小麥麩皮木聚糖制備方法的研究

趙曉慶，彭 珍，劉 彬，王 蘇，曹 棟

（江南大學 食品學院，江蘇 無錫 214122）

小麥麩皮木聚糖制備方法的研究

趙曉慶，彭 珍，劉 彬，王 蘇，曹 棟*

（江南大學 食品學院，江蘇 無錫 214122）

研究了小麥麩皮木聚糖的制備，借助高速粉碎處理的方法分離麩皮中淀粉，再采用膠體磨與纖維素酶處理及堿浸泡處理，回收蛋白質(zhì)，最后通過優(yōu)化確定最佳低聚糖的最佳工藝。試驗結(jié)果顯示粉碎時間2 min，試驗原料的粒徑范圍為＞125 μm，淀粉得率72.43%；纖維素酶和堿處理的最佳工藝條件為：加酶量1.0 mL/hg，堿處理溫度為60℃，堿處理pH為9.5，在此條件下木聚糖質(zhì)量分數(shù)為35.5%，蛋白質(zhì)提取率為74.9%，水洗的最佳水洗次數(shù)為4次，此時木聚糖質(zhì)量分數(shù)為36.5%。

小麥麩皮；淀粉；粒徑；纖維素酶；蛋白質(zhì)；木聚糖

低聚糖又稱木寡糖，由D-木糖通過β-1，4糖苷鍵連接而成[1]。低聚糖作為一種能夠增殖雙歧桿菌[2]、抑制病原菌生長、抑制高脂膳食引起的氧化應(yīng)激反應(yīng)[3]、潤腸通便及降血糖[4]等功能性低聚糖，廣泛應(yīng)用于功能食品、功能飲料、功能乳品[5]。低聚木糖主要是通過木聚糖降解而來，富含木聚糖原料主要有玉米芯、棉子殼、蔗渣等農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品。在國內(nèi)已有利用玉米芯來生產(chǎn)低聚木糖的企業(yè)[6]。

小麥麩皮是小麥加工面粉時所產(chǎn)生的副產(chǎn)物，小麥麩皮中半纖維素質(zhì)量分數(shù)在30%左右僅次于玉米芯（33%），因此關(guān)于小麥麩皮制備低聚木糖工藝研究已有很多[7-8]，但所采用的前處理方法主要集中在雙酶法處理、汽爆處理、酸堿浸泡處理等方面[9]，且造成淀粉和功能性蛋白質(zhì)的巨大浪費[10]。因此，作者主要研究了一種新的小麥麩皮制備木聚糖的方法，既能實現(xiàn)淀粉和蛋白的相對分離[11]，又可以實現(xiàn)原料中木聚糖的相對富集，為后續(xù)制備低聚木糖提供高品質(zhì)初級原料的同時，豐富了產(chǎn)品種類，降低了低聚木糖生產(chǎn)成本，提高綜合經(jīng)濟價值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小麥麩皮：市購；纖維素酶（100 000 U/mL，最適pH 5.0）：山東隆科特酶制劑有限公司；其他試劑均為國產(chǎn)分析純試劑。

粒度儀（S3500）：美國Microtrac公司產(chǎn)品；電導(dǎo)儀（DDS-12DW）：上海理達儀器廠產(chǎn)品；搖擺式高速中藥粉碎機（DFY-600）：溫嶺市林大機械有限公司產(chǎn)品；2802UV/VIS SPECTROPHOTOMETE可見分光光度計：上海精密科學儀器有限公司產(chǎn)品；高速離心機（TGL-20M）：湖南凱達科學儀器有限公司產(chǎn)品；其他常用實驗儀器。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程

1.2.2 小麥麩皮預(yù)處理 稱取100 g的小麥麩皮采用熱風干燥方式干燥，冷卻后利用搖擺式高速中藥粉碎機以粉碎30 s、停10 s方式進行粉碎，利用不同目數(shù)的篩子對其進行篩分，得到不同粒徑范圍的麩皮，利用激光粒度儀測定不同粒徑范圍的粒徑大?。―50），測定不同粒徑范圍小麥麩皮的木聚糖質(zhì)量分數(shù)和淀粉質(zhì)量分數(shù)。

1.2.3 淀粉制備工藝 由預(yù)處理得到的粒徑＜125 μm小麥麩皮，采用堿性蛋白酶水解后，多次離心洗滌的方式制備淀粉，收集離心沉淀下層雜質(zhì)，與粒徑＞125 μm麩皮混合進行后續(xù)處理；離心上層部分干燥后得到合格淀粉。

1.2.4 纖維素酶處理麩皮 分別稱取100 g預(yù)處理得到的小麥麩皮（＞125 μm），加入 1 500 mL 水攪拌均勻，膠體磨處理20 min后，依次加入0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mL纖維素酶，在溫度50℃下反應(yīng)3 h，然后離心10 min，沉淀物在60℃下干燥后測定木聚糖的質(zhì)量分數(shù)。

