CN102605022A

CN102605022A - 一种发酵麦麸联产低聚糖和膳食纤维的方法

Info

Publication number: CN102605022A
Application number: CN2012101075720A
Authority: CN
Inventors: 余晓红; 顾振新; 邵荣; 刘珊珊; 申玉香
Original assignee: Yangcheng Institute of Technology
Current assignee: Yangcheng Institute of Technology; Yancheng Institute of Technology
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明涉及微生物发酵法同时制备麦麸低聚糖和膳食纤维的应用。本发明对小麦麸皮进行综合开发和利用，采用“一线多品”的麦麸高效生物深加工工艺路线，利用微生物发酵法同时制取麦麸膳食纤维及功能性低聚糖。本发明所述的微生物指出芽短梗霉单一菌种或出芽短梗霉与茶薪菇的混合菌种，发酵麦麸时，可将麦麸中淀粉、蛋白质等物质作为微生物生长所需的营养成分，使其在消耗这些物质的同时产生木聚糖酶，进而水解麦麸半纤维素生成低聚糖，同时制得膳食纤维。突破了以往单一产品开发为目标的研发思路，资源综合利用率高，生产成本低，无化学物质残留和环境污染，可形成“生态、低碳、高效循环”的加工技术新模式，可增加麦麸产品的附加值。

Description

一种发酵麦麸联产低聚糖和膳食纤维的方法

技术领域

本发明涉及生物法在制备麦麸低聚糖及膳食纤维中的应用。

背景技术

谷物皮层由于具有重要的营养学特性，越来越引起人们研究的兴趣，其中主要研究对象之一就是小麦麸皮。麸皮中富含膳食纤维(35-50％)、蛋白质(12-18％)、脂肪(3-5％)、总碳水化合物(45-65％)、灰分(4-6％)、维生素(0.265％)以及天然抗氧化剂阿魏酸(0.4-0.7％)等成分，开发和利用潜力巨大。

目前，主要的研究都是利用小麦麸皮加工麦麸膳食纤维、麦麸蛋白质和戊聚糖等单个产品，如通过酶解去除淀粉、酸解去除蛋白生产不溶性膳食纤维产品，或通过酶解、碱溶、醇沉等工艺生产戊聚糖，也有通过酶解生产蛋白质等产品，工艺技术往往均为以单一产品为目的，既增加了生产环节，提高了生产成本，经济价值不高，且易造成化学物质的残留和环境污染。

因此，对小麦麸皮进行综合开发和利用，采用“一线多品”的麦麸高效生物深加工工艺路线，利用微生物发酵法同时制取麦麸膳食纤维及功能性低聚糖，突破以往单一产品开发为目标的研发思路，资源综合利用率高，生产成本低，无化学物质残留和环境污染，可形成“生态、低碳、高效循环”的农业技术新模式。可使谷物加工副产品的综合利用得到进一步发展，而且还可增加产品的附加值，从而提高企业的经济效益和社会效益。

膳食纤维是继碳水化合物、脂肪、蛋白质、维生素、矿物质和水之后的第七大营养素。可预防肥胖、冠心病、糖尿病和结肠癌等疾病的发生。麦麸中含有大量可利用的具有生理活性的膳食纤维，其中的纤维素和半纤维素，是优质的膳食纤维来源。但麦麸中还含较多的淀粉、蛋白质、油脂和植酸等，作为活性膳食纤维和功能食品添加剂仍不理想，若采用合理的制取工艺，除去麦麸中非纤维成分和不良气味，可进一步纯化膳食纤维并提高其含量。

功能性低聚糖是糖类化合物的一种，具有甜、粘等特性，可增殖肠道有益菌、预防癌症、预防肥胖、防止便秘等，已作为蔗糖替代品食用。广泛存在于禾本科植物中的阿魏酰低聚糖(Feruloyl oligosaccharides，FOs)是功能性低聚糖的一种，由不同位置上的糖羟基与阿魏酸(Ferulic acid，FA)羧基酯化形成。FOs具有阿魏酰基与亲水性的低聚糖基团，因而兼具水溶性和耐热性，较好地解决了目前天然抗氧化剂遇到的不溶于水(如胡萝卜素、酚醛化合物和维生素E等)与不适于热加工的热敏性(如维生素C等)两大应用难题，是一种具有较高的研究价值与应用价值的天然抗氧化剂。FOs抗氧化活性强于阿魏酸与维生素C，对小鼠红细胞溶血现象具有较强的抑制作用；FOs对人体具有特殊的生理活性，可显著抑制白血病人淋巴细胞生长，促进白血病T细胞坏疽，可抑制人体内的蛋白非酶糖基化反应，预防糖尿病的发生等，近年来被广泛用于保健食品中。FOs在食品工业中具有巨大的应用潜力，但是FOs的高效制备问题已成为其被广泛应用的瓶颈。

