挤压处理提高玉米麸皮水溶性多糖含量及其抗氧化活性研究

王文侠，李馥邑，徐伟丽，宋春丽，王智平

(1.齐齐哈尔大学食品与生物工程学院，黑龙江省普通高校农产品加工重点实验室，黑龙江齐齐哈尔 161006;2.哈尔滨工业大学食品科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150090)

据美国农业部报道，2012年全球玉米总消费量为8.64亿吨，其中工业消耗量达3.57亿吨，占总消费量的41.28%［1］。玉米麸皮作为玉米深加工的副产物，占玉米籽粒干重的15%以上［2］，其产量亦不可小觑。玉米麸皮主要成分为半纤维素、纤维素及木质素等［3］，是良好的食用、药用植物活性多糖来源，但由于缺乏相应的应用基础研究，绝大多数用于饲料生产或废弃，并未得到充分利用，造成食物资源浪费。玉米麸皮高附加值的综合利用已成为玉米深加工企业实现玉米资源化利用必需解决的问题。研究表明，植物水溶性活性多糖具有良好的降血糖、降血脂、抗病毒、抗肿瘤、抗氧化及预防结肠癌等生理功能［4］，而其作为一种食品配料也广泛应用于食品加工中，如制备高纤维面包、饼干、饮料、糖果等健康食品［5］。

挤压技术集输送、混合、加热及加压等多种单元操作于一体，物料在挤压机筒内受到高温、高剪切作用，在短时间内可实现部分大分子聚合物直接或间接低聚化，从而提高水溶性物质含量。目前该技术在提高谷物膳食纤维功能特性方面已有所应用，但是未见采用挤压处理提高玉米麸皮水溶性多糖含量的相关报道，而经常规方法提取的水溶性多糖得率较低，仅约为6.94%［6］，亦未达到提高其附加值的目的。本文以玉米麸皮为原料，采用双螺杆挤压技术对玉米麸皮进行改性处理，以期提高其可溶性多糖得率，并对改性前后所得玉米皮粗多糖的抗氧化活性进行初步比较，以期为玉米副产物高附加值综合利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玉米麸皮 黑龙江省镜泊湖农业开发有限公司;耐高温 α－淀粉酶(50000U/g)、碱性蛋白酶(102511U/g)丹麦诺维信公司;无水乙醇、浓硫酸、氢氧化钠、盐酸、Tris、邻苯三酚、三氯乙酸、邻二氮菲、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、硫酸亚铁等，均为分析纯。

SHJ－36型双螺杆挤出机 南京杰亚挤出装备有限公司;LK－600A型高速万能粉碎机 上海新诺仪器设备有限公司;UV－120－02紫外分光光度计 日本岛津;722S型可见分光光度计 上海精密科学仪器有限公司;RE－52AA旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂;TDL－5－A型低速台式离心机 北京医用离心机厂;HH－S1电热恒温水浴锅 上海跃进医疗仪器厂;THZ－82A水浴恒温振荡器 金坛市杰瑞尔电器有限公司;FJFXI－DRG冷冻干燥机 U.S.Pat.;PB－10酸度计 北京赛多利斯仪器系统有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 玉米麸皮水溶性多糖制备工艺流程 玉米麸皮→粉碎过筛(不同目数)→挤压处理→切割成型→粉碎过筛(60目)→可溶性多糖提取→离心→上清液→醇沉→干燥→粗多糖

1.2.2 双螺杆挤出单因素及正交实验设计 利用双螺杆挤出机对湿法生产玉米淀粉所得副产物玉米皮进行单因素挤出实验，挤出机基本技术参数为:螺杆长度1100mm，螺杆直径36mm。

固定螺杆转速175r/min，物料粒度8目，喂料速度25kg/h及加水量30%的条件下，通过控制腔体加热系统和冷却装置调节熔体温度，考察不同熔体温度(90、100、110、120、130、140℃)对多糖提取率的影响。

固定螺杆转速175r/min，物料粒度8目，喂料速度25kg/h及溶体温度120℃的条件下，考察不同物料加水量(15%、20%、25%、30%、35%;以干物质量计)对多糖提取率的影响。

固定物料粒度8目，喂料速度25kg/h，加水量30%及溶体温度120℃的条件下，考察不同螺杆转速(125、150、175、200、225r/min)对多糖提取率的影响。

