玉米芯膳食纖維的復(fù)合酶法改性工藝優(yōu)化

劉麗娜，傅曼琴，徐玉娟，余元善，溫 靖，吳繼軍

（1.廣東海洋大學(xué)食品科技學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)部功能食品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610）

【研究意義】我國(guó)玉米年產(chǎn)量高達(dá)幾十億噸，副產(chǎn)物玉米芯的產(chǎn)量達(dá)千萬(wàn)噸以上，目前玉米芯大部分被丟棄或燒掉，資源嚴(yán)重浪費(fèi)［1］。玉米芯中富含膳食纖維（Dietary Fiber，DF）［2］，DF 在增強(qiáng)腸道健康、改善便秘、控制體重等方面功效顯著［3］。因此，開發(fā)利用玉米芯對(duì)于解決資源浪費(fèi)和提高人們的健康水平具有重要現(xiàn)實(shí)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】DF分為可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber，IDF）［4］。除了膳食纖維，玉米芯還含有蛋白、淀粉等雜質(zhì)，傳統(tǒng)工藝多采用酸堿交替水解法去除蛋白質(zhì)和淀粉。但酸堿水解無(wú)針對(duì)性，統(tǒng)一將碳鏈水解為單糖，生理活性成分損失嚴(yán)重，得率和質(zhì)量不易控制，且提取出的DF多為IDF［5］。SDF較IDF具有更強(qiáng)的生理功能，能刺激腸道蠕動(dòng)，有利于糞便排出，可預(yù)防便秘、直腸癌、痔瘡等；還可以降低血糖和血清膽固醇含量，推遲胃排空，防止心血管疾病，增強(qiáng)免疫功能等［6］。玉米芯主要是由纖維素和木質(zhì)素等IDF組成，可采用改性法制備SDF。DF改性方法主要有物理法、化學(xué)法、以酶法、發(fā)酵法為主的生物技術(shù)法4種，以及同時(shí)運(yùn)用以上多種方法的聯(lián)合處理法［7］。其中酶法是利用酶將DF中的大分子組分酶解成小分子化合物，具備反應(yīng)條件溫和、專一性強(qiáng)、反應(yīng)時(shí)間短、純度高等優(yōu)點(diǎn)，是處理DF改性較有潛力的新方法［8］。常用的酶主要有木聚糖酶、纖維素酶和木質(zhì)素氧化酶等［9］。另外，酶法既不會(huì)破壞膳食纖維的組成和結(jié)構(gòu)，也不會(huì)造成化學(xué)污染，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。李昌文等［2］優(yōu)化了纖維素酶解法制備玉米芯SDF工藝：料液比1∶20、酶解時(shí)間110 min、酶解溫度45 ℃、酶解用量5 mL，水溶性膳食纖維產(chǎn)率為6.66%。采用纖維素酶和木聚糖酶提取玉米芯SDF，得率為21.1%［10］?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】現(xiàn)有酶解法存在酶解條件難以選擇、產(chǎn)品得率低、酶解不徹底等缺點(diǎn)［8］。本試驗(yàn)采用分步加酶、一次性分離方法去除蛋白質(zhì)和淀粉，首先通過(guò)酶法預(yù)處理得到膳食纖維粗品，然后用復(fù)合纖維素酶和木聚糖酶酶解，最終得到SDF，所得SDF具有持水力、持油力、膨脹性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各類功能性食品?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以玉米加工副產(chǎn)物玉米芯為原料，旨在探究復(fù)合酶法制備水溶性膳食纖維的最佳工藝條件，提高產(chǎn)品純度和得率，制備高品質(zhì)玉米芯水溶性膳食纖維產(chǎn)品，為玉米芯的綜合開發(fā)利用提供理論依據(jù)和參考，提高玉米芯深加工產(chǎn)品的附加值，延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈，變廢為寶。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試原料：新鮮玉米，購(gòu)于廣州市天平架市場(chǎng)，去籽粒得玉米芯，65 ℃烘干至恒重。粉粹過(guò)0.425 mm篩，得玉米芯粉末1 000 g，備用；

試劑：無(wú)水乙醇（分析純），天津市大茂化學(xué)試劑廠；α-淀粉酶（59.3 U/mg）、糖化酶（100 000 U/g）、堿性蛋白酶（100 U/mg）、木聚糖酶（6 000 U/mg）、纖維素酶（50 U/mg）均購(gòu)于上海源葉生物科技有限公司。

