一种提高非水溶性玉米膳食纤维持水力的方法

连小燕，钟振声

(华南理工大学化学学院，广东广州 510640)

一种提高非水溶性玉米膳食纤维持水力的方法

连小燕，钟振声*

(华南理工大学化学学院，广东广州 510640)

以玉米皮为原材料，采用酶法和化学方法相结合，制备膳食纤维。对制备得出的膳食纤维进行生物酶改性。检测其持水性能，并确定其改性的工艺条件。经过木聚糖酶处理的膳食纤维的持水力达5.70g/g，膨胀力为3.03mL/g，分别比原材料提高了65.70%和14.93%。并确定其优化的改性条件:pH为5.0，酶量为0.2mL/g，反应温度为55℃，反应时间为50min。经过纤维素酶处理的膳食纤维持水力为5.83g/g，膨胀力为2.73mL/g，分别比原材料提高了69.48%和3.70%。并确定其优化的改性条件pH为6.0，酶用量为0.1mL/g，反应温度为45℃，反应时间为2h。经过处理的膳食纤维持油能力较佳，为玉米皮深加工利用提供了新途径。

玉米皮，膳食纤维，生物酶改性，持水力

玉米皮是玉米淀粉生产过程中产生的副产物，数量非常巨大［1］，如果不合理利用，不但是对资源的浪费，而且还可能造成环境污染。我国拥有非常丰富的玉米加工副产物—玉米皮资源，利用玉米皮制备高活性膳食纤维可以减少资源浪费，保护环境，提高副产物的综合开发利用程度。玉米皮主要成分是多糖、半纤维素、蛋白和非水溶性纤维，是一种物美价廉的食物纤维源［2］。由检测结果可知，玉米皮中膳食纤维含量非常高，按照干基计算达到69.1%，是非常好的制备膳食纤维的原料。但是其中淀粉及蛋白质含量也较多，会影响到膳食纤维的生理功效。为了制备较纯的膳食纤维，提高总纤维含量，须对这些非纤维组分进行去除。另一方面，从玉米皮回收的非水溶性膳食纤维的理化性能欠佳，尤其是持水力和持油力，与从大豆粕中分离提取的非水溶性大豆膳食纤维有一定的差距。典型的数据是非水溶性玉米纤维的持水力为3.44g/g，非水溶性大豆膳食纤维的持水力为4.02g/g。来源于玉米皮的非水溶性膳食纤维持水力不高，其生理功效在应用中不能充分发挥。因此采用一定的方法对其进行改性，提高其持水力有研究意义及实际应用价值。本文提出一种从玉米皮中分离非水溶性玉米膳食纤维并提高其持水力的方法。通过化学方法和酶法相结合，选用合适的酶和反应条件，在温和地去除膳食纤维中的淀粉、蛋白质、脂肪等杂质的同时，可以有效地保护纤维素，并使其持水力得到显著提高。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玉米皮 山东瑞星集团公司，低温烘干过100目备用;耐高温α－淀粉酶、蛋白酶、糖化酶 广州裕立宝生物科技有限公司;氢氧化钠 AR，广州台山;盐酸、乙醚、过氧化氢、苯酚 AR，广州市东红化工厂。

PHs－25型精密pH计 上海精科厂;B－220型恒温水浴锅 上海亚荣生化仪器厂;Metter AE163型电子分析天平 瑞士;SHZ－D型循环水式真空泵河南巩义市英豫华仪器厂;DGX－9073B－1型电热鼓风干燥箱 上海福玛实验设备有限公司;85－2型恒温磁力搅拌装置 上海闵行虹浦仪器厂;粉碎机天津市泰斯特仪器有限公司;SRJX－6－13型马弗炉 上海锦屏仪器仪表有限公司;KDN－103F型定氮仪 上海纤检仪器有限公司;JL－11777型激光粒度分布测试仪 成都精新粉体测试设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 玉米皮全组分的测定 玉米皮的检测是实验研究的关键一步，采用国家标准以及改良的检测方法，确定玉米皮的组成成分。从而根据组分状况制定相应的提取纯化膳食纤维的方案，相应的常规成分的分析方法如下:

水分:GB－5009.3－85;脂肪:GB－5009.6－85;蛋白质:GB/T－5009.5－2003(凯氏定氮法);淀粉: GB－5009.4－2003;灰度:GB－5009.4－83;膳食纤维:改良的冷中性洗涤法［3］。