固定螺杆转速175r/min，物料粒度8目，喂料速度25kg/h，加水量30%及溶体温度120℃的条件下，考察不同喂料量(20、25、30、35、40、45kg/h)对多糖提取率的影响。

固定螺杆转速175r/min，喂料速度25kg/h，加水量30%及溶体温度120℃的条件下，考察不同物料粒度(8、20、30、40、60目)对多糖提取率的影响。

由单因素方差分析可知物料粒度及喂料速度影响不显著(p＞0.05)，故在固定物料粒度(8目)及喂料速度(25kg/h)的条件下，以可溶性多糖提取率为指标，对螺杆转速、熔体温度及加水量进行L9(34)正交实验，确定最佳挤出工艺条件。实验各因素水平设计见表1。

表1 实验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.3 可溶性粗多糖的提取 取一定量60目挤出处理玉米麸皮，采用CO2超临界技术进行脱脂，按料液比1∶40加入蒸馏水，在100℃下保温30min糊化。调pH至6.0，加入5%的耐高温α－淀粉酶，95℃水浴搅拌2h，再将pH调至8.0，加入5%碱性蛋白酶，55℃水浴搅拌2h，沸水浴灭酶10min。5000r/min离心10min后取上清液，真空浓缩后加入4倍体积的无水乙醇，醇沉过夜，离心后醇析物经冷冻干燥得玉米麸皮可溶性粗多糖。

1.2.4 可溶性多糖含量测定及多糖得率计算 取一定量提取液，醇沉后沉淀加水复容至原体积，采用苯酚－硫酸法比色法［7］测其多糖浓度。

1.2.5 蛋白质含量测定 采用福林酚法［8］测定

1.2.6 糖醛酸含量测定 采用间羟基联苯法［9］测定

1.2.7 多糖分子量测定 采用高效液相色谱法

色谱条件:色谱柱:TSK－GEL G－6000PwxL column(7.8mm ×300mm)与 TSK－GEL G－3000PwxL column(7.8mm×300mm)串联;泵:安捷伦1200液相泵;检测器:示差检测器;柱温:35℃;流动相:超纯水;流速:0.8mL/min，进样量20μL。

葡聚糖标准曲线绘制:配制同浓度不同分子量的葡聚糖标准品，相继进样后采集图谱。以标准品对数Lg Mw为纵坐标，保留时间tR为横坐标，绘制“Lg Mw－tR”曲线，并求得其回归方程。

样品分子量的测定:将上述粗多糖同浓度配制后过0.45μm滤膜，进样后据图谱中所得保留时间，通过上述回归方程计算粗多糖分子量。

1.2.8 挤出粗多糖抗氧化性质测定 分别配制浓度为2、4、6、8、10mg/mL 的玉米皮粗多糖溶液，对挤压前后玉米皮制得的活性粗多糖进行抗氧化活性的测定。

对羟自由基清除能力:采用邻二氮菲－Fe2+氧化法［10］测定。

对超氧阴离子的抑制能力:采用邻苯三酚自氧化法［11］测定。

对DPPH自由基清除能力:采用比色法［12］测定。

还原能力:采用铁氰化钾法［13］测定。

1.3 数据分析

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 溶体温度对多糖得率的影响 由图1可知，多糖的得率呈现先增后减的趋势，在130℃时达到峰值为19.32%。挤压过程中，适当的高温可提高反应自由能，促进改性作用进行，但挤出温度过高(超过140℃)，挤出程度过于剧烈，水分蒸发速度过快，物料出现焦糊现象，使生产无法正常进行。而溶体温度过低，物料亦不能得到充分改性，致使得率降低。经单因素方差分析，溶体温度对多糖得率影响显著(p＜0.05)。

图1 熔体温度对多糖得率的影响Fig.1 Effects of melt temperature on polysaccharides yield

2.1.2 加水量对多糖得率的影响 由图2可知，随着加水量的减少，多糖得率呈增加趋势。加水量为15%时得率高达22.83%，但加水量低于20%时物料很难挤出，15%时近乎于焦料。可能是因为高温挤出时，含水量过低，纤维挤出前润湿度低，纤维束过于紧密，挤出过程中蒸汽发生量过少，对分子的切割力减弱，物料液化流动性差，输送滞缓，出现焦糊现象。含水量过高，挤出过程中加速物料流动性，挤出温度迅速降低，物料未经充分改性处理即被挤出，导致可溶性多糖得率降低。经单因素方差分析，加水量对多糖得率影响显著(p＜0.05)。

