酶法制備竹筍殼微晶纖維素及其理化性質(zhì)分析

魏成前 蘇偉 宋玉 母應春于沛

摘 要：采用纖維素酶酶法制備竹筍殼微晶纖維素，以加酶量、酶解時間、溫度、酶解pH為單因素實驗，在此基礎上用L9（34）正交試驗優(yōu)化纖維素酶解法制備竹筍殼MCC的工藝條件，將制備出的竹筍殼微晶纖維素與“新望”商品微晶纖維素對比其溶脹性、流動性、持水性及形態(tài)結(jié)構。結(jié)果表明，制備竹筍殼MCC的最優(yōu)工藝條件為：加酶量1.2%，酶解時間50min，酶解溫度53℃，酶解pH值為5。用掃描電鏡觀察竹筍殼微晶纖維素形態(tài)結(jié)構，通過理化分析，并與商品微晶纖維素對比，竹筍殼微晶纖維素與商品微晶纖維素特性基本保持一致。

關鍵詞：酶法制備；竹筍殼；微晶纖維素；理化性質(zhì)

中圖分類號：TQ352.79

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0457（2018）03-00 -0 國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2018.03.001

Preparation of Microcrystalline Cellulose from Bamboo Shoot Shell by Enzyme Hydrolysis Method and Analysis of Its Physicochemical Properties

WEI Cheng-qian，SU Wei，SONG Yu，MU Yingchun*，YU Pei

（School of Liquor and Food Engineering， Guizhou University， Guiyang， Guizhou， 550025，China）

Abstract：Cellulase enzymatic method was used to prepare Microcrystalline Cellulose （MCC） from bamboo shoot shell. The enzyme addition， enzymatic hydrolysis time， temperature， the ratio of solid to liquid and pH were taken as the single factor experiments. Based on this， the L9 （34） orthogonal test was used to optimize the enzymatic hydrolysis conditions for bamboo shell MCC preparation. The preparation conditions of the bamboo shoot shell MCC were compared， and the swelling， fluidity， water-holding capacity and morphological structure of the MCC from bamboo shoot shell were compared with those of the ‘xinwang’commercial microcrystalline cellulose. The results showed that the optimal conditions for the preparation of bamboo shoot MCC were as follows： the enzyme amount was 1.2%， the enzymolysis time was 50min， the enzymolysis temperature was 53℃， and the pH of enzymolysis was 5. Scanning electron microscopy （SEM） was adopted to observe the morphological structure and analyze the physicochemical property of MCC from bamboo shoot shell. Through physical and chemical analysis， and compared with commercial MCC， the characteristics of the bamboo shoot microcrystalline cellulose and commercial microcrystalline cellulose were basically consistent.

Key words：enzymatic preparation； bamboo shoot shell； MCC； physicochemical property

微晶纖維素（Microcrystalline Cellulose，MCC）是一種達到一定聚合度的純化白色無味的由多孔微粒組成的結(jié)晶粉末狀物質(zhì)[1]。它廣泛運用于制藥、化妝品及食品領域，由天然纖維素經(jīng)過酸水解或者酶水解制得，以β-1，4-葡萄糖苷鍵結(jié)合的直鏈式多糖類物質(zhì)為主要成分，不溶于水、有機溶劑，是一種安全的食品添加劑。在我國GB2760-2011《食品添加劑使用標準》中被列為可按需使用的食品添加劑[2]：作為一種功能性纖維，MCC具有諸多作用，如作為吸附劑、稀釋劑、抗結(jié)劑、乳化劑、分散劑、黏合劑、營養(yǎng)補充劑和增稠劑，也有提高液體的穩(wěn)定性，保持乳化及泡沫穩(wěn)定性的作用[3-4]。第八次全國森林資源清查結(jié)果顯示，我國竹林面積共601萬公頃，比上一次清查增長11.69%[5]。我國是竹筍的種植生產(chǎn)古國，《詩經(jīng)》中古人就有食筍的記載，戴凱對竹筍做了初步的研究，并著有《筍譜》，它是全世界第一部竹筍資料[6]。但長期以來對竹筍的研究主要還是栽培貯藏保鮮及初加工階段，很少對竹筍殼有進一步的開發(fā)與應用。竹筍加工過程中會產(chǎn)生一定量的筍頭、筍殼以及廢棄液，處理不當就會造成環(huán)境污染。

