一種提高非水溶性玉米膳食纖維持水力的方法

連小燕，鐘振聲

(華南理工大學化學學院，廣東廣州 510640)

一種提高非水溶性玉米膳食纖維持水力的方法

連小燕，鐘振聲*

(華南理工大學化學學院，廣東廣州 510640)

以玉米皮為原材料，采用酶法和化學方法相結合，制備膳食纖維。對制備得出的膳食纖維進行生物酶改性。檢測其持水性能，并確定其改性的工藝條件。經過木聚糖酶處理的膳食纖維的持水力達5.70g/g，膨脹力為3.03mL/g，分別比原材料提高了65.70%和14.93%。并確定其優化的改性條件:pH為5.0，酶量為0.2mL/g，反應溫度為55℃，反應時間為50min。經過纖維素酶處理的膳食纖維持水力為5.83g/g，膨脹力為2.73mL/g，分別比原材料提高了69.48%和3.70%。并確定其優化的改性條件pH為6.0，酶用量為0.1mL/g，反應溫度為45℃，反應時間為2h。經過處理的膳食纖維持油能力較佳，為玉米皮深加工利用提供了新途徑。

玉米皮，膳食纖維，生物酶改性，持水力

玉米皮是玉米淀粉生產過程中產生的副產物，數量非常巨大［1］，如果不合理利用，不但是對資源的浪費，而且還可能造成環境污染。我國擁有非常豐富的玉米加工副產物—玉米皮資源，利用玉米皮制備高活性膳食纖維可以減少資源浪費，保護環境，提高副產物的綜合開發利用程度。玉米皮主要成分是多糖、半纖維素、蛋白和非水溶性纖維，是一種物美價廉的食物纖維源［2］。由檢測結果可知，玉米皮中膳食纖維含量非常高，按照干基計算達到69.1%，是非常好的制備膳食纖維的原料。但是其中淀粉及蛋白質含量也較多，會影響到膳食纖維的生理功效。為了制備較純的膳食纖維，提高總纖維含量，須對這些非纖維組分進行去除。另一方面，從玉米皮回收的非水溶性膳食纖維的理化性能欠佳，尤其是持水力和持油力，與從大豆粕中分離提取的非水溶性大豆膳食纖維有一定的差距。典型的數據是非水溶性玉米纖維的持水力為3.44g/g，非水溶性大豆膳食纖維的持水力為4.02g/g。來源于玉米皮的非水溶性膳食纖維持水力不高，其生理功效在應用中不能充分發揮。因此采用一定的方法對其進行改性，提高其持水力有研究意義及實際應用價值。本文提出一種從玉米皮中分離非水溶性玉米膳食纖維并提高其持水力的方法。通過化學方法和酶法相結合，選用合適的酶和反應條件，在溫和地去除膳食纖維中的淀粉、蛋白質、脂肪等雜質的同時，可以有效地保護纖維素，并使其持水力得到顯著提高。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米皮 山東瑞星集團公司，低溫烘干過100目備用;耐高溫α－淀粉酶、蛋白酶、糖化酶 廣州裕立寶生物科技有限公司;氫氧化鈉 AR，廣州臺山;鹽酸、乙醚、過氧化氫、苯酚 AR，廣州市東紅化工廠。

PHs－25型精密pH計 上海精科廠;B－220型恒溫水浴鍋 上海亞榮生化儀器廠;Metter AE163型電子分析天平 瑞士;SHZ－D型循環水式真空泵河南鞏義市英豫華儀器廠;DGX－9073B－1型電熱鼓風干燥箱 上海福瑪實驗設備有限公司;85－2型恒溫磁力攪拌裝置 上海閔行虹浦儀器廠;粉碎機天津市泰斯特儀器有限公司;SRJX－6－13型馬弗爐 上海錦屏儀器儀表有限公司;KDN－103F型定氮儀 上海纖檢儀器有限公司;JL－11777型激光粒度分布測試儀 成都精新粉體測試設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 玉米皮全組分的測定 玉米皮的檢測是實驗研究的關鍵一步，采用國家標準以及改良的檢測方法，確定玉米皮的組成成分。從而根據組分狀況制定相應的提取純化膳食纖維的方案，相應的常規成分的分析方法如下:

水分:GB－5009.3－85;脂肪:GB－5009.6－85;蛋白質:GB/T－5009.5－2003(凱氏定氮法);淀粉: GB－5009.4－2003;灰度:GB－5009.4－83;膳食纖維:改良的冷中性洗滌法［3］。

