酶法制備稻殼木聚糖的研究

劉鵬，楊箐，李達

（天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300222）

酶法制備稻殼木聚糖的研究

劉鵬，楊箐，李達

（天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300222）

采用α-淀粉酶和堿性蛋白酶分別降解稻殼中的淀粉和蛋白質(zhì)，來制備稻殼木聚糖。在淀粉的酶解中，通過實驗分析得出最佳酶解條件為：料液比1∶12 g/mL，水解溫度100℃，加酶量1.5%稻殼淀粉，反應(yīng)時間20 min。稻殼中淀粉的含量從21.52%降至0.72%。在蛋白質(zhì)的酶解中，通過實驗分析得出最佳酶解條件為：料液比1∶12 g/mL，反應(yīng)溫度50℃，加酶量3%稻殼蛋白，酶解時間120 min。酶解后稻殼中蛋白質(zhì)殘留量為2.97%。經(jīng)過去淀粉和蛋白質(zhì)的稻殼中木聚糖含量為46.68%。

稻殼；木聚糖；酶解

作為稻米加工副產(chǎn)物的稻殼，全世界年產(chǎn)量約為11 360萬t，其中中國約占3 200萬t［1］。稻殼中約含有40%的粗纖維（包括木質(zhì)素和纖維素）、20%的半纖維素（主要含木聚糖）和20%的灰分及少量粗蛋白質(zhì)、粗脂肪等［2］，是一種巨大的可再生資源。根據(jù)稻殼的化學(xué)組成，可將它的利用分為3大類：利用它的纖維素類物質(zhì)生產(chǎn)糠醛、乙酰丙酸等化工產(chǎn)品；利用它的硅資源生產(chǎn)泡花堿、二氧化硅等含硅化合物；利用它的碳、氫元素，通過熱解獲得能源［3］?？梢?，有效、合理地利用稻殼，不僅可以提高企業(yè)經(jīng)濟效益，而且可減少環(huán)境污染，具有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。

低聚木糖因具有獨特的生理功能而成為一種重要的功能性食品，已引起全世界的廣泛關(guān)注［4］。低聚木糖的生產(chǎn)原料主要采用半纖維素含量相對較高的農(nóng)副產(chǎn)品。因此，稻殼也是制備低聚木糖的較好原料。我國對稻殼中提取低聚木糖的研究起步較晚，尚處初級階段［5］。本研究以富含半纖維素的稻殼為原料，采用酶解法，制備低聚木糖底物—木聚糖，在充分利用稻殼資源的同時為低聚木糖的制備奠定了基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1 主要材料與儀器

原料：稻殼，粉碎篩出40目的稻殼備用。

試劑：耐高溫α-淀粉酶，堿性蛋白酶，氫氧化鈉、鹽酸、硫酸、3，5－二硝基水楊酸、苯酚、無水亞硫酸鈉等，均為分析純。

儀器：UV-9100紫外可見分光光度計；Mettler-Toledo Delta 320型pH計。

1.2 方法

1.2.1 耐高溫α-淀粉酶活性的測定

采用酶解法。

1.2.2 蛋白酶活性的測定

蛋白酶活力的測定采用Folin-酚法。

1.2.3 淀粉含量測定

采用酶解法測定［6］。

1.2.4 蛋白質(zhì)含量的測定

采用凱氏定氮法。

1.2.5 木聚糖含量測定

主要以測定戊聚糖為主，采用Douglas［7］。

1.2.6 利用耐高溫α-淀粉酶和蛋白酶酶解稻殼中淀粉和蛋白質(zhì)

稻殼加水?dāng)嚢?，并開水蒸煮30 min，用1 mol/L鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH 5.6，控制溫度在95℃～100℃之間，加入稀釋的耐高溫α-淀粉酶，并不斷攪拌，加速水解反應(yīng)的進行，利用碘液檢測淀粉是否反應(yīng)完全，如變藍則繼續(xù)反應(yīng)，直到碘液檢測不變藍為止；然后等溫度降到50℃，用1 mol/L的氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH 9.0，加入堿性蛋白酶，攪拌水解；離心20 min（5 000 r/min），棄去上清液，用熱蒸餾水沖洗沉淀物數(shù)遍，直到洗滌液不渾濁為止，再利用95%的乙醇清洗沉淀物，離心20min；把沉淀物放在烘箱中，在60℃下烘10 h，得到去除淀粉和蛋白的稻殼木聚糖粗品。

圖1 料液比對稻殼淀粉和蛋白質(zhì)殘留量的影響Fig.1Effects of liquid ratio on the residual of rice hull starch and protein

圖2 溫度對稻殼淀粉和蛋白質(zhì)殘留量的影響Fig.2Effects of temperature on the residual of rice hull starch and protein

