酶水解豌豆纤维粉制备低聚糖工艺优化

吴淑华，张喆浩，范玉艳，马成业,2,*

（1.山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255000；2.农产品功能化技术山东省高校重点实验室，山东 淄博 255000）

豌豆纤维粉是工业生产豌豆淀粉或豌豆蛋白的主要副产物，膳食纤维占80%以上，主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，因多为不可溶性膳食纤维，若直接使用口感粗糙且易腐败[1]。目前大多将其直接丢弃或粉碎后作为动物饲料使用，其附加值低，不能被良好的利用[2]。

近年来，对功能性低聚糖生理活性的研究及应用被广泛关注。功能性低聚糖是由2～10 个相同或不同的单糖聚合而成，具有糖类某些共同的特性，可直接代替蔗糖作为食品配料，但不被人体胃酸以及胃酶降解，不在小肠吸收，可到达大肠，具有促进人体双歧杆菌增殖、抗龋齿、预防便秘、促进钙的吸收等生理功能[3]。而且低聚糖还具有良好的稳定性和保湿性，低甜度、低热量，在食品开发中发挥着重要的作用[4]。低聚糖的提取一般采取水浸取、碱液提取、膜分离技术等，其中水浸取效率较低，碱液浸取虽然有效成分含量高，但时间太长；膜分离技术设备投资大，工艺较复杂。而采用酶解法，不仅效率高而且无污染、耗时少、操作简单方便[5]。另外，纤维素酶能较有效地使豌豆纤维粉中的不溶性纤维素转变成可溶性的葡聚糖，释放包裹的非纤维成分，对细胞壁有一定的降解作用，这种部分降解作用使纤维结构变得膨松、溶胀，水和油更易于进入纤丝间隙，而且更多的基团得到暴露，并生成一些分子质量适中的具有持水和持油能力的降解产物，将羧甲基纤维素降解成低聚糖和单糖[6]。而木聚糖酶将更多的半纤维素降解，包括把不溶性半纤维素降解成可溶性半纤维素，同时使得豌豆纤维粉细胞壁的溶胀性、亲水和亲油能力得到相应改善。

本实验以豌豆纤维粉为原料，研究酶解参数（料液比、木聚糖酶添加量、纤维素酶添加量、反应温度）对低聚糖得率、清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基能力和清除羟自由基能力的影响，优化酶解参数，并对低聚糖的理化性质进行探究，以期为低聚糖的开发和应用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

豌豆纤维粉（质量分数：水分8.02%，木质素22.58%，纤维素25.43%，半纤维素20.14%，不溶性膳食纤维84.10%，淀粉3.07%，蛋白质3.95%，脂肪0.21%） 山东健源生物工程股份有限公司；糖化酶（活力105U/mL） 上海源叶生物科技有限公司；耐高温α-淀粉酶（活力4×104U/mL）、碱性蛋白酶（活力200 U/mL）、木聚糖酶（活力5×104U/mL）、纤维素酶（活力5×104U/mL） 江苏锐阳生物科技有限公司；乙腈、阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖、纤维二糖、纤维三糖、纤维四糖，均为色谱纯；其他化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

DZKW-S-6型电热恒温水浴锅 北京市永光明医疗仪器公司；101-3AB型电热鼓风干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司；WFZ UV-2102PCS型紫外-可见分光光度计上海尤尼柯仪器有限公司；FD-1D-50冷冻干燥机 北京博医康实验仪器有限公司；TGL-16C高速离心机 上海安亭科学仪器厂；Q100差示扫描量热仪 美国TA仪器公司；QUANTA250场发射扫描电子显微镜 美国FEI公司；1260 Infinity II液相色谱系统 安捷伦科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 豌豆纤维粉不可溶膳食纤维和低聚糖提取工艺

豌豆纤维粉40 g→水800 mL调浆→5% NaOH溶液调整pH值至6.2左右→添加液化酶（耐高温α-淀粉酶）→液化（95 ℃，30 min；碘液检测不变蓝反应停止）→液化终点→冷却到60 ℃→5% HCl溶液调整pH值至4.4左右→添加糖化酶（60 ℃，糖化3 h）→灭酶（100 ℃，10 min）→5% NaOH溶液调整pH值至7.8左右→碱性蛋白酶（55 ℃，酶解3 h）→灭酶（100 ℃，10 min）→抽滤→脱水→烘干（不可溶膳食纤维）→酶解（木聚糖酶、纤维素酶）→浓缩→干燥→粉碎→低聚糖

