李 晶 张连富

（江南大学食品学院，无锡 214122）

膳食纤维（DF）是不被人体消化吸收的多糖类碳水化合物与木质素的总称。按溶解性分为水溶性膳食纤维（SDF）和不溶性膳食纤维（IDF）［1］。SDF因其具有较好的生理功能和理化性质，较IDF口感更好，应用范围更广，已作为制造低热量、低胆固醇、低钠健康食品的重要原料［2-3］。玉米是我国主要作物，在加工过程中产生大量副产物——玉米皮，绝大多数做饲料或废弃物，未充分利用其价值。玉米皮富含DF，其中天然SDF质量分数可达4%～8%［4］，利用玉米皮制备SDF不仅可以加快玉米副产物的深加工，而且变废为宝，减少环境污染，实现经济价值和社会价值的统一，具有重大意义。

由于玉米皮表面覆盖着蛋白、淀粉等杂质，简单将其粉碎作为食品添加剂并不能发挥膳食纤维的生理作用，因此首先要去除含量较高的蛋白质和淀粉［5-6］。传统工艺多采用酸碱交替水解法［7-9］，但酸碱无选择地将溶液中的碳链水解成单糖，造成生理活性成分损失严重，且产品风味和色泽较差，得率和质量不易控制。目前，现有工艺多采用酶解法，其反应条件温和，水解专一性强，同时产品品质好，安全性高，但现有的酶解法常为单一酶酶解［10-11］，或多种酶同时添加混合酶解［12］，或多种酶酶解后悬浊液多次分离或不分离［6，13-14］的方法，通常存在产品得率低，或酶解条件难以选择，或工艺不合理、酶解不彻底等缺点。本试验采用分步加酶、分段控制、一次性分离的方法去除蛋白质和淀粉，与之前方法相比，它分两步加酶，但只需一次性分离，而且调整酶解顺序利于工业上的控制，在上述基础上得到膳食纤维粗品，然后用复合纤维素酶和木聚糖酶同时限制性酶解，缩短纤维素和半纤维素分子长度，最终转化得到水溶性膳食纤维，它具有黏度低、水溶性好等优良品质，可广泛应用于各类功能性食品中。

本研究以玉米加工副产物玉米皮为原料，旨在探究制取水溶性膳食纤维的最佳工艺条件，提高产品纯度和得率，制取高品质水溶性膳食纤维产品。试验设计简化了工艺，在实际生产中减少了水的使用量及能源消耗，降低了成本，适宜工业化生产，竞争优势明显。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米种皮：山东西王集团；中性蛋白酶（2×105U／g）、中温α-淀粉酶（2×105U／g）、糖化酶（1×105U／g）：天津诺奥科技有限公司；复合纤维素酶Celluclast1.5 L（6 000 U／mL）、木聚糖酶（5 000 U／g）：诺维信公司；氢氧化钠、盐酸、无水乙醇等（分析纯）：国药集团化学试剂公司。

1.2 仪器与设备

SXJQ-1型数显直流无极调速搅拌器：郑州长城科工贸有限公司；控温水浴锅：江苏荣华仪器制造有限公司；DELTA320 pH计：梅特勒-托利多仪器有限公司；600克摇摆式高速中药粉碎机：林大机械有限公司；EBA20离心机：德国Hettich公司；紫外分光光度计：尤尼柯仪器有限公司、ZK-072型真空干燥箱：上海市实验仪器总厂；RV06-ML.I-B型旋转蒸发仪：德国IKA公司。

1.3 试验方法

1.3.1 玉米种皮基本成分的分析

水分含量测定：GB／T 5009.3—2003直接干燥法；粗蛋白含量测定：GB／T 5009.5—2003凯式定氮法；淀粉含量测定：GB／T 5009.9—2008酶水解法；粗脂肪含量测定：GB／T 5512—2008索氏提取法；总膳食纤维含量测定：AACC32-07；不可溶性膳食纤维和可溶性膳食纤维含量测定：AACC32-06［15］；灰分含量测定：GB／T 2009.4—2003重量法。