1.2.2 不溶性膳食纖維的制備

1.2.2.1 化學法制備玉米不溶性膳食纖維 對玉米種皮進行篩選洗滌，置于烘箱中烘干。使用粉碎機進行粉碎，過100目篩。加入乙醚溶液，浸泡1h，除去脂肪。浸泡時間不宜過長，會對玉米皮可溶性膳食纖維有損耗。加入固液比為1∶10的氫氧化鈉溶液，調節pH為10，浸泡1h去除蛋白，溶液應該沒物料。加1∶10的鹽酸溶液調節pH至2，升溫至60℃，均勻攪拌2h，使淀粉水解。加入5%過氧化氫，在55℃下脫色，過濾烘干粉碎，得到產物。參照1.2.1玉米皮全組分測定的方法檢測制備產物的組成。

1.2.2.2 酶法制備玉米不溶性膳食纖維 由于本實驗所用的玉米皮脂肪含量僅為4.19%，可采用直接加入乙醚去除的方法。耐高溫a－淀粉酶和糖化酶共同作用于底物，可使淀粉含量下降。首先在pH6.5時，加耐高溫a－淀粉酶樣品，100℃水解30m in后降溫至60℃，按6%(w/w)加糖化酶，60℃繼續水解60m in，滅酶活。采用上述兩種酶去除淀粉不僅可保留產品有效成分，還可使后續處理免去中和等工藝。去除蛋白質，采用1398中性蛋白酶在pH7.5，加酶2000U/g料，45℃下酶解60m in。經過上述處理后的溶液使用旋轉加熱器進行濃縮，并以4倍于液體體積的無水乙醇處理，靜置24h，離心棄去上清液烘干至含水3.7%。最后用高速粉碎機使粉碎物粒度全部通過100目篩為止，并參照1.2.1玉米皮全組分測定的方法檢測制備產物的組成。

1.2.3 不溶性玉米膳食纖維的改性

1.2.3.1 不溶性玉米膳食纖維的改性 稱取制備的不溶性膳食纖維(IDF)3g，加入30m L蒸餾水，攪拌均勻。用稀鹽酸或氫氧化鈉溶液調節其pH到設定范圍，加入一定量的酶。在設計的溫度下水浴加熱一定時間。降溫，抽濾，取固體烘干，磨碎后得成品。每一個測量條件取0.3g樣品做各項測定。

1.2.3.2 不溶性玉米膳食纖維持水力測定［4］稱取0.3g樣品置于離心管中，加水20m L，室溫下放置24h，以14000 r/min離心15m in，棄去上清液，稱離心管的質量，然后按下式計算持水力:

持水力(g/g)=兩次離心管的質量差/樣品重

1.2.3.3 不溶性玉米膳食纖維膨脹力測定［5］稱取膳食纖維0.3g，置于10m L量筒中，加10.00m L的蒸餾水，振蕩均勻后，室溫(18±3)℃放置24h，讀取液體中膳食纖維的體積，計算膨脹力:

膨脹力(m L/g)=［膨脹后體積(m L)－干品體積(m L)］/樣品干重(g)

1.2.3.4 羥基值的測定［6］稱取0.09g試樣(精確到0.0002g)于酰化瓶中，用移液管吸取10m L酰化劑，裝上回流冷凝管，置于沸水浴中，加熱酰化1h，然后擦干冷凝管外壁與酰化瓶口水漬，用5m L毗咤沖洗冷凝管，冷卻至室溫，取下酰化瓶，加入10m L水解液，搖動酰化瓶，放置5min，加4～6滴酚酞指示液，用氫氧化鈉標準溶液滴定至微紅色30s不褪為終點，同時作空白實驗。

式中:C:Na0H濃度(mol/L);V0:空白NaOH用量(m L);V1:試樣NaOH用量(m L);m:試樣質量(g)。

2 結果與分析

2.1 不溶性玉米膳食纖維的制備

相比水解法，采用酶解法去除淀粉和蛋白質的效果較佳，淀粉含量僅為2.03%，去除率達81.48%，蛋白質含量僅為5.23%，去除率達57.45%。酶具有反應條件溫和、專一性強等特點，可專一地水解淀粉、蛋白質而不水解果膠質、多聚糖等非淀粉類物質，酶解法濃縮提取的不溶性膳食纖維產率為73.51%，從而有效保留了產品中生理活性成分(可溶性纖維及半纖維)。本文所用不溶性膳食纖維均采用酶法制備。

表1 采用不同方法制備的膳食纖維全組分的比較Table 1 Dietary fiber prepared by differentmethods of analysis of all components

2.2 不溶性玉米膳食纖維的改性研究

2.2.1 木聚糖酶改性的單因素研究 本研究從改性實驗過程考慮，確定溶液的pH、酶用量、水浴溫度以及酶解時間為影響因素，分別對4個因素進行單因素研究分析，從而探討對IDF持水性改良的較優工藝條件。