1.3.2 正交旋转组合试验

根据单因素试验结果，以料液比、木聚糖酶添加量、纤维素酶添加量、反应温度作为试验因素。采用4因素5水平二次正交旋转组合试验设计安排试验，对工艺进行优化，获得最佳酶解工艺参数。4因素5水平二次正交旋转组合试验因素水平编码见表1。

表1 二次正交旋转组合试验的因素与水平Table 1 Code and level of independent variables used for quadratic orthogonal rotatable composite design

1.3.3 酶解液中低聚糖得率测定

由木聚糖酶和纤维素酶酶解不可溶膳食纤维所得的酶解液，采用3,5-二硝基水杨酸（DNS）法[7]测定其低聚糖得率。

1.3.4 酶解液抗氧化性测定

由木聚糖酶和纤维素酶酶解不可溶膳食纤维所得的酶解液，采用Zhang Xiaogang等[8]的分光光度计法测定其DPPH自由基的清除能力；采用Jiang Min等[9]的分光光度计法测定其羟自由基的清除能力。

1.3.5 豌豆纤维粉、不可溶膳食纤维、低聚糖吸附脂肪能力的测定

采用滤纸吸干游离的大豆油法测定吸附不饱和脂肪能力[10]；采用滤纸吸干游离的猪油法测定吸附饱和脂肪能力[11]。

1.3.6 豌豆纤维粉、不可溶膳食纤维物理化学性能测定采用静置、离心法测定持水性[12]及膨胀性[13]。

1.3.7 豌豆纤维粉、不可溶膳食纤维、低聚糖扫描电子显微镜分析

采用扫描电子显微镜进行样品的颗粒形貌观察，取少许样品均匀粘在导电胶上，然后喷金处理，喷金70 s，放入电子显微镜室观察。在操作电压10 kV下观察淀粉的形态，并拍摄具有代表性的颗粒形貌[14]。

1.3.8 豌豆纤维粉、不可溶膳食纤维、低聚糖热力学性质测定

准确称取2～5 mg样品，加入去离子水10 mg，密封于普通铝盘中在20 ℃平衡16 h，之后放入差示扫描量热仪中进行扫描，用铝制空坩埚样品池作参比物，升温区间为20～100 ℃，升温速率为5 ℃/min，载气为氮气，流速为50 mL/min[15]。描绘各样品的吸热曲线，测定样品峰，起始温度为To，峰值温度为Tp，峰结束温度为Tc和相变焓为ΔH。

1.3.9 高效液相色谱法测定酶解液中低聚糖的组分

取豌豆纤维粉酶解液加入等体积无水乙醇，4 ℃静置过夜，离心去沉淀，去乙醇后再经阴阳离子交换树脂脱盐、脱色处理，利用旋转蒸发器浓缩至可溶性固形物含量为1%，置于4 ℃冰箱备用。

色谱条件：Xbridge色谱柱，Amide（4.6 mm×250 mm，3.5 μm）；示差折光检测器；柱温：41 ℃；流动相：乙腈-水（65∶35，V/V）；流速：1.0 mL/min；进样量：10 μL。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 水解时间的确定

料液比1∶30（g/mL）、反应温度50 ℃、木聚糖酶添加量150 U/g、纤维素酶添加量200 U/g、反应体系pH 5，水解时间与低聚糖得率的关系见图1。由图1可知，低聚糖得率随水解时间的延长而增大，水解时间达到24 h左右时变化趋于缓慢，水解时间达到36 h时，低聚糖得率最高，水解时间继续增加低聚糖得率有所下降，所以选择水解时间为36 h。原因是开始时短时间内酶发生作用是逐渐增强的，但随着反应时间的继续延长，底物浓度随之增大，酶解体系变得黏稠，不利于酶解反应，所以到达一定时间，糖含量不再增加[16]。

