玉米皮水溶性膳食纖維的酶法制備

李 晶 張連富

（江南大學食品學院，無錫 214122）

膳食纖維（DF）是不被人體消化吸收的多糖類碳水化合物與木質素的總稱。按溶解性分為水溶性膳食纖維（SDF）和不溶性膳食纖維（IDF）［1］。SDF因其具有較好的生理功能和理化性質，較IDF口感更好，應用范圍更廣，已作為制造低熱量、低膽固醇、低鈉健康食品的重要原料［2-3］。玉米是我國主要作物，在加工過程中產生大量副產物——玉米皮，絕大多數做飼料或廢棄物，未充分利用其價值。玉米皮富含DF，其中天然SDF質量分數可達4%～8%［4］，利用玉米皮制備SDF不僅可以加快玉米副產物的深加工，而且變廢為寶，減少環境污染，實現經濟價值和社會價值的統一，具有重大意義。

由于玉米皮表面覆蓋著蛋白、淀粉等雜質，簡單將其粉碎作為食品添加劑并不能發揮膳食纖維的生理作用，因此首先要去除含量較高的蛋白質和淀粉［5-6］。傳統工藝多采用酸堿交替水解法［7-9］，但酸堿無選擇地將溶液中的碳鏈水解成單糖，造成生理活性成分損失嚴重，且產品風味和色澤較差，得率和質量不易控制。目前，現有工藝多采用酶解法，其反應條件溫和，水解專一性強，同時產品品質好，安全性高，但現有的酶解法常為單一酶酶解［10-11］，或多種酶同時添加混合酶解［12］，或多種酶酶解后懸濁液多次分離或不分離［6，13-14］的方法，通常存在產品得率低，或酶解條件難以選擇，或工藝不合理、酶解不徹底等缺點。本試驗采用分步加酶、分段控制、一次性分離的方法去除蛋白質和淀粉，與之前方法相比，它分兩步加酶，但只需一次性分離，而且調整酶解順序利于工業上的控制，在上述基礎上得到膳食纖維粗品，然后用復合纖維素酶和木聚糖酶同時限制性酶解，縮短纖維素和半纖維素分子長度，最終轉化得到水溶性膳食纖維，它具有黏度低、水溶性好等優良品質，可廣泛應用于各類功能性食品中。

本研究以玉米加工副產物玉米皮為原料，旨在探究制取水溶性膳食纖維的最佳工藝條件，提高產品純度和得率，制取高品質水溶性膳食纖維產品。試驗設計簡化了工藝，在實際生產中減少了水的使用量及能源消耗，降低了成本，適宜工業化生產，競爭優勢明顯。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米種皮：山東西王集團；中性蛋白酶（2×105U／g）、中溫α-淀粉酶（2×105U／g）、糖化酶（1×105U／g）：天津諾奧科技有限公司；復合纖維素酶Celluclast1.5 L（6 000 U／mL）、木聚糖酶（5 000 U／g）：諾維信公司；氫氧化鈉、鹽酸、無水乙醇等（分析純）：國藥集團化學試劑公司。

1.2 儀器與設備

SXJQ-1型數顯直流無極調速攪拌器：鄭州長城科工貿有限公司；控溫水浴鍋：江蘇榮華儀器制造有限公司；DELTA320 pH計：梅特勒-托利多儀器有限公司；600克搖擺式高速中藥粉碎機：林大機械有限公司；EBA20離心機：德國Hettich公司；紫外分光光度計：尤尼柯儀器有限公司、ZK-072型真空干燥箱：上海市實驗儀器總廠；RV06-ML.I-B型旋轉蒸發儀：德國IKA公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 玉米種皮基本成分的分析

水分含量測定：GB／T 5009.3—2003直接干燥法；粗蛋白含量測定：GB／T 5009.5—2003凱式定氮法；淀粉含量測定：GB／T 5009.9—2008酶水解法；粗脂肪含量測定：GB／T 5512—2008索氏提取法；總膳食纖維含量測定：AACC32-07；不可溶性膳食纖維和可溶性膳食纖維含量測定：AACC32-06［15］；灰分含量測定：GB／T 2009.4—2003重量法。