1.2.2 不溶性膳食纤维的制备

1.2.2.1 化学法制备玉米不溶性膳食纤维 对玉米种皮进行筛选洗涤，置于烘箱中烘干。使用粉碎机进行粉碎，过100目筛。加入乙醚溶液，浸泡1h，除去脂肪。浸泡时间不宜过长，会对玉米皮可溶性膳食纤维有损耗。加入固液比为1∶10的氢氧化钠溶液，调节pH为10，浸泡1h去除蛋白，溶液应该没物料。加1∶10的盐酸溶液调节pH至2，升温至60℃，均匀搅拌2h，使淀粉水解。加入5%过氧化氢，在55℃下脱色，过滤烘干粉碎，得到产物。参照1.2.1玉米皮全组分测定的方法检测制备产物的组成。

1.2.2.2 酶法制备玉米不溶性膳食纤维 由于本实验所用的玉米皮脂肪含量仅为4.19%，可采用直接加入乙醚去除的方法。耐高温a－淀粉酶和糖化酶共同作用于底物，可使淀粉含量下降。首先在pH6.5时，加耐高温a－淀粉酶样品，100℃水解30m in后降温至60℃，按6%(w/w)加糖化酶，60℃继续水解60m in，灭酶活。采用上述两种酶去除淀粉不仅可保留产品有效成分，还可使后续处理免去中和等工艺。去除蛋白质，采用1398中性蛋白酶在pH7.5，加酶2000U/g料，45℃下酶解60m in。经过上述处理后的溶液使用旋转加热器进行浓缩，并以4倍于液体体积的无水乙醇处理，静置24h，离心弃去上清液烘干至含水3.7%。最后用高速粉碎机使粉碎物粒度全部通过100目筛为止，并参照1.2.1玉米皮全组分测定的方法检测制备产物的组成。

1.2.3 不溶性玉米膳食纤维的改性

1.2.3.1 不溶性玉米膳食纤维的改性 称取制备的不溶性膳食纤维(IDF)3g，加入30m L蒸馏水，搅拌均匀。用稀盐酸或氢氧化钠溶液调节其pH到设定范围，加入一定量的酶。在设计的温度下水浴加热一定时间。降温，抽滤，取固体烘干，磨碎后得成品。每一个测量条件取0.3g样品做各项测定。

1.2.3.2 不溶性玉米膳食纤维持水力测定［4］称取0.3g样品置于离心管中，加水20m L，室温下放置24h，以14000 r/min离心15m in，弃去上清液，称离心管的质量，然后按下式计算持水力:

持水力(g/g)=两次离心管的质量差/样品重

1.2.3.3 不溶性玉米膳食纤维膨胀力测定［5］称取膳食纤维0.3g，置于10m L量筒中，加10.00m L的蒸馏水，振荡均匀后，室温(18±3)℃放置24h，读取液体中膳食纤维的体积，计算膨胀力:

膨胀力(m L/g)=［膨胀后体积(m L)－干品体积(m L)］/样品干重(g)

1.2.3.4 羟基值的测定［6］称取0.09g试样(精确到0.0002g)于酰化瓶中，用移液管吸取10m L酰化剂，装上回流冷凝管，置于沸水浴中，加热酰化1h，然后擦干冷凝管外壁与酰化瓶口水渍，用5m L毗咤冲洗冷凝管，冷却至室温，取下酰化瓶，加入10m L水解液，摇动酰化瓶，放置5min，加4～6滴酚酞指示液，用氢氧化钠标准溶液滴定至微红色30s不褪为终点，同时作空白实验。

式中:C:Na0H浓度(mol/L);V0:空白NaOH用量(m L);V1:试样NaOH用量(m L);m:试样质量(g)。

2 结果与分析

2.1 不溶性玉米膳食纤维的制备

相比水解法，采用酶解法去除淀粉和蛋白质的效果较佳，淀粉含量仅为2.03%，去除率达81.48%，蛋白质含量仅为5.23%，去除率达57.45%。酶具有反应条件温和、专一性强等特点，可专一地水解淀粉、蛋白质而不水解果胶质、多聚糖等非淀粉类物质，酶解法浓缩提取的不溶性膳食纤维产率为73.51%，从而有效保留了产品中生理活性成分(可溶性纤维及半纤维)。本文所用不溶性膳食纤维均采用酶法制备。

表1 采用不同方法制备的膳食纤维全组分的比较Table 1 Dietary fiber prepared by differentmethods of analysis of all components

2.2 不溶性玉米膳食纤维的改性研究

2.2.1 木聚糖酶改性的单因素研究 本研究从改性实验过程考虑，确定溶液的pH、酶用量、水浴温度以及酶解时间为影响因素，分别对4个因素进行单因素研究分析，从而探讨对IDF持水性改良的较优工艺条件。

2.2.1.1 溶液pH的影响 在玉米皮IDF为3g，酶量为0.6m L，反应温度为55℃，反应时间为1h的条件下，考察了在不同pH下木聚糖酶对改善IDF持水力的影响，结果见图1。