图1 低聚糖得率与水解时间的关系Fig. 1 Relationship between oligosaccharide content and reaction time

2.1.2 各因素对豌豆纤维粉低聚糖得率的影响

图2 各因素对豌豆纤维粉低聚糖得率的影响Fig. 2 Effect of various factors on the yield of oligosaccharides from pea fi ber powder

由图2可知，当料液比为1∶20～1∶35（g/mL）之间时，随着液体使用量的增加，低聚糖得率增加上升较快。再增加液体使用量时，低聚糖得率下降。从实际生产考虑，料液比选1∶30为中心点。反应温度从40 ℃升高到50 ℃时，低聚糖得率随之増加，但当反应温度高于50 ℃时，低聚糖得率迅速减少，原因是开始时随着温度升高能使反应物的能量增加，分子间碰撞的频率也增加，从而提高酶解速率，但是当温度过高，超过了酶的最适温度时，酶活性将降低，导致水解速度下降。酶浓度对低聚糖的降解效果有一定的影响，在酶浓度达到饱和浓度之前，酶解效果随着酶浓度的升高而增强，而当酶与底物的结合接近饱和时，酶解效果则不再明显提高[17]。

2.2 回归模型的建立和检验

表2 二次旋转回归试验设计与结果Table 2 Experimental arrangement with response variables

利用SAS9.1软件对试验结果（表2）进行分析，得出回归方程，然后对回归方程进行方差分析和显著性检验，以检验该回归方程是否拟合真实试验结果。最后对所得数据做岭回归分析，得出最佳酶解工艺参数。

基于试验方案和结果，建立糖含量的回归模型，并对模型进行方差分析，分析结果表明，响应面回归模型达到高度显著性水平（P＝0.025 2）[18]，回归方程模型失拟P＝0.454 8＞0.05，不显著，说明二次模型可以拟合真实的试验结果。DPPH自由基响应面回归模型达到高度显著性水平（P＝0.019 1），回归方程模型失拟P＝0.595 6＞0.05，不显著，说明二次模型可以拟合真实的试验结果。羟自由基响应面回归模型达到高度显著性水平（P＝0.008 7），回归方程模型失拟P＝0.825 2＞0.05，不显著，说明二次模型可以拟合真实的试验结果。

糖含量、DPPH自由基清除率和羟自由基清除率的回归方程如下：

2.3 酶解工艺参数的影响

2.3.1 酶解工艺参数对低聚糖得率的影响

图3 酶解工艺参数对低聚糖得率的影响Fig. 3 Effect of enzymatic hydrolysis parameters on oligosaccharide content

由图3可知，在酶解过程中，随着纤维素酶添加量增加和反应温度升高，糖含量有增加的趋势，越过零水平时，糖含量有降低的趋势，随着木聚糖酶添加量的增加，糖含量有先增加后降低的趋势，但随着液体使用量增加，糖含量呈下降趋势。随着反应温度的升高，纤维素酶和木聚糖酶的酶活力逐渐增加，有利于低聚糖的充分浸出[19]；在反应开始初期，低聚糖的浓度比较低，反应底物浓度较高，酶在反应时受到的抑制作用比较小，酶促反应迅速，酶的作用也越充分，糖得率迅速提高。但是随着时间延长，底物浓度不断降低和部分酶在反应过程中的失活以及低聚糖的不断积累，酶所受到的反馈抑制效应逐渐增强，酶促反应速度减慢，糖得率增加缓慢。但随着反应温度升高，低聚糖的含量反而下降，这一方面是由于在一定温度下低聚糖部分水解所造成的，另一方面是由于超过了纤维素酶和木聚糖酶的酶解最适条件[20]。

2.3.2 酶解工艺参数对DPPH自由基清除率的影响

图4 酶解工艺参数对DPPH自由基清除率的影响Fig. 4 Effect of enzymatic processing parameters on DPPH radical scavenging capacity

