玉米芯膳食纤维的复合酶法改性工艺的制作方法

本发明属于食品加工领域，特别涉及玉米芯膳食纤维的复合酶法改性工艺。

背景技术：

玉米在我国的种植面积大、分布广，年产量高达千亿公斤，位居世界第2位，玉米芯是其生产和加工的副产物，产量达千万吨以上，玉米芯除少部分用在造纸制浆、生物制糖和家畜饲料等方面，其余大部分被丢弃或烧掉，造成资源浪费严重。玉米芯主要由半纤维素(35％～40％)、纤维素(32％～36％)及木质素(17％～20％)等粗纤维构成，且植酸含量低，是一种高效的膳食纤维(dietaryfiber，简称df)原料。目前df主要是从大豆中提取，但大豆的纤维含量不及玉米芯，而且玉米芯作为废物利用，成本相对较低。膳食纤维被大多科学家认作“人类第七种营养素”，生理作用在人体中拥有着不可替代的地位，譬如在增强肠道健康、改善便秘、控制体重等方面都有着独特的功效和功能，对人们的健康具有重要的作用，越来越受到人们的重视。因此，对玉米芯进行开发利用，既能提高玉米深加工产品的附加值，延长产业链，又可以变废为宝，改善环境污染问题，对提高人民的健康水平具有现实意义。

df按其在水中的溶解性特性，可分为可溶性膳食纤维(solubledietaryfiber，sdf)和不溶性膳食纤维(insolubledietaryfiber，idf)两大类。sdf可溶于温水或热水，包括低聚糖和部分不能消化的多聚糖等，idf不溶于热水，是构成细胞壁的主要成分。由于玉米芯表面覆盖着蛋白、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，传统工艺多采用酸碱交替水解法。但酸碱无条件的将溶液种的碳链水解为单糖，造成生理活性成分损失严重，得率和质量不易控制。而且提取出的df多为idf。idf生理活性较弱，而sdf可以推迟胃排空，降低血糖和血清胆固醇含量，防止心血管疾病，增强免疫功能，因此较idf具有更强的生理功能。由于玉米芯主要是由纤维素和木质素组成，即为idf，可运用改性法以使idf向sdf转化。目前文献报道的膳食纤维改性方法主要有4种。一是物理方法；二是化学方法；三是以酶法、发酵法为主的生物技术方法；四是同时运用以上多种方法的联合处理法。其中酶法是利用酶将膳食纤维中的大分子组分酶解成可溶性小分子化合物的方法。其反应条件温和、水解专一性强、产品色泽变化小、反应时间短、纯度高，是近年来处理膳食纤维改性的较有潜力的新方法。目前常用的酶主要有木聚糖酶、纤维素酶和木质素氧化酶等。另外，酶法几乎不会对膳食纤维的组成和结构造成破坏，也不会造成化学污染，易于实现工业化。李昌文等优化了纤维素酶解法制备玉米芯sdf工艺：料液比1︰20(g/ml)、酶解时间110min、酶解温度45℃、酶解用量5ml，水溶性膳食纤维产率为6.66％。滕超等采用纤维素酶和木聚糖酶提取玉米芯sdf，得率为21.1％。

现有的酶解法常为单一酶酶解，或多种酶同时添加混合酶解，或酶解后产物经多次分离或不分离的方法，通常存在产品得率低，或酶解条件难以选择，或酶解不彻底等缺点。根据现有存在的问题，开发一种以玉米芯为原料的高品质玉米芯水溶性膳食纤维产品为目前所需。

