酶解處理對竹筍膳食纖維理化特性的影響

王佳，張顏笑，鄭炯,2*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715) 2(重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶，400715)

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酶解處理對竹筍膳食纖維理化特性的影響

王佳1，張顏笑1，鄭炯1,2*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715) 2(重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶，400715)

用單一酶和復(fù)合酶在不同條件下對竹筍膳食纖維進行酶解處理，測定其膨脹力(swelling capacity, SWC)、持水力(water-holding capacity, WHC)、持油力(oil-binding capacity, OBC)等主要理化性質(zhì)，并觀察其微觀結(jié)構(gòu)的變化，從而探究酶解處理對竹筍膳食纖維理化性能的影響。結(jié)果表明：在pH=5.0，酶解溫度50 ℃，反應(yīng)時間2 h，同時添加180 U/g DF纖維素酶和90 U/g DF木聚糖酶時，竹筍膳食纖維達到最佳改性效果，其中SWC為9.29 mL/g，WHC為5.57 g/g，OBC為1.53 g/g，可溶性膳食纖維含量為12.1%。掃描電鏡觀察到，竹筍膳食纖維原料表面平整；單一酶處理后的竹筍膳食纖維表面粗糙，有碎屑孔隙；復(fù)合酶處理后的膳食纖維表面蓬松，有大量孔隙。復(fù)合酶處理使其具有更優(yōu)勢的微觀結(jié)構(gòu)。

竹筍膳食纖維；纖維素酶；木聚糖酶；理化特性；微觀結(jié)構(gòu)

膳食纖維(dietary fiber, DF)具有調(diào)節(jié)腸道菌群、降血壓、降血糖、降血脂及膽固醇等生理功能[1-2]，其主要是通過理化特性影響腸道功能，從而達到不同的生物活性效果[3-4]。DF組成中可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber, SDF)含量達到10%以上才是高品質(zhì)DF，高品質(zhì)DF不僅具有較強膨脹力(swelling capacity, SWC)、持水力(water-holding capacity, WHC)和持油力(oil-binding capacity, OBC)，而且還能改善其本身的口感和應(yīng)用成品的質(zhì)構(gòu)。然而天然DF資源中SDF含量遠低于高品質(zhì)DF要求，因此對其進行改性是研究的熱點。目前膳食纖維的改性方法主要有化學(xué)處理法、物理機械降解法、生物改性、聯(lián)合處理技術(shù)[5-6]。MA等[7]研究了提取方式和粒徑分布對脫脂孜然DF理化特性的影響；WANG等[8]結(jié)合蒸汽爆破和稀酸浸泡的方法對橘皮SDF的理化特性進行了研究；CHEN等[9]研究了化學(xué)法和酶法對瑪卡酒渣DF理化特性的影響。這些改性方法對DF的理化特性均有改善作用，生物酶法和聯(lián)合處理的效果更好。

生物法通常包括酶法改性和發(fā)酵改性。該方法具有作用條件溫和、專一性強、產(chǎn)品色澤變化小、反應(yīng)時間較短、副產(chǎn)物較少、純度高等優(yōu)點，具有很好的應(yīng)用前景[10]。一些學(xué)者對榨菜皮DF[11]、大豆豆渣DF[12]、玉米麩皮DF[13]、香菇柄DF[14]、番茄皮渣DF[15]及紅棗渣DF[16]的酶法改性進行了研究，但是目前對竹筍DF的研究大多集中在提取方法上[17-18]，而對理化特性方面的研究較少。本文以竹筍DF為研究對象，采用生物酶法，以理化特性為考察指標，以期為竹筍DF的研究提供參考。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

竹筍膳食纖維，實驗室自制；纖維素酶(10 000 U/g)、木聚糖酶(6 000 U/mg)，美國sigma公司；金龍魚調(diào)和油，購于重慶市北碚區(qū)永輝超市；95%乙醇、檸檬酸(一水)、NaOH、丙酮：分析純，成都市科龍化工試劑廠。

1.2儀器與設(shè)備

FA2004A電子分析天平，上海精天電子儀器有限公司；pHS-3C酸度計，成都世紀方舟科技有限公司；HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋，常州澳華儀器有限公司；1580常溫離心機，基因有限公司；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；DHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；FW135中草藥粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司；SX-2.5-10馬弗爐，浙江嘉興東城儀器廠；KDN-04B定氮儀，上海新嘉電子有限公司；JSM-6510LV鎢燈絲掃描電子顯微鏡，日本電子株式會社(JEOL)。

