玉米皮可溶性膳食纤维的制备方法

1.本发明属于膳食纤维制备技术领域，具体涉及玉米皮可溶性膳食纤维的制备方法。


背景技术：

2.膳食纤维作为第七大营养素，对促进机体健康具有重要意义，根据其溶解度差异分为可溶性膳食纤维（水果、藻类等）和不溶性膳食纤维（谷物、豆类、果蔬等），不溶性膳食纤维具有基本的吸附性和溶胀性，在刺激肠道蠕动、控制体重方面具有良好作用，可溶性膳食纤维因其具有更为疏松的结构使其水合性和吸附性更强，在调控脂肪代谢、糖类代谢，改善肠道环境等方面发挥重要的生理活性。但是，天然来源如谷物、蔬菜中的可溶性膳食纤维含量较低，限制了其在食品中的应用，因此，对膳食纤维改性处理、提升可溶性膳食纤维比例对提高膳食纤维的利用价值具有重要意义。
3.玉米是我国第二大粮食作物，产量极高，玉米的消费主要包括三方面：饲料领域、工业领域、食品及其他领域。近年来，随着玉米工业领域的快速发展，玉米工业的比重不断增加，产生了大量的玉米加工副产物，而玉米皮作为主要副产物多被用于饲料或肥料行业，没有被合理开发利用，导致产品附加值极低，造成了资源浪费。然而，与其他谷物皮相比，玉米皮中膳食纤维含量更高，可达40~60%，其中不溶性膳食纤维占比95%以上，同时膳食纤维结构良好、植酸含量低，对矿物元素吸附性小，是一种良好的膳食纤维来源。因此，对玉米皮膳食纤维进行修饰，提高可溶性膳食纤维比例，实现玉米皮的高值转化与利用对提高玉米副产物的经济价值和应用价值具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明目的是为解决玉米加工过程中造成的玉米副产物附加值低、资源浪费严重，以及克服玉米皮膳食纤维中可溶性膳食纤维含量低、品质不佳的问题，而提供玉米皮可溶性膳食纤维的制备方法。
5.玉米皮可溶性膳食纤维，它是由下述方法制备的：1）取玉米皮，洗涤，干燥，粉碎，脱脂；2）对处理后的玉米皮进行双螺杆挤压处理，条件为：机筒温度150~200℃、加水量为25~30%、螺杆转速为200~250 rpm；3）将步骤2）处理后的样品加水形成悬浮液，调节ph至4.5~5，加入木聚糖酶和纤维素酶，混合，95~100℃加热灭酶；4）调节ph至5.3~5.7，加入α-淀粉酶，在93~97℃条件下缓慢搅拌0.5~1.5h；5）加入碱性蛋白酶，在ph 9.3~9.7、50~60
ꢀ°
c条件下搅拌1.5~2.5h；6）加入淀粉葡萄糖苷酶，将ph调至4~4.5，在55~65
°
c下搅拌0.5~1.5h；将混合物在95~100
°
c下加热灭酶；7）离心，收集上清液，加入所述上清液4倍体积的95%乙醇，在0~4℃保存7~9h；离
心，收集沉淀、干燥，得到玉米可溶性膳食纤维；步骤1）所述的脱脂，是用正己烷脱脂；步骤2）所述的机筒温度160℃、加水量为29%、螺杆转速为210rpm；步骤3）所述的调节ph至4.8，加热温度100℃；步骤4）所述的调节ph至5.5，在在95℃条件下缓慢搅拌1h。
6.本发明提供了玉米皮可溶性膳食纤维，它是由下述方法制备的：取玉米皮，洗涤，干燥，粉碎，脱脂；对处理后的玉米皮进行双螺杆挤压处理；加水，调节ph至4.5~5，加入木聚糖酶和纤维素酶，混合，加热灭酶；调节ph至5.3~5.7，加入α-淀粉酶，93~97℃缓慢搅拌；加入碱性蛋白酶，搅拌；加入淀粉葡萄糖苷酶，将ph调至4~4.5，搅拌；将混合物在95~100
°
c下加热灭酶；离心，收集上清液，加入所述上清液4倍体积的95%乙醇，在0~4℃保存7~9h；离心，收集沉淀、干燥，得到玉米可溶性膳食纤维；本发明优点在于：与传统提取（未经改性处理）相比，经过双螺杆挤压-酶法改性处理所得的可溶性膳食纤维得率显著提高，可溶性膳食纤维的理化特性（如持水性、持油性）和功能特性（如抗氧化活性、亚硝酸根离子吸附能力）也得到了提高。
附图说明
