超聲-酶法水解小麥麩皮制備低聚木糖的研究

張 媛 馮新月 常思源* 曹 亮

1 南京鐘鼎生物技術(shù)有限公司（江蘇南京 210034）2 南京科技職業(yè)學(xué)院生命健康學(xué)院（江蘇南京 210048）

低聚木糖是由2～7 個(gè)木糖分子以糖苷鍵構(gòu)成的功能性聚合糖[1]。低聚木糖有明顯的雙歧桿菌增殖作用，其在增殖腸道雙歧桿菌、維持腸道正常功能，降低血壓、血糖、血清膽固醇，抗齲齒以及促進(jìn)人體對(duì)鈣的吸收等方面的功效顯著優(yōu)于其他功能性糖[2]。正因?yàn)榫哂腥绱硕嗟奶厥夤π?，低聚木糖在我?guó)的需求量逐年上升。

小麥?zhǔn)俏覈?guó)糧食供應(yīng)體系中重要的農(nóng)產(chǎn)品。小麥麩皮是面粉加工生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)物，其產(chǎn)量約為小麥加工量的20%，每年的產(chǎn)量超過(guò)2 500萬(wàn)t。目前，大多數(shù)小麥麩皮作為釀酒，制醋、醬油、飼料等產(chǎn)品的廉價(jià)原料，很少用于深加工和再利用，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益很低。盡管大量研究表明全谷物食品對(duì)健康有益，但是由于加工技術(shù)、營(yíng)養(yǎng)及感官標(biāo)準(zhǔn)等因素，小麥麩皮很難直接添加到食品系統(tǒng)中[3]，如隨著小麥麩皮添加量的增加，面條的糊化特性、硬度、黏性、咀嚼性、感官評(píng)分都隨之下降，這些因素限制了小麥麩皮的高效利用。因此，找到新的小麥麩皮添加方法是提高其利用價(jià)值的關(guān)鍵。

小麥麩皮含大量碳水化合物、蛋白質(zhì)及維生素等，其中碳水化合物總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%～65%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于玉米、燕麥等其他谷物皮層中的碳水化合物總量。細(xì)胞壁多糖又稱非淀粉多糖，主要由半纖維素、纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，是小麥麩皮中碳水化合物的主要成分。半纖維素的主要成分是木聚糖，約占小麥麩皮的20%[4]，是小麥麩皮細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的主要成分之一，也是制備小麥麩皮低聚糖的良好資源。

按照“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，利用小麥麩皮制成性價(jià)比高的功能性糖，符合農(nóng)業(yè)廢棄物充分利用并取得巨大經(jīng)濟(jì)效益的理念[5]。利用小麥麩皮制備低聚木糖具有十分廣闊的前景。本研究以小麥麩皮為原料，考察超聲功率和超聲時(shí)間對(duì)小麥麩皮半纖維素組分提取效率的影響，考察加酶量、木聚糖添加量和酶解時(shí)間對(duì)木聚糖酶水解木聚糖生產(chǎn)低聚木糖的影響，旨在優(yōu)化以小麥麩皮生產(chǎn)低聚木糖超聲-酶解的工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥麩皮，購(gòu)自河北廊雪面粉有限責(zé)任公司；木聚糖酶，實(shí)驗(yàn)室自行發(fā)酵純化獲得。

1.2 木聚糖制備

（1）小麥麩皮預(yù)處理

小麥麩皮浸泡在水中并用力多次揉搓清洗，用玻璃棒攪拌，加熱蒸煮2 h，然后在過(guò)濾掉處理液的基礎(chǔ)上，將麩皮清洗干凈之后烘干。

（2）超聲輔助提取木聚糖

考察不同超聲功率和超聲時(shí)間對(duì)木聚糖提取效率的影響。稱取20 g小麥麩皮，放入燒杯中，加入400 mL 去離子水后進(jìn)行超聲處理。隨后放入鍋內(nèi)密封處理，150 ℃恒溫提取40 min。反應(yīng)結(jié)束溫度降至室溫后，回收上清液，冷凍干燥即得木聚糖[6]。

