机械预处理对玉米皮性质的影响

魏媛，蔡国林，李晓敏，陆健*

1(江南大学 工业生物技术教育部重点实验室，江苏 无锡，214122) 2(江南大学 粮食发酵工艺与技术国家工程实验室，江苏 无锡，214122)3(江南大学 生物工程学院，江苏 无锡，214122)

玉米皮是玉米加工淀粉过程中的副产物。我国每年用于生产玉米淀粉的玉米超过2000万t，其副产物玉米皮产量在400万t左右，是我国重要的饲料原料之一。玉米皮中半纤维素占38%～57%，纤维素占15%～35%。然而，由于木质素覆盖在纤维素和半纤维素，使纤维素和半纤维素很难被降解利用[1]。未经处理的玉米皮中有大量的非淀粉多糖，而非淀粉多糖造成饲料营养物质消化吸收的降低、消化不良、动物消化道形态和生理的变化、生孢梭菌厌氧发酵产生某些毒素，抑制动物生长以及产生黏性粪便，影响畜舍和周围环境，甚至还会污染鸡蛋等[2]。

为了改善玉米皮作为饲料存在的适口性差、营养价值低和生物利用度低等问题，需要对玉米皮进行预处理，增加玉米皮饲料适口性并提高动物对其的利用率，使动物高效吸收利用玉米皮饲料成为可能。目前针对玉米皮饲料饲用品质改善的方法主要有物理法、化学法和生物法，其中物理法主要有：机械粉碎、蒸汽爆破等处理方法。但只依靠传统的机械处理并不能明显的提高动物有机物质的消化率；化学法以及蒸汽爆破过程中均伴随着副产物的产生，而且存在破坏原料营养物质、污染环境等问题；生物法较温和、能耗低无污染，但周期较长[3]。机械预处理主要是通过剪切或研磨等方式，减小颗粒尺寸，提高原料比表面积，易于酶解及微生物发酵等反应[4]。因此，通过结合机械预处理和生物法共同处理饲料原料，可以有效提高饲料原料的利用率，降低生产周期及成本[5]。目前已在秸秆、豆粕和花生粕等饲料原料的处理上应用，并取得良好的效果。

本研究以玉米皮为原料，通过不同的机械粉碎，考察不同机械处理对玉米皮物理特性、化学特性及酶解效率的影响，以确定玉米皮机械预处理的最佳的方法，为后续进一步发酵玉米皮，提高玉米皮营养价值。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米皮，上海源耀生物股份有限公司；纤维素酶和木聚糖酶，帝斯曼(中国)有限公司；浓H2SO4、蒽酮、浓HCl、NaOH、葡萄糖等，国药集团药品。

1.2 仪器与设备

球磨机，台州市亿尔达机电有限公司，Q-150 A3刀片粉碎机，上海冰都电器有限公司，紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司，高效液相色谱仪，美国Agilent公司，MICROTRAC S3500激光粒度分析仪，美国Microtrac公司。

1.3 实验方法

1.3.1 玉米皮的预处理

机械预处理方式：球磨机研磨，100 g样品球磨1 h；刀片粉碎，30 g样品粉碎3 min。

1.3.2 玉米皮粒径分布

粒径分布的测定：MICROTRAC激光粒度分析仪测定。

1.3.3 电镜扫描

对不同机械处理后的玉米皮进行电子显微镜扫描(scanning electron microscope，SEM)加速电压50 kV，放大倍数160×，观察不同机械处理方式下玉米皮原料表面形态结构的变化。

1.3.4 水溶性总糖和还原糖含量的测定

样品前处理：称取玉米皮样品1.00 g于烧杯中，加入20 mL柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液(pH 7.0)，于80 ℃提取30 min，8 000 r/min离心10 min，取上清液备用。