儀器設(shè)備：萬(wàn)能粉碎機(jī)（FS-500），河南華能電子科技有限公司；低速離心機(jī)（JW-1042），安微嘉文儀器裝備有限公司；pH計(jì)（PB-10），德國(guó)Sartorius；電熱恒溫水浴鍋（HWS24），上海一恒科技有限公司；數(shù)顯電熱鼓風(fēng)干燥箱（101-2A），上海滬南科學(xué)儀器廠；電子分析天平（FC104），上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；全自動(dòng)蛋白質(zhì)測(cè)定儀（k8400），瑞典Foss Analytical AB；全自動(dòng)脂肪測(cè)定儀，德國(guó)格哈特分析儀器有限公司；水分測(cè)定儀（SF-A2），泰州市南威儀器儀表有限公司；馬弗爐（SX2），上海雷韻試驗(yàn)儀器制造有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

工藝流程：

1.2.1 玉米芯基本成分分析 水分含量測(cè)定參照GB/T5009.3-2010《食品中水分含量的測(cè)定》，灰分含量測(cè)定參照GB 5009.4-2010《食品中灰分的測(cè)定》，蛋白質(zhì)含量測(cè)定參照GB 5009.5-2010《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》，淀粉含量測(cè)定參照GB/T5009.9-2008《食品中淀粉的測(cè)定》；總膳食纖維測(cè)定參照AACC32-07；不溶性膳食纖維和可溶性膳食纖維含量測(cè)定參照AACC32-06。

1.2.2 玉米芯的去蛋白、去淀粉預(yù)處理 采用石油醚對(duì)玉米芯粉末進(jìn)行脫脂，漂洗過(guò)濾干燥。準(zhǔn)確稱取脫脂干燥后的玉米芯粉末10 g按1∶10的料液比加蒸餾水，水浴并100 r/min速度攪拌，按照堿性蛋白酶最適溫度和pH值調(diào)節(jié)至50 ℃和pH 9.0，加入堿性蛋白酶，去除蛋白質(zhì)；然后按照α-淀粉酶和糖化酶最適條件再調(diào)節(jié)溫度60 ℃和pH 5.0，加入α-淀粉酶和糖化酶，水解淀粉；碘液檢測(cè)不變藍(lán)，表明淀粉類物質(zhì)被完全去除。100 ℃滅酶10 min后，離心，收集沉淀物，烘干至恒重，得玉米芯IDF。

（1）去蛋白條件的確定：將酶解液在3 000 r/min下離心10 min，收集沉淀物后用水沖洗并離心，取殘?jiān)娓煞鄞?，通過(guò)凱氏定氮測(cè)定殘余蛋白質(zhì)含量。以殘余蛋白含量為指標(biāo)，對(duì)堿性蛋白酶添加量（1.0%、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%）進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定堿性蛋白酶最佳用量。

（2）去淀粉條件的確定：采用α-淀粉酶和糖化酶作用的最佳條件60 ℃和pH 5.0。將酶解液在3 000 r/min下離心10 min，收集沉淀物后用水沖洗并離心，取殘?jiān)娓煞鄞?，測(cè)定殘余淀粉含量。以殘余淀粉含量為指標(biāo)，通過(guò)單因素試驗(yàn)確定α-淀粉酶和糖化酶（1∶1）的最佳用量。

1.2.3 酶法改性IDF制備SDF工藝優(yōu)化 （1）單一纖維素酶處理對(duì)SDF得率的影響：各稱取5.0 g IDF，加入50 mL蒸餾水，分別添加0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的纖維素酶，選用纖維素酶最適pH 5.0，最適作用溫度50 ℃，水浴震蕩酶解6 h。醇析后烘干沉淀至恒重，測(cè)定SDF得率。

（2）單一木聚糖酶處理對(duì)SDF得率的影響：各稱取5.0 g IDF，加入50 mL蒸餾水，調(diào)pH至5.0，分別添加0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的木聚糖酶，選用木聚糖酶最適pH 5.0，最適作用溫度50 ℃，水浴震蕩酶解6 h。醇析后烘干沉淀至恒重，測(cè)定SDF得率。

