復(fù)合纖維素酶法制備玉米水溶性膳食纖維＊

王文俠,宋春麗,張曉靜,王偉,王麗

(齊齊哈爾大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,農(nóng)產(chǎn)品加工黑龍江省普通高校重點實驗室,黑龍江齊齊哈爾,161006)

復(fù)合纖維素酶法制備玉米水溶性膳食纖維＊

王文俠,宋春麗,張曉靜,王偉,王麗

(齊齊哈爾大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,農(nóng)產(chǎn)品加工黑龍江省普通高校重點實驗室,黑龍江齊齊哈爾,161006)

以玉米皮水不溶性膳食纖維為原料,對復(fù)合纖維素酶法制備水溶性膳食纖維 (SDF)進(jìn)行了研究。采用六偏磷酸鈉及高溫蒸煮等處理方法強(qiáng)化酶解過程以提高水溶性膳食纖維得率。結(jié)果表明,高溫蒸煮有助于提高玉米皮水溶性膳食纖維得率,條件為 121℃,3 h。在單因素實驗的基礎(chǔ)上,采用 L9(34)正交實驗對復(fù)合纖維素酶法制備水溶性膳食纖維的條件進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明,玉米水溶性膳食纖維的較佳提取條件為:復(fù)合纖維素酶的添加量 2%,底物濃度 40 g/L,酶解溫度 55℃,pH4.0,酶解 11 h。在此條件下,玉米 SDF得率達(dá)到 10.37%。

玉米皮,水溶性膳食纖維,復(fù)合纖維素酶,高溫蒸煮,六偏磷酸鈉

膳食纖維 (dietary fiber,簡稱 DF)通常是指在人體內(nèi)難以被酶解消化的高分子多糖類物質(zhì)。按溶解性分,膳食纖維分為水溶性膳食纖維 (SDF)和不溶性膳食纖維 (I DF)兩類 。SDF因具有獨特的生理功能[1-3],及較好的理化性質(zhì)[4],作為食品配料要優(yōu)于IDF,富含 SDF的制品是一種高活性膳食纖維,目前已作為食品配料廣泛應(yīng)用于食品加工中,如制備高纖維面包、餅干、飲料、糖果等健康食品[5]。

玉米加工企業(yè)在生產(chǎn)淀粉時產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物——玉米皮,絕大多數(shù)直接做飼料,未得到充分利用[6]。玉米皮富含膳食纖維,其中天然 SDF含量可達(dá) 4%～8%[7],從玉米皮中制備 SDF不僅可以提高玉米深加工產(chǎn)品的附加值,而且會帶來良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

近年來很多學(xué)者采用纖維素酶法從多種原料中提取 SDF[8-10],以玉米皮為原料的也有報道[6]。但是利用纖維素酶直接生產(chǎn) SDF得率較低,通常輔以一些前處理以強(qiáng)化酶解效果。本研究以經(jīng)脫脂、去除蛋白和淀粉的玉米皮為原料,采用高溫蒸煮后,利用復(fù)合纖維素酶制備水溶性膳食纖維。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

玉米皮渣:黑龍江省鏡泊湖農(nóng)業(yè)開發(fā)股份有限公司;耐高溫 α-淀粉酶:酶活力 50 000U/g、中性蛋白酶:酶活力 4511 U/g、堿性蛋白酶:酶活力 102 511 I U/g、復(fù)合纖維素酶 Celluclast 1.5L:酶活力 117.4 U/mL,丹麥諾維信公司;其他化學(xué)試劑均為化學(xué)分析純。

722分光光度計,江蘇省宜興市科教儀器研究所;HH-S1型電熱恒溫水浴鍋,上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠;SHZ-D(Ⅲ)型循環(huán)水式真空泵,鞏義市英峪予華儀器廠;DHG-9145型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海一恒科技有限公司;BL3100型電子天平,BS124s型電子天平,北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;LG10-2.4A型高速離心機(jī),上海精密科學(xué)儀器有限公司;GB300-D強(qiáng)力電動攪拌機(jī),上海標(biāo)本模型廠;BFM-6B I貝利超微粉碎機(jī),濟(jì)南倍力粉技術(shù)工程有限公司;DSX-280型不銹鋼手提滅菌器,上海申安醫(yī)療器械廠。