1.2.5 不同溫度堿液去除麩皮蛋白質(zhì) 分別稱取50 g經(jīng)過纖維素酶處理后的小麥麩皮，加入1000 mL 水調(diào)漿，調(diào) pH 至 9.5，分別在 40、50、60、70、80℃下反應(yīng)3.5 h，4 000 r/min離心10 min，上清液調(diào)節(jié)ph值到3.8，離心洗滌得到蛋白質(zhì)，沉淀物在60℃下干燥后測定木聚糖質(zhì)量分數(shù)和蛋白質(zhì)的殘留量。

1.2.6 不同pH去除麩皮蛋白質(zhì) 分別稱取50 g經(jīng)過纖維素酶處理后的小麥麩皮，加入1 000 mL水調(diào)漿，分別調(diào) pH 8.5、9.0、9.5、10.0、10.5 在最佳溫度下反應(yīng)3.5 h，4 000 r/min離心10 min，上清液調(diào)節(jié)ph值到3.8，離心洗滌得到蛋白質(zhì)，沉淀物在60℃下干燥后測定木聚糖的質(zhì)量分數(shù)和蛋白質(zhì)的殘留量。

1.2.7 水洗處理麩皮木聚糖 分別稱取50 g去除蛋白之后的小麥麩皮，分別取250 mL水進行水洗1、2、3、4、5 次， 每次水洗后測定洗液的電導(dǎo)率并取殘渣烘干后測木聚糖質(zhì)量分數(shù)。

1.2.8 測定方法 蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)：GB 50095—2010；脂肪質(zhì)量分數(shù)：GB/T 5009.6—2003；淀粉質(zhì)量分 數(shù) ：GB/T 5009.9—2008； 水 分 質(zhì) 量 分 數(shù) ：GB 5009.3—2010；灰分質(zhì)量分數(shù)：GB 5009.4—2010；蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)：采用凱氏定氮法，換算系數(shù)為6.25；木聚糖質(zhì)量分數(shù)：間苯三酚法[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 小麥麩皮主要成分

試驗所用小麥麩皮組分測定結(jié)果見表1。

表1 小麥麩皮成分Table 1 Composition of wheat bran

2.2 不同粉碎時間對麩皮粒度分布影響

一般情況下，隨著粉碎時間的增加，粒徑越小的麩皮所占的比重會越大，但從表2可以看出，當粉碎時間為3 min時，各個粒徑范圍的麩皮所占的比重都呈現(xiàn)下降趨勢，且粉碎產(chǎn)物會發(fā)生顏色變化和結(jié)塊現(xiàn)象，＞425 μm所占比例高達38%，這是因為由于粉碎過程中溫度過高，導(dǎo)致淀粉糊化，致使結(jié)塊產(chǎn)生。因此，粉碎時間應(yīng)該控制在3 min內(nèi)，且通過對比發(fā)現(xiàn)，粉碎時間為2 min的小麥麩皮平均粒徑明顯小于1 min的（P＞0.05）。因此，可將小麥麩皮的粉碎時間確定為2 min。

在粉碎強度為2 min情況下，不同粒徑范圍的麩皮中木聚糖和淀粉質(zhì)量分數(shù)如圖1所示。由圖1可知，隨著粒徑減小，淀粉所占比例逐漸增大，當粒徑＜125 μm時，小麥麩皮中淀粉質(zhì)量分數(shù)達到72.43%，遠遠高于未經(jīng)過粉碎處理時的淀粉質(zhì)量分數(shù)；而且此時木聚糖質(zhì)量分數(shù)僅為11%，比未經(jīng)過粉碎處理時木聚糖質(zhì)量分數(shù)降低了5.8%。說明通過對小麥麩皮進行特定的粉碎強度處理，可以一定程度的起到分離淀粉和木聚糖的效果。

隨著麩皮粒徑的逐漸減小，木聚糖質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢。當麩皮粒徑在180～250 μm范圍時，木聚糖含量最高，可達到22%，比初始原料麩皮中增加量近5%；而當麩皮粒徑降低到125 μm以下時，木聚糖質(zhì)量分數(shù)則降低至11%。

因此綜合不同粒徑下麩皮中淀粉和木聚糖含量，可以得出以粒徑125 μm為分界線，對粉碎處理后的麩皮進行分離，既可以在損失少量木聚糖的前提下，去除麩皮中大量的淀粉，同時還可以將分離出去的部分作為制作淀粉的原料，加工成品淀粉，最后加工淀粉的剩余部分還可回到麩皮制備木聚糖的工藝中進行充分利用。

