微波辅助复合酶法制备玉米芯低聚木糖

孙军涛，高建敏

(许昌学院 食品与药学院，河南 许昌 461000)

低聚木糖由2～9个木糖单元，以β-1,4糖苷键连接而成的低聚糖混合物[1].低聚木糖具有较高的耐热和耐酸性能，在pH为2.5～8.0范围内于100 ℃加热1 h仍几乎不分解，是双歧杆菌增殖所需用量最小的低聚糖[2]，具有改善人体肠道、提高免疫机能、改善脂质代谢等功能[3].玉米芯是制备低聚木糖的主要原料之一.我国是玉米生产大国，玉米芯副产物为低聚木糖的制备提供了丰富的原料资源.目前我国绝大部分玉米芯浪费巨大，并未得到充分利用.微波技术具有穿透能力较强、加热速度快、时间短、能耗低等优点，已广泛应用于加热、干燥、杀菌、辅助提取等食品领域[4].以玉米芯为原料，微波辅助复合酶水解制备低聚木糖，为玉米芯制备低聚木糖提供技术支持.

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玉米芯，河南新乡；木聚糖酶、纤维素酶，江苏锐阳生物科技有限公司；3,5-二硝基水杨酸，上海科丰化学试剂有限公司；木糖，上海迈坤化工有限公司；其余试剂均为国产分析纯.

分析天平，FA2014B，上海佑科仪器有限公司；可见分光光度计，LabTech，北京莱伯泰科仪器有限公司；微波仪，MDS-6G，上海新仪微波化学有限公司；低速台式离心机，TDL-60B，上海安亭科学仪器厂；电热鼓风干燥箱，BPG-9200AH，北京科伟永兴仪器有限公司.

1.2 测定方法

1.2.1 还原糖的测定

还原糖的测定采用DNS法[5].

1.2.2 可溶性总糖测定

向待测液中加入终浓度为72 g/L的浓硫酸，沸水浴2 h，然后用6 mol/L的氢氧化钠溶液中和至中性，按还原糖的测定方法测定待测液中可溶性总糖的含量.

1.2.3 平均聚合度(DP)的计算

平均聚合度(DP)的计算公式为

1.3 玉米芯预处理

粉碎后的玉米芯，按照1∶ 20的料液比加水后置于高压灭菌锅中，在110 ℃下高温蒸煮预处理30 min，渣液冷却后备用.

1.4 微波辅助复合酶法制备玉米芯低聚木糖单因素实验

选择微波功率(3，4，5，6，7 kw)、微波时间(5，10，15，20，25 min)、微波温度(40，50，60，70，80 ℃)和复合酶(木聚糖酶和纤维素酶按照1∶ 2混合)添加量(0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%)为主要因素，以酶解液中还原糖含量(以玉米芯计)、可溶性总糖含量(以玉米芯计)以及平均聚合度为指标，研究各因素对酶法制备低聚木糖的影响.

1.5 微波辅助复合酶法制备玉米芯低聚木糖正交试验

在单因素实验的基础上，选取微波功率、微波温度、微波时间和复合酶添加量四因素三水平进行L9(34)正交实验，以总糖含量为指标，确定最佳制备工艺.

2 结果与分析

2.1 微波辅助复合酶法制备玉米芯低聚木糖单因素实验

2.1.1 微波功率对酶解液中糖含量的影响

微波功率对酶解液中糖含量的影响如图1所示.当微波功率在3～5 kw范围内，随着微波功率的升高，酶解液中总糖含量呈现缓慢升高，还原糖含量略有缓慢降低.当微波功率高于5 kw时，酶解液中总糖含量和还原糖含量呈现降低趋势.随着微波功率的升高，平均聚合度逐渐升高.微波功率升高，热效应导致玉米芯细胞壁破裂，破坏了玉米芯中半纤维素、纤维素和木质素间的结合，使纤维素、半纤维素游离出来，导致木聚糖酶和纤维素酶的水解效率提高[6].当微波功率为5 kw时，酶解液中总糖含量为58.88 mg/g，还原糖含量为33.6 mg/g，平均聚合度为1.75.

图1 微波功率对酶解液中糖含量的影响

2.1.2 微波时间对酶解液中糖含量的影响

微波时间对酶解液中糖含量的影响如图2所示.随着微波时间的延长，酶解液中总糖含量先升高后降低，还原糖含量呈现降低并趋于平缓，平均聚合度先升高后降低.微波时间过长，改变木聚糖酶和纤维素酶的构象，影响酶的活性位点与底物的结合，使多糖结构遭到破坏，导致酶解液中糖含量降低[7].微波时间长于10 min时，酶解液中总糖含量和还原糖含量急剧降低.复合酶酶解10 min时，酶解液中总糖含量为67.15 mg/g，还原糖含量为38.37 mg/g，平均聚合度为1.75.

图2 微波时间对酶解液中糖含量的影响

2.1.3 温度对酶解液中糖含量的影响

微波温度对酶解液中糖含量的影响如图3所示.随着微波温度的升高，酶解液中总糖含量和还原糖含量均呈现降低趋势，而平均聚合度呈现升高趋势.微波温度接近木聚糖酶和纤维素酶最适温度时，酶的活性最高，温度过高会导致酶失活，影响酶解效率[8].当微波温度为50 ℃时，酶解液中总糖含量和还原糖含量分别为58.85 mg/g和34.39 mg/g，平均聚合度为1.71.

图3 微波温度对酶解液中糖含量的影响

2.1.4 复合酶添加量对酶解液中糖含量的影响

复合酶添加量对酶解液中糖含量的影响如图4所示.复合酶由木聚糖酶与纤维素酶按照1∶ 2比例组成，随着复合酶添加量的增加，酶解液中总糖含量、还原糖含量和平均聚合度均呈现先升高后降低趋势.复合酶用量过高时，溶液体系中酶分子达到饱和状态，抑制糖的溶出[9].当复合酶添加量为1.5%时，酶解液中总糖含量和还原糖含量达到最高分别为69.71 mg/g和39.31 mg/g，平均聚合度为1.77.

图4 复合酶添加量对酶解液中糖含量的影响

2.2 微波辅助复合酶法制备玉米芯低聚木糖正交实验

选取微波功率、微波温度、微波时间和复合酶添加量进行L9(34)正交实验，因素水平表见表1.正交实验结果见表2.可以看出，各因素对微波辅助复合酶法制备低聚木糖的影响程度依次为B>A>D>C，即微波时间>微波功率>复合酶添加量>微波温度，最佳配方组合为A2B1C3D3，即微波功率4 kw、微波时间5 min、微波温度60 ℃、复合酶添加量为1.5%.微波辅助复合酶最佳工艺条件下，玉米芯酶解液中还原糖含量为54.88 mg/g，可溶性总糖含量为98.73 mg/g，酶解液经进一步的脱色、醇沉和干燥工艺，制备的低聚木糖得率为13.85%.

表1 因素水平表

表2 正交实验结果

3 结论

微波辅助复合酶法制备玉米芯低聚木糖的工艺条件为：微波功率4 kw、时间5 min、微波温度60 ℃、复合酶添加量1.5%.在最佳工艺条件下，玉米芯酶解液中还原糖含量为54.88 mg/g，可溶性总糖含量为98.73 mg/g，经脱色、醇沉和干燥后低聚木糖的得率为13.85%.