玉米麩皮膳食纖維復(fù)合酶法改性工藝優(yōu)化

摘要：作為玉米淀粉加工的副產(chǎn)物，玉米麩皮（CB）含有豐富的總纖維，是膳食纖維的良好來源。目前研究表明，CB作為一種生物質(zhì)資源，與麥麩、米糠等其他副產(chǎn)物相比，其膳食纖維的含量更高。以玉米麩皮可溶性膳食纖維（SDF）得率為主要指標(biāo)，結(jié)合吸附特性，通過Plackett-Burman設(shè)計試驗和單因素試驗確定最佳的復(fù)合酶法改性工藝：纖維素酶與木聚糖酶同步添加，添加比例為1∶1，酶用量為4 mg/mL，料液比為1∶20，在初始pH 4.5、溫度45 ℃的條件下水解12 h。與單酶法改性相比，復(fù)合酶法改性處理后SDF得率可達(dá)8.01%，持水力、持油力、膨脹力分別為4.09 g/g、2.42 g/g、2.39 mL/g，吸附特性得到改善。該研究結(jié)果可為玉米麩皮膳食纖維的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：玉米麩皮；膳食纖維；酶法改性；吸附特性

中圖分類號：TS201.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1000-9973（2025）03-0149-06

Optimization of Process of Corn Bran Dietary Fiber Modified

by Compound Enzymatic Method

TIAN Ying-hua^1，2， CHEN Mei-fang¹， YANG Jia-qi¹， GUO Hong-wen^1，2，

LI Chong^1，2， ZHAN Xin-jie¹， YANG Xi-ling^1，2

（1.College of Food and Bioengineering， Qiqihar University， Qiqihar 161006， China; 2.Heilongjiang

Key Laboratory of Corn Deep-processing Theory and Technology， Qiqihar 161006， China）

Abstract： As a by-product of corn starch processing， corn bran （CB） is rich in total fiber， which is a good source of dietary fiber.Current studies show that CB is a biomass resource， and the content of dietary fiber in it is higher than other by-products such as wheat bran and rice bran. With the yield of soluble dietary fiber （SDF） in corn bran as the main index， combined with the adsorption properties， the best compound enzymatic modification process is determined by Plackett-Burman design test and single factor test： cellulase and xylanase are added at the same time， the ratio is 1∶1， the enzyme dosage is 4 mg/mL， the solid-liquid ratio is 1∶20， and it is hydrolyzed at initial pH 4.5 and enzymatic hydrolysis temperature 45 ℃ for 12 h. Compared with the single enzymatic modification， the yield of SDF after compound enzymatic modification can reach 8.01%， the water holding capacity， oil holding capacity and swelling capacity are 4.09 g/g， 2.42 g/g and 2.39 mL/g respectively， and the adsorption properties are improved. The results can lay a theoretical foundation for the industrial development of corn bran dietary fiber.

Key words： corn bran; dietary fiber; enzymatic modification; adsorption propertiesSymbol`@@

收稿日期：2024-09-16

基金項目：黑龍江省自然科學(xué)基金項目（LH2022C103）；黑龍江省省屬高等學(xué)?；究蒲袠I(yè)務(wù)費科研項目（145209145）；黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（x202310232098）

作者簡介：田英華（1975—），女，教授，碩士，研究方向：天然纖維的生物處理。

2023年我國玉米年產(chǎn)量為28 884.2萬噸，玉米麩皮（CB）占玉米產(chǎn)量的14%～20%，主要由包裹玉米顆粒的種皮和糊粉層構(gòu)成，其中膳食纖維組分的含量在60%～70%^[1]。玉米麩皮膳食纖維具有良好的生理功能特性，如減重、腸道菌群調(diào)控、降血脂、降血糖能力等。適量添加膳食纖維不僅能夠改善食品的黏度、質(zhì)構(gòu)和感官特征，提高食品的營養(yǎng)價值，延長食品的保質(zhì)期，而且能增加消費者日常膳食纖維的攝入量。因而，膳食纖維被廣泛應(yīng)用于肉制品、乳制品和烘焙制品等食品加工過程中充當(dāng)功能性添加劑^[2-4]。

