玉米皮水溶性膳食纖維的酶法制備

李 晶 張連富

（江南大學(xué)食品學(xué)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(zhì)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(zhì)，較IDF口感更好，應(yīng)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(chǎn)生大量副產(chǎn)物——玉米皮，絕大多數(shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)4%～8%［4］，利用玉米皮制備SDF不僅可以加快玉米副產(chǎn)物的深加工，而且變廢為寶，減少環(huán)境污染，實現(xiàn)經(jīng)濟價值和社會價值的統(tǒng)一，具有重大意義。

由于玉米皮表面覆蓋著蛋白、淀粉等雜質(zhì)，簡單將其粉碎作為食品添加劑并不能發(fā)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(zhì)和淀粉［5-6］。傳統(tǒng)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(yán)重，且產(chǎn)品風(fēng)味和色澤較差，得率和質(zhì)量不易控制。目前，現(xiàn)有工藝多采用酶解法，其反應(yīng)條件溫和，水解專一性強，同時產(chǎn)品品質(zhì)好，安全性高，但現(xiàn)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(chǎn)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(zhì)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(diào)整酶解順序利于工業(yè)上的控制，在上述基礎(chǔ)上得到膳食纖維粗品，然后用復(fù)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(zhuǎn)化得到水溶性膳食纖維，它具有黏度低、水溶性好等優(yōu)良品質(zhì)，可廣泛應(yīng)用于各類功能性食品中。

本研究以玉米加工副產(chǎn)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(chǎn)品純度和得率，制取高品質(zhì)水溶性膳食纖維產(chǎn)品。試驗設(shè)計簡化了工藝，在實際生產(chǎn)中減少了水的使用量及能源消耗，降低了成本，適宜工業(yè)化生產(chǎn)，競爭優(yōu)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(fù)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(xué)試劑公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SXJQ-1型數(shù)顯直流無極調(diào)速攪拌器：鄭州長城科工貿(mào)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(zhuǎn)蒸發(fā)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(zhǔn)確稱取10 g玉米皮，按1∶15的料液比加水，調(diào)節(jié)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(zhì)。再調(diào)節(jié)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(zhì)和淀粉去除徹底。反應(yīng)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(zhì)量和殘余淀粉量。

1.3.4 復(fù)合纖維素酶和木聚糖酶改性制備SDF

選用復(fù)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(qū)間，故酶解時考慮采用同一條件同時添加進(jìn)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(diào)節(jié)溫度和pH，加入復(fù)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(yīng)完畢100℃水浴滅酶10 min。

1.3.4.1 復(fù)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(biāo)，分別對影響酶解反應(yīng)的酶添加量、溫度、pH及酶解時間進(jìn)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(diào)節(jié)pH至5.0，分別添加復(fù)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(diào)節(jié)pH至5.0，添加復(fù)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(diào)節(jié) pH至4.0、4.5、5.0、5.5、6.0，添加復(fù)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(diào)節(jié)PH至5.0，添加復(fù)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(zhì)研究

1.3.5.1 黏度的測定

采用NDJ-1旋轉(zhuǎn)型黏度計，選擇1號轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(nèi)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(jù)床體積法［18］測定膨脹力，將樣品粉碎并過篩（60目），準(zhǔn)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(zhǔn)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(jīng)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(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

使用Excel 2007、SPSS18.0分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在P＜0.05檢驗水平對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理。

2 結(jié)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(zhì)、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(jìn)行脫脂。據(jù)報道［5］，玉米皮中蛋白質(zhì)以特殊的立體結(jié)構(gòu)組成蛋白質(zhì)網(wǎng)，這種蛋白質(zhì)網(wǎng)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。總膳食纖維中大部分都是不溶性膳食纖維，所以采用復(fù)合纖維素酶和木聚糖酶改性，將不溶性膳食纖維轉(zhuǎn)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(jié)果

玉米皮表面蛋白和淀粉雜質(zhì)的去除結(jié)果直接影響到SDF產(chǎn)品的純度和得率。經(jīng)測定，按上述方法雜質(zhì)去除較充分，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由反應(yīng)前的9.21%下降至0.76%，淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)由反應(yīng)前的12.34%下降至0.58%，由此可看出，本方法去蛋白質(zhì)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(tǒng)一進(jìn)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(shè)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(yè)上控制方便，減少了能源消耗。

2.3 復(fù)合纖維素酶和木聚糖酶酶解最佳條件優(yōu)化結(jié)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(dāng)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(fù)合纖維素酶和木聚糖酶可以使玉米皮中的非水溶纖維發(fā)生降解，分子間氫鍵斷裂，分子鏈被切斷，不溶性纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)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(dāng)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(xù)增加，水解的進(jìn)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(chǎn)物SDF降解為小分子糖類，導(dǎo)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(yīng)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(dāng)溫度小于55℃時，3種糖的得率隨溫度升高顯著增加，當(dāng)溫度大于55℃時，酶的活性隨之降低，反應(yīng)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(dāng)pH小于5.5時，3種糖的得率隨pH的升高增加，當(dāng)pH大于5.5時，酶的活性隨之降低，反應(yīng)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(xiàn)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(dāng)達(dá)到10 h時增速趨平，還原糖得率持續(xù)增加，SDF得率先增加后減少。當(dāng)時間小于8 h時，SDF得率隨時間延長逐漸增加，當(dāng)時間大于8 h時，SDF得率開始出現(xiàn)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(zhì)含量的限制。還原糖得率持續(xù)增加，SDF得率先增加后降低，原因可能是，反應(yīng)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(chǎn)物SDF的濃度逐漸增大，SDF同時被降解成小分子糖類，當(dāng)達(dá)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(yōu)化