（3）復(fù)合纖維素酶和木聚糖酶改性對(duì)SDF得率的影響：選用的纖維素酶和木聚糖酶的最適作用條件相近，在pH 5.0、溫度50 ℃條件下，以SDF得率為指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)確定纖維素酶加酶量、木聚糖酶加酶量、處理時(shí)間和料液比各因素的重要性次序和最佳工藝參數(shù)（表1）。

表1 復(fù)合酶解正交試驗(yàn)因素水平Table 1 Factor levels of mixed enzymatic hydrolysis orthogonal test

1.2.4 IDF以及SDF產(chǎn)物理化性質(zhì)的測(cè)定 （1）持水力測(cè)定：稱取1 g膳食纖維放入量筒中，然后加入過(guò)量20 ℃水浸泡纖維1 h，將纖維放在濾紙上瀝干后，把保留在濾紙上結(jié)合了水的纖維轉(zhuǎn)移到一表面皿中稱重，計(jì)算持水力［11］：

（2）持油力測(cè)定：取1.0 g樣品于離心管中，加入食用油20 g，靜置1 h，3 000 r/min離心30 min，去掉上層油，濾渣用濾紙吸干游離的油，稱量［11］，計(jì)算持油力：

（3）膨脹性測(cè)定：準(zhǔn)確稱取1.0 g 樣品，置于25 mL量筒中，讀取樣品體積，然后加10 mL蒸餾水，攪拌，室溫靜置24 h，讀取量筒中樣品吸水膨脹后的體積［11］，計(jì)算膨脹性：

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米芯原料基本組成成分分析

玉米芯中含有多種重要的營(yíng)養(yǎng)成分，主要包括蛋白質(zhì)、脂類、粗纖維、酚類、黃酮及多種礦物質(zhì)元素。本試驗(yàn)所采用玉米芯原料基本組成成分及含量分別為：水分4.45%、脂肪2.36%、蛋白質(zhì)7.35%、淀粉8.70%、灰分2.17%、總膳食纖維72.54%，其中不溶性膳食纖維69.35%、可溶性膳食纖維3.19%、其他成分2.43%。

2.2 復(fù)合酶法預(yù)處理玉米芯原料制備TDF

2.2.1 堿性蛋白酶添加量對(duì)蛋白殘留量的影響調(diào)節(jié)料液pH 9.0，分別添加1.0%、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%的堿性蛋白酶處理脫脂后的玉米芯，50 ℃酶解60 min，結(jié)果表明隨著堿性蛋白酶添加量增加，蛋白質(zhì)殘留量逐漸減少（圖1），由最初的5.11%下降至1.68%，下降率為67%，說(shuō)明大部分的蛋白質(zhì)被水解；在酶添加量為1.0%～1.4%時(shí)，蛋白殘留量下降較快，當(dāng)添加量大于1.4%后，蛋白質(zhì)殘留量下降速度變緩。因此確定堿性蛋白酶的添加量為1.4%。

圖1 堿性蛋白酶添加量對(duì)蛋白殘留量的影響Fig.1 Effect of alkaline protease dosage on residual amount of protein

2.2.2 α-淀粉酶和糖化酶添加量對(duì)淀粉殘留量的影響 調(diào)節(jié)料液pH6.5，分別添加總量為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的α-淀粉酶和糖化酶（1∶1），60 ℃水解60 min。如圖2所示，隨酶添加量增加，淀粉殘留量逐步降低，淀粉殘留量由6.52%下降至0.58%。酶添加量大于0.3%后，淀粉降解到一定程度，殘留量下降趨勢(shì)減緩，增加酶量，去除效果變化不大，因此確定α-淀粉酶和糖化酶（1∶1）總添加量為0.3%。

圖2 酶添加量對(duì)淀粉殘留量的影響Fig.2 Effect of enzyme dosage on residual amount of starch

2.2.3 復(fù)合酶法預(yù)處理玉米芯原料制備IDF和SDF1 采用料液比1：10、pH 9.0、1.4%堿性蛋白酶50 ℃酶解60 min；pH 6.5，0.3%的α-淀粉酶和糖化酶（1：1），60 ℃水解60 min，在此條件下，IDF得率為69.35%，SDF1得率為3.19%。

