纖維素酶和半纖維素酶改性胡蘿卜纖維的研究*

劉歡，賀連斌，魏靜，馬中蘇

(吉林大學生物與農業工程學院，吉林 長 春，130025)

纖維素酶和半纖維素酶改性胡蘿卜纖維的研究*

劉歡，賀連斌，魏靜，馬中蘇

(吉林大學生物與農業工程學院，吉林 長 春，130025)

以胡蘿卜渣中的纖維為原材料，研究纖維素酶和半纖維酶對胡蘿卜纖維的長度、寬度以及還原糖濃度和聚合度的影響，并對在胡蘿卜纖維改性過程中纖維素酶和半纖維酶協同作用的機理進行探討。結果表明，纖維素酶和半纖維素酶復合使用比單一酶對胡蘿卜纖維改性效果明顯。在兩者的協同作用下，可以改善纖維表面的細纖維化，提高纖維的酶解產率，降低纖維的聚合度。

纖維素酶，半纖維素酶，胡蘿卜纖維

植物纖維是地球上最大的可再生資源和最豐富的多糖類物質，它主要由纖維素、半纖維素、木質素等組成。傳統的酶改性僅使用纖維素酶，但經過處理的植物纖維仍然含有半纖維素和少量的木質素，半纖維素和木質素對纖維素酶具有同樣的吸附作用，使得纖維素酶的用量增加。通過其他酶與纖維素酶配合，可以增加纖維素酶的利用率，以及改善纖維的性能［1－2］。因此，研究纖維素酶和半纖維素酶之間、復合纖維素酶各組分之間的協同作用，以及各個純化的酶組分在酶改性中所起作用成為研究的熱點。在食品工業中，纖維素酶、半纖維素酶和果漿酶一起使用有利于水果和蔬菜的浸軟及果汁的澄清［3－4］。

近年來，果蔬飲料消費量逐年增加，而這些產品在加工過程中產生大量果蔬渣。這些果蔬渣除很少一部分經粗加工用作動物飼料、發酵檸檬酸、提取果膠外，大部分作為廢棄物被丟棄，造成農副產品的巨大浪費。據估計，我國每年產生的鮮蘋果渣約100萬t［5］。在胡蘿卜加工過程中，得到的胡蘿卜渣約占原料的30% ～50%，而其含有的胡蘿卜纖維則占56%［6］。

本課題采用纖維素酶和半纖維素酶對胡蘿卜纖維進行改性，通過對胡蘿卜纖維的數量平均長度、小于0.2 mm的細小纖維含量、平均寬度以及還原糖濃度和聚合度的研究，分析在酶改性過程中纖維酶和半纖維素酶對纖維素分子鏈斷裂的變化情況，并對兩者協同作用的機理進行探討。研究結果為胡蘿卜纖維在膳食纖維食品、蔬菜紙和可食性包裝材料的應用以及纖維素酶和半纖維素酶在纖維改性過程中協同作用的研究提供數據參考。同時，用胡蘿卜渣作原料可減少環境污染，對提高胡蘿卜附加值具有研究意義。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

酶制劑種類及其特性見表1。

表1 酶制劑種類及其特性

胡蘿卜渣、檸檬酸、檸檬酸鈉、NaOH、HCl、3，5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉、苯酚、NaHSO3、I2、KI、Na2S2O3、Na2SO4、Na2CO3、CuSO4·5H2O、氨水、乙二胺、甲基橙、淀粉、硫氰酸銨。

HJ-4型多頭磁力攪拌器，江蘇金壇市恒豐儀器廠;GB-303型電子天平，梅特勒－托利多儀器(上海)有限公司;KFG-01型電熱恒溫鼓風干燥箱，湖北省黃石市醫療儀器廠;TU-1810紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司;PHS-25數字酸度計，杭州東星儀器設備廠;堿式滴定管，沈陽市衛工玻璃計器廠;0.57 mm型烏式黏度計，沈陽市衛工玻璃計器廠;JZ-K型造紙纖維測量儀，南通三思機電科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 胡蘿卜纖維的制備

胡蘿卜渣和水按質量比1∶2混合，用10%HCl調節料液至pH值1.5，85℃下浸提2h，過濾，水洗濾渣至中性。濾渣按料液比1∶10(g∶mL)加入10%NaOH溶液，25℃浸提20 h，用濾布過濾，水洗濾渣至中性，加入等量NaClO，再用50%醋酸調節至pH 6，50℃加熱1h，冷卻至室溫，過濾。

1.2.2 胡蘿卜纖維的改性

酶改性條件:pH值4.8，溫度50℃，時間1 h;胡蘿卜纖維用量為20 g/L;纖維素酶用量分別為30、60、90、120和150 IU/g;半纖維素酶用量分別為0、12、24、36、48 和 60 IU/g。

