玉米芯不溶性膳食纖維制備工藝的研究

馬千里，裴華，王展華*

玉米芯不溶性膳食纖維制備工藝的研究

馬千里1，3，裴華1，3，王展華2*

（1.浙江方圓檢測集團(tuán)股份有限公司，浙江杭州310018；2.浙江省食品藥品檢測研究院，浙江杭州310052；3.浙江省質(zhì)量檢測科學(xué)研究院，浙江杭州310018）

以玉米芯為原料，采用酸堿結(jié)合法提取不溶性膳食纖維，對提取過程中酸、堿用量和反應(yīng)時間進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：玉米芯在料液比1∶10（g∶mL），反應(yīng)溫度95℃，硫酸體積分?jǐn)?shù)2.0%條件下提取40 min，漂洗后，再于料液比1∶10（g∶mL），反應(yīng)溫度95℃，NaOH質(zhì)量濃度2.0 g/100 mL條件下提取60 min，可制得膨脹力為4.1 mL/g，持水力為5.1 g/g的終產(chǎn)品。產(chǎn)物的蛋白質(zhì)、淀粉含量顯著降低，分別為0.7 g/100 g、7.4 g/100 g，吸油性能有顯著提升，為2.3 g/100 g，還原能力略有下降，A700nm為0.327。

玉米芯；不溶性膳食纖維；膨脹力；持水力

膳食纖維作為一個營養(yǎng)學(xué)概念，引入學(xué)術(shù)界已經(jīng)有半個多世紀(jì)之久，雖然學(xué)術(shù)界對膳食纖維的定義還有諸多爭論，但有兩點(diǎn)是大家普遍能接受的：一是不能或者不易被人體消化道直接吸收利用；二是對人體健康有益[1]。膳食纖維在降血脂[2-6]、降血糖[2，4，6-7]方面有特殊功效，同時，還有抗氧化活性[8-10]；基于其物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)，膳食纖維具有較強(qiáng)的吸附能力，可對有害物質(zhì)形成有效的吸附[8，11-12]，又有促進(jìn)排便的作用[11，13]。膳食纖維通常又劃分為不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）和可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）兩種[13]，兩者的性質(zhì)、功能有相似也有不同之處。

玉米芯是玉米種植加工過程中產(chǎn)出的廢棄物，長期以來不能充分利用，造成了很大的浪費(fèi)。玉米芯中含有大量的纖維素、半纖維素等粗纖維[14]，是一種高效的膳食纖維原料。所以，以玉米芯為原料，生產(chǎn)不溶性膳食纖維，有一定的現(xiàn)實(shí)意義，不失為農(nóng)業(yè)廢棄物深加工的一個途徑。試驗(yàn)以玉米芯為原料，優(yōu)化不溶性膳食纖維的提取工藝，以期為玉米芯的再利用提供一種可行的方案。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米芯：產(chǎn)地山東；

硫酸（分析純）：上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉（分析純）：杭州蕭山化學(xué)試劑廠；體積分?jǐn)?shù)95%乙醇（分析純）：安徽安特食品股份有限公司；磷酸（優(yōu)級純）：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硫酸鉀、硫酸銅（均為分析純）：上海振欣試劑廠。其他化學(xué)試劑如無特殊說明均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

AL204型電子天平：梅特勒-托利多公司；TU-1901型分光光度計：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；ZHWY-110X50型往返式水浴恒溫?fù)u床：上海智城分析儀器制造有限公司；VOS-90A型真空干燥箱：施都凱儀器設(shè)備（上海）有限公司；3-18型離心機(jī)：美國Sigma公司。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1 膳食纖維制作工藝流程

完全脫粒后自然風(fēng)干的玉米芯經(jīng)粉碎后過80目篩，取篩下物進(jìn)行試驗(yàn)；酸解過程采用硫酸進(jìn)行處理，堿解過程采用NaOH進(jìn)行處理，酸解和堿解的過程均在95℃的恒溫水浴搖床內(nèi)進(jìn)行，采用120 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行振搖；酸、堿水解過后物料均需要用蒸餾水漂洗，用試紙測試洗水至中性為止，瀝干漂洗用水，方可進(jìn)行下步試驗(yàn)；制得的樣品在60℃條件下減壓干燥4 h，即得最終產(chǎn)品。

