复合纤维素酶法制备玉米水溶性膳食纤维＊

王文侠,宋春丽,张晓静,王伟,王丽

(齐齐哈尔大学食品与生物工程学院,农产品加工黑龙江省普通高校重点实验室,黑龙江齐齐哈尔,161006)

复合纤维素酶法制备玉米水溶性膳食纤维＊

王文侠,宋春丽,张晓静,王伟,王丽

(齐齐哈尔大学食品与生物工程学院,农产品加工黑龙江省普通高校重点实验室,黑龙江齐齐哈尔,161006)

以玉米皮水不溶性膳食纤维为原料,对复合纤维素酶法制备水溶性膳食纤维 (SDF)进行了研究。采用六偏磷酸钠及高温蒸煮等处理方法强化酶解过程以提高水溶性膳食纤维得率。结果表明,高温蒸煮有助于提高玉米皮水溶性膳食纤维得率,条件为 121℃,3 h。在单因素实验的基础上,采用 L9(34)正交实验对复合纤维素酶法制备水溶性膳食纤维的条件进行优化。结果表明,玉米水溶性膳食纤维的较佳提取条件为:复合纤维素酶的添加量 2%,底物浓度 40 g/L,酶解温度 55℃,pH4.0,酶解 11 h。在此条件下,玉米 SDF得率达到 10.37%。

玉米皮,水溶性膳食纤维,复合纤维素酶,高温蒸煮,六偏磷酸钠

膳食纤维 (dietary fiber,简称 DF)通常是指在人体内难以被酶解消化的高分子多糖类物质。按溶解性分,膳食纤维分为水溶性膳食纤维 (SDF)和不溶性膳食纤维 (I DF)两类 。SDF因具有独特的生理功能[1-3],及较好的理化性质[4],作为食品配料要优于IDF,富含 SDF的制品是一种高活性膳食纤维,目前已作为食品配料广泛应用于食品加工中,如制备高纤维面包、饼干、饮料、糖果等健康食品[5]。

玉米加工企业在生产淀粉时产生大量的副产物——玉米皮,绝大多数直接做饲料,未得到充分利用[6]。玉米皮富含膳食纤维,其中天然 SDF含量可达 4%～8%[7],从玉米皮中制备 SDF不仅可以提高玉米深加工产品的附加值,而且会带来良好的经济和社会效益。

近年来很多学者采用纤维素酶法从多种原料中提取 SDF[8-10],以玉米皮为原料的也有报道[6]。但是利用纤维素酶直接生产 SDF得率较低,通常辅以一些前处理以强化酶解效果。本研究以经脱脂、去除蛋白和淀粉的玉米皮为原料,采用高温蒸煮后,利用复合纤维素酶制备水溶性膳食纤维。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

玉米皮渣:黑龙江省镜泊湖农业开发股份有限公司;耐高温 α-淀粉酶:酶活力 50 000U/g、中性蛋白酶:酶活力 4511 U/g、碱性蛋白酶:酶活力 102 511 I U/g、复合纤维素酶 Celluclast 1.5L:酶活力 117.4 U/mL,丹麦诺维信公司;其他化学试剂均为化学分析纯。

722分光光度计,江苏省宜兴市科教仪器研究所;HH-S1型电热恒温水浴锅,上海跃进医疗器械厂;SHZ-D(Ⅲ)型循环水式真空泵,巩义市英峪予华仪器厂;DHG-9145型电热恒温鼓风干燥箱,上海一恒科技有限公司;BL3100型电子天平,BS124s型电子天平,北京赛多利斯仪器系统有限公司;LG10-2.4A型高速离心机,上海精密科学仪器有限公司;GB300-D强力电动搅拌机,上海标本模型厂;BFM-6B I贝利超微粉碎机,济南倍力粉技术工程有限公司;DSX-280型不锈钢手提灭菌器,上海申安医疗器械厂。

1.2 玉米水溶性膳食纤维制备的

1.2.1 工艺流程

脱脂玉米皮→超微粉碎→糊化→淀粉酶、蛋白酶酶解→过滤→水不溶性膳食纤维→前处理→复合纤维素酶酶解→过滤→滤液→乙醇沉淀→离心分离→水溶性膳食纤维

(1)粉碎:玉米皮经贝利超微粉碎机粉碎后,过20目筛。

(2)糊化:称取超微粉碎后的原料置于容器中,以固液比 1∶40(g∶mL)沸水处理 0.5 h。

(3)淀粉酶、蛋白酶酶解:用 3 mol/L NaOH调整pH6.0,加入 10.0 mL耐高温淀粉酶,95℃水浴搅拌 2 h后,取出冷却至 50℃,用 3 mol/L NaOH调整pH8.0,加入 10.0 mL碱性蛋白酶,50℃水浴搅拌 2 h后,取出冷却至室温。

