復(fù)合酶法提取玉米皮渣中水溶性膳食纖維的研究

馬　雪　李　楊　關(guān)海寧　郭　麗　刁小琴（綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院　黑龍江綏化　152061）

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復(fù)合酶法提取玉米皮渣中水溶性膳食纖維的研究

馬雪李楊關(guān)海寧郭麗刁小琴
（綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院黑龍江綏化152061）

摘要：以玉米皮渣為原料，酶解其不溶性膳食纖維，使其改性轉(zhuǎn)化為水溶性膳食纖維，利用纖維素酶和半纖維素酶復(fù)合酶解玉米皮渣，采用單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)方法，研究水不溶性膳食纖維改性制備高品質(zhì)水溶性膳食纖維的制備工藝。

關(guān)鍵詞：玉米皮渣；酶法；水溶性膳食纖維；水不溶性膳食纖維

根據(jù)膳食纖維溶解性的不同，可分成水溶性膳食纖維（SDF）和水不溶性膳食纖維（IDF）兩大類，它們?cè)谑称分衅鹬煌饔肹1]，SDF對(duì)人體主要發(fā)揮代謝功能，作為食品配料，其功能優(yōu)于IDF，一般天然的膳食纖維中SDF的含量較低，若要獲得高品質(zhì)膳食纖維，首要增加SDF含量，使其達(dá)到10%左右，以便更好地發(fā)揮其生理功能。

目前，人們主要通過(guò)物理處理（高溫蒸煮改性、機(jī)械擠壓等）[3]、化學(xué)處理（酸堿反應(yīng)等）[4]以及生物學(xué)處理（酶反應(yīng)、微生物發(fā)酵反應(yīng)）[5]等方法提高SDF含量。其中酶解方法[5]是將植物纖維中的IDF轉(zhuǎn)化為SDF最安全有效的方法，酶法提高SDF含量的研究中，多采用纖維素酶[5，6]等單一酶來(lái)提取SDF，但提取率有限，采用復(fù)合酶酶解底物提高SDF含量的研究少見報(bào)道。

本研究以黑龍江地產(chǎn)玉米皮渣為原料，通過(guò)纖維素酶和半纖維素酶復(fù)合酶解方法對(duì)玉米中膳食纖維進(jìn)行轉(zhuǎn)化，利用單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)探討不同酶對(duì)水溶性玉米麩皮膳食纖維提取的影響，旨在提高膳食纖維品質(zhì)，以增加玉米生產(chǎn)工業(yè)廢料的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)提供依據(jù)。

一、材料與方法

（一）材料與試劑。α-淀粉酶、糖化酶、中性蛋白酶、纖維素酶（北京奧博星生物技術(shù)有限公司）；半纖維素酶（上海如吉生物科技有限公司）；無(wú)水乙醇（天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司）。

（二）儀器與設(shè)備。PHBJ-260型便攜式pH計(jì)（合肥卓爾儀器儀表有限公司）；GZX-9240數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱（上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠）；HH-S4電熱恒溫水浴鍋（金壇市岸頭國(guó)瑞實(shí)驗(yàn)儀器廠）；離心機(jī)（湖南星科科學(xué)儀器有限公司）.

（三）實(shí)驗(yàn)方法。

1.制備工藝。

取一定量玉米皮渣為原料，加水稀釋至料液比1：10 （g/mL），由于原料中含有一定量的淀粉和蛋白質(zhì)等成分，為了獲取高品質(zhì)膳食纖維，需要對(duì)玉米皮渣進(jìn)行蛋白酶、α-淀粉酶酶解處理，由于淀粉酶酶解后會(huì)產(chǎn)生一些大分子糖類如糊精等，在后期醇析分離時(shí)會(huì)進(jìn)入醇析物中，影響SDF的純度，故還要用糖化酶，酶解為小分子糖類在醇析時(shí)分離出去。首先進(jìn)行脫淀粉處理，調(diào)pH5.0，溫度60℃，加淀粉酶10mg/g底物，酶解45min，再調(diào)pH4.5，溫度60℃，加糖化酶1mg/g底物，酶解60min。處理后的玉米皮懸浮液調(diào)pH7.0、溫度40℃，加中性蛋白酶10mg/g底物，酶解90min。若直接將樣品提取液用無(wú)水乙醇提取，得到的沉淀烘干后的所得物質(zhì)量，即為原料本身具有的水溶性膳食纖維的量，若將預(yù)處理后的樣品分離，對(duì)沉淀物調(diào)節(jié)pH和溫度，加入適當(dāng)?shù)拿?，再將獲得的樣品用無(wú)水乙醇沉淀，將沉淀烘干后，稱量沉淀的量，即為改性后水溶性膳食纖維的量[6-9]。