1.3方法

1.3.1纖維素酶處理

1.3.1.1處理時間對DF的影響

參考劉生利[19]的方法，準確稱取10 g DF四份，加入180 U/g DF纖維素酶，以液固比10∶1(mL∶g)加入100 mL檸檬酸緩沖液調(diào)節(jié)pH為5.0，攪勻后50 ℃分別水浴1、2、3、4 h，反應(yīng)完后100 ℃下滅酶10 min?；旌弦阂? 500 r/min離心15 min，將乙醇預(yù)熱到60 ℃，加入上清液4倍體積的乙醇沉淀4 h，布氏漏斗抽濾，分別用78%乙醇，95%乙醇，丙酮洗滌沉淀2遍，60 ℃烘干過夜，粉碎，得到改性膳食纖維，測定SWC、WHC、OBC。

1.3.1.2酶用量對DF的影響

取10 g DF五份，分別按60、100、140、180、220 U/g DF添加纖維素酶，加入100 mL檸檬酸緩沖液調(diào)節(jié)pH為5.0，50 ℃水浴加熱2 h，反應(yīng)完后滅酶。其余同1.3.1.1。

1.3.2木聚糖酶處理

1.3.2.1處理時間對DF的影響

取10 g DF五份，加入120 U/g DF木聚糖酶,分別加入100 mL檸檬酸緩沖液調(diào)節(jié)pH為4.8，攪勻后50 ℃分別水浴1、2、3、4、5 h，反應(yīng)完后滅酶。其余同1.3.1.1。

1.3.2.2酶用量對DF的影響

取10 g DF五份，分別按30、60、90、120、150 U/g DF加入木聚糖酶，加入100 mL檸檬酸緩沖液調(diào)節(jié)pH為4.8，50 ℃水浴加熱4 h，反應(yīng)完后滅酶。其余同1.3.1.1。

1.3.3復(fù)合酶處理對DF的影響

(1)取10 g DF兩份，采用分步酶解，2份按不同順序添加180 U/g DF纖維素酶和120 U/g DF木聚糖酶，同時加入100 mL檸檬酸緩沖液調(diào)節(jié)pH為最適值(纖維素酶最適pH=5.0，木聚糖酶最適pH=4.8)，攪勻后，每種酶分別于50 ℃水浴2 h，反應(yīng)完后滅酶。其余同1.3.1.1，并測定SDF。

(2)取10 g DF三份，采用同時酶解，分別添加3種不同用量的復(fù)合酶(纖維素酶+木聚糖酶)，其添加量分別為(140 + 90)、(180 + 120)、(180 + 90) U/g DF，加入100 mL檸檬酸緩沖液調(diào)節(jié)pH=4.9，攪勻后于50 ℃水浴2 h，反應(yīng)完后滅酶。其余同1.3.1.1，并測定SDF。

1.4測定項目與方法

1.4.1食品中膳食纖維的測定

GB/T 5009.88—2008[20]。

1.4.2SWC測定方法

稱取2 g(M)膳食纖維粉，放入10 mL量筒中讀取體積V1，量取80 mL純水轉(zhuǎn)移到100 mL量筒中，振蕩均勻，25 ℃條件下放置24 h，讀取纖維吸水后體積V2。計算膨脹性。

(1)

1.4.3WHC測定方法

參考李安平等[17]的方法，稱取1 g(m1)膳食纖維粉，放入燒杯中，加入20 ℃的水飽和纖維60 min，將纖維置于濾紙上瀝干后，把保留在濾紙上結(jié)合了水的纖維轉(zhuǎn)移到表面皿中稱重，記為m2。計算持水力。

(2)

1.4.4OBC測定方法

稱取1 g (M)膳食纖維粉放入離心管中稱重，記為m1，加入20 mL食用油在37 ℃下飽和纖維60 min，4 500 r/min離心10 min，瀝干后，稱重記為m2。計算持油力。

(3)

1.4.5微觀結(jié)構(gòu)測定

參考WANG等[8]的方法，取少量原料膳食纖維粉和改性后膳食纖維粉過80目篩，60 ℃真空冷凍干燥，將干燥好的樣品平鋪在粘有導(dǎo)電膠的載物臺上，置于真空鍍膜機中進行噴金鍍膜，并在掃描電鏡下觀察樣品組織的微觀結(jié)構(gòu)。

1.5數(shù)據(jù)處理

使用Microcal Origin8.0，SPSS18.0軟件進行圖表的繪制和相關(guān)數(shù)據(jù)的處理，圖中標注字母不同表示有顯著性差異(P<0.05)。

