小麦麸皮膳食纤维的改性研究

周宇朦， 孙洪浩， 吕福军

（辽宁波尔莱特农牧实业有限公司，辽宁沈阳 110122）

小麦麸皮是小麦制粉过程中的副产物，其产量丰富，价格便宜（陆明红等，2018），含有大量脂肪、蛋白质、维生素等营养物质，以及较多的膳食纤维（Gunenc等，2013；Bonnand等，2010；Nancy等，2005）。超过85%的小麦麸皮都用于发酵和饲料行业（宋硕，2020），是猪日粮中应用最广泛的纤维原料（肖真明等，2017）。因为家禽缺乏分解这些膳食纤维成分的内源酶，导致小麦麸皮纤维难以被降解，综合利用率低，因此促进小麦麸皮纤维改性的研究有重要现实意义。

膳食纤维（DF）根据水溶性的不同，被分为可溶性膳食纤维（SDF）和不溶性膳食纤维（IDF）两种（康琪等，2007）。IDF主要作用于肠道产生机械蠕动作用，而SDF则更多发挥代谢功能，如影响可利用碳水化合物和脂类代谢，降低血脂胆固醇等（王岸娜等，2009；黄才欢等，2006）。常用的DF降解处理有化学处理、生物酶处理法、微生物发酵法和物理法等（向琴，2015）。生物酶法降解主要是使用各种纤维素酶、半纤维素酶、蛋白酶等控制一定的反应条件，对纤维进行酶解，破坏纤维和其他营养物质的交联结构，提高其可溶性纤维含量和蛋白质等其他营养成分的溶出，从而改变其物理性质（张思耀，2009）。

本研究采用酶解法来实现小麦麸皮DF的改性研究，通过单因素和正交试验优化酶解的工艺条件，同时考察酶解试验对小麦麸皮DF功能性质的影响，综合考虑生产成本、时间成本等，为高附加值开发猪用纤维原料提供试验数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂 麦麸，市售；3种木聚糖酶、1种纤维素酶、2种果胶酶，购自多个厂家；热稳定α-淀粉酶溶液、蛋白酶、淀粉葡糖苷酶溶液、酸洗硅藻土，均来自Sigma公司；氢氧化钠、浓硫酸、乙醇、丙酮、重铬酸钾洗液、甲醛等均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 试验仪器 CP2102电子天平，奥豪斯仪器（常州）有限公司；HJ-6A数显恒温磁力加热搅拌器，常州金坛良友仪器有限公司；FiveEasy Plus pH计，梅特勒-托力多仪器（上海）有限公司；GSP-9080MBE隔水式恒温培养箱，上海博迅实业有限公司医疗设备厂；101-2AB型电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；TGL-16C离心机，上海安亭科学仪器厂；HH-4数显恒温水浴锅，常州智博瑞仪器制造有限公司；752紫外可见分光光度计，上海佑科仪器仪表有限公司。

1.3 单因素试验

1.3.1 酶解时间对小麦麸皮DF的影响 取原料，每份加60%水，0.6%的复合酶（木聚糖酶：纤维素酶：果胶酶=1:1:1），在45℃培养箱中分别酶解8、15、20 h和24 h。酶解结束后高温灭酶，85℃烘干粉碎。测定总膳食纤维（TDF）、IDF、SDF、还原糖、持水力和膨胀力。

1.3.2 酶添加种类对小麦麸皮DF的影响 取原料，每份加60%水，0.6%的单酶（3种木聚糖酶，1种纤维素酶，2种果胶酶），在45℃培养箱中酶解20 h。酶解结束后高温灭酶，85℃烘干粉碎。其余同上。

1.3.3 酶配比对小麦麸皮DF的影响 取原料，每份加60%水，0.6%不同配比的酶，在45℃培养箱中酶解20 h。酶解结束后高温灭酶，85℃烘干粉碎。其余同上。