1.2 玉米水溶性膳食纖維制備的

1.2.1 工藝流程

脫脂玉米皮→超微粉碎→糊化→淀粉酶、蛋白酶酶解→過濾→水不溶性膳食纖維→前處理→復(fù)合纖維素酶酶解→過濾→濾液→乙醇沉淀→離心分離→水溶性膳食纖維

(1)粉碎:玉米皮經(jīng)貝利超微粉碎機(jī)粉碎后,過20目篩。

(2)糊化:稱取超微粉碎后的原料置于容器中,以固液比 1∶40(g∶mL)沸水處理 0.5 h。

(3)淀粉酶、蛋白酶酶解:用 3 mol/L NaOH調(diào)整pH6.0,加入 10.0 mL耐高溫淀粉酶,95℃水浴攪拌 2 h后,取出冷卻至 50℃,用 3 mol/L NaOH調(diào)整pH8.0,加入 10.0 mL堿性蛋白酶,50℃水浴攪拌 2 h后,取出冷卻至室溫。

(4)過濾:用漏斗抽濾,待抽干后,用溫水沖洗濾渣數(shù)次直至濾液澄清為止。

(5)乙醇沉淀:采用濾液與乙醇體積比為 1∶4進(jìn)行醇沉。

(6)離心分離:4 000 r/min離心 20 min。

1.2.2 原料的前處理

以玉米渣I DF為底物,采用六偏磷酸鈉溶液(2%)以底物濃度 30 g/L,60℃水浴振蕩 2 h及以底物濃度 30 g/L,121℃高溫蒸煮 3 h作為前處理方法。

1.2.3 單因素實驗及正交實驗設(shè)計

以玉米渣 I DF為底物,SDF得率為指標(biāo),通過實驗以提高玉米皮 SDF的得率。根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果,分別對影響酶解反應(yīng)的纖維素酶加入量、底物濃度、酶解溫度、酶解 pH值及酶解時間進(jìn)行單因素試驗。在單因素實驗的基礎(chǔ)上,對影響酶解反應(yīng)的主要因素進(jìn)行L9(34)正交實驗,確定最適的纖維素酶酶解條件。

1.3 水溶性膳食纖維的測定方法

苯酚硫酸法[11]

2 結(jié)果與討論

2.1 原料前處理方法的選擇及工藝條件確定

2.1.1 原料前處理方法的選擇

前處理條件對復(fù)合纖維素酶解玉米皮渣所得SDF得率的影響見圖 1。

圖 1 前處理條件對玉米渣時 SDF得率的影響

從圖 1可以看出,2種前處理方法均能提高玉米渣 I DF向 SDF的轉(zhuǎn)化,且高溫蒸煮作用效果優(yōu)于六偏磷酸鈉?？赡苁怯捎谠谡糁筮^程中,水進(jìn)入了半纖維素和纖維素等大分子的結(jié)晶區(qū),使分子之間的鍵斷裂,而釋放部分的可溶性成分[12]。六偏磷酸鈉溶液為緩沖液易水解成正磷酸根離子,對細(xì)胞壁中被束縛的纖維如果膠類多糖的鰲合作用強(qiáng)[13],因此可以提高 SDF的得率。此外,2種前處理方法能顯著提高復(fù)合纖維素酶解對玉米渣 LDF的酶解程度,且高溫蒸煮作用優(yōu)于六偏磷酸鈉,這是由于高溫蒸煮玉米皮能夠破壞玉米皮纖維素與半纖維素的結(jié)合和纖維素的晶束結(jié)構(gòu),從而利于復(fù)合纖維素酶的作用。因此,確定采用高溫蒸煮作為酶解前處理方式。

