（哈爾濱商業(yè)大學(xué) 食品工程學(xué)院，哈爾濱 150076）

0 引言

由于膳食纖維對人體有著重要的生理功能而被譽(yù)為第七營養(yǎng)素[1]，早在20世紀(jì)70年代，一些發(fā)達(dá)國家就對膳食纖維展開了研究。近年來，隨著我國國民生活水平的不斷提高，所謂的“文明病”患者也就越來越多，這主要就是國民飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，飲食越來越精細(xì)，纖維攝入不足導(dǎo)致的[2]。黑龍江省作為我國的優(yōu)質(zhì)稻米主產(chǎn)區(qū)，每年加工稻米過程中會產(chǎn)生大量的米糠資源，2018年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，黑龍江省米糠產(chǎn)量約為200萬噸[3]。米糠中的營養(yǎng)成分約為稻米總營養(yǎng)成分的67%[4]，含有豐富的膳食纖維、油脂、蛋白等營養(yǎng)物質(zhì)[5]。米糠資源未被合理的開發(fā)和利用，造成了資源的大量浪費(fèi)。

大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，可溶性膳食纖維（SDF）能夠發(fā)揮的生理特性要遠(yuǎn)高于不溶性膳食纖維（Insoluble dietary fiber，IDF），且兩者較好的平衡含量之比為1：9左右[6]。因此對膳食纖維進(jìn)行改性的研究便尤為重要。所謂的膳食纖維改性，是對膳食纖維采用物理、化學(xué)方法提高可溶性膳食纖維的含量[7]。目前膳食纖維的研究多采用物理法、化學(xué)法、酶法、發(fā)酵法等單一方法進(jìn)行改性處理[8]，對可溶性膳食纖維的含量提高不充分。

基于上述原因，本研究采用纖維素酶、木聚糖酶復(fù)合酶法對米糠膳食纖維進(jìn)行改性，研究了包括酶解時間、酶的添加量、酶解液pH值、酶解溫度這些因素在酶解米糠膳食纖維過程中所產(chǎn)生的影響，并尋找出改性最優(yōu)工藝條件，從而使脫脂脫蛋白米糠中可溶性膳食纖維的含量增加，功能性提高。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

米糠，由寧安市渤海鎮(zhèn)林響大米經(jīng)銷處提供，五優(yōu)系稻米加工所得米糠，該品種種植于火山玄武巖石板地上，采用鏡泊湖水系灌溉，米糠膳食纖維含量約為42%；氫氧化鈉（天津市天新精細(xì)化工開發(fā)中心）；纖維素酶、木聚糖酶（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；大豆油（金龍魚集團(tuán)有限公司）；無水乙醇、鹽酸（天津市天新精細(xì)化工開發(fā)中心）。

1.2 儀器與設(shè)備

YB-10002型電子天平（北京賽多利斯儀器有限公司）；PHS-3C數(shù)顯pH計（上海精密儀器有限公司）；THZ-82A水浴震蕩器（上海一恒科技有限公司）；80-2高速離心機(jī)（上海浦東物理光學(xué)儀器廠）；DHG-9123A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海-恒科學(xué)儀器有限公司）；FW80-1小型粉碎機(jī)（天津泰斯特科技有限公司）；DF101S磁力攪拌器（北京科偉永興儀器有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 酶法改性米糠膳食纖維的制備

參考黃冬云[9]酶法改性米糠膳食纖維的研究中采用的方法，準(zhǔn)確稱取5.00 g米糠膳食纖維置于200 mL的燒杯中，加入50 mL 0.05 mol/L pH為4.0～6.0的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液，攪拌均勻后，加入適量木聚糖酶或纖維素酶，燒杯口密封后于40～60 ℃水浴中振蕩1～5 h，水浴加熱結(jié)束后，置于99 ℃水浴10 min滅酶。