1.3.4 酶用量对小麦麸皮DF的影响 取原料，每份加60%水，0%～0.7%的酶，在45℃培养箱中酶解20 h。酶解结束后高温灭酶，85℃烘干粉碎。其余同上。

1.4 正交试验设计 在获得最佳作用条件（还原糖得率最高）的基础上，进行正交试验设计，以酶解时间、酶配比和酶用量为试验因素，以还原糖含量为判断指标，优化得到适宜的麸皮酶解试验条件。

1.5 指标测定及方法

1.5.1 膳食纤维 膳食纤维测定参照GB/T5009.88-2014进行。

1.5.2 还原糖 还原糖测定采用DNS比色法。

1.5.3 持水力 持水力的测定参照Esposito等（2005）的方法。称取1.0 g样品于烘至恒重的50 mL离心管中，加入30 mL蒸馏水，室温下摇晃30 min，4000 r/min离心20 min，弃去上清液并用滤纸吸干离心管壁残留的水分，80℃烘干10 min，略除去表面多余水分，称重。持水力计算公式如下：

1.5.4 膨胀力 准确称取1.0 g样品置于25 mL量筒中，测定干粉体积，加入蒸馏水使总体积至15 mL处，振荡均匀，使其充分吸收水分，室温下静置24 h，读取量筒中样品体积数（曹树稳等，1997）。膨胀力计算公式如下：1.6 数据处理 试验数据使用Microsoft Excel进行记录和统计，使用Origin 75软件进行做图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 酶解时间对小麦麸皮膳食纤维的影响 由图1可见，其他条件相同，酶解0～20 h时，随着酶解时间的延长，酶解后样品的TDF、IDF、SDF、持水力和膨胀力下降，还原糖增加。20～24 h时，还原糖开始下降，故确定最佳酶解时间为20 h。使用最佳酶解时间酶解时，TDF减少了5.46%，IDF减少了5.26%，SDF增加了0.99%，持水力减小了1.46%，膨胀力减少了0.9%，还原糖增加了14.05%。

图1 酶解时间对小麦麸皮膳食纤维的影响

2.1.2 酶添加种类对小麦麸皮膳食纤维的影响由图2可见，其他条件相同，添加不同的酶进行酶解（木1、木2、木3、纤1、果1、果2）时，酶解后样品的TDF、IDF、SDF、持水力和膨胀力下降，还原糖增加。从图中可以看出，在相同酶用量的情况下，酶解效果是纤维素酶＞木聚糖酶＞果胶酶。使用效果最好的酶酶解时，TDF减少了10%，IDF减少了9%，持水力减小了0.62%，膨胀力减少了0.6%，还原糖增加了11.55%。

图2 酶添加种类对小麦麸皮膳食纤维的影响

2.1.3 酶配比对小麦麸皮膳食纤维的影响 预试验时发现，复合酶中是否添加果胶酶对酶解效果无明显影响，接下来的试验不再添加果胶酶。由图3可见，在其他条件相同时，添加不同配比的复合酶进行酶解（木聚糖酶：纤维素酶=7:1、5:1、3:1、1:1、1:3、1:5、1:7）。当木聚糖酶和纤维素酶的比例变化时，纤维指标的变化趋势相似，都是TDF、IDF、SDF、持水力和膨胀力先下降再上升，还原糖先上升再下降。拐点发生在5:1和1:5处，因为5:1时还原糖含量更高，故确定5:1为最佳酶配比。使用最佳酶配比酶解时，TDF减少了11%，IDF减少了10%，SDF减少了1.1%，持水力减小了0.4%，膨胀力减少了1.2%，还原糖增加了13.39%。

图3 酶配比对小麦麸皮膳食纤维的影响

2.1.4 酶用量对小麦麸皮膳食纤维的影响 由图4可见，在其他条件相同时，随着酶制剂的不断添加（0、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%），酶解后的样品TDF、IDF、SDF、持水力和膨胀力下降越来越明显，还原糖增加越来越多。综合考虑，最后确定最佳酶用量为0.6%。 使用最佳酶用量酶解时，TDF减少了4%，IDF减少了7%，SDF减少了2%，持水力减小了0.7%，膨胀力减少了0.8%，还原糖增加了12.72%。