水溶性总糖测定：采用蒽酮法测定；还原糖测定：采用DNS比色法[6]。

1.3.5 单糖组分的测定

单糖组分测定所用的液相条件参照王璐璐的方法[7]。

1.3.6 阿魏酰聚糖的提取及测定

1.3.6.1 阿魏酸的提取

游离阿魏酸和总阿魏酸的提取均参照周婷的方法[8]。

1.3.6.2 阿魏酸的检测

阿魏酸测定时所用的液相色谱条件参照刘群涛等的方法[9]。

1.3.6.3 阿魏酰聚糖含量的计算

阿魏酰聚糖结构中阿魏酸与低聚糖组成比例相同，因此，键合态阿魏酸的含量即为阿魏酰聚糖的含量[10]。阿魏酰聚糖含量(μmol/g)=总阿魏酸含量(μmol/g)-游离阿魏酸含量(μmol/g)[11]。

1.3.7 酶解实验

称取一定量的机械处理后的玉米皮，使其底物浓度为50 g/L，缓冲液为柠檬酸-磷酸氢二钠(pH 5.0)；各添加0.05 g/L的木聚糖酶和纤维素酶；于50 ℃酶解5 h，100 ℃灭酶10 min，8 000 r/min离心10 min，取上清液备用。

2 结果与讨论

2.1 机械处理对玉米皮空间结构的影响

2.1.1 粒径分布

对经过机械处理后的玉米皮进行粒径分析，其粒径分布如图1所示。

图1 不同机械处理下玉米皮粒径分布图Fig.1 Particle size distribution of maize bran milled with different types of mills

干燥及粗粉粹后的玉米皮颗粒约0.5 cm，从图1可知，经过机械处理后的玉米皮颗粒明细变小。其中球磨处理后的样品其粒径主要分布在300～1 000 μm之间；而经过刀片粉碎后的玉米皮，粒径300 μm左右的占90%，50%的玉米皮粒径都小于120 μm。由于细小颗粒聚集在一起，因此测得的粒径可能比实际值偏大[12]。玉米皮通过机械预处理后，玉米皮的粒径明显变小，酶接触的比表面积增大，有助于酶解反应的进行。

2.1.2 玉米皮表面形态的比较

对机械处理后的玉米皮进行电镜扫描，其表面形态结构如图2所示。

图2 电镜扫描图(放大倍数160×)Fig.2 SEM of maize bran before and after mechanical pretreatment (Magnification 160×)

从图2可清晰的看出，玉米皮原有结构非常紧密，而经过不同的机械处理后，原有结构被破坏。特别是刀片粉碎后，玉米皮的粒度变小且结合度降低，粉碎度较均匀。玉米皮经过机械处理后，酶反应面积增大，酶解效率提高[13]。

2.2 机械处理对玉米皮化学特性的影响

2.2.1 水溶性总糖和还原糖含量的影响

由图3所知，经刀片粉碎的玉米皮水溶性总糖是原样的2.0倍，球磨处理后的玉米皮水溶性总糖较原样提高了1.6倍。机械处理过程中，由于纤维素受到剪切力和摩擦力，部分纤维束被破坏，氢键断裂，部分纤维素溶出[14]。同时使玉米皮的木质素分离，增加了水溶性总糖含量[15]。刀片粉碎后的玉米皮还原糖含量是未经处理的玉米皮的2.6倍，这是由于玉米皮本身存在的还原糖在木质素脱离时溶出。此外，机械处理使木聚糖结构上的单糖或寡糖脱落，增加了还原糖含量[12]。

图3 机械处理对还原糖及水溶性总糖含量的影响Fig.3 Effects of mechanical treatment on the contents of reducing sugar and total soluble sugar of the maize bran

2.2.2 水溶性糖的糖组成

对球磨处理和刀片粉碎后的玉米皮分别进行还原糖和水溶性总糖的单糖组成分析(图4)。

图4 还原糖组成分析(a)及水溶性总糖的单糖组成(b)Fig.4 Analysis of reducing sugar composition and monosaccharide composition of the total soluble sugar