图1 pH对IDF持水力的影响Fig.1 Effect of pH on theWBC of corn IDF

木聚糖酶pH应用范围3.0～6.0，但其中有一个最适合的pH，且其最适值会因具体底物的不同而有差别，从图1中可以看出，当pH为5.0时，产品的持水力最高，因此取pH为5.0作为其它单因素实验的因素水平。

2.2.1.2 酶用量的影响 在玉米皮IDF量为3g，pH5.0，反应温度为55℃，反应时间为1h的条件下。考察了不同用酶量的改性效果，其结果见图2。

图2 酶量对IDF持水力的影响Fig.2 Effect of quantity of enzyme on theWBC of corn IDF

从图2中可以看出，当酶量小于0.6m L时，产品的持水力随着酶量的增加而明显增大，但当酶量大于0.6m L时，其持水力提高并不明显，取0.6m L作为改性工艺的酶量单因素最优条件。

2.2.1.3 温度的影响 在pH5.0时，玉米皮IDF用量为3g，酶用量为0.6m L，反应时间为1h的条件下。考察了不同温度的改性效果，其结果见图3。

图3 反应温度对IDF持水性的影响Fig.3 Effect of reaction temperature on theWBC of corn IDF

木聚糖酶的适宜温度范围为45～65℃，温度过低酶的活性相对较低，效果不好，当温度过高时酶会失活，从图3可以看出，当反应温度为55℃时，产品的持水力最高，因此取55℃为温度单因素的最佳条件。

2.2.1.4 反应时间的影响 在pH5.0时，玉米皮IDF用量为3g，酶用量为0.6m L，反应温度为55℃的条件下，研究了不同反应时间对改性效果的影响，结果如图4所示。

图4 反应时间对IDF持水力的影响Fig.4 Effect of reaction time on the WBC of corn IDF

从图4可以看出，当反应时间为50m in时，产品的持水力最高，且延长反应时间产品持水力反而下降。因此取50min为时间的单因素最佳条件。

通过改变不同因素条件，研究改性后的持水性变化，从而确定单因素考量下，木聚糖酶改性的最佳条件为 pH5.0时，酶用量为0.2m L/g，反应温度为55℃，反应时间为50m in。

2.2.2 纤维素酶改性的单因素影响 采用与前面木聚糖酶一样的改性研究方法，研究纤维素酶－持水性的适宜反应条件，其实验结果如下:

从图5～图8可以得出，纤维素酶改性的最佳单因素条件为pH6.0，酶用量为0.1m L/g，反应温度为45℃，反应时间为2h。

图5 pH对IDF持水力的影响Fig.5 Effect of pH on the WBC of corn IDF

图6 酶量对IDF持水力的影响Fig.6 Effect of quantity of enzyme on the WBC of corn IDF

2.3 不同方法改性后不溶性膳食纤维的性质比较

2.3.1 持水力和膨胀力比较 通过测定玉米皮原料以及采用不同方法改性后膳食纤维的性能指标，并对它们进行对比，其实验结果如下:

通过表2可以得出，采用酶解法制备的膳食纤维的持水性能优于水解法，但是二者对于膨胀力的改善却很不显著，木聚糖酶改性后膨胀力相比玉米皮原材料调高了14.93%。

图7 温度IDF持水力的影响Fig.7 Effect of reaction temperature on the WBC of corn IDF

图8 时间IDF持水力的影响Fig.8 Effect of reaction time on the WBC of corn IDF

表2 不同改性产品的性能指标比较Table 2 Performance comparison of differentmodified products

木聚糖酶和纤维素酶对IDF持水力的改善效果明显，分别比玉米皮原材料提高了65.70%，69.48%，分别达到5.70g/g和5.83g/g，其吸水性能跟谷类加工的副产品相比不相上下［小麦皮，6.4～6.6g/g DW;燕麦麸，5.5g/g DW］。且与商用DF比较也不逊色［AGIOLAX(卵叶车前草的种皮、桂皮)，4.02g/g DW; FIBREX(甜菜)，4.56g/g DW］。持水性基本满足了食品制造商的基本要求(2.0g/g DW)。制备的膳食纤维通过进一步的处理可用于食品的功能添加剂［7－8］。

2.3.2 电镜分析 分析图9，未作任何处理的玉米皮其结构紧密，但纤维颗粒上有较多的小颗粒物质，这与玉米皮含有淀粉、蛋白质等物质有关。而酶法提取的不溶性玉米膳食纤维结构紧密，且去除了很多杂质颗粒，这也是其持水力和膨胀力下降的主要原因。而经过纤维素酶和木聚糖酶改性后的膳食纤维，其结构上疏松，可以解释其持水力和膨胀力增高的原因。