技术实现要素：

本发明的首要目的在于提供玉米芯膳食纤维的复合酶法改性工艺。

本发明所采取的技术方案是：

一种玉米芯膳食纤维的复合酶法改性工艺，包括以下步骤：

1)将玉米芯粉碎，石油醚脱脂漂洗过滤干燥得玉米芯粉末；

2)玉米芯粉末酶解去淀粉、除蛋白，离心得上清液和沉淀物；

3)将步骤2)所得的上清液浓缩后，加入乙醇沉淀，干燥沉淀物则为sdf1；

4)将步骤2)所得的沉淀物酶解改性，离心取上清液；

5)将步骤4)所得上清液真空浓缩，乙醇沉淀，干燥沉淀物则为sdf2。

进一步的，步骤2)所述的酶为碱性蛋白酶、α-淀粉酶、糖化酶。

进一步的，步骤2)在50～53℃和ph9.0～9.5加入碱性蛋白酶，然后升高温度到60～63℃和ph5.0～5.5加入α-淀粉酶和糖化酶。

进一步的，碱性蛋白量添加量为1～1.5％；优选的，添加量为1.4％。

进一步的，灭酶10～15min后离心，收集沉淀物烘干即得玉米芯idf。

进一步的，步骤4)所述的酶为纤维素酶、木聚糖酶。

进一步的，α-淀粉酶和糖化酶体积比为1﹕1；α-淀粉酶和糖化酶总添加量为0.3～0.5％；优选的，α-淀粉酶和糖化酶总添加量为0.3％。

进一步的，料液比1:10，ph9.0，1.4％碱性蛋白酶50℃酶解60min；ph6.5，0.3％的α-淀粉酶和糖化酶(1﹕1)，60℃水解60min。

上述所述的复合酶法改性工艺得到的玉米芯膳食纤维。

本发明的有益效果是：

本试验采用分步加酶、分段控制、一次性分离方法去除蛋白质和淀粉，与之前的方法相比，首先通过酶法预处理得到膳食纤维粗品，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，旨在探究制备水溶性膳食纤维的最佳工艺条件，提高产品纯度和得率，具有黏度低、水溶性好等优良品质，广泛应用于各类功能性食品中，制备出高品质玉米芯水溶性膳食纤维产品。

附图说明

图1为工艺流程图。

图2为碱性蛋白酶添加量对蛋白残留量的影响。

图3为纤维素酶添加量对淀粉残留量的影响。

图4为纤维素酶添加量对sdf得率(a)及其持水力(b)的影响。

图5为木聚糖酶添加量对sdf得率(a)及其持水力(b)的影响。

具体实施方式

实施例1

1.实验材料与设备

实验原料新鲜玉米，购于广州市天平架市场，去籽粒得玉米芯，65℃下烘干至恒重。粉粹过40目筛，得玉米芯粉末1000g，备用。

试剂无水乙醇(分析纯)，天津市大茂化学试剂厂；α-淀粉酶(59.3u/mg)、糖化酶(100000u/g)、碱性蛋白酶(100u/mg)、木聚糖酶(6000u/mg)、纤维素酶(50u/mg)均购于上海源叶生物科技有限公司。

仪器设备万能粉碎机(fs-500)，河南华能电子科技有限公司；低速离心机(jw-1042)，安微嘉文仪器装备有限公司；ph计(pb-10)，德国sartorius；电热恒温水浴锅(hws24)，上海一恒科技有限公司；数显电热鼓风干燥箱(101-2a)，上海沪南科学仪器厂；电子分析天平(fc104)，上海精宏实验设备有限公司；全自动蛋白质测定仪(k8400)，瑞典fossanalyticalab；全自动脂肪测定仪，德国格哈特分析仪器有限公司；水分测定仪(sf-a2)，泰州市南威仪器仪表有限公司；马弗炉(sx2)，上海雷韵试验仪器制造有限公司。

2.工艺流程

工艺流程图如图1所示。

3.玉米芯基本成分分析

水分含量的测定：参照gb/t5009.3-2010《食品中水分含量的测定》；灰分含量的测定：参照gb5009.4-2010《食品中灰分的测定》；蛋白质含量的测定：参照gb5009.5-2010《食品中蛋白质的测定》；淀粉含量的测定：参照gb/t5009.9-2008《食品中淀粉的测定》；总膳食纤维的测定：aacc32-07；不溶性膳食纤维和可溶性膳食纤维含量测定：aacc32-06。

结果：对玉米芯基本成分分析如表1所示。

表1玉米芯基本成分及含量

注：tdf：总膳食纤维；idf：不溶性膳食纤维；sdf：水溶性膳食纤维

由上表可知，脂肪含量为2.36％，蛋白质含量为7.35％，淀粉含量为8.70％，总膳食纤维72.54％，其中不溶性膳食纤维69.35％。

4.玉米芯的去蛋白、去淀粉预处理

采用石油醚对玉米芯粉末进行脱脂，漂洗过滤干燥。准确称取脱脂干燥后的玉米芯粉末10g按1：10的料液比加蒸馏水，水浴并100rpm速度搅拌，按照碱性蛋白酶最适温度和ph值调节至50℃和ph9.0，加入碱性蛋白酶，去除蛋白质；然后按照α-淀粉酶和糖化酶最适条件再调节温度60℃和ph5.0，加入α-淀粉酶和糖化酶，水解淀粉；用碘液检测不变蓝，表明淀粉类物质被完全去除。100℃灭酶10min后，离心，收集沉淀物，烘干至恒重，得玉米芯idf。

