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(xué)化學(xué)學(xué)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(xué)化學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510640)

以玉米皮為原材料，采用酶法和化學(xué)方法相結(jié)合，制備膳食纖維。對(duì)制備得出的膳食纖維進(jìn)行生物酶改性。檢測(cè)其持水性能，并確定其改性的工藝條件。經(jīng)過木聚糖酶處理的膳食纖維的持水力達(dá)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(yōu)化的改性條件:pH為5.0，酶量為0.2mL/g，反應(yīng)溫度為55℃，反應(yīng)時(shí)間為50min。經(jīng)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(yōu)化的改性條件pH為6.0，酶用量為0.1mL/g，反應(yīng)溫度為45℃，反應(yīng)時(shí)間為2h。經(jīng)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(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，數(shù)量非常巨大［1］，如果不合理利用，不但是對(duì)資源的浪費(fèi)，而且還可能造成環(huán)境污染。我國(guó)擁有非常豐富的玉米加工副產(chǎn)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(fèi)，保護(hù)環(huán)境，提高副產(chǎn)物的綜合開發(fā)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(jià)廉的食物纖維源［2］。由檢測(cè)結(jié)果可知，玉米皮中膳食纖維含量非常高，按照干基計(jì)算達(dá)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(zhì)含量也較多，會(huì)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(duì)這些非纖維組分進(jìn)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(shù)據(jù)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(yīng)用中不能充分發(fā)揮。因此采用一定的方法對(duì)其進(jìn)行改性，提高其持水力有研究意義及實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(xué)方法和酶法相結(jié)合，選用合適的酶和反應(yīng)條件，在溫和地去除膳食纖維中的淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等雜質(zhì)的同時(shí)，可以有效地保護(hù)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(tuán)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(tái)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(jì) 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(huán)水式真空泵河南鞏義市英豫華儀器廠;DGX－9073B－1型電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海福瑪實(shí)驗(yàn)設(shè)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(jī)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(cè)試儀 成都精新粉體測(cè)試設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 玉米皮全組分的測(cè)定 玉米皮的檢測(cè)是實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵一步，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及改良的檢測(cè)方法，確定玉米皮的組成成分。從而根據(jù)組分狀況制定相應(yīng)的提取純化膳食纖維的方案，相應(yīng)的常規(guī)成分的分析方法如下:

水分:GB－5009.3－85;脂肪:GB－5009.6－85;蛋白質(zhì):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(xué)法制備玉米不溶性膳食纖維 對(duì)玉米種皮進(jìn)行篩選洗滌，置于烘箱中烘干。使用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，過100目篩。加入乙醚溶液，浸泡1h，除去脂肪。浸泡時(shí)間不宜過長(zhǎng)，會(huì)對(duì)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(diào)節(jié)pH為10，浸泡1h去除蛋白，溶液應(yīng)該沒物料。加1∶10的鹽酸溶液調(diào)節(jié)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(chǎn)物。參照1.2.1玉米皮全組分測(cè)定的方法檢測(cè)制備產(chǎn)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(shí)驗(yàn)所用的玉米皮脂肪含量?jī)H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(shí)，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(xù)水解60m in，滅酶活。采用上述兩種酶去除淀粉不僅可保留產(chǎn)品有效成分，還可使后續(xù)處理免去中和等工藝。去除蛋白質(zhì)，采用1398中性蛋白酶在pH7.5，加酶2000U/g料，45℃下酶解60m in。經(jīng)過上述處理后的溶液使用旋轉(zhuǎn)加熱器進(jìn)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(jī)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(cè)定的方法檢測(cè)制備產(chǎn)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(diào)節(jié)其pH到設(shè)定范圍，加入一定量的酶。在設(shè)計(jì)的溫度下水浴加熱一定時(shí)間。降溫，抽濾，取固體烘干，磨碎后得成品。每一個(gè)測(cè)量條件取0.3g樣品做各項(xiàng)測(cè)定。

1.2.3.2 不溶性玉米膳食纖維持水力測(cè)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(zhì)量，然后按下式計(jì)算持水力:

持水力(g/g)=兩次離心管的質(zhì)量差/樣品重

1.2.3.3 不溶性玉米膳食纖維膨脹力測(cè)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(jì)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(cè)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(dòng)酰化瓶，放置5min，加4～6滴酚酞指示液，用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至微紅色30s不褪為終點(diǎn)，同時(shí)作空白實(shí)驗(yàn)。

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(zhì)量(g)。

2 結(jié)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(zhì)的效果較佳，淀粉含量?jī)H為2.03%，去除率達(dá)81.48%，蛋白質(zhì)含量?jī)H為5.23%，去除率達(dá)57.45%。酶具有反應(yīng)條件溫和、專一性強(qiáng)等特點(diǎn)，可專一地水解淀粉、蛋白質(zhì)而不水解果膠質(zhì)、多聚糖等非淀粉類物質(zhì)，酶解法濃縮提取的不溶性膳食纖維產(chǎn)率為73.51%，從而有效保留了產(chǎn)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(shí)驗(yàn)過程考慮，確定溶液的pH、酶用量、水浴溫度以及酶解時(shí)間為影響因素，分別對(duì)4個(gè)因素進(jìn)行單因素研究分析，從而探討對(duì)IDF持水性改良的較優(yōu)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(yīng)溫度為55℃，反應(yīng)時(shí)間為1h的條件下，考察了在不同pH下木聚糖酶對(duì)改善IDF持水力的影響，結(jié)果見圖1。