图2 加水量对多糖得率的影响Fig.2 Effects of water addition on polysaccharides yield

2.1.3 螺杆转速对多糖得率的影响 在确保机器正常运转条件下，恒定喂料速度时，螺杆需满足饿式喂料所需转速，过慢时物料剪切摩擦力度不够且易返料，难以完成挤出过程，过快则物料在清体内停留时间过短，腔体内部处于长期“饥饿”状态，不易形成高压，玉米皮的改性力度不够。由图3可知，多糖得率随螺杆转速的增加呈现先增后减的趋势，在175r/min时得率最高达14.37%。经单因素方差分析，螺杆转速对多糖得率影响显著(p＜0.05)。

图3 螺杆转速对多糖得率的影响Fig.3 Effects of screw speed on polysaccharides yield

2.1.4 喂料速度对多糖得率的影响 由图4可知，在满足螺杆转速的条件下，多糖得率随喂料速度增大呈现先减后增的趋势，20kg/h时得率最高达15.14%，但其单位时间产糖量没有25kg/h高。而45kg/h的单位产糖量虽与其相当，但原料损耗较大，故喂料速度选用25kg/h。经单因素方差分析，喂料速度对多糖得率影响不显著(p＞0.05)。

图4 喂料速度对多糖得率的影响Fig.4 Effects of feeding speed on polysaccharides yield

2.1.5 物料粒度对多糖得率的影响 物料粒度对多糖得率的影响如图5所示:

由图5可知，物料粒度在20目以上时对多糖得率影响不大，由此可见物料粒度过小时，物料在腔体内已发生打滑，与腔体之间的摩擦力与剪切力相应减少，此时并不利于多糖的提取，而物料粒度大于8目时物料输送困难，甚至出现返料现象，故物料粒度选用8目。经单因素方差分析，物料粒度对多糖得率影响不显著(p＞0.05)。

2.2 挤出条件确定

正交实验结果及方差分析见表2、表3。

图5 物料粒度对多糖得率的影响Fig.5 Effects of granularity of material on polysaccharides yield

表2 正交实验结果Table 2 Results of orthogonal test on extrusion conditions

通过分析可知在固定物料粒度为8目，喂料量为25kg/h的条件下以上各因素对多糖得率影响程度依次为C＞B＞A。即加水量＞溶体温度＞螺杆转速，与方差分析结果一致。优组合为A1B3C1，由方差分析结果可知加水量对可溶性多糖得率影响极显著，经验证该条件下所得玉米皮多糖的得率达24.91%。故经优化实验条件确定最佳挤压条件为:螺杆转速150r/min，加水量20%，熔体温度140℃。

2.3 粗多糖分子量、得率及主要成分含量对比

葡聚糖标准品在分子量为3～2000ku范围内，Lg Mw－tR呈较好的线性关系，线性回归方程为:y=－0.4212x+13.914，R2=0.9916。

从图6中可明显看出玉米皮经挤压处理后粗多糖分子量有所下降，可能因玉米皮纤维在挤压处理过程中受到高温、摩擦、剪切、熔融等作用时发生断裂，分子量减小。由表4可知经挤压处理后玉米皮多糖得率达到24.91%，是挤压前得率的2.7倍。经分增加。经挤压处理后玉米皮粗多糖中总糖和糖醛酸含量增加，蛋白质含量下降，说明粗多糖纯度有所提升，可为后续进一步纯化奠定了良好的基础。

图6 玉米皮粗多糖分子量的测定Fig.6 The determination of molecular weight of corn fiber polysaccharides

表3 方差分析Table 3 Orthogonal test analysis of variance table

表4 挤压处理前后提取多糖得率及粗多糖主要成分比较Table 4 Yield and major components of polysaccharides under extrusion treat

