機械預處理對玉米皮性質的影響

魏媛，蔡國林，李曉敏，陸健*

1(江南大學 工業生物技術教育部重點實驗室，江蘇 無錫，214122) 2(江南大學 糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室，江蘇 無錫，214122)3(江南大學 生物工程學院，江蘇 無錫，214122)

玉米皮是玉米加工淀粉過程中的副產物。我國每年用于生產玉米淀粉的玉米超過2000萬t，其副產物玉米皮產量在400萬t左右，是我國重要的飼料原料之一。玉米皮中半纖維素占38%～57%，纖維素占15%～35%。然而，由于木質素覆蓋在纖維素和半纖維素，使纖維素和半纖維素很難被降解利用[1]。未經處理的玉米皮中有大量的非淀粉多糖，而非淀粉多糖造成飼料營養物質消化吸收的降低、消化不良、動物消化道形態和生理的變化、生孢梭菌厭氧發酵產生某些毒素，抑制動物生長以及產生黏性糞便，影響畜舍和周圍環境，甚至還會污染雞蛋等[2]。

為了改善玉米皮作為飼料存在的適口性差、營養價值低和生物利用度低等問題，需要對玉米皮進行預處理，增加玉米皮飼料適口性并提高動物對其的利用率，使動物高效吸收利用玉米皮飼料成為可能。目前針對玉米皮飼料飼用品質改善的方法主要有物理法、化學法和生物法，其中物理法主要有：機械粉碎、蒸汽爆破等處理方法。但只依靠傳統的機械處理并不能明顯的提高動物有機物質的消化率；化學法以及蒸汽爆破過程中均伴隨著副產物的產生，而且存在破壞原料營養物質、污染環境等問題；生物法較溫和、能耗低無污染，但周期較長[3]。機械預處理主要是通過剪切或研磨等方式，減小顆粒尺寸，提高原料比表面積，易于酶解及微生物發酵等反應[4]。因此，通過結合機械預處理和生物法共同處理飼料原料，可以有效提高飼料原料的利用率，降低生產周期及成本[5]。目前已在秸稈、豆粕和花生粕等飼料原料的處理上應用，并取得良好的效果。

本研究以玉米皮為原料，通過不同的機械粉碎，考察不同機械處理對玉米皮物理特性、化學特性及酶解效率的影響，以確定玉米皮機械預處理的最佳的方法，為后續進一步發酵玉米皮，提高玉米皮營養價值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米皮，上海源耀生物股份有限公司；纖維素酶和木聚糖酶，帝斯曼(中國)有限公司；濃H2SO4、蒽酮、濃HCl、NaOH、葡萄糖等，國藥集團藥品。

1.2 儀器與設備

球磨機，臺州市億爾達機電有限公司，Q-150 A3刀片粉碎機，上海冰都電器有限公司，紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司，高效液相色譜儀，美國Agilent公司，MICROTRAC S3500激光粒度分析儀，美國Microtrac公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 玉米皮的預處理

機械預處理方式：球磨機研磨，100 g樣品球磨1 h；刀片粉碎，30 g樣品粉碎3 min。

1.3.2 玉米皮粒徑分布

粒徑分布的測定：MICROTRAC激光粒度分析儀測定。

1.3.3 電鏡掃描

對不同機械處理后的玉米皮進行電子顯微鏡掃描(scanning electron microscope，SEM)加速電壓50 kV，放大倍數160×，觀察不同機械處理方式下玉米皮原料表面形態結構的變化。

1.3.4 水溶性總糖和還原糖含量的測定

樣品前處理：稱取玉米皮樣品1.00 g于燒杯中，加入20 mL檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液(pH 7.0)，于80 ℃提取30 min，8 000 r/min離心10 min，取上清液備用。