（3）酶水解木聚糖制備低聚木糖

用自行篩選純化獲得的來(lái)自枯草芽孢桿菌的β-1，4-木聚糖酶水解木聚糖，改變木聚糖酶添加量（50，75，100，150，200 U/g），麩皮添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)（2%，4%，8%，10%，15%）以及酶解時(shí)間（2，4，6，8，10，12 h），考察酶解自提取木聚糖生成低聚木糖（還原糖）的效果。

1.3 水解液中還原糖和總糖的測(cè)定

還原糖采用3，5 二硝基水楊酸法測(cè)定，總糖采用蒽酮硫酸法[7]測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲功率對(duì)木聚糖提取效率的影響

考察超聲功率對(duì)小麥麩皮木聚糖提取效率的影響時(shí)，選用超聲時(shí)長(zhǎng)為30 min，底物小麥麩皮添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。超聲功率對(duì)木聚糖含量和木聚糖提取率的影響如圖1 所示。當(dāng)超聲功率 為0～600 W時(shí)，木聚糖質(zhì)量濃度（0.35～1.07 g/L）和木聚糖提取率（2.85%～8.63%）增加緩慢；隨著超聲功率增大，處于600～1200 W 之間時(shí)，木聚糖質(zhì)量濃度和提取率均快速增加；當(dāng)超聲功率為1 200 W 時(shí)，木聚糖提取率和木聚糖質(zhì)量濃度效果最佳（17.6%，2.19 g/L）。超聲波主要通過(guò)空化效應(yīng)與機(jī)械效應(yīng)作用于小麥麩皮。超聲功率越大，產(chǎn)生的超聲波空化效應(yīng)越劇烈，表現(xiàn)為其對(duì)植物細(xì)胞壁的破碎能力越強(qiáng)，從而有助于木聚糖組分的溶出。另外，超聲波產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)會(huì)破壞木片表面結(jié)構(gòu)，使木聚糖溶于熱水中，從而提高木聚糖得率。

圖1 超聲功率對(duì)木聚糖溶出率和提取率的影響

2.2 超聲時(shí)間對(duì)木聚糖提取效率的影響

在研究不同超聲時(shí)間對(duì)木聚糖提取效率的影響時(shí)，選擇超聲功率1 200 W、底物小麥麩皮添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。超聲時(shí)間為0～20 min 時(shí)，木聚糖質(zhì)量濃度和提取率逐漸增加，之后增勢(shì)放緩；在30 min 時(shí)木聚糖質(zhì)量濃度和提取率（2.13 g/L，17.4%）達(dá)到最高；超過(guò)30 min 后，木聚糖質(zhì)量濃度和提取率逐步降低。這可能是由于超聲波產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)促進(jìn)了小麥麩皮中不同組分的溶出，還可能是部分糖降解為糠醛所致。超聲時(shí)間對(duì)木聚糖溶出率的影響可能是因?yàn)椋憾虝r(shí)間超聲的空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)破壞其結(jié)構(gòu)，促進(jìn)木聚糖的溶出；但是隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，超聲產(chǎn)生的空化泡會(huì)在某種程度上減少傳輸?shù)饺芤褐械哪芰?，空化?qiáng)度降低，產(chǎn)生“飽和效應(yīng)”，從而導(dǎo)致木聚糖溶出率降低。

