采用生物分離技術(shù)提升麥麩膳食纖維的功能特性

向琴，王昊英，孫媛，嚴(yán)汪汪，鐘振聲

（華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣東廣州510640）

采用生物分離技術(shù)提升麥麩膳食纖維的功能特性

向琴，王昊英，孫媛，嚴(yán)汪汪，鐘振聲*

（華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣東廣州510640）

采用分步酶解法去除小麥麩皮中的淀粉和蛋白質(zhì)，制備出功能特性突出的小麥纖維。以α-淀粉酶和水解蛋白酶分別處理麥麩，可以使小麥纖維含量從34.51%提高到66.87%，持水力、持油力、膨脹率分別提高121.40%、251.54%和135.87%。分析了原料和產(chǎn)物的化學(xué)組成，測定了小麥膳食纖維的功能特性指標(biāo)，用電鏡觀測其表觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，通過對(duì)比研究探討了小麥膳食纖維功能特性與其化學(xué)組成、表觀結(jié)構(gòu)形態(tài)三者之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，小麥膳食纖維的持水力、持油力、膨脹率與淀粉含量呈現(xiàn)明顯的反比例關(guān)系，而蛋白質(zhì)含量對(duì)膳食纖維的功能特性影響相對(duì)較小。

麥麩；膳食纖維；功能特性；生物技術(shù)

麥麩是小麥加工過程的副產(chǎn)物，質(zhì)量占小麥總質(zhì)量的18%～23%，目前一般作為飼料填充物使用，利用價(jià)值比較低。如何通過資源循環(huán)利用對(duì)麥麩進(jìn)行深加工、提升其附加值是糧食加工行業(yè)需要解決的共性問題。

國內(nèi)外的研究者采用物理、化學(xué)、生物技術(shù)等方法在分離提取植物膳食纖維并提高其功能特性方面做了大量研究工作[1-4]。WENNBERG M等[5]用超高壓技術(shù)處理從大白菜得到的膳食纖維，使其水溶性成分由3%～6%提高至10%～16%。涂宗財(cái)?shù)萚6]同樣利用動(dòng)態(tài)超高壓技術(shù)處理從大豆渣制備的膳食纖維，將持水力和膨脹率提高了2倍，分別達(dá)到15.33 g/g和21.50 mL/g。王文華等[7]用氫氧化鈉預(yù)處理葡萄皮渣原料使其空間結(jié)構(gòu)松散，再用纖維素酶處理，產(chǎn)物中總膳食纖維含量提高到60.7%。鐘振聲等[8]采用木聚糖酶對(duì)大豆不溶性膳食纖維進(jìn)行改性處理，使產(chǎn)物持水力達(dá)到13.95 g/g、膨脹率18.45 mL/g、持油力7.15 g/g，分別比原料提高了49.36%、28.66%和60.67%。

經(jīng)過測試得知麥麩的主要成分是纖維、淀粉、蛋白質(zhì)和其他碳水化合物。非纖維成分的存在至少導(dǎo)致小麥纖維的含量降低，對(duì)纖維功能特性必然產(chǎn)生影響，這種影響可能是負(fù)面的。本研究從提高膳食纖維含量的角度切入麥麩高值開發(fā)利用的研究領(lǐng)域，采用酶解法去除影響膳食纖維功能特性的淀粉和蛋白質(zhì)，在不改變天然纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)的前提下從麥麩中分離得到具有高持水力、持油力和膨脹率的小麥纖維，滿足特定用途的需求。此外，通過對(duì)比分析確定小麥纖維化學(xué)組成、物理形態(tài)與功能特性之間的相互關(guān)系，為提高小麥纖維的性能提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥麩皮：廣州華匯公司提供，烘干后粉碎，過40目篩，取篩下物作為麥麩樣品；α-淀粉酶（1.35×105U/g）、水解蛋白酶（1.5×105U/g）：諾維信（中國）公司；體積分?jǐn)?shù)為95%乙醇、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%鹽酸、氫氧化鈉、丙酮、三羥甲基氨基甲烷（Tris）等均為分析純試劑：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；嗎啉乙磺酸（morpholineethanesulfonic acid，MES）-水合物：上海阿拉丁公司。

1.2 儀器與設(shè)備

S-3700N掃描電子顯微鏡：日立公司；D8 ADVANCE X射線衍射儀、Tenser27傅立葉紅外光譜儀：Bruker公司；KDN-103F自動(dòng)定氮儀：上海纖檢儀器有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、PHS-3C pH計(jì)：上海雷磁儀器廠；TDL-50電動(dòng)離心機(jī)：杭州齊威儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 去淀粉小麥纖維樣品制備