水溶性總糖測定：采用蒽酮法測定；還原糖測定：采用DNS比色法[6]。

1.3.5 單糖組分的測定

單糖組分測定所用的液相條件參照王璐璐的方法[7]。

1.3.6 阿魏酰聚糖的提取及測定

1.3.6.1 阿魏酸的提取

游離阿魏酸和總阿魏酸的提取均參照周婷的方法[8]。

1.3.6.2 阿魏酸的檢測

阿魏酸測定時所用的液相色譜條件參照劉群濤等的方法[9]。

1.3.6.3 阿魏酰聚糖含量的計算

阿魏酰聚糖結構中阿魏酸與低聚糖組成比例相同，因此，鍵合態阿魏酸的含量即為阿魏酰聚糖的含量[10]。阿魏酰聚糖含量(μmol/g)=總阿魏酸含量(μmol/g)-游離阿魏酸含量(μmol/g)[11]。

1.3.7 酶解實驗

稱取一定量的機械處理后的玉米皮，使其底物濃度為50 g/L，緩沖液為檸檬酸-磷酸氫二鈉(pH 5.0)；各添加0.05 g/L的木聚糖酶和纖維素酶；于50 ℃酶解5 h，100 ℃滅酶10 min，8 000 r/min離心10 min，取上清液備用。

2 結果與討論

2.1 機械處理對玉米皮空間結構的影響

2.1.1 粒徑分布

對經過機械處理后的玉米皮進行粒徑分析，其粒徑分布如圖1所示。

圖1 不同機械處理下玉米皮粒徑分布圖Fig.1 Particle size distribution of maize bran milled with different types of mills

干燥及粗粉粹后的玉米皮顆粒約0.5 cm，從圖1可知，經過機械處理后的玉米皮顆粒明細變小。其中球磨處理后的樣品其粒徑主要分布在300～1 000 μm之間；而經過刀片粉碎后的玉米皮，粒徑300 μm左右的占90%，50%的玉米皮粒徑都小于120 μm。由于細小顆粒聚集在一起，因此測得的粒徑可能比實際值偏大[12]。玉米皮通過機械預處理后，玉米皮的粒徑明顯變小，酶接觸的比表面積增大，有助于酶解反應的進行。

2.1.2 玉米皮表面形態的比較

對機械處理后的玉米皮進行電鏡掃描，其表面形態結構如圖2所示。

圖2 電鏡掃描圖(放大倍數160×)Fig.2 SEM of maize bran before and after mechanical pretreatment (Magnification 160×)

從圖2可清晰的看出，玉米皮原有結構非常緊密，而經過不同的機械處理后，原有結構被破壞。特別是刀片粉碎后，玉米皮的粒度變小且結合度降低，粉碎度較均勻。玉米皮經過機械處理后，酶反應面積增大，酶解效率提高[13]。

2.2 機械處理對玉米皮化學特性的影響

2.2.1 水溶性總糖和還原糖含量的影響

由圖3所知，經刀片粉碎的玉米皮水溶性總糖是原樣的2.0倍，球磨處理后的玉米皮水溶性總糖較原樣提高了1.6倍。機械處理過程中，由于纖維素受到剪切力和摩擦力，部分纖維束被破壞，氫鍵斷裂，部分纖維素溶出[14]。同時使玉米皮的木質素分離，增加了水溶性總糖含量[15]。刀片粉碎后的玉米皮還原糖含量是未經處理的玉米皮的2.6倍，這是由于玉米皮本身存在的還原糖在木質素脫離時溶出。此外，機械處理使木聚糖結構上的單糖或寡糖脫落，增加了還原糖含量[12]。

圖3 機械處理對還原糖及水溶性總糖含量的影響Fig.3 Effects of mechanical treatment on the contents of reducing sugar and total soluble sugar of the maize bran

2.2.2 水溶性糖的糖組成

對球磨處理和刀片粉碎后的玉米皮分別進行還原糖和水溶性總糖的單糖組成分析(圖4)。

圖4 還原糖組成分析(a)及水溶性總糖的單糖組成(b)Fig.4 Analysis of reducing sugar composition and monosaccharide composition of the total soluble sugar

由圖4可知，玉米皮粒徑減小，各單糖含量均有所增加。玉米皮中水溶性總糖主要有阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖和果糖五種單糖。構成半纖維素的單體主要有木糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖以及少量鼠李糖等[16]。因此可看出經機械處理后增加的水溶性糖主要來自半纖維素分子鏈的斷裂。

