機(jī)械預(yù)處理對(duì)玉米皮性質(zhì)的影響

魏媛，蔡國(guó)林，李曉敏，陸健*

1(江南大學(xué) 工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫，214122) 2(江南大學(xué) 糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫，214122)3(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院，江蘇 無錫，214122)

玉米皮是玉米加工淀粉過程中的副產(chǎn)物。我國(guó)每年用于生產(chǎn)玉米淀粉的玉米超過2000萬t，其副產(chǎn)物玉米皮產(chǎn)量在400萬t左右，是我國(guó)重要的飼料原料之一。玉米皮中半纖維素占38%～57%，纖維素占15%～35%。然而，由于木質(zhì)素覆蓋在纖維素和半纖維素，使纖維素和半纖維素很難被降解利用[1]。未經(jīng)處理的玉米皮中有大量的非淀粉多糖，而非淀粉多糖造成飼料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化吸收的降低、消化不良、動(dòng)物消化道形態(tài)和生理的變化、生孢梭菌厭氧發(fā)酵產(chǎn)生某些毒素，抑制動(dòng)物生長(zhǎng)以及產(chǎn)生黏性糞便，影響畜舍和周圍環(huán)境，甚至還會(huì)污染雞蛋等[2]。

為了改善玉米皮作為飼料存在的適口性差、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值低和生物利用度低等問題，需要對(duì)玉米皮進(jìn)行預(yù)處理，增加玉米皮飼料適口性并提高動(dòng)物對(duì)其的利用率，使動(dòng)物高效吸收利用玉米皮飼料成為可能。目前針對(duì)玉米皮飼料飼用品質(zhì)改善的方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法，其中物理法主要有：機(jī)械粉碎、蒸汽爆破等處理方法。但只依靠傳統(tǒng)的機(jī)械處理并不能明顯的提高動(dòng)物有機(jī)物質(zhì)的消化率；化學(xué)法以及蒸汽爆破過程中均伴隨著副產(chǎn)物的產(chǎn)生，而且存在破壞原料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、污染環(huán)境等問題；生物法較溫和、能耗低無污染，但周期較長(zhǎng)[3]。機(jī)械預(yù)處理主要是通過剪切或研磨等方式，減小顆粒尺寸，提高原料比表面積，易于酶解及微生物發(fā)酵等反應(yīng)[4]。因此，通過結(jié)合機(jī)械預(yù)處理和生物法共同處理飼料原料，可以有效提高飼料原料的利用率，降低生產(chǎn)周期及成本[5]。目前已在秸稈、豆粕和花生粕等飼料原料的處理上應(yīng)用，并取得良好的效果。

本研究以玉米皮為原料，通過不同的機(jī)械粉碎，考察不同機(jī)械處理對(duì)玉米皮物理特性、化學(xué)特性及酶解效率的影響，以確定玉米皮機(jī)械預(yù)處理的最佳的方法，為后續(xù)進(jìn)一步發(fā)酵玉米皮，提高玉米皮營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米皮，上海源耀生物股份有限公司；纖維素酶和木聚糖酶，帝斯曼(中國(guó))有限公司；濃H2SO4、蒽酮、濃HCl、NaOH、葡萄糖等，國(guó)藥集團(tuán)藥品。

1.2 儀器與設(shè)備

球磨機(jī)，臺(tái)州市億爾達(dá)機(jī)電有限公司，Q-150 A3刀片粉碎機(jī)，上海冰都電器有限公司，紫外可見分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司，高效液相色譜儀，美國(guó)Agilent公司，MICROTRAC S3500激光粒度分析儀，美國(guó)Microtrac公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 玉米皮的預(yù)處理

機(jī)械預(yù)處理方式：球磨機(jī)研磨，100 g樣品球磨1 h；刀片粉碎，30 g樣品粉碎3 min。

1.3.2 玉米皮粒徑分布

粒徑分布的測(cè)定：MICROTRAC激光粒度分析儀測(cè)定。

1.3.3 電鏡掃描

對(duì)不同機(jī)械處理后的玉米皮進(jìn)行電子顯微鏡掃描(scanning electron microscope，SEM)加速電壓50 kV，放大倍數(shù)160×，觀察不同機(jī)械處理方式下玉米皮原料表面形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化。

1.3.4 水溶性總糖和還原糖含量的測(cè)定

樣品前處理：稱取玉米皮樣品1.00 g于燒杯中，加入20 mL檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液(pH 7.0)，于80 ℃提取30 min，8 000 r/min離心10 min，取上清液備用。

