CN104278066A - 一种超高压结合酶法制备小麦麸皮低聚木糖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于农副产品资源开发、功能性食品添加剂和营养保健品加工领域，特别公开了一种超高压结合酶法制备小麦麸皮低聚木糖的方法。该方法以小麦麸皮为原料，其特征在于：将小麦麸皮粉碎过筛后加水超声处理，采用淀粉酶、糖化酶、木瓜蛋白酶三种复合酶处理得到小麦麸皮膳食纤维，在超高压条件下，将小麦麸皮膳食纤维与木聚糖酶混合进行酶解反应，酶解上清液经过脱色、浓缩、冷冻干燥，制备得到低聚木糖粉产品。本发明提高了麦麸低聚糖的提取率，耗时短，节省了成本，具有极大的经济效益。

Description

一种超高压结合酶法制备小麦麸皮低聚木糖的方法

（一）        技术领域

    本发明属于农副产品资源开发、功能性食品添加剂和营养保健品加工领域，特别涉及一种超高压结合酶法制备小麦麸皮低聚木糖的方法。

（二）        背景技术

小麦麸皮是我国三大粮食作物之一，含有重要的营养学特性，总碳水化合物含量在45%-65%左右，主要是细胞壁多糖，又称为非淀粉多糖。细胞壁多糖主要由戊聚糖、(1-3，1-4)-β-D-葡聚糖和纤维素组成。戊聚糖在小麦麸皮中的含量为20%左右，是制备低聚木糖(XOS) 的良好资源。功能性XOS是由2-7个木糖通过β-(1-4)糖苷键连接而成的低聚糖，其有效成分主要为木二糖和木三糖。其中木二糖的甜度为蔗糖的40%，含量为50%的XOS产品的甜度约为蔗糖的30%，味纯正，类似蔗糖。小麦麸皮戊聚糖复杂的结构使其分解出的低聚糖的结构也复杂多样，进而影响着小麦麸皮低聚糖的功能特性。促进益生菌增殖，增强免疫应答；抑制高脂膳食引起的氧化应激反应，润肠通便，降血糖；抗肿瘤；抗龋齿；促进镁、钙、铁、锌等矿物元素以及某些维生素的吸收；防止腹泻、便秘，保护肝脏；目前，对小麦麸皮低聚糖功能特性的研究多集中体外增殖作用的研究，还有许多其他功能特性有待研究发现。

传统的低聚糖提取大体上分为以下三种：物理方法（如热水浸提）、化学方法（如酸碱水解）、生物法（即酶法）。其中物理方法由于提取效率低，能量消耗大，时间长又耗力；酸水解方法酸浓度极其难控制，仪器极易被酸所腐蚀，碱水解提取率高，但环境污染严重；酶法生产具有工艺耗能少、绿色无污染的特点逐渐被广大企业及科研工作者所认同，但是单一酶处理小麦麸皮耗时长，经济效益不高。所以，研究出一种耗时短、绿色环保、目标物提取率高的制备小麦麸皮低聚糖的方法是极有社会效益和经济效益的。

我国小麦麸皮来源丰富，但由于多种因素制约，至今仍未能得到充分合理利用，大部分用作动物饲料。同时，近年来小麦麸皮的营养保健成分和具有突出生理功能的活性物质受到国内外研究者的重视，相关的研究日益深入。因此，加速这一资源的研究开发，提高麦小麦麸皮的利用率，更加科学合理地利用麦麸，丰富我国营养、保健食品的种类，提高我国人民的膳食营养与健康水平，提高企业的经济效益，具有十分重要的意义。

（三）        发明内容

    本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种污染小、耗时短、提取率高的超高压结合酶法制备小麦麸皮低聚木糖的方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种超高压结合酶法制备小麦麸皮低聚木糖的方法，以小麦麸皮为原料，其特征在于：将小麦麸皮粉碎过筛后加水超声处理，采用淀粉酶、糖化酶、木瓜蛋白酶三种复合酶处理得到小麦麸皮膳食纤维，在超高压条件下，将小麦麸皮膳食纤维与木聚糖酶混合进行酶解反应，酶解上清液经过脱色、浓缩、冷冻干燥，制备得到低聚木糖粉产品。