图4 酶用量对小麦麸皮膳食纤维的影响

2.2 正交试验结果与分析 根据单因素试验结果，选取L9（34）正交试验设计探讨麸皮复合酶酶解的最优工艺参数（李云雁等，2006），正交试验因素水平见表1，结果分析见表2，方差分析见表3。

表1 试验处理与设计

由表2可见，在9个试验结果中，试验4的还原糖含量最高，为14.62%，其水平组合为A2B1C2，即酶解时间20 h、酶配比1：3、酶用量0.6%。由表2和表3的R值、F值可知，本试验因素存在显著性顺序，其主要关系为A＞C＞B，即酶解时间＞酶用量＞酶配比。

表2 正交试验结果与分析

表3 正交试验的方差分析

3 讨论

商品饲料禁止添加具有促生长作用的药物饲料添加剂后，DF对畜禽肠道健康的重要性成为热点话题。麸皮加入酶制剂改性后，可以提高DF的消化率，提高其他营养素的利用率，并增加肠道微生物的可发酵资源，改善肠道健康（徐运杰等，2021）。在酶解时间的探究试验中，监测样品pH的变化，是为了避免酶解时间过长，开始发酵，产生酸和其他有害物质影响品质（刘豪等，2019）。本试验中，酶解后还原糖含量逐渐上升，20 h后开始下降，可能是因为杂菌生长，发酵消耗了酶解产物（刘豪等，2019）。麸皮中含有高比例的DF，包括非淀粉多糖、木质素和其他不易消化的碳水化合物（郭娜，2013）。非淀粉多糖中有21.9%阿拉伯木聚糖，1.9%果胶，10.7%纤维素，0.4%葡聚糖，0.4%甘露聚糖（苗字叶等，2020）。本试验中，用多种木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶分别酶解，发现对麸皮的酶解效果从大到小是纤维素酶、木聚糖酶、果胶酶。在酶配比试验中，发现是否添加果胶酶对酶解效果影响甚微，考虑到麸皮只含有1.9%的果胶，并且纤维素酶与木聚糖酶对DF的改性有重要作用（张玉倩，2011），故复合酶中不再添加果胶酶，重点研究木聚糖酶和纤维素酶的添加比例，最大化的发挥酶制剂的作用。在酶解过程中，酶用量也不是越多越好，因为纤维素酶虽然能有效地降解细胞壁，但是当酶浓度增加后，会增加酶的竞争抑制作用（张玉倩，2011），纤维素酶对细胞壁纤维素的降解是有限的。

在酶解试验的过程中，要尽量使用新鲜麸皮。因为麸皮通气性差，不易长期保存，易酸败、发酵等，会造成酶解效果的差异。DF在具有积极营养特性的同时，还会造成饲料的表观代谢能（AME）值降低和生长缓慢，并不是IDF越低越好，SDF越高越好，要注意配方中DF的设置水平（徐运杰等，2021）。酶解过程中，非淀粉多糖被降解成还原糖，TDF下降，还原糖增加。IDF水解得到可溶性成分，IDF下降，同时一部分可溶性大分子也被降解成为不溶的小分子物质，导致SDF下降（陶颜娟，2005）。麸皮的化学组成特性是含有很多亲水基团，具有良好的持水性和膨胀性（陶颜娟，2005）。酶解过程中，膳食纤维的纤维素及半纤维素的长链断裂，微晶纤维素结构破坏，胶效应消失，持水力和膨胀力下降。样品酶解结束后会经过烘干和粉碎，粉碎后更细的DF溶解度较好，有一部分会溶于水而对持水力、膨胀力没有贡献（张玉倩，2011）。同时过度粉碎，会破坏膳食纤维的物理结构，使原先可以吸收自由水的空间减少，从而减少膨胀力和持水力（刘倍毓，2011）。

4 结论

本试验结果表明，麸皮经过酶解处理后，其TDF、IDF、SDF、持水力和膨胀力都发生下降，还原糖大幅度增加。麸皮最佳酶解条件为酶添加量0.6%，加木聚糖酶：纤维素酶=1:3，酶解时间20 h。