1.2.3 纖維素的長度和寬度

采用JZ-K造紙纖維測量儀進行纖維長度和寬度的測定。

1.2.4 纖維素的聚合度

按照GB/T1548-1989《紙漿黏度的測定—毛細管法》來測定紙漿黏度。利用黏度與聚合度關系，計算出纖維素分子的聚合度(DP)。

1.2.5 纖維素的還原糖濃度

DNS 配制:3，5-二硝基水楊酸 7.5 g、NaOH 14.0 g、酒石酸鉀鈉216 g、苯酚5.5 mL和 NaHSO36.0 g分別溶解于1 000 mL蒸餾水中，棕色瓶冷藏保存。

取1支刻度試管放入0.05 g胡蘿卜纖維試樣，分別加入0.5 mL酶液和1 mL的0.05 mol/L檸檬酸緩沖液(pH 4.8)。50℃水浴中保溫1h后取出，加入3 mL DNS溶液，充分搖勻后沸水浴顯色5 min，取出冷卻后用蒸餾水定容到25 mL，充分混勻，靜置20 min。在540nm波長下測定OD值，由葡萄糖標準曲線方程計算出還原糖濃度(以葡萄糖表示)。

2 結果與分析

2.1 纖維素酶和半纖維素酶用量對胡蘿卜纖維長度的影響

試驗結果見表2。從表2可以看出，在纖維素酶用量一定，半纖維素酶用量為0～24 IU/g時，隨半纖維素酶用量的增加，數量平均長度上升，細小纖維含量下降。這因為半纖維素酶優先吸附到半纖維素和細小纖維的表面，半纖維素和細小纖維被酶解溶出。同時，半纖維素酶破壞了半纖維素對纖維素酶吸附作用，纖維素酶的酶解效率提高。細小纖維部分被酶解溶出，導致細小纖維含量的下降，故纖維的數量平均長度相應上升［7］。半纖維素酶用量為24～60 IU/g時，隨半纖維素酶用量的增加，細小纖維含量上升，纖維數量平均長度下降。這因為半纖維素和細小纖維已被酶解溶出，纖維素酶酶解作用增強，長纖維被分裂成尺寸較小的細小纖維，從而使纖維的數量平均長度相應下降。

表2 纖維素酶和半纖維素酶用量對胡蘿卜纖維長度的影響

在半纖維素酶用量一定，纖維素酶用量為30～60 IU/g時，隨纖維素酶用量的增加，纖維的數量平均長度有所上升，但上升幅度不大。這因為雖然酶在細小組分上的酶解作用比纖維組分占優勢，但細小纖維也具有一定的結晶度，所以在纖維素酶酶解過程中仍有一部分存留在纖維中，故纖維的數量平均纖維長度改變不明顯。纖維素酶用量為60～150 IU/g時，隨著纖維素酶用量增加，細小纖維含量上升，纖維的數量平均長度下降。這因為纖維素酶活力的增加，使其對纖維結晶區作用增強，長纖維被酶解分裂成尺寸較小的纖維，故纖維的數量平均長度下降［8］。

2.2 纖維素酶和半纖維素酶用量對胡蘿卜纖維平均寬度的影響

試驗結果見表3。從表3可以看出，在纖維素酶用量一定，隨著半纖維素酶用量的增加，纖維平均寬度略有降低。這因為半纖維素酶酶解半纖維素和細小纖維，減少了空間阻礙，提高了纖維素酶的活力，纖維平均寬度降低。但半纖維素酶主要吸附于半纖維素和細小纖維，對纖維表面不產生“剝皮”效應，故纖 維的平均寬度改變不明顯［10］。

表3 纖維素酶和半纖維素酶用量對胡蘿卜纖維平均寬度(mm)的影響

在半纖維素酶用量一定，隨著纖維素酶用量的增加，纖維素酶處理后的纖維平均寬度明顯變小。這因為纖維素酶和半纖維素酶協同作用，使纖維表面的P層、S1層脫除，使得纖維的平均寬度降低。

2.3 纖維素酶和半纖維素酶用量對胡蘿卜纖維還原糖濃度的影響

試驗結果見圖1。從圖1可以看出，在纖維素酶用量一定，半纖維素酶用量為0～48 IU/g時，隨著半纖維素酶用量增加，還原糖濃度升高。這因為一方面半纖維素酶具有水解半纖維素和纖維素的雙重活性，對纖維素表現出很大的親和性，可以酶解半纖維素和細小纖維生成還原糖［9］;另一方面半纖維素和細小纖維被酶解溶出減少了空間阻礙，使得纖維素酶更容易吸附于纖維上，還原性末端的糖基被酶解脫離纖維，故還原糖濃度升高。半纖維素酶用量為48～60 IU/g時，還原糖濃度略有升高。這因為半纖維素酶反應位點與半纖維素和細小纖維結合接近飽和，酶解產物與反應物達到平衡狀態，再增加酶用量也無法使還原糖的濃度得到明顯升高。