7.图1sem图片；(a)sdf、(b)usdf、(c)uesdf、(d)esdf、(e)eesdf的sem图片放大倍数
×
1000；(a)idf、(b)uidf、(c)ueidf、(d)eidf和(e)eeidf的sem图片放大倍数
×
1000；（idf表示未改性玉米皮不溶性膳食纤维，ultrasonic-idf（uidf）表示超声波改性玉米皮不溶性膳食纤维，ultrasonicassistenzyme-idf（ueidf）表示超声波-酶法改性玉米不溶性膳食纤维，extrusion-idf（uidf）表示双螺杆挤压改性玉米皮不溶性膳食纤维，extrusionassist-enzyme-idf（eeidf）表示双螺杆挤压-酶法改性玉米皮不溶性膳食纤维）图2sdf(a)、usdf(b)、uesdf(c)、esdf(d)、eesdf(e)的hplc的液相色谱图；图3sdf、usdf、uesdf、esdf和eesdf的dsc曲线；图4sdf、usdf、uesdf、esdf和eesdf的ft-ir光谱；图5使用不同的x射线衍射分析提取玉米皮中的可溶性膳食纤维；图6sdf、usdf、uesdf、esdf和eesdf的dpph清除活性(a)、abts清除活性(b)、frap(c)和亚硝酸根离子吸附能力(d)。
具体实施方式
8.实施例1玉米皮可溶性膳食纤维的制备玉米皮可溶性膳食纤维的制备，它包括：1）取（先玉335）品种玉米皮，用水洗涤六次，去除部分残留的淀粉和蛋白质，放入烘箱在60℃烘干36h；将玉米皮粉碎过80目筛，使用正己烷脱脂3次；2）对处理后的玉米皮进行双螺杆挤压改性处理，条件为：机筒温度160℃、加水量为29%、螺杆转速为210rpm；3）取10g挤压处理后的样品分散在120ml蒸馏水中，形成悬浮液，调节ph至4.8，加入复合酶（120u/g木聚糖酶，240u/g纤维素酶），混合，将混合物在100
°
c下加热15min灭酶；
4）灭酶后调节ph至5.5，加入α-淀粉酶（100u/g），在95℃条件下缓慢搅拌1h；5）搅拌后，加入碱性蛋白酶（100 u/g），在ph 9.5、55
ꢀ°
c条件下搅拌2h；6）加入淀粉葡萄糖苷酶（200u/g），将ph调至4.2，在60
°
c下搅拌1h；将混合物在100
°
c下加热15min灭酶；7）在5000
×
g条件下离心15min，收集上清液；加入上清液4倍体积的95%乙醇，在4℃保存8h；离心，收集沉淀、干燥，得到玉米可溶性膳食纤维。
9.实施例2 玉米皮可溶性膳食纤维最佳改性工艺的筛选一、方法1、双螺杆挤压改性玉米皮可溶性膳食纤维（esdf）用双螺杆挤压制备玉米皮可溶性膳食纤维，具体的方法为：用蒸馏水洗涤玉米皮以去除残留的淀粉和蛋白质，样品烘干后使用正己烷脱脂，研磨并过80目筛。然后在喂料速度16 kg/h，挤压温度160 ℃，螺杆转速210 rpm，加水量29%条件下，对样品进行双螺杆挤压处理，处理结束后，调整ph至5.5，加入α-淀粉酶（100 u/g），在95℃条件下缓慢搅拌1 h；随后，加入碱性蛋白酶（100 u/g），在ph 9.5、55 ℃条件下搅拌2h；然后加入淀粉葡萄糖苷酶（200 u/g），将ph调至4.2，在60 ℃下搅拌1h；将混合物在100 ℃下加热15min灭酶；在5000
×
g条件下离心15min，收集上清液；加入上清液4倍体积的95%乙醇，在4 ℃保存8h；离心，收集沉淀、干燥，得到的膳食纤维样品用esdf表示；2、双螺杆挤压辅助酶法改性玉米皮可溶性膳食纤维（eesdf）用双螺杆挤压辅助酶法处理制备玉米皮可溶性膳食纤维，具体的方法为：用蒸馏水洗涤玉米皮以去除残留的淀粉和蛋白质，样品烘干后使用正己烷脱脂，研磨并过80目筛。然后在喂料速度16 kg/h，挤压温度160 ℃，螺杆转速210 rpm，加水量29%条件下，对样品进行双螺杆挤压处理，将挤压处理的样品（10g）分散在蒸馏水（120ml）中，调整ph至4.8，加入复合酶（120 u/g木聚糖酶，240 u/g纤维素酶）酶解2.5小时，然后将混合物在100℃下加热15min灭酶；灭酶结束后，调整ph至5.5，加入α-淀粉酶（100u/g），在95℃条件下缓慢搅拌1h；随后，加入碱性蛋白酶（100 u/g），在ph 9.5、55℃条件下搅拌2h；然后加入淀粉葡萄糖苷酶（200u/g），将ph调至4.2，在60