2.3 復(fù)合酶法改性IDF制備SDF工藝優(yōu)化

2.3.1 單一纖維素酶處理對(duì)SDF得率及其持水力的影響 由圖3A可知，當(dāng)纖維素酶用量在0.5%～1.5%，SDF得率隨著纖維素酶用量的增加而增加，在0.5%～1.0%時(shí)，SDF得率急速上升，纖維素酶用量大于1.0%時(shí)SDF得率上升平緩。添加1.5%纖維素酶時(shí)，SDF得率達(dá)到最大值（6.63%），之后SDF得率反而下降?？赡苡捎诶w維素酶使部分IDF的氫鍵斷裂，結(jié)構(gòu)被破壞，使部分IDF降解為SDF。當(dāng)酶用量達(dá)到一定量后，反應(yīng)速度變慢。原因可能是隨著酶用量繼續(xù)增加，部分可溶性多糖被纖維素酶降解為葡萄糖［12］，使得SDF得率減低。

圖3 纖維素酶添加量對(duì)SDF得率及其持水力的影響Fig.3 Effect of different cellulase dosage on SDF yield and water holding capacity

由圖3B可知，當(dāng)纖維素酶用量小于1.0%時(shí)，產(chǎn)物持水力隨纖維素酶用量的增加而增加，由4.25 g/g增加至5.56 g/g；當(dāng)酶用量超過(guò)1.0%，持水力下降。纖維素酶降解使纖維結(jié)構(gòu)變得膨松、溶脹，水和油更易于進(jìn)入纖絲間隙，生成一些具有持水能力的降解產(chǎn)物，從而提高持水力；但當(dāng)酶用量超過(guò)一定量后，底物會(huì)逐漸被飽和［13］，持水力反而下降。因此，綜合SDF得率和持水力兩種因素，選擇1.2%為纖維素酶的最適用量。

2.3.2 單一木聚糖酶處理對(duì)SDF得率及其持水力的影響 由圖4可知，當(dāng)木聚糖酶添加量小于0.8%時(shí)，SDF得率、持水力均隨著木聚糖酶添加量的增加而增加；當(dāng)酶添加量為1.2%時(shí)，SDF得率達(dá)到最大值，為7.63%，隨后下降；當(dāng)酶添加量為0.8%時(shí)，產(chǎn)物持水力達(dá)到最大，為5.86 g/g，隨后下降。木聚糖酶可將不溶性半纖維素降解成可溶性半纖維素，隨著酶添加量的增加，SDF得率不斷增大；當(dāng)木聚糖酶超過(guò)一定量時(shí)，可溶性半纖維素降解的速度超過(guò)其生成速度，從而使SDF得率和持水力下降［14］。因此，綜合SDF得率和持水力兩種因素，確定0.8%為木聚糖酶的最適添加量。

圖4 木聚糖酶添加量對(duì)SDF得率及其持水力的影響Fig.4 Effect of xylanase dosage on SDF yield and water holding capacity

2.3.3 復(fù)合纖維素酶和木聚糖酶處理對(duì)SDF得率的影響 選取兩種酶的添加量、酶解時(shí)間、液料比4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)（表1），以SDF得率為指標(biāo)，探索最佳工藝條件，正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可知，影響玉米芯制備SDF各個(gè)因素的主次順序?yàn)椋篈纖維素酶添加量＞B木聚糖酶添加量＞D料液比＞C酶解時(shí)間；各因素的最優(yōu)水平組合為A2B3C3D1，即纖維素酶添加量為1.2%、木聚糖酶添加量為1.2%、酶解時(shí)間為6 h、料液比為1∶10。按照優(yōu)化結(jié)果用雙酶法處理玉米芯生物酶法提取的IDF，SDF得率可達(dá)22.16%。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal test

2.4 玉米芯膳食纖維的理化特性

對(duì)所得玉米芯IDF和SDF的理化性質(zhì)進(jìn)行比較分析，結(jié)果見表3。由表3可知，玉米芯IDF的持水力、膨脹性和持油力分別為4.67 （± 0.78） g/g、4.50±（0.32）mL/g和 2.67（± 0.14） g）/g，SDF的持水力、膨脹性和持油力分別為6.55（±0.35）g/g、6.69 ±（0.16）mL/g和 4.65（±0.32）g/g，均高于常用標(biāo)準(zhǔn)麩皮膳食纖維功能性指標(biāo)（持水力4.0 g/g、膨脹力4.0 g/g），且SDF顯著高于IDF。因此與IDF相比，SDF的持水力增加40.26%，膨脹性增加48.67%，持油力提高74.16%，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)所采用的復(fù)合酶法改性效果顯著。