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

木聚糖酶pH應(yīng)用范圍3.0～6.0，但其中有一個(gè)最適合的pH，且其最適值會(huì)因具體底物的不同而有差別，從圖1中可以看出，當(dāng)pH為5.0時(shí)，產(chǎn)品的持水力最高，因此取pH為5.0作為其它單因素實(shí)驗(yàn)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(yīng)溫度為55℃，反應(yīng)時(shí)間為1h的條件下。考察了不同用酶量的改性效果，其結(jié)果見圖2。

圖2 酶量對(duì)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(dāng)酶量小于0.6m L時(shí)，產(chǎn)品的持水力隨著酶量的增加而明顯增大，但當(dāng)酶量大于0.6m L時(shí)，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(yōu)條件。

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

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)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(duì)較低，效果不好，當(dāng)溫度過高時(shí)酶會(huì)失活，從圖3可以看出，當(dāng)反應(yīng)溫度為55℃時(shí)，產(chǎn)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(yīng)時(shí)間的影響 在pH5.0時(shí)，玉米皮IDF用量為3g，酶用量為0.6m L，反應(yīng)溫度為55℃的條件下，研究了不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)改性效果的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)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(dāng)反應(yīng)時(shí)間為50m in時(shí)，產(chǎn)品的持水力最高，且延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間產(chǎn)品持水力反而下降。因此取50min為時(shí)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(shí)，酶用量為0.2m L/g，反應(yīng)溫度為55℃，反應(yīng)時(shí)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(yīng)條件，其實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)溫度為45℃，反應(yīng)時(shí)間為2h。

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

圖6 酶量對(duì)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(zhì)比較

2.3.1 持水力和膨脹力比較 通過測(cè)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(biāo)，并對(duì)它們進(jìn)行對(duì)比，其實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yōu)于水解法，但是二者對(duì)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(diào)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(shí)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(chǎn)品的性能指標(biāo)比較Table 2 Performance comparison of differentmodified products

木聚糖酶和纖維素酶對(duì)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(dá)到5.70g/g和5.83g/g，其吸水性能跟谷類加工的副產(chǎn)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(jìn)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(jié)構(gòu)緊密，但纖維顆粒上有較多的小顆粒物質(zhì)，這與玉米皮含有淀粉、蛋白質(zhì)等物質(zhì)有關(guān)。而酶法提取的不溶性玉米膳食纖維結(jié)構(gòu)緊密，且去除了很多雜質(zhì)顆粒，這也是其持水力和膨脹力下降的主要原因。而經(jīng)過纖維素酶和木聚糖酶改性后的膳食纖維，其結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)與電鏡結(jié)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(zhì)等雜質(zhì)。經(jīng)酶解法制備的IDF，其粒徑增大，而經(jīng)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(shù)值最小，改性后增大。其數(shù)值變化趨勢(shì)與其持水力變化趨勢(shì)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(jié)果Table 3 Analysis of particle size

2.3.4 比表面積、結(jié)晶度、羥基值分析 分析表4數(shù)據(jù)，其比表面積酶法制備的IDF最高，但是其持水力卻最低。其結(jié)晶度也是酶解IDF的結(jié)晶度最高，而玉米皮最低，這是因?yàn)槊附馊コ衩灼だ锎蟛糠蛛s質(zhì)。可見比表面積和結(jié)晶度的大小變化沒有與其持水力變化表現(xiàn)出相同趨勢(shì)。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(jié)晶度、羥基值分析結(jié)果Table 4 Analysis of surface area，crystallinity，hydroxyl value

3 結(jié)論

本文是關(guān)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(duì)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(shí)驗(yàn)條件。通過研究得到以下結(jié)果和結(jié)論:

采用酶解法制備玉米皮膳食纖維較優(yōu)，相比水解法，酶法去除淀粉和蛋白質(zhì)的效果較佳，淀粉含量?jī)H為2.03%，去除率達(dá)81.48%，蛋白質(zhì)含量?jī)H為5.23%，去除率達(dá)57.45%。而且有效地保留了產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)條件:pH為5.0，酶用量為0.2m L/g，反應(yīng)溫度為55℃，反應(yīng)時(shí)間為50m in。在此條件下改性玉米皮 IDF的持水力達(dá)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(yīng)條件:pH為6.0，酶用量為0.1m L/g，反應(yīng)溫度為45℃，反應(yīng)時(shí)間為2h。在此條件下改性產(chǎn)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(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求來選擇合適的實(shí)驗(yàn)方法、工藝路線，從而達(dá)到合理、經(jīng)濟(jì)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(lián)系人

連小燕(1983－)，女，碩士研究生，主要從事玉米資源的循環(huán)利用的研究。