玉米纤维胶的制备和特性研究进展

刘 妍，邱 爽，陈 浩，庞晓晗，辰巳英三，殷丽君

(1中国农业大学大学食品科学与营养工程学院，北京 100083;2 日本农林水产省国际农林水产业研究中心，日本 305-8686)

玉米纤维胶是从玉米制粉过程中得到的副产物玉米麸皮或纤维中提取出来的水不溶性阿拉伯木聚糖。阿拉伯木聚糖(Arabinoxylan，AX)是谷物细胞壁多糖的重要组成成分［1］。玉米纤维胶溶解性好，粘度低。它可以在食品加工中用作稳定剂、增稠剂、乳化剂和黏着剂，具有代替阿拉伯胶等树胶的应用前景。阿拉伯胶虽然应用广泛，但由于产自非正常生长(即受细菌或霉菌污染的)金合欢树，其质量受环境和地区影响较大，因此产量和品质保证都有一定的限制。同时，玉米纤维胶相对其他亲水胶体含有较多的阿魏酸。阿魏酸具有很好的抗氧化活性，对过氧化氢、超氧自由基、羟自由基、过氧化亚硝基都有强烈的清除作用［2］，但是玉米纤维胶的分离提取应用于工业化生产还有一定的难度，因此还需要进行更深入的研究。本文主要从玉米纤维胶提取的原料、分离方法、结构和物理化学性质特点及乳化性质分析利用等最新研究进展展开综述。

1 分离提取玉米纤维胶的原料

分离提取玉米纤维胶的原料为玉米制粉过程中的副产物:玉米纤维和玉米麸皮。从这两种原料中分别提取出来的玉米纤维胶，其各自的性质有一定差异。

玉米纤维和玉米麸皮分别是湿磨法和干磨法玉米淀粉加工中的主要副产物。湿磨法制粉时，玉米原料经清理，用温水润湿浸泡后，破碎分出胚芽;经脱胚后的玉米再经研磨、洗涤筛选即可分离出玉米纤维［3］;再通过分离蛋白质，可以得到高纯度的淀粉产品。而干磨法制粉时，不用大量的温水浸泡玉米原料，主要靠磨碎、筛分、风选的方法，分离出胚芽，得到低脂肪的玉米淀粉和玉米麸皮［4］。玉米纤维是玉米粗纤维和细纤维混合物，其中粗纤维来源于籽粒果皮，细纤维则来源于胚乳［5-7］;而玉米麸皮只含有玉米果皮纤维，玉米纤维和麸皮产量一般占玉米总量的14%～20%。

2 玉米纤维胶的分离、结构及理化特征提取

2.1 玉米纤维胶的分离

玉米麸皮和玉米纤维中的膳食纤维主要由异木聚糖组成，并且其中的二聚阿魏酸和三聚阿魏酸交联键导致膳食纤维不溶于水。先用碱性过氧化物处理玉米纤维或玉米糠，然后把pH 调到4.0～4.5 除去不溶解的半纤维素A，再经过乙醇沉淀［8，9］，这样得到的产物被称为玉米纤维胶［10］。不同的分离方法对提取物的结构和理化性质有影响，20 世纪60年代初，Roy L.Whistler 和J.N.BeMiller［12］首次提到可以用氢氧化钠和碳酸钠溶液提取出玉米纤维中的半纤维素，即玉米纤维胶。Carpita和Gibeaut［11］的研究显示，玉米纤维胶通过共价键、离子键和氢键同细胞壁成分结合在一起;Doner 和Hicks［8］则明确指出，阿魏酸、二聚阿魏酸和香豆酸在玉米纤维胶和细胞壁成分的交联中起到了重要的作用。木质素等物质可以同半纤维素形成耐碱性的键，而这些键可以在碱性过氧化氢的作用下断开。

目前，先用碱液处理再用过氧化物提取的方法是玉米纤维胶(CFG)分离方法中研究最为深入的，同时玉米纤维胶还可以通过蒸汽爆破法和酸水解的方法分离出来。使用过氧化氢可以提取出颜色较浅的玉米纤维胶。这种处理方法把大部分有色的木质素化合物转化成可溶的有机酸并除去［13］。在pH 11.5 时除木质素效果最好［13］，因此在提取时过氧化氢可以添加到碱液中或在提取出玉米纤维胶后用过氧化氢处理［14］，后者效果更好。

Chanliaud 等［9］使用响应面试验设计，在两次试验中研究了提取碱液种类及浓度、时间、温度和液固比对玉米纤维胶产量的影响。在100℃下，浓度为1.2 到1.5mol/L 的氢氧化钾可以得到的木聚糖的最大产量为870g/kg。在97℃下，反应19h，饱和氢氧化钙得到的木聚糖产量和上述氢氧化钾得到的产量相似。