°
c下搅拌1h；将混合物在100
°
c下加热15min灭酶；在5000
×
g条件下离心15min，收集上清液；加入上清液4倍体积的95%乙醇，在4℃保存8h；离心，收集沉淀、干燥，得到的膳食纤维样品用eesdf表示；3、超声波改性玉米皮可溶性膳食纤维（usdf）用超声波处理方法制备玉米皮可溶性膳食纤维，具体的方法为：用蒸馏水洗涤玉米皮以去除残留的淀粉和蛋白质，样品烘干后使用正己烷脱脂，研磨并过80目筛。然后在料液比1:31，超声功率480w条件下超声处理38min，处理结束后，调整ph至5.5，加入α-淀粉酶（100 u/g），在95℃条件下缓慢搅拌1 h；随后，加入碱性蛋白酶（100 u/g），在ph 9.5、55 ℃条件下搅拌2h；然后加入淀粉葡萄糖苷酶（200 u/g），将ph调至4.2，在60 ℃下搅拌1h；将混合物在100 ℃下加热15min灭酶；在5000
×
g条件下离心15min，收集上清液；加入上清液4倍体积的95%乙醇，在4 ℃保存8h；离心，收集沉淀、干燥，得到的膳食纤维样品用usdf表示；4、超声波辅助酶法改性玉米皮可溶性膳食纤维（uesdf）用超声波辅助酶法处理方法制备玉米皮可溶性膳食纤维，具体的方法为：用蒸馏水洗涤玉米皮以去除残留的淀粉和蛋白质，样品烘干后使用正己烷脱脂，研磨并过80目筛。
然后在料液比1:31，超声功率480w条件下超声处理38min，将超声处理的样品（10g）分散在蒸馏水（120ml）中，调整ph至4.8，加入复合酶（120 u/g木聚糖酶，240 u/g纤维素酶）酶解2.5小时，然后将混合物在100℃下加热15min灭酶；灭酶结束后，调整ph至5.5，加入α-淀粉酶（100u/g），在95℃条件下缓慢搅拌1h；随后，加入碱性蛋白酶（100 u/g），在ph 9.5、55℃条件下搅拌2h；然后加入淀粉葡萄糖苷酶（200u/g），将ph调至4.2，在60
°
c下搅拌1h；将混合物在100
°
c下加热15min灭酶；在5000
×
g条件下离心15min，收集上清液；加入上清液4倍体积的95%乙醇，在4℃保存8h；离心，收集沉淀、干燥，得到的膳食纤维样品用uesdf表示。
10.二、玉米可溶性膳食纤维的产率及理化特性用上述四种工艺分别制备得到了样品，测定样品产率，结果如表1所示，双螺杆挤压辅助酶法处理，得到的玉米可溶性膳食纤维得率10.53%、超声波辅助酶法改性膳食纤维得率6.98%、双螺杆挤压处理膳食纤维得率6.54%、超声处理膳食纤维得率4.58%、未处理膳食纤维得率2.42%；由此表明，双螺杆挤压处理比超声处理更利于酶解；表中sdf表示未改性玉米皮可溶性膳食纤维，ultrasonic-sdf（usdf）表示超声波改性玉米皮可溶性膳食纤维，ultrasonic assist enzyme-sdf（uesdf）表示超声波-酶法改性玉米皮可溶性膳食纤维，extrusion-sdf（esdf）表示双螺杆挤压改性玉米皮可溶性膳食纤维，extrusion assist-enzyme-sdf（eesdf）表示双螺杆挤压-酶法改性玉米皮可溶性膳食纤维；表1所示，与未处理组相比，四种处理方法均显著提高了膳食纤维的持水性和持油性，其中eesdf具有最高的持水性，uesdf具有最高的持油性。
