察不同单因素酶解条件对还原糖含量的影响。

2.2.3. 响应面优化实验设计

根据单因素试验结果,以α-淀粉酶的添加量、酶解时间和酶解温度为影响因素，酶解后的产物还原糖含量为响应值，采用Design-Expert. V8.0.6软件进行响应面优化实验。

2.2.4. 测定指标与方法

还原糖含量的测定采用 DNS比色法 [9] 。

2.3. 数据处理与统计分析

采用Excel 2010和应用统计分析软件Origin 9.0对实验数据进行整理和分析，同时采用Design-Expert. V8.0.6统计软件进行响应面优化分析。

3. 结果与讨论3.1. 单因素实验结果3.1.1. 酶添加量对还原糖含量的影响

在料液比1:12，酶解温度为90℃的小麦胚芽粉溶液中，分别按酶添加量为10、20、30、40、50 U/mL加入α-淀粉酶水解60 min。冷却至室温，取离心后的上清液测定还原糖含量，结果见图1。当酶添加量较低时，小麦胚芽酶解液中还原糖含量呈现显著增大的趋势。这可能是因为在酶解反应的初期，反应速率与酶含量成正比。增加酶含量，底物与酶充分接触、结合，淀粉颗粒迅速被降解成小分子的糖类，因此酶解液中还原糖含量不断增加。当继续增加酶浓度时，底物与酶分子的结合程度达到饱和，没有更多的接触位点与底物结合反应，还原糖含量趋于平缓。因此，α-淀粉酶酶添加量最适宜单因素浓度为40 U/mL，可得还原糖含量为(6.40 ± 0.009)%。

图1. 加酶量对还原糖含量的影响

3.1.2. 料液比对还原糖含量的影响

在加酶量为40 U/mL，酶解温度为90℃，酶解时间60 min的条件下，研究料液比1:8、1:10、1:12、1:14、1:16对酶解反应还原糖含量的影响。冷却至室温，取离心后的上清液测定还原糖含量，结果如图2所示。随着溶剂用量的增加，还原糖含量逐渐增大，当料液比在1:10时，还原糖含量达到最大值。随后再增大溶剂用量，还原糖含量随之降低。这可能是由于较大的料液比将淀粉酶和底物浓度稀释，酶解效果反而下降。因此，最适宜的料液比为1:10，还原糖含量为(9.48 ± 0.013)%。

图2. 料液比对还原糖含量的影响

3.1.3. 酶解时间对还原糖含量的影响

选取最适宜料液比1:10、加酶量为40 U/mL的小麦胚芽液，酶解温度90℃，考察酶解时间分别为30、45、60、75、90 min对酶解反应还原糖含量的影响。冷却至室温，取离心后的上清液测定还原糖含量，结果见图3。随着酶解时间的延长，还原糖含量先逐渐增大，超过60 min后还原糖含量随时间延长而逐渐降低，在60 min时出现最大值。酶解时间增加还原糖含量反而降低，可能是由于底物浓度的降低和产物的增加对反应的抑制作用。所以，最适酶解时间为60 min，还原糖含量为(11.62 ± 0.002)%。

图3. 酶解时间对还原糖含量的影响

3.1.4. 酶解温度对还原糖含量的影响

选取最适料液比1:10、加酶量为40 U/mL的小麦胚芽液以最适酶解时间60 min，在80℃-100℃的温度梯度下分别进行酶解反应。冷却至室温，取离心后的上清液测定还原糖含量，结果见图4。在80℃~90℃范围内，还原糖含量随着温度的上升而增加，这可能是由于淀粉在加热条件下吸水膨胀，更容易与淀粉酶接触反应。继续增加酶解温度，还原糖含量降低，这可能是因为高温下部分α-淀粉酶失活，酶解反应下降。所以，最适酶解温度为90℃，其还原糖含量为(13.75 ± 0.003)%。

图4. 酶解温度对还原糖含量的影响

3.2. 响应面法优化酶解条件3.2.1. 响应面法优化实验设计

以α-淀粉酶加酶量、酶解时间及酶解温度为影响因素，酶解产物还原糖含量为响应值，采用Design-Expert. V8.0.6软件进行设计与分析，通过响应面法优化酶解工艺，实验因素水平设计见表1。