Hespell［15］尝试分别用不同浓度的氢氧化钙、氢氧化铵和氢氧化钾溶液在不同温度、时间等实验条件下提取玉米纤维胶，得到最佳的分离条件是用2%的氢氧化钾在70℃下处理4～6 h，并用氢氧化钙固体进行处理，可以得到纯度高、中性糖含量达93.4%的玉米纤维胶，这种方法可以提取出玉米纤维原料中大约54%的阿拉伯木聚糖。但是这样的方法得到的玉米纤维胶里蛋白质含量较低，仅为其他提取方法的1/2 左右。Hespell［16］还发现，单独用氢氧化钾和氢氧化铵产生的玉米纤维胶颜色较深，很可能是由于在提取时高温产生的色素;单独用氢氧化钠也有这种现象。这些深色的木聚糖产物很可能对用其加工的产品颜色有不好的影响［8］。用氢氧化钙提取的玉米纤维没有杂质，颜色变浅并变得易溶于水［11］。然而，加入氢氧化钙后产量降低，产生的木聚糖少于380g/kg，而且提取出玉米纤维胶后剩下的残留物富含纤维素，质地很硬，难以再利用。通过他们的研究发现，先用氢氧化钾，再用氢氧化钙处理提取物，则可以获得高产量、高纯度的玉米纤维胶。

Yadav 等［17］从玉米纤维和麸皮中分别提取了CFG-1和CFG-2 两种纤维胶，二者与细胞壁之间的交联键不同，CFG-1 可能通过酯键，而CFG-2 则是通过非酯键和/或其他更强烈的相互作用。正因为如此，在提取过程中，为了能得到CFG-2，需要用过氧化物对原料进行重复处理。玉米纤维中有整个玉米籽粒的细胞物质，而玉米糠中主要有果皮组成但不包括胚乳中的细胞壁物质。由这两种研磨副产物制备的玉米纤维胶在结构或物理性质方面会有差异，这取决于胚乳的木聚糖和果皮的木聚糖是否有性质上的差异。Yadav 等［17，18］用相同的提取方法从玉米糠和玉米纤维中分离出玉米纤维胶来进行直接对比。他们用稀氢氧化钠和氢氧化钙煮沸原料，然后用过氧化氢处理可溶的提取物，微酸化后再用乙醇沉淀出玉米纤维胶。他们称这个提取物为CFG-1。稀碱液处理后的残留物进一步用碱性过氧化氢处理得到CFG-2。

分别从玉米纤维和玉米糠中分离的CFG-1 和CFG-2，这4 种CFG 之间在化学组成和物理性质方面几乎没有差别［17，18］。分别从玉米纤维和玉米糠中提取的两种CFG-1 的分子量分别为290 000Da 和334 000Da，而两种CFG-2 的分子量分别为491 000Da 和452 000Da。这两种原料提取的玉米纤维胶粘度都很低，玉米糠的CFG-1 和CFG-2 的粘度略低于玉米纤维的CFG-1 和CFG-2。玉米糠的CFG-1 和CFG-2 的阿拉伯糖/木糖比为0.55 和0.60，而从玉米纤维的CFG-1 和CFG-2 分别为0.70 和0.67。这表明，胚乳中的异木聚糖的分支度略高于果皮中的异木聚糖，由于玉米纤维的阿拉伯糖/木糖比高于玉米糠，并且玉米纤维含有胚乳异木聚糖而玉米糠不含胚乳异木聚糖。将异木聚糖从粗玉米纤维提取出来后，可以看到CFG-1 和CFG-2 的阿拉伯糖/木糖比分别为0.60 和0.64，这一现象更证实了上面的结论［17］。从这两种副产物分离出来的玉米纤维胶最重要的差别是，玉米纤维的CFG-1 和CFG-2 的乳化性能都显著优于玉米糠的CFG-1 和CFG-2。事实上，Yadav 等［17］提出在制备柑橘油乳液时，CFG 的乳化性比阿拉伯胶好，他们的解释是从玉米纤维中提取的CFG 蛋白含量更高。这说明胚乳中的异木聚糖和蛋白质的结合度比果皮中高。

此外，在Nghiem 等的研究中［19］，他们用氨水进行前处理结合纤维素酶解，再分离出玉米纤维胶。

2.2 玉米纤维胶的结构和理化特点

玉米纤维胶主要由单一的碳水化合物分子组成［20，21］，有48%～54%的D-木糖，33%～35%的L-阿拉伯糖，7%～11%的半乳糖和3%～6%的葡萄糖醛酸［21，22］。它的结构高度分支，以β-(1～4)-吡喃木糖为骨架，支链为α-L-阿拉伯呋喃糖残基。在木聚糖骨架上，D-葡萄糖醛酸连接在木糖残基的O-2 键上［21］。半乳糖和部分木糖残基连接到阿拉伯呋喃糖分支上［23］。