2.雙酶改性制備SDF單因素試驗(yàn)。選用纖維素酶和半纖維素酶作為優(yōu)化反應(yīng)復(fù)合酶。因兩種酶的作用條件有相交區(qū)間，故酶解時(shí)可采用同一條件(pH4.8，溫度50℃)同時(shí)添加進(jìn)行改性制備，以SDF得率為考核指標(biāo)。

SDF得率（%）＝m/M×100%

式中：m-醇析分離干燥得到的SDF質(zhì)量，g；M-原料質(zhì)量，g。

（1）纖維素酶添加量單因素試驗(yàn)。取5g已經(jīng)預(yù)處理過(guò)的玉米皮渣加入蒸餾水，調(diào)節(jié)料液比為1：10（g/mL），在溫度為50℃，pH5.0，酶解90min的條件下，分別加入纖維素酶20、30、40、50、60mg/g底物，在纖維素酶用量不同的條件下，提取水溶性膳食纖維，烘干后測(cè)定可溶性膳食纖維含量。

（2）半纖維素酶添加量單因素試驗(yàn)。取5g已經(jīng)預(yù)處理過(guò)的玉米皮渣加入蒸餾水，調(diào)節(jié)料液比為1：10（g/mL），在溫度為60℃，pH5.0，酶解90min的條件下，分別加入半纖維素酶20、30、40、50、60mg/g底物，在半纖維素酶用量不同的條件下，提取水溶性膳食纖維，烘干后測(cè)定可溶性膳食纖維含量。

（3）酶解溫度單因素試驗(yàn)。取5g已經(jīng)預(yù)處理過(guò)的玉米皮渣加入蒸餾水，調(diào)節(jié)料液比為1：10（g/mL），在pH5.0，酶解90min，纖維素酶用量40mg/g底物，半纖維素酶用量30 mg/g底物的條件下，分別調(diào)節(jié)溫度45、50、55、60、65℃，在不同溫度的條件下，提取水溶性膳食纖維，烘干后測(cè)定可溶性膳食纖維的含量。

（4）酶解時(shí)間單因素試驗(yàn)。取5g已經(jīng)預(yù)處理過(guò)的玉米皮渣加入蒸餾水，調(diào)節(jié)料液比為1：10（g/mL），在pH5.0，溫度為50℃，纖維素酶用量40mg/g底物，半纖維素酶用量30 mg/g底物條件下，分別調(diào)節(jié)酶解時(shí)間為30、60、90、120、150 min，在不同時(shí)間的條件下，提取水溶性膳食纖維，烘干后測(cè)定可溶性膳食纖維的含量。

（5）酶解pH單因素試驗(yàn)。取5g已經(jīng)預(yù)處理過(guò)的玉米皮渣加入蒸餾水，調(diào)節(jié)料液比為1：10（g/mL），溫度為50℃，酶解90min，纖維素酶用量40mg/g底物，半纖維素酶用量30 mg/g底物的條件下，分別調(diào)節(jié)pH值為4.0、4.5、5.0、5.5、6.0，在不同pH值的條件下，提取水溶性膳食纖維，烘干后測(cè)定可溶性膳食纖維的含量。

（6）雙酶改性正交試驗(yàn)。以SDF得率為指標(biāo)，以纖維素酶添加量、半纖維素酶添加量、酶解溫度、酶解時(shí)間和酶解pH為因素，采用L16(45)正交試驗(yàn)方案，因素水平見表1。

表1　雙酶改性正交試驗(yàn)因素水平表（Table1 Factorsandlevelsoforthogonaltest）

二、結(jié)果與分析

（一）纖維素酶添加量對(duì)SDF得率的影響。

圖1　纖維素酶添加量對(duì)SDF得率的影響（Fig.1 Effect of cellulase ad dition on yield of SDF）

由圖1可知，反應(yīng)前期隨著加酶量增加，SDF得率快速增加，當(dāng)加酶量超過(guò)40mg/g底物以后，SDF得率增加逐漸緩慢，這可能由于SDF濃度達(dá)到一定程度后，酶解速度受到抑制的原因。因此綜合考慮纖維素酶的最適添加量為40 mg/g底物。