目前膳食纤维和低聚糖的制备多采用化学法和生物酶法。化学法是利用酸碱等化学试剂水解去除原料中的淀粉、蛋白质，该方法操作简便，但反应剧烈，产物易被分解；且存在产品安全和废弃物污染问题。生物酶法是利用淀粉酶、蛋白酶等将原料中的淀粉和蛋白质水解，再经水洗后去除。该方法反应温和、操作简便，但水解产物的去除造成资源的浪费，且形成大量废水。因而，以往的制备方法中存在着资源浪费和环境污染等问题。寻找一种可利用淀粉、蛋白等营养成分，并高效转化生成安全的膳食纤维和低聚糖方法是新的研究方向。

生物发酵法是利用微生物转化获得目的产物的方法，目前多用于商品酶和多糖等功效成分的制备中。出芽短梗霉(Aureobacidium pullulans或Pullularia pullulans)是一类与酵母密切相关的真菌，研究表明其生长过程中可产生高活性的内切木聚糖酶(xylanase或1-4-β-D-xylanxylanohydrolase，EC3.2.1.8)、淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶和半纤维素酶等，且具有较好的热稳定性。其中淀粉酶和蛋白酶水解原料中的淀粉、蛋白质为其生长提供营养，并将其转变为真菌多糖和菌体纤维，增加膳食纤维来源；半纤维素酶可水解原料的细胞壁多糖，生成低聚糖。国外对出芽短梗霉的研究较早，已有短梗霉多糖产品闻世，且允许作为食品添加剂增稠剂使用，可见采用出芽短梗霉发酵麦麸联产膳食纤维和低聚糖具有食用安全性，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的：我国常年小麦产量高达1.15亿吨左右，面粉加工过程中产生的麦麸在3000～3500万吨(居世界前列)，是我国大宗农副产品资源之一，开发和利用潜力巨大。目前，主要的研究都是利用小麦麸皮加工麦麸膳食纤维、麦麸蛋白质和戊聚糖等单个产品，资源利用率低，环境污染严重，形成的产品综合效益不高。本发明采用经诱变获得的出芽短梗霉高产木聚糖酶单一菌株或出芽短梗霉与茶薪菇的混合菌种进行发酵法制备麦麸膳食纤维和低聚糖，可为膳食纤维和低聚糖保健食品开发提供技术支撑，推动功能性低聚糖的产业化及科学化发展。

本发明的技术方案：以麦麸为原料，采用食安性真菌出芽短梗霉或出芽短梗霉与茶薪菇的混合菌种发酵法制备膳食纤维和低聚糖，菌株可直接利用麦麸中的淀粉、蛋白质生长代谢，既消除了淀粉、蛋白质的存在对麦麸膳食纤维应用的不良影响，又提供了微生物生长代谢所需的营养，可直接将产木聚糖酶的微生物应用于低聚糖及膳食纤维制备中，使微生物发酵产酶过程与酶解麦麸获得低聚糖及膳食纤维的过程合二为一，则可省去酶制剂生产中的分离纯化过程，降低生产成本，提高产率。

本发明的有益效果：本项目采用“一线多品”的麦麸高效生物深加工工艺路线，利用微生物发酵法同时制取麦麸功能性低聚糖及膳食纤维，突破了以往单一产品开发为目标的研发思路，资源综合利用率高，生产成本低，无化学物质残留和环境污染，形成了“生态、低碳、高效循环”的加工技术新模式。可使谷物加工副产品的综合利用得到进一步发展，而且还可增加产品的附加值，从而提高企业的经济效益和社会效益。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明，但实施例不限制本发明的保护范围。

实施例1出芽短梗霉生成阿魏酰低聚糖的发酵工艺优化

1.菌种培养基的制备

菌种活化培养基(g/L)：马铃薯200蔗糖20蛋白胨5琼脂粉20pH自然蒸馏水1000mL0.103MPa灭菌20min；

种子培养基(g/L)：蔗糖50Na₂HPO₄ 5.0酵母膏3.0 MgS04·7H₂O 0.2(NH₄)₂SO₄ 0.6NaCl0.1 pH6.0蒸馏水1000mL 0.103MPa灭菌20min；

发酵培养基(g/L)：麦麸液20KH₂PO₄ 1 MgSO₄·7H₂O 1 V_B1 0.1 0.103MPa灭菌20min。

2.菌种培养

母种培养：在温度为28℃，摇床转速180r/min，摇瓶装液量为50mL/250mL三角瓶，接种1块直径约为4mm的母种菌块，培养3d；

培养条件确定用发酵条件：在前期单因素实验的基础上，据实验设计表1设定。测定发酵液中阿魏酰低聚糖(FOs)产量。

表1发酵条件确定研究中因素水平表

Table 1 Levels of culture condition for fermentation of Aureobasidium pullulans

3.阿魏酰低聚糖(FOs)含量测定

样品处理：发酵液于4000rpm离心15min，得到的上清液为含有FOs的样液。取样液1mL于10mL离心管中，添加1mL浓度为1M的氢氧化钠溶液，于100℃避光水解90min，使FOs水解，冷却后用1M的盐酸溶液中和。