Table 1 Factors and levels used in Box-Behnken experimental desig

因素	水平
因素	−1	0	1
A酶添加量/(U∙mL⁻¹)	35	40	45
B酶解温度/(℃)	85	90	95
C酶解时间/(min)	50	60	70

表1. Box-Behnken试验设计因素及水平

3.2.2. 响应面法的实验设计与结果

根据Box-Behnken试验设计原理，结合单因素实验结果，酶解工艺响应面优化的数据结果如表2所示。

Table 2 BBD and results for amylase hydrolysi

试验号	A:酶添加量/(U·mL⁻¹)	B:酶解温度(℃)	C:酶解时间/(min)	还原糖含量%
1	1 (45)	1 (95)	0 (60)	12.97
2	1	0 (90)	1 (70)	14.74
3	0 (40)	0	0	13.65
4	−1 (35)	−1 (85)	0	11.45
5	0	−1	−1 (50)	10.64
6	0	0	0	13.86

7	0	0	0	13.95
8	0	1	1	14.45
9	0	0	0	14.04
10	−1	1	0	12.17
11	0	1	−1	11.94
12	−1	0	1	13.05
13	0	−1	1	14.05
14	1	0	−1	12.02
15	0	0	0	14.32
16	1	−1	0	13.86
17	−1	0	−1	10.55

表2. 酶解反应响应面优化设计与试验结果

根据表2结果，利用Design-Expert. V8.0.6软件建立小麦胚芽粉酶解液还原糖含量(Y)对酶添加量(A)、酶解温度(B)、酶解时间(C)的二次多项回归模型：Y = 13.964 + 0.79625A + 0.1925B + 1.39125C − 0.4025AB + 0.055 AC − 0.2225BC − 0.7645A² − 0.587B² − 0.6095C²。

还原糖含量(%)在回归方程中，A、B、C变量的正系数表明该变量的正向变化能引起响应值的增加，负的二次项的系数表明方程的抛物面开口向下，具有极大值点，能够进行最优分析 [10] 。

3.2.3. 模型的建立与显著性检验

利用Design-Expert. V8.0.6软件对各试验条件下的数据结果(表2)进行二次多元回归拟合，得到了方差分析结果，如表3所示。

Table 3 ANOVA for the fitted quadratic polynomial model on amylase hydrolysi

Source	SS	Df	MS	F-Value	Prob > F	显著性
Model	27.82	9	3.09	29.09	<0.0001	^**
A	5.07	1	5.07	47.74	0.0002	^**
B	0.3	1	0.3	2.79	0.1388
C	15.48	1	15.48	145.74	<0.0001	^**
AB	0.65	1	0.65	6.1	0.0429	^*
AC	0.01	1	0.01	0.12	0.7457
BC	0.2	1	0.2	1.86	0.2144
A²	2.46	1	2.46	23.16	0.0019	^**
B²	1.45	1	1.45	13.65	0.0077	^**
C²	1.56	1	1.56	14.72	0.0064	^**
失拟项	0.5	3	0.17	2.76	0.1756
纯误差	0.24	4	0.06
总和	28.56	16
R²	0.97
R Adj 2	0.94
R Pred 2	0.71
Adeq Precision	17.5

表3. 酶解反应响应面模型的方差分析

注：^**.P < 0.01，差异极显著；^*.P < 0.05，差异显著。

利用Design-Expert. V8.0.6软件进行二次多元回归拟合，由软件失拟项测试推荐的二次模型拟合实验数据，采用二次模型进行变异分析。回归方程中各变量对响应值(还原糖含量)影响的显著性由F检验来判定，概率P的值越小，则相应变量的显著程度越高 [11] 。由表3方差分析结果可知，总回归方程模型F检验p值 < 0.0001，达到极显著的水平。决定系数R² = 0.97，纯误差 = 0.06，说明该模型与实际值拟合良好。并且回归方程的失拟项 = 0.1756 (>0.05)，失拟性不显著，说明未知因素对实验结果干扰很小，可以用于优化小麦胚芽淀粉酶解实验的理论预测。A (p = 0.0002)、C(p < 0.0001)这2个因素对试验模型是极显著的。这3个因素对酶解反应还原糖含量影响大小排序依次是C > A > B，即酶解时间 > 酶添加量 > 酶解温度。

3.2.4. 各因素交互作用对还原糖含量的响应面分析

通过观察图5中响应面的变化情况和等高线的稀疏程度可直观地反映酶添加量(A)、酶解温度(B)、酶解时间(C)之间的交互作用对小麦胚芽淀粉酶解后的还原糖含量的影响，当等高线呈椭圆形或马鞍形时表示两因素交互作用显著，而呈圆形则表示两因素交互作用不显著 [12] 。

