纤维素酶和半纤维素酶改性胡萝卜纤维的研究*

刘欢，贺连斌，魏静，马中苏

(吉林大学生物与农业工程学院，吉林 长 春，130025)

纤维素酶和半纤维素酶改性胡萝卜纤维的研究*

刘欢，贺连斌，魏静，马中苏

(吉林大学生物与农业工程学院，吉林 长 春，130025)

以胡萝卜渣中的纤维为原材料，研究纤维素酶和半纤维酶对胡萝卜纤维的长度、宽度以及还原糖浓度和聚合度的影响，并对在胡萝卜纤维改性过程中纤维素酶和半纤维酶协同作用的机理进行探讨。结果表明，纤维素酶和半纤维素酶复合使用比单一酶对胡萝卜纤维改性效果明显。在两者的协同作用下，可以改善纤维表面的细纤维化，提高纤维的酶解产率，降低纤维的聚合度。

纤维素酶，半纤维素酶，胡萝卜纤维

植物纤维是地球上最大的可再生资源和最丰富的多糖类物质，它主要由纤维素、半纤维素、木质素等组成。传统的酶改性仅使用纤维素酶，但经过处理的植物纤维仍然含有半纤维素和少量的木质素，半纤维素和木质素对纤维素酶具有同样的吸附作用，使得纤维素酶的用量增加。通过其他酶与纤维素酶配合，可以增加纤维素酶的利用率，以及改善纤维的性能［1－2］。因此，研究纤维素酶和半纤维素酶之间、复合纤维素酶各组分之间的协同作用，以及各个纯化的酶组分在酶改性中所起作用成为研究的热点。在食品工业中，纤维素酶、半纤维素酶和果浆酶一起使用有利于水果和蔬菜的浸软及果汁的澄清［3－4］。

近年来，果蔬饮料消费量逐年增加，而这些产品在加工过程中产生大量果蔬渣。这些果蔬渣除很少一部分经粗加工用作动物饲料、发酵柠檬酸、提取果胶外，大部分作为废弃物被丢弃，造成农副产品的巨大浪费。据估计，我国每年产生的鲜苹果渣约100万t［5］。在胡萝卜加工过程中，得到的胡萝卜渣约占原料的30% ～50%，而其含有的胡萝卜纤维则占56%［6］。

本课题采用纤维素酶和半纤维素酶对胡萝卜纤维进行改性，通过对胡萝卜纤维的数量平均长度、小于0.2 mm的细小纤维含量、平均宽度以及还原糖浓度和聚合度的研究，分析在酶改性过程中纤维酶和半纤维素酶对纤维素分子链断裂的变化情况，并对两者协同作用的机理进行探讨。研究结果为胡萝卜纤维在膳食纤维食品、蔬菜纸和可食性包装材料的应用以及纤维素酶和半纤维素酶在纤维改性过程中协同作用的研究提供数据参考。同时，用胡萝卜渣作原料可减少环境污染，对提高胡萝卜附加值具有研究意义。

1 材料与方法

1.1 材料及仪器

酶制剂种类及其特性见表1。

表1 酶制剂种类及其特性

胡萝卜渣、柠檬酸、柠檬酸钠、NaOH、HCl、3，5-二硝基水杨酸、酒石酸钾钠、苯酚、NaHSO3、I2、KI、Na2S2O3、Na2SO4、Na2CO3、CuSO4·5H2O、氨水、乙二胺、甲基橙、淀粉、硫氰酸铵。

HJ-4型多头磁力搅拌器，江苏金坛市恒丰仪器厂;GB-303型电子天平，梅特勒－托利多仪器(上海)有限公司;KFG-01型电热恒温鼓风干燥箱，湖北省黄石市医疗仪器厂;TU-1810紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司;PHS-25数字酸度计，杭州东星仪器设备厂;碱式滴定管，沈阳市卫工玻璃计器厂;0.57 mm型乌式黏度计，沈阳市卫工玻璃计器厂;JZ-K型造纸纤维测量仪，南通三思机电科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 胡萝卜纤维的制备

胡萝卜渣和水按质量比1∶2混合，用10%HCl调节料液至pH值1.5，85℃下浸提2h，过滤，水洗滤渣至中性。滤渣按料液比1∶10(g∶mL)加入10%NaOH溶液，25℃浸提20 h，用滤布过滤，水洗滤渣至中性，加入等量NaClO，再用50%醋酸调节至pH 6，50℃加热1h，冷却至室温，过滤。

1.2.2 胡萝卜纤维的改性

酶改性条件:pH值4.8，温度50℃，时间1 h;胡萝卜纤维用量为20 g/L;纤维素酶用量分别为30、60、90、120和150 IU/g;半纤维素酶用量分别为0、12、24、36、48 和 60 IU/g。