2.2.1.1 溶液pH的影響 在玉米皮IDF為3g，酶量為0.6m L，反應溫度為55℃，反應時間為1h的條件下，考察了在不同pH下木聚糖酶對改善IDF持水力的影響，結果見圖1。

圖1 pH對IDF持水力的影響Fig.1 Effect of pH on theWBC of corn IDF

木聚糖酶pH應用范圍3.0～6.0，但其中有一個最適合的pH，且其最適值會因具體底物的不同而有差別，從圖1中可以看出，當pH為5.0時，產品的持水力最高，因此取pH為5.0作為其它單因素實驗的因素水平。

2.2.1.2 酶用量的影響 在玉米皮IDF量為3g，pH5.0，反應溫度為55℃，反應時間為1h的條件下。考察了不同用酶量的改性效果，其結果見圖2。

圖2 酶量對IDF持水力的影響Fig.2 Effect of quantity of enzyme on theWBC of corn IDF

從圖2中可以看出，當酶量小于0.6m L時，產品的持水力隨著酶量的增加而明顯增大，但當酶量大于0.6m L時，其持水力提高并不明顯，取0.6m L作為改性工藝的酶量單因素最優條件。

2.2.1.3 溫度的影響 在pH5.0時，玉米皮IDF用量為3g，酶用量為0.6m L，反應時間為1h的條件下。考察了不同溫度的改性效果，其結果見圖3。

圖3 反應溫度對IDF持水性的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on theWBC of corn IDF

木聚糖酶的適宜溫度范圍為45～65℃，溫度過低酶的活性相對較低，效果不好，當溫度過高時酶會失活，從圖3可以看出，當反應溫度為55℃時，產品的持水力最高，因此取55℃為溫度單因素的最佳條件。

2.2.1.4 反應時間的影響 在pH5.0時，玉米皮IDF用量為3g，酶用量為0.6m L，反應溫度為55℃的條件下，研究了不同反應時間對改性效果的影響，結果如圖4所示。

圖4 反應時間對IDF持水力的影響Fig.4 Effect of reaction time on the WBC of corn IDF

從圖4可以看出，當反應時間為50m in時，產品的持水力最高，且延長反應時間產品持水力反而下降。因此取50min為時間的單因素最佳條件。

通過改變不同因素條件，研究改性后的持水性變化，從而確定單因素考量下，木聚糖酶改性的最佳條件為 pH5.0時，酶用量為0.2m L/g，反應溫度為55℃，反應時間為50m in。

2.2.2 纖維素酶改性的單因素影響 采用與前面木聚糖酶一樣的改性研究方法，研究纖維素酶－持水性的適宜反應條件，其實驗結果如下:

從圖5～圖8可以得出，纖維素酶改性的最佳單因素條件為pH6.0，酶用量為0.1m L/g，反應溫度為45℃，反應時間為2h。

圖5 pH對IDF持水力的影響Fig.5 Effect of pH on the WBC of corn IDF

圖6 酶量對IDF持水力的影響Fig.6 Effect of quantity of enzyme on the WBC of corn IDF

2.3 不同方法改性后不溶性膳食纖維的性質比較

2.3.1 持水力和膨脹力比較 通過測定玉米皮原料以及采用不同方法改性后膳食纖維的性能指標，并對它們進行對比，其實驗結果如下:

通過表2可以得出，采用酶解法制備的膳食纖維的持水性能優于水解法，但是二者對于膨脹力的改善卻很不顯著，木聚糖酶改性后膨脹力相比玉米皮原材料調高了14.93%。

圖7 溫度IDF持水力的影響Fig.7 Effect of reaction temperature on the WBC of corn IDF

圖8 時間IDF持水力的影響Fig.8 Effect of reaction time on the WBC of corn IDF

表2 不同改性產品的性能指標比較Table 2 Performance comparison of differentmodified products

木聚糖酶和纖維素酶對IDF持水力的改善效果明顯，分別比玉米皮原材料提高了65.70%，69.48%，分別達到5.70g/g和5.83g/g，其吸水性能跟谷類加工的副產品相比不相上下［小麥皮，6.4～6.6g/g DW;燕麥麩，5.5g/g DW］。且與商用DF比較也不遜色［AGIOLAX(卵葉車前草的種皮、桂皮)，4.02g/g DW; FIBREX(甜菜)，4.56g/g DW］。持水性基本滿足了食品制造商的基本要求(2.0g/g DW)。制備的膳食纖維通過進一步的處理可用于食品的功能添加劑［7－8］。