2.1.2 高溫蒸煮工藝條件的確定

2.1.2.1 高溫蒸煮時間的確定

以玉米渣 I DF為底物,SDF得率為指標(biāo),底物濃度 30 g/L。高溫蒸煮溫度為 121℃,時間分別為 0.5、1、2、3 h。高溫蒸煮時間對復(fù)合纖維素酶解玉米渣所得的 SDF得率的影響見圖 2。

圖 2 高溫蒸煮時間對玉米渣 SDF得率的影響

從圖 2可以看出,121℃,蒸煮 1h后,SDF的含量得率較多,時間延長至 3h時,SDF得率最高?？紤]SDF得率及生產(chǎn)成本,確定高溫蒸煮的時間為 3 h。

2.1.2.2 高溫蒸煮溫度的確定

高溫蒸煮溫度對復(fù)合纖維素酶解玉米渣所得的SDF得率的影響見圖 3。由圖 3可知,SDF得率隨高溫蒸煮溫度的增加而逐漸增加,但增加的幅度逐漸減小。綜合分析能耗和 SDF得率 2個因素,確定高溫蒸煮的溫度為 121℃。

圖 3 高溫蒸煮溫度對玉米渣 SDF得率的影響

2.2 酶解單因素試驗結(jié)果與分析

2.2.1 酶添加量的確定

以玉米渣 I DF為原料,底物濃度為 30 g/L,121℃高溫蒸煮 3 h后,采用復(fù)合纖維素酶進(jìn)行酶解,酶解pH值 5.0,50℃,時間 2 h,酶添加量分別為 0.5%,1.0%,2.0%,3.0%,4.0%,5.0%,復(fù)合纖維素酶添加量對玉米渣 SDF得率的影響見圖 4。

從圖 4可以看出,當(dāng)復(fù)合纖維素酶的添加量達(dá)到2.0%時,SDF得率最大。此后,隨著酶添加量的增加,SDF得率略有降低,綜合酶解效果及成本 2個因素,確定纖維素酶添加量為 2.0%。

2.2.2 底物濃度的確定

以玉米渣 I DF為原料,底物濃度分別為 20、25、30、50、100 g/L。121℃高溫蒸煮 3 h后 ,采用復(fù)合纖維素酶進(jìn)行解酶,酶解 pH值 5.0,50℃,酶添加量2.0%,酶解時間 2h,底物濃度對玉米渣 SDF得率的影響見圖 5。

圖 4 復(fù)合纖維素酶添加量對玉米渣 SDF得率的影響

圖 5 底物濃度對玉米 SDF得率的影響

從圖 5可以看出,SDF得率隨底物濃度的變化比較顯著。當(dāng)?shù)孜餄舛葹?30 g/L時,SDF得率最大,表明此時底物與酶的作用效果最佳。

2.2.3 酶解溫度的確定

以玉米渣 I DF為原料,底物濃度為 30 g/L,121℃高溫蒸煮 3 h后,用復(fù)合纖維素酶酶解,pH值 5.0,酶解 2h,酶添加量為 2.0%,溫度分別為 40、45、50、55、60℃,酶解溫度對玉米渣 SDF得率的影響見圖 6。

從圖 6可以看出,溫度對 SDF得率的影響較大,溫度過低不利于酶與底物的接觸,溫度過高易引起酶失活。酶解溫度為 55℃時,SDF得率達(dá)到最大值?？梢?55℃是復(fù)合纖維素酶較適宜的作用溫度。

2.2.4 酶解 pH值的確定

以玉米渣 LDF為原料,底物濃度為 30 g/L,121℃高溫蒸煮 3 h后,復(fù)合纖維素酶作為酶解酶,酶解 2h,酶添加量為 2.0%,酶解溫度為 55℃,酶解 pH值分別為 4.0,4.5,5.0,5.5,6.0,酶解 pH值對玉米渣 SDF得率的影響見圖 7。

