复合酶改性玉米皮可溶性膳食纤维的工艺优化及理化特性分析

魏旭瑶，姜彩霞,2，曾祥瑞，王 萌，郑喜群,2,3, ，刘晓兰

（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江大庆 163319；2.黑龙江八一农垦大学国家杂粮工程技术研究中心，黑龙江大庆 163319；3.粮食副产物加工与利用教育部工程研究中心，黑龙江大庆 163319；4.齐齐哈尔大学食品与生物工程学院，黑龙江省玉米深加工理论与技术重点实验室，黑龙江齐齐哈尔 161006）

膳食纤维（Dietary Fibre，DF）是一种植物衍生的寡糖或多糖，不能被人类消化系统完全消化。主要由纤维素、木质素、半纤维素、果胶、低聚糖组成[1]。含有多种抗人类消化酶消化的化学结构[2]。膳食纤维也被认为是植物的重要组成部分[3]，根据溶解度可以分为可溶性膳食纤维（Soluble Dietary Fibre，SDF）和不可溶性膳食纤维（Insoluble Dietary Fiber，IDF），对人体健康和维持身体功能平衡至关重要[4]。SDF 可降低血液中的胆固醇含量和葡萄糖水平，有助于预防或改善心血管疾病和糖尿病等慢性疾病[5]。SDF 也可用于食品加工，改善食品的质地结构和口感，满足人体对膳食营养素的需求[6-7]。研究发现玉米皮膳食纤维是谷物中最重要的膳食纤维来源之一，可以吸收亚硝酸盐，显著降低患癌症的风险[8]。

玉米是世界上三大粮食作物之一。在粮食作物中玉米的世界总产量最高[9]。根据中国玉米产量数据，玉米皮年产量为3000 万吨。而人们往往忽略其潜在的价值，部分仅应用在饲料生产中。玉米皮富含优质的碳水化合物，如半纤维素、纤维素和淀粉[10]。酶解法已被证明通过改变麸皮结构或重新分配内部组成来改善膳食纤维的功能特性[11]。张向辉等[12]采用高温蒸煮复合酶法提取绿豆皮中的SDF，其理化性质及体外降血糖能力均优于高温蒸煮法提取的绿豆皮SDF。杨开等[13]采用复合酶法提取雷笋中的SDF，将雷笋中的IDF 部分水解变为较小分子量的SDF，使原本有序的纤维素晶型被打乱，得率可达到5.78%，且理化特性均有较大改善。Ma 等[14]研究发现复合酶法改性能显著提高膳食纤维得率。且与未改性的原料相比，复合酶法改性后的膳食纤维具有更高的可溶性单糖含量、更强的热稳定性和更高的多孔率。纤维素酶和木聚糖酶可以水解DF 原料中的纤维素和半纤维素成分，使纤维素多糖分子量降低，聚合度下降，大幅度提升了SDF 含量。目前关于复合酶法改性提取玉米皮中可溶性膳食纤维的报道较少，因此探寻优质的提取工艺将玉米皮中IDF 转化为SDF 有着重要的意义。

本文采用复合酶法改性玉米皮可溶性膳食纤维，通过单因素实验、响应面优化玉米皮可溶性膳食纤维制备的工艺参数。并对提取产物进行了相关的体外试验，进一步明确改性前后玉米皮可溶性膳食纤维功能特性的差异，研究结果可能为开发玉米皮高附加值功能产品以及对玉米加工副产物的精深利用提供有利参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玉米皮 京粮龙江生物工程有限公司；淀粉酶（2×105U/g）北京奥博星生物技术有限责任公司；碱性蛋白酶（2×105U/g）南宁庞博生物有限公司；淀粉糖苷酶（1.5×105U/g）、纤维素酶（1.1×104U/mL）、木聚糖酶（2.8×105U/g）沧州夏盛酶生物技术有限公司；其他试剂均为分析纯。