Fishman［24］等用高效凝胶过滤层析法(HPSEC 法)分析出玉米纤维胶中分子量较大的多糖结构分支更多，而分子量较小的多糖则分支程度较低。Yadav［18］等利用高效阴离子交换色谱 (HPAEC-PAD 法)，在Dionex ICS-2500 系统中测定了玉米纤维胶的单糖组成并同工业级玉米纤维胶、阿拉伯胶和改性阿拉伯胶进行了对比。同试验提取的玉米纤维胶相比，工业级玉米纤维胶单糖组成基本相同，阿拉伯胶中乳糖和阿拉伯糖为主要成分，玉米纤维胶中的则是阿拉伯糖和木聚糖。这点不同是否会造成性质上的明显差异，还没有详细试验说明。从Hespell［15］的研究结果可以看出提取过程中碱液浓度和种类的差异可以导致玉米纤维胶的结构中多糖、多酚和蛋白质等物质含量的差异。因此，在未来实际应用过程中，应根据玉米纤维胶的应用范围考虑合适的制备方法。

玉米纤维胶不但有良好的加工特性，而且它还具有一定的功能特性。对玉米纤维胶物理化学性质的分析对其实际应用也有重要的意义。Rumpagaporn［25］等对玉米纤维胶的热稳定性和pH 稳定性进行了研究，探究玉米纤维胶在酸性溶液和热加工饮料产品应用。玉米纤维胶的物理性质，如溶解性和粘度等和阿拉伯胶相似。阿拉伯胶的溶解性优良，随着温度升高其溶解性升高，一般可以制成50%～55%的胶溶液，而粘度较高的胶体在溶液浓度达到5%左右时就不再溶解了。这一特性使得阿拉伯胶在具有大量不可溶物质的情况下表现出优良的稳定性和乳化性。

相比阿拉伯胶，针对玉米纤维胶物理特性的研究还不是很全面，如玉米纤维胶浓度、温度、pH 和电解质等因素对其粘度和溶解度的影响。

3 玉米纤维胶的功能特性分析

在食品加工中作为乳化剂的多糖一般有阿拉伯胶、改性淀粉、改性纤维素、部分果胶和半乳甘露聚糖［26］。目前，研究热点集中在以亲水凝胶(hydrocolloids)和蛋白质结合作为复合体用于稳定乳状液［27］。亲水胶体，又称为水解胶体，在食品生产、加工、调制上常常添加少量多糖或蛋白质等水解胶体，水溶性高分子作为改善食品口感、味道的组织改善剂来调节粘弹性。此外，这类水解胶体还广泛用以改善液态食品的分散性、乳化性、稳定性。咖啡啫喱，水果啫喱等啫喱使用的是红藻中提取的多糖——卡拉胶、琼脂和明胶。冰淇淋类食品中的稳定剂用的是羧甲基纤维素、槐豆胶等。常用的蛋白质有β-酪蛋白、β-乳球蛋白、大豆蛋白、大豆分解蛋白和乳清蛋白等。

制备乳液的方法有两种［28，29］:制备混合乳液(mixed emulsions)和双层乳液 (bilayer emulsions)。混合乳液的制备方法为:先混合蛋白质-多糖复合乳化剂，然后用该乳化剂制备乳液;双层乳液则先用蛋白质为乳化剂制备乳液，然后加入多糖并使其附着在蛋白质表面。Yadav 等人［30］对玉米纤维胶和牛奶蛋白的复配进行了研究并用于柑橘油水包油(O/W)乳液的制备。

目前，关于玉米纤维胶乳化性的相关研究并不深入。此外，玉米纤维胶也具备一定的抗氧化活性。玉米纤维胶中含有一定量的阿魏酸，通过利用阿魏酸，可以对玉米纤维胶的加工特性和功能特性加以改变。用过氧化氢和过氧化物酶处理玉米纤维胶，如果其中含有阿魏酸，由于氧化交联作用则可以形成凝胶［31］。游离的阿魏酸具有抗氧化活性，可以快速被小肠上皮吸收;结合的阿魏酸在微生物酯酶释放后被吸收，并提供自由基清除活性。Yadav 等人通过改良制备工艺，提高阿魏酸含量。

4 结论

目前，对玉米纤维胶的分子、结构性质有较多研究，但是仍有很多问题亟待解决。首先，如何提高制备玉米纤维胶的效率及产量，以备日后能更好地利用于食品加工中;其次，如何提高玉米纤维胶的乳化性。由于玉米纤维胶中含有蛋白质等，因此其乳化性是很重要的性质之一。我们应该考虑提高玉米纤维胶中的蛋白质含量等方法来提高其制备稳定乳液的能力。因为玉米纤维胶有很多同树胶一样良好的性质，比如乳化性和成胶性，但玉米纤维胶的商业化程度并不高。我们还需要研究如何扩大玉米纤维胶的应用范围并最终发挥其商业价值，未来可以考虑玉米纤维胶在休闲食品、烘焙食品、饮料、特色食品、食用膜等等。

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