采用生物分离技术提升麦麸膳食纤维的功能特性

向琴，王昊英，孙媛，严汪汪，钟振声

（华南理工大学化学与化工学院，广东广州510640）

采用生物分离技术提升麦麸膳食纤维的功能特性

向琴，王昊英，孙媛，严汪汪，钟振声*

（华南理工大学化学与化工学院，广东广州510640）

采用分步酶解法去除小麦麸皮中的淀粉和蛋白质，制备出功能特性突出的小麦纤维。以α-淀粉酶和水解蛋白酶分别处理麦麸，可以使小麦纤维含量从34.51%提高到66.87%，持水力、持油力、膨胀率分别提高121.40%、251.54%和135.87%。分析了原料和产物的化学组成，测定了小麦膳食纤维的功能特性指标，用电镜观测其表观结构形态，通过对比研究探讨了小麦膳食纤维功能特性与其化学组成、表观结构形态三者之间的关系。实验表明，小麦膳食纤维的持水力、持油力、膨胀率与淀粉含量呈现明显的反比例关系，而蛋白质含量对膳食纤维的功能特性影响相对较小。

麦麸；膳食纤维；功能特性；生物技术

麦麸是小麦加工过程的副产物，质量占小麦总质量的18%～23%，目前一般作为饲料填充物使用，利用价值比较低。如何通过资源循环利用对麦麸进行深加工、提升其附加值是粮食加工行业需要解决的共性问题。

国内外的研究者采用物理、化学、生物技术等方法在分离提取植物膳食纤维并提高其功能特性方面做了大量研究工作[1-4]。WENNBERG M等[5]用超高压技术处理从大白菜得到的膳食纤维，使其水溶性成分由3%～6%提高至10%～16%。涂宗财等[6]同样利用动态超高压技术处理从大豆渣制备的膳食纤维，将持水力和膨胀率提高了2倍，分别达到15.33 g/g和21.50 mL/g。王文华等[7]用氢氧化钠预处理葡萄皮渣原料使其空间结构松散，再用纤维素酶处理，产物中总膳食纤维含量提高到60.7%。钟振声等[8]采用木聚糖酶对大豆不溶性膳食纤维进行改性处理，使产物持水力达到13.95 g/g、膨胀率18.45 mL/g、持油力7.15 g/g，分别比原料提高了49.36%、28.66%和60.67%。

经过测试得知麦麸的主要成分是纤维、淀粉、蛋白质和其他碳水化合物。非纤维成分的存在至少导致小麦纤维的含量降低，对纤维功能特性必然产生影响，这种影响可能是负面的。本研究从提高膳食纤维含量的角度切入麦麸高值开发利用的研究领域，采用酶解法去除影响膳食纤维功能特性的淀粉和蛋白质，在不改变天然纤维化学结构的前提下从麦麸中分离得到具有高持水力、持油力和膨胀率的小麦纤维，满足特定用途的需求。此外，通过对比分析确定小麦纤维化学组成、物理形态与功能特性之间的相互关系，为提高小麦纤维的性能提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦麸皮：广州华汇公司提供，烘干后粉碎，过40目筛，取筛下物作为麦麸样品；α-淀粉酶（1.35×105U/g）、水解蛋白酶（1.5×105U/g）：诺维信（中国）公司；体积分数为95%乙醇、质量分数为36%盐酸、氢氧化钠、丙酮、三羟甲基氨基甲烷（Tris）等均为分析纯试剂：国药集团化学试剂有限公司；吗啉乙磺酸（morpholineethanesulfonic acid，MES）-水合物：上海阿拉丁公司。

1.2 仪器与设备

S-3700N扫描电子显微镜：日立公司；D8 ADVANCE X射线衍射仪、Tenser27傅立叶红外光谱仪：Bruker公司；KDN-103F自动定氮仪：上海纤检仪器有限公司；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器、PHS-3C pH计：上海雷磁仪器厂；TDL-50电动离心机：杭州齐威仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 去淀粉小麦纤维样品制备

称取未经脱脂的麦麸样品l.000 g，置于500 mL烧杯中，加入pH值为8.2的MES-Tris缓冲液40 mL，搅拌至试样完全分散在缓冲液中；然后加入50 μLα-淀粉酶搅拌均匀，置于95℃恒温水浴中持续振摇，反应35 min。加入160 mL提前预热至60℃的体积分数为95%乙醇，沉淀1 h。于恒质量的耐酸漏斗上过滤，用体积分数为95%乙醇将烧杯中所有内容物移入漏斗中，分别用15 mL体积分数为95%乙醇和丙酮（脱去样品中脂肪）冲洗滤渣各2次，滤干。将滤渣于105℃烘干至质量恒定，即得去淀粉小麦纤维样品。

