擠壓處理提高玉米麩皮水溶性多糖含量及其抗氧化活性研究

王文俠，李馥邑，徐偉麗，宋春麗，王智平

(1.齊齊哈爾大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，黑龍江省普通高校農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江齊齊哈爾 161006;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150090)

據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部報(bào)道，2012年全球玉米總消費(fèi)量為8.64億噸，其中工業(yè)消耗量達(dá)3.57億噸，占總消費(fèi)量的41.28%［1］。玉米麩皮作為玉米深加工的副產(chǎn)物，占玉米籽粒干重的15%以上［2］，其產(chǎn)量亦不可小覷。玉米麩皮主要成分為半纖維素、纖維素及木質(zhì)素等［3］，是良好的食用、藥用植物活性多糖來(lái)源，但由于缺乏相應(yīng)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，絕大多數(shù)用于飼料生產(chǎn)或廢棄，并未得到充分利用，造成食物資源浪費(fèi)。玉米麩皮高附加值的綜合利用已成為玉米深加工企業(yè)實(shí)現(xiàn)玉米資源化利用必需解決的問(wèn)題。研究表明，植物水溶性活性多糖具有良好的降血糖、降血脂、抗病毒、抗腫瘤、抗氧化及預(yù)防結(jié)腸癌等生理功能［4］，而其作為一種食品配料也廣泛應(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］。

擠壓技術(shù)集輸送、混合、加熱及加壓等多種單元操作于一體，物料在擠壓機(jī)筒內(nèi)受到高溫、高剪切作用，在短時(shí)間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)部分大分子聚合物直接或間接低聚化，從而提高水溶性物質(zhì)含量。目前該技術(shù)在提高谷物膳食纖維功能特性方面已有所應(yīng)用，但是未見采用擠壓處理提高玉米麩皮水溶性多糖含量的相關(guān)報(bào)道，而經(jīng)常規(guī)方法提取的水溶性多糖得率較低，僅約為6.94%［6］，亦未達(dá)到提高其附加值的目的。本文以玉米麩皮為原料，采用雙螺桿擠壓技術(shù)對(duì)玉米麩皮進(jìn)行改性處理，以期提高其可溶性多糖得率，并對(duì)改性前后所得玉米皮粗多糖的抗氧化活性進(jìn)行初步比較，以期為玉米副產(chǎn)物高附加值綜合利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米麩皮 黑龍江省鏡泊湖農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司;耐高溫 α－淀粉酶(50000U/g)、堿性蛋白酶(102511U/g)丹麥諾維信公司;無(wú)水乙醇、濃硫酸、氫氧化鈉、鹽酸、Tris、鄰苯三酚、三氯乙酸、鄰二氮菲、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀、硫酸亞鐵等，均為分析純。

SHJ－36型雙螺桿擠出機(jī) 南京杰亞擠出裝備有限公司;LK－600A型高速萬(wàn)能粉碎機(jī) 上海新諾儀器設(shè)備有限公司;UV－120－02紫外分光光度計(jì) 日本島津;722S型可見分光光度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司;RE－52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;TDL－5－A型低速臺(tái)式離心機(jī) 北京醫(yī)用離心機(jī)廠;HH－S1電熱恒溫水浴鍋 上海躍進(jìn)醫(yī)療儀器廠;THZ－82A水浴恒溫振蕩器 金壇市杰瑞爾電器有限公司;FJFXI－DRG冷凍干燥機(jī) U.S.Pat.;PB－10酸度計(jì) 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 玉米麩皮水溶性多糖制備工藝流程 玉米麩皮→粉碎過(guò)篩(不同目數(shù))→擠壓處理→切割成型→粉碎過(guò)篩(60目)→可溶性多糖提取→離心→上清液→醇沉→干燥→粗多糖

1.2.2 雙螺桿擠出單因素及正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 利用雙螺桿擠出機(jī)對(duì)濕法生產(chǎn)玉米淀粉所得副產(chǎn)物玉米皮進(jìn)行單因素?cái)D出實(shí)驗(yàn)，擠出機(jī)基本技術(shù)參數(shù)為:螺桿長(zhǎng)度1100mm，螺桿直徑36mm。

固定螺桿轉(zhuǎn)速175r/min，物料粒度8目，喂料速度25kg/h及加水量30%的條件下，通過(guò)控制腔體加熱系統(tǒng)和冷卻裝置調(diào)節(jié)熔體溫度，考察不同熔體溫度(90、100、110、120、130、140℃)對(duì)多糖提取率的影響。

