米糠膳食纤维双酶法改性研究

（哈尔滨商业大学 食品工程学院，哈尔滨 150076）

0 引言

由于膳食纤维对人体有着重要的生理功能而被誉为第七营养素[1]，早在20世纪70年代，一些发达国家就对膳食纤维展开了研究。近年来，随着我国国民生活水平的不断提高，所谓的“文明病”患者也就越来越多，这主要就是国民饮食结构发生改变，饮食越来越精细，纤维摄入不足导致的[2]。黑龙江省作为我国的优质稻米主产区，每年加工稻米过程中会产生大量的米糠资源，2018年统计数据显示，黑龙江省米糠产量约为200万吨[3]。米糠中的营养成分约为稻米总营养成分的67%[4]，含有丰富的膳食纤维、油脂、蛋白等营养物质[5]。米糠资源未被合理的开发和利用，造成了资源的大量浪费。

大多数学者认为，可溶性膳食纤维（SDF）能够发挥的生理特性要远高于不溶性膳食纤维（Insoluble dietary fiber，IDF），且两者较好的平衡含量之比为1：9左右[6]。因此对膳食纤维进行改性的研究便尤为重要。所谓的膳食纤维改性，是对膳食纤维采用物理、化学方法提高可溶性膳食纤维的含量[7]。目前膳食纤维的研究多采用物理法、化学法、酶法、发酵法等单一方法进行改性处理[8]，对可溶性膳食纤维的含量提高不充分。

基于上述原因，本研究采用纤维素酶、木聚糖酶复合酶法对米糠膳食纤维进行改性，研究了包括酶解时间、酶的添加量、酶解液pH值、酶解温度这些因素在酶解米糠膳食纤维过程中所产生的影响，并寻找出改性最优工艺条件，从而使脱脂脱蛋白米糠中可溶性膳食纤维的含量增加，功能性提高。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

米糠，由宁安市渤海镇林响大米经销处提供，五优系稻米加工所得米糠，该品种种植于火山玄武岩石板地上，采用镜泊湖水系灌溉，米糠膳食纤维含量约为42%；氢氧化钠（天津市天新精细化工开发中心）；纤维素酶、木聚糖酶（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；大豆油（金龙鱼集团有限公司）；无水乙醇、盐酸（天津市天新精细化工开发中心）。

1.2 仪器与设备

YB-10002型电子天平（北京赛多利斯仪器有限公司）；PHS-3C数显pH计（上海精密仪器有限公司）；THZ-82A水浴震荡器（上海一恒科技有限公司）；80-2高速离心机（上海浦东物理光学仪器厂）；DHG-9123A电热恒温鼓风干燥箱（上海-恒科学仪器有限公司）；FW80-1小型粉碎机（天津泰斯特科技有限公司）；DF101S磁力搅拌器（北京科伟永兴仪器有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 酶法改性米糠膳食纤维的制备

参考黄冬云[9]酶法改性米糠膳食纤维的研究中采用的方法，准确称取5.00 g米糠膳食纤维置于200 mL的烧杯中，加入50 mL 0.05 mol/L pH为4.0～6.0的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液，搅拌均匀后，加入适量木聚糖酶或纤维素酶，烧杯口密封后于40～60 ℃水浴中振荡1～5 h，水浴加热结束后，置于99 ℃水浴10 min灭酶。

取已恒重的布氏漏斗，用3 mL蒸馏水润湿滤纸，将酶解后样品转移至漏斗中抽滤，用10 mL 70 ℃热水洗涤残留物2次，收集滤液合并并转移至另一烧杯中，上述残余物用78%（v/v）乙醇15 mL洗涤2次，用95%（v/v）乙醇15 mL洗涤2次，丙酮15 mL洗涤2次，抽滤至无液体滴落，取下布氏漏斗与残余物在105 ℃下干燥过夜，残余物恒重后质量即为IDF。转移至另一烧杯中的滤液，按其4倍体积加入60 ℃的95%乙醇，室温下静置1 h，进行抽滤，抽滤过程中分别用78%（v/v）乙醇，95%（v/v）乙醇和丙酮对其进行洗涤，烘干后得到的滤渣即为SDF。

1.3.2 酶解处理优化试验

本试验选酶的添加量、缓冲液pH值、酶解温度和酶解时间，分别进行纤维素酶及木聚糖酶法改性单因素试验，通过可溶性膳食纤维得率来判定改性情况，SDF含量计算式如下：

SDF（%）=可溶性膳食纤维质量/总膳食纤维质量×100%

1.3.3 复合酶解对米糠SDF得率的影响正交试验

在纤维素酶解、木聚糖酶解优化单因素试验基础上，选用L9（34）正交试验对纤维素酶添加量、木聚糖酶添加量、酶解液pH值进行参数优化。

1.3.4 酶法改性米糠膳食纤维理化特性分析

1.3.4.1 溶解性测定

参考黄萍等[10]的方法，准确称取样品（m1）2.000 g，置于100 mL烧杯中，加入50 mL蒸馏水，室温下磁力搅拌20 min，将试液全部转入100 mL容量瓶中定容后，量取10 mL该液体倒入离心管中，以3 000 r/min的速度离心10 min，将离心获得的上清液完全倒入干燥至恒重的称量瓶中，在105 ℃的烘箱中干燥至恒重，称得的重量为m2，利用如下计算式，得出该样品的溶解性。