2.3.3 颗粒度分析 表3中的数据与电镜结果一致，从体积平均粒径分析，原料玉米皮粒径最小，但是玉米皮含有较多的淀粉和蛋白质等杂质。经酶解法制备的IDF，其粒径增大，而经木聚糖酶和纤维素酶改性后的IDF其体积平均粒径又降低。但是从面积平均粒径分析，玉米皮的数值最小，改性后增大。其数值变化趋势与其持水力变化趋势基本一致。

图9 电镜分析图Fig.9 Electronmicrographs of dietary fiber

表3 颗粒度分析结果Table 3 Analysis of particle size

2.3.4 比表面积、结晶度、羟基值分析 分析表4数据，其比表面积酶法制备的IDF最高，但是其持水力却最低。其结晶度也是酶解IDF的结晶度最高，而玉米皮最低，这是因为酶解去除玉米皮里大部分杂质。可见比表面积和结晶度的大小变化没有与其持水力变化表现出相同趋势。但是其羟基值却很明显的与其持水力相一致，羟基值越大，其持水力越高。

表4 比表面积、结晶度、羟基值分析结果Table 4 Analysis of surface area，crystallinity，hydroxyl value

3 结论

本文是关于玉米皮膳食纤维的分离制备以及不溶性玉米皮膳食纤维(IDF)生物酶改性研究，探讨了酶改性法对玉米皮IDF持水力、膨胀力等性能的影响，比较了不同的制备方法和改性方法，并通过单因素法确定各种方法的最佳改性实验条件。通过研究得到以下结果和结论:

采用酶解法制备玉米皮膳食纤维较优，相比水解法，酶法去除淀粉和蛋白质的效果较佳，淀粉含量仅为2.03%，去除率达81.48%，蛋白质含量仅为5.23%，去除率达57.45%。而且有效地保留了产品中生理活性成分(可溶性纤维及半纤维)，酶解法浓缩提取的不溶性膳食纤维产率为73.51%，而水解法仅为69.74%。

木聚糖酶生物改性的最佳反应条件:pH为5.0，酶用量为0.2m L/g，反应温度为55℃，反应时间为50m in。在此条件下改性玉米皮 IDF的持水力达5.70g/g，膨胀力为3.03m L/g，分别比原材料提高了65.70%和14.93%。

纤维素酶生物改性的最佳反应条件:pH为6.0，酶用量为0.1m L/g，反应温度为45℃，反应时间为2h。在此条件下改性产品的持水力为5.83g/g，膨胀力为2.73m L/g，分别比原材料提高了69.48%和3.70%。

总之，实际应用中应根据实际要求来选择合适的实验方法、工艺路线，从而达到合理、经济的目的。

［1］玉研.我国玉米深加工产业商机无限［J］.科技潮，2005 (5):9.

［2］王遂，崔凌飞，尤旭.玉米皮半纤维素提取工艺研究［J］.中国粮油学报，2000，15(3):49－53.

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［4］张明霞，段长青，张文娜.纤维素酶在食品工业中的应用与展望［J］.酿酒科技，2005(4):99－101.

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［7］张雷雷，张玲.膳食纤维及制品质量标准的介绍［J］.粮品与食品工业，2009(2):43－47.

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A way to im prove the WBC of non－water soluble corn dietary fiber

LIAN Xiao－yan，ZHONG Zhen－sheng*
(College of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

Using enzymatic and chem ical method to p repare corn b ran d ietary fiber from the corn b ran.At the meantime using biologicalmodification to mod ify the corn bran IDF，detec ting the WBC to make sure the best mod ification cond ition.Com pared w ith the raw materials，the WBC of the p roduct after xylanase modification was 5.70g/g，the expansive force was 3.03m L/g，respectively increased 65.70%and 14.93%.The xylanase modification of op timum condition:pH 5.0，the amount of enzyme was 0.2m L/g，d igesting in 55℃water bath for 50m in.The WBC of the p roduct after cellulase modification was 5.83g/g，the expansive force was 2.73m L/g，respec tively increased by 69.48%and 3.70%.The cellulose mod ification of op timum condition:pH 6.0，the amount of enzyme was 0.1m L/g，d igesting in 45℃water bath for 2h.The enzyme mod ification had a g reat effec t on increasing the WBC，p roviding a new way for corn deep－p rocessing.

m aize peel;corn b ran d ietary fiber;enzymatic m od ification;water absorp tion

TS201.2+3

A

1002－0306(2012)12－0180－05

2011－10－12 *通讯联系人

连小燕(1983－)，女，硕士研究生，主要从事玉米资源的循环利用的研究。