TGL-16M 离心机 湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；UV-2501PC 紫外-可见分光光度计 日本岛津公司；DF-101 智能磁力搅拌器 巩义市予华仪器有限责任公司；RE52-99 旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 复合酶改性玉米皮SDF 的制备 根据Li 等[15]的方法略有修改。玉米皮粉碎后，过60 目筛得玉米皮粗粉，进行石油醚脱脂，经低温干燥后按料液比1:10（g/mL）加入去离子水，混合液调至温度60 ℃、pH5.0 后加入纤维素酶（40 U/mg）、木聚糖酶（13 U/mg）进行酶解，酶解后100 ℃沸水浴灭酶15 min。按照AOAC 方法，经α-淀粉酶、蛋白酶和淀粉糖苷酶顺序酶解，以去除膳食纤维中的淀粉和蛋白质等组分。具体参数为：当复合酶改性玉米皮混合液温度降至60 ℃，pH 调至6.5，加入1%淀粉酶，酶解1 h，沸水浴灭酶；当温度降至55 ℃时调整pH至9.0，加入2%蛋白酶，酶解3 h，沸水浴灭酶；当温度降至50 ℃时调整pH 至4.2，加入1%淀粉糖苷酶，酶解2 h，沸水浴灭酶。待料液冷却至室温，4000 r/min 离心15 min，收集上清液，经真空减压浓缩至总体积的1/3，加入4 倍体积95%的乙醇溶液，4 ℃醇沉10 h，沉淀物离心后干燥，即为复合酶改性玉米皮SDF，简称C-SDF。

1.2.2 单因素实验 利用复合酶法改性玉米皮SDF，考察纤维素酶添加量、木聚糖酶添加量、酶解温度和酶解时间对玉米皮SDF 得率的影响。4 个因子试验范围如下：以玉米皮可溶性膳食纤维得率为衡量指标，分别在木聚糖酶添加量1.2%、酶解时间120 min、酶解温度60 ℃的条件下考察纤维素酶（0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%）对玉米皮SDF 的影响；在纤维素酶添加量1.5%、酶解时间120 min、酶解温度60 ℃的条件下考察木聚糖酶（0.8%、1%、1.2%、1.4%、1.6%）对玉米皮SDF 得率的影响；在纤维素酶添加量1.5%、木聚糖酶添加量1.2%、酶解温度60 ℃的条件下考察酶解时间（60、90、120、150、180 min）对玉米皮SDF 得率的影响；在纤维素酶添加量1.5%、木聚糖酶添加量1.2%、酶解时间120 min 的条件下考察酶解温度（40、50、60、70、80 ℃）对玉米皮SDF 得率的影响。

1.2.3 响应面优化试验 在上述单因素实验的基础上，运用Design expert-13 软件，根据中心组合试验设计原理，采用四因素三水平的响应面分析法，以纤维素酶添加量（A）、木聚糖酶添加量（B）、酶解时间（C）、酶解温度（D）为自变量，以C-SDF 得率为响应值，通过响应曲面分析对提取条件进行优化，以确定制备的最优条件，因素与水平设计见表1。

表1 Box-Behnken 试验因素及水平Table 1 Factors and levels of Box Behnken test

1.2.4 C-SDF 理化特性的测定

1.2.4.1 溶解性（Water solubility，WS）根据Li 等[16]的方法略有修改。精确称量0.3 g 样品于50 mL 离心管中，加入30 mL 蒸馏水，75 ℃水浴1 h，4000 r/min离心15 min，除去上清液并将沉淀烘干至恒重，按下式计算：

式中：M0样品干重（g）；M1上清液干燥后的固形物质量（g）。

1.2.4.2 持水力（Water holding capacity，WHC）根据Yin 等[17]的方法确定，但略有修改。精确称量0.3 g 样品于50 mL 离心管中，加入30 mL 蒸馏水，25 ℃混匀振荡2 h，静置12 h，4000 r/min 离心15 min，除去上清液后用滤纸将残留在离心管内的剩余水分吸干并称量沉淀质量。