1.3.2 條件優(yōu)化方案

依照上述工藝流程進(jìn)行試驗(yàn)，分別考察酸解過程硫酸體積分?jǐn)?shù)（1.0%、1.5%、2.0%、2.5%，3.0%、3.5%、4.0%），酸解時間（20min、30min、40min、50min、60min、70min、80min），堿解過程N(yùn)aOH用量（0.5g/100mL、1.0g/100mL、1.5g/100mL、2.0 g/100 mL、2.5 g/100 mL、3.0 g/100 mL、3.5 g/100 mL），堿解時間（30 min、40 min、50 min、60 min、70 min、80 min、90min）4個因素對產(chǎn)品性質(zhì)的影響。具體操作過程中，以產(chǎn)物膨脹力和持水力為評價指標(biāo)，通過對上述4種影響因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，來獲得較適宜的工藝條件。

1.3.3 膨脹力的測定[15]

稱?。?.0±0.05）g樣品，使其自由落入量筒中，測干粉體積，加室溫蒸餾水使總體積至25 mL刻度線處，用玻棒攪拌樣品使其分散在水中，充分吸收水分，靜置，24 h后觀察飽脹樣品的體積，按下式計算膨脹力：

1.3.4 持水力的測定[15]

稱?。?.0±0.05）g樣品，放入量筒中，加入10.0 mL室溫水飽和1 h，將樣品移至濾篩布上瀝干后，把結(jié)合了水的樣品移到一表面皿中稱其質(zhì)量，按下式計算持水力：

1.3.5 吸油量的測定[16]

稱?。?.0±0.1）g待測樣品，與足量食用油一同置于離心管中，室溫靜置1 h，然后4 000 r/min離心10 min，除去上層油，用濾紙吸干殘渣表面附著的油，按下式計算吸油量：

1.3.6 還原能力的測定[17-18]

取樣品（1.0±0.05）g，加入50 mL體積分?jǐn)?shù)70%乙醇，于70℃恒溫水浴鍋中浸提6 h，抽濾后將濾液定容至50 mL待測。精確移取1.0 mL的提取物，加入2.5 mL 0.2 mol/L的磷酸鹽緩沖液（pH 6.6），2.5 mL質(zhì)量濃度1 g/100 mL的鐵氰化鉀溶液，50℃水浴反應(yīng)20 min，驟冷后加入10 g/100 mL的三氯乙酸溶液2.5 mL，取5 mL此溶液加入5 mL蒸餾水和1 mL質(zhì)量濃度1 g/L的FeCl3溶液，反應(yīng)10 min后于波長700 nm處測定吸光度值，以蒸餾水為空白。吸光度值越大說明還原能力越強(qiáng)。

1.3.7 產(chǎn)物得率的測定

準(zhǔn)確稱取原料及處理后產(chǎn)物的質(zhì)量，按下式計算產(chǎn)物得率：

1.3.8 理化性質(zhì)的測定

樣品理化性質(zhì)的檢測參考相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)[19-22]。灰分的測定參考GB 5009.4—2010《食品中灰分的測定》；蛋白質(zhì)的測定參考GB 5009.5—2010《食品中蛋白質(zhì)的測定》；淀粉的測定參考GB/T 5009.9—2008《食品中淀粉的測定》；膳食纖維的測定參考GB 5009.88—2014《食品中膳食纖維的測定》。

2 結(jié)果與分析

2.1 酸解過程硫酸體積分?jǐn)?shù)的確定

以玉米芯顆粒為原料，分別以體積分?jǐn)?shù)1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的硫酸溶液按料液比1∶10（g∶mL）拌料，酸解60 min，經(jīng)漂洗后，再以3.0 g/100 mL的NaOH溶液按料液比1∶10（g∶mL）拌料，堿解時間60 min。經(jīng)漂洗，烘干后，測定產(chǎn)物的膨脹力和持水力。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 硫酸體積分?jǐn)?shù)對產(chǎn)物品質(zhì)的影響Fig.1 Effect of H2SO4concentration on product properties

由圖1可知，在酸解步驟硫酸體積分?jǐn)?shù)為1.0%～2.0%的范圍內(nèi)，產(chǎn)物的膨脹力和持水力均隨硫酸用量的增加而逐漸增大，＞2.0%后趨于穩(wěn)定，品質(zhì)達(dá)到最好。硫酸充分滲透到淀粉顆粒內(nèi)部，催化裂解淀粉中的糖苷鍵，使淀粉的聚合度受到削弱，進(jìn)而形成低黏度的糊液，經(jīng)水洗被除去。隨著硫酸體積分?jǐn)?shù)的增加，反應(yīng)加劇，使得淀粉去除更充分。同時，在該條件下，體系對纖維素的破壞可以忽略。結(jié)果使玉米纖維素的間隙增大，有利于對水的蓄積?？紤]產(chǎn)品品質(zhì)因素，選擇體積分?jǐn)?shù)2.0%的硫酸為玉米膳食纖維提取的試驗(yàn)條件。