制備MCC的原料有稻殼、小麥、稻草、豆渣等[7]。竹筍殼是竹筍加工過程中的副產(chǎn)物，其中含纖維素41.66%，半纖維素28.11%，木質(zhì)素20.35%，果膠0.82%，脂蠟質(zhì)1.33%，水溶物7.73%[8]，是制備食品MCC的良好原料。傳統(tǒng)的微晶纖維素生產(chǎn)工藝路線是采用酸進行高溫水解，然后漂白，再進行洗滌干燥，經(jīng)粉碎即得[9-10]。這個水解過程要求苛刻，需要消耗強酸強堿等化學品，并且會產(chǎn)生糠醛酚類等有毒氣體，對環(huán)境造成污染。而用纖維素酶法制備MCC，具有污染小及制備過程安全等優(yōu)點。纖維素酶是一類將纖維素水解成纖維二糖和葡萄糖及纖維糊精等一系列復雜酶系的總稱，分為葡聚糖內(nèi)切酶，葡聚糖外切酶和β-葡萄糖苷酶[11]。此實驗運用葡萄糖內(nèi)切酶隨機水解纖維素處于無定形區(qū)的分子鏈，形成纖維素結(jié)晶分子，最終水解制得極限聚合度的微晶纖維素[12-13]。根據(jù)之前已有的研究報導，呂艷蓓[14]研究了利用大豆皮酸法制備MCC素，余光等[15]研究了高溫高壓制備MCC新工藝，張麗君等[16]以大豆皮為原料，首次采用纖維素酶酶解法制備MCC。相比大豆皮中含有65%的膳食纖維，竹筍殼中膳食纖維的含量超過80%[17-18]。微晶纖維素純度84.51%也優(yōu)于之前張麗君制備的大豆皮MCC 30.12%。國外對MCC的研究較早，從1955年就已經(jīng)初具生產(chǎn)規(guī)模，主要以稻殼、玉米芯、大小麥桿等制備微晶纖維素[19-21]。種類繁多，但基本路線一致。即采用酸水解，輔以一定的洗滌干燥步驟，微生物發(fā)酵即酶解還在發(fā)展過程中。本課題首次利用竹筍殼制備MCC，研究并優(yōu)化其制備工藝，進行理化特性分析，為以后竹筍殼酶法制備MCC的研究提供了理論依據(jù)，并實現(xiàn)了竹筍殼的資源化利用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 主要材料與試劑

竹筍殼：貴州紅赤水生態(tài)食品開發(fā)有限公司，烘干備用。

試劑：分析純（重絡酸鉀，硫酸，過氧化氫，氫氧化鈉，硫酸亞鐵銨，鄰菲羅啉）；纖維素酶：南寧龐博生物工程有限公司（酶活10000U/g）。

1.1.2 主要儀器設備

PHS-06型PH計；101型電熱鼓風干燥箱；電冰箱；DK-98-IIA型電熱恒溫水浴鍋；電子天平；CXC-06粗纖維測定儀。

1.2 方法

1.2.1 竹筍殼MCC的制備流程

竹筍殼原料→清洗烘干→粉碎過篩→稀酸混溶→堿煮（2.5h）→抽濾→漂白（H2O2）→抽濾→調(diào)pH（乙酸）→洗滌烘干→α-淀粉酶酶解→沸水滅酶→洗滌干燥→粉碎過篩→MCC

1.2.2 竹筍殼原料的預處理

將竹筍殼清洗兩遍，然后放入55℃的鼓風干燥箱內(nèi)烘干一天，待烘干完全，放入粉碎機粉碎，過60目篩，再進行烘干，然后放入密封袋中備用。

1.2.3 采用纖維素酶制備MCC

取烘干處理的竹筍殼粉末100g，置于1000mL稀硫酸溶液（1g/L）中混溶1h，以去除竹筍殼表面的毛及部分膠質(zhì)。過濾三次，取濾渣，加入質(zhì)量分數(shù)為8% NaOH溶液，迅速加熱煮沸2.5h，待冷卻后進行抽濾，分離固體濾渣并用蒸餾水沖洗。加3% 食品級H2O2漂白0.5h[22]，過濾并用蒸餾水沖洗三次，加100mL水，用稀醋酸調(diào)節(jié)pH至7.0，用蒸餾水洗滌除雜，抽濾。取濾渣于60℃電熱鼓風干燥箱中烘干得竹筍殼α-纖維素[23]。