取已恒重的布氏漏斗，用3 mL蒸餾水潤濕濾紙，將酶解后樣品轉(zhuǎn)移至漏斗中抽濾，用10 mL 70 ℃熱水洗滌殘留物2次，收集濾液合并并轉(zhuǎn)移至另一燒杯中，上述殘余物用78%（v/v）乙醇15 mL洗滌2次，用95%（v/v）乙醇15 mL洗滌2次，丙酮15 mL洗滌2次，抽濾至無液體滴落，取下布氏漏斗與殘余物在105 ℃下干燥過夜，殘余物恒重后質(zhì)量即為IDF。轉(zhuǎn)移至另一燒杯中的濾液，按其4倍體積加入60 ℃的95%乙醇，室溫下靜置1 h，進(jìn)行抽濾，抽濾過程中分別用78%（v/v）乙醇，95%（v/v）乙醇和丙酮對其進(jìn)行洗滌，烘干后得到的濾渣即為SDF。

1.3.2 酶解處理優(yōu)化試驗(yàn)

本試驗(yàn)選酶的添加量、緩沖液pH值、酶解溫度和酶解時間，分別進(jìn)行纖維素酶及木聚糖酶法改性單因素試驗(yàn)，通過可溶性膳食纖維得率來判定改性情況，SDF含量計算式如下：

SDF（%）=可溶性膳食纖維質(zhì)量/總膳食纖維質(zhì)量×100%

1.3.3 復(fù)合酶解對米糠SDF得率的影響正交試驗(yàn)

在纖維素酶解、木聚糖酶解優(yōu)化單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選用L9（34）正交試驗(yàn)對纖維素酶添加量、木聚糖酶添加量、酶解液pH值進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

1.3.4 酶法改性米糠膳食纖維理化特性分析

1.3.4.1 溶解性測定

參考黃萍等[10]的方法，準(zhǔn)確稱取樣品（m1）2.000 g，置于100 mL燒杯中，加入50 mL蒸餾水，室溫下磁力攪拌20 min，將試液全部轉(zhuǎn)入100 mL容量瓶中定容后，量取10 mL該液體倒入離心管中，以3 000 r/min的速度離心10 min，將離心獲得的上清液完全倒入干燥至恒重的稱量瓶中，在105 ℃的烘箱中干燥至恒重，稱得的重量為m2，利用如下計算式，得出該樣品的溶解性。

1.3.4.2 持水力測定

參考鐘振聲等[11]的方法，準(zhǔn)確稱取1.000 g樣品放入錐形瓶內(nèi)，量取80 mL蒸餾水并加入到錐形瓶中，室溫下電磁攪拌4 h，于4 000 r/min下進(jìn)行離心20 min，離心結(jié)束后取出，棄去上清液，瀝干附著在離心管內(nèi)壁的水珠后稱重。計算式如下：

1.3.4.3 持油力測定

參考李娜等[12]該方法與上述持水力的測定方法相似。選用金龍魚大豆色拉油進(jìn)行測定，計算公式與持水力公式相同。

1.3.4.4 溶脹力測定

參考謝歡等[13]的方法，準(zhǔn)確稱取0.5 g樣品于盛有8 mL蒸餾水的試管中，完全混合均勻后，靜置后準(zhǔn)確記錄樣品的初始體積，記為V1，25 ℃放置4 h后測量樣品在試管中的膨脹體積，記為V2，膳食纖維的溶脹力計算式如下：

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單一酶法改性試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 纖維素酶單因素試驗(yàn)結(jié)果

圖1-4為影響SDF得率的纖維素酶單因素試驗(yàn)結(jié)果。

如圖1所示，在pH 4.5、溫度為50 ℃和酶解時間為4 h條件下，SDF得率隨纖維素酶添加量增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，當(dāng)纖維素酶添加量為60 U/g時，SDF得率達(dá)到峰值。過量的酶使得SDF被過度降解，SDF得率表現(xiàn)出下降的趨勢，因此纖維素酶添加量不宜過大。如圖2所示，在溫度為50 ℃，添加纖維素酶的量為60 U/g，酶解時間4 h條件下，SDF得率在pH 4.5時最大，隨后SDF得率隨pH值的升高而降低，這表明過高的pH值對酶的活性有一定的抑制作用，從而影響酶解反應(yīng)，因此纖維素酶最適作用pH值為4.5。如圖3所示，在纖維素酶用量60 U/g，pH 4.5，酶解溫度為50 ℃條件下，當(dāng)酶解時間在1～4 h時，SDF得率隨著酶作用時間增加而遞增，在4 h時SDF得率達(dá)到最大值，隨后呈下降趨勢，部分SDF因酶解時間較長而被降解成小分子糖，因纖維素酶最適酶解時間為4 h。如圖4所示，研究了在pH4.5，纖維素酶用量60 U/g，時間4 h的條件下，酶解溫度對SDF得率的影響。SDF得率在50 ℃時達(dá)到最大值，隨著溫度的升高，SDF得率有所降低。這可能是由于高溫抑制了酶活力，因此纖維素酶最適酶解溫度為50 ℃。