固定螺桿轉(zhuǎn)速175r/min，物料粒度8目，喂料速度25kg/h及溶體溫度120℃的條件下，考察不同物料加水量(15%、20%、25%、30%、35%;以干物質(zhì)量計(jì))對(duì)多糖提取率的影響。

固定物料粒度8目，喂料速度25kg/h，加水量30%及溶體溫度120℃的條件下，考察不同螺桿轉(zhuǎn)速(125、150、175、200、225r/min)對(duì)多糖提取率的影響。

固定螺桿轉(zhuǎn)速175r/min，物料粒度8目，喂料速度25kg/h，加水量30%及溶體溫度120℃的條件下，考察不同喂料量(20、25、30、35、40、45kg/h)對(duì)多糖提取率的影響。

固定螺桿轉(zhuǎn)速175r/min，喂料速度25kg/h，加水量30%及溶體溫度120℃的條件下，考察不同物料粒度(8、20、30、40、60目)對(duì)多糖提取率的影響。

由單因素方差分析可知物料粒度及喂料速度影響不顯著(p＞0.05)，故在固定物料粒度(8目)及喂料速度(25kg/h)的條件下，以可溶性多糖提取率為指標(biāo)，對(duì)螺桿轉(zhuǎn)速、熔體溫度及加水量進(jìn)行L9(34)正交實(shí)驗(yàn)，確定最佳擠出工藝條件。實(shí)驗(yàn)各因素水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.3 可溶性粗多糖的提取 取一定量60目擠出處理玉米麩皮，采用CO2超臨界技術(shù)進(jìn)行脫脂，按料液比1∶40加入蒸餾水，在100℃下保溫30min糊化。調(diào)pH至6.0，加入5%的耐高溫α－淀粉酶，95℃水浴攪拌2h，再將pH調(diào)至8.0，加入5%堿性蛋白酶，55℃水浴攪拌2h，沸水浴滅酶10min。5000r/min離心10min后取上清液，真空濃縮后加入4倍體積的無(wú)水乙醇，醇沉過(guò)夜，離心后醇析物經(jīng)冷凍干燥得玉米麩皮可溶性粗多糖。

1.2.4 可溶性多糖含量測(cè)定及多糖得率計(jì)算 取一定量提取液，醇沉后沉淀加水復(fù)容至原體積，采用苯酚－硫酸法比色法［7］測(cè)其多糖濃度。

1.2.5 蛋白質(zhì)含量測(cè)定 采用福林酚法［8］測(cè)定

1.2.6 糖醛酸含量測(cè)定 采用間羥基聯(lián)苯法［9］測(cè)定

1.2.7 多糖分子量測(cè)定 采用高效液相色譜法

色譜條件:色譜柱:TSK－GEL G－6000PwxL column(7.8mm ×300mm)與 TSK－GEL G－3000PwxL column(7.8mm×300mm)串聯(lián);泵:安捷倫1200液相泵;檢測(cè)器:示差檢測(cè)器;柱溫:35℃;流動(dòng)相:超純水;流速:0.8mL/min，進(jìn)樣量20μL。

葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制:配制同濃度不同分子量的葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品，相繼進(jìn)樣后采集圖譜。以標(biāo)準(zhǔn)品對(duì)數(shù)Lg Mw為縱坐標(biāo)，保留時(shí)間tR為橫坐標(biāo)，繪制“Lg Mw－tR”曲線，并求得其回歸方程。

樣品分子量的測(cè)定:將上述粗多糖同濃度配制后過(guò)0.45μm濾膜，進(jìn)樣后據(jù)圖譜中所得保留時(shí)間，通過(guò)上述回歸方程計(jì)算粗多糖分子量。

1.2.8 擠出粗多糖抗氧化性質(zhì)測(cè)定 分別配制濃度為2、4、6、8、10mg/mL 的玉米皮粗多糖溶液，對(duì)擠壓前后玉米皮制得的活性粗多糖進(jìn)行抗氧化活性的測(cè)定。

對(duì)羥自由基清除能力:采用鄰二氮菲－Fe2+氧化法［10］測(cè)定。

對(duì)超氧陰離子的抑制能力:采用鄰苯三酚自氧化法［11］測(cè)定。

對(duì)DPPH自由基清除能力:采用比色法［12］測(cè)定。

還原能力:采用鐵氰化鉀法［13］測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 溶體溫度對(duì)多糖得率的影響 由圖1可知，多糖的得率呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，在130℃時(shí)達(dá)到峰值為19.32%。擠壓過(guò)程中，適當(dāng)?shù)母邷乜商岣叻磻?yīng)自由能，促進(jìn)改性作用進(jìn)行，但擠出溫度過(guò)高(超過(guò)140℃)，擠出程度過(guò)于劇烈，水分蒸發(fā)速度過(guò)快，物料出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象，使生產(chǎn)無(wú)法正常進(jìn)行。而溶體溫度過(guò)低，物料亦不能得到充分改性，致使得率降低。經(jīng)單因素方差分析，溶體溫度對(duì)多糖得率影響顯著(p＜0.05)。