（二）半纖維素酶添加量對(duì)SDF得率的影響。

圖2　半纖維素酶添加量對(duì)SDF得率的影響（Fig.2 Effect of hemicellulase addition on yield of SDF）

由圖2可見，半纖維素酶用量在整個(gè)區(qū)間內(nèi)，整體呈上升趨勢(shì)，但在10～30 mg/g區(qū)間內(nèi)，SDF得率隨著纖維素酶用量的增加上升趨勢(shì)較快，而在30～50 mg/g時(shí)，SDF得率增加趨勢(shì)相對(duì)緩慢。所以半纖維素酶的最適添加量為30 mg/g底物。

（三）酶解溫度對(duì)SDF得率的影響。

圖3　酶解溫度對(duì)SDF得率的影響（Fig.3 Effect of extraction temperature on yield of SDF）

如圖3所示，酶反應(yīng)溫度對(duì)SDF提取的影響，在55℃時(shí)SDF得率最大，這可能是由于纖維素酶和半纖維素酶的最適反應(yīng)溫度均在55℃左右，當(dāng)溫度大于55℃時(shí)，SDF得率下降，溫度大于55℃后，纖維素酶將會(huì)失活，所以最適溫度為55℃。

圖4　酶解時(shí)間對(duì)SDF得率的影響（Fig.4 Effect of extraction time on yield of SDF）

（四）酶解時(shí)間對(duì)SDF得率的影響。

由圖4可以看出，前期隨著酶解時(shí)間延長(zhǎng)，得率明顯增加，當(dāng)酶解時(shí)間超過(guò)90min后，SDF得率上升緩慢，這可能由于酶解時(shí)間超過(guò)90min以后，部分的SDF降解成為小分子糖類，由于降解速度大于新增SDF速度所引起。綜合考慮效率和成本因素，最適的酶解時(shí)間為90min。

（五）酶解pH對(duì)SDF得率的影響。

圖5　酶解PH對(duì)SDF得率的影響（Fig.5 Effect of extraction PH on yield of SDF）

由圖5可知，酶反應(yīng)pH對(duì)SDF提取率的影響較大，在pH低于5.0時(shí)，SDF得率隨著pH值增加得率增高，當(dāng)pH值到達(dá)5.0時(shí)最大，而在pH高于5.0時(shí)，SDF得率開始下降，這可能由于纖維素酶及半纖維素酶最適的pH在4.5～5.5之間，當(dāng)pH不在此范圍時(shí)酶鈍化，因此反映的最適pH為5.0。

（六）雙酶改性正交試驗(yàn)結(jié)果。

表2　雙酶改性正交試驗(yàn)結(jié)果（Table 2 Results of orthogonal test）

由表2可知，單因素條件對(duì)提取影響的大小依次為半纖維素酶添加量>酶解時(shí)間>酶解pH值>酶解溫度>纖維素酶添加量，半纖維素添加量對(duì)提取率的影響最大，其次為酶解時(shí)間。正交試驗(yàn)最佳組合為纖維素酶添加量40mg/g底物、半纖維素酶添加40mg/g底物、酶解溫度為50℃、酶解時(shí)間30min，酶解pH值為5.5，試驗(yàn)組最高得率為5.21%。

三、結(jié)論

單因素及正交試驗(yàn)研究結(jié)果表明，單純應(yīng)用纖維素酶改性，改性后SDF得率最高為3.46%；單純半纖維素酶改性，改性后SDF得率最高為3.12%，而應(yīng)用雙酶同時(shí)處理時(shí)，改性后SDF得率最高為5.21%，改性后的玉米纖維中的總SDF含量能夠更接近于10%，可稱為高品質(zhì)膳食纖維。復(fù)合酶改性的最佳工藝參數(shù)為纖維素酶添加量40mg/g底物、半纖維素酶添加量40mg/g底物、酶解溫度為50℃，酶解時(shí)間30 min，酶解pH為5.5。

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯鄭麗娟]

作者簡(jiǎn)介：馬雪（1983-），女，黑龍江綏化人，綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院講師，碩士，研究方向：食品科學(xué)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究?；痦?xiàng)目：綏化學(xué)院2012年青年基金項(xiàng)目（KQ1202005）。

收稿日期：2015-10-26

中圖分類號(hào)：TS201.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-0438（2016）03-0144-04