式中：M2为样品湿重（g）；M0为样品干重（g）。

1.2.4.3 持油力（Oil holding capacity，OHC）根据Ji 等[18]的方法确定，但略有修改。精确称量0.3 g 样品于50 mL 离心管中，加入30 mL 大豆油，25 ℃振荡2 h，静置12 h，4000 r/min 离心15 min，除去上清液后用滤纸将残留在离心管内的剩余大豆油吸干并称量沉淀质量。

式中：M3为样品湿重（g）；M0为样品干重（g）。

1.2.4.4 葡萄糖吸附能力（Glucose adsorption capacity，GAC）的测定 根据Zheng 等[19]的方法确定，但略有修改。准确称量0.3 g 样品加入200 mmol/L的葡萄糖溶液中。在37 ℃下180 r/min 水浴振荡6 h，4000 r/min 离心15 min，取上清液用3,5-二硝基水杨酸法（DNS 法）测定其葡萄糖含量。GAC 的计算方法如下：

式中：C0为吸附前溶液中葡萄糖浓度（mmol/L）；C1为吸附后溶液中上清液葡萄糖浓度（mmol/L）；V0为离心后上清液体积（mL）；Mm为样品质量（g）。

1.2.4.5 胆固醇吸附能力（Cholesterol adsorption capacity，CAC）的测定 根据Benitez 等[20]的方法确定，但略有修改。新鲜的鸡蛋黄中加入9 倍体积的蒸馏水充分搅拌混合，准确称量0.3 g 待测样品加入到30 mL 蛋黄稀释液中，分别用NaOH 和HCl 将体系调节到pH 至7.0±0.1（模拟肠道环境）和pH 至2.0±0.1（模拟胃环境）。将混合液37 ℃水浴振荡4 h，4000 r/min 离心15 min，取上清液采用邻苯二甲醛的方法测定上清液中胆固醇含量。

式中：M1为吸附前胆固醇含量（mg）；M2为吸附后胆固醇含量（mg）；M0为样品干重（g）。

1.2.4.6 胆酸钠吸附能力（Sodium cholate adsorption capacity，SCAC）的测定 根据Cheng 等[21]的方法确定，但略有修改。取0.3 g 样品与30 mL 0.75 mg/mL胆酸钠溶液充分混合。分别用NaOH 和HCl 将体系调节到pH 至7.0±0.1（模拟肠道环境）和pH 至2.0±0.1（模拟胃环境）。37 ℃下水浴3 h，4000 r/min离心15 min，采用糠醛比色法测定上清液中胆酸钠含量。

式中：Ma为吸附前胆酸钠含量（mg）；Mb为吸附后胆酸钠含量（mg）；M0为样品干重（g）。

1.3 数据处理

试验均进行了三次平行，数据均以“平均值±标准差”表示，显著性分析采用SPSS 26 统计软件，经单因素方差分析，比较方法采用Tukey 分析，P＜0.05表示差异性显著；采用Origin 2022 进行图形绘制；响应面优化试验借助Design Expert 13 进行。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果与分析

2.1.1 纤维素酶添加量对C-SDF 得率的影响 纤维素酶添加量对玉米皮SDF 得率的影响由图1 所示，由图1 可知，随着纤维素酶添加量的增加C-SDF 得率呈现的趋势为先增加后减少，且在纤维素酶添加量为1.5%时C-SDF 得率达到最大值。当底物一定时，随着酶添加量的增加，酶解速率也随之相应增加，但是当酶添加量大于1.5%时，C-SDF 的得率呈现缓慢下降的趋势，可能是因为酶添加量过多，将CSDF 水解生成分子质量更低且易溶于乙醇的糖类物质，使得C-SDF 的得率降低[22-23]。因此，纤维素酶的最佳添加量以1.5%进行响应面试验分析较适宜。