2.2.3 機械處理對玉米皮中阿魏酰聚糖的影響

阿魏酰聚糖(feruloyl oligosaccharides, FOs)由阿魏酸通過酯鍵和低聚糖連接。阿魏酰聚糖具有抗血栓、抗氧化、清除自由基[17]，以及改善腸道微生物群落組成及其代謝活動等[18]。由圖5可知，經過機械處理的玉米皮，阿魏酰聚糖含量有所提高，刀片粉碎后的樣品中阿魏酰聚糖含量為1.6 μmol/g，是未經機械處理的1.6倍；球磨處理后的樣品的阿魏酰聚糖是其1.1倍。刀片粉碎后的玉米皮阿魏酰聚糖含量增加明顯。

圖5 機械處理對阿魏酰聚糖的影響Fig.5 Effects of mechanical treatment on the contents of feruloyl oligosaccharides

2.3 機械處理對木聚糖酶和纖維素酶協同酶解效率的影響

2.3.1 對水溶性總糖和還原糖含量的影響

玉米皮經過刀片粉碎和酶處理后，較原樣酶解后的水溶性總糖含量提高了3.0倍，還原糖含量提高了3.7倍(圖6)。在機械處理過程中，玉米皮原有結構被破壞，纖維素間氫鍵斷裂，同時半纖維素暴露，半纖維素受到剪切力和熱能的作用降解為小分子水溶性多糖，更易被酶水解[19]；機械處理還使玉米皮的粒徑尺寸減小，增加了酶作用的有效表面積。這些因素使酶解效率提高。

圖6 酶解玉米皮對水溶性總糖和還原糖的影響Fig.6 Effect of enzymatic hydrolysis of maize bran on the total soluble sugar and reducing sugar

2.3.2 對單糖組成的影響

機械處理不足以將這些木質纖維類物質降解，多數仍以多糖形式存在，因此，需要添加纖維素酶和木聚糖酶同時處理機械處理后的玉米皮。機械處理的玉米皮經酶解后的還原糖組成分析及水溶性總糖的單糖組成結果如圖7所示。酶解后玉米皮水溶性糖主要以葡萄糖和木糖為主，其中增加的葡萄糖主要源于纖維素和淀粉的降解，增加的阿拉伯糖和木糖主要源于半纖維素的降解。因此，玉米皮經機械處理與酶法結合的方法，增加了后續微生物可利用的糖含量。

2.3.3 對阿魏酰聚糖含量的影響

不同機械處理后的玉米皮經協同酶解后，其結果如圖8所示。隨著機械粉碎粒徑尺寸的減小，酶與底物接觸面積增大，酶解后阿魏酰聚糖含量顯著提高。刀片粉碎及酶解后阿魏酰聚糖含量為6.1 μmol/g，是未處理的玉米皮酶解后的2.0倍。機械處理玉米皮后，纖維素和半纖維素溶出，促進酶進一步水解[14]，從而使FOs含量有所增加。

圖8 酶解玉米皮對提取阿魏酰聚糖的影響 Fig.8 Effect of enzymatic hydrolysis of maize bran on content of feruloyl oligosaccharides

3 結論

玉米皮經機械處理后，顆粒尺寸變小，原有空間結構破壞，經球磨處理和刀片粉碎后的玉米皮水溶性總糖較原樣分別提高了1.6倍和2.0倍，還原糖含量分別提高了1.8倍和2.6倍，阿魏酰聚糖含量分別提高了1.1倍和1.6倍。球磨處理和刀片粉碎后的玉米皮經纖維素酶和木聚糖酶協同酶解后，水溶性總糖含量提高了2.2倍和3.0倍，還原糖含量分別提高了2.5倍和3.7倍，阿魏酰聚糖含量分別提高了1.3倍和2.0倍。經過刀片粉碎后的玉米皮營養價值均比球磨處理高，也更適合于后續的生物處理結合使用。