(4)过滤:用漏斗抽滤,待抽干后,用温水冲洗滤渣数次直至滤液澄清为止。

(5)乙醇沉淀:采用滤液与乙醇体积比为 1∶4进行醇沉。

(6)离心分离:4 000 r/min离心 20 min。

1.2.2 原料的前处理

以玉米渣I DF为底物,采用六偏磷酸钠溶液(2%)以底物浓度 30 g/L,60℃水浴振荡 2 h及以底物浓度 30 g/L,121℃高温蒸煮 3 h作为前处理方法。

1.2.3 单因素实验及正交实验设计

以玉米渣 I DF为底物,SDF得率为指标,通过实验以提高玉米皮 SDF的得率。根据预实验结果,分别对影响酶解反应的纤维素酶加入量、底物浓度、酶解温度、酶解 pH值及酶解时间进行单因素试验。在单因素实验的基础上,对影响酶解反应的主要因素进行L9(34)正交实验,确定最适的纤维素酶酶解条件。

1.3 水溶性膳食纤维的测定方法

苯酚硫酸法[11]

2 结果与讨论

2.1 原料前处理方法的选择及工艺条件确定

2.1.1 原料前处理方法的选择

前处理条件对复合纤维素酶解玉米皮渣所得SDF得率的影响见图 1。

图 1 前处理条件对玉米渣时 SDF得率的影响

从图 1可以看出,2种前处理方法均能提高玉米渣 I DF向 SDF的转化,且高温蒸煮作用效果优于六偏磷酸钠。可能是由于在蒸煮过程中,水进入了半纤维素和纤维素等大分子的结晶区,使分子之间的键断裂,而释放部分的可溶性成分[12]。六偏磷酸钠溶液为缓冲液易水解成正磷酸根离子,对细胞壁中被束缚的纤维如果胶类多糖的鳌合作用强[13],因此可以提高 SDF的得率。此外,2种前处理方法能显著提高复合纤维素酶解对玉米渣 LDF的酶解程度,且高温蒸煮作用优于六偏磷酸钠,这是由于高温蒸煮玉米皮能够破坏玉米皮纤维素与半纤维素的结合和纤维素的晶束结构,从而利于复合纤维素酶的作用。因此,确定采用高温蒸煮作为酶解前处理方式。

2.1.2 高温蒸煮工艺条件的确定

2.1.2.1 高温蒸煮时间的确定

以玉米渣 I DF为底物,SDF得率为指标,底物浓度 30 g/L。高温蒸煮温度为 121℃,时间分别为 0.5、1、2、3 h。高温蒸煮时间对复合纤维素酶解玉米渣所得的 SDF得率的影响见图 2。

图 2 高温蒸煮时间对玉米渣 SDF得率的影响

从图 2可以看出,121℃,蒸煮 1h后,SDF的含量得率较多,时间延长至 3h时,SDF得率最高。考虑SDF得率及生产成本,确定高温蒸煮的时间为 3 h。

2.1.2.2 高温蒸煮温度的确定

高温蒸煮温度对复合纤维素酶解玉米渣所得的SDF得率的影响见图 3。由图 3可知,SDF得率随高温蒸煮温度的增加而逐渐增加,但增加的幅度逐渐减小。综合分析能耗和 SDF得率 2个因素,确定高温蒸煮的温度为 121℃。

图 3 高温蒸煮温度对玉米渣 SDF得率的影响

2.2 酶解单因素试验结果与分析

2.2.1 酶添加量的确定

以玉米渣 I DF为原料,底物浓度为 30 g/L,121℃高温蒸煮 3 h后,采用复合纤维素酶进行酶解,酶解pH值 5.0,50℃,时间 2 h,酶添加量分别为 0.5%,1.0%,2.0%,3.0%,4.0%,5.0%,复合纤维素酶添加量对玉米渣 SDF得率的影响见图 4。

从图 4可以看出,当复合纤维素酶的添加量达到2.0%时,SDF得率最大。此后,随着酶添加量的增加,SDF得率略有降低,综合酶解效果及成本 2个因素,确定纤维素酶添加量为 2.0%。

2.2.2 底物浓度的确定

以玉米渣 I DF为原料,底物浓度分别为 20、25、30、50、100 g/L。121℃高温蒸煮 3 h后 ,采用复合纤维素酶进行解酶,酶解 pH值 5.0,50℃,酶添加量2.0%,酶解时间 2h,底物浓度对玉米渣 SDF得率的影响见图 5。

