纖維素酶提高馬鈴薯渣可溶性膳食纖維得率的工藝條件研究

莎日娜，韓育梅，周 霞，楊 鈉

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

纖維素酶提高馬鈴薯渣可溶性膳食纖維得率的工藝條件研究

莎日娜，韓育梅*，周 霞，楊 鈉

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

以馬鈴薯干渣為原料，采用α-淀粉酶和蛋白酶提取膳食纖維后，用纖維素酶對其進(jìn)行改性，研究酶添加量、pH、酶解溫度和酶解時間對馬鈴薯渣可溶性膳食纖維得率的影響。在此基礎(chǔ)上用正交實(shí)驗優(yōu)化酶反應(yīng)的工藝條件。結(jié)果表明:酶添加量25 U/g，pH5，酶解溫度45 ℃，酶解2.5 h為最佳反應(yīng)條件。在此條件下可溶性膳食纖維得率為28.78%，而未用纖維素酶處理的得率為16.18%。通過AOAC 993.19酶-重量法測定馬鈴薯干渣中可溶性膳食纖維含量由7.01%提高至13.13%。

馬鈴薯渣，可溶性膳食纖維，纖維素酶，工藝

馬鈴薯渣是在馬鈴薯淀粉生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，主要含有水、細(xì)胞碎片、殘余淀粉顆粒和薯皮細(xì)胞或細(xì)胞結(jié)合物。其化學(xué)成分包括淀粉、纖維素、半纖維素、果膠、游離氨基酸、寡肽、多肽和灰分[1]。膳食纖維(Dietary Fiber)是指不易被人體消化吸收，以多糖類為主的大分子物質(zhì)的總稱，根據(jù)溶解性分為水溶性膳食纖維(SDF)和水不溶性膳食纖維(IDF)兩大類[2]。馬鈴薯渣中膳食纖維含量較高，約占干基的50%左右，但不可溶性膳食纖維含量較高，而可溶性膳食纖維在生理活性中能更多地發(fā)揮其代謝作用，按照常規(guī)方法提取可溶性膳食纖維含量較低[3]。目前已有研究發(fā)現(xiàn)通過添加纖維素酶能夠提高香菇[4]、玉米皮[5]、紅薯渣[6]、番茄皮渣[7]等可溶性膳食纖維的含量。我國是馬鈴薯生產(chǎn)大國，馬鈴薯渣通常都作為廢渣處理，因此，合理開發(fā)馬鈴薯渣中的膳食纖維，對馬鈴薯渣進(jìn)行有效利用具有重要意義。本實(shí)驗通過添加纖維素酶對馬鈴薯渣膳食纖維進(jìn)行水解，研究水解條件對可溶性膳食纖維得率的影響，優(yōu)化工藝參數(shù)以提高其含量，為進(jìn)一步研究開發(fā)馬鈴薯渣奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯渣 呼和浩特華歐淀粉有限責(zé)任公司提供；中溫α-淀粉酶 酶活力≥3700 U/g、木瓜蛋白酶 酶活力≥50000 U/g 北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；纖維素酶 酶活力≥15000 U/g 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；所用其他試劑均為分析純。

Fibertec E 膳食纖維測定儀 丹麥福斯公司；GZX-9076 MBE數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱 上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；SHB-III循環(huán)水式真空泵 上海楚粕實(shí)驗室設(shè)備有限公司；FW100萬能破碎機(jī) 天津市泰斯特儀器有限公司；K-DY9830半自動凱氏定氮儀 北京市通潤源機(jī)電技術(shù)有限責(zé)任公司；AL204電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司；PB-10酸度計 賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司。

1.2 實(shí)驗方法

1.2.1 可溶性膳食纖維提取工藝流程 參考文獻(xiàn)[8]。

可溶性膳食纖維得率(%)

總膳食纖維質(zhì)量(TDF)=可溶性膳食纖維質(zhì)量(SDF)+不溶性膳食纖維質(zhì)量(IDF)