图1 纤维素酶添加量对玉米皮SDF 得率的影响Fig.1 Effect of cellulase supplemental level on the extraction rate of SDF from corn bran

2.1.2 木聚糖酶添加量对C-SDF 得率的影响 木聚糖酶添加量对玉米皮SDF 得率的影响由图2 可知，C-SDF 的得率在木聚糖酶添加量为1%时达到最高，随后呈现酶解速率下降的趋势。底物中非淀粉多糖被木聚糖酶充分酶解后形成了聚合度较小的糖组分，使C-SDF 含量增加[24]。当木聚糖酶添加量超过1%时，木聚糖酶则水解SDF 中低聚木糖等组分，使C-SDF 得率降低。故选木聚糖酶1%添加量时提取C-SDF 进行响应面优化试验为宜。

图2 木聚糖酶添加量对玉米皮SDF 得率的影响Fig.2 Effect of xylanase addition on SDF extraction rate of corn bran

2.1.3 酶解时间对C-SDF 得率的影响 酶解时间对玉米皮SDF 得率的影响由图3 所示，随着酶解时间的不断上升，酶的作用时间对C-SDF 得率的影响呈现150 min 之前稳步增加随之减小的变化趋势，在酶解时间为150 min 时，C-SDF 的得率达到最高值。随着时间的延长，底物与酶结合的作用位点越来越多，随之呈现饱和状态，再继续延长酶解时间，底物会被过度消耗，酶分子的有效含量也将有所降低，酶的速率也随之降低。时间过长时C-SDF 也会被进一步降解，导致C-SDF 得率变小[25]。因此最适酶解时间为150 min 进行响应面优化试验。

图3 酶解时间对玉米皮SDF 得率的影响Fig.3 Effect of enzymatic hydrolysis time on the extraction rate of corn bran SDF

2.1.4 酶解温度对C-SDF 得率的影响 酶解温度对玉米皮SDF 得率的影响如图4 可知，随着酶解温度的上升，酶解温度对C-SDF 得率的影响呈先增加后降低的变化趋势，且在60 ℃时C-SDF 得率到达最高值。高温环境下，酶的内部结构遭到破坏，导致无论其活性、稳定性都有所下降，而低温条件不能提高相对反应体系的活化能，与底物酶解不充分也会导致酶解效果的降低[26]。因此，故选酶解温度控制在50 ℃进行响应面优化试验为宜。

图4 酶解温度对玉米皮SDF 得率的影响Fig.4 Effect of enzymatic hydrolysis temperature on the extraction rate of corn bran SDF

2.2 响应面优化试验结果

响应面优化试验结果见表2。结果表明CSDF 得率及自变量纤维素酶添加量（A）、木聚糖酶添加量（B）、酶解时间（C）、酶解温度（D）的回归方程为：Y=16.58+1.78A+1.64B+1.63C+1.27D+0.15AB+0.28AC-0.6025AD+0.5075BC-0.1525BD+0.0625CD-2.26A2-2.96B2-2.48C2-2.65D2。

表2 响应面分析设计及结果Table 2 Design and results of response surface analysis

由表3 所示，此回归方程模型P＜0.0001 呈极显著趋势；模型失拟项P＞0.05 呈不显著趋势，表明所建立模型的回归方程有较好的拟合性，可以作为预测C-SDF 优化提取工艺参数的模型。此模型的相关回归系数R²=0.9905，绝对校正系数R2Adj=0.9809，以上数据表明该模型的可靠性高。其中A、B、C、D、A2、B2、C2、D2的P值均＜0.001，说明相关数值对CSDF 得率影响呈极显著。AD 的P＜0.01 对C-SDF得率为高度显著影响。BC 的P＜0.05 呈现显著趋势。各因素对C-SDF 得率影响的顺序依次为：A（纤维素酶添加量）＞B（木聚糖酶添加量）＞C（酶解时间）＞D（酶解温度）。