图 4 复合纤维素酶添加量对玉米渣 SDF得率的影响

图 5 底物浓度对玉米 SDF得率的影响

从图 5可以看出,SDF得率随底物浓度的变化比较显著。当底物浓度为 30 g/L时,SDF得率最大,表明此时底物与酶的作用效果最佳。

2.2.3 酶解温度的确定

以玉米渣 I DF为原料,底物浓度为 30 g/L,121℃高温蒸煮 3 h后,用复合纤维素酶酶解,pH值 5.0,酶解 2h,酶添加量为 2.0%,温度分别为 40、45、50、55、60℃,酶解温度对玉米渣 SDF得率的影响见图 6。

从图 6可以看出,温度对 SDF得率的影响较大,温度过低不利于酶与底物的接触,温度过高易引起酶失活。酶解温度为 55℃时,SDF得率达到最大值。可见,55℃是复合纤维素酶较适宜的作用温度。

2.2.4 酶解 pH值的确定

以玉米渣 LDF为原料,底物浓度为 30 g/L,121℃高温蒸煮 3 h后,复合纤维素酶作为酶解酶,酶解 2h,酶添加量为 2.0%,酶解温度为 55℃,酶解 pH值分别为 4.0,4.5,5.0,5.5,6.0,酶解 pH值对玉米渣 SDF得率的影响见图 7。

图 6 酶解温度对玉米渣 SDF得率的影响

图 7 酶解 pH值对玉米渣 SDF得率的影响

从图 7可以看出,酶解 pH值对玉米渣 SDF得率的影响较大。复合纤维素酶解玉米渣在 pH 4.5时SDF得率最大,此后,随着酶解 pH的增加,SDF得率下降,这是由于酶在一定的 pH值范围能够发挥其最大酶活力,一旦超过这一范围酶易失活。

2.2.5 酶解时间的确定

以玉米渣 LDF为原料,底物浓度为 30 g/L,121℃高温蒸煮 3 h后,复合纤维素酶作为酶解酶,酶添加量为 2.0%,酶解温度为 55℃,pH值 4.5,酶解时间分别为 2、4、6、8、10、12、15、18 h,酶解时间对玉米渣 SDF得率的影响见图 8。

图 8 酶解时间对玉米渣 SDF得率的影响

从图 8可以看出,随着反应时间的增加,SDF得率逐步增加,但达 10 h以后,随着时间的延长,SDF得率逐渐降低,较适宜的酶解时间为 10 h。

2.3 正交试验结果与分析

正交实验因素水平表见表 1,试验结果见表 2。

从表 2可以看出,4个因素对复合纤维素酶酶法制备 SDF得率的的作用顺序为B>C>A>D,即主要因素是 pH值,其次是酶解温度和底物浓度,影响最小因素的是酶解时间。由 k分析可知,A1B1C3D3为酶法制备水溶性膳食纤维的最佳条件,即底物浓度4%,pH值 4.0,温度 55℃,酶解时间 11 h,此条件下的 SDF得率为 10.37%。

表1 L9(34)正交实验因素水平表

表2 L9(34)正交实验结果

3 结论

高温蒸煮能够强化酶解过程以提高水溶性膳食纤维得率,高温蒸煮处理的条件为温度 121℃,时间为 3 h。由单因素实验和正交实验确定复合纤维素酶解玉米渣的适宜的工艺参数是:复合纤维素酶添加量2.0%,底物浓度为 40 g/L,酶解温度 55℃,pH4.0,酶解时间 11 h,此条件下的 SDF得率为 10.37%。

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Preparation of Soluble D ietary Fiber from Corn Bran by Celluclast

WangWen-xia,Song Chun-li,Zhang Xiao-jing,WangWei,Wang Li
(College of Food Science and Engineering,QiqihaerUniversity,KeyLaboratory of ProcessingAgricultural Products of Heilongjiang Province,Qiqihar 161006,China)

Soluble dietary fiberwas obtained from insoluble dietary fiber of corn bran by treat ment with a celluclast.Insoluble dietary fiber is subjected to a sodium hexametaphosphate solution or high pressure treatment in order to enhance enzymic access and soluble dietary fiber production.The results showed that high pressure treatment was most useful to increase the yield of soluble dietary fiber,and high pressure treatment condition was 121℃,3 h.The reaction parameters affecting the soluble dietary fiber,such as substrate concentration,enzyme loading,pH,reaction temperature and reaction time,have been investigated.The maxi mum soluble dietary fiber production was observed after 11 h incubation of enzyme loading 2%,substrate concentration 40 g/L,temperature 55℃,and pH 4.0.The obtained yield of soluble dietary fiberwas 10.37%.

corn bran,soluble dietary fiber,celluclast,high-pressure treatment,sodium hexametaphosphate

硕士,教授。

＊黑龙江省科技攻关项目 (GC10B402)

2010-08-05,改回日期:2011-01-05