稱取未經(jīng)脫脂的麥麩樣品l.000 g，置于500 mL燒杯中，加入pH值為8.2的MES-Tris緩沖液40 mL，攪拌至試樣完全分散在緩沖液中；然后加入50 μLα-淀粉酶攪拌均勻，置于95℃恒溫水浴中持續(xù)振搖，反應(yīng)35 min。加入160 mL提前預(yù)熱至60℃的體積分?jǐn)?shù)為95%乙醇，沉淀1 h。于恒質(zhì)量的耐酸漏斗上過濾，用體積分?jǐn)?shù)為95%乙醇將燒杯中所有內(nèi)容物移入漏斗中，分別用15 mL體積分?jǐn)?shù)為95%乙醇和丙酮（脫去樣品中脂肪）沖洗濾渣各2次，濾干。將濾渣于105℃烘干至質(zhì)量恒定，即得去淀粉小麥纖維樣品。

1.3.2 去蛋白小麥纖維樣品制備

稱取未經(jīng)脫脂的麥麩樣品l.000 g，置于500 mL燒杯中，加入pH值為8.2的MES-Tris緩沖液40 mL，攪拌直至試樣完全分散在緩沖液中；然后加入100μL蛋白酶溶液攪拌均勻，置于60℃的恒溫水浴中持續(xù)振搖，反應(yīng)30min。加入160mL提前預(yù)熱至60℃的體積分?jǐn)?shù)為95%乙醇，沉淀1 h。于恒質(zhì)量的耐酸漏斗上過濾，用體積分?jǐn)?shù)為95%乙醇將燒杯中所有內(nèi)容物移入漏斗中，分別用15 mL體積分?jǐn)?shù)為95%乙醇和丙酮（脫去樣品中脂肪）沖洗濾渣各2次，濾干。將濾渣于105℃烘干至質(zhì)量恒定，即得去蛋白小麥纖維樣品。

1.3.3 化學(xué)組成檢測方法

水分測定采用直接干燥法（GB/T5009.3—2010《食品中水分的測定》）；蛋白質(zhì)測定采用凱氏定氮法（GB/T5009.5—2010《食品中蛋白質(zhì)的測定》）；脂肪測定采用索氏抽提法（GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的測定》）；灰分測定用灼燒法（GB/T 5009.4—2010《食品中灰分的測定》）；淀粉測定用酶法（GB/T 5009.9—2003《食品中淀粉的測定》）；還原糖測定用酶法（GB/T 5009.7—2008《食品中還原糖的測定》）；膳食纖維測定采用酶-重量法（美國谷物化學(xué)師協(xié)會(huì)（American association of cereal chemists，AACC）法32-07《不溶性膳食纖維》[9]）。

1.3.4 小麥纖維功能性質(zhì)測定方法

小麥纖維的持水力和膨脹率參照文獻(xiàn)[10]、持油力參照文獻(xiàn)[11]的方法進(jìn)行測定。小麥纖維的持水力、持油力及膨脹率計(jì)算公式如下：

1.3.5 麥麩纖維表觀形態(tài)觀測

使用掃描電鏡檢測。樣品過100目篩，用雙面膠黏在樣品座上。把樣品座置于離子濺射儀中，在樣品表面蒸鍍一層10～20 nm厚的鉑金膜后，在不同放大倍數(shù)下進(jìn)行電鏡觀察。

1.3.6 物理形態(tài)測定

堆積密度和比表面積參照文獻(xiàn)[12]進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 麥麩原料的化學(xué)組成

采用1.3.3所述的分析方法對(duì)麥麩樣品的化學(xué)組成進(jìn)行了分析，所得結(jié)果見表1。

表1 麥麩樣品的化學(xué)組成（以干基計(jì)）Table 1 Chemical composition of wheat bran sample(dry base)

由表1可知，麥麩中纖維含量為38.56%，只占麥麩總質(zhì)量的1/3，其余接近2/3是淀粉、蛋白、還原糖和脂肪等組分。顯然，大量非纖維成分的存在必然對(duì)小麥纖維的功能性質(zhì)產(chǎn)生明顯的影響。

以下實(shí)驗(yàn)選擇非纖維成分中含量最大的淀粉和蛋白作為去除對(duì)象，研究小麥纖維功能特性與化學(xué)組成的關(guān)系。

2.2 淀粉、蛋白質(zhì)對(duì)小麥纖維含量的影響

使用α-淀粉酶單獨(dú)去除麥麩中的淀粉，得到去淀粉樣品；使用水解蛋白酶單獨(dú)去除麥麩中的蛋白質(zhì)[13]，得到去蛋白小麥纖維樣品；使用淀粉酶和水解蛋白酶依次去除麥麩中的淀粉和蛋白質(zhì)[14-15]，得到去淀粉去蛋白小麥纖維樣品，對(duì)其化學(xué)組成重新進(jìn)行檢測，結(jié)果見表2。