圖1 熔體溫度對(duì)多糖得率的影響Fig.1 Effects of melt temperature on polysaccharides yield

2.1.2 加水量對(duì)多糖得率的影響 由圖2可知，隨著加水量的減少，多糖得率呈增加趨勢(shì)。加水量為15%時(shí)得率高達(dá)22.83%，但加水量低于20%時(shí)物料很難擠出，15%時(shí)近乎于焦料。可能是因?yàn)楦邷財(cái)D出時(shí)，含水量過(guò)低，纖維擠出前潤(rùn)濕度低，纖維束過(guò)于緊密，擠出過(guò)程中蒸汽發(fā)生量過(guò)少，對(duì)分子的切割力減弱，物料液化流動(dòng)性差，輸送滯緩，出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象。含水量過(guò)高，擠出過(guò)程中加速物料流動(dòng)性，擠出溫度迅速降低，物料未經(jīng)充分改性處理即被擠出，導(dǎo)致可溶性多糖得率降低。經(jīng)單因素方差分析，加水量對(duì)多糖得率影響顯著(p＜0.05)。

圖2 加水量對(duì)多糖得率的影響Fig.2 Effects of water addition on polysaccharides yield

2.1.3 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)多糖得率的影響 在確保機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，恒定喂料速度時(shí)，螺桿需滿足餓式喂料所需轉(zhuǎn)速，過(guò)慢時(shí)物料剪切摩擦力度不夠且易返料，難以完成擠出過(guò)程，過(guò)快則物料在清體內(nèi)停留時(shí)間過(guò)短，腔體內(nèi)部處于長(zhǎng)期“饑餓”狀態(tài)，不易形成高壓，玉米皮的改性力度不夠。由圖3可知，多糖得率隨螺桿轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，在175r/min時(shí)得率最高達(dá)14.37%。經(jīng)單因素方差分析，螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)多糖得率影響顯著(p＜0.05)。

圖3 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)多糖得率的影響Fig.3 Effects of screw speed on polysaccharides yield

2.1.4 喂料速度對(duì)多糖得率的影響 由圖4可知，在滿足螺桿轉(zhuǎn)速的條件下，多糖得率隨喂料速度增大呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，20kg/h時(shí)得率最高達(dá)15.14%，但其單位時(shí)間產(chǎn)糖量沒有25kg/h高。而45kg/h的單位產(chǎn)糖量雖與其相當(dāng)，但原料損耗較大，故喂料速度選用25kg/h。經(jīng)單因素方差分析，喂料速度對(duì)多糖得率影響不顯著(p＞0.05)。

圖4 喂料速度對(duì)多糖得率的影響Fig.4 Effects of feeding speed on polysaccharides yield

2.1.5 物料粒度對(duì)多糖得率的影響 物料粒度對(duì)多糖得率的影響如圖5所示:

由圖5可知，物料粒度在20目以上時(shí)對(duì)多糖得率影響不大，由此可見物料粒度過(guò)小時(shí)，物料在腔體內(nèi)已發(fā)生打滑，與腔體之間的摩擦力與剪切力相應(yīng)減少，此時(shí)并不利于多糖的提取，而物料粒度大于8目時(shí)物料輸送困難，甚至出現(xiàn)返料現(xiàn)象，故物料粒度選用8目。經(jīng)單因素方差分析，物料粒度對(duì)多糖得率影響不顯著(p＞0.05)。

2.2 擠出條件確定

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及方差分析見表2、表3。

圖5 物料粒度對(duì)多糖得率的影響Fig.5 Effects of granularity of material on polysaccharides yield

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal test on extrusion conditions

通過(guò)分析可知在固定物料粒度為8目，喂料量為25kg/h的條件下以上各因素對(duì)多糖得率影響程度依次為C＞B＞A。即加水量＞溶體溫度＞螺桿轉(zhuǎn)速，與方差分析結(jié)果一致。優(yōu)組合為A1B3C1，由方差分析結(jié)果可知加水量對(duì)可溶性多糖得率影響極顯著，經(jīng)驗(yàn)證該條件下所得玉米皮多糖的得率達(dá)24.91%。故經(jīng)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件確定最佳擠壓條件為:螺桿轉(zhuǎn)速150r/min，加水量20%，熔體溫度140℃。