1.3.2 酶法制备水溶性膳食纤维的工艺流程见图1。

图1 制备水溶性膳食纤维的工艺流程

1.3.3 玉米种皮的去蛋白、去淀粉处理

准确称取10 g玉米皮，按1∶15的料液比加水，调节pH 7.5，加入0.6%的中性蛋白酶，在42℃条件下水浴搅拌3.5 h（120 r／min），以最大限度去除蛋白质。再调节pH 5.5，加入总量为0.3%的中温α-淀粉酶和糖化酶（1∶1），在55℃条件下水浴搅拌1 h（120 r／min），此时蛋白质和淀粉去除彻底。反应完毕，100℃水浴灭酶10 min，离心收集沉淀物，烘干粉碎。按此方法可制得玉米皮不溶性膳食纤维（IDF），取样测定残余蛋白质量和残余淀粉量。

1.3.4 复合纤维素酶和木聚糖酶改性制备SDF

选用复合纤维素酶（最适pH 4.5～6.5，最适作用温度50～60℃）和木聚糖酶（最适pH 4～6，最适作用温度40～65℃）［16］，这2种酶的作用条件有相交区间，故酶解时考虑采用同一条件同时添加进行改性制备。将脱蛋白、脱淀粉后的玉米皮 IDF按1∶15的料液比加水，调节温度和pH，加入复合纤维素酶和木聚糖酶，水浴搅拌（120 r／min）酶解特定时间，反应完毕100℃水浴灭酶10 min。

1.3.4.1 复合纤维素酶和木聚糖酶酶解条件的确定

酶解液离心分离，收集上清液，通过DNS比色法测定上清液中还原糖和总糖含量。以SDF得率为指标，分别对影响酶解反应的酶添加量、温度、pH及酶解时间进行单因素试验和L9（34）正交试验，确定最佳酶解条件。

1）酶添加量对SDF得率的影响

将去蛋白、去淀粉后离心所得的玉米皮渣按一定的料液比加水，调节pH至5.0，分别添加复合纤维素酶和木聚糖酶（1∶1）总量 0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%，在温度50℃下酶解6 h。酶解液离心后取上清液，测其还原糖和总糖含量。

2）酶解温度对SDF得率的影响

将去蛋白、去淀粉后离心所得的玉米皮渣按一定的料液比加水，调节pH至5.0，添加复合纤维素酶和木聚糖酶（1∶1）总量 0.6%，分别在温度 45、50、55、60、65℃下酶解6 h。酶解液离心后取上清液，测其还原糖和总糖含量。

3）酶解pH对SDF得率的影响

将去蛋白、去淀粉后离心所得的玉米皮渣按一定的料液比加水，分别调节 pH至4.0、4.5、5.0、5.5、6.0，添加复合纤维素酶和木聚糖酶（1∶1）总量0.6%，在温度50℃下酶解6 h。酶解液离心后取上清液，测其还原糖和总糖含量。

4）酶解时间对SDF得率的影响

将去蛋白、去淀粉后离心所得的玉米皮渣按一定的料液比加水，调节PH至5.0，添加复合纤维素酶和木聚糖酶（1∶1）总量0.6%，在温度50℃下，分别酶解 4、6、8、10、12 h。酶解液离心后取上清液，测其还原糖和总糖含量。

1.3.4.2 可溶性膳食纤维（SDF）得率的计算［17］

SDF得率＝总糖得率-还原糖得率

1.3.5 玉米皮SDF的性质研究

1.3.5.1 黏度的测定

采用NDJ-1旋转型黏度计，选择1号转子，在转速60 r／min条件下测定浓度为10%的玉米皮SDF样品的表观黏度。

1.3.5.2 透明度测定

在720 nm波长下，测定浓度为5%的玉米皮SDF溶液的透光率，以蒸馏水作为空白［6］。

1.3.5.3 溶解度测定

准确称取一定量的玉米皮SDF样品溶解于一定体积的蒸馏水中，搅拌均匀，20℃的中性条件下静置30 min，3 000 r／min条件下离心 20 min，将上清液倒入已恒重的铝盒中，置于105℃烘箱中干燥至恒重，称重得溶解度。