本发明具体包括如下步骤：

（1）将小麦麸皮放入80℃干燥箱中干燥至恒重，粉碎机粉碎过20-40目筛网；

（2）往小麦麸皮粉末中加入水超声处理20-30min，小麦麸皮与水的重量比为1:10-35；

（3）将中温淀粉酶、糖化酶和木瓜蛋白酶复合添加在小麦麸皮的超声溶液中，酶解1-2h，温度控制在50-70℃，pH控制为5.5-7.5，中温淀粉酶、糖化酶和木瓜蛋白酶的重量配比为1.5-2.5:1.0-2.0:2.5-3.5：

（4）将酶解液经滤纸抽滤，用蒸馏水清洗沉淀物4-6次后干燥处理至恒重，得到小麦麸皮膳食纤维；

（5）将小麦麸皮膳食纤维与蒸馏水按1g：15-35mL的料液比混合，调节pH至5-6，按照3.0-5.0g/L的比例加入木聚糖酶，立即在150-350MPa压力下反应10-30min，温度35-55℃，得到浑浊液；

（6）将浑浊液灭酶，抽滤取滤液，将上层残渣水洗5-6次，合并滤液进行脱色、浓缩、冷冻干燥，得到产品低聚木糖粉。

本发明的更优技术方案为：

步骤（3）中，中温淀粉酶、糖化酶和木瓜蛋白酶的重量配比为2:1:3。

步骤（5）中，将小麦麸皮膳食纤维与蒸馏水按1g：30mL的料液比混合，调节pH至5-6，按照4.0g/L的比例加入木聚糖酶，立即在250MPa压力下反应25min，温度40℃，得到浑浊液。

本发明制得的小麦麸皮低聚木糖含量测定方法为HPLC。

本发明小麦麸皮原料易得，来源广泛，利用配比的淀粉酶、糖化酶、蛋白酶复合酶水解淀粉和蛋白质时，所加糖化酶能够将未水解或半水解的淀粉，淀粉水解产物糊精等进一步酶解为水溶性糖，达到一次性彻底去除淀粉，用时1.5h，剩余淀粉和蛋白质含量分别为0.2%和4.5%；而现有报导的利用耐高温ɑ-淀粉酶和碱性蛋白酶分别处理小麦麸皮，用时2.5h-3.5h，剩余淀粉和蛋白质含量分别为0.35%和5.32%。因此，利用三种酶配比法耗时短，成本较少，经济效益提高。

本发明利用超高压结合酶法制备麦麸低聚木糖时，方法新颖，可使木聚糖酶活性升高，由于酶活性的提高，酶解时间减小至30min，酶解反应迅速彻底，提取率达到80%-85%。而现有报道的单一酶解方法，用时12-24h，低聚糖提取率50%-65%。因此，利用超高压结合酶法提高了麦麸低聚糖的提取率，耗时短，节省了成本，具有极大的经济效益。

（四）        附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明液料比对麦麸低聚糖提取率的影响示意图；

图2为本发明酶浓度对麦麸低聚糖提取率的影响示意图；

图3为本发明压力大小对麦麸低聚糖提取率的影响示意图；

图4为本发明温度对麦麸低聚糖提取率的影响示意图；

图5为本发明超高压下时间对麦麸低聚糖提取率的影响示意图；

图6为本发明常压下时间对麦麸低聚糖提取率的影响示意图。

（五）        具体实施方式

下面结合实施例对本发明的方法作进一步说明，但不限于此。实施例中使用的小麦麸皮由山东峰宇面粉有限公司提供，非淀粉多糖含量为30%左右。所用各种酶均由山东省发酵设计院提供，其中淀粉酶（3000U/g），糖化酶（1000U/g），蛋白酶（1000U/g），木聚糖酶（10000U/g）。