由图4可知，在酶解过程中，随着木聚糖酶添加量的增加，糖液的DPPH自由基清除率有增加的趋势，越过0水平时，DPPH自由基清除率有降低的趋势，DPPH自由基清除率随料液比取值、纤维素酶添加量和反应温度的增加呈现先增加后降低的趋势。低聚糖具备清除DPPH自由基的能力，且随着浓度的增加，对DPPH自由基的清除率迅速提升，这一结果与龚思思等[21]研究结果一致。低聚糖羟基上的氢原子很容易被DPPH自由基抽取，从而增加了DPPH自由基的清除率。后来降低是因为随着酶量增加，导致底物浓度增加，抑制了酶的活性，低聚糖减少，DPPH自由基的清除率也降低。随着各因素的变化，低聚糖得率有先增加后降低的趋势，故对DPPH自由基的清除率有类似的趋势。另外，多数自由基寿命短暂但是反应活性较强，在有机溶剂中，DPPH自由基是一种即使在室温条件下也能保持稳定的自由基，呈紫色，但是DPPH自由基在抗氧化剂或供氢体出现时，其游离的离子就会被配对，变成DPPH—H，颜色变浅，随着时间的延长颜色的变浅程度增大[22]。

2.3.3 酶解工艺参数对羟自由基清除率的影响

图5 酶解工艺参数对羟自由基清除率的影响Fig. 5 Effect of enzymatic processing parameters on hydroxyl radical scavenging capacity

由图5可知，在酶解过程中，随着木聚糖酶和纤维素酶添加量的增加，糖液的羟自由基清除率有增加的趋势，越过0水平时，羟自由基清除率有降低的趋势，但随料液比取值的增加，糖液的羟自由基清除率有降低的趋势，而反应温度有先增加后降低的趋势。低聚糖具备清除羟自由基的能力，且随着浓度的增加，对羟自由基的清除率迅速提升，这一结果与王丽波等[23]研究结果一致。随着各因素的变化，低聚糖得率有先增加后降低的趋势，故对羟自由基的清除率有类似的趋势。另外，羟自由基是化学性质最活泼的一种自由基，具有很高的反应速率，在自由基中，其危害性最大，因此常用清除羟自由基的能力评价一种物质对自由基的清除效果[24]。

2.4 最佳酶解工艺参数选择及验证实验

用岭回归寻找最优酶解工艺范围，以豌豆纤维粉酶解液的低聚糖得率和清除DPPH自由基、羟自由基能力为考察指标，经过岭回归寻优得出最佳酶解工艺参数范围：料液比1∶20.7～1∶24.5（g/mL）、木聚糖酶添加量170.9～176.7 U/g、纤维素酶添加量316.6～320.4 U/g、反应温度52.1～57.6 ℃。综合豌豆纤维粉酶解液的低聚糖得率和清除DPPH自由基、羟自由基能力优化结果，在料液比1∶21、木聚糖酶添加量175 U/g、纤维素酶添加量317 U/g、反应温度55 ℃条件下，豌豆纤维粉酶解液的低聚糖质量分数为（14.68±0.19）%，DPPH自由基清除率为（31.23±0.069）%，羟自由基清除率为（40.2±0.031）%。通过验证实验可知：在上述工艺条件下，豌豆纤维粉酶解液的低聚糖得率和清除DPPH自由基、羟自由基能力均符合岭回归寻优结果。

2.5 低聚糖得率、DPPH自由基和羟自由基清除率的相关性分析

典型相关性分析用来考察2 个变量相互变化的关联关系，变量之间没有因果关系[25]。使用SAS软件的CANCORR程序分析低聚糖得率、DPPH自由基和羟自由基清除率的相关性，低聚糖得率与DPPH自由基清除率典型相关系数为0.336 3（P＝0.048 7），表明2 个变量之间存在低正相关关系，即随着低聚糖得率增加，DPPH自由基清除率有增加的趋势。低聚糖得率与羟自由基清除率典型相关系数为0.683 6（P＝0.035 8），表明2 个变量之间存在高度正相关关系，即低聚糖得率增加，羟自由基清除率有增加的趋势。

2.6 特性分析

2.6.1 吸附脂肪的能力

表3 豌豆纤维粉、不可溶膳食纤维、低聚糖对脂肪的吸附能力Table 3 Fat adsorption capacity of pea fi ber, insoluble dietary fi ber and oligosaccharides