溶解度＝上清液干燥后的固形物含量／所取蒸馏水体积

1.3.5.4 持水力测定

准确称取1.00 g玉米皮SDF于50 mL已知重量的离心管中，加入25 mL去离子水，室温下搅拌30 min，在4 000 r／min条件下离心 20 min，轻轻倾去上清液，倒置离心管5 min，用滤纸吸干离心管内残存水，最后称量。

持水力＝（样品湿重-样品干重）／样品干重

1.3.5.5 膨胀力测定

根据床体积法［18］测定膨胀力，将样品粉碎并过筛（60目），准确称取1.00 g玉米皮SDF，置于10 mL刻度的玻璃试管中，用移液管准确吸取5.00 mL蒸馏水加入试管中。震荡均匀后于室温下放置24 h，读取试管中液体的总体积（mL），经下式计算可得膳食纤维的膨胀力。

膨胀力（mL／g）＝［膨胀后体积（mL）-干品体积（mL）］／样品干重（g）1.3.6 数据统计与分析

使用Excel 2007、SPSS18.0分析软件对数据进行数据分析，在P＜0.05检验水平对数据进行统计学处理。

2 结果与分析

2.1 玉米种皮基本成分分析

测得粉碎后的玉米种皮基本成分含量见表1。

表1 玉米种皮中基本成分及含量

由表1可知，相对于蛋白质、淀粉含量低得多，综合考虑成本和处理效果，选择用石油醚进行脱脂。据报道［5］，玉米皮中蛋白质以特殊的立体结构组成蛋白质网，这种蛋白质网包裹着淀粉颗粒，因此先采用中性蛋白酶水解蛋白，使玉米皮暴露出淀粉分子，再同时添加中温α-淀粉酶和糖化酶（1∶1）去除淀粉。总膳食纤维中大部分都是不溶性膳食纤维，所以采用复合纤维素酶和木聚糖酶改性，将不溶性膳食纤维转化为水溶性膳食纤维。

2.2 玉米种皮的去蛋白、去淀粉处理结果

玉米皮表面蛋白和淀粉杂质的去除结果直接影响到SDF产品的纯度和得率。经测定，按上述方法杂质去除较充分，蛋白质质量分数由反应前的9.21%下降至0.76%，淀粉质量分数由反应前的12.34%下降至0.58%，由此可看出，本方法去蛋白质和淀粉效果显著。与之前研究相比，去蛋白、去淀粉处理后悬浮液统一进行一次离心分离，既简化了工艺步骤，减少了水的使用量，又使得工艺设计更加合理化。而且，中性蛋白酶最适温度选定42℃，中温α-淀粉酶和糖化酶混合酶解最适温度选定55℃，先去蛋白再直接升温去淀粉，工业上控制方便，减少了能源消耗。

2.3 复合纤维素酶和木聚糖酶酶解最佳条件优化结果与分析

2.3.1 酶解单因素对SDF得率的影响

2.3.1.1 酶添加量对SDF得率的影响

由图2可以看出，总糖和还原糖得率随酶添加量的增加而显著增加，SDF得率先增加后减少。当酶添加量小于0.8%时，SDF得率逐渐增加，原因是随着酶添加量的增加，复合纤维素酶和木聚糖酶可以使玉米皮中的非水溶纤维发生降解，分子间氢键断裂，分子链被切断，不溶性纤维的结晶结构遭到破坏，分子聚合度降低，溶解性增加，所以总糖、还原糖和SDF得率增加。当酶添加量大于0.8%时，SDF得率开始降低，原因是随着酶添加量的继续增加，水解的进行，作用于分子非还原性末端的外切酶和糖苷酶［16］的底物浓度提高，水解中间产物SDF降解为小分子糖类，导致SDF的生成速率小于降解速率，所以总糖和还原糖得率增加，SDF得率下降，由此确定最佳酶添加量为0.8%左右。

图2 酶添加量对SDF得率的影响

2.3.1.2 酶解温度对SDF得率的影响

由图3可以看出，酶解反应速度受温度影响较大，总糖、还原糖和SDF的得率随着酶解温度的升高均先升高后降低。当温度小于55℃时，3种糖的得率随温度升高显著增加，当温度大于55℃时，酶的活性随之降低，反应速度减慢，3种糖的得率开始下降，SDF得率在55℃时最大，由此确定最佳酶解温度为55℃左右。