2.3 纖維素酶添加量對木聚糖質(zhì)量分數(shù)影響

纖維素酶添加量與木聚糖質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系見圖2。隨著纖維素酶添加量的增加，木聚糖質(zhì)量分數(shù)總體呈現(xiàn)上升趨勢，當添加量為1.0 mL/hg麩皮時，經(jīng)纖維素酶水解后的小麥麩皮中木聚糖含量增加至23.5%，繼續(xù)增加纖維素酶用量，則小麥麩皮中木聚糖含量增加幅度很小。因此可以得出1.0 mL/hg麩皮纖維素酶的用量為最佳用量。

2.4 堿液提取溫度對蛋白質(zhì)殘留率和木聚糖質(zhì)量分數(shù)影響

不同溫度下堿液提取對小麥麩皮中木聚糖質(zhì)量分數(shù)和蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的影響如圖3所示。隨著溫度增加小麥麩皮中木聚糖質(zhì)量分數(shù)逐漸增加而蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)逐漸降低；當溫度增加至60℃時小麥麩皮中木聚糖質(zhì)量分數(shù)增加至35%以上，同時蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)降低到5%左右，隨著溫度繼續(xù)增加，小麥麩皮中蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)略有降低，不過幅度很小，而木聚糖質(zhì)量分數(shù)也稍微有些降低。究其原因可能是由于高溫堿性環(huán)境在提取小麥麩皮中蛋白質(zhì)的同時也溶解了少量聚合度較小的木聚糖，或者其他可以在木聚糖檢測過程中被檢測出來的多糖類物質(zhì)。因此選擇60℃作為小麥麩皮去除蛋白質(zhì)的最佳溫度。

圖3 堿提溫度與木聚糖質(zhì)量分數(shù)和蛋白質(zhì)殘留率關(guān)系Fig.3 Relationship between alkali temperature and xylan content and the protein residues

2.5 提取液pH值對蛋白質(zhì)殘留量和木聚糖質(zhì)量分數(shù)影響

不同pH堿液提取對小麥麩皮中木聚糖質(zhì)量分數(shù)和蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的影響如圖4所示。隨著pH增加小麥麩皮中木聚糖質(zhì)量分數(shù)逐漸增加而蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)逐漸降低；當pH增加至9.5時，小麥麩皮中木聚糖質(zhì)量分數(shù)增加至35.5%以上，同時蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)降低至4.85%左右；隨著pH繼續(xù)增加，小麥麩皮中蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)略有降低，不過幅度很小，同時木聚糖質(zhì)量分數(shù)也稍微有些增加。可以得出在pH 9.5條件下，小麥麩皮中可以被提取出來的蛋白基本提取完全，剩余部分可能是跟纖維素或者木質(zhì)素等結(jié)合在一起，現(xiàn)有提取條件無法將其提取出來。因此，選擇pH 9.5作為小麥麩皮去除蛋白的最佳pH。

圖4 pH與木聚糖質(zhì)量分數(shù)和蛋白質(zhì)殘留率關(guān)系Fig.4 Relationship between pH and xylan content and the protein residues

2.6 水洗次數(shù)對木聚糖質(zhì)量分數(shù)影響

反應(yīng)后的殘渣，分別取250 mL水進行水洗1、2、3、4、5次，每次水洗后測定洗液的電導(dǎo)率并取等份的殘渣烘干后測木聚糖質(zhì)量分數(shù)，考察水洗次數(shù)與木聚糖質(zhì)量分數(shù)和電導(dǎo)率的關(guān)系，結(jié)果見圖5。隨著水洗次數(shù)增加小麥麩皮中木聚糖質(zhì)量分數(shù)逐漸增加而電導(dǎo)率逐漸降低；當水洗次數(shù)為3次時，小麥麩皮中木聚糖質(zhì)量分數(shù)增加至36.5%，同時電導(dǎo)率降低至700 μs/cm左右；隨著水洗次數(shù)增加，雖然木聚糖質(zhì)量分數(shù)不再增加，但小麥麩皮中電導(dǎo)率繼續(xù)降低。因此，為了提高后續(xù)木聚糖的酶解產(chǎn)物純度，試驗的最佳水洗次數(shù)為4次。

圖5 水洗次數(shù)與木聚糖質(zhì)量分數(shù)和電導(dǎo)率的關(guān)系Fig.5 Relationship between washing times and xylancontent and electrical conductivity

3 結(jié)語

通過不同粉碎強度對小麥麩皮進行物理分離，確定125 μm作為分界線，實現(xiàn)小麥麩皮中大部分淀粉的相對分離，然后借助淀粉工藝將淀粉純化，淀粉得率為72.43%，同時將125 μm以下部分殘留的木聚糖回收到初始原料中利用。