5.去蛋白条件的确定

将酶解液在3000rpm下离心10min，收集沉淀物后用水冲洗并离心，取残渣烘干粉粹，通过凯氏定氮测定残余蛋白质含量。以残余蛋白含量为指标，对碱性蛋白酶添加量(1.0％、1.2％、1.4％、1.6％、1.8％)进行单因素实验，确定碱性蛋白酶最佳用量。

6.去淀粉条件的确定

如果单纯用α-淀粉酶处理，由于酶解后会产生一些大分子糖类如糊精等，酶解不彻底，因此同时加入糖化酶将其全部酶解成小分子糖类再分离以去除淀粉。采用α-淀粉酶和糖化酶作用条件的相交区间60℃和ph5.0。将酶解液在3000rpm下离心10min，收集沉淀物后用水冲洗并离心，取残渣烘干粉粹，测定残余淀粉含量。以残余淀粉含量为指标，对酶添加量进行单因素实验，确定α-淀粉酶和糖化酶(1：1)的最佳用量。

实施例2酶法改性idf制备sdf工艺优化

1.单一纤维素酶处理对sdf得率的影响

各称取5.0gidf，加入50ml蒸馏水，分别添加0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％的纤维素酶，选用纤维素酶最适ph5.0，最适作用温度50℃，水浴震荡酶解6h。醇析后烘干沉淀至恒重，测定sdf得率。

结果：由图4(a)可知，当纤维素酶用量在1.5％内，sdf得率随着纤维素酶用量的增加而增加，在1.0％～1.5％之间时得率上升平缓。可能由于纤维素酶可以使部分idf结构中的氢键断裂，idf的结晶结构被破坏，分子连接键断链，使得部分idf降解为sdf。但酶作用的底物是一定的，当酶用量达到一定量后，反应速度变慢，趋于平缓。但是随着酶用量的继续增加，部分可溶性多糖被纤维素酶降解为葡萄糖，醇析时，这部分糖不会被沉淀，使得sdf得率减低。

由图4(b)可知，当纤维素酶用量在1.0％内，产物持水力随纤维素酶用量的增加而增加；当酶用量超过1.0％，持水力下降。纤维素酶降解细胞壁，使纤维结构变得膨松、溶胀，使得水和油更易于进入纤丝间隙，并可能更多的基团得到暴露，生成一些具有持水和持油能力的降解产物，从而使持水力得到提高；但当酶用量超过一定量后，底物会逐渐被饱和，且其降解产物的聚合度。综合两种因素，选择1.2％为纤维素酶的最适用量。

2.单一木聚糖酶处理对sdf得率的影响

各称取5.0gidf，加入50ml蒸馏水，调ph至5.0，分别添加0.5％、1.0％、1.5％、2.0％、2.5％的木聚糖酶，选用木聚糖酶最适ph5.0，最适作用温度50℃，水浴震荡酶解6h。醇析后烘干沉淀至恒重，测定sdf得率。

结果：由图5(a)(b)可知，当木聚糖酶添加量在0.8％内，sdf得率、持水力均随着木聚糖酶添加量的增加而增加；当酶添加量超过1.2％，得率下降。当酶添加量超过0.8％时，产物持水力下降。由于木聚糖酶能够把不溶性半纤维素降解成可溶性半纤维素，随着酶添加量的增加，sdf得率不断增大，同时细胞壁的亲水能力相应得到改善；但当木聚糖酶超过一定量时，可溶性半纤维素降解的速度超过了其生成速度，从而使sdf得率和持水力下降。因此，确定0.8％为木聚糖酶的最适添加量。

3.复合纤维素酶和木聚糖酶改性对sdf得率的影响

由于选用的纤维素酶和木聚糖酶的最适作用条件相近，因此在ph5.0，50℃的条件下，以sdf得率为指标，采用正交试验确定纤维素酶加酶量、木聚糖酶加酶量、处理时间和料液比各因素的重要性次序和最佳工艺参数。