1.3.2 酶法制備水溶性膳食纖維的工藝流程見圖1。

圖1 制備水溶性膳食纖維的工藝流程

1.3.3 玉米種皮的去蛋白、去淀粉處理

準確稱取10 g玉米皮，按1∶15的料液比加水，調節pH 7.5，加入0.6%的中性蛋白酶，在42℃條件下水浴攪拌3.5 h（120 r／min），以最大限度去除蛋白質。再調節pH 5.5，加入總量為0.3%的中溫α-淀粉酶和糖化酶（1∶1），在55℃條件下水浴攪拌1 h（120 r／min），此時蛋白質和淀粉去除徹底。反應完畢，100℃水浴滅酶10 min，離心收集沉淀物，烘干粉碎。按此方法可制得玉米皮不溶性膳食纖維（IDF），取樣測定殘余蛋白質量和殘余淀粉量。

1.3.4 復合纖維素酶和木聚糖酶改性制備SDF

選用復合纖維素酶（最適pH 4.5～6.5，最適作用溫度50～60℃）和木聚糖酶（最適pH 4～6，最適作用溫度40～65℃）［16］，這2種酶的作用條件有相交區間，故酶解時考慮采用同一條件同時添加進行改性制備。將脫蛋白、脫淀粉后的玉米皮 IDF按1∶15的料液比加水，調節溫度和pH，加入復合纖維素酶和木聚糖酶，水浴攪拌（120 r／min）酶解特定時間，反應完畢100℃水浴滅酶10 min。

1.3.4.1 復合纖維素酶和木聚糖酶酶解條件的確定

酶解液離心分離，收集上清液，通過DNS比色法測定上清液中還原糖和總糖含量。以SDF得率為指標，分別對影響酶解反應的酶添加量、溫度、pH及酶解時間進行單因素試驗和L9（34）正交試驗，確定最佳酶解條件。

1）酶添加量對SDF得率的影響

將去蛋白、去淀粉后離心所得的玉米皮渣按一定的料液比加水，調節pH至5.0，分別添加復合纖維素酶和木聚糖酶（1∶1）總量 0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%，在溫度50℃下酶解6 h。酶解液離心后取上清液，測其還原糖和總糖含量。

2）酶解溫度對SDF得率的影響

將去蛋白、去淀粉后離心所得的玉米皮渣按一定的料液比加水，調節pH至5.0，添加復合纖維素酶和木聚糖酶（1∶1）總量 0.6%，分別在溫度 45、50、55、60、65℃下酶解6 h。酶解液離心后取上清液，測其還原糖和總糖含量。

3）酶解pH對SDF得率的影響

將去蛋白、去淀粉后離心所得的玉米皮渣按一定的料液比加水，分別調節 pH至4.0、4.5、5.0、5.5、6.0，添加復合纖維素酶和木聚糖酶（1∶1）總量0.6%，在溫度50℃下酶解6 h。酶解液離心后取上清液，測其還原糖和總糖含量。

4）酶解時間對SDF得率的影響

將去蛋白、去淀粉后離心所得的玉米皮渣按一定的料液比加水，調節PH至5.0，添加復合纖維素酶和木聚糖酶（1∶1）總量0.6%，在溫度50℃下，分別酶解 4、6、8、10、12 h。酶解液離心后取上清液，測其還原糖和總糖含量。

1.3.4.2 可溶性膳食纖維（SDF）得率的計算［17］

SDF得率＝總糖得率-還原糖得率

1.3.5 玉米皮SDF的性質研究

1.3.5.1 黏度的測定

采用NDJ-1旋轉型黏度計，選擇1號轉子，在轉速60 r／min條件下測定濃度為10%的玉米皮SDF樣品的表觀黏度。

1.3.5.2 透明度測定

在720 nm波長下，測定濃度為5%的玉米皮SDF溶液的透光率，以蒸餾水作為空白［6］。

1.3.5.3 溶解度測定

準確稱取一定量的玉米皮SDF樣品溶解于一定體積的蒸餾水中，攪拌均勻，20℃的中性條件下靜置30 min，3 000 r／min條件下離心 20 min，將上清液倒入已恒重的鋁盒中，置于105℃烘箱中干燥至恒重，稱重得溶解度。