样品测定：用HPLC法测定FOs样品液及其水解液中阿魏酸含量，计算FOs样品水解前后阿魏酸的增加量，即为FOs摩尔含量。

阿魏酸的液相色谱测定条件：采用AgilentTC-C18柱(4.6×250mm，5μm)，25℃，进行HPLC分离，检测器为紫外检测器(UV)。洗脱液为0.5％的三氟乙酸(V/V)(A)和乙腈(B)，流速为0.6mL/min，梯度洗脱。进液量为20ul，检测波长为325nm，洗脱顺序如表2。

表2阿魏酸洗脱顺序

Table 2 Elution order of frulic acid

4.木聚糖酶活性测定及定义

以燕麦木聚糖为底物，用3，5一二硝基水杨酸法测定还原糖的生成量。

取0.5mL适当稀释的出芽短梗霉木聚糖酶粗酶液，加入1.5mL用0.2mol/L、pH 4.8醋酸缓冲液配制的1％木聚糖溶液中，50℃酶解30min，加入1.5mLDNS试剂，沸水浴中加热5min，用冰水迅速冷却，定容到25mL，于520nm波长测定OD值。同时以100℃灭活的粗酶液作对照。用木糖作标准曲线。

酶活单位定义为上述条件下每分钟水解木聚糖产生1μmol木糖的酶量为一个酶活力单位(IU)。

出芽短梗霉生成阿魏酰低聚糖的发酵工艺优化

表3发酵条件研究的正交实验设计及结果

Table 3 The design and results of orthogonal experiment for the analysis of cultural condition

表4发酵条件的正交实验结果的方差分析

Table 4 Analysis of variance of for orthogonal experiment data of cultural condition

发酵条件对出芽短梗霉生长及其代谢具有显著影响，前期发酵条件的单因素试验研究表明，其中发酵液pH值、接种量和装液量等为影响显著因素，本实验通过表1五因素四水平的正交试验研究上述几因素对出芽短梗霉生成木聚糖酶和FOs的调控影响，以确定出芽短梗霉最佳发酵条件。实验设计及结果见表3。

由表4中FOs、木聚糖酶的极差分析可知，各因素对出芽短梗霉生成FOs产量及木聚糖酶活的影响顺序均为R_A＞R_C＞R_B＞R_E＞R_D，即对出芽短梗霉生成FOs及木聚糖酶影响最大的为pH值，其次是接种量、摇瓶装液量，之后是发酵温度和发酵时间。对实验结果进行方差分析(表4)：pH显著影响FOs的生成。

实施例2混菌发酵生产木聚糖酶的正交试验

选取麦麸粒径、麦麸处理方式、麦麸含水量、菌种组合方式四个因素，利用正交试验表进行四因素三水平正交试验(表5)，优选出生产木聚糖酶的最佳混菌培养组合。

表5正交实验因素与水平

Table 5 Factors and levels in orthogonal experiment

表6正交实验设计

Table 6 Orthogonal experimental design

由表6可知，混菌固态发酵麦麸产木聚糖酶的效果为：培养基单因素试验中，影响程度依次为麦麸处理方式＞菌种组合方式＞麦麸粒径＞麦麸含水量，表明混菌固态发酵麦麸产木聚糖酶的能力与其麦麸培养基有一定的关系；其最佳的方案为麦麸粒径为20目，麦麸处理方式为121℃蒸煮0.5h，麦麸含水量为60％，菌种组合方式为出芽短梗霉提前24h与茶薪菇等量接种；因此在混菌固态发酵法产木聚糖酶时，应格外控制好菌种混菌接种组合方式以及麦麸处理方式。

Claims

1.微生物发酵麦麸同时制备低聚糖和膳食纤维的应用。

2.根据权利要求1所述的微生物发酵麦麸，其特征是：本发明所述的发酵方式，是指液态发酵、固态发酵、固定化细胞发酵。

3.根据权利要求1所述的微生物发酵麦麸，其特征是：本发明所述的微生物，是指出芽短梗霉单一菌种或出芽短梗霉与茶薪菇的混合菌种，出芽短梗霉是经过诱变育种选育出的高产木聚糖酶不产黑色素的特征菌株。

4.根据权利要求1所述的麦麸，其特征是：麦麸经烘干或自然晒干后，粉碎过20-60目筛子筛分后供微生物发酵；或粉碎后经20-40目筛子筛分后经挤压膨化后供微生物发酵；或粉碎过20-60目筛子筛分后经高温蒸煮后被微生物发酵。

5.根据权利要求1所述的微生物发酵麦麸同时制备低聚糖和膳食纤维的应用，其特征是：微生物发酵麦麸产生木聚糖酶，以此粗酶液酶解预处理过的麦麸制备低聚糖及膳食纤维；或以分离纯化后的酶制剂降解预处理过的麦麸细胞壁制备低聚糖及膳食纤维；或以出芽短梗霉发酵麦麸将产酶与制备低聚糖及膳食纤维合二为一进行。