11.表1 玉米可溶性膳食纤维（sdf）的化学成分、产率(%)和平均分子量
samplessdfultrasonic-sdfultrasonicassistenzyme-sdfextrusion-sdfextrusionassist-enzyme-sdfextractionyield%2.42
±
0.14e4.58
±
0.08d6.98
±
0.15b6.54
±
0.13c10.53
±
0.24awhc(g/g)0.81
±
0.02e1.40
±
0.13d2.89
±
0.14b2.06
±
0.07c3.22
±
0.23aohc(g/g)1.57
±
0.06d2.27
±
0.12c2.87
±
0.06a2.28
±
0.08c2.55
±
0.07baveragemolecularweight(da)1.58
×
1053.07
×
1056.41
×
1041.22
×
1054.00
×
104
注：结果表示为平均值
±
标准偏差（n = 3）； a、b、c、d、e 同一行中的值彼此显着不同（p 《 0.05）。
12.三、结构特性1、扫描电子显微镜利用扫描电子显微镜观察四种改性玉米皮膳食纤维样品（可溶性膳食纤维和不可溶膳食纤维）的微观结构，结果如图1所示，idf(a)表现出密集的网络结构；uidf(b)在超声波的空化作用下，在表面形成了许多空腔，比表面积有所增加，但整体结构没有太大改变；eidf(d)在双螺杆挤压的作用下，致密的层状结构被破坏，结构变得松散、内部结构暴露，具有更大的比表面积和多孔结构，这增加了与酶的结合位点，有利于酶解反应；在超声波和双螺杆挤压作用的基础上，纤维素酶和木聚糖酶的进一步处理使ueidf(c)和eeidf(e)的结构被进一步破坏，使不溶性膳食纤维周围出现腐蚀样区域、纤维结构更加开放。与sdf相比，usdf和esdf具有更大的比表面积，uesdf和eesdf具有更小的颗粒尺寸。由上述结果可知，四种处理方式对不溶性膳食纤维的结构产生了影响，这是增加可溶性膳食纤维得率和改善理化、功能特性的原因。
13.2、分子量测定利用高效液相色谱法对四种改性玉米皮可溶性膳食纤维样品的分子量进行测定，由图2可以看出，四种样品的分子量存在显著差异，相对分子质量从大到小排列依次为：
usdf（3.07
×
10
4 da），sdf(1.58
×
10
4 da)，esdf(1.22
×
10
4 da)，uesdf（6.41
×
10
3 da），eesdf（4.00
×
10
3 da）。与sdf相比，uesdf、esdf、eesdf样品的高分子量膳食纤维含量有所降低，低分子量膳食纤维含量有所增加，导致平均分子量减小；由于超声波的空化效应，使usdf样品的平均分子量最高。
14.3、单糖组成分析利用高效液相色谱法分析了四种改性玉米皮可溶性膳食纤维样品的单糖（甘露糖、鼠李糖、半乳糖醛酸、葡萄糖、木糖和阿拉伯糖）组成，结果如表2所示，sdf含有鼠李糖和较高的半乳糖醛酸，与未处理组相比，usdf和esdf处理显著增加了木糖和阿拉伯糖的含量，uesdf和eesdf处理显著增加了葡萄糖含量，以上结果表明，双螺杆挤压和超声波处理破坏了纤维素与半纤维素的连接，使半纤维素的溶解度增加；双螺杆挤压和超声波辅助酶处理促进了纤维素的水解，四种处理使膳食纤维结构发生了变化，从而导致单糖组成发生了变化。
15.表2 sdf的单糖组成(%)
monosaccharides(%)sdfusdfuesdfesdfeesdfmannose2.41
±
0.01c2.57
±
0.01b0.001.56
±
0.01d3.69
±
0.01arhamnose1.39
±
0.010.000.000.000.00galacturonicacid15.04
±
0.02a7.79
±
0.01b3.36
±
0.02e6.36
±
