复合酶法提取玉米皮渣中水溶性膳食纤维的研究

2016-03-23关海宁刁小琴绥化学院食品与制药工程学院黑龙江绥化152061

绥化学院学报 2016年3期

关键词：酶法

马　雪　李　杨　关海宁　郭　丽　刁小琴（绥化学院食品与制药工程学院　黑龙江绥化　152061）

马雪李杨关海宁郭丽刁小琴
（绥化学院食品与制药工程学院黑龙江绥化152061）

摘要：以玉米皮渣为原料，酶解其不溶性膳食纤维，使其改性转化为水溶性膳食纤维，利用纤维素酶和半纤维素酶复合酶解玉米皮渣，采用单因素实验和正交实验方法，研究水不溶性膳食纤维改性制备高品质水溶性膳食纤维的制备工艺。

关键词：玉米皮渣；酶法；水溶性膳食纤维；水不溶性膳食纤维

根据膳食纤维溶解性的不同，可分成水溶性膳食纤维（SDF）和水不溶性膳食纤维（IDF）两大类，它们在食品中起着不同作用[1]，SDF对人体主要发挥代谢功能，作为食品配料，其功能优于IDF，一般天然的膳食纤维中SDF的含量较低，若要获得高品质膳食纤维，首要增加SDF含量，使其达到10%左右，以便更好地发挥其生理功能。

目前，人们主要通过物理处理（高温蒸煮改性、机械挤压等）[3]、化学处理（酸碱反应等）[4]以及生物学处理（酶反应、微生物发酵反应）[5]等方法提高SDF含量。其中酶解方法[5]是将植物纤维中的IDF转化为SDF最安全有效的方法，酶法提高SDF含量的研究中，多采用纤维素酶[5，6]等单一酶来提取SDF，但提取率有限，采用复合酶酶解底物提高SDF含量的研究少见报道。

本研究以黑龙江地产玉米皮渣为原料，通过纤维素酶和半纤维素酶复合酶解方法对玉米中膳食纤维进行转化，利用单因素实验和正交实验探讨不同酶对水溶性玉米麸皮膳食纤维提取的影响，旨在提高膳食纤维品质，以增加玉米生产工业废料的经济价值，为实现工业化生产提供依据。

一、材料与方法

（一）材料与试剂。α-淀粉酶、糖化酶、中性蛋白酶、纤维素酶（北京奥博星生物技术有限公司）；半纤维素酶（上海如吉生物科技有限公司）；无水乙醇（天津市致远化学试剂有限公司）。

（二）仪器与设备。PHBJ-260型便携式pH计（合肥卓尔仪器仪表有限公司）；GZX-9240数显鼓风干燥箱（上海博讯实业有限公司医疗设备厂）；HH-S4电热恒温水浴锅（金坛市岸头国瑞实验仪器厂）；离心机（湖南星科科学仪器有限公司）.

（三）实验方法。

1.制备工艺。

取一定量玉米皮渣为原料，加水稀释至料液比1：10 （g/mL），由于原料中含有一定量的淀粉和蛋白质等成分，为了获取高品质膳食纤维，需要对玉米皮渣进行蛋白酶、α-淀粉酶酶解处理，由于淀粉酶酶解后会产生一些大分子糖类如糊精等，在后期醇析分离时会进入醇析物中，影响SDF的纯度，故还要用糖化酶，酶解为小分子糖类在醇析时分离出去。首先进行脱淀粉处理，调pH5.0，温度60℃，加淀粉酶10mg/g底物，酶解45min，再调pH4.5，温度60℃，加糖化酶1mg/g底物，酶解60min。处理后的玉米皮悬浮液调pH7.0、温度40℃，加中性蛋白酶10mg/g底物，酶解90min。若直接将样品提取液用无水乙醇提取，得到的沉淀烘干后的所得物质量，即为原料本身具有的水溶性膳食纤维的量，若将预处理后的样品分离，对沉淀物调节pH和温度，加入适当的酶，再将获得的样品用无水乙醇沉淀，将沉淀烘干后，称量沉淀的量，即为改性后水溶性膳食纤维的量[6-9]。