借助膠體磨處理與纖維素酶解共同作用，得出反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時間3 h，pH 5.0，加酶量1.0 mL/hg麩皮，木聚糖質(zhì)量分數(shù)為23.5%，比原料增加6.7%。

堿提溫度最佳為60℃，pH最佳為9.5，料液質(zhì)量體積比1 g∶20 mL，時間3.5 h，在此條件下木聚糖質(zhì)量分數(shù)為35.5%，蛋白質(zhì)殘留量為4.85%，蛋白提取率74.9%。水洗的最佳次數(shù)為4次，木聚糖質(zhì)量分數(shù)為36.5%。

通過物理分離和傳統(tǒng)堿溶酸沉方法實現(xiàn)了小麥麩皮中淀粉和蛋白的相對分離，同時借助機械處理和纖維素酶共同作用提高了小麥麩皮中木聚糖含量，為小麥麩皮作為原料制備低聚木糖提供了新的前處理方法。

[1]王遠.利用麥麩制備低聚木糖及其阿魏酸酯的研究[D].廣州：暨南大學，2010.

[2]MAKI K C，GIBSON G R，DICKMANN R S，et al.Digestive and physiologic effects of a wheat bran extract，arabinoxylanoligosaccharides，in breakfast cereal[J].Nutrition，2012，28（11）：1115-1121.（in Chinese）

[3]WANG J，CAO Y P，WANG C T，et al.Wheat bran xylooligosaccharides improve blood lipid metabolism and antioxidant status in rats fed a high-fat diet[J].Carbohydrate Polymers，2011，86（3）：1192-1197.

[4]呂珊珊.小麥麩皮低聚木糖的提取精制及其功能性研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2007.

[5]CHENG Xiye，YANG Ruijin，HUA Xiao，et al.Study on preparation of xylooligosac-charides-enriched wheat bran beverage[J].Food and Fermentation Industries，2011，37（12）：70-75.（in Chinese）

[6]石波.玉米芯酶法制備低聚木糖的研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2001.

[7]BENAMROUCHE，D.CRONIER，P.Debeire.et al.Chemical and Histological study on the effect of （1→4）-β-endo-xylanase treatment on wheat bran[J].Journal of Cereal Science，2002，36：253-260.

[8]ZHENG Xueling，LI Limin，YAO Huiyuan.The preparation，fractionation，purification and composition analysis of wheat bran water-soluble pentosans[J].Journal of Food Science and Biotechnology，2004，23（2）：1-4.（in Chinese）

[9]BEAUGRAND J，CRONIER D，DEBEIRE P，et al.Arabinoxylan and hydroxycinnamate content of wheat bran in relation to endoxylanase susceptibility[J].Journal of Cereal Science，2004，40：223-230.

[10]HU Ran，ZHANG Min，CHEN Shihao.Hydrolysis of wheat bran protein by acid and amino acid analysis of hydrolyzate[J].Journal of Food Science and Biotechnology，2015，34（1）：90-93.（in Chinese）

[11]CHEN Fenglian.Study on extraction of wheat bran protein by alkali[J].Journal of Harbin University of Commerce：Natural Sciences Edition，2010，26（3）：274-276.（in Chinese）

[12]YANG Shuyan，XU Chunmei，WU Minchen.Study on the preparation of xylooligosaccharides from corncob with acid-xylanase hydrolysis[J].Journal of Anhui Agri Sci，2007，35（12）：3651-3653.（in Chinese）

Research on a Method of Xylan Preparation from Wheat Bran

ZHAO Xiaoqing，PENG Zhen， LIU Bin，WANG Su，CAO Dong*
（School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

This experiment mainly study the preparation of xylan from wheat bran.First of all，with the help of high speed grinding processing method to separate starch from the bran，then treated with cellulase and alkali soaking for recovering protein，finally by optimizing the optimum procedure to determine the best process for xylan.Experiment results show that the grinding time is 2 min，raw material particle size is in the range of＞125 μm，starch yield is 72.43%；Optimum process conditions of cellulase and alkali treatment were that for：with enzyme was 1 mL/100 g bran，alkali treatment temperature was 60 ℃ ，alkali treatment was pH 9.5，under the condition of the xylan content is 35.5%，protein extraction rate was 74.9%.The best washing number is：4 times，the content of xylan under the condition is：36.5%.

wheat bran，starch，particle size，cellulose，protein，xylan

TQ 619.8

A

1673—1689（2017）10—1111—05

2015-10-28

*通信作者：曹 棟（1960—），男，江蘇海安人，工學博士，教授，主要從事油脂及植物蛋白研究。E-mail：caodong@jiangnan.edu.cn

趙曉慶，彭珍，劉彬，等.小麥麩皮木聚糖制備方法的研究[J].食品與生物技術(shù)學報，2017，36（10）：1111-1115.