2　結(jié)果與分析

2.1纖維素酶處理對DF理化特性的影響

2.1.1處理時間對DF理化特性的影響

由圖1可知，添加180 U/g DF纖維素酶時，在反應(yīng)開始的1～2 h內(nèi)，DF的膨脹力和持水力均隨時間的延長而增加，2 h達到最大值，分別為8.76 mL/g、5.52 g/g，持油力平緩增加，2 h達到最大值，為1.52 g/g。這是因為，纖維素酶在部分降解DF中纖維素的同時可改變其表面的結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)更松散，顆粒增加，孔隙增多，油和水更易進入膳食纖維的間隙，同時暴露出一些親水、親油的活性基團，使膨脹力、持水力、持油力得到改善。處理時間超過2 h后，DF的各項性質(zhì)均呈現(xiàn)下降的趨勢。這可能是由于纖維素酶完全降解產(chǎn)生的葡聚糖等可溶性DF被進一步降解，其表面的一些活性基團和孔隙結(jié)構(gòu)被破環(huán)，致使其持水和持油能力下降。這一結(jié)果與劉生利[19]用纖維素酶處理江蘺殘渣DF的研究結(jié)果相似。

圖1　纖維素酶處理時間對DF理化特性的影響Fig.1　Effect of cellulase hydrolysis time on physicochemical properties of dietary fiber

2.1.2酶用量對DF理化特性的影響

由表1可知，隨著纖維素酶用量的增加，DF的膨脹力和持水力明顯的增加，在添加量為180 μ/g DF時達到最大值，相較原料有明顯改善(P<0.05)；持油力呈增加趨勢，比較平緩，相較原料有一定改善。這可能是因為纖維素酶對纖維素的部分降解作用生成葡聚糖同時原纖維表面出現(xiàn)很多孔隙，親水、親油基團暴露，改善其理化性質(zhì)；酶添加量超過180 μ/g DF后，膨脹力、持水力和持油力均下降。胡葉碧等[21]發(fā)現(xiàn)這是由于纖維素酶對細胞壁的降解作用是有限的，當(dāng)酶用量超過一定水平后，不會再有大量的細胞壁隨酶用量的增加而被降解，且其水解產(chǎn)物的聚合度反而被進一步降低以致失去持水和持油能力。

表1　纖維素酶用量對DF理化特性的影響

注：同一列中帶不同字母的表示在5%水平上差異顯著(n=3)。

2.2木聚糖酶處理對DF理化特性的影響

2.2.1處理時間對DF理化特性的影響

由圖2可知，添加120 U/g DF木聚糖酶時，在反應(yīng)開始的1～4 h內(nèi)，DF的膨脹力、持水力和持油力均隨時間的增加而增加，在4 h達到最大值，分別為6.8 mL/g、5.01 g/g、1.47 g/g。這是由于，木聚糖酶將不溶性半纖維素降解成可溶性半纖維素，同時使膳食纖維表面由于半纖維素的部分降解產(chǎn)生孔隙結(jié)構(gòu)，一些活性基團進一步暴露，使DF的膨脹力、持水力和持油力增加。反應(yīng)時間超過4 h，其理化性質(zhì)呈下降趨勢，這可能是因為隨著酶活化時間的增加，降解產(chǎn)生的可溶性半纖維素進一步降解，且破壞了DF表面的膨松結(jié)構(gòu)和活化基團，使其相應(yīng)的理化性質(zhì)下降。

圖2　木聚糖酶處理時間對DF理化特性的影響Fig.2　Effect of xylanase hydrolysis time on physicochemical properties of dietary fiber

2.2.2酶用量對DF理化特性的影響

由表2可知，隨著木聚糖酶用量的增多，膨脹力、持水力和持油力平緩增加，添加量為120 μ/g DF時達到最大值，這是由于，木聚糖酶的部分降解作用同時改變膳食纖維的組成和表面結(jié)構(gòu)，使其理化性質(zhì)得到改善。而添加量超過120 μ/g DF后，各項指標呈緩慢下降的趨勢，這可能是因為大量的半纖維素被水解成不構(gòu)成膳食纖維成分、沒有持水和持油能力的小分子糖類。

表2　木聚糖酶用量對DF理化特性的影響

注：同一列中帶不同字母的表示在5%水平上差異顯著(n=3)。

2.3復(fù)合酶處理對DF理化特性的影響

由表3可知，復(fù)合酶處理對竹筍膳食纖維的理化特性有改善作用，且可溶性膳食纖維的量明顯增加(P<0.05)。同時酶解時，SWC和WHC明顯增加(P<0.05)，分步酶解時緩慢增加。當(dāng)同時加入180 U/g DF纖維素酶和90 U/g DF木聚糖酶處理2 h時，膳食纖維的SWC、WHC和OBC均達到最優(yōu)值，分別為9.29 mL/g、5.57 g/g、1.53 g/g，SDF含量由原料的5.6%增加為12.1%。說明纖維素酶和木聚糖酶對底物細胞壁的降解存在正協(xié)同作用。