表2 淀粉、蛋白質(zhì)對(duì)小麥纖維含量的影響Table 2 Effect of starch and protein on fiber content of wheat bran samples%

由表2可知，單獨(dú)去除淀粉之后，樣品中小麥纖維含量上升到58.87%，相對(duì)提高了52.67%；單獨(dú)去除蛋白質(zhì)之后，樣品中小麥纖維含量上升到47.83%，相對(duì)提高了24.04%；同時(shí)去除淀粉和蛋白質(zhì)之后，樣品中小麥纖維含量上升到66.87%，相對(duì)提高了73.42%。由于去淀粉樣品制備過程中經(jīng)過2次丙酮洗滌，油脂也被去除。因?yàn)闇y試方法的局限，淀粉需轉(zhuǎn)化為還原糖后再測定，與還原糖混在一起，只能假設(shè)樣品中還原糖含量不變。實(shí)驗(yàn)過程用碘試液做過檢測，試液并沒有變藍(lán)色，說明游離淀粉基本不存在。麥麩樣品中的其他成分可能是水溶性或醇溶性物質(zhì)，在小麥纖維制備過程中被水、乙醇和丙酮洗滌后帶走了。

2.3 淀粉、蛋白質(zhì)對(duì)小麥纖維功能特性的影響

在同一測試平臺(tái)上對(duì)麥麩樣品、去淀粉樣品、去蛋白樣品及去淀粉去蛋白樣品的功能性質(zhì)進(jìn)行檢測，結(jié)果見表3。

表3 淀粉、蛋白質(zhì)對(duì)小麥纖維功能特性的影響Table 3 Effect of starch and protein on functional characteristics of wheat bran samples

由表3可知，三種樣品的功能性質(zhì)與麥麩樣品存在顯著性差異，去淀粉小麥纖維樣品持水力、持油力、膨脹率分別提高至4.68 g/g、3.31 g/g、3.79 mL/g，分別增加了92.59%、154.62%和69.96%。去蛋白小麥纖維樣品持水力、持油力、膨脹率分別提高至3.23 g/g、2.82 g/g、2.71 mL/g，分別提高了32.92%、116.92%和21.52%。去淀粉去蛋白小麥纖維樣品持水力、持油力、膨脹率分別提高至5.38 g/g、4.57 g/g、5.26 mL/g，分別提高了121.40%、251.54%和135.87%。

由于其他主要成分基本保留，功能性質(zhì)的差異可以認(rèn)定與淀粉、蛋白相關(guān)，淀粉、蛋白的存在明顯降低了膳食纖維的功能性質(zhì)。淀粉對(duì)小麥纖維功能性質(zhì)的負(fù)面影響比蛋白更大。

2.4 小麥纖維表觀結(jié)構(gòu)形態(tài)測定結(jié)果

麥麩樣品、去淀粉樣品、去蛋白樣品以及去淀粉去蛋白樣品的掃描電鏡圖（scanning electron microscope，SME）見圖1。

麥麩樣品、去淀粉樣品、去蛋白樣品以及去淀粉去蛋白樣品的比表面積和堆積密度檢測結(jié)果見表4。

綜合圖1、表4可知，小麥麩皮的結(jié)構(gòu)形態(tài)呈球形顆粒狀，密度大而空隙小。去除蛋白后小麥纖維的結(jié)構(gòu)形態(tài)雖然與小麥麩皮相似，都是粒狀球形顆粒，但是顆粒度明顯變小，比表面積增大1.91倍，對(duì)油、水的吸附能力提高；堆密度減少39%，吸水后膨脹更為明顯，所以各項(xiàng)性能有一定改變；而去淀粉去蛋白樣品結(jié)構(gòu)形態(tài)與去淀粉樣品相似，表觀形態(tài)發(fā)生大的改變，變成多孔海綿狀物體，比表面積分別增大5.71倍和5.41倍，對(duì)油、水的吸附能力大幅度提高；干燥狀態(tài)下堆密度分別減少54%和52%，復(fù)水后體積增大顯得異常明顯，所以性能改變非常明顯。