1.2.2 纖維素酶酶解條件單因素實(shí)驗 稱取一定量的馬鈴薯干渣，按1∶12的料液比加入蒸餾水，依次改變纖維素酶酶添加量、酶解pH、溫度和時間，研究其對可溶性膳食纖維得率的影響。

1.2.2.1 纖維素酶添加量對SDF得率的影響 固定酶解pH為5，酶解溫度50 ℃，酶解時間2 h不變，分別設(shè)定0、10、15、20、25、30 U/g不同的纖維素酶添加量，測定可溶性膳食纖維得率。

1.2.2.2 酶解溫度對SDF得率的影響 固定酶解pH5，纖維素酶添加量20 U/g，酶解時間2 h不變，分別設(shè)定40、45、50、55、60 ℃不同的酶解溫度，測定可溶性膳食纖維得率。

1.2.2.3 酶解pH對SDF得率的影響 固定酶解溫度50 ℃，纖維素酶添加量20 U/g，酶解時間2 h不變，分別設(shè)定4.0、4.5、5.0、5.5、6.0不同的酶解pH，測定可溶性膳食纖維得率。

1.2.2.4 酶解時間對SDF得率的影響 固定酶解pH為5，酶解溫度50 ℃，纖維素酶添加量20 U/g不變，分別設(shè)定0.5、1、1.5、2、2.5 h不同的酶解時間，測定可溶性膳食纖維得率。

1.2.3 纖維素酶酶解工藝優(yōu)化 根據(jù)單因素實(shí)驗結(jié)果，利用SAS軟件，以可溶性膳食纖維得率作為評價指標(biāo)進(jìn)行四因素三水平正交實(shí)驗，確定最佳工藝參數(shù)。正交實(shí)驗因素水平設(shè)置見表1。

表1 L9(34)正交實(shí)驗設(shè)計表

1.2.4 膳食纖維含量的測定 采用AOAC 993.19酶-重量法(磷酸鹽緩沖液)測定SDF和TDF含量[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維素酶添加量對SDF得率的影響

酶添加量對SDF得率的影響見圖1。從圖1可知，隨著酶添加量的增加，SDF得率逐漸增加，當(dāng)纖維素酶添加量為25 U/g時SDF得率最高，之后SDF得率逐漸下降，其中未經(jīng)纖維素酶處理的可溶性膳食纖維得率最低，為16.18%。故選取酶添加量15、20、25 U/g進(jìn)行正交實(shí)驗。

圖1 纖維素酶添加量對SDF得率的影響Fig.1 The influence of cellulase amount on the yield of SDF

2.2 酶解溫度對SDF得率的影響

溫度對SDF得率的影響見圖2。從圖2可知，隨著酶解溫度的增加，SDF得率逐漸增加，當(dāng)溫度為50 ℃時SDF得率最高，之后SDF得率逐漸下降。故選取45、50、55 ℃進(jìn)行正交實(shí)驗。

圖2 酶解溫度對SDF得率的影響Fig.2 The influence of enzymolysis temperatureon the yield of SDF

2.3 酶解pH對SDF得率的影響

pH對SDF得率的影響見圖3。從圖3可知，隨著酶解pH的增加，SDF得率逐漸增加，當(dāng)pH為5.0時SDF得率最高，之后SDF得率逐漸下降。故選取pH4.5、pH5、pH5.5進(jìn)行正交實(shí)驗。

圖3 酶解pH對SDF得率的影響Fig.3 The influence of enzymolysis pH on the yield of SDF

2.4 酶解時間對SDF得率的影響

酶解時間對SDF得率的影響見圖4。從圖4可知，隨著酶解時間的增加，SDF得率逐漸增加，當(dāng)酶解時間為2 h時SDF得率最高，2 h之后纖維素酶與底物基本充分反應(yīng)使SDF得率上升趨勢不明顯。故選取酶解時間1.5、2、2.5 h進(jìn)行正交實(shí)驗。