实施例1：

（1）最佳复合酶配比的选择

取10g麦麸，加蒸馏水150mL，同时加入淀粉酶（1.5%-2.5%）、糖化酶（1.0-2.0%）、木瓜蛋白酶（2.5%-3.5%），在65℃，pH为5.5的条件下水解180min，测得淀粉和蛋白的残留量分别为0.2%和4.5%，得出最佳复合酶配比为2:1:3。

（2）超高压结合酶法最佳料液比的选择

由于在一定范围内，底物浓度越大，单位时间内与酶反应的麦麸量越多，即酶促反应速率越快，当麦麸量增加到一定程度，速率达最大，提取率最高。如附图1所示，在200 MPa条件下，料液比在1:30(g/mL)左右时，麦麸低聚糖提取率最高达到83.8%，再增加则提取率趋于稳定，相比在常压下，液料比在35:1左右低聚糖提取率趋于稳定到81.9%，用水更节省。

（3）超高压结合酶法最佳酶浓度的选择

由附图2可知，在200MPa和在常压下，当酶浓度在4.0g/L左右，低聚糖提取率达到最大，为83.4%，再增加酶量含量也趋于稳定，但200MPa下低聚木糖提取率明显高于常压。这是由于超高压对酶活性的影响主要是通过改变酶和底物的构象和性质而起作用的，显然在高压条件下酶和底物反应更加彻底。

（4）超高压结合酶法最佳压力条件的选择

料液比为1:20(g/mL)，酶浓度为3.5g/L，温度为45℃，时间为15min。

大多数酶的化学本质是蛋白质，据研究表明，由氢键维持的蛋白质四级结构对压力及其敏感，200MPa以上的压力会改变蛋白质三级结构，700MPa以上会导致蛋白质不可逆变性，因此，酶的活性将会随着蛋白质构象的改变而发生变化。压力对酶的作用是双重的，较低的压力(100-200MPa)会激活酶的活性，Michael J等人对高压对酶活性的激活研究进行综述，而较高的压力(400-1000MPa)会抑制酶的活性，升高温度也可以有效加速酶的钝化。张瑜就超高压对脂肪酶活性的影响做了研究，表明超高压处理脂肪酶会使酶蛋白结构更加紧凑，高温下催化效率更高。如附图3所示，压力不同将影响麦麸低聚糖的提取率，在250MPa达到最高提取率，为85.5%。这是由于高压不仅影响酶结构改变如催化部位暴露，而且使麦麸结构变松散，导致反应更迅速、彻底。压力大小在一定范围内，对反应有促进作用，压力过大，则会导致酶催化结构变性，酶作用消失。

（5）超高压结合酶法最佳温度的选择

温度是影响酶促反应的重要因素之一，温度过低酶活性低，过高会变性以及失活，如附图4所示，在200MPa压力下，40℃左右低聚糖提取率最大为84.4%，在常压下，65℃左右是最佳酶解温度，在超高压条件下木聚糖酶的最适温度要小于常压下。这是由于超高压处理过程中的不可避免的热效应引起的，增压过程中，水的压缩热随着初始温度的升高而升高，虽然压力可以瞬间均匀地传递到食品，但在加工过程中不可避免地会产生温度梯度。

（6）超高压结合酶法最佳保压时间的选择

根据勒夏特列原理可知，加压会使反应向最大压缩状态的方向进行，所以，压力不仅会影响反应的平衡，还会影响反应的速率。由于麦麸是“死细胞”结构，高度纤维化的细胞壁集中了大量的营养物质，考虑到酶促反应，保压时间短反应不充分，时间长会造成能量资源的浪费，如附图5和6所示，200MPa下，25min左右提取率最大为83.2%，而在常压下，时间为26h左右提取率达最大为82.2%。