图3 酶解温度对SDF得率的影响

2.3.1.3 酶解pH对SDF得率的影响

由图4可以看出，总糖、还原糖和SDF的得率随着酶解pH的升高均先升高后降低。当pH小于5.5时，3种糖的得率随pH的升高增加，当pH大于5.5时，酶的活性随之降低，反应速度减慢，3种糖的得率开始下降，SDF得率在pH为5.5时出现明显峰值，由此确定最佳酶解pH为5.5左右。

图4 酶解pH对SDF得率的影响

2.3.1.4 酶解时间对SDF得率的影响

由图5可以看出，总糖得率随酶解时间的增加而增加，当达到10 h时增速趋平，还原糖得率持续增加，SDF得率先增加后减少。当时间小于8 h时，SDF得率随时间延长逐渐增加，当时间大于8 h时，SDF得率开始出现下降趋势。总糖得率增长到一定阶段趋平，主要是受到玉米皮中的不可酶解物质含量的限制。还原糖得率持续增加，SDF得率先增加后降低，原因可能是，反应初期水解酶主要作用于大量的不溶性纤维，随着水解时间的延长，中间产物SDF的浓度逐渐增大，SDF同时被降解成小分子糖类，当达到一定程度，不溶性纤维的浓度降低，更多的酶作用于SDF，SDF的降解速率最终大于生成速率。综合考虑能耗等因素，确定最佳酶解时间为8 h左右。

图5 酶解时间对SDF得率的影响

2.3.2 酶解工艺的优化

在单因素基础上，选取酶添加量、酶解温度、酶解pH、酶解时间等因素设计正交试验，以SDF得率为指标，进行四因素三水平L9（34）正交试验，确定最佳酶解条件，正交试验的因素水平见表2。按照L9（34）设计，以SDF得率为指标进行正交试验，结果见表3。

表2 正交试验因素水平表

表3 正交试验L9（34）结果表

对结果进行方差分析，结果见表4。

极差分析和方差分析结果表明，4种因素对SDF得率的影响大小依次为D＞A＞B＞C，即酶解时间＞酶添加量＞酶解温度＞酶解pH，其中，酶解时间和酶添加量对结果影响显著，最佳反应组合为A2B3C2D2，即酶解工艺确定为：酶添加量0.8%，酶解温度58℃，酶解pH 5.5，酶解时间8 h。按此最佳组合方案A2B3C2D2作验证试验，经3次重复试验，测得平均SDF得率为13.82%，与正交试验结果相符，由此表明此正交试验得出的最佳酶解工艺符合实际。

表4 正交试验方差分析结果

2.4 玉米皮SDF的理化性质

按本工艺制得的玉米皮SDF是一种有淡淡香味的微黄色粉末，产品的主要性质见表5。

表5 玉米皮SDF的理化性质

由表5可看出，玉米皮SDF的黏度较低，其仅为4.52 mPa·s，且产品的溶解性、持水性、膨胀性均比较好。分析原因是，在酶解中膳食纤维被降解，纤维结构被破坏，变得疏松，而且生成了聚合度低、具有一定持水性的多糖产物，使得溶解性和持水力等性质均明显得到改善。

3 结论

采用分步加酶、分段控制、一次性分离的方法去除蛋白质和淀粉杂质比较充分，蛋白质质量分数由反应前的9.21%下降至0.76%，淀粉质量分数由反应前的12.34%下降至0.58%。通过单因素和正交试验优化了酶解工艺，确定复合纤维素酶和木聚糖酶混合改性制备SDF的最佳工艺条件为：酶添加量0.8%、酶解温度58℃、酶解pH 5.5、酶解时间8 h，SDF得率高达13.82%。

依此优化工艺制得的玉米皮水溶性膳食纤维产品是一种黏度低，溶解性、持水性、膨胀性很好的微黄色粉末，纯度高，安全性好。本试验设计简化了工艺步骤，有效的降低了生产成本和能源消耗，设备投资少，产品品质好、得率高，具有广阔的工业化生产前景。

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