圖 6 酶解溫度對玉米渣 SDF得率的影響

圖 7 酶解 pH值對玉米渣 SDF得率的影響

從圖 7可以看出,酶解 pH值對玉米渣 SDF得率的影響較大。復(fù)合纖維素酶解玉米渣在 pH 4.5時SDF得率最大,此后,隨著酶解 pH的增加,SDF得率下降,這是由于酶在一定的 pH值范圍能夠發(fā)揮其最大酶活力,一旦超過這一范圍酶易失活。

2.2.5 酶解時間的確定

以玉米渣 LDF為原料,底物濃度為 30 g/L,121℃高溫蒸煮 3 h后,復(fù)合纖維素酶作為酶解酶,酶添加量為 2.0%,酶解溫度為 55℃,pH值 4.5,酶解時間分別為 2、4、6、8、10、12、15、18 h,酶解時間對玉米渣 SDF得率的影響見圖 8。

圖 8 酶解時間對玉米渣 SDF得率的影響

從圖 8可以看出,隨著反應(yīng)時間的增加,SDF得率逐步增加,但達(dá) 10 h以后,隨著時間的延長,SDF得率逐漸降低,較適宜的酶解時間為 10 h。

2.3 正交試驗結(jié)果與分析

正交實驗因素水平表見表 1,試驗結(jié)果見表 2。

從表 2可以看出,4個因素對復(fù)合纖維素酶酶法制備 SDF得率的的作用順序為B>C>A>D,即主要因素是 pH值,其次是酶解溫度和底物濃度,影響最小因素的是酶解時間。由 k分析可知,A1B1C3D3為酶法制備水溶性膳食纖維的最佳條件,即底物濃度4%,pH值 4.0,溫度 55℃,酶解時間 11 h,此條件下的 SDF得率為 10.37%。

表1 L9(34)正交實驗因素水平表

表2 L9(34)正交實驗結(jié)果

3 結(jié)論

高溫蒸煮能夠強(qiáng)化酶解過程以提高水溶性膳食纖維得率,高溫蒸煮處理的條件為溫度 121℃,時間為 3 h。由單因素實驗和正交實驗確定復(fù)合纖維素酶解玉米渣的適宜的工藝參數(shù)是:復(fù)合纖維素酶添加量2.0%,底物濃度為 40 g/L,酶解溫度 55℃,pH4.0,酶解時間 11 h,此條件下的 SDF得率為 10.37%。

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Preparation of Soluble D ietary Fiber from Corn Bran by Celluclast

WangWen-xia,Song Chun-li,Zhang Xiao-jing,WangWei,Wang Li
(College of Food Science and Engineering,QiqihaerUniversity,KeyLaboratory of ProcessingAgricultural Products of Heilongjiang Province,Qiqihar 161006,China)

Soluble dietary fiberwas obtained from insoluble dietary fiber of corn bran by treat ment with a celluclast.Insoluble dietary fiber is subjected to a sodium hexametaphosphate solution or high pressure treatment in order to enhance enzymic access and soluble dietary fiber production.The results showed that high pressure treatment was most useful to increase the yield of soluble dietary fiber,and high pressure treatment condition was 121℃,3 h.The reaction parameters affecting the soluble dietary fiber,such as substrate concentration,enzyme loading,pH,reaction temperature and reaction time,have been investigated.The maxi mum soluble dietary fiber production was observed after 11 h incubation of enzyme loading 2%,substrate concentration 40 g/L,temperature 55℃,and pH 4.0.The obtained yield of soluble dietary fiberwas 10.37%.

corn bran,soluble dietary fiber,celluclast,high-pressure treatment,sodium hexametaphosphate

碩士,教授。

＊黑龍江省科技攻關(guān)項目 (GC10B402)

2010-08-05,改回日期:2011-01-05