桑繭絲素分纖酶解及膳食纖維化應用探討

丁紹敏，林海濤，劉水泉，渠懷耿

（1.廣西絹麻紡織科學研究所有限公司，廣西 南寧 530031；2.廣西科技大學 生物與化學工程學院，廣西 柳州 545006；3.廣西長壽奧秘科技有限公司，廣西 崇左 532113；4.佛山市高明區慧科助劑廠，廣東 佛山 528500）

慢性病是指一般不帶傳染性、長期積累可形成身體形態損害的疾病總稱，常見慢性病主要有心腦血管疾病、糖尿病和慢性呼吸系統疾病等，其病因大多數來自于個人不良生活方式和習慣，也與遺傳、醫療條件、社會條件和氣候等因素有關[1-3]。隨著中國老齡化進程的加快，到2050年我國高齡老人人數將達到1.14～1.60 億，百歲老人將達到47 萬人，位居世界第一[4-6]。健康生活方式主要體現在合理膳食、適量運動、戒煙限酒和心理平衡4 個方面,健康長壽的目標是社會科學、人口學及醫學生物學亟待攻克的科學課題。應對人口老齡化、尤其是高齡老人慢性病增加的嚴峻挑戰，不但具有重要的學術價值，而且對政府老齡工作科學決策與管理都具有重大的現實意義[7-8]。

膳食纖維在預防肥胖癥、高血糖、高血脂和高血壓等方面有一定作用。根據膳食纖維定義[9-10]：具有10個或以上單體鏈節的碳水化合物，也包括由食物原料經物理、酶或化學法獲得的對健康表現出有益生理作用的人造碳水化合物，在人體小腸內不能消化吸收。膳食纖維含有不溶性和水溶性組分，水溶性成分主要是多糖、低聚糖，而不溶性成分主要是纖維素和木質素，會帶來粗糙口感和消化吸收不適[11-12]。

經過脫膠處理的蠶絲素蛋白纖維，其化學成分不同于植物性膳食纖維，具有不溶性膳食纖維素部分生理功能特性[13-15]。以蠶絲素蛋白纖維材料替代不溶性植物膳食纖維成分，需解決的關鍵問題有二：其一是如何加工處理提高蠶絲素蛋白纖維持水力、膨脹力和對重金屬離子的束縛力；其二是選用水溶性多糖、低聚糖材料對絲素蛋白纖維表面包覆，使蠶絲素蛋白膳食纖維具備可溶性膳食纖維的生理功能。

本研究根據膳食纖維腸道消化原理，通過對蠶繭絲素蛋白材料理化功能和膳食纖維的研究，以酶解絲素蛋白纖維為載體，選用食用級多糖、低聚糖材料配方組合，進行可溶性的膳食纖維成分表面包覆與成型加工，提供一種能用于食品行業的含蠶繭絲素蛋白的膳食纖維。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

桑蠶削口繭（廣西蠶業技術推廣總站提供）；碳酸鈉、氫氧化鈉、氯化鈉、三聚磷酸鈉，尿素、氨水、苦味酸和胭脂紅等，均為分析純；30%滲透劑SAA（自配，陰非離子型表面活性劑）；市售食品級大豆多糖、低聚果糖和海藻糖。

1.2 儀器

主要實驗儀器見表1。

表1 主要實驗儀器

1.3 實驗方法

1.3.1 繭絲素蛋白短纖維化學法的制備

溫度60～65℃，堿液與尿素之比1∶6，溶解時間40～45 min，具體參見魏子凱等[16]的蠶絲蛋白短纖維的制備方法。

1.3.2 繭絲素蛋白膳食纖維制備的技術路線

蠶繭絲下腳廢料→人工除雜→浸泡清洗→預處理脫膠→溫水清洗→清洗→離心脫水→高壓膨脹→酶解→膳食纖維包覆→成型加工→烘干→滅菌消毒→檢測→包裝成品。

1.3.2.1 預處理脫膠主要工藝

將蠶繭絲下腳廢料人工除雜，先依次經冷水浸泡1～2h、清洗，溫水浸泡3～4h 后采用堿法沸煮脫膠，離心脫水獲得蠶繭絲素，備用。

1.3.2.2 高壓膨脹主要工藝

在獲得的脫膠蠶繭絲素中，依次加入水和無機鹽（含碳酸鈉，氯化鈉，三聚磷酸鈉組合物），脫膠蠶繭絲素與水的質量比為1∶15～1∶20，無機鹽組合物占總質量濃度0.2～5.0g/L，控制pH值為7.5～9.0，在溫度為115～120℃下進行高溫膨脹處理45～80min 后排液。

1.3.2.3 絲素蛋白纖維酶解正交優化工藝

通過前期生物酶篩選試驗，采用動物蛋白酶（南寧龐博生物公司生產）；在參考廠家推薦使用工藝條件的同時，選取對絲素蛋白酶解纖維理化性能有較大影響的酶劑用量、pH值、溫度和酶解時間4 個因素進行L9（34）正交優化試驗；并以纖維制成性、強力下降、吸水性和柔滑性4 個分項進行綜合評分。L9（34）正交試驗表如表2，絲素蛋白酶解纖維綜合評分標準如表3。

