生物酶法改性玉米皮渣膳食纖維工藝研究

陳闖，張放*，杜蘭威，張美娜

（1.天津市食品研究所有限公司天津中商聯(lián)檢驗(yàn)檢測有限公司，天津 301609；2.廊坊師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河北 廊坊 065000）

玉米是中國的糧食作物之一，產(chǎn)量巨大。在玉米加工期間，產(chǎn)生了大量的玉米皮渣副產(chǎn)物。長期以來，因?yàn)榧夹g(shù)和條件的限制，其只能作為飼料或肥料，造成資源的浪費(fèi)[1]。

膳食纖維是除脂肪、維生素、碳水化合物、蛋白質(zhì)、水和礦物質(zhì)6種營養(yǎng)素之外的“第七種營養(yǎng)素”[2]。根據(jù)水溶性的差異，可分為兩類：不溶性膳食纖維和水溶性膳食纖維[3]。不溶性膳食纖維作用于腸道并促進(jìn)排便，可溶性膳食纖維可促進(jìn)血液代謝和降低膽固醇[4]，刺激胰島中的胰島素產(chǎn)生，調(diào)節(jié)血糖水平預(yù)防糖尿病的發(fā)生[5-8]。此外，研究表明，膳食纖維攝入量與乳腺癌的發(fā)生有一定的相關(guān)性[9-10]。而膳食纖維的質(zhì)量由膳食纖維中可溶性膳食纖維的含量決定[11]，在歐美市場含有水溶性膳食纖維的低能量食物很受歡迎[12]，但一般天然來源膳食纖維中的可溶性膳食纖維含量比較低。因此對膳食纖維改性具有重要意義。

目前，國內(nèi)外對膳食纖維進(jìn)行改性的方法包括空氣膨脹技術(shù)，擠壓技術(shù)，酶處理技術(shù)，濕熱處理技術(shù)和微生物技術(shù)[13]。酶改性膳食纖維使用對不溶性膳食纖維起作用的酶來降解和改變一些不溶性膳食纖維的溶解度[14]。在現(xiàn)有的酶修飾研究中，通常用纖維素酶增加水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）含量[15]，而玉米皮渣中木聚糖與細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)中的纖維素緊密連接，木聚糖酶的作用不可忽視，故本研究提出使用木聚糖酶和纖維素酶雙酶混合處理玉米皮渣，提高SDF得率。本研究實(shí)施將有利于我國玉米皮渣的精深加工與利用，可促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)發(fā)展及環(huán)境改善。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米渣：河北省滄州市淀粉加工廠；木聚糖酶（600萬U/g）、纖維素酶（200萬U/g）：寧夏夏盛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司；木瓜蛋白酶（1萬 U/g）、α-淀粉酶（15萬 U/g）、丙酮、無水乙醇（均為分析純）：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

YHG-9240A立式電熱恒溫干燥箱：上海姚氏儀器設(shè)備廠；BSY-200T粉碎機(jī)：永康市鉑歐五金制品有限公司；JA21002電子天平：上海越平科學(xué)儀器制造有限公司；TDL-40B低速離心機(jī)：上海菲恰爾分析儀器有限公司；PHS-25-01型實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)：艾普計(jì)量儀器有限公司；HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋：江蘇金壇榮華儀器制造有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 去除淀粉、蛋白質(zhì)工藝

在低溫下干燥玉米皮渣→粉碎、過40目篩→調(diào)pH7.0→溫度40℃加入蛋白酶→酶解90 min→調(diào)pH5.0→在60℃下加入0.4%的α-淀粉酶→酶解50 min→調(diào)pH4.5→溫度60℃加糖化酶→酶解90min→80℃滅酶5min→在5000r/min速度下離心過濾10min→離心沉淀洗滌3次→烘干至恒重

1.3.2 水溶性膳食纖維制備工藝

酶解去除淀粉和蛋白質(zhì)的玉米皮渣→調(diào)pH值→加木聚糖酶和纖維素酶提取膳食纖維→離心→上清液→醇沉→提取水溶性膳食纖維

1.3.3 雙酶改性制備SDF單因素試驗(yàn)

纖維素酶最適pH 4.8，溫度50℃，木聚糖酶最適pH 4～6，溫度40℃～75℃。這兩種酶有相同的作用條件，因此，在4.8的pH值和50℃的溫度下，將其一起加入以進(jìn)行改性處理。得出SDF得率，作為后續(xù)試驗(yàn)的參考指標(biāo)。

1.3.4 纖維素酶添加量單因素試驗(yàn)

稱不溶性膳食纖維 5 g，控制料液比為 1∶10（g/mL），調(diào)pH4.8，50℃酶解60 min，分別加入纖維素酶10、20、30、40、50、60 mg/g底物，將酶解后漿液在溫度100℃下滅酶5 min，3 500 r/min離心10 min，上清液置于燒瓶中，倒入其4倍體積的無水乙醇。混合均勻并靜置60 min，生成沉淀，用漏斗過濾，用80%乙醇將濾渣洗滌2次，再用丙酮洗滌1次，濾渣和濾紙一起放入55℃干燥箱中干燥至恒重，稱量，計(jì)算SDF得率。

1.3.5 木聚糖酶添加量單因素試驗(yàn)

稱不溶性膳食纖維5 g，控制料液比1∶10（g/mL），調(diào)pH4.8，控制酶解溫度為50℃，酶解60 min，底物分別添加木聚糖酶 10、20、30、40、50、60 mg/g 底物，從上清液中提取SDF以計(jì)算SDF得率。