水溶性總糖測(cè)定：采用蒽酮法測(cè)定；還原糖測(cè)定：采用DNS比色法[6]。

1.3.5 單糖組分的測(cè)定

單糖組分測(cè)定所用的液相條件參照王璐璐的方法[7]。

1.3.6 阿魏酰聚糖的提取及測(cè)定

1.3.6.1 阿魏酸的提取

游離阿魏酸和總阿魏酸的提取均參照周婷的方法[8]。

1.3.6.2 阿魏酸的檢測(cè)

阿魏酸測(cè)定時(shí)所用的液相色譜條件參照劉群濤等的方法[9]。

1.3.6.3 阿魏酰聚糖含量的計(jì)算

阿魏酰聚糖結(jié)構(gòu)中阿魏酸與低聚糖組成比例相同，因此，鍵合態(tài)阿魏酸的含量即為阿魏酰聚糖的含量[10]。阿魏酰聚糖含量(μmol/g)=總阿魏酸含量(μmol/g)-游離阿魏酸含量(μmol/g)[11]。

1.3.7 酶解實(shí)驗(yàn)

稱取一定量的機(jī)械處理后的玉米皮，使其底物濃度為50 g/L，緩沖液為檸檬酸-磷酸氫二鈉(pH 5.0)；各添加0.05 g/L的木聚糖酶和纖維素酶；于50 ℃酶解5 h，100 ℃滅酶10 min，8 000 r/min離心10 min，取上清液備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)械處理對(duì)玉米皮空間結(jié)構(gòu)的影響

2.1.1 粒徑分布

對(duì)經(jīng)過機(jī)械處理后的玉米皮進(jìn)行粒徑分析，其粒徑分布如圖1所示。

圖1 不同機(jī)械處理下玉米皮粒徑分布圖Fig.1 Particle size distribution of maize bran milled with different types of mills

干燥及粗粉粹后的玉米皮顆粒約0.5 cm，從圖1可知，經(jīng)過機(jī)械處理后的玉米皮顆粒明細(xì)變小。其中球磨處理后的樣品其粒徑主要分布在300～1 000 μm之間；而經(jīng)過刀片粉碎后的玉米皮，粒徑300 μm左右的占90%，50%的玉米皮粒徑都小于120 μm。由于細(xì)小顆粒聚集在一起，因此測(cè)得的粒徑可能比實(shí)際值偏大[12]。玉米皮通過機(jī)械預(yù)處理后，玉米皮的粒徑明顯變小，酶接觸的比表面積增大，有助于酶解反應(yīng)的進(jìn)行。

2.1.2 玉米皮表面形態(tài)的比較

對(duì)機(jī)械處理后的玉米皮進(jìn)行電鏡掃描，其表面形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電鏡掃描圖(放大倍數(shù)160×)Fig.2 SEM of maize bran before and after mechanical pretreatment (Magnification 160×)

從圖2可清晰的看出，玉米皮原有結(jié)構(gòu)非常緊密，而經(jīng)過不同的機(jī)械處理后，原有結(jié)構(gòu)被破壞。特別是刀片粉碎后，玉米皮的粒度變小且結(jié)合度降低，粉碎度較均勻。玉米皮經(jīng)過機(jī)械處理后，酶反應(yīng)面積增大，酶解效率提高[13]。

2.2 機(jī)械處理對(duì)玉米皮化學(xué)特性的影響

2.2.1 水溶性總糖和還原糖含量的影響

由圖3所知，經(jīng)刀片粉碎的玉米皮水溶性總糖是原樣的2.0倍，球磨處理后的玉米皮水溶性總糖較原樣提高了1.6倍。機(jī)械處理過程中，由于纖維素受到剪切力和摩擦力，部分纖維束被破壞，氫鍵斷裂，部分纖維素溶出[14]。同時(shí)使玉米皮的木質(zhì)素分離，增加了水溶性總糖含量[15]。刀片粉碎后的玉米皮還原糖含量是未經(jīng)處理的玉米皮的2.6倍，這是由于玉米皮本身存在的還原糖在木質(zhì)素脫離時(shí)溶出。此外，機(jī)械處理使木聚糖結(jié)構(gòu)上的單糖或寡糖脫落，增加了還原糖含量[12]。

圖3 機(jī)械處理對(duì)還原糖及水溶性總糖含量的影響Fig.3 Effects of mechanical treatment on the contents of reducing sugar and total soluble sugar of the maize bran

2.2.2 水溶性糖的糖組成

對(duì)球磨處理和刀片粉碎后的玉米皮分別進(jìn)行還原糖和水溶性總糖的單糖組成分析(圖4)。

圖4 還原糖組成分析(a)及水溶性總糖的單糖組成(b)Fig.4 Analysis of reducing sugar composition and monosaccharide composition of the total soluble sugar