2.4 挤压处理对粗多糖抗氧化性质的影响

2.4.1 对羟自由基清除能力 羟自由基是一种氧化能力很强的活性氧自由基，研究表明，羟自由基与衰老、肿瘤、辐射损伤及细胞吞噬作用有关［14］。

从图7中可以看出挤出前后玉米皮所得粗多糖对羟自由基均有一定的清除能力，且挤出后玉米皮制得粗多糖对羟自由基清除能力有所提升，并在给定浓度范围内呈现剂量依存关系，即清除率随浓度增加而增大，EC50=5.89mg/mL。在浓度为10mg/mL时，经挤压处理后的玉米皮所提粗多糖对羟自由基的清除能力达到85.1%，是未经处理玉米皮所得粗多糖的2.4倍。

图7 挤压对玉米皮粗多糖清除羟自由基能力的影响Fig.7 Effects of extrusion on the hydroxy free radical scavenging effects of corn fiber polysaccharides

图8 挤出对玉米皮活性粗多糖清除DPPH自由基能力的影响Fig.8 Effects of extrusion on the DPPH scavenging effects of corn fiber polysaccharides

2.4.3 对超氧阴离子自由基清除能力 超氧阴离子自由基是氧气在生物体内最先生成的自由基，不仅其自身具有很强的毒性，还可经反应生成其他氧自由基，从而加速机体老化，诱发各种疾病，对生物体造成进一步危害。

从图9中可以看出两种粗多糖溶液对超氧阴离子都有一定的清除作用，而且在给定范围内呈现剂量依赖性关系;但可以明显看出经挤压处理玉米皮制得的粗多糖对超氧阴离子清除率明显比未经处理玉米皮制得粗多糖的清除率高，在浓度为10mg/mL时，其清除率为32.5%，约为未处理玉米皮制得粗多糖的3.4倍。

图9 挤出对玉米皮活性粗多糖清除超氧阴离子自由基能力的影响Fig.9 Effects of extrusion on the superoxide anion radical scavenging effects of corn fiber polysaccharides

图10 挤出对玉米皮粗多糖还原能力的影响Fig.10 Effects of extrusion on the reducing power of corn fiber polysaccharides

3 结论

最佳挤压处理条件为:螺杆转速150r/min，加水量20%，熔体温度140℃，物料目数为8目，喂料量为25kg/h。玉米皮在上述前处理条件下，多糖的得率达24.91%，是未经挤压处理的2.7倍。挤压处理使玉米麸皮粗多糖的清除羟自由基、超氧阴离子自由基、DPPH自由基及还原能力均有不同程度提高，对羟自由基及超氧阴离子自由基作用尤为显著。

［1］高瑞娟.2012年中国玉米市场回顾及2013年展望［J］.中国畜牧杂志，2013，49(4):3－6.

［2］张艳荣，刘相阳，于君.玉米皮多糖的组成及结构［J］.食品科学，2011，32(3):64－67.

［3］Devin J Rose，George E Inglett，Sean X Liu.Utilisation of corn(Zeamays)bran and corn fiber in the production of food components［J］.J Sci Food Agric，2010，90:915－924.

［4］刘姚，欧阳克蕙，葛霞.植物多糖生物活性研究进展［J］.江苏农业科学，2013，41(1):1－3.

［5］荆晓飞，崔波.玉米皮功能性食品成分的研究进展［J］.粮食与食品工业，2013，20(2):26－29.

［6］芦菲，李波，李春阳，等.玉米皮多糖的制备方法及结构研究［J］.安徽农业科学，2008，36(17):7445－7446.

［7］张惟杰.糖复合物生化研究技术［M］.杭州:浙江大学出版社，2006.291－296.

［8］张水华 .食品分析［M］.北京:中国轻工出版社，2007.163－164.

［9］许会升，张铁军，赵广荣，等.一种测定酸性多糖中糖醛酸和中性糖含量的改良方法［J］.食品工业科技，2007，28(7):197－199.

［10］何玲玲，王新，刘彬，等.板栗多糖的分离纯化及抗氧化活性研究［J］.食品与机械，2010，26(2):73－74.

［11］张宏，谭竹钧.四种邻苯三酚自氧化法测定超氧化物歧化酶活性方法比较［J］.内蒙古大学学报，2002(11):677－678.

［12］马永全，刘福瑜，于新.南药五味子提取物清除自由基活性的研究［J］.食品工业，2010(3):1－3.

［13］陈文学，豆海港，仇厚援.丁香提取物的抗氧化研究［J］.食品研究与开发，2006，127(1):149－151.

［14］莫简.医用自由基生物学导论［M］.北京:人民卫生出版社，1989.21－25.