表3　復(fù)合酶處理對DF理化特性的影響

注：a. 1—原料DF；2—先加入180 U/g DF纖維素酶，后加入120 U/g DF木聚糖酶；3—先加入120 U/g D木聚糖酶，后加入180 U/g DF纖維素酶； 4—同時加入140 U/g DF纖維素酶和90 U/g DF木聚糖酶；5—同時加入180 U/g DF纖維素酶和120 U/g DF木聚糖酶；6—同時加入180 U/g DF纖維素酶和90 U/g DF木聚糖酶。b. 同一列中帶不同字母的表示在5%水平上差異顯著(n=3)。

2.4酶解處理對DF微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖3(A)為DF原料，其表面較整齊，有少量碎屑顆粒，無明顯孔隙；圖3(B)為單一纖維素酶活化后的DF，表面變得粗糙，形成明顯凹穴，有很多孔隙，同時產(chǎn)生了較小顆粒的膳食纖維碎屑；圖3(C)為單一木聚糖酶活化后的DF，有大量碎屑生成，但仍存在大塊片狀結(jié)構(gòu)，蓬松度低，孔隙結(jié)構(gòu)少；圖3(D)為復(fù)合酶活化后的DF，其表面變得松散，膨松多孔，有很多的碎屑和片層狀結(jié)構(gòu)，有許多溝壑，從而具有很大的比表面積。

酶解作用能改變DF的成分組成和表面結(jié)構(gòu)，從而影響其理化性質(zhì)和功能特性[22]。MA 等[23]發(fā)現(xiàn)酶法改性后的脫脂孜然DF表面呈蜂巢狀，粗糙且纖維粘連，形成深溝和碎屑，其理化特性得到改善。CHEN等[9]研究認為酶法改性后的瑪卡酒渣DF表面結(jié)構(gòu)松散，出現(xiàn)很多溝壑，孔隙增多，單糖種類增多是其理化特性增強的原因。比較單一酶和復(fù)合酶的處理效果，單一酶活化的DF相對原料比表面積增加，但相對復(fù)合酶活化的DF，其蓬松度很低，這一結(jié)果表明纖維素酶和木聚糖酶對底物細胞壁的降解存在協(xié)同作用，且表面形態(tài)的差別是造成其親水親油能力變化的一個重要原因。

A-原料DF；B-纖維素酶活化DF;木聚糖酶活化DF;D-復(fù)合酶活化DF圖3　不同酶處理方式活化后的膳食纖維電鏡掃描圖Fig.3　Scanning electron microscope images of dietary fiber with different enzymatic hydrolysis

3　結(jié)論

纖維素酶和木聚糖酶都能改善膳食纖維的膨脹力、持水力和持油力；纖維素酶的改善效果更好；復(fù)合酶處理的效果優(yōu)于單一酶。當(dāng)同時加入180 U/g DF纖維素酶和90 U/g DF木聚糖酶時，竹筍膳食纖維的SWC、WHC、OBC和SDF分別提高了61%、46%、31%、116%，為最佳改性條件。膳食纖維電鏡掃描結(jié)果表明，復(fù)合酶改性后的竹筍膳食纖維表面結(jié)構(gòu)變?yōu)橛锌紫兜呐钏山Y(jié)構(gòu)。

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Effects of enzymatic hydrolysis on the physicochemical properties of dietary fiber from bamboo shoot

WANG Jia1,ZHANG Yan-xiao1,ZHENG Jiong1,2*

1(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China)2(Chongqing Research Center of Special Food Engineering and Technology, Chongqing 400715, China)

The bamboo shoot dietary fiber (BSDF) was hydrolyzed with single and composite enzymes under different conditions, and the main physicochemical properties of the hydrolyzed BSDF including swelling capacity (SWC), water-holding capacity (WHC) and oil-binding capacity (OBC), were determined. Meanwhile, the change of the microstructure was observed. The results showed that the optimized modification conditions were as follows: pH 5.0, hydrolytic temperature of 50 ℃, reaction time of 2 hours, simultaneous addition composite cellulase of 180 U/g DF and xylanase of 90 U/g DF. Under this condition, SWC was 9.29 mL/g, WHC was 5.57 g/g, OBC was 1.53 g/g, and the proportion of soluble fiber increased to 12.1%. Scanning electron microscopy exhibited that raw BSDF had smooth surface, BSDF hydrolyzed with single enzyme had rough, clastic and porous surface, and BSDF hydrolyzed with composite enzymes showed fluffy porous surface. Compared with raw BSDF and BSDF treated with single enzyme, BSDF hydrolyzed with composite enzymes possessed preferential microstructure.

bamboo shoot dietary fiber; cellulase; xylanase; physicochemical property; microstructure

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201609018

碩士研究生(鄭炯副教授為通訊作者,E-mail：zhengjiong_swu@126.com)。

重慶市社會事業(yè)與民生保障科技創(chuàng)新專項(cstc￣2015￣shmszx80007)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項(SWU115051)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費重點項目(XDJK2016B035)

2016-04-08，改回日期：2016-04-25