1.3.4.2 持水力测定

参考钟振声等[11]的方法，准确称取1.000 g样品放入锥形瓶内，量取80 mL蒸馏水并加入到锥形瓶中，室温下电磁搅拌4 h，于4 000 r/min下进行离心20 min，离心结束后取出，弃去上清液，沥干附着在离心管内壁的水珠后称重。计算式如下：

1.3.4.3 持油力测定

参考李娜等[12]该方法与上述持水力的测定方法相似。选用金龙鱼大豆色拉油进行测定，计算公式与持水力公式相同。

1.3.4.4 溶胀力测定

参考谢欢等[13]的方法，准确称取0.5 g样品于盛有8 mL蒸馏水的试管中，完全混合均匀后，静置后准确记录样品的初始体积，记为V1，25 ℃放置4 h后测量样品在试管中的膨胀体积，记为V2，膳食纤维的溶胀力计算式如下：

2 试验结果与分析

2.1 单一酶法改性试验结果

2.1.1 纤维素酶单因素试验结果

图1-4为影响SDF得率的纤维素酶单因素试验结果。

如图1所示，在pH 4.5、温度为50 ℃和酶解时间为4 h条件下，SDF得率随纤维素酶添加量增加呈现先增加后下降的趋势，当纤维素酶添加量为60 U/g时，SDF得率达到峰值。过量的酶使得SDF被过度降解，SDF得率表现出下降的趋势，因此纤维素酶添加量不宜过大。如图2所示，在温度为50 ℃，添加纤维素酶的量为60 U/g，酶解时间4 h条件下，SDF得率在pH 4.5时最大，随后SDF得率随pH值的升高而降低，这表明过高的pH值对酶的活性有一定的抑制作用，从而影响酶解反应，因此纤维素酶最适作用pH值为4.5。如图3所示，在纤维素酶用量60 U/g，pH 4.5，酶解温度为50 ℃条件下，当酶解时间在1～4 h时，SDF得率随着酶作用时间增加而递增，在4 h时SDF得率达到最大值，随后呈下降趋势，部分SDF因酶解时间较长而被降解成小分子糖，因纤维素酶最适酶解时间为4 h。如图4所示，研究了在pH4.5，纤维素酶用量60 U/g，时间4 h的条件下，酶解温度对SDF得率的影响。SDF得率在50 ℃时达到最大值，随着温度的升高，SDF得率有所降低。这可能是由于高温抑制了酶活力，因此纤维素酶最适酶解温度为50 ℃。

2.1.2 木聚糖酶单因素试验结果

图5-8为影响SDF得率的木聚糖酶单因素试验结果。

如图5所示，在pH4.5，酶解温度50 ℃、酶解时间4h 条件下，SDF得率随木聚糖酶添加量的增加呈现先升高后降低的趋势，SDF得率在酶添加量30 U/g达到最大值，过量的酶作用于IDF的过程中，部分SDF也被降解为小分子物质，因此木聚糖酶的最佳酶添加量为30 U/g。如图6所示，在50 ℃，木聚糖酶用量30 U/g，酶解时间4h的条件下，SDF得率随着pH值升高先增加后下降。当pH值达到4.5时，SDF得率随达到最大，pH过高抑制酶活力，因此木聚糖酶最适作用pH值为4.5。由图7所示，在pH 4.5、温度为50 ℃、木聚糖酶用量30 U/g条件下，SDF含量随时间的延长先增后减，在4 h时SDF得率达到峰值，因而得出木聚糖酶的最佳酶解时间为4 h。由图8所示，在pH 4.5，木聚糖酶用量30 U/g，酶解作用时间4 h条件下，温度在40～45 ℃之间时，SDF含量增长较慢，当温度升高到50 ℃时，SDF得率达到最高，随着温度的继续升高，SDF得率有所降低，温度过高导致木聚糖酶部分失活，致使SDF得率降低，因此选取木聚糖酶最适酶解温度为50 ℃。

2.2 复合酶法改性试验结果

通过纤维素酶改性膳食纤维、木聚糖酶改性膳食纤维单因素试验结果得出酶解最适温度均为50 ℃，酶解最适时间均为4 h，因此复合酶改性膳食纤维试验中设定纤维素酶添加量、木聚糖酶添加量、酶解液pH值为单因素进行正交试验。