在單因素基礎(chǔ)上，選取酶添加量、酶解溫度、酶解pH、酶解時間等因素設(shè)計正交試驗，以SDF得率為指標(biāo)，進(jìn)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(shè)計，以SDF得率為指標(biāo)進(jìn)行正交試驗，結(jié)果見表3。

表2 正交試驗因素水平表

表3 正交試驗L9（34）結(jié)果表

對結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表4。

極差分析和方差分析結(jié)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(jié)果影響顯著，最佳反應(yīng)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(jīng)3次重復(fù)試驗，測得平均SDF得率為13.82%，與正交試驗結(jié)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(jié)果

2.4 玉米皮SDF的理化性質(zhì)

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(chǎn)品的主要性質(zhì)見表5。

表5 玉米皮SDF的理化性質(zhì)

由表5可看出，玉米皮SDF的黏度較低，其僅為4.52 mPa·s，且產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)物，使得溶解性和持水力等性質(zhì)均明顯得到改善。

3 結(jié)論

采用分步加酶、分段控制、一次性分離的方法去除蛋白質(zhì)和淀粉雜質(zhì)比較充分，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由反應(yīng)前的9.21%下降至0.76%，淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)由反應(yīng)前的12.34%下降至0.58%。通過單因素和正交試驗優(yōu)化了酶解工藝，確定復(fù)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(dá)13.82%。

依此優(yōu)化工藝制得的玉米皮水溶性膳食纖維產(chǎn)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(shè)計簡化了工藝步驟，有效的降低了生產(chǎn)成本和能源消耗，設(shè)備投資少，產(chǎn)品品質(zhì)好、得率高，具有廣闊的工業(yè)化生產(chǎn)前景。

［1］鄭建仙.功能性膳食纖維［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：1-9

［2］Shao Y，Zhang C，Guo Y，et al.Extraction of soluble dietary fiber and hemicellulose from Cornus officinalis residue and preparation of fiber drinking water［J］.Frontiers of Agriculture in China，2011，5（3）：375-381

［3］Theuwissen E，Mensink R P.Water-soluble dietary fibers and cardiovascular disease［J］.PHysiology&Behavior，2008，94（2）：285-292

［4］祝美云，張庭靜，魏書信，等.超聲萃取玉米皮中水溶性膳食纖維工藝研究［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2009，35（1）：87-90

［5］王戰(zhàn)勇，蘇婷婷，胡珍珠.雙酶法制備玉米皮膳食纖維的研究［J］.氨基酸和生物資源，2009，31（1）：37-39

［6］Dong-Ho Woo.Preparation of soluble dietary fiber by using corn hull［J］.Food Science and Biotechnology，2001，10（2）：144-148

［7］朱海蘭.堿法改性玉米種皮不溶性膳食纖維的工藝條件探討［J］.食品研究與開發(fā)，2010，31（6）：25-28

［8］郝瑞娟，吳眩王，周鋒，等.堿解醇沉法提取玉米種皮中水溶性膳食纖維［J］.食品研究與開發(fā)，2012，1（33）：44-47

［9］劉振春，蔡苗，張嵐.玉米膳食纖維的分離提取研究［J］.食品科學(xué)，2006，27（11）：383-387

［10］金毓峑，李兆輝，李堅.酶法制取水溶性膳食纖維的實驗研究［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，30（1）：45-48

［11］石長波，馬永強，韓春然，等.木聚糖酶法制備水溶性玉米膳食纖維的工藝研究［J］.食品科學(xué)，2007，28（4）：121-125

［12］林旭輝，毛潞河，李楠，等.復(fù)合酶法提取玉米皮渣中可溶性膳食纖維的研究［J］.食品科技，2006，31（11）：242-244

［13］河南工業(yè)大學(xué).玉米種皮水溶性膳食纖維的制備方法：中國，101946891［A］.2011-01-19

［14］侯傳偉，魏書信，王安建.雙酶改性制備玉米皮水溶性膳食纖維的工藝研究［J］.食品科學(xué)，2009（22）：119-122

［15］AACC32-07.Approved Methods of the American Association of Cereal Chemists（10thed）［M］.St Paul，MN：The Association，2000

［16］劉欣.食品酶學(xué)［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2006：36-45

［17］鐘艷萍，鐘振聲，黃金蓮，等.酶解制備水溶性大豆多糖的研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（17）

［18］Femenia A，Lefebvre C，Thebaudin Y.Physical and sensory properties ofmodel foods supplemented with cauliflower fiber［J］.Journal of Food Science，1997，62（4）：635-639.