1.2.3 纤维素的长度和宽度

采用JZ-K造纸纤维测量仪进行纤维长度和宽度的测定。

1.2.4 纤维素的聚合度

按照GB/T1548-1989《纸浆黏度的测定—毛细管法》来测定纸浆黏度。利用黏度与聚合度关系，计算出纤维素分子的聚合度(DP)。

1.2.5 纤维素的还原糖浓度

DNS 配制:3，5-二硝基水杨酸 7.5 g、NaOH 14.0 g、酒石酸钾钠216 g、苯酚5.5 mL和 NaHSO36.0 g分别溶解于1 000 mL蒸馏水中，棕色瓶冷藏保存。

取1支刻度试管放入0.05 g胡萝卜纤维试样，分别加入0.5 mL酶液和1 mL的0.05 mol/L柠檬酸缓冲液(pH 4.8)。50℃水浴中保温1h后取出，加入3 mL DNS溶液，充分摇匀后沸水浴显色5 min，取出冷却后用蒸馏水定容到25 mL，充分混匀，静置20 min。在540nm波长下测定OD值，由葡萄糖标准曲线方程计算出还原糖浓度(以葡萄糖表示)。

2 结果与分析

2.1 纤维素酶和半纤维素酶用量对胡萝卜纤维长度的影响

试验结果见表2。从表2可以看出，在纤维素酶用量一定，半纤维素酶用量为0～24 IU/g时，随半纤维素酶用量的增加，数量平均长度上升，细小纤维含量下降。这因为半纤维素酶优先吸附到半纤维素和细小纤维的表面，半纤维素和细小纤维被酶解溶出。同时，半纤维素酶破坏了半纤维素对纤维素酶吸附作用，纤维素酶的酶解效率提高。细小纤维部分被酶解溶出，导致细小纤维含量的下降，故纤维的数量平均长度相应上升［7］。半纤维素酶用量为24～60 IU/g时，随半纤维素酶用量的增加，细小纤维含量上升，纤维数量平均长度下降。这因为半纤维素和细小纤维已被酶解溶出，纤维素酶酶解作用增强，长纤维被分裂成尺寸较小的细小纤维，从而使纤维的数量平均长度相应下降。

表2 纤维素酶和半纤维素酶用量对胡萝卜纤维长度的影响

在半纤维素酶用量一定，纤维素酶用量为30～60 IU/g时，随纤维素酶用量的增加，纤维的数量平均长度有所上升，但上升幅度不大。这因为虽然酶在细小组分上的酶解作用比纤维组分占优势，但细小纤维也具有一定的结晶度，所以在纤维素酶酶解过程中仍有一部分存留在纤维中，故纤维的数量平均纤维长度改变不明显。纤维素酶用量为60～150 IU/g时，随着纤维素酶用量增加，细小纤维含量上升，纤维的数量平均长度下降。这因为纤维素酶活力的增加，使其对纤维结晶区作用增强，长纤维被酶解分裂成尺寸较小的纤维，故纤维的数量平均长度下降［8］。

2.2 纤维素酶和半纤维素酶用量对胡萝卜纤维平均宽度的影响

试验结果见表3。从表3可以看出，在纤维素酶用量一定，随着半纤维素酶用量的增加，纤维平均宽度略有降低。这因为半纤维素酶酶解半纤维素和细小纤维，减少了空间阻碍，提高了纤维素酶的活力，纤维平均宽度降低。但半纤维素酶主要吸附于半纤维素和细小纤维，对纤维表面不产生“剥皮”效应，故纤 维的平均宽度改变不明显［10］。

表3 纤维素酶和半纤维素酶用量对胡萝卜纤维平均宽度(mm)的影响

在半纤维素酶用量一定，随着纤维素酶用量的增加，纤维素酶处理后的纤维平均宽度明显变小。这因为纤维素酶和半纤维素酶协同作用，使纤维表面的P层、S1层脱除，使得纤维的平均宽度降低。

2.3 纤维素酶和半纤维素酶用量对胡萝卜纤维还原糖浓度的影响

试验结果见图1。从图1可以看出，在纤维素酶用量一定，半纤维素酶用量为0～48 IU/g时，随着半纤维素酶用量增加，还原糖浓度升高。这因为一方面半纤维素酶具有水解半纤维素和纤维素的双重活性，对纤维素表现出很大的亲和性，可以酶解半纤维素和细小纤维生成还原糖［9］;另一方面半纤维素和细小纤维被酶解溶出减少了空间阻碍，使得纤维素酶更容易吸附于纤维上，还原性末端的糖基被酶解脱离纤维，故还原糖浓度升高。半纤维素酶用量为48～60 IU/g时，还原糖浓度略有升高。这因为半纤维素酶反应位点与半纤维素和细小纤维结合接近饱和，酶解产物与反应物达到平衡状态，再增加酶用量也无法使还原糖的浓度得到明显升高。