2.1.2 木聚糖酶單因素試驗(yàn)結(jié)果

圖5-8為影響SDF得率的木聚糖酶單因素試驗(yàn)結(jié)果。

如圖5所示，在pH4.5，酶解溫度50 ℃、酶解時間4h 條件下，SDF得率隨木聚糖酶添加量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，SDF得率在酶添加量30 U/g達(dá)到最大值，過量的酶作用于IDF的過程中，部分SDF也被降解為小分子物質(zhì)，因此木聚糖酶的最佳酶添加量為30 U/g。如圖6所示，在50 ℃，木聚糖酶用量30 U/g，酶解時間4h的條件下，SDF得率隨著pH值升高先增加后下降。當(dāng)pH值達(dá)到4.5時，SDF得率隨達(dá)到最大，pH過高抑制酶活力，因此木聚糖酶最適作用pH值為4.5。由圖7所示，在pH 4.5、溫度為50 ℃、木聚糖酶用量30 U/g條件下，SDF含量隨時間的延長先增后減，在4 h時SDF得率達(dá)到峰值，因而得出木聚糖酶的最佳酶解時間為4 h。由圖8所示，在pH 4.5，木聚糖酶用量30 U/g，酶解作用時間4 h條件下，溫度在40～45 ℃之間時，SDF含量增長較慢，當(dāng)溫度升高到50 ℃時，SDF得率達(dá)到最高，隨著溫度的繼續(xù)升高，SDF得率有所降低，溫度過高導(dǎo)致木聚糖酶部分失活，致使SDF得率降低，因此選取木聚糖酶最適酶解溫度為50 ℃。

2.2 復(fù)合酶法改性試驗(yàn)結(jié)果

通過纖維素酶改性膳食纖維、木聚糖酶改性膳食纖維單因素試驗(yàn)結(jié)果得出酶解最適溫度均為50 ℃，酶解最適時間均為4 h，因此復(fù)合酶改性膳食纖維試驗(yàn)中設(shè)定纖維素酶添加量、木聚糖酶添加量、酶解液pH值為單因素進(jìn)行正交試驗(yàn)。

由表1中極差分析可得出結(jié)論，在復(fù)合酶酶改性試驗(yàn)中，各因素對SDF含量影響程度為木聚糖酶添加量（B）＞纖維素酶添加量（A）＞緩沖液pH值（C），其中A因素（木聚糖酶添加量）對SDF得率有顯著影響，方差分析（見表2）可進(jìn)一步得出復(fù)合酶的最佳酶解條件為A3B2C2，即纖維素酶添加量為70 U/g、木聚糖酶添加量為30 U/g、酶解液pH為5.0、酶解溫度為50 ℃、酶解時間為4 h。在此條件下進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，SDF的率達(dá)到9.23%，優(yōu)于纖維素酶/木聚糖酶單酶作用于米糠膳食纖維的SDF得率。