表3 玉米芯膳食纖維的理化特性Table 3 Physical and chemical characteristics of the corncob dietary fiber

3 討論

玉米芯除含有大量纖維素、半纖維素等粗纖維，還含有粗脂肪、蛋白質(zhì)、淀粉等［15］，因此首先需對(duì)玉米芯進(jìn)行脫脂、去蛋白、除淀粉等預(yù)處理。本實(shí)驗(yàn)材料中脂肪含量（2.36%）相對(duì)于蛋白質(zhì)（7.35%）、淀粉（8.70%）含量低很多，故用石油醚進(jìn)行脫脂。

玉米芯的蛋白質(zhì)以一種特殊的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包裹淀粉顆粒，先采用蛋白酶水解蛋白，暴露出淀粉分子［16］，由于酶的專一性，蛋白酶只對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行有效水解，不能作用于淀粉等物質(zhì)［17］，所以需再添加α-淀粉酶和糖化酶去除淀粉。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著堿性蛋白酶添加量的增加，蛋白質(zhì)殘留量逐漸減少，在酶添加量為1.0%～1.4%時(shí)，蛋白殘留量下降較快，說(shuō)明原料中蛋白質(zhì)在蛋白酶作用下被迅速降解，當(dāng)添加量大于1.4%后，蛋白質(zhì)殘留量下降速度變緩?？赡苁怯捎谟衩仔局写嬖诮Y(jié)構(gòu)蛋白，不能與蛋白酶接觸，難以被水解，當(dāng)可被蛋白酶作用的蛋白質(zhì)充分水解后，蛋白殘留量下降速度顯著降低［18］。因此蛋白殘留量由最初的5.11%下降至1.68%后，不再下降。另外，α-淀粉酶和糖化酶處理后，淀粉殘留量由6.52%下降至0.58%，說(shuō)明絕大部分淀粉被水解。采用優(yōu)化后的堿性蛋白酶、α-淀粉酶和糖化酶酶解條件預(yù)處理玉米芯原料后，IDF得率為69.35%，高于文獻(xiàn)報(bào)道的IDF得率62.80%［5］。

玉米芯總膳食纖維中95%都是IDF，通過(guò)改性讓IDF大分子的糖苷鍵斷裂，使致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)疏松，縮短分子長(zhǎng)度，將IDF轉(zhuǎn)化為SDF，可增強(qiáng)其生理活性［7］。采用雙酶法（纖維素酶和木聚糖酶）對(duì)棗渣進(jìn)行改性，可將棗渣纖維SDF的比例提高3.36%［19］。米糠經(jīng)纖維素酶水解后，得到的TDF和SDF的總酚含量和總抗氧化能力均顯著提高［20］。本試驗(yàn)采用纖維素酶和木聚糖酶對(duì)預(yù)處理后的玉米芯IDF改性后，SDF得率為22.16%，大于文獻(xiàn)報(bào)道的21.1%［10］，且持水力增加了40.26%，膨脹性增加了48.67%，持油力增加了74.16%。原因可能是在酶解改性過(guò)程中膳食纖維被降解，纖維結(jié)構(gòu)被破壞，變得疏松，使得持水力、膨脹性和持油力等特性顯著提高。

4 結(jié)論

通過(guò)單因素試驗(yàn)優(yōu)化生物酶法提取玉米芯TDF工藝條件：料液比1∶10，pH 9.0，1.4%堿性蛋白酶50 ℃酶解60 min；pH 6.5，0.3%的α-淀粉酶和糖化酶（1∶1），60℃水解60 min，在此條件下，IDF得率為69.35%，SDF1得率為3.19%。所得IDF的持水力、膨脹性和持油力分別為 4.67 g/g、4.50 mL/g、2.67 g/g。

復(fù)合酶法改性玉米芯IDF制備SDF2得率較單一纖維素酶和單一木聚糖酶處理的SDF2得率高。復(fù)合酶改性最佳條件為：pH 5.0、溫度50 ℃，纖維素酶1.2%、木聚糖酶1.2%、酶解時(shí)間為6 h、料液比為1∶10。此時(shí)SDF2得率可達(dá)22.16%（以玉米芯原料計(jì)）。處理后的SDF2持水力達(dá)6.55 g/g，膨脹性達(dá)6.69 mL/g，持油力達(dá)4.65 g/g，分別比改性前提高40.26%、48.67%、74.16%。