取以上制得的竹筍殼α-纖維素10g，放入錐形瓶中，然后加入水和纖維素酶，調(diào)節(jié)pH值，將錐形瓶放入恒溫水浴鍋中在一定溫度及一定時間下水解，然后在沸水中滅酶6min ，調(diào)節(jié)pH值為7.0，抽濾，濾渣用蒸餾水洗滌2次后于60℃干燥箱中干燥即得竹筍殼MCC[24]。

1.2.4 酶法制備竹筍殼MCC單因素實驗

以上面五個因素做單因素實驗，探究加酶量、酶解時間、酶解溫度、液料比、酶解pH對竹筍MCC得率的影響。

1.2.5 酶法制備竹筍殼MCC正交實驗

在液料比為1∶15（g/mL）的條件下，以加酶量（1.2%～1.8%）、酶解時間（50min～70min），酶解溫度（47℃～53℃）、酶解pH值（5.0～6.0） 作為4因素，以MCC得率為指標，采用L9（34）正交設計，對酶法制備竹筍殼MCC的工藝進行優(yōu)化，其因素水平設計見表2。

1.2.6 竹筍殼MCC得率測定[25]。

1.2.7 竹筍殼MCC理化性質(zhì)測定

1.2.7.1 微晶纖維素溶脹性測定

精確稱取烘干至恒重的竹筍殼MCC 3g，放于具塞刻度試管中，測定粉末的高度，加水10mL，充分震搖。靜置24h，測定溶脹后MCC的高度，計算溶脹體積比，即溶脹后高度與溶脹前高度之比[26]。

1.2.7.2 MCC流動性測定

取半徑為r的培養(yǎng)皿，放置于水平的無菌操作臺，再取漏斗置于正上方，漏斗底部距離培養(yǎng)皿10cm，漏斗內(nèi)加微晶纖維素自然流下，待覆蓋培養(yǎng)皿底面即停，測量形成的高度（H）。按照tanα=Hr計算靜止角α[27]。

1.2.7.3 MCC持水率的測定 準確稱取5.00g烘干至恒重的樣品，置于燒杯中，加入蒸餾水，浸泡20min，用濾紙包住擠壓形成團，清水洗滌。再將樣品放在干凈玻璃板上，上面用另外一塊玻璃板擠壓，除去水分，直至樣品粘在玻璃板上，取下，稱重，即得濕潤MCC質(zhì)量[28]。

持水率=濕潤MCC質(zhì)量-干燥MCC質(zhì)量濕潤MCC質(zhì)量×100%

1.3 數(shù)據(jù)分析

酶法制備竹筍殼MCC單因素實驗采用Excel作圖，并和正交試驗均采用SPSS 17.0進行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 酶法制備竹筍殼MCC單因素實驗結(jié)果與分析

2.1.1 加酶量對竹筍殼MCC的影響

纖維素完全降解分為五個過程，纖維素→MCC→纖維糊精→β系低聚糖→纖維二糖→D-葡萄糖[29]。從圖1可以看出，纖維素酶的添加量可以影響MCC得率，當纖維素酶添加量小于1.5%時，MCC的得率隨著纖維素酶的增加而增加。這可能是在MCC制備過程中添加一定量的纖維素酶，葡萄糖內(nèi)切酶隨機水解纖維素處于無定形區(qū)的分子鏈，使纖維素水解轉(zhuǎn)化為MCC[30]。而當纖維素酶濃度繼續(xù)增大，反而出現(xiàn)MCC得率下降。這是由于酶的添加量過大，使纖維素和MCC進一步水解成纖維糊精，并進一步轉(zhuǎn)化為纖維二糖以及葡萄糖[31]。故選擇加酶量1.2%～1.8%設計正交試驗。

2.1.2 酶解時間對竹筍殼MCC的影響

從圖2可以看出，1 h以后，隨著酶解時間的增加，MCC得率逐漸緩慢降低。這是由于在纖維素酶作用1h后，已經(jīng)把其中的一部分纖維素水解成糖類。而在此之前，纖維素并沒有水解完全[32]。故選取50min～70min設計正交實驗因素水平。

2.1.3 酶解溫度對竹筍殼MCC的影響

從圖3可以看出，當酶解溫度小于50℃的時候，隨著溫度的上升，竹筍殼MCC得率上升，而高于50℃以后有一個下降的趨勢。說明纖維素酶對于竹筍殼為底物的時候，最佳的水解溫度為50℃左右[33]。故選取47℃～53℃設計正交實驗因素水平。