（7）麦麸低聚木糖粉的制备

以上的试验得出超高压结合酶法的最佳处理条件，再改配方的条件下酶解麦麸膳食纤维，料液比1:30(g/mL)，酶浓度4.0g/L，压力大小250MPa，保压温度40℃，保压时间25min。此优化工艺下小麦麸皮低聚木糖的提取得率的预测值为85.21%，验证试验中实际测得小麦麸皮低聚木糖提取得率为85.46%。将处理后的混浊液灭酶，抽滤取滤液，将上层残渣水洗5-6次，合并滤液进行脱色、浓缩、冷冻干燥得低聚木糖粉。

实施例2：

（1）粉碎机粉碎过40目筛网后干燥至恒重；

（2）取适量麦麸加蒸馏水，其中小麦麸皮与水的重量比为1:25。加入2%淀粉酶、1%糖化酶、3%木瓜蛋白酶酶解麦麸，在65℃，pH为5.5的条件下水解180min；

（3）滤纸抽滤后，用蒸馏水清洗沉淀物3次后干燥处理至恒重，得到含0.21%淀粉和4.5%蛋白的麦麸膳食纤维；

（4）利用超高压结合酶法提取残渣中的低聚木糖：取步骤（3）中干燥的小麦麸皮膳食纤维，加入蒸馏水，控制料液比在1:30(g/mL)，按照4.0g/L的比例加入木聚糖酶，立即在250MPa压力下反应25min，保压温度为40℃，提取率为84.67%；

（5）将步骤（4）中的混浊液灭酶，抽滤取滤液，将上层残渣水洗3次，合并滤液进行脱色、浓缩、冷冻干燥得低聚木糖粉。

Claims (4)

1.一种超高压结合酶法制备小麦麸皮低聚木糖的方法，以小麦麸皮为原料，其特征在于：将小麦麸皮粉碎过筛后加水超声处理，采用淀粉酶、糖化酶、木瓜蛋白酶三种复合酶处理得到小麦麸皮膳食纤维，在超高压条件下，将小麦麸皮膳食纤维与木聚糖酶混合进行酶解反应，酶解上清液经过脱色、浓缩、冷冻干燥，制备得到低聚木糖粉产品。

2.根据权利要求1所述的超高压结合酶法制备小麦麸皮低聚木糖的方法，其特征为，包括如下步骤：（1）将小麦麸皮放入80℃干燥箱中干燥至恒重，粉碎机粉碎过20-40目筛网；（2）往小麦麸皮粉末中加入水超声处理20-30min，小麦麸皮与水的重量比为1:10-35；（3）将中温淀粉酶、糖化酶和木瓜蛋白酶复合添加在小麦麸皮的超声溶液中，酶解1-2h，温度控制在50-70℃，pH控制为5.5-7.5，中温淀粉酶、糖化酶和木瓜蛋白酶的重量配比为1.5-2.5:1.0-2.0:2.5-3.5：（4）将酶解液经滤纸抽滤，用蒸馏水清洗沉淀物4-6次后干燥处理至恒重，得到小麦麸皮膳食纤维；（5）将小麦麸皮膳食纤维与蒸馏水按1g：15-35mL的料液比混合，调节pH至5-6，按照3.0-5.0g/L的比例加入木聚糖酶，立即在150-350MPa压力下反应10-30min，温度35-55℃，得到浑浊液；（6）将浑浊液灭酶，抽滤取滤液，将上层残渣水洗5-6次，合并滤液进行脱色、浓缩、冷冻干燥，得到产品低聚木糖粉。

3.根据权利要求2所述的超高压结合酶法制备小麦麸皮低聚木糖的方法，其特征在于：步骤（3）中，中温淀粉酶、糖化酶和木瓜蛋白酶的重量配比为2:1:3。

4.根据权利要求3所述的超高压结合酶法制备小麦麸皮低聚木糖的方法，其特征在于：步骤（5）中，将小麦麸皮膳食纤维与蒸馏水按1g：30mL的料液比混合，调节pH至5-6，按照4.0g/L的比例加入木聚糖酶，立即在250MPa压力下反应25min，温度40℃，得到浑浊液。