2.3.2 電鏡分析 分析圖9，未作任何處理的玉米皮其結構緊密，但纖維顆粒上有較多的小顆粒物質，這與玉米皮含有淀粉、蛋白質等物質有關。而酶法提取的不溶性玉米膳食纖維結構緊密，且去除了很多雜質顆粒，這也是其持水力和膨脹力下降的主要原因。而經過纖維素酶和木聚糖酶改性后的膳食纖維，其結構上疏松，可以解釋其持水力和膨脹力增高的原因。

2.3.3 顆粒度分析 表3中的數據與電鏡結果一致，從體積平均粒徑分析，原料玉米皮粒徑最小，但是玉米皮含有較多的淀粉和蛋白質等雜質。經酶解法制備的IDF，其粒徑增大，而經木聚糖酶和纖維素酶改性后的IDF其體積平均粒徑又降低。但是從面積平均粒徑分析，玉米皮的數值最小，改性后增大。其數值變化趨勢與其持水力變化趨勢基本一致。

圖9 電鏡分析圖Fig.9 Electronmicrographs of dietary fiber

表3 顆粒度分析結果Table 3 Analysis of particle size

2.3.4 比表面積、結晶度、羥基值分析 分析表4數據，其比表面積酶法制備的IDF最高，但是其持水力卻最低。其結晶度也是酶解IDF的結晶度最高，而玉米皮最低，這是因為酶解去除玉米皮里大部分雜質。可見比表面積和結晶度的大小變化沒有與其持水力變化表現出相同趨勢。但是其羥基值卻很明顯的與其持水力相一致，羥基值越大，其持水力越高。

表4 比表面積、結晶度、羥基值分析結果Table 4 Analysis of surface area，crystallinity，hydroxyl value

3 結論

本文是關于玉米皮膳食纖維的分離制備以及不溶性玉米皮膳食纖維(IDF)生物酶改性研究，探討了酶改性法對玉米皮IDF持水力、膨脹力等性能的影響，比較了不同的制備方法和改性方法，并通過單因素法確定各種方法的最佳改性實驗條件。通過研究得到以下結果和結論:

采用酶解法制備玉米皮膳食纖維較優，相比水解法，酶法去除淀粉和蛋白質的效果較佳，淀粉含量僅為2.03%，去除率達81.48%，蛋白質含量僅為5.23%，去除率達57.45%。而且有效地保留了產品中生理活性成分(可溶性纖維及半纖維)，酶解法濃縮提取的不溶性膳食纖維產率為73.51%，而水解法僅為69.74%。

木聚糖酶生物改性的最佳反應條件:pH為5.0，酶用量為0.2m L/g，反應溫度為55℃，反應時間為50m in。在此條件下改性玉米皮 IDF的持水力達5.70g/g，膨脹力為3.03m L/g，分別比原材料提高了65.70%和14.93%。

纖維素酶生物改性的最佳反應條件:pH為6.0，酶用量為0.1m L/g，反應溫度為45℃，反應時間為2h。在此條件下改性產品的持水力為5.83g/g，膨脹力為2.73m L/g，分別比原材料提高了69.48%和3.70%。

總之，實際應用中應根據實際要求來選擇合適的實驗方法、工藝路線，從而達到合理、經濟的目的。

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A way to im prove the WBC of non－water soluble corn dietary fiber

LIAN Xiao－yan，ZHONG Zhen－sheng*
(College of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

Using enzymatic and chem ical method to p repare corn b ran d ietary fiber from the corn b ran.At the meantime using biologicalmodification to mod ify the corn bran IDF，detec ting the WBC to make sure the best mod ification cond ition.Com pared w ith the raw materials，the WBC of the p roduct after xylanase modification was 5.70g/g，the expansive force was 3.03m L/g，respectively increased 65.70%and 14.93%.The xylanase modification of op timum condition:pH 5.0，the amount of enzyme was 0.2m L/g，d igesting in 55℃water bath for 50m in.The WBC of the p roduct after cellulase modification was 5.83g/g，the expansive force was 2.73m L/g，respec tively increased by 69.48%and 3.70%.The cellulose mod ification of op timum condition:pH 6.0，the amount of enzyme was 0.1m L/g，d igesting in 45℃water bath for 2h.The enzyme mod ification had a g reat effec t on increasing the WBC，p roviding a new way for corn deep－p rocessing.

m aize peel;corn b ran d ietary fiber;enzymatic m od ification;water absorp tion

TS201.2+3

A

1002－0306(2012)12－0180－05

2011－10－12 *通訊聯系人

連小燕(1983－)，女，碩士研究生，主要從事玉米資源的循環利用的研究。