超聲-酶法水解小麥麩皮制備低聚木糖的研究

張 媛 馮新月 常思源* 曹 亮

1 南京鐘鼎生物技術有限公司（江蘇南京 210034）2 南京科技職業學院生命健康學院（江蘇南京 210048）

低聚木糖是由2～7 個木糖分子以糖苷鍵構成的功能性聚合糖[1]。低聚木糖有明顯的雙歧桿菌增殖作用，其在增殖腸道雙歧桿菌、維持腸道正常功能，降低血壓、血糖、血清膽固醇，抗齲齒以及促進人體對鈣的吸收等方面的功效顯著優于其他功能性糖[2]。正因為具有如此多的特殊功效，低聚木糖在我國的需求量逐年上升。

小麥是我國糧食供應體系中重要的農產品。小麥麩皮是面粉加工生產過程中的副產物，其產量約為小麥加工量的20%，每年的產量超過2 500萬t。目前，大多數小麥麩皮作為釀酒，制醋、醬油、飼料等產品的廉價原料，很少用于深加工和再利用，經濟效益和社會效益很低。盡管大量研究表明全谷物食品對健康有益，但是由于加工技術、營養及感官標準等因素，小麥麩皮很難直接添加到食品系統中[3]，如隨著小麥麩皮添加量的增加，面條的糊化特性、硬度、黏性、咀嚼性、感官評分都隨之下降，這些因素限制了小麥麩皮的高效利用。因此，找到新的小麥麩皮添加方法是提高其利用價值的關鍵。

小麥麩皮含大量碳水化合物、蛋白質及維生素等，其中碳水化合物總的質量分數為45%～65%，遠遠高于玉米、燕麥等其他谷物皮層中的碳水化合物總量。細胞壁多糖又稱非淀粉多糖，主要由半纖維素、纖維素和木質素構成，是小麥麩皮中碳水化合物的主要成分。半纖維素的主要成分是木聚糖，約占小麥麩皮的20%[4]，是小麥麩皮細胞壁結構的主要成分之一，也是制備小麥麩皮低聚糖的良好資源。

按照“創新、協調、綠色、開放、共享”的發展理念，利用小麥麩皮制成性價比高的功能性糖，符合農業廢棄物充分利用并取得巨大經濟效益的理念[5]。利用小麥麩皮制備低聚木糖具有十分廣闊的前景。本研究以小麥麩皮為原料，考察超聲功率和超聲時間對小麥麩皮半纖維素組分提取效率的影響，考察加酶量、木聚糖添加量和酶解時間對木聚糖酶水解木聚糖生產低聚木糖的影響，旨在優化以小麥麩皮生產低聚木糖超聲-酶解的工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥麩皮，購自河北廊雪面粉有限責任公司；木聚糖酶，實驗室自行發酵純化獲得。

1.2 木聚糖制備

（1）小麥麩皮預處理

小麥麩皮浸泡在水中并用力多次揉搓清洗，用玻璃棒攪拌，加熱蒸煮2 h，然后在過濾掉處理液的基礎上，將麩皮清洗干凈之后烘干。

（2）超聲輔助提取木聚糖

考察不同超聲功率和超聲時間對木聚糖提取效率的影響。稱取20 g小麥麩皮，放入燒杯中，加入400 mL 去離子水后進行超聲處理。隨后放入鍋內密封處理，150 ℃恒溫提取40 min。反應結束溫度降至室溫后，回收上清液，冷凍干燥即得木聚糖[6]。

（3）酶水解木聚糖制備低聚木糖

用自行篩選純化獲得的來自枯草芽孢桿菌的β-1，4-木聚糖酶水解木聚糖，改變木聚糖酶添加量（50，75，100，150，200 U/g），麩皮添加質量分數（2%，4%，8%，10%，15%）以及酶解時間（2，4，6，8，10，12 h），考察酶解自提取木聚糖生成低聚木糖（還原糖）的效果。

1.3 水解液中還原糖和總糖的測定

還原糖采用3，5 二硝基水楊酸法測定，總糖采用蒽酮硫酸法[7]測定。

2 結果與討論

2.1 超聲功率對木聚糖提取效率的影響

考察超聲功率對小麥麩皮木聚糖提取效率的影響時，選用超聲時長為30 min，底物小麥麩皮添加質量分數為5%。超聲功率對木聚糖含量和木聚糖提取率的影響如圖1 所示。當超聲功率 為0～600 W時，木聚糖質量濃度（0.35～1.07 g/L）和木聚糖提取率（2.85%～8.63%）增加緩慢；隨著超聲功率增大，處于600～1200 W 之間時，木聚糖質量濃度和提取率均快速增加；當超聲功率為1 200 W 時，木聚糖提取率和木聚糖質量濃度效果最佳（17.6%，2.19 g/L）。超聲波主要通過空化效應與機械效應作用于小麥麩皮。超聲功率越大，產生的超聲波空化效應越劇烈，表現為其對植物細胞壁的破碎能力越強，從而有助于木聚糖組分的溶出。另外，超聲波產生的機械效應會破壞木片表面結構，使木聚糖溶于熱水中，從而提高木聚糖得率。

