（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(duì)人體有著重要的生理功能而被譽(yù)為第七營(yíng)養(yǎng)素[1]，早在20世紀(jì)70年代，一些發(fā)達(dá)國(guó)家就對(duì)膳食纖維展開(kāi)了研究。近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民生活水平的不斷提高，所謂的“文明病”患者也就越來(lái)越多，這主要就是國(guó)民飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，飲食越來(lái)越精細(xì)，纖維攝入不足導(dǎo)致的[2]。黑龍江省作為我國(guó)的優(yōu)質(zhì)稻米主產(chǎn)區(qū)，每年加工稻米過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的米糠資源，2018年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，黑龍江省米糠產(chǎn)量約為200萬(wàn)噸[3]。米糠中的營(yíng)養(yǎng)成分約為稻米總營(yíng)養(yǎng)成分的67%[4]，含有豐富的膳食纖維、油脂、蛋白等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[5]。米糠資源未被合理的開(kāi)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)米糠膳食纖維進(jìn)行改性，研究了包括酶解時(shí)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(guò)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(kāi)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(yú)集團(tuán)有限公司）；無(wú)水乙醇、鹽酸（天津市天新精細(xì)化工開(kāi)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(jì)（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(rùn)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(wú)液體滴落，取下布氏漏斗與殘余物在105 ℃下干燥過(guò)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(guò)程中分別用78%（v/v）乙醇，95%（v/v）乙醇和丙酮對(duì)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(shí)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(guò)可溶性膳食纖維得率來(lái)判定改性情況，SDF含量計(jì)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(duì)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(duì)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(cè)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(jì)算式，得出該樣品的溶解性。

1.3.4.2 持水力測(cè)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?jī)?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(jì)算式如下：

1.3.4.3 持油力測(cè)定

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

1.3.4.4 溶脹力測(cè)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(cè)量樣品在試管中的膨脹體積，記為V2，膳食纖維的溶脹力計(jì)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(shí)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(shì)，當(dāng)纖維素酶添加量為60 U/g時(shí)，SDF得率達(dá)到峰值。過(guò)量的酶使得SDF被過(guò)度降解，SDF得率表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，因此纖維素酶添加量不宜過(guò)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(shí)間4 h條件下，SDF得率在pH 4.5時(shí)最大，隨后SDF得率隨pH值的升高而降低，這表明過(guò)高的pH值對(duì)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(shí)間在1～4 h時(shí)，SDF得率隨著酶作用時(shí)間增加而遞增，在4 h時(shí)SDF得率達(dá)到最大值，隨后呈下降趨勢(shì)，部分SDF因酶解時(shí)間較長(zhǎng)而被降解成小分子糖，因纖維素酶最適酶解時(shí)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(shí)間4 h的條件下，酶解溫度對(duì)SDF得率的影響。SDF得率在50 ℃時(shí)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(shí)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(shì)，SDF得率在酶添加量30 U/g達(dá)到最大值，過(guò)量的酶作用于IDF的過(guò)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(shí)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(shí)，SDF得率隨達(dá)到最大，pH過(guò)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(shí)間的延長(zhǎng)先增后減，在4 h時(shí)SDF得率達(dá)到峰值，因而得出木聚糖酶的最佳酶解時(shí)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(shí)間4 h條件下，溫度在40～45 ℃之間時(shí)，SDF含量增長(zhǎng)較慢，當(dāng)溫度升高到50 ℃時(shí)，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(guò)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(guò)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(shí)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(duì)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(duì)SDF得率有顯著影響，方差分析（見(jiàn)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(shí)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(cè)定酶法改性所得米糠膳食纖維理化特性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9。

由圖9所示，3種經(jīng)過(guò)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(shì)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(shì)與文獻(xiàn)[9]報(bào)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(dòng)等重要作用。膳食纖維與水分相互作用能力可以通過(guò)持水力、持油力和膨脹力來(lái)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(shì)。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(guò)分析數(shù)據(jù)可以得出：木聚糖酶和纖維素酶對(duì)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(lái)隱藏在纖維內(nèi)部的親水基團(tuán)被暴露出來(lái)，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(shí)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(duì)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(guò)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(zhǎng)貨架期的作用[17]。

表3 持水力、持油力、溶脹力

3 結(jié)語(yǔ)

本文將米糠作為原料，提取米糠膳食纖維，并針對(duì)其可溶性成分含量低和功能性質(zhì)較差的問(wèn)題，利用纖維素酶和木聚糖酶對(duì)其進(jìn)行復(fù)合酶解，通過(guò)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(guò)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(duì)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。