1.3.2 去蛋白小麦纤维样品制备

称取未经脱脂的麦麸样品l.000 g，置于500 mL烧杯中，加入pH值为8.2的MES-Tris缓冲液40 mL，搅拌直至试样完全分散在缓冲液中；然后加入100μL蛋白酶溶液搅拌均匀，置于60℃的恒温水浴中持续振摇，反应30min。加入160mL提前预热至60℃的体积分数为95%乙醇，沉淀1 h。于恒质量的耐酸漏斗上过滤，用体积分数为95%乙醇将烧杯中所有内容物移入漏斗中，分别用15 mL体积分数为95%乙醇和丙酮（脱去样品中脂肪）冲洗滤渣各2次，滤干。将滤渣于105℃烘干至质量恒定，即得去蛋白小麦纤维样品。

1.3.3 化学组成检测方法

水分测定采用直接干燥法（GB/T5009.3—2010《食品中水分的测定》）；蛋白质测定采用凯氏定氮法（GB/T5009.5—2010《食品中蛋白质的测定》）；脂肪测定采用索氏抽提法（GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的测定》）；灰分测定用灼烧法（GB/T 5009.4—2010《食品中灰分的测定》）；淀粉测定用酶法（GB/T 5009.9—2003《食品中淀粉的测定》）；还原糖测定用酶法（GB/T 5009.7—2008《食品中还原糖的测定》）；膳食纤维测定采用酶-重量法（美国谷物化学师协会（American association of cereal chemists，AACC）法32-07《不溶性膳食纤维》[9]）。

1.3.4 小麦纤维功能性质测定方法

小麦纤维的持水力和膨胀率参照文献[10]、持油力参照文献[11]的方法进行测定。小麦纤维的持水力、持油力及膨胀率计算公式如下：

1.3.5 麦麸纤维表观形态观测

使用扫描电镜检测。样品过100目筛，用双面胶黏在样品座上。把样品座置于离子溅射仪中，在样品表面蒸镀一层10～20 nm厚的铂金膜后，在不同放大倍数下进行电镜观察。

1.3.6 物理形态测定

堆积密度和比表面积参照文献[12]进行测定。

2 结果与分析

2.1 麦麸原料的化学组成

采用1.3.3所述的分析方法对麦麸样品的化学组成进行了分析，所得结果见表1。

表1 麦麸样品的化学组成（以干基计）Table 1 Chemical composition of wheat bran sample(dry base)

由表1可知，麦麸中纤维含量为38.56%，只占麦麸总质量的1/3，其余接近2/3是淀粉、蛋白、还原糖和脂肪等组分。显然，大量非纤维成分的存在必然对小麦纤维的功能性质产生明显的影响。

以下实验选择非纤维成分中含量最大的淀粉和蛋白作为去除对象，研究小麦纤维功能特性与化学组成的关系。

2.2 淀粉、蛋白质对小麦纤维含量的影响

使用α-淀粉酶单独去除麦麸中的淀粉，得到去淀粉样品；使用水解蛋白酶单独去除麦麸中的蛋白质[13]，得到去蛋白小麦纤维样品；使用淀粉酶和水解蛋白酶依次去除麦麸中的淀粉和蛋白质[14-15]，得到去淀粉去蛋白小麦纤维样品，对其化学组成重新进行检测，结果见表2。

表2 淀粉、蛋白质对小麦纤维含量的影响Table 2 Effect of starch and protein on fiber content of wheat bran samples%

由表2可知，单独去除淀粉之后，样品中小麦纤维含量上升到58.87%，相对提高了52.67%；单独去除蛋白质之后，样品中小麦纤维含量上升到47.83%，相对提高了24.04%；同时去除淀粉和蛋白质之后，样品中小麦纤维含量上升到66.87%，相对提高了73.42%。由于去淀粉样品制备过程中经过2次丙酮洗涤，油脂也被去除。因为测试方法的局限，淀粉需转化为还原糖后再测定，与还原糖混在一起，只能假设样品中还原糖含量不变。实验过程用碘试液做过检测，试液并没有变蓝色，说明游离淀粉基本不存在。麦麸样品中的其他成分可能是水溶性或醇溶性物质，在小麦纤维制备过程中被水、乙醇和丙酮洗涤后带走了。

2.3 淀粉、蛋白质对小麦纤维功能特性的影响

在同一测试平台上对麦麸样品、去淀粉样品、去蛋白样品及去淀粉去蛋白样品的功能性质进行检测，结果见表3。

表3 淀粉、蛋白质对小麦纤维功能特性的影响Table 3 Effect of starch and protein on functional characteristics of wheat bran samples