溶解度＝上清液干燥后的固形物含量／所取蒸餾水體積

1.3.5.4 持水力測定

準確稱取1.00 g玉米皮SDF于50 mL已知重量的離心管中，加入25 mL去離子水，室溫下攪拌30 min，在4 000 r／min條件下離心 20 min，輕輕傾去上清液，倒置離心管5 min，用濾紙吸干離心管內殘存水，最后稱量。

持水力＝（樣品濕重-樣品干重）／樣品干重

1.3.5.5 膨脹力測定

根據床體積法［18］測定膨脹力，將樣品粉碎并過篩（60目），準確稱取1.00 g玉米皮SDF，置于10 mL刻度的玻璃試管中，用移液管準確吸取5.00 mL蒸餾水加入試管中。震蕩均勻后于室溫下放置24 h，讀取試管中液體的總體積（mL），經下式計算可得膳食纖維的膨脹力。

膨脹力（mL／g）＝［膨脹后體積（mL）-干品體積（mL）］／樣品干重（g）1.3.6 數據統計與分析

使用Excel 2007、SPSS18.0分析軟件對數據進行數據分析，在P＜0.05檢驗水平對數據進行統計學處理。

2 結果與分析

2.1 玉米種皮基本成分分析

測得粉碎后的玉米種皮基本成分含量見表1。

表1 玉米種皮中基本成分及含量

由表1可知，相對于蛋白質、淀粉含量低得多，綜合考慮成本和處理效果，選擇用石油醚進行脫脂。據報道［5］，玉米皮中蛋白質以特殊的立體結構組成蛋白質網，這種蛋白質網包裹著淀粉顆粒，因此先采用中性蛋白酶水解蛋白，使玉米皮暴露出淀粉分子，再同時添加中溫α-淀粉酶和糖化酶（1∶1）去除淀粉?？偵攀忱w維中大部分都是不溶性膳食纖維，所以采用復合纖維素酶和木聚糖酶改性，將不溶性膳食纖維轉化為水溶性膳食纖維。

2.2 玉米種皮的去蛋白、去淀粉處理結果

玉米皮表面蛋白和淀粉雜質的去除結果直接影響到SDF產品的純度和得率。經測定，按上述方法雜質去除較充分，蛋白質質量分數由反應前的9.21%下降至0.76%，淀粉質量分數由反應前的12.34%下降至0.58%，由此可看出，本方法去蛋白質和淀粉效果顯著。與之前研究相比，去蛋白、去淀粉處理后懸浮液統一進行一次離心分離，既簡化了工藝步驟，減少了水的使用量，又使得工藝設計更加合理化。而且，中性蛋白酶最適溫度選定42℃，中溫α-淀粉酶和糖化酶混合酶解最適溫度選定55℃，先去蛋白再直接升溫去淀粉，工業上控制方便，減少了能源消耗。

2.3 復合纖維素酶和木聚糖酶酶解最佳條件優化結果與分析

2.3.1 酶解單因素對SDF得率的影響

2.3.1.1 酶添加量對SDF得率的影響

由圖2可以看出，總糖和還原糖得率隨酶添加量的增加而顯著增加，SDF得率先增加后減少。當酶添加量小于0.8%時，SDF得率逐漸增加，原因是隨著酶添加量的增加，復合纖維素酶和木聚糖酶可以使玉米皮中的非水溶纖維發生降解，分子間氫鍵斷裂，分子鏈被切斷，不溶性纖維的結晶結構遭到破壞，分子聚合度降低，溶解性增加，所以總糖、還原糖和SDF得率增加。當酶添加量大于0.8%時，SDF得率開始降低，原因是隨著酶添加量的繼續增加，水解的進行，作用于分子非還原性末端的外切酶和糖苷酶［16］的底物濃度提高，水解中間產物SDF降解為小分子糖類，導致SDF的生成速率小于降解速率，所以總糖和還原糖得率增加，SDF得率下降，由此確定最佳酶添加量為0.8%左右。

圖2 酶添加量對SDF得率的影響

2.3.1.2 酶解溫度對SDF得率的影響

由圖3可以看出，酶解反應速度受溫度影響較大，總糖、還原糖和SDF的得率隨著酶解溫度的升高均先升高后降低。當溫度小于55℃時，3種糖的得率隨溫度升高顯著增加，當溫度大于55℃時，酶的活性隨之降低，反應速度減慢，3種糖的得率開始下降，SDF得率在55℃時最大，由此確定最佳酶解溫度為55℃左右。