1.3.6 料液比單因素試驗(yàn)

不溶性膳食纖維5 g，調(diào)整pH值至4.8，控制酶解溫度為50℃，酶解60 min，分別添加木聚糖酶40 mg/g底物和纖維素酶30 mg/g底物，將料液比分別調(diào)為1∶10、1∶12、1∶14、1∶16、1∶18、1∶20（g/mL）。將上清液進(jìn)行醇提取以提取SDF，計(jì)算SDF得率。

1.3.7 酶解時(shí)間單因素試驗(yàn)

稱取不溶性膳食纖維5 g，調(diào)pH4.8，在酶解溫度50℃和60 min條件下，加入纖維素酶30 mg/g底物和木聚糖酶 40 mg/g底物，接著分別酶解 40、60、80、100、120、140 min。將上清液進(jìn)行醇提取以提取SDF，并計(jì)算SDF得率。

1.3.8 正交試驗(yàn)

以SDF得率為參考指標(biāo)，以纖維素酶和木聚糖酶的添加量、料液比和酶解時(shí)間為因素，采用正交試驗(yàn)方案。因素水平和試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 雙酶改性正交試驗(yàn)因素水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.3.9 測定指標(biāo)及方法

SDF測定：取酶解后離心處理的上清液，加入4倍體積的無水乙醇使沉淀生成，用提前干燥至恒重并稱量好的濾紙過濾，乙醇丙酮洗滌濾渣，放入55℃干燥箱干燥至恒重，濾紙?jiān)鲋丶礊榇嘉鏊玫腟DF的質(zhì)量[16]。

SDF得率/%=通過醇解分離獲得的SDF質(zhì)量/

稱取不溶性膳食纖維質(zhì)量×100

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維素酶添加量對SDF得率的影響

纖維素酶添加量對SDF得率的影響見圖1。

圖1 纖維素酶添加量對SDF得率的影響Fig.1 Effect of cellulase addition on yield of SDF

由圖1可分析出，隨纖維素酶用量的加大，SDF得率增加，纖維素酶添加量在0到40 mg/g底物時(shí)，SDF得率增加顯著，后期增加不明顯，原因是早期纖維素酶有效地把不溶性纖維素轉(zhuǎn)化為可溶性小分子糖，纖維素酶達(dá)到一定量時(shí)，小分子糖聚合度下降，SDF得率上升不明顯，因此纖維素酶的最佳用量為40 mg/g底物。

2.2 木聚糖酶添加量對SDF得率的影響

木聚糖酶添加量對SDF得率的影響見圖2。

圖2 木聚糖酶添加量對SDF得率的影響Fig.2 Effect of xylanase addition on yield of SDF

由圖2可分析出，隨木聚糖添加量的增大SDF得率呈增加趨勢，當(dāng)木聚糖酶添加量達(dá)到40 mg/g底物時(shí)得率增加緩慢。原因是過多的木聚糖酶將SDF酶解為更小的物質(zhì)，因此木聚糖酶的最佳添加量為40 mg/g底物。

2.3 料液比對SDF得率的影響

料液比對SDF得率的影響見圖3。

由圖3可分析出，隨著料液比的增加，SDF先增加后減小，當(dāng)料液比為 1∶14（g/mL）時(shí)，SDF 得率最大，料液比增加到1∶16（g/mL）時(shí)，SDF的得率下降。原因是底物濃度過大時(shí)酶解反應(yīng)受到抑制，料液比增大酶反應(yīng)量減少，SDF得率降低，當(dāng)料液比為1∶10（g/mL）時(shí)，SDF得率也較低。綜上最佳料液比為1∶14（g/mL）。

圖3 料液比對SDF得率的影響Fig.3 Effect of solid-to-liquid ratio on yield of SDF

2.4 酶解時(shí)間對SDF得率的影響

酶解時(shí)間對SDF得率的影響見圖4。

圖4 酶解時(shí)間對SDF得率的影響Fig.4 Effect of extraction time on yield of SDF

從圖4可分析出，前期SDF的得率隨酶解時(shí)間的增加而增加。100 min后，SDF的得率基本不再發(fā)生變化。原因是酶解時(shí)間多于80 min～100 min后，一部分SDF被降解成小分子糖，降解的速率大于新增的SDF量。綜上將酶解時(shí)間設(shè)定為80 min～100 min。

2.5 雙酶改性正交試驗(yàn)

雙酶改性正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 雙酶改性正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal test

由表2可分析出，影響SDF得率的順序依次為酶解時(shí)間>木聚糖酶添加量>料液比>纖維素酶添加量。正交試驗(yàn)最優(yōu)組合是添加纖維素酶30 mg/g底物、添加木聚糖酶 40 mg/g底物、料液比 1∶12（g/mL）、酶解時(shí)間90 min，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)組合不在試驗(yàn)組，繼續(xù)做驗(yàn)證試驗(yàn)，得率為2.996%，比試驗(yàn)組任意組合SDF得率都高，最佳組合得以驗(yàn)證。

3 結(jié)論

優(yōu)化的雙酶處理后SDF的產(chǎn)量為2.996%，表明使用雙酶修飾不溶于水的玉米麩渣制備SDF是完全可行的，本研究的最佳酶解條件為：纖維素酶添加量30 mg/g底物，木聚糖酶添加量40 mg/g底物，料液比1∶12（g/mL），酶解時(shí)間 90 min。