2.3 粗多糖分子量、得率及主要成分含量對(duì)比

葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品在分子量為3～2000ku范圍內(nèi)，Lg Mw－tR呈較好的線性關(guān)系，線性回歸方程為:y=－0.4212x+13.914，R2=0.9916。

從圖6中可明顯看出玉米皮經(jīng)擠壓處理后粗多糖分子量有所下降，可能因玉米皮纖維在擠壓處理過(guò)程中受到高溫、摩擦、剪切、熔融等作用時(shí)發(fā)生斷裂，分子量減小。由表4可知經(jīng)擠壓處理后玉米皮多糖得率達(dá)到24.91%，是擠壓前得率的2.7倍。經(jīng)分增加。經(jīng)擠壓處理后玉米皮粗多糖中總糖和糖醛酸含量增加，蛋白質(zhì)含量下降，說(shuō)明粗多糖純度有所提升，可為后續(xù)進(jìn)一步純化奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖6 玉米皮粗多糖分子量的測(cè)定Fig.6 The determination of molecular weight of corn fiber polysaccharides

表3 方差分析Table 3 Orthogonal test analysis of variance table

表4 擠壓處理前后提取多糖得率及粗多糖主要成分比較Table 4 Yield and major components of polysaccharides under extrusion treat

2.4 擠壓處理對(duì)粗多糖抗氧化性質(zhì)的影響

2.4.1 對(duì)羥自由基清除能力 羥自由基是一種氧化能力很強(qiáng)的活性氧自由基，研究表明，羥自由基與衰老、腫瘤、輻射損傷及細(xì)胞吞噬作用有關(guān)［14］。

從圖7中可以看出擠出前后玉米皮所得粗多糖對(duì)羥自由基均有一定的清除能力，且擠出后玉米皮制得粗多糖對(duì)羥自由基清除能力有所提升，并在給定濃度范圍內(nèi)呈現(xiàn)劑量依存關(guān)系，即清除率隨濃度增加而增大，EC50=5.89mg/mL。在濃度為10mg/mL時(shí)，經(jīng)擠壓處理后的玉米皮所提粗多糖對(duì)羥自由基的清除能力達(dá)到85.1%，是未經(jīng)處理玉米皮所得粗多糖的2.4倍。

圖7 擠壓對(duì)玉米皮粗多糖清除羥自由基能力的影響Fig.7 Effects of extrusion on the hydroxy free radical scavenging effects of corn fiber polysaccharides

圖8 擠出對(duì)玉米皮活性粗多糖清除DPPH自由基能力的影響Fig.8 Effects of extrusion on the DPPH scavenging effects of corn fiber polysaccharides

2.4.3 對(duì)超氧陰離子自由基清除能力 超氧陰離子自由基是氧氣在生物體內(nèi)最先生成的自由基，不僅其自身具有很強(qiáng)的毒性，還可經(jīng)反應(yīng)生成其他氧自由基，從而加速機(jī)體老化，誘發(fā)各種疾病，對(duì)生物體造成進(jìn)一步危害。

從圖9中可以看出兩種粗多糖溶液對(duì)超氧陰離子都有一定的清除作用，而且在給定范圍內(nèi)呈現(xiàn)劑量依賴性關(guān)系;但可以明顯看出經(jīng)擠壓處理玉米皮制得的粗多糖對(duì)超氧陰離子清除率明顯比未經(jīng)處理玉米皮制得粗多糖的清除率高，在濃度為10mg/mL時(shí)，其清除率為32.5%，約為未處理玉米皮制得粗多糖的3.4倍。

圖9 擠出對(duì)玉米皮活性粗多糖清除超氧陰離子自由基能力的影響Fig.9 Effects of extrusion on the superoxide anion radical scavenging effects of corn fiber polysaccharides

圖10 擠出對(duì)玉米皮粗多糖還原能力的影響Fig.10 Effects of extrusion on the reducing power of corn fiber polysaccharides

3 結(jié)論

最佳擠壓處理?xiàng)l件為:螺桿轉(zhuǎn)速150r/min，加水量20%，熔體溫度140℃，物料目數(shù)為8目，喂料量為25kg/h。玉米皮在上述前處理?xiàng)l件下，多糖的得率達(dá)24.91%，是未經(jīng)擠壓處理的2.7倍。擠壓處理使玉米麩皮粗多糖的清除羥自由基、超氧陰離子自由基、DPPH自由基及還原能力均有不同程度提高，對(duì)羥自由基及超氧陰離子自由基作用尤為顯著。

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