表3 回归模型的方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

由图5 所示，两因素交互响应面3D 图的趋势越陡，说明因素之间的交互作用越明显；响应面趋势越平缓，影响程度越不明显。根据3D 响应图中各因素交互的趋势也可以推断响应值作用的大小。结果表明，AD、BC 的交互作用对响应值的影响显著，这与方差分析的结果相同。

图5 各因素交互作用对玉米皮SDF 得率影响的响应面图Fig.5 Response surface graph of the interaction of various factors on the extraction rate of corn bran SDF

2.3 工艺优化可靠性验证结果

通过Design-Expert 软件优化分析，得到C-SDF最优改性工艺条件参数：纤维素酶添加量1.76%、木聚糖酶添加量1.08%、酶解温度56.08 ℃、酶解时间152 min。

结合实际工艺设置的可行性，对优化的C-SDF提取条件进行修正：纤维素酶添加量1.5%、木聚糖酶添加量1%、酶解温度55 ℃、酶解时间150 min；以此工艺参数进行三次验证试验得到C-SDF 得率平均值为16.64%±0.21%。结果与模型预测的理论值相差较小，从而得出该模型优化后的玉米皮可溶性膳食纤维的工艺参数可靠性较高。

2.4 理化性质结果与分析

通过复合酶法改性的C-SDF 理化特性如表4所示。通过复合酶改性后的C-SDF 与对照组U-SDF相比WHC 和OHC 都显著增强（P＜0.05）。结果表明复合酶改性后能够有效改善C-SDF 的理化特性，这可能是由于复合酶法改性导致C-SDF 的微观结构变得更加松散，且暴露出的亲水基团增多，导致了持水力的增强。OHC 在食品加工过程中是决定保留脂肪和脂溶性风味的重要指标[27]。C-SDF 对葡萄糖溶液也有着良好的吸附性，可能是因为玉米皮进行改性后含有较高的有机木质素，可以吸附部分有机化合物[28]。pH 对胆固醇的吸附有一定的影响。C-SDF在pH7.0 条件下的吸附能力明显优于pH2.0 条件下的吸附力，可以推断，C-SDF 在小肠中作用位点的胆固醇吸收能力更强。而在酸性反应的环境条件下存在大量氢离子，使得C-SDF 与胆固醇均携带了部分正电荷，两者之间相互排斥的作用力使其结合力减弱，最终导致C-SDF 对胆固醇的吸附能力有所下降。另外，C-SDF 对胆酸钠的结合能力在pH7.0 条件下优于pH2.0 条件下，这可能是因为改性后CSDF 结构更加疏松多孔，比表面积增大，从而增加了C-SDF 与胆酸钠的结合位点，增强了胆酸钠吸附性能[29]。也可能因为C-SDF 在pH7.0 条件下溶液中呈现出一种凝胶状结构，能够吸附和结合胆汁酸，使其胆汁酸及其盐可在小肠中更好的结合，部分胆汁酸及其盐类在小肠内与膳食纤维相结合后随粪便排出体外，这样就需要有额外的胆固醇被转化成胆酸以补偿被排出的部分。因此加速了体内胆固醇的分解，从而达到降低血脂的作用[30]。

表4 C-SDF 的的理化特性Table 4 Physical and chemical properties of C-SDF

3 结论

本研究以玉米加工副产物玉米皮为原料，以纤维素酶和木聚糖酶为复合酶改性膳食纤维，通过设计单因素实验和响应面优化工艺，确定最佳改性提取工艺为：纤维素酶添加量1.5%、木聚糖酶添加量1%、酶解温度55 ℃、酶解时间150 min，改性后的玉米皮可溶性膳食纤维得率为16.64%±0.21%，且具有良好的溶解性、持水力、持油力、葡萄糖吸附力、胆固醇吸附性和胆酸钠吸附性。本研究对提高玉米皮综合利用，实现粮食加工副产物的提质增效具有重要的意义。