表2复合酶解最佳条件正交试验因素水平表

选取两种酶的添加量、酶解时间、液料比四个因素进行正交实验(见表2)，以sdf得率为指标，探索最佳工艺条件，正交试验结果(见表3)。

表3正交试验结果

由表3可知，影响玉米芯制备sdf各个因素的主次顺序为a纤维素酶添加量＞b木聚糖酶添加量＞d料液比＞c酶解时间；各因素的最优水平组合是a2b3c3d1，即纤维素酶添加量为1.2％、木聚糖酶添加量为1.2％、酶解时间为6h、料液比为1:10。按照条件优化结果用双酶法处理玉米芯生物酶法提取的df，sdf得率可达22.16％。

4.sdf得率的计算

sdf得率＝产物质量/原料质量×100％

5.idf以及sdf产物理化性质的测定。

水分、灰分、蛋白质、淀粉、膳食纤维含量的测定同上。

6.持水力的测定

称取1g膳食纤维放入量筒中，然后加入过量20℃水浸泡纤维1h，将纤维放在滤纸上沥干后，把保留在滤纸上结合了水的纤维转移到一表面皿中称重，计算持水力。

7.持油力的测定

取1.0g样品于离心管中，加入食用油20g，静置1h，3000r/min离心30min，去掉上层油，滤渣用滤纸吸干游离的油，称量。

8.膨胀性的测定

准确称取1.0g样品，置于25ml的量筒中，读取样品体积，然后加10ml蒸馏水，搅拌，室温静置24h，读取量筒中样品吸水膨胀后的体积。

9.碱性蛋白酶添加量对蛋白残留量的影响

调节料液ph9.0，分别添加1.0％，1.2％，1.4％，1.6％和1.8％的碱性蛋白酶处理脱脂后的玉米芯，50℃酶解60min，结果表明随着碱性蛋白酶添加量的增加，产物蛋白质含量逐渐减少(图1)；在酶添加量为1.0-1.4％时，蛋白残留量下降较快，当添加量大于1.4％后，蛋白质残留量下降速度变缓。因此确定碱性蛋白酶的添加量为1.4％。如图2所示。

10.α-淀粉酶和糖化酶添加量对淀粉残留量的影响

调节料液ph6.5，分别添加总量为0.1％，0.2％，0.3％，0.4％和0.5％的α-淀粉酶和糖化酶(1﹕1)，60℃下水解60min。如图2所示，随酶添加量的增加，淀粉残留量逐步降低。酶添加量大于0.3％后，淀粉降解到一定程度，残留量下降趋势减缓，增加酶量，去除效果变化不大，因此确定α-淀粉酶和糖化酶(1﹕1)总添加量为0.3％，如图3所示。

11.复合酶法预处理玉米芯原料制备idf和sdf1

采用料液比1:10，ph9.0，1.4％碱性蛋白酶50℃酶解60min；ph6.5，0.3％的α-淀粉酶和糖化酶(1﹕1)，60℃水解60min，在此条件下，idf得率为69.35％，sdf1得率为3.19％。

12.玉米芯膳食纤维的理化特性分析

对所得玉米芯idf和sdf的理化性质进行比较分析，结果如表4所示。

表4玉米芯膳食纤维的理化特性

注：同一列不同字母表示显著性差异(p<0.05).

由上表可知，玉米芯idf和sdf的持水力、膨胀性和持油力均很好，均高于常用标准麸皮膳食纤维功能性指标(持水力4.0g/g，膨胀力4.0g/g)，且sdf显著高于idf(p<0.05)。与idf相比，改性产物sdf的持水力增加了40.26％，膨胀性增加了48.67％，持油力提高了74.16％。

结论：

通过单因素试验优化生物酶法提取玉米芯tdf工艺条件：料液比1:10，ph9.0，1.4％碱性蛋白酶50℃酶解60min；ph6.5，0.3％的α-淀粉酶和糖化酶(1﹕1)，60℃水解60min，在此条件下，idf得率为69.35％，sdf1得率为3.19％。所得idf的持水力、膨胀性和持油力分别为4.67g/g、4.50ml/g、2.67％g/g。

复合酶法改性玉米芯idf制备sdf得率较单一纤维素酶和单一木聚糖酶处理的sdf得率高。复合酶改性最佳条件为：ph5.0、温度50℃，纤维素酶1.2％、木聚糖酶1.2％、酶解时间为6h、料液比为1:10。此时sdf得率可达22.16％(以玉米芯原料计)。处理后的sdf持水力达6.55g/g，膨胀性达6.69ml/g，持油力达4.65g/g，分别比改性前提高了40.26％，48.67％和74.16％。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。