玉米麩皮膳食纖維的提取和改性方法分為化學(xué)法、物理法和生物法^[5]。化學(xué)法提取和改性的玉米麩皮膳食纖維容易有殘留化學(xué)試劑的隱患，物理法對能源的依賴性較高^[6-7]。因此，研究膳食纖維生物法提取和改性工藝，制備出理化和功能特性良好的玉米麩皮膳食纖維，可在一定程度上提高CB的附加值，并為玉米麩皮膳食纖維進(jìn)一步應(yīng)用研究提供參考。

本研究運用Plackett-Burman設(shè)計試驗篩選出改性玉米麩皮膳食纖維最優(yōu)的木聚糖酶和纖維素酶。以SDF得率為主要響應(yīng)值，結(jié)合其吸附特性（持水力、持油力、膨脹力）優(yōu)化了復(fù)合酶法改性玉米麩皮膳食纖維處理工藝，為玉米麩皮膳食纖維的綜合利用提供了理論基礎(chǔ)。

1材料和方法

1.1材料與試劑

玉米麩皮：購自黑龍江省齊齊哈爾市；纖維素酶1：購自南寧龐博生物工程有限公司；纖維素酶2：購自山東隆科特酶制劑有限公司；纖維素酶3、木聚糖酶2、淀粉酶、蛋白酶、糖化酶：購自河南萬邦實業(yè)有限公司；木聚糖酶1：購自廣州馨之味食品配料商城；木聚糖酶3：購自河北迎威生物科技有限公司。

1.2主要儀器與設(shè)備

RH-Q型搖床常州榮華儀器制造有限公司；101-1-Ⅱ-BS電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；FA1104N電子分析天平上海菁海儀器有限公司；T25 Digital高剪切分散機(jī)德國艾卡（IKA）集團(tuán)。

1.3方法

1.3.1玉米麩皮粗膳食纖維（CDF）提取工藝流程^[8]

CB→清洗，烘干，粉碎，過80目篩→加入脂肪酶2.5 mg/mL，40 ℃，2.5 h，取出滅酶冷卻后→pH 6.5，料液比1∶10，加入淀粉酶、糖化酶（1∶1）各4.5 mg/mL，60 ℃，1 h→滅酶冷卻后，加入蛋白酶5.5 mg/mL，50 ℃，12 h→抽濾、烘干后粉碎即得CDF。

1.3.2CB和CDF主要成分的測定

水分含量的測定：參照GB 5009.3—2016；灰分含量的測定：參照GB 5009.4—2016；淀粉含量的測定：參照GB 5009.9—2016；脂肪含量的測定：參照GB 5009.6—2016；蛋白質(zhì)含量的測定：參照GB 5009.5—2016；可溶性膳食纖維含量的測定：參照GB/T 37492—2019；不溶性膳食纖維含量的測定：參照GB/T 9822—2008；纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量的測定：參照王玉萬等^[9]和張文博等^[10]的測定方法。

1.3.3玉米麩皮膳食纖維的復(fù)合酶法改性

分別選用不同廠家的3種食品級纖維素酶和3種木聚糖酶，以SDF得率為指標(biāo)，設(shè)計Plackett-Burman試驗，分別選取高、低兩個水平對6種水解酶（纖維素酶1、纖維素酶2、纖維素酶3、木聚糖酶1、木聚糖酶2、木聚糖酶3）進(jìn)行篩選，然后進(jìn)行復(fù)合酶試驗。以單因素試驗結(jié)果為參考，設(shè)計正交試驗，優(yōu)化復(fù)合酶水解條件。Plackett-Burman試驗因素水平和正交試驗因素水平分別見表1和表2。