圖1 纖維素酶和半纖維素酶用量對還原糖濃度的影響

在半纖維素酶用量一定，纖維素酶用量為30～120 IU/g時，隨著纖維素酶用量的增加，還原糖濃度升高。這因為隨著纖維素酶用量的增加，酶解產量和速率增大，細小纖維被酶解溶出生成糖;另外，半纖維素酶的加入提高了纖維素酶的酶解效率，纖維素酶對纖維的無定型區和結晶區酶解作用增強，故纖維二糖分子和葡萄糖分子濃度升高。纖維素酶用量為120～150 IU/g時，還原糖濃度變化不明顯。這因為纖維素分子與纖維素酶分子的結合位點是一定的，這些結合點全部被纖維素酶分子占據后，細小纖維被酶解溶出生成糖，使酶解產物與反應物達到平衡狀態，故還原糖濃度變化不明顯［10］。

2.4 纖維素酶和半纖維素酶用量對胡蘿卜纖維聚合度的影響

試驗結果見圖2。從圖2可以看出，在纖維素酶用量一定，半纖維素酶用量為0～24 IU/g時，隨著半纖維素酶用量的增加，纖維聚合度升高。這因為半纖維素酶作用半纖維素和細小纖維，使其被酶解溶出，無定型區纖維比例減小，聚合度升高。當半纖維素酶用量為24～60 IU/g時，纖維的聚合度明顯下降。這因為半纖維素和細小纖維已被酶解溶出，減少了空間位阻，使得纖維素酶更加容易吸附于纖維上，增強了纖維素酶對纖維的結晶區酶解作用，無定型區纖維比例增大，故纖維的聚合度下降。

圖2 纖維素酶和半纖維素酶用量對聚合度的影響

在半纖維素酶用量一定，纖維素酶用量為30～60 IU/g時，隨著纖維素酶用量的增加，纖維的聚合度變化不明顯。這因為纖維素酶主要作用于細小纖維和纖維的無定型區，對纖維的結晶區酶解作用較弱［11］。纖維素酶用量為60～150 IU/g時，隨著纖維素酶用量的增加，纖維聚合度降低。這是因為纖維素酶對纖維的結晶區酶解作用增強，無定型區纖維比例增大，纖維的聚合度降低。

3 結論

纖維素酶和半纖維素酶對纖維改性效果有很大影響，纖維素酶酶系中的外切酶(CBH)和內切酶(EG酶)組分以及半纖維素酶的協同作用，在對纖維改性中起到了重要作用［12］。本試驗結果表明，兩者合適的用量和比例對纖維性能指標的改善作用明顯。

(1)纖維素酶用量為60～150 IU/g和半纖維素酶用量為24～60 IU/g時，酶對胡蘿卜纖維細纖維化作用最明顯，纖維的細纖維化能夠提高纖維表面和整體的柔性;

(2)在纖維素酶用量為30～120 IU/g和半纖維素酶用量為0～48 IU/g時，酶解產率得到明顯提高，有助于增加胡蘿卜纖維的可溶性和可溶性固性物的含量;

(3)在纖維素酶用量為60～150 IU/g和半纖維素酶用量為24～60 IU/g時，半纖維素酶明顯增強纖維素酶對纖維結晶區的酶解作用，使纖維的聚合度降低，低聚合度有利于胡蘿卜纖維與天然高分子物質發生聚合反應。

綜上所述，纖維素酶和半纖維素酶復合使用比單一酶對胡蘿卜纖維改性效果明顯。而且利用生物酶改性胡蘿卜纖維，能夠獲得具有高活性、天然、安全和可食的纖維，可以將其應用于新型的蔬菜紙、膳食纖維食品和可食性包裝材料中。同時，采用胡蘿卜渣為原材料不僅能增加胡蘿卜深加工的附加值、豐富可食纖維生產的原料來源，還有利于減小環境污染。

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Study on Carrot Fiber Modification with Cellulase and Hemicellulase

Liu Huan，He Lian-bin，Wei Jing，Ma Zhong-su
(School of Biological and Agricultural Engineering，Jilin University，Changchun 130025，China)

This paper studied the influence of cellulase and hemicellulase on the length，width，sugar content and polymerization degree of carrot pomace fiber.The mechanism of synergy of cellulase and hemicellulase modified carrot fiber was analyzed.The result indicated that the complex application of cellulase and hemicellulase was more obvious effect than the single enzyme.And the synergism of cellulase and hemicellulase could improve the thin fibrosis of the fiber surface，enhance the production rate of enzymolysis fiber，and reduce the polymerization degree of the fiber.

cellulase，hemicellulase，carrot fiber

博士研究生(馬中蘇教授為通訊作者)。

*國家高技術研究發展計劃(863計劃:編號:2008AA10Z308)和吉林省科技發展計劃項目(編號:20060717)。

2010－08－09，改回日期:2010－09－27