表2 L9（34）正交試驗表

表3 絲素蛋白酶解纖維綜合評分標準

1.3.2.4 成型加工主要工藝

將含蠶繭絲素蛋白的膳食纖維梳理剪切為規格尺寸≤3mm的短纖維或粉碎成30～60 目的粉末，滅菌消毒，檢測包裝成品。

1.4 測試方法

1.4.1 苦味酸胭脂紅的配制方法

將1g 胭脂紅溶于25%的10mL 氨水中，加入20mL 去離子水，在攪拌器中加熱到45℃；冷卻后，再加入45mL 飽和苦味酸溶液，并加去離子水至100mL，以1mol/L HCl 溶液調節pH值為8.0～9.0。

取脫膠蠶絲試樣適量，加入1mL 左右苦味酸胭脂紅溶液，使試樣正好浸沒在檢驗液中，隔水沸熱5min，取試樣用水沖洗，觀察顏色：呈黃色，脫膠完全；呈紅色，表示殘留有絲膠。

1.4.2 掃描電子顯微鏡檢測

用日立S-570 型掃描電子顯微鏡觀察溶解后的蠶絲短纖維的形貌變化，工作電壓3.0kV。

1.4.3 傅立葉紅外光譜(FTIR)分析

取適量脫膠后蠶絲和實驗制備的蠶絲短纖維，先以纖維切片器制作粉末，然后將樣品與溴化鉀粉末混合分別壓片，在Nicolet5700 型紅外光譜儀上測試，得到相應紅外吸收光譜圖，分析蠶絲短纖維內部結構變化。

1.4.4 失重率

酶解后纖維以去離子水洗滌兩次，110℃×1h 烘干，平衡后稱重，與酶解前纖維對比。

1.4.5 吸水性酶解后纖維以去離子水洗滌兩次，離心脫水后稱重，與脫膠絲素纖維對比。

1.4.6 質量檢測

采用質量檢測的標準有：GB 4789.2-2016《食品安全國家標準 食品微生物學檢驗 菌落總數測定》；GB5009.12-2017 《食品安全國家標準 食品中鉛的測定》；GB 5009.15-2014《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》。

2 結果與討論

2.1 化學法制備繭絲素蛋白短纖維

化學溶解法制備蠶絲蛋白短纖維最佳工藝為：溫度60～65℃，堿液與尿素之比1∶6,溶解時間40～45 min。蠶絲短纖維的長度在2～3 mm,比較均勻,制備率40%～50%；運用掃描電鏡、紅外光譜檢測方法，觀察蠶絲蛋白纖維的形貌和結構：在最佳工藝條件下，蠶絲短纖維的絲膠基本已經去除，表面平整光滑，蠶絲蛋白內部結構也沒有發生變化[16]。

2.2 酶解制備絲素蛋白纖維

各分項評分匯總表見表4，表中為分值；絲素蛋白纖維酶解正交設計及試驗結果見表5。

表4 分項評分匯總表

表5 絲素蛋白纖維酶解正交設計及試驗結果

綜合評分影響大小為：A＞C＞B＞D，即優化組合為A2B2C3D3。動物蛋白酶占絲素蛋白纖維重量的0.2%，酶解液的pH值為7.5，酶解溫度為55℃，酶解時間6h。

絲素蛋白經過高溫膨脹和酶解處理，高分子微觀結構變得微纖化，比植物不溶性膳食纖維中的纖維素和木質素更易吸附腸道中的毒素和重金屬離子，因絲素蛋白軟滑，提高了食用者的口感與腸胃耐受性；進行可溶性大豆多糖等膳食纖維表面包覆后，進一步提升了調節腸道的功效。

2.3 絲素蛋白膳食纖維包覆

按重量份依次將大豆多糖5～10 份、低聚果糖2～8份、海藻糖1～5 份混合，放入水中常溫攪拌均勻獲得可溶性膳食纖維混合液，將酶解絲素蛋白纖維100～350 份浸入所述可溶性膳食纖維混合液中，浸軋含液率為60%～100%，然后在50～100℃的溫度下烘干至水份含量為10%，制備得含蠶繭絲素蛋白的膳食纖維。

3 結語

蠶絲是性能優良的天然高分子蛋白質材料，成分中蛋白質含量高達96%，具有無異源生物素毒害、對人體安全及生物降解性好等諸多特點。蠶絲傳統上一直應用于纖維面料和服飾領域，中國絲綢歷史悠久，享譽中外。蠶絲素蛋白纖維化學成分為十八種氨基酸，具有植物性膳食纖維的生理功能特性，如持水力、膨脹力和對重金屬束縛力，可推動其向新型食品、醫藥材料及生化醫學等領域拓展，對蠶絲產業多元化科學發展、增強相關專業學術研究深度、提升絲生物材料多用途高附加值和提高蠶絲業綜合社會經濟效益都具有重要意義。