由表3可知，三种样品的功能性质与麦麸样品存在显著性差异，去淀粉小麦纤维样品持水力、持油力、膨胀率分别提高至4.68 g/g、3.31 g/g、3.79 mL/g，分别增加了92.59%、154.62%和69.96%。去蛋白小麦纤维样品持水力、持油力、膨胀率分别提高至3.23 g/g、2.82 g/g、2.71 mL/g，分别提高了32.92%、116.92%和21.52%。去淀粉去蛋白小麦纤维样品持水力、持油力、膨胀率分别提高至5.38 g/g、4.57 g/g、5.26 mL/g，分别提高了121.40%、251.54%和135.87%。

由于其他主要成分基本保留，功能性质的差异可以认定与淀粉、蛋白相关，淀粉、蛋白的存在明显降低了膳食纤维的功能性质。淀粉对小麦纤维功能性质的负面影响比蛋白更大。

2.4 小麦纤维表观结构形态测定结果

麦麸样品、去淀粉样品、去蛋白样品以及去淀粉去蛋白样品的扫描电镜图（scanning electron microscope，SME）见图1。

麦麸样品、去淀粉样品、去蛋白样品以及去淀粉去蛋白样品的比表面积和堆积密度检测结果见表4。

综合图1、表4可知，小麦麸皮的结构形态呈球形颗粒状，密度大而空隙小。去除蛋白后小麦纤维的结构形态虽然与小麦麸皮相似，都是粒状球形颗粒，但是颗粒度明显变小，比表面积增大1.91倍，对油、水的吸附能力提高；堆密度减少39%，吸水后膨胀更为明显，所以各项性能有一定改变；而去淀粉去蛋白样品结构形态与去淀粉样品相似，表观形态发生大的改变，变成多孔海绵状物体，比表面积分别增大5.71倍和5.41倍，对油、水的吸附能力大幅度提高；干燥状态下堆密度分别减少54%和52%，复水后体积增大显得异常明显，所以性能改变非常明显。

图1 四种样品扫描电镜图Fig.1 SEM image of four samples

表4 四种样品表观形态分析Table 4 Surface morphology characterization of four samples

麦麸样品、去淀粉样品、去蛋白样品以及去淀粉去蛋白样品的热重（thermogravimetric，TG）分析图谱见图2。

由图2可知，刚开始时，由于麦麸中含有部分水分，所以质量百分率随着温度下降比不含水分的去蛋白样品、去淀粉样品以及去淀粉去蛋白样品幅度大，随着时间进行，去蛋白样品与麦麸的性质更为接近，所以当温度升至300℃时，去蛋白样品与麦麸下降幅度保持一致，去淀粉样品与去淀粉去蛋白样品下降幅度保持一致，前者比后者下降幅度要大，从另一个方面说明去蛋白样品与麦麸结构性质更为接近，去淀粉样品与去淀粉去蛋白样品结构性质更为接近。

图2 四种样品热重分析图谱Fig.2 The thermogravimetric(TG)analysis of four samples

3 结论

小麦纤维含量由大到小顺序为去淀粉去蛋白样品（66.87%）＞去淀粉样品（58.87%）＞去蛋白样品（47.83%）＞小麦麸皮样品（38.56%），样品的持水力、持油力、膨胀率大小顺序也是去淀粉去蛋白样品＞去淀粉样品＞去蛋白样品＞小麦麸皮样品，与膳食纤维含量正相关。膳食纤维含量是影响样品功能特性的重要因素。

淀粉含量明显影响了小麦纤维的表观结构与功能特性，去淀粉后麦麸膳食纤维表观结构呈现多孔海绵状，比表面积比小麦麸皮增大5.41倍、堆密度减少52%，持水力、持油力、膨胀率分别提高了92.59%、154.62%和69.96%。相比之下，蛋白含量对小麦纤维的性能虽有明显影响，但是影响程度比淀粉小。

比表面大小顺序是去淀粉去蛋白样品（5.57 m2/g）＞去淀粉样品（5.32 m2/g）＞去蛋白样品（2.40 m2/g）＞小麦麸皮样品（0.83 m2/g），该顺序与样品的持水力、持油力、膨胀率数据呈现正相关关系；堆密度大小顺序是小麦麸皮样品（0.63 g/mL）＞去蛋白样品（0.38 g/mL）＞去淀粉样品（0.30 g/mL）＞去淀粉去蛋白样品（0.29 g/mL），此顺序与样品的持水力、持油力、膨胀率数据呈现负相关关系。

去淀粉样品表观结构形态与去淀粉去蛋白样品最为接近，去蛋白样品表观结构形态与小麦麸皮最为接近，由此进一步说明淀粉含量明显影响了小麦纤维的表观结构与功能特性，蛋白质含量对小麦纤维的表观结构与功能特性影响相对较小。

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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

广东省科技厅专项（2012498A13）

向琴（1989-），女，硕士研究生，研究方向为天然产物提取、表征及应用。

*通讯作者：钟振声（1955-），男，教授，研究方向为有机精细化学品的合成、提取和分析表征。