专利名称：一种酶解小麦麸皮制备低聚木糖的方法
技术领域：
一种酶解小麦麸皮制备低聚木糖的方法，属于农副产品资源开发和功能性食品添加剂技术领域。
背景技术：
植物半纤维素是除纤维素外自然界中含量最为丰富的多糖。木聚糖是植物半纤维素的主要成分，其主链由吡喃木糖基通过β-D-(1，4)-糖苷键相连构成，L-阿拉伯糖、D-葡萄糖、D-半乳糖以及甲基、乙酰基等构成支链。不同原料中木聚糖的含量以及所带支链的类型和取代度不同。如，谷物皮层中半纤维素含量占干重的25％-40％，主要成分是阿拉伯木聚糖，阿拉伯糖在木糖残基的O-2、O-3位或O-2和O-3位发生取代。
低聚木糖是木聚糖降解的产物。目前，低聚木糖的工业化生产主要采用酶法，即利用木聚糖酶定向催化木聚糖水解得到。自然界中很多微生物都能产生木聚糖酶，如枯草芽孢杆菌、链霉菌、曲霉、青霉、木霉和毛壳霉等，主要是细菌与真菌。
由于低聚木糖的主要有效成分为二糖和三糖，制备低聚木糖应选择内切木聚糖酶活力相对较高的木聚糖酶。同时，由于木聚糖是一种结构复杂的非均一聚糖，含有许多不同的取代基，为获得较高的低聚木糖得率，选用的木聚糖酶应具有水解特定底物中异型木聚糖的能力较强或酶系中含有水解特定底物中支链的切支酶(如阿拉伯糖苷酶)等特点，原料不同要求使用不同的微生物木聚糖酶。因此酶解小麦麸皮制备低聚木糖的关键在于木聚糖酶对大量存在于小麦麸皮不溶性膳食纤维中的麦麸木聚糖的适应性，即选择合适的木聚糖酶。
发明内容
本发明的目的是提供一种酶解小麦麸皮制备低聚木糖的方法，实现小麦麸皮的有效增值和利用，所制备的低聚木糖是一种卓越的功能性低聚糖，对人体健康非常有益，具有很大的经济效益和社会效益。
本发明的技术方案以小麦麸皮为原料，采用通常的经高温淀粉酶、蛋白酶、糖化酶依次处理后得到小麦麸皮不溶性膳食纤维，本发明将小麦麸皮不溶性膳食纤维再用木聚糖酶进行酶解反应，酶解上清液经浓缩、喷雾干燥制备低聚木糖粗品。酶解反应所用木聚糖酶为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)木聚糖酶。酶解底物为小麦麸皮不溶性膳食纤维，底物质量浓度为4％-7％，体系中酶质量浓度为0.4％-0.7％，酶解温度为40-50℃，酶解时间为24-30h，酶解体系pH为5.0。
小麦麸皮不溶性膳食纤维酶解反应的优化条件为底物质量浓度为5％-6％，体系中酶质量浓度为0.45％-0.55％，酶解温度为45℃，酶解时间为24h，酶解体系pH为5.0。
由于小麦麸皮中含有较大量的淀粉、蛋白质，为了提高原料利用率，减轻下游分离纯化的负担，首先用淀粉酶、蛋白酶、糖化酶依次处理进行脱淀粉、除蛋白质得到了小麦麸皮不溶性膳食纤维。
经分析小麦麸皮的基本组成如表1所示。经脱淀粉、除蛋白质后所得小麦麸皮不溶性膳食纤维的基本组成如表2所示。
表1小麦麸皮基本组成
表2小麦麸皮不溶性膳食纤维基本组成
通常将小麦麸皮悬浮在热水中，加入75mL/kg麸皮的耐温α-淀粉酶，95℃搅拌处理1h，冷却至60℃调pH至7.5，再加入30mL/kg麸皮的水解蛋白酶Alcalase，60℃下搅拌处理30min，调pH至4.5，再加入35mL/kg麸皮的糖化酶，60℃下搅拌处理30min，离心取沉淀，沉淀用热蒸馏水反复洗涤，得到小麦麸皮不溶性膳食纤维。耐温α-淀粉酶、水解蛋白酶和精制糖化酶均由Novozymes公司提供。
经筛选确定采用枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)木聚糖酶对小麦麸皮不溶性膳食纤维进行酶解反应，因其对小麦麸皮不溶性膳食纤维具有较高的酶解效率，该酶由武汉新华扬生物有限公司提供。
底物浓度对酶促反应具有很大的影响，当底物浓度较低时，提高底物的浓度可以提高反应速度，但当底物浓度较高时，底物浓度的进一步提高，反应速度的增加变得缓慢甚至不再增加。而且，底物浓度的提高往往会导致产品得率的下降。增大酶浓度可以提高反应速度，但同时引起成本增加，应选择合适的酶浓度使酶反应在可接受的时间内完成。
在初步确定的酶解工艺中，将影响酶解反应的五因素(底物浓度、酶浓度、温度、时间、pH)进行正交设计，其各水平见表3所示。
表3实验因素及水平表
根据因素及水平的特点，我们采用正交表L18(37)进行试验。
实验结果见表4。
表4正交结果表
从18个实验的还原糖得率看出实验2的得率较高为26.04％，对应的实验条件是底物浓度4％，酶浓度0.5％，温度40℃，时间30h，pH5.0。
统计分析表明pH值是重要因素，反应时间、温度和酶浓度也是比较重要的因素，而底物浓度是影响较小的因素。反应体系为pH5.0，温度50℃，酶浓度0.5％，底物浓度6％是最优水平，反应时间越长得率越高，反应时间不能过短，24h之后得率增加变缓，从生产的角度考虑，反应时间确定为24h比较合适。
