微波輔助復合酶法制備玉米芯低聚木糖

孫軍濤，高建敏

(許昌學院 食品與藥學院，河南 許昌 461000)

低聚木糖由2～9個木糖單元，以β-1,4糖苷鍵連接而成的低聚糖混合物[1].低聚木糖具有較高的耐熱和耐酸性能，在pH為2.5～8.0范圍內于100 ℃加熱1 h仍幾乎不分解，是雙歧桿菌增殖所需用量最小的低聚糖[2]，具有改善人體腸道、提高免疫機能、改善脂質代謝等功能[3].玉米芯是制備低聚木糖的主要原料之一.我國是玉米生產大國，玉米芯副產物為低聚木糖的制備提供了豐富的原料資源.目前我國絕大部分玉米芯浪費巨大，并未得到充分利用.微波技術具有穿透能力較強、加熱速度快、時間短、能耗低等優點，已廣泛應用于加熱、干燥、殺菌、輔助提取等食品領域[4].以玉米芯為原料，微波輔助復合酶水解制備低聚木糖，為玉米芯制備低聚木糖提供技術支持.

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米芯，河南新鄉；木聚糖酶、纖維素酶，江蘇銳陽生物科技有限公司；3,5-二硝基水楊酸，上海科豐化學試劑有限公司；木糖，上海邁坤化工有限公司；其余試劑均為國產分析純.

分析天平，FA2014B，上海佑科儀器有限公司；可見分光光度計，LabTech，北京萊伯泰科儀器有限公司；微波儀，MDS-6G，上海新儀微波化學有限公司；低速臺式離心機，TDL-60B，上海安亭科學儀器廠；電熱鼓風干燥箱，BPG-9200AH，北京科偉永興儀器有限公司.

1.2 測定方法

1.2.1 還原糖的測定

還原糖的測定采用DNS法[5].

1.2.2 可溶性總糖測定

向待測液中加入終濃度為72 g/L的濃硫酸，沸水浴2 h，然后用6 mol/L的氫氧化鈉溶液中和至中性，按還原糖的測定方法測定待測液中可溶性總糖的含量.

1.2.3 平均聚合度(DP)的計算

平均聚合度(DP)的計算公式為

1.3 玉米芯預處理

粉碎后的玉米芯，按照1∶ 20的料液比加水后置于高壓滅菌鍋中，在110 ℃下高溫蒸煮預處理30 min，渣液冷卻后備用.

1.4 微波輔助復合酶法制備玉米芯低聚木糖單因素實驗

選擇微波功率(3，4，5，6，7 kw)、微波時間(5，10，15，20，25 min)、微波溫度(40，50，60，70，80 ℃)和復合酶(木聚糖酶和纖維素酶按照1∶ 2混合)添加量(0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%)為主要因素，以酶解液中還原糖含量(以玉米芯計)、可溶性總糖含量(以玉米芯計)以及平均聚合度為指標，研究各因素對酶法制備低聚木糖的影響.

1.5 微波輔助復合酶法制備玉米芯低聚木糖正交試驗

在單因素實驗的基礎上，選取微波功率、微波溫度、微波時間和復合酶添加量四因素三水平進行L9(34)正交實驗，以總糖含量為指標，確定最佳制備工藝.

2 結果與分析

2.1 微波輔助復合酶法制備玉米芯低聚木糖單因素實驗

2.1.1 微波功率對酶解液中糖含量的影響

微波功率對酶解液中糖含量的影響如圖1所示.當微波功率在3～5 kw范圍內，隨著微波功率的升高，酶解液中總糖含量呈現緩慢升高，還原糖含量略有緩慢降低.當微波功率高于5 kw時，酶解液中總糖含量和還原糖含量呈現降低趨勢.隨著微波功率的升高，平均聚合度逐漸升高.微波功率升高，熱效應導致玉米芯細胞壁破裂，破壞了玉米芯中半纖維素、纖維素和木質素間的結合，使纖維素、半纖維素游離出來，導致木聚糖酶和纖維素酶的水解效率提高[6].當微波功率為5 kw時，酶解液中總糖含量為58.88 mg/g，還原糖含量為33.6 mg/g，平均聚合度為1.75.

圖1 微波功率對酶解液中糖含量的影響

2.1.2 微波時間對酶解液中糖含量的影響

微波時間對酶解液中糖含量的影響如圖2所示.隨著微波時間的延長，酶解液中總糖含量先升高后降低，還原糖含量呈現降低并趨于平緩，平均聚合度先升高后降低.微波時間過長，改變木聚糖酶和纖維素酶的構象，影響酶的活性位點與底物的結合，使多糖結構遭到破壞，導致酶解液中糖含量降低[7].微波時間長于10 min時，酶解液中總糖含量和還原糖含量急劇降低.復合酶酶解10 min時，酶解液中總糖含量為67.15 mg/g，還原糖含量為38.37 mg/g，平均聚合度為1.75.

圖2 微波時間對酶解液中糖含量的影響

2.1.3 溫度對酶解液中糖含量的影響

微波溫度對酶解液中糖含量的影響如圖3所示.隨著微波溫度的升高，酶解液中總糖含量和還原糖含量均呈現降低趨勢，而平均聚合度呈現升高趨勢.微波溫度接近木聚糖酶和纖維素酶最適溫度時，酶的活性最高，溫度過高會導致酶失活，影響酶解效率[8].當微波溫度為50 ℃時，酶解液中總糖含量和還原糖含量分別為58.85 mg/g和34.39 mg/g，平均聚合度為1.71.

圖3 微波溫度對酶解液中糖含量的影響

2.1.4 復合酶添加量對酶解液中糖含量的影響

復合酶添加量對酶解液中糖含量的影響如圖4所示.復合酶由木聚糖酶與纖維素酶按照1∶ 2比例組成，隨著復合酶添加量的增加，酶解液中總糖含量、還原糖含量和平均聚合度均呈現先升高后降低趨勢.復合酶用量過高時，溶液體系中酶分子達到飽和狀態，抑制糖的溶出[9].當復合酶添加量為1.5%時，酶解液中總糖含量和還原糖含量達到最高分別為69.71 mg/g和39.31 mg/g，平均聚合度為1.77.

圖4 復合酶添加量對酶解液中糖含量的影響

2.2 微波輔助復合酶法制備玉米芯低聚木糖正交實驗

選取微波功率、微波溫度、微波時間和復合酶添加量進行L9(34)正交實驗，因素水平表見表1.正交實驗結果見表2.可以看出，各因素對微波輔助復合酶法制備低聚木糖的影響程度依次為B>A>D>C，即微波時間>微波功率>復合酶添加量>微波溫度，最佳配方組合為A2B1C3D3，即微波功率4 kw、微波時間5 min、微波溫度60 ℃、復合酶添加量為1.5%.微波輔助復合酶最佳工藝條件下，玉米芯酶解液中還原糖含量為54.88 mg/g，可溶性總糖含量為98.73 mg/g，酶解液經進一步的脫色、醇沉和干燥工藝，制備的低聚木糖得率為13.85%.

表1 因素水平表

表2 正交實驗結果

3 結論

微波輔助復合酶法制備玉米芯低聚木糖的工藝條件為：微波功率4 kw、時間5 min、微波溫度60 ℃、復合酶添加量1.5%.在最佳工藝條件下，玉米芯酶解液中還原糖含量為54.88 mg/g，可溶性總糖含量為98.73 mg/g，經脫色、醇沉和干燥后低聚木糖的得率為13.85%.