1.3.4復(fù)合酶法改性玉米麩皮膳食纖維工藝

纖維素酶與木聚糖酶同步添加，添加比例為1∶1，兩種酶用量均為4 mg/mL，料液比為1∶20，在pH 4.5、溫度45 ℃的條件下水解12 h。

1.3.5高剪切輔助復(fù)合酶法改性提取玉米麩皮膳食纖維

復(fù)合酶酶解后，將樣品在剪切速率為9 000 r/min下剪切10 min后進(jìn)行抽濾，濾液的處理參見1.3.1。

1.3.6改性玉米麩皮膳食纖維吸附特性的測定

持水力、持油力、膨脹力的測定參考郭趙瑞等^[11]的方法并略作修改，具體方法如下：

持水力：稱取0.3 g玉米麩皮膳食纖維于離心管中，計重為M1后添加8 mL蒸餾水，靜置24 h，以3 000 r/min離心20 min，去除上清液后再次計重為M2。膳食纖維的持水力計算公式如下：

W1=M2-M10.3。

式中：W1為持水力（g/g）；M1為離心管與膳食纖維的質(zhì)量（g）；M2為持水后離心管與膳食纖維的質(zhì)量（g）。

持油力：稱取0.3 g玉米麩皮膳食纖維于離心管中，計重為M3后添加8 mL大豆油，靜置24 h，以3 000 r/min離心20 min，去除上清液后再次計重為M4。膳食纖維的持油力計算公式如下：

W2=M4-M30.3。

式中：W2為持油力（g/g）；M3為離心管與膳食纖維的質(zhì)量（g）；M4為持油后離心管與膳食纖維的質(zhì)量（g）。

膨脹力：稱取0.5 g玉米麩皮膳食纖維于10 mL離心管中，記錄此時膳食纖維的體積，記為V1，然后加入8 mL蒸餾水，靜置24 h，記錄此時膳食纖維的體積，記為V2。膳食纖維的膨脹力計算公式如下：

W3=V2-V10.5。

式中：W3為膨脹力（mL/g）；V1為膨脹前膳食纖維的體積（mL）；V2為膨脹后膳食纖維的體積（mL）。

2結(jié)果與討論

2.1CB和CDF的主要成分分析

將CB和CDF進(jìn)行主要成分測定，探究預(yù)處理對CB和CDF主要成分的影響。

由表3可知，CB中纖維素含量為20.80%，半纖維素含量為44.09%，高于徐忠等^[13]報道的含量，但低于胡葉碧^[14]報道的含量。與CB相比，CDF中蛋白質(zhì)含量和淀粉含量顯著降低，蛋白質(zhì)含量由11.26%下降至7.40%，淀粉含量由15.75%下降至10.75%，脂肪含量和水分含量也有小幅度下降。構(gòu)成CDF的膳食纖維組分中，纖維素、半纖維素的含量顯著升高，木質(zhì)素含量基本無變化。預(yù)處理過程中的酶解作用可破壞CB中蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)，使包裹在其中的淀粉分子暴露出來，同時，部分脂肪也被釋放^[15]。此過程一方面降低了CDF中淀粉和蛋白質(zhì)的含量，另一方面破壞了玉米麩皮的聚合結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行膳食纖維改性時可進(jìn)一步提高復(fù)合酶對底物的可及度。

2.2玉米麩皮膳食纖維的復(fù)合酶法改性

2.2.1玉米麩皮膳食纖維改性復(fù)合酶的篩選

通過Plackett-Burman試驗對6種水解酶（纖維素酶1、纖維素酶2、纖維素酶3、木聚糖酶1、木聚糖酶2、木聚糖酶3）進(jìn)行篩選。Plackett-Burman試驗結(jié)果和方差分析結(jié)果分別見表4和表5。

由表5可知，因素影響大小為纖維素酶3gt;纖維素酶2gt;纖維素酶1gt;木聚糖酶1gt;木聚糖酶2gt;木聚糖酶3，因此，選取纖維素酶3和木聚糖酶1進(jìn)行復(fù)合酶法改性試驗。

2.2.2復(fù)合酶添加方式對SDF得率和性質(zhì)的影響

復(fù)合酶的不同添加方式影響膳食纖維改性效果，調(diào)整復(fù)合酶的添加順序，以只添加纖維素酶為對照，探究其對SDF得率和性質(zhì)的影響，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，與單一纖維素酶作用相比，復(fù)合酶可顯著提高SDF的得率（Plt;0.05）和性質(zhì)，這可能是由于纖維素酶與木聚糖酶具有協(xié)同效應(yīng)，可以使長鏈纖維素斷裂，破壞纖維結(jié)構(gòu)，使不溶性膳食纖維轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄陨攀忱w維^[16]。對比3種復(fù)合酶添加方式，選擇兩種酶同步添加進(jìn)行后續(xù)試驗研究。