由图4可知，玉米皮粒径减小，各单糖含量均有所增加。玉米皮中水溶性总糖主要有阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖和果糖五种单糖。构成半纤维素的单体主要有木糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖以及少量鼠李糖等[16]。因此可看出经机械处理后增加的水溶性糖主要来自半纤维素分子链的断裂。

2.2.3 机械处理对玉米皮中阿魏酰聚糖的影响

阿魏酰聚糖(feruloyl oligosaccharides, FOs)由阿魏酸通过酯键和低聚糖连接。阿魏酰聚糖具有抗血栓、抗氧化、清除自由基[17]，以及改善肠道微生物群落组成及其代谢活动等[18]。由图5可知，经过机械处理的玉米皮，阿魏酰聚糖含量有所提高，刀片粉碎后的样品中阿魏酰聚糖含量为1.6 μmol/g，是未经机械处理的1.6倍；球磨处理后的样品的阿魏酰聚糖是其1.1倍。刀片粉碎后的玉米皮阿魏酰聚糖含量增加明显。

图5 机械处理对阿魏酰聚糖的影响Fig.5 Effects of mechanical treatment on the contents of feruloyl oligosaccharides

2.3 机械处理对木聚糖酶和纤维素酶协同酶解效率的影响

2.3.1 对水溶性总糖和还原糖含量的影响

玉米皮经过刀片粉碎和酶处理后，较原样酶解后的水溶性总糖含量提高了3.0倍，还原糖含量提高了3.7倍(图6)。在机械处理过程中，玉米皮原有结构被破坏，纤维素间氢键断裂，同时半纤维素暴露，半纤维素受到剪切力和热能的作用降解为小分子水溶性多糖，更易被酶水解[19]；机械处理还使玉米皮的粒径尺寸减小，增加了酶作用的有效表面积。这些因素使酶解效率提高。

图6 酶解玉米皮对水溶性总糖和还原糖的影响Fig.6 Effect of enzymatic hydrolysis of maize bran on the total soluble sugar and reducing sugar

2.3.2 对单糖组成的影响

机械处理不足以将这些木质纤维类物质降解，多数仍以多糖形式存在，因此，需要添加纤维素酶和木聚糖酶同时处理机械处理后的玉米皮。机械处理的玉米皮经酶解后的还原糖组成分析及水溶性总糖的单糖组成结果如图7所示。酶解后玉米皮水溶性糖主要以葡萄糖和木糖为主，其中增加的葡萄糖主要源于纤维素和淀粉的降解，增加的阿拉伯糖和木糖主要源于半纤维素的降解。因此，玉米皮经机械处理与酶法结合的方法，增加了后续微生物可利用的糖含量。

2.3.3 对阿魏酰聚糖含量的影响

不同机械处理后的玉米皮经协同酶解后，其结果如图8所示。随着机械粉碎粒径尺寸的减小，酶与底物接触面积增大，酶解后阿魏酰聚糖含量显著提高。刀片粉碎及酶解后阿魏酰聚糖含量为6.1 μmol/g，是未处理的玉米皮酶解后的2.0倍。机械处理玉米皮后，纤维素和半纤维素溶出，促进酶进一步水解[14]，从而使FOs含量有所增加。

图8 酶解玉米皮对提取阿魏酰聚糖的影响 Fig.8 Effect of enzymatic hydrolysis of maize bran on content of feruloyl oligosaccharides

3 结论

玉米皮经机械处理后，颗粒尺寸变小，原有空间结构破坏，经球磨处理和刀片粉碎后的玉米皮水溶性总糖较原样分别提高了1.6倍和2.0倍，还原糖含量分别提高了1.8倍和2.6倍，阿魏酰聚糖含量分别提高了1.1倍和1.6倍。球磨处理和刀片粉碎后的玉米皮经纤维素酶和木聚糖酶协同酶解后，水溶性总糖含量提高了2.2倍和3.0倍，还原糖含量分别提高了2.5倍和3.7倍，阿魏酰聚糖含量分别提高了1.3倍和2.0倍。经过刀片粉碎后的玉米皮营养价值均比球磨处理高，也更适合于后续的生物处理结合使用。