2結(jié)果與分析

實驗用稻殼主要成分分析，如表1所示。

表1 實驗用稻殼主要成分Table 1Main components of the experimental rice hull

2.1 料液比對酶解效果的影響

測定結(jié)果見圖1。

從圖1中可以看出料液比為1∶6（g/mL）時，稻殼淀粉的殘留量為6.84%，隨著加水量的增加，淀粉殘留量逐漸減少，且變化趨勢緩慢，當(dāng)料液比為1∶14（g/mL）時，淀粉含量不在變化，殘留量為1.86%。水的添加量對蛋白酶酶解效果也符合這個規(guī)律，當(dāng)料液比為1∶6（g/mL）時，稻殼蛋白質(zhì)的殘留量為8.23%，隨著加水量的增加，蛋白質(zhì)的殘留量逐漸減少，即料液比為1∶14（g/m）L時，蛋白質(zhì)的殘留量為3.04%，隨著加水量進一步加大，蛋白質(zhì)的殘留量不在變化。出于經(jīng)濟的原因，選擇料液比為1∶12（g/mL）作為淀粉酶和蛋白酶作用的最佳條件。

2.2 反應(yīng)溫度對酶解效果的影響

酶解溫度對耐高溫α-淀粉酶的影響見圖2。

由圖2可知，反應(yīng)溫度在低于80℃時，稻殼淀粉的殘余量為8.67%，在90℃～100℃之間，淀粉殘余量顯著降低；說明淀粉酶的最佳溫度應(yīng)在90℃～100℃之間。從圖2中可以知道，蛋白酶受溫度的影響較大，在50℃左右時，蛋白酶的活性最大，溫度低于40℃或高于60℃時，蛋白質(zhì)的水解效率明顯降低，其殘留量較高。當(dāng)酶解溫度低于50℃時，隨溫度的升高蛋白質(zhì)水解度增大，蛋白質(zhì)殘留逐漸減少，在酶解溫度超過50℃后，酶解后小麥稻殼蛋白質(zhì)殘留量出現(xiàn)上增趨勢，可見最適酶解溫度在50℃為宜。

2.3 酶濃度對酶解效果的影響

測定結(jié)果見3。

由圖3可知，當(dāng)α-淀粉酶濃度在1.5%以下時，稻殼淀粉的殘留量隨著酶量的增大而迅速減少，當(dāng)酶量進一步加大時，淀粉殘留量基本穩(wěn)定。由于酶解底物的減少，反應(yīng)效率降低，淀粉和蛋白質(zhì)的殘余量隨著酶量的增加，減少的趨勢變緩，最后基本不在變化。同樣，蛋白酶同樣在酶濃度達2%以后，酶添加量的增加也不會產(chǎn)生顯著的效果。

圖3 酶濃度對稻殼淀粉和蛋白質(zhì)殘留量的影響Fig.3Effects of amount of enzyme on the residual of rice hull starch and protein

2.4 反應(yīng)時間對酶解效果的影響

反應(yīng)時間對淀粉酶和蛋白酶的酶解效果的影響分別見圖4和圖5。

圖4 反應(yīng)時間對稻殼淀粉留量的影響Fig.4Effects of time on the residual of rice hull starch

圖5 反應(yīng)時間對稻殼蛋白質(zhì)殘留量的影響Fig.5Effects of time on the residual of rice hull protein

從圖4中可以看出在20 min以前隨反應(yīng)時間的延長，稻殼中淀粉的殘余量急劇下降；而后隨著時間的延長，淀粉殘余量變化不大。從圖5可以可以看出，蛋白酶在120 min前作用效果比較明顯，而120 min后蛋白質(zhì)殘留量變化趨于平穩(wěn)。

2.5 耐高溫α-淀粉酶和蛋白酶的水解正交試驗分析

2.5.1 正交試驗設(shè)計

根據(jù)單因素試驗的測定結(jié)果確定酶解因素：料液比、水解溫度、加酶量、水解時間，以淀粉和蛋白質(zhì)的殘留量為主要評價價指標(biāo)，采用L9（34）試驗方案來確定耐高溫α-淀粉酶和蛋白酶的最佳水解件。正交試驗設(shè)計如表2所示。

表2 耐高溫α-淀粉酶和蛋白酶的因素與水平Table 2Factors and levels of orthogonal test on hydrolysis of rice hull starch and protein

2.5.2 正交實驗結(jié)果及分析

耐高溫α-淀粉酶水解稻殼淀粉正交試驗結(jié)果如表3所示。

表3 耐高溫α-淀粉酶的水解正交試驗結(jié)果Table 3Results of orthogonal test on hydrolysis of rice hull by α-amylase