2.2.3復(fù)合酶用量對SDF得率和性質(zhì)的影響

復(fù)合酶可以破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，使膳食纖維結(jié)構(gòu)疏松，間隙增大，基團(tuán)暴露，進(jìn)而改變膳食纖維的性質(zhì)^[17]。復(fù)合酶用量對SDF得率和性質(zhì)的影響見圖2。

由圖2可知，隨著酶用量的增加，SDF得率逐漸升高。當(dāng)酶用量為4 mg/mL時SDF得率、持水力、持油力均顯著升高。繼續(xù)升高酶用量至6～8 mg/mL，SDF得率增幅較小，持水力和膨脹力變化不明顯，持油力下降了約13%。因此，確定最適宜的酶用量為4 mg/mL。

2.2.4酶解時間對SDF得率和性質(zhì)的影響

纖維素酶與木聚糖酶同步添加，添加比例為1∶1，兩種酶用量均為4 mg/mL，調(diào)整酶解時間，探究酶解時間對SDF得率和性質(zhì)的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，隨著酶解時間的延長，SDF得率先升高后趨于平穩(wěn)，持水力變化不大，呈先緩慢下降后稍有上升的趨勢，持油力先上升后下降，膨脹力無顯著變化。當(dāng)酶解時間為12 h時，SDF得率最高，持油力達(dá)到2.79 g/g。當(dāng)酶解時間延長至16 h和20 h時，SDF得率不再顯著升高。綜合考慮，確定最佳復(fù)合酶酶解時間為12 h。

2.2.5初始pH對SDF得率和性質(zhì)的影響

酶促反應(yīng)效率受pH的影響，進(jìn)而影響SDF得率和性質(zhì)。初始pH對SDF得率和性質(zhì)的影響見圖4。

由圖4可知，當(dāng)初始pH為4.5時，SDF得率顯著升高（Plt;0.05），當(dāng)初始pH繼續(xù)升高時，SDF得率和膨脹力逐漸下降，持油力無明顯變化。因此，選擇最佳初始pH為4.5。

2.2.6酶解溫度對SDF得率和性質(zhì)的影響

溫度是影響酶活性的主要因素之一，適宜的溫度可提高酶促反應(yīng)速率。酶解溫度對SDF得率和性質(zhì)的影響見圖5。

由圖5可知，隨著酶解溫度的升高，SDF得率先升高后降低，在45 ℃時，SDF得率達(dá)到最高，為7.91%，此時持水力、持油力也達(dá)到最高值。因此，確定最適宜的酶解溫度為45 ℃。

2.2.7料液比對SDF得率和性質(zhì)的影響

適宜的料液比既能提高酶促反應(yīng)效率，又能減少資源浪費。料液比對SDF得率和性質(zhì)的影響見圖6。

由圖6可知，隨著料液比的升高，SDF得率先升高后降低，這可能是由于料液比較高時，底物濃度高，處理體系較黏稠，降低了酶促反應(yīng)速率。當(dāng)料液比為1∶20時， SDF得率顯著升高（Plt;0.05），與料液比為1∶10時無顯著差異。 因此，選擇最佳料液比為1∶20。

2.2.8正交試驗

選取酶用量、酶解時間、料液比進(jìn)行復(fù)合酶改性玉米麩皮膳食纖維的正交試驗。正交試驗結(jié)果見表6。

極差R反映了該因素對SDF得率的影響大小。由表6可知，各因素對SDF得率影響的主次順序為酶用量＞酶解時間＞料液比。本試驗最佳組合為A3B2C2，即酶用量為4 mg/mL，酶解時間為12 h，料液比為1∶20。方差分析結(jié)果見表7。