2.1.5 酶解pH值對竹筍殼MCC的影響

從圖5可以看出，當pH為5.5時，MCC得率最高，這跟纖維素酶的活性有關，酸性環(huán)境和堿性環(huán)境都會抑制纖維素酶的活性[35]。故選取pH5～6設計正交實驗因素水平。

2.2 酶法制備竹筍殼MCC正交實驗結(jié)果與分析

從表4可以看出，各因素作用的主次順序是加酶量（A）> pH（D）> 酶解溫度（C）> 酶解時間（B）。制備MCC的最優(yōu)工藝條件為A1B1C3D1。在此條件下用竹筍殼纖維素制備MCC，重復試驗3次，平均含量為84.51%，高于所有正交試驗實驗組的MCC的含量。因此確定竹筍殼MCC的最佳制備工藝為加酶量1.2%，酶解時間50 min，酶解溫度53℃，溶液pH為5。

從表5可以看出，對正交試驗的結(jié)果進行方差分析，可以看出加酶量與pH差異極顯著，在竹筍殼MCC的制備過程中起到最關鍵的作用，酶解溫度差異顯著，在制備過程中有很重要的影響，酶解時間對實驗結(jié)果的影響較小，這與正交試驗直觀分析是相符的。

2.3 竹筍殼MCC與“新望”MCC的掃描電鏡分析

竹筍殼MCC與湖州市菱湖化學有限公司商品MCC放大100倍的掃描電鏡掃描圖[36]如圖6、7所示，從掃描圖中可以看出，竹筍殼MCC大多呈短棒狀態(tài)，分子之間的孔洞較大，表面出現(xiàn)凹坑，結(jié)構較為疏松，比表面積相對較大；“新望”MCC大多呈長棒狀態(tài)，分子之間的孔洞較小，表面只有一些溝痕，結(jié)構較為緊密，裂紋比較均勻。

2.4 竹筍殼MCC的理化特性分析及與“新望”MCC比較

湖州市菱湖化學有限公司商品MCC在食品工業(yè)上作為重要的功能性食品膳食纖維，是一種理想的保健品食品添加劑，可以直接進行干粉壓片，用于作為保健品食品的賦形劑、抗黏劑、填充劑、吸附劑、膠囊稀釋劑、流動性助劑等。在此通過竹筍殼MCC的理化特性與之進行比較，結(jié)果如表6。

從外觀上來看，“新望”MCC為白色細小粉末，不溶于水、稀酸、稀堿溶液和大多數(shù)有機溶劑。而竹筍殼MCC為微黃細小粉末，顆粒大于商品MCC，流動性小于商品MCC，物理特性與“新望”MCC區(qū)別不顯著，商品MCC賣相更好。結(jié)合掃描電鏡形態(tài)分析，竹筍殼微晶纖維素表面更為疏松，孔洞較大，更好地解釋了在溶脹體積比方面，竹筍殼MCC高于商品MCC，而在持水率方面，竹筍殼MCC持水性更好的原因。故竹筍殼MCC更容易形成飽腹感，有利減肥；加大人體排便的體積和速度，從而可有效的防止便秘所引起的結(jié)腸癌[37]；在加強腸道蠕動，吸附腸內(nèi)毒素方面更有利于人體健康。掃描電鏡分析結(jié)果與理化特性結(jié)果吻合。

3 結(jié)論與討論

經(jīng)過洗滌、烘干、粉碎、過篩、稀酸混溶、堿煮、洗滌除雜、烘干一系列方法制取竹筍殼α-纖維素，再采用纖維素酶酶法制備竹筍殼MCC。并通過單因素和正交試驗探索竹筍殼制備MCC素的工藝。確定竹筍殼MCC的最佳工藝條件為：液料比為1∶15（g/mL），加酶量1.2%，酶解時間50 min，酶解溫度53℃，溶液pH為5。竹筍殼MCC的理化特性都與“新望”商品MCC相近，初步達到了商品MCC的要求。相比酸法制備MCC，本方法無廢氣，廢渣排放，母液可以循環(huán)利用，生產(chǎn)廢水經(jīng)處理可達到排放要求。對竹筍殼MCC采用掃描電鏡進行掃描，竹筍殼MCC分子間孔洞較大，結(jié)構疏松，比表面積較大，從微觀上解釋了竹筍殼MCC吸水后溶脹體積更大，持水力更強的原因。竹筍殼MCC在腸道中會產(chǎn)生更大的容積，更有利于加強腸道蠕動，防止便秘，在吸附腸內(nèi)毒素方面也有更好的效果，有利于人體健康。

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