圖2 超聲時(shí)間對(duì)木聚糖溶出率和提取率的影響

2.3 木聚糖添加量對(duì)酶解效果的影響

當(dāng)酶解時(shí)間為8 h、酶解溫度為45 ℃、加酶量為10 U/g 的條件下，選取2%，4%，8%，10%和15%來(lái)考察自提取木聚糖添加量對(duì)酶解效果的影響，結(jié)果如圖3 所示。當(dāng)木聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于8%時(shí)，還原糖產(chǎn)量隨著木聚糖量的增加而增加。這是由于當(dāng)反應(yīng)體系中的木聚糖酶過(guò)量時(shí)，隨著木聚糖添加量增加，反應(yīng)速率增大。隨著木聚糖添加量進(jìn)一步增加，還原糖的產(chǎn)量略有下降。這可能是由于反應(yīng)體系中自由水的量減少，混合效率低下，導(dǎo)致物質(zhì)間的傳質(zhì)效能降低，進(jìn)而限制了木聚糖水解進(jìn)程。因此8%為最佳底物添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖3 木聚糖添加量對(duì)酶解效果的影響

2.4 木聚糖酶添加量對(duì)酶解效果的影響

在酶解時(shí)間為8 h、酶解溫度為45 ℃、自提取木聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的條件下，選取2，5，10，15，20 U/g 來(lái)考察木聚糖酶添加量對(duì)酶解效果的影響，結(jié)果如圖4 所示。在木聚糖酶添加量到達(dá)10 U/g 之前，其水解效果隨著添加量的增加而增強(qiáng)，當(dāng)酶添加量為10 U/g 時(shí)酶解效果最佳，還原糖質(zhì)量濃度達(dá)到最大值14.11 g/L。當(dāng)木聚糖酶添加量小于10 U/g時(shí)，酶解反應(yīng)體系中底物木聚糖過(guò)量，反應(yīng)速率的增加與酶質(zhì)量濃度的增加成正比。此后，隨酶質(zhì)量濃度的增加，反應(yīng)速率的增大趨勢(shì)逐漸減緩。當(dāng)酶質(zhì)量濃度增加到10 U/g 時(shí)，反應(yīng)速率達(dá)到最大值，不再隨酶質(zhì)量濃度的增加而增大。

圖4 木聚糖酶添加量對(duì)酶解效果的影響

2.5 酶解時(shí)間對(duì)酶解效果的影響

在木聚糖酶添加量為10 U/g、自提取木聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%、酶解溫度 為45 ℃的條件下，選取2，4，6，8，10，12 h 來(lái)考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)于酶解效果的影響，結(jié)果如圖5 所示。隨著時(shí)間增加，在6 h 內(nèi)還原糖質(zhì)量濃度不斷上升（7.91～14.13 g/L），6 h 后產(chǎn)量增加緩慢。在酶解反應(yīng)初期，木聚糖酶與木聚糖粗液充分接觸，使得還原糖和總糖產(chǎn)量迅速上升，隨木聚糖粗液消耗量不斷加大，反應(yīng)趨于相對(duì)飽和的狀態(tài)，最后還原糖質(zhì)量濃度呈現(xiàn)平穩(wěn)的狀態(tài)。

因此，當(dāng)在酶解溫度為45 ℃、木聚糖酶添加量為10 U/g、自提取木聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%、酶解時(shí)間為6 h 的條件下，低聚木糖的質(zhì)量濃度為14.13 g/L。利用高效液相色譜（HPLC）分析并確認(rèn)水解產(chǎn)物的質(zhì)量濃度為木糖0.15 g/L、木二糖4.73 g/L、木三糖5.96 g/L、木四糖2.21 g/L。

圖5 酶解時(shí)間對(duì)酶解效果的影響

3 結(jié)論

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)確定了木聚糖超聲輔助提取工藝以及后續(xù)酶解工藝參數(shù)，在超聲功率為1 200 W、超聲時(shí)間為30 min 的條件下，小麥麩皮木聚糖質(zhì)量濃度和提取率分別為2.13 g/L 和17.4%。在酶解溫度為45 ℃、木聚糖酶添加量為10 U/g、自提取木聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%、酶解時(shí)間為6 h 的條件下，低聚木糖的質(zhì)量濃度為14.13 g/L。