表4 豌豆纤维粉、不可溶膳食纤维的持水性和膨胀性Table 4 Water retention capacity and swelling power of pea fi ber and insoluble dietary fi ber

持水性是衡量膳食纤维功能的一项重要指标，其自身结构中含有大量的亲水性基团，因此具有很强的吸水性。由于纤维来源及纯度的不同，其变化范围在自身质量的1.2～25 倍左右[26]。由表4可知，豌豆纤维粉和膳食纤维都具有良好的持水性和膨胀性，豌豆纤维粉高于Hasnaoui等[27]报道的石榴皮中纤维持水力3.53 g/g，高于李娜等[28]报道的大豆原料中膨胀性为7.1 mL/g。

2.7 电子显微镜扫描分析

图6 3 种物质的扫描电镜图Fig. 6 Scanning electron micrographs of pea fi ber, insoluble dietary fi ber and oligosaccharides

如图6所示，豌豆纤维粉表面呈现凹凸不平，纤维束状清晰可见，为纤维的原始状态，呈片状多孔结构[2]。不可溶膳食纤维的空间网络较明显，呈现蜂窝状。低聚糖呈现不规则形状，表面圆滑，无棱角，中间多孔洞[14]。

2.8 热力学性质

图7 豌豆纤维粉、不可溶膳食纤维和低聚糖的差示扫描量热结果Fig. 7 DSC curves of pea fi ber powder, insoluble dietary fi ber and oligosaccharides

表5 豌豆纤维粉、不可溶膳食纤维和低聚糖的差示扫描量热分析结果Table 5 DSC parameters of pea fi ber powder, insoluble dietary fi ber and oligosaccharides

由图7和表5可知，豌豆纤维粉、不可溶膳食纤维、低聚糖的焓变大小顺序为豌豆纤维粉＞不可溶膳食纤维＞低聚糖，豌豆纤维粉经木聚糖酶、纤维素酶的降解将纤维分解为纤维二糖和纤维寡糖，分子链断裂变短[29]，热稳定性降低，而低聚糖是2～10 个相同或不同的单糖聚合而成，分子链较不可溶膳食纤维更短，热稳定性降低[30]。

2.9 酶解液中低聚糖的组分分析

图8 低聚糖色谱图Fig. 8 Chromatogram of oligosaccharides

由图8可知，豌豆纤维粉去除淀粉和蛋白质得到的不可溶膳食纤维，通过纤维素酶和木聚糖酶的酶解作用所得的酶解液低聚糖样品为混合物，与标准图谱出峰时间相比较，可知该低聚糖混合物主要含有阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖、纤维二糖、纤维三糖和纤维四糖。

3 结 论

以豌豆纤维粉为原料，采用酶解的方法，水解时间36 h，pH 5，料液比1∶20.7～1∶24.5（g/mL），木聚糖酶添加量170.9～176.7 U/g，纤维素酶添加量316.6～320.4 U/g，反应温度52.1～57.6 ℃。在优化的酶解工艺参数范围的条件下，豌豆纤维粉酶解液的最优低聚糖得率为13.98%～15.02%。

低聚糖具有清除自由基的能力，在优化的酶解工艺参数范围的条件下，DPPH自由基清除率为30.56%～33.21%，羟自由基清除率为39.36%～42.44%。

低聚糖对饱和脂肪和不饱和脂肪均具有一定的吸附能力，吸附能力大小为不饱和脂肪＞饱和脂肪；豌豆纤维粉和膳食纤维也都具有良好的持水性和膨胀性；豌豆低聚糖对高温具有良好的稳定性，短时间加热比较稳定。

酶解豌豆纤维粉所得的低聚糖主要组分为阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖、纤维二糖、纤维三糖和纤维四糖。

酶水解豌豆纤维粉使豌豆纤维得以利用，制备的膳食纤维低聚糖不仅具有一定抗氧化能力，还具有良好的持水性和膨胀性，对脂肪有一定的吸附作用。从电镜下观察，豌豆膳食纤维表面呈现凹凸不平，纤维束状清晰可见，呈片状多孔结构。对热有较好的稳定性，可用于食品、饲料等行业的加工生产。