圖1 四種樣品掃描電鏡圖Fig.1 SEM image of four samples

表4 四種樣品表觀形態(tài)分析Table 4 Surface morphology characterization of four samples

麥麩樣品、去淀粉樣品、去蛋白樣品以及去淀粉去蛋白樣品的熱重（thermogravimetric，TG）分析圖譜見圖2。

由圖2可知，剛開始時(shí)，由于麥麩中含有部分水分，所以質(zhì)量百分率隨著溫度下降比不含水分的去蛋白樣品、去淀粉樣品以及去淀粉去蛋白樣品幅度大，隨著時(shí)間進(jìn)行，去蛋白樣品與麥麩的性質(zhì)更為接近，所以當(dāng)溫度升至300℃時(shí)，去蛋白樣品與麥麩下降幅度保持一致，去淀粉樣品與去淀粉去蛋白樣品下降幅度保持一致，前者比后者下降幅度要大，從另一個(gè)方面說明去蛋白樣品與麥麩結(jié)構(gòu)性質(zhì)更為接近，去淀粉樣品與去淀粉去蛋白樣品結(jié)構(gòu)性質(zhì)更為接近。

圖2 四種樣品熱重分析圖譜Fig.2 The thermogravimetric(TG)analysis of four samples

3 結(jié)論

小麥纖維含量由大到小順序?yàn)槿サ矸廴サ鞍讟悠罚?6.87%）＞去淀粉樣品（58.87%）＞去蛋白樣品（47.83%）＞小麥麩皮樣品（38.56%），樣品的持水力、持油力、膨脹率大小順序也是去淀粉去蛋白樣品＞去淀粉樣品＞去蛋白樣品＞小麥麩皮樣品，與膳食纖維含量正相關(guān)。膳食纖維含量是影響樣品功能特性的重要因素。

淀粉含量明顯影響了小麥纖維的表觀結(jié)構(gòu)與功能特性，去淀粉后麥麩膳食纖維表觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多孔海綿狀，比表面積比小麥麩皮增大5.41倍、堆密度減少52%，持水力、持油力、膨脹率分別提高了92.59%、154.62%和69.96%。相比之下，蛋白含量對(duì)小麥纖維的性能雖有明顯影響，但是影響程度比淀粉小。

比表面大小順序是去淀粉去蛋白樣品（5.57 m2/g）＞去淀粉樣品（5.32 m2/g）＞去蛋白樣品（2.40 m2/g）＞小麥麩皮樣品（0.83 m2/g），該順序與樣品的持水力、持油力、膨脹率數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；堆密度大小順序是小麥麩皮樣品（0.63 g/mL）＞去蛋白樣品（0.38 g/mL）＞去淀粉樣品（0.30 g/mL）＞去淀粉去蛋白樣品（0.29 g/mL），此順序與樣品的持水力、持油力、膨脹率數(shù)據(jù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

去淀粉樣品表觀結(jié)構(gòu)形態(tài)與去淀粉去蛋白樣品最為接近，去蛋白樣品表觀結(jié)構(gòu)形態(tài)與小麥麩皮最為接近，由此進(jìn)一步說明淀粉含量明顯影響了小麥纖維的表觀結(jié)構(gòu)與功能特性，蛋白質(zhì)含量對(duì)小麥纖維的表觀結(jié)構(gòu)與功能特性影響相對(duì)較小。

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Improvement of wheat bran dietary fiber functional characteristics by biological separation technology

XIANG Qin,WANG Haoying,SUN Yuan,YAN Wangwang,ZHONG Zhensheng*
(School of Chemistry and Chemical Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

With wheat bran as raw material,wheat dietary fiber with prominent properties was prepared by enzymatic hydrolysis to remove the starch and protein components.Treating wheat bran with alpha amylase and protease hydrolysate,the dietary fiber content increased from 34.51%to 66.87%,and the water-retention capability,oil-retention capability and expansion capacity increased 121.40%,251.54%,and 135.87%,respectively. The chemical composition of material and product was analyzed,the functional characteristics of wheat dietary fiber was measured,and surface morphology characterization with a scanning electron microscope were used to characterize the products.Through comparative study,inner connection between the above three aspects was discussed.The experiments showed that properties of wheat dietary fiber,such as water-retention capability, oil-retention capability and expansion capacity,presented inverse proportion with starch content.However,the content of protein has little effect on the functional characteristics of dietary fiber.

wheat bran;dietary fiber;functional characteristics;biotechnology

TS201.2

A

0254-5071（2014）11-0081-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2014.11.018

2014-08-20

廣東省科技廳專項(xiàng)（2012498A13）

向琴（1989-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物提取、表征及應(yīng)用。

*通訊作者：鐘振聲（1955-），男，教授，研究方向?yàn)橛袡C(jī)精細(xì)化學(xué)品的合成、提取和分析表征。