图1 纤维素酶和半纤维素酶用量对还原糖浓度的影响

在半纤维素酶用量一定，纤维素酶用量为30～120 IU/g时，随着纤维素酶用量的增加，还原糖浓度升高。这因为随着纤维素酶用量的增加，酶解产量和速率增大，细小纤维被酶解溶出生成糖;另外，半纤维素酶的加入提高了纤维素酶的酶解效率，纤维素酶对纤维的无定型区和结晶区酶解作用增强，故纤维二糖分子和葡萄糖分子浓度升高。纤维素酶用量为120～150 IU/g时，还原糖浓度变化不明显。这因为纤维素分子与纤维素酶分子的结合位点是一定的，这些结合点全部被纤维素酶分子占据后，细小纤维被酶解溶出生成糖，使酶解产物与反应物达到平衡状态，故还原糖浓度变化不明显［10］。

2.4 纤维素酶和半纤维素酶用量对胡萝卜纤维聚合度的影响

试验结果见图2。从图2可以看出，在纤维素酶用量一定，半纤维素酶用量为0～24 IU/g时，随着半纤维素酶用量的增加，纤维聚合度升高。这因为半纤维素酶作用半纤维素和细小纤维，使其被酶解溶出，无定型区纤维比例减小，聚合度升高。当半纤维素酶用量为24～60 IU/g时，纤维的聚合度明显下降。这因为半纤维素和细小纤维已被酶解溶出，减少了空间位阻，使得纤维素酶更加容易吸附于纤维上，增强了纤维素酶对纤维的结晶区酶解作用，无定型区纤维比例增大，故纤维的聚合度下降。

图2 纤维素酶和半纤维素酶用量对聚合度的影响

在半纤维素酶用量一定，纤维素酶用量为30～60 IU/g时，随着纤维素酶用量的增加，纤维的聚合度变化不明显。这因为纤维素酶主要作用于细小纤维和纤维的无定型区，对纤维的结晶区酶解作用较弱［11］。纤维素酶用量为60～150 IU/g时，随着纤维素酶用量的增加，纤维聚合度降低。这是因为纤维素酶对纤维的结晶区酶解作用增强，无定型区纤维比例增大，纤维的聚合度降低。

3 结论

纤维素酶和半纤维素酶对纤维改性效果有很大影响，纤维素酶酶系中的外切酶(CBH)和内切酶(EG酶)组分以及半纤维素酶的协同作用，在对纤维改性中起到了重要作用［12］。本试验结果表明，两者合适的用量和比例对纤维性能指标的改善作用明显。

(1)纤维素酶用量为60～150 IU/g和半纤维素酶用量为24～60 IU/g时，酶对胡萝卜纤维细纤维化作用最明显，纤维的细纤维化能够提高纤维表面和整体的柔性;

(2)在纤维素酶用量为30～120 IU/g和半纤维素酶用量为0～48 IU/g时，酶解产率得到明显提高，有助于增加胡萝卜纤维的可溶性和可溶性固性物的含量;

(3)在纤维素酶用量为60～150 IU/g和半纤维素酶用量为24～60 IU/g时，半纤维素酶明显增强纤维素酶对纤维结晶区的酶解作用，使纤维的聚合度降低，低聚合度有利于胡萝卜纤维与天然高分子物质发生聚合反应。

综上所述，纤维素酶和半纤维素酶复合使用比单一酶对胡萝卜纤维改性效果明显。而且利用生物酶改性胡萝卜纤维，能够获得具有高活性、天然、安全和可食的纤维，可以将其应用于新型的蔬菜纸、膳食纤维食品和可食性包装材料中。同时，采用胡萝卜渣为原材料不仅能增加胡萝卜深加工的附加值、丰富可食纤维生产的原料来源，还有利于减小环境污染。

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Study on Carrot Fiber Modification with Cellulase and Hemicellulase

Liu Huan，He Lian-bin，Wei Jing，Ma Zhong-su
(School of Biological and Agricultural Engineering，Jilin University，Changchun 130025，China)

This paper studied the influence of cellulase and hemicellulase on the length，width，sugar content and polymerization degree of carrot pomace fiber.The mechanism of synergy of cellulase and hemicellulase modified carrot fiber was analyzed.The result indicated that the complex application of cellulase and hemicellulase was more obvious effect than the single enzyme.And the synergism of cellulase and hemicellulase could improve the thin fibrosis of the fiber surface，enhance the production rate of enzymolysis fiber，and reduce the polymerization degree of the fiber.

cellulase，hemicellulase，carrot fiber

博士研究生(马中苏教授为通讯作者)。

*国家高技术研究发展计划(863计划:编号:2008AA10Z308)和吉林省科技发展计划项目(编号:20060717)。

2010－08－09，改回日期:2010－09－27