由圖4可知，玉米皮粒徑減小，各單糖含量均有所增加。玉米皮中水溶性總糖主要有阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖和果糖五種單糖。構(gòu)成半纖維素的單體主要有木糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖以及少量鼠李糖等[16]。因此可看出經(jīng)機(jī)械處理后增加的水溶性糖主要來自半纖維素分子鏈的斷裂。

2.2.3 機(jī)械處理對(duì)玉米皮中阿魏酰聚糖的影響

阿魏酰聚糖(feruloyl oligosaccharides, FOs)由阿魏酸通過酯鍵和低聚糖連接。阿魏酰聚糖具有抗血栓、抗氧化、清除自由基[17]，以及改善腸道微生物群落組成及其代謝活動(dòng)等[18]。由圖5可知，經(jīng)過機(jī)械處理的玉米皮，阿魏酰聚糖含量有所提高，刀片粉碎后的樣品中阿魏酰聚糖含量為1.6 μmol/g，是未經(jīng)機(jī)械處理的1.6倍；球磨處理后的樣品的阿魏酰聚糖是其1.1倍。刀片粉碎后的玉米皮阿魏酰聚糖含量增加明顯。

圖5 機(jī)械處理對(duì)阿魏酰聚糖的影響Fig.5 Effects of mechanical treatment on the contents of feruloyl oligosaccharides

2.3 機(jī)械處理對(duì)木聚糖酶和纖維素酶協(xié)同酶解效率的影響

2.3.1 對(duì)水溶性總糖和還原糖含量的影響

玉米皮經(jīng)過刀片粉碎和酶處理后，較原樣酶解后的水溶性總糖含量提高了3.0倍，還原糖含量提高了3.7倍(圖6)。在機(jī)械處理過程中，玉米皮原有結(jié)構(gòu)被破壞，纖維素間氫鍵斷裂，同時(shí)半纖維素暴露，半纖維素受到剪切力和熱能的作用降解為小分子水溶性多糖，更易被酶水解[19]；機(jī)械處理還使玉米皮的粒徑尺寸減小，增加了酶作用的有效表面積。這些因素使酶解效率提高。

圖6 酶解玉米皮對(duì)水溶性總糖和還原糖的影響Fig.6 Effect of enzymatic hydrolysis of maize bran on the total soluble sugar and reducing sugar

2.3.2 對(duì)單糖組成的影響

機(jī)械處理不足以將這些木質(zhì)纖維類物質(zhì)降解，多數(shù)仍以多糖形式存在，因此，需要添加纖維素酶和木聚糖酶同時(shí)處理機(jī)械處理后的玉米皮。機(jī)械處理的玉米皮經(jīng)酶解后的還原糖組成分析及水溶性總糖的單糖組成結(jié)果如圖7所示。酶解后玉米皮水溶性糖主要以葡萄糖和木糖為主，其中增加的葡萄糖主要源于纖維素和淀粉的降解，增加的阿拉伯糖和木糖主要源于半纖維素的降解。因此，玉米皮經(jīng)機(jī)械處理與酶法結(jié)合的方法，增加了后續(xù)微生物可利用的糖含量。

2.3.3 對(duì)阿魏酰聚糖含量的影響

不同機(jī)械處理后的玉米皮經(jīng)協(xié)同酶解后，其結(jié)果如圖8所示。隨著機(jī)械粉碎粒徑尺寸的減小，酶與底物接觸面積增大，酶解后阿魏酰聚糖含量顯著提高。刀片粉碎及酶解后阿魏酰聚糖含量為6.1 μmol/g，是未處理的玉米皮酶解后的2.0倍。機(jī)械處理玉米皮后，纖維素和半纖維素溶出，促進(jìn)酶進(jìn)一步水解[14]，從而使FOs含量有所增加。

圖8 酶解玉米皮對(duì)提取阿魏酰聚糖的影響 Fig.8 Effect of enzymatic hydrolysis of maize bran on content of feruloyl oligosaccharides

3 結(jié)論

玉米皮經(jīng)機(jī)械處理后，顆粒尺寸變小，原有空間結(jié)構(gòu)破壞，經(jīng)球磨處理和刀片粉碎后的玉米皮水溶性總糖較原樣分別提高了1.6倍和2.0倍，還原糖含量分別提高了1.8倍和2.6倍，阿魏酰聚糖含量分別提高了1.1倍和1.6倍。球磨處理和刀片粉碎后的玉米皮經(jīng)纖維素酶和木聚糖酶協(xié)同酶解后，水溶性總糖含量提高了2.2倍和3.0倍，還原糖含量分別提高了2.5倍和3.7倍，阿魏酰聚糖含量分別提高了1.3倍和2.0倍。經(jīng)過刀片粉碎后的玉米皮營(yíng)養(yǎng)價(jià)值均比球磨處理高，也更適合于后續(xù)的生物處理結(jié)合使用。