2.双酶改性制备SDF单因素试验。选用纤维素酶和半纤维素酶作为优化反应复合酶。因两种酶的作用条件有相交区间，故酶解时可采用同一条件(pH4.8，温度50℃)同时添加进行改性制备，以SDF得率为考核指标。

SDF得率（%）＝m/M×100%

式中：m-醇析分离干燥得到的SDF质量，g；M-原料质量，g。

（1）纤维素酶添加量单因素试验。取5g已经预处理过的玉米皮渣加入蒸馏水，调节料液比为1：10（g/mL），在温度为50℃，pH5.0，酶解90min的条件下，分别加入纤维素酶20、30、40、50、60mg/g底物，在纤维素酶用量不同的条件下，提取水溶性膳食纤维，烘干后测定可溶性膳食纤维含量。

（2）半纤维素酶添加量单因素试验。取5g已经预处理过的玉米皮渣加入蒸馏水，调节料液比为1：10（g/mL），在温度为60℃，pH5.0，酶解90min的条件下，分别加入半纤维素酶20、30、40、50、60mg/g底物，在半纤维素酶用量不同的条件下，提取水溶性膳食纤维，烘干后测定可溶性膳食纤维含量。

（3）酶解温度单因素试验。取5g已经预处理过的玉米皮渣加入蒸馏水，调节料液比为1：10（g/mL），在pH5.0，酶解90min，纤维素酶用量40mg/g底物，半纤维素酶用量30 mg/g底物的条件下，分别调节温度45、50、55、60、65℃，在不同温度的条件下，提取水溶性膳食纤维，烘干后测定可溶性膳食纤维的含量。

（4）酶解时间单因素试验。取5g已经预处理过的玉米皮渣加入蒸馏水，调节料液比为1：10（g/mL），在pH5.0，温度为50℃，纤维素酶用量40mg/g底物，半纤维素酶用量30 mg/g底物条件下，分别调节酶解时间为30、60、90、120、150 min，在不同时间的条件下，提取水溶性膳食纤维，烘干后测定可溶性膳食纤维的含量。

（5）酶解pH单因素试验。取5g已经预处理过的玉米皮渣加入蒸馏水，调节料液比为1：10（g/mL），温度为50℃，酶解90min，纤维素酶用量40mg/g底物，半纤维素酶用量30 mg/g底物的条件下，分别调节pH值为4.0、4.5、5.0、5.5、6.0，在不同pH值的条件下，提取水溶性膳食纤维，烘干后测定可溶性膳食纤维的含量。

（6）双酶改性正交试验。以SDF得率为指标，以纤维素酶添加量、半纤维素酶添加量、酶解温度、酶解时间和酶解pH为因素，采用L16(45)正交试验方案，因素水平见表1。

表1　双酶改性正交试验因素水平表（Table1 Factorsandlevelsoforthogonaltest）

二、结果与分析

（一）纤维素酶添加量对SDF得率的影响。

图1　纤维素酶添加量对SDF得率的影响（Fig.1 Effect of cellulase ad dition on yield of SDF）

由图1可知，反应前期随着加酶量增加，SDF得率快速增加，当加酶量超过40mg/g底物以后，SDF得率增加逐渐缓慢，这可能由于SDF浓度达到一定程度后，酶解速度受到抑制的原因。因此综合考虑纤维素酶的最适添加量为40 mg/g底物。

（二）半纤维素酶添加量对SDF得率的影响。

图2　半纤维素酶添加量对SDF得率的影响（Fig.2 Effect of hemicellulase addition on yield of SDF）

由图2可见，半纤维素酶用量在整个区间内，整体呈上升趋势，但在10～30 mg/g区间内，SDF得率随着纤维素酶用量的增加上升趋势较快，而在30～50 mg/g时，SDF得率增加趋势相对缓慢。所以半纤维素酶的最适添加量为30 mg/g底物。