除温度和底物浓度不同外，统计分析的最优水平组合与正交表直观得到的最优水平组合2号试验条件的酶浓度和pH相同。为了进一步对比两种条件，我们分别在这两种条件下进行酶解小麦麸皮不溶性膳食纤维24h。最好水平组合结果优于2号实验结果，还原糖得率对小麦麸皮不溶性膳食纤维分别是25.80％和24.71％。
综上所述，我们确定了枯草芽孢杆菌木聚糖酶作用于小麦麸皮不溶性膳食纤维的优化工艺条件pH 5，反应时间24h，温度45℃，酶浓度0.45％-0.55％，底物浓度5％-6％。将在该条件下所得酶解液冷冻干燥称重，低聚木糖得率对小麦麸皮达12.50％。
本发明的有益效果国内已有酶解小麦麸皮生产低聚糖方法的研究；已有采用植酸酶、纤维素酶、蛋白酶和低聚糖酶的复合酶制剂对干燥后粉碎、去离子水浸泡后的小麦麸皮进行酶解、调整pH值制备低聚木糖条件的研究(见中国专利CN1438319A)；已有采用α-淀粉酶、碱性蛋白酶处理小麦麸皮，再采用脱色、离交、过滤等精制手段除去不溶性物质制备低聚糖，含量达80％的公开文献报道(见中国专利CN1438319A)。关于利用小麦麸皮为底物研究不同来源的木聚塘酶的作用特点已有公开文献报道，采用一种(1→4)-β-内切木聚糖酶、两种(1→4)-β-内切木聚糖酶(11族和10族的木聚糖酶)、两种纯酶(热稳定的木聚糖酶XP1和XP2)酶解小麦麸皮及对酶解条件进行研究。
经查新未见利用枯草芽孢杆菌木聚糖酶对小麦麸皮不溶性膳食纤维水解制备低聚木糖，未见低聚木糖的得率、纯度及木二糖和木三糖含量的公开文献报道；国外未见采用α-淀粉酶、碱性内切蛋白酶和精制糖化酶处理小麦麸皮，利用枯草芽孢杆菌木聚糖酶催化小麦麸皮不溶性膳食纤维水解制备低聚木糖，未见低聚木糖的得率、纯度及木二糖和木三糖含量的公开文献报道。
本发明所制得的低聚木糖得率为12.5％(以小麦麸皮计算)，低聚木糖纯度超过60％，其中木二糖和木三糖的含量在30％以上。本发明实现小麦麸皮的有效增值和利用，所制备的低聚木糖是一种卓越的功能性低聚糖，对人体健康非常有益，具有很大的经济效益和社会效益。
具体实施例方式
将小麦麸皮悬浮在热水中，加入75mL/kg麸皮的耐温α-淀粉酶，95℃搅拌处理1h，冷却至60℃调pH至7.5，再加入30mL/kg麸皮的水解蛋白酶Alcalase，60℃下搅拌处理30min，调pH至4.5，再加入35m/Lkg麸皮的糖化酶，60℃下搅拌处理30min，离心取沉淀，沉淀用热蒸馏水反复洗涤，得到小麦麸皮不溶性膳食纤维，得率为35％，即每公斤小麦麸皮得350g小麦麸皮不溶性膳食纤维，控制底物浓度为4％-7％，然后按每公斤麸皮加入35g枯草芽孢杆菌木聚糖酶(木聚糖酶用6.6L pH5.0醋酸钠缓冲液配制)，在50℃酶解24h。反应混合物进行离心，取上清液，经浓缩、喷雾干燥，得到低聚木糖粗品，以小麦麸皮计得率为12.5％。
权利要求
1.一种酶解小麦麸皮制备低聚木糖的方法，包括小麦麸皮经高温淀粉酶、蛋白酶、糖化酶依次处理后得到小麦麸皮不溶性膳食纤维，其特征是小麦麸皮不溶性膳食纤维再用木聚糖酶进行酶解反应，酶解上清液经浓缩、喷雾干燥制备低聚木糖粗品；酶解反应所用木聚糖酶为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)木聚糖酶；酶解底物为小麦麸皮不溶性膳食纤维，底物质量浓度为4％-7％，体系中酶质量浓度为0.4％-0.7％，酶解温度为40-50℃，酶解时间为24-30h，酶解体系pH为5.0。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是小麦麸皮不溶性膳食纤维酶解反应的优化条件为底物质量浓度为5％-6％，体系中酶质量浓度为0.45％-0.55％，酶解温度为45℃，酶解时间为24h，酶解体系pH为5.0。
全文摘要
一种酶解小麦麸皮制备低聚木糖的方法，属于农副产品资源开发和功能性食品添加剂技术领域。本发明是以小麦麸皮为原料，经高温淀粉酶、蛋白酶、糖化酶依次处理后得到小麦麸皮不溶性膳食纤维，再用枯草芽孢杆菌木聚糖酶进行酶解反应，确定了酶解反应的工艺条件，酶解上清液经浓缩、喷雾干燥制备低聚木糖粗品。低聚木糖得率为12.5％(以小麦麸皮计算)，低聚木糖纯度超过60％，其中木二糖和木三糖的含量在30％以上。本发明实现小麦麸皮的有效增值和利用，所制备的低聚木糖是一种卓越的功能性低聚糖，对人体健康非常有益，具有很大的经济效益和社会效益。
文档编号C12P19/00GK1840674SQ20061003795
公开日2006年10月4日 申请日期2006年1月19日 优先权日2006年1月19日
发明者姚惠源, 袁小平, 周星, 陈正行, 马晓军 申请人:江南大学