圖1 超聲功率對木聚糖溶出率和提取率的影響

2.2 超聲時間對木聚糖提取效率的影響

在研究不同超聲時間對木聚糖提取效率的影響時，選擇超聲功率1 200 W、底物小麥麩皮添加質量分數為5%。超聲時間為0～20 min 時，木聚糖質量濃度和提取率逐漸增加，之后增勢放緩；在30 min 時木聚糖質量濃度和提取率（2.13 g/L，17.4%）達到最高；超過30 min 后，木聚糖質量濃度和提取率逐步降低。這可能是由于超聲波產生的機械效應、空化效應促進了小麥麩皮中不同組分的溶出，還可能是部分糖降解為糠醛所致。超聲時間對木聚糖溶出率的影響可能是因為：短時間超聲的空化效應和機械效應破壞其結構，促進木聚糖的溶出；但是隨著超聲時間的延長，超聲產生的空化泡會在某種程度上減少傳輸到溶液中的能量，空化強度降低，產生“飽和效應”，從而導致木聚糖溶出率降低。

圖2 超聲時間對木聚糖溶出率和提取率的影響

2.3 木聚糖添加量對酶解效果的影響

當酶解時間為8 h、酶解溫度為45 ℃、加酶量為10 U/g 的條件下，選取2%，4%，8%，10%和15%來考察自提取木聚糖添加量對酶解效果的影響，結果如圖3 所示。當木聚糖質量分數低于8%時，還原糖產量隨著木聚糖量的增加而增加。這是由于當反應體系中的木聚糖酶過量時，隨著木聚糖添加量增加，反應速率增大。隨著木聚糖添加量進一步增加，還原糖的產量略有下降。這可能是由于反應體系中自由水的量減少，混合效率低下，導致物質間的傳質效能降低，進而限制了木聚糖水解進程。因此8%為最佳底物添加質量分數。

圖3 木聚糖添加量對酶解效果的影響

2.4 木聚糖酶添加量對酶解效果的影響

在酶解時間為8 h、酶解溫度為45 ℃、自提取木聚糖質量分數為8%的條件下，選取2，5，10，15，20 U/g 來考察木聚糖酶添加量對酶解效果的影響，結果如圖4 所示。在木聚糖酶添加量到達10 U/g 之前，其水解效果隨著添加量的增加而增強，當酶添加量為10 U/g 時酶解效果最佳，還原糖質量濃度達到最大值14.11 g/L。當木聚糖酶添加量小于10 U/g時，酶解反應體系中底物木聚糖過量，反應速率的增加與酶質量濃度的增加成正比。此后，隨酶質量濃度的增加，反應速率的增大趨勢逐漸減緩。當酶質量濃度增加到10 U/g 時，反應速率達到最大值，不再隨酶質量濃度的增加而增大。

圖4 木聚糖酶添加量對酶解效果的影響

2.5 酶解時間對酶解效果的影響

在木聚糖酶添加量為10 U/g、自提取木聚糖質量分數為8%、酶解溫度 為45 ℃的條件下，選取2，4，6，8，10，12 h 來考察反應時間對于酶解效果的影響，結果如圖5 所示。隨著時間增加，在6 h 內還原糖質量濃度不斷上升（7.91～14.13 g/L），6 h 后產量增加緩慢。在酶解反應初期，木聚糖酶與木聚糖粗液充分接觸，使得還原糖和總糖產量迅速上升，隨木聚糖粗液消耗量不斷加大，反應趨于相對飽和的狀態，最后還原糖質量濃度呈現平穩的狀態。

因此，當在酶解溫度為45 ℃、木聚糖酶添加量為10 U/g、自提取木聚糖質量分數為8%、酶解時間為6 h 的條件下，低聚木糖的質量濃度為14.13 g/L。利用高效液相色譜（HPLC）分析并確認水解產物的質量濃度為木糖0.15 g/L、木二糖4.73 g/L、木三糖5.96 g/L、木四糖2.21 g/L。

圖5 酶解時間對酶解效果的影響

3 結論

通過單因素實驗確定了木聚糖超聲輔助提取工藝以及后續酶解工藝參數，在超聲功率為1 200 W、超聲時間為30 min 的條件下，小麥麩皮木聚糖質量濃度和提取率分別為2.13 g/L 和17.4%。在酶解溫度為45 ℃、木聚糖酶添加量為10 U/g、自提取木聚糖質量分數為8%、酶解時間為6 h 的條件下，低聚木糖的質量濃度為14.13 g/L。