（三）酶解温度对SDF得率的影响。

图3　酶解温度对SDF得率的影响（Fig.3 Effect of extraction temperature on yield of SDF）

如图3所示，酶反应温度对SDF提取的影响，在55℃时SDF得率最大，这可能是由于纤维素酶和半纤维素酶的最适反应温度均在55℃左右，当温度大于55℃时，SDF得率下降，温度大于55℃后，纤维素酶将会失活，所以最适温度为55℃。

图4　酶解时间对SDF得率的影响（Fig.4 Effect of extraction time on yield of SDF）

（四）酶解时间对SDF得率的影响。

由图4可以看出，前期随着酶解时间延长，得率明显增加，当酶解时间超过90min后，SDF得率上升缓慢，这可能由于酶解时间超过90min以后，部分的SDF降解成为小分子糖类，由于降解速度大于新增SDF速度所引起。综合考虑效率和成本因素，最适的酶解时间为90min。

（五）酶解pH对SDF得率的影响。

图5　酶解PH对SDF得率的影响（Fig.5 Effect of extraction PH on yield of SDF）

由图5可知，酶反应pH对SDF提取率的影响较大，在pH低于5.0时，SDF得率随着pH值增加得率增高，当pH值到达5.0时最大，而在pH高于5.0时，SDF得率开始下降，这可能由于纤维素酶及半纤维素酶最适的pH在4.5～5.5之间，当pH不在此范围时酶钝化，因此反映的最适pH为5.0。

（六）双酶改性正交试验结果。

表2　双酶改性正交试验结果（Table 2 Results of orthogonal test）

由表2可知，单因素条件对提取影响的大小依次为半纤维素酶添加量>酶解时间>酶解pH值>酶解温度>纤维素酶添加量，半纤维素添加量对提取率的影响最大，其次为酶解时间。正交试验最佳组合为纤维素酶添加量40mg/g底物、半纤维素酶添加40mg/g底物、酶解温度为50℃、酶解时间30min，酶解pH值为5.5，试验组最高得率为5.21%。

三、结论

单因素及正交试验研究结果表明，单纯应用纤维素酶改性，改性后SDF得率最高为3.46%；单纯半纤维素酶改性，改性后SDF得率最高为3.12%，而应用双酶同时处理时，改性后SDF得率最高为5.21%，改性后的玉米纤维中的总SDF含量能够更接近于10%，可称为高品质膳食纤维。复合酶改性的最佳工艺参数为纤维素酶添加量40mg/g底物、半纤维素酶添加量40mg/g底物、酶解温度为50℃，酶解时间30 min，酶解pH为5.5。

参考文献：

[1]牟光庆.膳食纤维的功能与应用[J].中国畜产与食品，1999(l).

[2]朱国君，赵国华.膳食纤维改性研究进展[J].粮食与油脂，2008(4).

[3]罗垠，陈野，李鹏等.挤压加工对豆渣中可溶性膳食纤维和豆渣物性的影响[J].天津科技大学学报,2011(2).

[4]周丽珍，刘冬，李艳,等.豆渣膳食纤维制备中碱法、酶法脱脂比较研究[J].中国油脂,2010(9).

[5]刘昊飞，程建军，王蕾.酶法制备豆渣水溶性膳食纤维[J].食品工业科技，2008(5).

[6]倪文霞，王尚玉，王宏勋，等.纤维素酶制备高品质红薯渣膳食纤维条件的研究[J].食品科学，2011(8).

[7]侯传伟，魏书信，王安建，等.双酶改性制备玉米皮水溶性膳食纤维的工艺研究[J].食品科学，2009(22).

[8]王国泽，高山，王艳华，等.小麦麸皮可溶性膳食纤维制备工艺的研究[J].内蒙古工业大学，2012(1).

[9]任平国.醇沉法提取豆渣中可溶性膳食纤维的研究[J].中国油脂，2009(34).

[责任编辑郑丽娟]

作者简介：马雪（1983-），女，黑龙江绥化人，绥化学院食品与制药工程学院讲师，硕士，研究方向：食品科学与农产品加工研究。基金项目：绥化学院2012年青年基金项目（KQ1202005）。