表1 L9（34）正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析

2.3 酶法改性米糠膳食纖維理化特性結(jié)果

2.3.1 溶解性分析

測定酶法改性所得米糠膳食纖維理化特性試驗(yàn)結(jié)果見圖9。

由圖9所示，3種經(jīng)過酶解后得到的可溶性膳食纖維的溶解度均達(dá)到了85%以上，3種酶解方式獲得的SDF，其溶解性均隨著溫度的升高而上升，溶解性整體上升趨勢一直，其中復(fù)合酶解SDF溶解性最優(yōu)，其次是纖維素酶解SDF，木聚糖酶解SDF溶解性最差，在100 ℃下3種SDF溶解性分別為96.12%、94.24%和94.13%。整體溶解趨勢與文獻(xiàn)[9]報道相一致，各溫度溶解性數(shù)值有一定差異，這可能是由于本研究選用的米糠原料不同，所選擇的纖維素酶、木聚糖酶活力不同所導(dǎo)致的差異。由此可以看出，纖維素酶和木聚糖酶復(fù)合酶解使可溶性膳食纖維溶解性得到了大幅度的提升，理化性能得到了進(jìn)一步的改善。

2.3.2 持水力、持油力、溶脹力分析

膳食纖維在消化道內(nèi)吸水膨脹，具有發(fā)后填充、吸附、刺激胃腸道蠕動等重要作用。膳食纖維與水分相互作用能力可以通過持水力、持油力和膨脹力來體現(xiàn)，且二者之間存在著高度的相關(guān)性[14]。酶法改性米糠膳食纖維，所得產(chǎn)物的持水力、持油力和溶脹力數(shù)據(jù)如表3所示，經(jīng)木聚糖酶和纖維素酶酶解后得到的膳食纖維，持油力與持水力均有一定程度的提高，而溶脹力則表現(xiàn)出明顯下降的趨勢。纖維酶解后的不溶性膳食纖維持水力為原料的1.39倍，木聚糖酶解IDF持水力為原料的1.13倍，復(fù)合酶解IDF持水力為原料的1.44倍；纖維素酶解IDF持油力為原料的2.24倍，木聚糖酶解IDF持油力為原料的2.13倍，復(fù)合酶解IDF持油力為原料的2.30倍；纖維素酶解后總膳食纖維（total dietary fiber，TDF）溶脹力比原料米糠總膳食纖維（rice bran total dietary fiber，RBTDF）下降了16.75%，木聚糖酶解TDF溶脹力比RBTDF下降了14.66%，復(fù)合酶解IDF溶脹力比RBTDF下降了19.37%。

通過分析數(shù)據(jù)可以得出：木聚糖酶和纖維素酶對米糠膳食纖維的酶解能夠在一定程度上提高其理化性能，持水力與持油力得以增大而溶脹力也在一定程度上有所降低，當(dāng)兩種酶復(fù)合處理后效果更加顯著，理化性能也更加優(yōu)良。米糠經(jīng)酶解改性后，分子鏈斷裂，纖維大分子被降解，其聚合度不同程度的下降，酶法改性后的米糠SDF顆粒小、表面積增大，原來隱藏在纖維內(nèi)部的親水基團(tuán)被暴露出來，使得改性后米糠纖維具有更好的持水力、持油力和溶脹力，高持水力可以提高人體排便速度，緩解腸道壓力，促使有毒物質(zhì)及時排出體外[15]，溶脹性的顯著提高，可以使膳食纖維進(jìn)入人體內(nèi)快速吸水膨脹，體積增大，是集體獲得飽腹感，并在一定程度上降低機(jī)體對碳水化合物的消化吸收功能，從而達(dá)到減肥的功效[16]。持水力的提高有助于食品加工過程中的水分穩(wěn)定，以及組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。高持油力可以改善風(fēng)味物質(zhì)，組織脂類物質(zhì)氧化變性，從而達(dá)到延長貨架期的作用[17]。

表3 持水力、持油力、溶脹力

3 結(jié)語

本文將米糠作為原料，提取米糠膳食纖維，并針對其可溶性成分含量低和功能性質(zhì)較差的問題，利用纖維素酶和木聚糖酶對其進(jìn)行復(fù)合酶解，通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，得到了復(fù)合酶法改性米糠膳食纖維的的最優(yōu)工藝條件。與單酶法改性相比較，復(fù)合酶法改性后的米糠膳食纖維具有更好的持水力、持油力、溶脹力。通過前期研究與其他改性方法相比，復(fù)合酶法改性具有成本相對較低，環(huán)境污染小，能耗低等優(yōu)點(diǎn)，更容易被工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。