由表1中极差分析可得出结论，在复合酶酶改性试验中，各因素对SDF含量影响程度为木聚糖酶添加量（B）＞纤维素酶添加量（A）＞缓冲液pH值（C），其中A因素（木聚糖酶添加量）对SDF得率有显著影响，方差分析（见表2）可进一步得出复合酶的最佳酶解条件为A3B2C2，即纤维素酶添加量为70 U/g、木聚糖酶添加量为30 U/g、酶解液pH为5.0、酶解温度为50 ℃、酶解时间为4 h。在此条件下进行了验证试验，SDF的率达到9.23%，优于纤维素酶/木聚糖酶单酶作用于米糠膳食纤维的SDF得率。

表1 L9（34）正交试验结果与分析

表2 正交试验结果方差分析

2.3 酶法改性米糠膳食纤维理化特性结果

2.3.1 溶解性分析

测定酶法改性所得米糠膳食纤维理化特性试验结果见图9。

由图9所示，3种经过酶解后得到的可溶性膳食纤维的溶解度均达到了85%以上，3种酶解方式获得的SDF，其溶解性均随着温度的升高而上升，溶解性整体上升趋势一直，其中复合酶解SDF溶解性最优，其次是纤维素酶解SDF，木聚糖酶解SDF溶解性最差，在100 ℃下3种SDF溶解性分别为96.12%、94.24%和94.13%。整体溶解趋势与文献[9]报道相一致，各温度溶解性数值有一定差异，这可能是由于本研究选用的米糠原料不同，所选择的纤维素酶、木聚糖酶活力不同所导致的差异。由此可以看出，纤维素酶和木聚糖酶复合酶解使可溶性膳食纤维溶解性得到了大幅度的提升，理化性能得到了进一步的改善。

2.3.2 持水力、持油力、溶胀力分析

膳食纤维在消化道内吸水膨胀，具有发后填充、吸附、刺激胃肠道蠕动等重要作用。膳食纤维与水分相互作用能力可以通过持水力、持油力和膨胀力来体现，且二者之间存在着高度的相关性[14]。酶法改性米糠膳食纤维，所得产物的持水力、持油力和溶胀力数据如表3所示，经木聚糖酶和纤维素酶酶解后得到的膳食纤维，持油力与持水力均有一定程度的提高，而溶胀力则表现出明显下降的趋势。纤维酶解后的不溶性膳食纤维持水力为原料的1.39倍，木聚糖酶解IDF持水力为原料的1.13倍，复合酶解IDF持水力为原料的1.44倍；纤维素酶解IDF持油力为原料的2.24倍，木聚糖酶解IDF持油力为原料的2.13倍，复合酶解IDF持油力为原料的2.30倍；纤维素酶解后总膳食纤维（total dietary fiber，TDF）溶胀力比原料米糠总膳食纤维（rice bran total dietary fiber，RBTDF）下降了16.75%，木聚糖酶解TDF溶胀力比RBTDF下降了14.66%，复合酶解IDF溶胀力比RBTDF下降了19.37%。

通过分析数据可以得出：木聚糖酶和纤维素酶对米糠膳食纤维的酶解能够在一定程度上提高其理化性能，持水力与持油力得以增大而溶胀力也在一定程度上有所降低，当两种酶复合处理后效果更加显著，理化性能也更加优良。米糠经酶解改性后，分子链断裂，纤维大分子被降解，其聚合度不同程度的下降，酶法改性后的米糠SDF颗粒小、表面积增大，原来隐藏在纤维内部的亲水基团被暴露出来，使得改性后米糠纤维具有更好的持水力、持油力和溶胀力，高持水力可以提高人体排便速度，缓解肠道压力，促使有毒物质及时排出体外[15]，溶胀性的显著提高，可以使膳食纤维进入人体内快速吸水膨胀，体积增大，是集体获得饱腹感，并在一定程度上降低机体对碳水化合物的消化吸收功能，从而达到减肥的功效[16]。持水力的提高有助于食品加工过程中的水分稳定，以及组织结构稳固。高持油力可以改善风味物质，组织脂类物质氧化变性，从而达到延长货架期的作用[17]。

表3 持水力、持油力、溶胀力

3 结语

本文将米糠作为原料，提取米糠膳食纤维，并针对其可溶性成分含量低和功能性质较差的问题，利用纤维素酶和木聚糖酶对其进行复合酶解，通过单因素试验和正交试验，得到了复合酶法改性米糠膳食纤维的的最优工艺条件。与单酶法改性相比较，复合酶法改性后的米糠膳食纤维具有更好的持水力、持油力、溶胀力。通过前期研究与其他改性方法相比，复合酶法改性具有成本相对较低，环境污染小，能耗低等优点，更容易被工业化生产应用。