由表7可知，酶用量對SDF得率有顯著影響，酶解時間與料液比對SDF得率沒有顯著影響。在最佳條件下進(jìn)行了3次平行驗證試驗，SDF的平均得率為8.59%。

3結(jié)論

膳食纖維作為添加劑可以改善食品的口感，增加食品的厚度和層次感，同時可以增加食品的營養(yǎng)價值，提升食品的健康指數(shù)，因此備受關(guān)注，應(yīng)用廣泛。本研究通過Plackett-Burman設(shè)計試驗確定了玉米麩皮膳食纖維改性的復(fù)合酶為纖維素酶3與木聚糖酶1；玉米麩皮膳食纖維最佳改性工藝：纖維素酶與木聚糖酶按1∶1同步添加，兩種酶用量均為4 mg/mL，料液比為1∶20，在初始pH 4.5、酶解溫度45 ℃的條件下水解12 h。優(yōu)化后SDF得率達(dá)8.01%，持水力、持油力、膨脹力分別為4.09 g/g、2.42 g/g、2.39 mL/g，與單獨采用纖維素酶改性相比均有提高。該研究結(jié)果可為玉米麩皮膳食纖維作為添加劑應(yīng)用于食品領(lǐng)域、開發(fā)新型功能食品以及農(nóng)副產(chǎn)品的增值提供參數(shù)借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]李金隆.玉米芯不溶性膳食纖維改性工藝及功能性能研究[D].鄭州：河南工業(yè)大學(xué)，2023.

[2]宮春宇，廉雅雯，于洋，等.玉米須不溶性膳食纖維分析及其對面包品質(zhì)和消化特性的影響研究[J].中國調(diào)味品，2024，49（1）：67-73，83.

[3]田心怡，吳娜娜，楊積鵬，等.谷物膳食纖維改性方法及其在食品中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國糧油學(xué)報，2023，38（1）：194-202.

[4]張瀟瀟，辛宏.不同改性的胡蘿卜膳食纖維的營養(yǎng)功能特性及其在奶酪中的應(yīng)用[J].中國調(diào)味品，2023，48（6）：92-95.

[5]邵芳芳，胡發(fā)廣，董文江，等.超聲輔助低共熔溶劑制備咖啡果皮可溶性膳食纖維[J].熱帶作物學(xué)報，2024，45（1）：176-186.

[6]黃雪姣.哈密大棗殘次果中膳食纖維的提取工藝研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[7]楊柯偉，劉芳芳，鄭雁.麥麩不溶性膳食纖維提取方法及其對面制品品質(zhì)影響的綜述[J].糧油食品科技，2023，31（6）：84-90.

[8]李志洲，劉軍海.微波法從玉米皮中提取肌醇的條件研究[J].中國飼料，2009（12）：40-41.

[9]王玉萬，徐文玉.木質(zhì)纖維素固體基質(zhì)發(fā)酵物中半纖維素、纖維素和木素的定量分析程序[J].微生物學(xué)通報，1987（2）：81-84.

[10]張文博，賀建龍，蔣浩，等.木質(zhì)纖維物質(zhì)中纖維素和半纖維素含量的測定[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（5）：281-284.

[11]郭趙瑞，張小康，周苗苗，等.白蘿卜不溶性膳食纖維的酸法提取及其理化性質(zhì)研究[J].保鮮與加工，2021，21（3）：56-60.

[12]趙瑋.固體酸催化玉米皮半纖維素水解及產(chǎn)物綜合利用研究[D].長春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[13]徐忠，高陽，馮欣寧，等.玉米皮半纖維素/殼聚糖/甘油復(fù)合膜制備及性質(zhì)研究[J].中國糧油學(xué)報，2020，35（5）：174-180.

[14]胡葉碧.改性玉米皮膳食纖維的酶法制備及其降血脂機(jī)理研究[D].無錫：江南大學(xué)，2008.

[15]王戰(zhàn)勇，蘇婷婷，胡珍珠.雙酶法制備玉米皮膳食纖維的研究[J].氨基酸和生物資源，2009，31（1）：37-39.

[16]劉欣.食品酶學(xué)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2006：36-39.

[17]解先利，劉云云，曹運齊，等.木質(zhì)纖維素酶水解分形動力學(xué)的研究進(jìn)展[J].新能源進(jìn)展，2021，9（5）：426-433.