圖4 酶解時間對SDF得率的影響Fig.4 The influence of enzymolysis timeon the yield of SDF

2.5 正交實(shí)驗提取條件的優(yōu)化

按照正交實(shí)驗設(shè)計方案進(jìn)行實(shí)驗，結(jié)果如表2所示。

表2 正交實(shí)驗結(jié)果與極差分析表

根據(jù)表2、表3可知，實(shí)驗的最佳因素組合是A2B1C3D3，即:酶解pH為5，酶解溫度45 ℃，酶添加量25 U/g，酶解2.5 h，對此進(jìn)行驗證實(shí)驗，可溶性膳食纖維得率為28.78%，較7號實(shí)驗得率28.74%高，從而確定A2B1C3D3為最佳酶處理條件，在此條件下通過AOAC 993.19酶-重量法測定馬鈴薯干渣中可溶性膳食纖維含量由7.01%提高至13.13%。纖維素酶酶解各因素對馬鈴薯渣中SDF得率影響的主次順序為:酶解時間(D)>酶添加量(C)>酶解pH(A)>酶解溫度(B)，其中酶解時間對SDF得率有顯著影響。

表3 正交實(shí)驗方差分析表

注:
注:F0.05(2,2)=19，F(xiàn)0.01(2,2)=99。

3 結(jié)論與討論

本實(shí)驗確定加入25 U/g纖維素酶，在pH5，溫度45 ℃的條件下酶解2.5 h時SDF得率最高，為28.78%。在此條件下經(jīng)AOAC 993.19酶重量法測定馬鈴薯干渣可溶性膳食纖維含量為13.13%，未經(jīng)纖維素酶處理的馬鈴薯干渣可溶性膳食纖維含量7.01%，表明實(shí)驗所得工藝可改善可溶性膳食纖維得率。

目前膳食纖維改性的方法主要有物理方法，化學(xué)方法和生物技術(shù)方法，杜冰等人使用雙螺桿擠壓對綠豆皮中膳食纖維進(jìn)行改性，可溶性膳食纖維含量提高了4.7%[10]；李小平等使用纖維素酶提高紅薯水溶性膳食纖維含量，最佳工藝條件下SDF得率為15.33%[11]；陳菊紅通過濕法超微粉碎對馬鈴薯渣改性，其SDF含量達(dá)16.87%[12]。本實(shí)驗采用酶解法得到SDF含量為13.13%，略低于濕法超微粉碎，但相比之下采用酶解法操作過程簡單，處理量大適合批量生產(chǎn)，產(chǎn)物溫和可用于面包[13]、餅干[14]或?qū)櫸锸称穂15]中提高其營養(yǎng)價值。

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因本刊已被《中國知網(wǎng)》(包括“中國知網(wǎng)”優(yōu)先數(shù)字出版庫)獨(dú)家全文收錄，所以所付稿酬中已包含該網(wǎng)站及光盤應(yīng)付的稿酬。

Study on production technology of raising the yield of soluble dietary fiber in potato residue with cellulase

SHA Ri-na,HAN Yu-mei*,ZHOU Xia,YANG Na

(College of Food Science and Technology,Inner Mongolia Agricultural University,Huhhot 010018,China)

Experiments were conducted to study the effect of cellulase amount,pH,enzymolysis time and temperature on the yield of soluble dietary fiber(SDF)which was modified by cellulase after the dieyary fiber pretreated by amylase and protease in the potato dry residue,on the basis of single factor experiment design orthogonal. Results indicated that optimized conditions were pH5,45 ℃,25 U/g of cellulase and reaction time of 2.5 h. The yield of SDF in potato residue has increased from 16.18% to 28.78%.The content of SDF in potato dry residue has increased from 7.01% to 13.13%.

potato residue;soluble dietary fiber;cellulose;process

2014-11-13

莎日娜(1989-)，女，碩士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏,E-mail:sharina0601@163.com。

*通訊作者:韓育梅(1965-)，女，博士，教授，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏,E-mail:hanyumeim@sina.com。

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金(2012MS1206)。

TS201.2

B

1002-0306(2015)15-0114-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.016