图5. 酶解反应三维响应面(A)、(B)、(C)和二维等高线图(a)、(b)、(c)，(a) 酶添加量与酶解温度；(b) 酶添加量与酶解时间；(c) 酶解温度与酶解时间

由图5(a)可知，酶添加量的变化曲面比酶解温度的变化曲面陡峭，说明酶解温度比酶解时间的影响更显著一些，与方差分析结果相符。由图5(b)可知，酶解时间的变化曲面和酶添加量的变化曲面均较陡峭，说明酶解时间和酶添加量对还原糖含量的影响均较显著，与方差分析结果相符。由图5(c)可知，酶解时间的变化曲面较陡峭，相比之下，酶解温度的变化曲面平缓一些，说明酶解时间较酶解温度对还原糖含量的影响显著，与方差分析结果相符。

3.2.5. 最佳条件的确定和回归模型的验证

响应面曲线及其等高线分析，模型方程优化求解表明，小麦胚芽酶解最佳工艺条件为酶添加量为44.05 U/mL，酶解温度为88.35℃，酶解时间为69.80 min，在此条件下得到的还原糖含量为14.98%。实际操作中稍作调整确定的最佳工艺条件为酶添加量44 U/mL，酶解温度88℃，酶解时间70 min，在此条件下进行验证实验，得到的还原糖含量为(14.75 ± 0.36)%，与模型的预测值基本相符。

4. 结论

本研究在单因素实验的基础上，通过响应面软件优化α-淀粉酶对小麦胚芽酶解反应后，获得的小麦胚芽最优酶解条件为酶添加量44 U/mL、酶解温度88℃和酶解时间70 min，得到的还原糖含量为(14.75 ± 0.36)%。获得还原糖含量与酶解条件各因素变量的二次方程模型，该模型回归显著，对试验拟合程度好，表明小麦胚芽淀粉酶解条件的优化准确可靠。

文章引用

叶云芳,刘咏,汪苗苗,王军辉. 响应面实验优化小麦胚芽淀粉酶解工艺 Optimization of Enzymolysis Conditions for Treatment of Wheat Germ Starch Using Response Surface Methodology[J]. 食品与营养科学, 2018, 07(04): 265-273. https://doi.org/10.12677/HJFNS.2018.74032

参考文献

References1

徐斌. 微波辐射对小麦胚芽的稳定化作用机制及其应用研究[D]: [博士学位论文]. 镇江: 江苏大学, 2011.

Gili, R.D., Irigoyen, R.M.T., Penci, M.C., et al. (2017) Physical Characterization and Fluidization Design Parameters of Wheat Germ. Journal of Food Engineering, 212, 29-37. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2017.05.011

王茜, 马娇, 陶海腾, 等. 小麦胚芽营养价值分析及开发利用[J]. 农产品加工, 2013(5): 13-15.

葛毅强, 孙爱东, 蔡同一. 麦胚食品的研制开发[J]. 山东农业大学学报, 2001, 32(2): 207-211.

葛焕生, 李书国, 于新. 小麦胚芽饮料的制作工艺研究[J]. 食品工程•技术, 2010(9): 93-95.

李忠海, 刘建军, 钟海雁, 等. 响应面法优化甘薯淀粉酶解条件的研究[J]. 中国粮油学报, 2009, 24(10): 64-69.

高义霞, 路兴旺, 吴亚楠. 响应面法优化荸荠淀粉酶解工艺及动力学研究[J]. 食品工业科技, 2015(8): 215-218.

张佳艳, 熊建文, 李嘉琪, 等. 马铃薯交联淀粉酶解工艺的研究[J]. 食品工业, 2018, 39(3): 4-7.

李湘江, 杨丹, 邢家溧, 等. α-淀粉酶和γ-淀粉酶水解麦麸淀粉工艺优化[J]. 江苏农业学报, 2018, 34(2): 447-451.

万阅, 齐计英, 曾红, 等. 响应面法优化香菇多糖的超声辅助提取工艺[J]. 生物技术通报, 2015, 31(1): 79-85.

周思思, 王榆元, 刘丹, 等. 超声波辅助提取人参花多糖工艺优化及其抗氧化活性[J]. 食品科学, 2015, 36(6): 76-81.

李斌, 雷月, 孟宪军, 等. 响应面试验优化超声波辅助提取蓝靛果多酚工艺及其抗氧化活性[J]. 食品科学, 2015, 36(22): 33-39.