0.01c5.83
±
0.03dglucose13.79
±
0.01d3.33
±
0.01e57.53
±
0.01a16.70
±
0.01c24.45
±
0.01bxylose35.77
±
0.02c37.98
±
0.01a19.08
±
0.01e36.32
±
0.02b30.85
±
0.03darabinose31.59
±
0.02a48.32
±
0.01a20.01
±
0.01e39.06
±
0.04b35.17
±
0.04c注：结果表示为平均值
±
标准偏差（n = 3）； a、b、c、d、e代表同一行中的值彼此显著不同（p 《 0.05）。
16.4、差示扫描量热法通过差示扫描量热法测定了四种改性玉米皮可溶性膳食纤维样品的热性能。结果如图3所示，与未处理组相比，四种处理方式均提高了膳食纤维的热稳定性。其中esdf的吸热峰向右偏移，eesdf的移动更明显，这是由于双螺杆挤压处理破坏了分子内的氢键，使分子结构更加稳定，导致结合水减少，吸热温度升高。
17.5、傅里叶红外光谱利用傅里叶红外光谱表征了四种改性玉米皮可溶性膳食纤维样品的化学官能团和结构变化，如图4所示，与未处理组相比，四种处理方式均减少了膳食纤维分子结构的内氢键。其中，eesdf样品的结构被严重破坏，羧基含量有所增加。
18.6、晶体结构检测使用x射线衍射仪分析四种改性玉米皮可溶性膳食纤维样品的晶体结构，结果如图5所示，sdf在2θ值为22
°
处有明显衍射峰，四种改性处理均未改变膳食纤维的晶体结构，26
°
处的衍射峰表明sdf以结晶和非晶态共存，四种处理均显著降低了膳食纤维的结晶度，表明，双螺杆挤压和超声波处理破坏了膳食纤维的晶体结构，使晶体结构由有序变为无序，并增加非晶成分。
19.四、功能特性1、抗氧化能力通过测定abts 清除能力、dpph清除能力和铁还原抗氧化活性（frap）对比四种改性玉米皮可溶性膳食纤维样品的抗氧化活性。如图6a所示，在样品浓度为1.5-3.5 mg/ml范
围内，所有样品都表现出一定的dpph清除活性，其中，eesdf在不同浓度下均显示出最高的dpph清除活性。如图6b所示，在样品浓度为3-7 mg/ml范围内，四种样品的abts 清除活性均高于未处理组，其中eesdf的abts 清除活性最高。如图6c所示，随着样品浓度增加，四种处理样品的frap活性不断增强，且都显著强于未处理组。
20.2、亚硝酸根离子（no2-）吸附活性对四种改性玉米皮可溶性膳食纤维样品的亚硝酸根离子吸附活性进行分析，结果如图6d所示，sdf在ph为2时具有较强的吸附能力，表明其主要在胃中吸附亚硝酸根离子。与sdf相比，四种处理方法所得膳食纤维对亚硝酸根离子的吸附能力均显著提高，其中eesdf对亚硝酸根离子的吸附能力最高。
21.综上结果表明，对比其他方法，用双螺杆挤压辅助酶法制备得到的玉米皮可溶性膳食纤维得率高，持水、持油性好，结构特性好，抗氧化性强。
22.实施例3 改性玉米皮可溶性膳食纤维的应用天然玉米淀粉容易回生，限制了玉米淀粉的加工和食品生产。通过添加膳食纤维改善淀粉的加工特性是近年来的研究热点之一。
23.本发明制备了一种具有良好理化特性和功能特性的改性玉米皮可溶性膳食纤维，为了进一步考察其实际应用价值，本发明将改性玉米皮可溶性膳食纤维添加到玉米淀粉中，评价了其对玉米淀粉加工特性和消化特性的影响，结果发现，改性玉米皮可溶性膳食纤维能够抑制淀粉的糊化，降低了糊化粘度，提高了糊化温度改善了淀粉和膳食纤维共混体系的剪切稳定性，同时抑制了淀粉的短期回生和长期回生程度。此外，改性玉米皮可溶性膳食纤维降低了玉米淀粉中快速消化淀粉的比例，抑制了玉米淀粉的消化、降低了淀粉水解程度和血糖生成指数。综上，本发明制备的改性可溶性膳食纤维在延缓玉米淀粉回生、改善玉米淀粉加工特性和抑制淀粉消化方面具有良好的效果。