從表3的正交試驗結(jié)果可知，影響因子的重要性為B＞A＞D＞C，即溫度對淀粉的去除影響最大，其次是料液比、酶解時間，加酶量的影響最小。最佳因素水平為A2B3C2D2，即料液比1∶12（g/mL），水解溫度100℃，加酶量1.5%稻殼淀粉，酶解時間20 min。同時通過實驗驗證，酶解后稻殼中淀粉的殘留量為0.72%。

堿性蛋白酶水解稻殼蛋白正交實驗結(jié)果如表4所示。

由表4可知，溫度是影響稻殼蛋白酶解的最大因素，其次是加酶量，時間，料液比，即影響因素主次順序為B＞C＞D＞A。最佳因素水平為A2B2C3D3，即料液比1∶12（g/mL），水解溫度50℃，加酶量3%稻殼蛋白，酶解時間120 min。經(jīng)實驗驗證，酶解后稻殼中蛋白質(zhì)的殘留量為2.97%。

表4 堿性蛋白酶的水解正交試驗結(jié)果Table 4Results of orthogonal test on hydrolysis of rice hull by alkaline protease

2.6 酶解制備稻殼木聚糖工藝的確定

稻殼酶解前后的基本組成成分分析結(jié)果如表5所示。

表5 水解前后稻殼成分含量表（%，干基）Table 5Rice hull ingredient content after hydrolysis %

由表5可知，稻殼經(jīng)耐高溫α-淀粉酶、堿性蛋白酶處理后，基本上可以將淀粉除盡，蛋白質(zhì)的殘留量明顯降低。并且經(jīng)檢測，酶解后稻殼中木聚糖的含量明顯提高，為進一步制備低聚木糖打下了良好的基礎(chǔ)。

3結(jié)論

利用耐高溫α-淀粉酶酶解稻殼，酶解效果十分明顯，淀粉幾乎被全部水解。最佳工藝條件為：料液比1∶12（g/mL），水解溫度100℃，加酶量1.5%稻殼淀粉，反應(yīng)時間20 min，稻殼中淀粉的殘留量為0.72%。利用堿性蛋白酶水解稻殼中的蛋白質(zhì)，酶解效果也比較理想。最佳工藝條件為：料液比1∶12（g/mL），反應(yīng)溫度50℃，加酶量3%稻殼蛋白，酶解時間120 min，稻殼中蛋白質(zhì)的殘留量為2.97%。稻殼通過酶解處理，產(chǎn)物中木聚糖含量達46.68%，相比原料其含量提高了將近3倍，為制備低聚木糖提供了良好的底物。并且淀粉和蛋白的去除，避免了過多的雜質(zhì)混入低聚木糖中，提高了低聚木糖的純度。

［1］張聲儉.稻殼的開發(fā)利用［J］.糧食與飼料工業(yè)，1999（1）：20-22

［2］朱永義.谷物加工工藝與設(shè)備［M］.北京：科學(xué)出版社，2002：7-8

［3］劉小梅，鄭典模，溫圣達.稻殼的資源化利用［J］.山東化工，2008（5）：35-37

［4］洪楓，陳琳，余世袁.新型功能性食品基料—木低聚糖的研制［J］.纖維素科學(xué)與技術(shù)，1999，12（4）：47-54

［5］吳彬，馬正智，周偉.從稻殼中提取制備低聚木糖研究進展［J］.中國食品添加劑，2009（1）：94-99

［6］黃曉鈺，劉鄰渭.食品化學(xué)綜合實驗［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2002：69-71

［7］Douglas SG.A rapid method for the determination of pentosans in wheat flour［J］.Food Chem，1981，7（2）：139-145

Enzymatic Production of Xylan from Rice Hull

LIU Peng，YANG Qing，LI Da
（Tianjin Modern Vocational Technology College，Tanjin 300222，China）

Starch and protein in rice hull were degraded by α-amylase and alkaline protease respectively，then xylan were produced from rice hull.The optimal experimental conditions for hydrolyzing starch are：the temperature was 100℃，the ratio of stuff and liquid was 1∶12 g∶mL，digestion time was 20 min，and enzyme concentration was 1.5%wheat bran starch.The remained content of starch is reduced to 0.72%from original 21.52%.The optimal experimental conditions for hydrolyzing protein are：the temperature was 50℃，the ratio of stuff and liquid was 1∶12 g∶mL，digest time was 120 min，and enzyme concentration was 3%wheat bran protein.The remained content of protein in destarched rice hull is 2.97%.The destarched and deproteined rice hull contents 46.68% xylan.

rice hull；xylan；enzymatic hydrolysis

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.09.010

2015-01-15

劉鵬（1982—），男（漢），講師，碩士研究生，研究方向：食品功能因子。