圖3 酶解溫度對SDF得率的影響

2.3.1.3 酶解pH對SDF得率的影響

由圖4可以看出，總糖、還原糖和SDF的得率隨著酶解pH的升高均先升高后降低。當pH小于5.5時，3種糖的得率隨pH的升高增加，當pH大于5.5時，酶的活性隨之降低，反應速度減慢，3種糖的得率開始下降，SDF得率在pH為5.5時出現明顯峰值，由此確定最佳酶解pH為5.5左右。

圖4 酶解pH對SDF得率的影響

2.3.1.4 酶解時間對SDF得率的影響

由圖5可以看出，總糖得率隨酶解時間的增加而增加，當達到10 h時增速趨平，還原糖得率持續增加，SDF得率先增加后減少。當時間小于8 h時，SDF得率隨時間延長逐漸增加，當時間大于8 h時，SDF得率開始出現下降趨勢?？偺堑寐试鲩L到一定階段趨平，主要是受到玉米皮中的不可酶解物質含量的限制。還原糖得率持續增加，SDF得率先增加后降低，原因可能是，反應初期水解酶主要作用于大量的不溶性纖維，隨著水解時間的延長，中間產物SDF的濃度逐漸增大，SDF同時被降解成小分子糖類，當達到一定程度，不溶性纖維的濃度降低，更多的酶作用于SDF，SDF的降解速率最終大于生成速率。綜合考慮能耗等因素，確定最佳酶解時間為8 h左右。

圖5 酶解時間對SDF得率的影響

2.3.2 酶解工藝的優化

在單因素基礎上，選取酶添加量、酶解溫度、酶解pH、酶解時間等因素設計正交試驗，以SDF得率為指標，進行四因素三水平L9（34）正交試驗，確定最佳酶解條件，正交試驗的因素水平見表2。按照L9（34）設計，以SDF得率為指標進行正交試驗，結果見表3。

表2 正交試驗因素水平表

表3 正交試驗L9（34）結果表

對結果進行方差分析，結果見表4。

極差分析和方差分析結果表明，4種因素對SDF得率的影響大小依次為D＞A＞B＞C，即酶解時間＞酶添加量＞酶解溫度＞酶解pH，其中，酶解時間和酶添加量對結果影響顯著，最佳反應組合為A2B3C2D2，即酶解工藝確定為：酶添加量0.8%，酶解溫度58℃，酶解pH 5.5，酶解時間8 h。按此最佳組合方案A2B3C2D2作驗證試驗，經3次重復試驗，測得平均SDF得率為13.82%，與正交試驗結果相符，由此表明此正交試驗得出的最佳酶解工藝符合實際。

表4 正交試驗方差分析結果

2.4 玉米皮SDF的理化性質

按本工藝制得的玉米皮SDF是一種有淡淡香味的微黃色粉末，產品的主要性質見表5。

表5 玉米皮SDF的理化性質

由表5可看出，玉米皮SDF的黏度較低，其僅為4.52 mPa·s，且產品的溶解性、持水性、膨脹性均比較好。分析原因是，在酶解中膳食纖維被降解，纖維結構被破壞，變得疏松，而且生成了聚合度低、具有一定持水性的多糖產物，使得溶解性和持水力等性質均明顯得到改善。

3 結論

采用分步加酶、分段控制、一次性分離的方法去除蛋白質和淀粉雜質比較充分，蛋白質質量分數由反應前的9.21%下降至0.76%，淀粉質量分數由反應前的12.34%下降至0.58%。通過單因素和正交試驗優化了酶解工藝，確定復合纖維素酶和木聚糖酶混合改性制備SDF的最佳工藝條件為：酶添加量0.8%、酶解溫度58℃、酶解pH 5.5、酶解時間8 h，SDF得率高達13.82%。

依此優化工藝制得的玉米皮水溶性膳食纖維產品是一種黏度低，溶解性、持水性、膨脹性很好的微黃色粉末，純度高，安全性好。本試驗設計簡化了工藝步驟，有效的降低了生產成本和能源消耗，設備投資少，產品品質好、得率高，具有廣闊的工業化生產前景。

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