2.2 酸解時間的確定

以玉米芯顆粒為原料，以體積分?jǐn)?shù)2.0%的硫酸溶液按料液比1∶10（g∶mL）拌料，分別酸解20 min、30 min、40 min、50 min、60min、70min、80min，經(jīng)漂洗后，再以3.0 g/100 mL的NaOH溶液按料液比1∶10（g∶mL）拌料，堿解時間60 min。經(jīng)漂洗、烘干后，測定產(chǎn)物的膨脹力和持水力，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 酸解時間對產(chǎn)物品質(zhì)的影響Fig.2 Effect of acidolysis time on product properties

由圖2可知，產(chǎn)物的膨脹力和持水力均隨酸解時間的增加而增大，特別是膨脹力，增幅更顯著，酸解時間超過40 min后，性質(zhì)趨于穩(wěn)定。水解時間過短，樣品中的淀粉去除率較低，產(chǎn)物的多孔特性增長不明顯，這是因?yàn)榈矸壑械奶擒真I鍵能較高，水解較緩慢；隨著反應(yīng)時間的延長，反應(yīng)逐漸達(dá)到平衡，繼續(xù)增加反應(yīng)時間對產(chǎn)物的理化性質(zhì)不再有顯著影響，相反卻增加了生產(chǎn)成本。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮多種因素，選擇40 min為適宜的酸解時間。

2.3 堿解過程堿用量的確定

以玉米芯顆粒為原料，以體積分?jǐn)?shù)2.0%的硫酸溶液按料液比1∶10（g∶mL）拌料，酸解40 min，經(jīng)漂洗后，再分別以0.5 g/100 mL、1.0 g/100 mL、1.5 g/100 mL、2.0 g/100 mL、2.5 g/100 mL、3.0g/100mL、3.5 g/100 mL的NaOH溶液按料液比1∶10（g∶mL）拌料，堿解時間60 min，經(jīng)漂洗、烘干后，測定產(chǎn)物的膨脹力和持水力。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 NaOH質(zhì)量濃度對產(chǎn)物品質(zhì)的影響Fig.3 Effect of NaOH concentration on product properties

由圖3可知，產(chǎn)物的膨脹力和持水力均隨堿液濃度的增加而增大，尤其是持水力，增幅更顯著，當(dāng)NaOH質(zhì)量濃度為2.0 g/100 mL時，產(chǎn)物性能最佳，繼續(xù)增大堿液濃度，產(chǎn)物性能并沒有提高。堿解過程的主要作用是去除原料中的蛋白質(zhì)和少許的脂類，蛋白質(zhì)多是極性分子，在玉米芯中與之結(jié)合的位置也應(yīng)該是個具有極性的位點(diǎn)，同樣，水分子也是極性分子，故而與上述位點(diǎn)結(jié)合的能力較強(qiáng)，可以在原有蛋白質(zhì)解離所造成的空穴中與該位點(diǎn)結(jié)合，同時又不額外占用空間位置，這或許可以用來解釋產(chǎn)物持水力比膨脹力增幅大的現(xiàn)象。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選擇2.0g/100mL的NaOH溶液為玉米膳食纖維提取的試驗(yàn)條件。

2.4 堿解時間的確定

以玉米芯顆粒為原料，以體積分?jǐn)?shù)2.0%的硫酸溶液按料液比1∶10（g∶mL）拌料，酸解40 min，經(jīng)漂洗后，再以2.0 g/100 mL的NaOH溶液按料液比1∶10（g∶mL）拌料，分別堿解30 min、40 min、50 min、60 min、70 min、80 min、90 min，經(jīng)漂洗、烘干后，測定產(chǎn)物的膨脹力和持水力。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 堿解時間對產(chǎn)物品質(zhì)的影響Fig.4 Effect of alkaline hydrolysis time on product properties

由圖4可知，產(chǎn)物的膨脹力和持水力均隨堿解時間的增加而增大，在60～70 min的時間段達(dá)到最大值，繼續(xù)延長堿解時間，兩參數(shù)反而有較明顯的的下降?？赡艿脑蚴情L時間的熱堿處理，樣品中的纖維素會部分的降解，聚合度降低，分子間和分子內(nèi)的各種相互作用減弱，空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)受到一定程度的破壞，對水的吸附能力會有相應(yīng)的減弱。同時，長時間的堿液處理，會使產(chǎn)物的顏色變深，降低產(chǎn)物的附加值。綜合考慮，選擇60 min為適宜的堿解時間。

2.5 工藝條件確定

根據(jù)上述條件優(yōu)化結(jié)果，以玉米芯顆粒為原料，以體積分?jǐn)?shù)2.0%的硫酸溶液按料液比1∶10（g∶mL）拌料，酸解40 min，經(jīng)漂洗后，再以2.0 g/100 mL的NaOH溶液按料液比1∶10（g∶mL）拌料，堿解60 min，經(jīng)漂洗，烘干后，即得玉米芯粗膳食纖維成品。按此工藝流程制得終產(chǎn)物，測其性能，膨脹力為4.1 mL/g，持水力為5.1 g/g。

2.6 產(chǎn)物性能的評價

按照相應(yīng)檢測方法測定原料和產(chǎn)物的理化指標(biāo)，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，在處理的過程中，原料里的淀粉和蛋白質(zhì)大部分被去除，而膳食纖維得以有效的保留。同時，測定兩者的吸油量和還原能力，可以得出，與原料玉米芯相比，經(jīng)加工制得的不溶性膳食纖維在對油脂吸附性能方面有了較大的提高，還原能力略有降低。

在生產(chǎn)加工的過程中，玉米芯中的淀粉、蛋白質(zhì)等物質(zhì)大量被去除，產(chǎn)生了大量的空隙，增加了比表面積，增強(qiáng)了產(chǎn)品的吸附能力，故而吸油量有了明顯提高。

表1 原料與終產(chǎn)物性能的比較Table 1 Comparison of properties of raw materials and final products

原料中的多酚、黃酮、維生素E（vitamin E，VE）等諸多具有抗氧化性的物質(zhì)，在生產(chǎn)過程中可能會有損失，是導(dǎo)致其還原能力降低的因素之一。究其原因，這些具有分子內(nèi)不飽和鍵的抗氧化物，其所謂的抗氧化性、還原能力、清除氧自由基能力等都有異曲同工之處，從本質(zhì)上說，都是不飽和鍵對某類活性基團(tuán)的一種“自殺式”清除，其不飽和鍵在對活性基團(tuán)清除的同時，自身機(jī)結(jié)構(gòu)也受到破壞，相應(yīng)的生物活性也會減弱或消失，故其抗氧化活性、還原能力與含量成正比。在本試驗(yàn)中，有一個熱堿處理的過程，通常情況下，這些抗氧化物在堿性條件下不穩(wěn)定，容易受到破壞[14，23]，在試驗(yàn)結(jié)果中的表現(xiàn)就是產(chǎn)物的還原能力降低。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)以產(chǎn)物膨脹力和持水力為評價指標(biāo)，通過單因素試驗(yàn)優(yōu)化工藝條件，即硫酸體積分?jǐn)?shù)2.0%，95℃酸解40 min，經(jīng)漂洗后，以2.0 g/100 mL的NaOH溶液95℃堿解60 min，再經(jīng)漂洗，烘干后，即得玉米芯不溶性膳食纖維。與原料相比，該產(chǎn)物對油脂的吸附能力有顯著提高，還原能力略有下降。該工藝方法對人員、設(shè)備、環(huán)境等要求較低，簡單易行，可操作性較強(qiáng)，有一定的推廣價值。

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Preparation technology of insoluble dietary fiber from corn cob

MA Qianli1,3,PEI Hua1,3,WANG Zhanhua2*
(1.Zhejiang Fangyuan Test Group Co.,Ltd.,Hangzhou 310018,China;2.Zhejiang Institute for Food and Drug Control,Hangzhou 310052, China;3.Zhejiang Institute of Quality Inspection Science,Hangzhou 310018,China)

The acid-alkaline based extraction technology of insoluble dietary fiber from corn cob was studied.The effects of acid addition,alkaline addition and their reaction times were investigated.The results showed that the corn cob was extracted by 2.0%H2SO4under the solid-liquid ratio 1∶10(g∶ml),temperature 95℃and extraction time 40 min.After being washed,the corn cob was extracted by 2.0 g/100 ml NaOH under the solid-liquid ratio 1∶10(g∶ml),temperature 95℃and extraction time 60 min.On these conditions,the expansibility capacity of the product was 4.1 ml/g,and the water-holding capacity was 5.1 g/g.There was a significant decrease of the product in the contents of protein and starch,which was 0.7 g/100 g and 7.4 g/100 g,respectively.And there was a significantly increase in oil binding capacity,which was 2.3 g/100 g,meanwhile,the reducing power decreased slightly,and the A700nmwas 0.327.

corn cob;insoluble dietary fiber;expansive capacity;water-holding capacity

TS213.4

0254-5071（2016）11-0158-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2016.11.033

2016-06-03

馬千里（1984-），男，工程師，碩士，研究方向?yàn)槭称焚|(zhì)量與安全。

*通訊作者：王展華（1982-），男，工程師，碩士，研究方向?yàn)槭称焚|(zhì)量與安全。