水溶性苦瓜膳食纖維的酶法制備及性質(zhì)研究

賈東升，李榮喬，謝曉亮，溫春秀，崔施展，劉靈娣

（河北省農(nóng)林科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所，藥用植物研究中心，河北石家莊050051）

水溶性苦瓜膳食纖維的酶法制備及性質(zhì)研究

賈東升，李榮喬，謝曉亮*，溫春秀，崔施展，劉靈娣

（河北省農(nóng)林科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所，藥用植物研究中心，河北石家莊050051）

研究蝸牛酶酶解苦瓜渣制備水溶性膳食纖維（Water-soluble dietary fiber，SDF）的工藝及SDF的理化性質(zhì)。探討酶解溫度、料液比、蝸牛酶添加量和酶解時間對SDF得率的影響，通過正交試驗確定了最佳工藝條件為：酶解溫度35℃、pH值為5.5、料液比1∶30（kg/L），蝸牛酶添加量0.4%，酶解時間1.5 h，在此條件下SDF得率達13.49%，持水力、溶脹性分別達到（10.06±0.63）g/g、（11.61±1.33）mL/g，對脂肪酸、膽酸鈉和膽固醇均具有較好的吸附能力。

苦瓜；蝸牛酶；膳食纖維

膳食纖維作為一種功能性食品配料具有多種保健作用，能夠降低高血壓、高血脂及糖尿病[1]等疾病的患病風(fēng)險，其制備和生物活性研究已成為現(xiàn)階段的熱點?？喙希∕omordica charantia L.）為葫蘆科苦瓜屬植物，現(xiàn)代藥理研究結(jié)果表明，苦瓜具有降血糖、抗腫瘤、抗病毒、抗菌、免疫調(diào)節(jié)等多種藥理活性，其中降血糖活性最為顯著[2-3]?？喙仙罴庸み^程中會產(chǎn)生大量廢棄物苦瓜渣，易造成資源浪費和環(huán)境污染，因此研究苦瓜渣的再利用技術(shù)將成為我國食品加工行業(yè)的一大課題。苦瓜渣中膳食纖維含量高達70%，是膳食纖維良好來源。目前膳食纖維的提取方法主要是化學(xué)法和生物酶解法，酸、堿對膳食纖維尤其是水溶性膳食纖維的破壞較大，產(chǎn)品品質(zhì)較差，而且環(huán)境污染大，而酶法具有相對安全、高效和低成本等優(yōu)點被廣泛使用。蝸牛酶為一種從蝸牛內(nèi)臟中提取的含纖維素酶、果膠酶、淀粉酶和蛋白酶的混合酶，具有很強的生物轉(zhuǎn)化能力，已廣泛應(yīng)用于飼料、食品和基因工程學(xué)等領(lǐng)域[4-7]，但未見有關(guān)應(yīng)用其制備苦瓜纖維素的報道。本研究應(yīng)用蝸牛酶酶解苦瓜渣制備苦瓜水溶性纖維素，以期為苦瓜的綜合深加工利用提供技術(shù)支持。

1 材料方法

1.1 材料與試劑

蝸牛酶（5 000 U/g）：諾維信公司；膽酸鈉、膽固醇：上?；瘜W(xué)試劑有限公司；金龍魚花生油：益海糧油工業(yè)有限公司；豬油：河北省農(nóng)林科學(xué)院藥用植物研究中心自制；無水乙醇、醋酸鈉、冰醋酸（均為分析純）：天津天大化工實驗廠。

1.2 儀器與設(shè)備

9030A鼓風(fēng)電熱恒溫干燥箱：浙江嘉興電熱儀器廠；ME104電子分析天平：梅特勒-托利多國際貿(mào)易（上海）有限公司；PB-20酸度計：北京賽多利斯儀器有限公司；HH-S-24水浴鍋：上海東星建材試驗設(shè)備有限公司；3-30ks高速離心機：德國Sigma公司；AR-G2旋轉(zhuǎn)流變儀：美國TA公司；723N紫外/可見分光光度計：上海儀電分析儀器有限公司。

2 方法

2.1 SDF1提取流程與步驟

2.1.1 工藝流程

2.1.2 操作要點

2.1.2.1 原料預(yù)處理

取鮮苦瓜榨汁后的苦瓜渣，于60℃烘箱中烘干，粉碎，過60目篩備用。

2.1.2.2 纖維素酶酶解

將苦瓜渣粉加入醋酸緩沖液中，然后加入一定量蝸牛酶恒溫水浴酶解，酶解完成后于100℃保溫5 min使酶失活。

2.1.2.3 乙醇沉淀

向酶解液中加入4倍體積的無水乙醇，靜置過夜，離心取沉淀，60℃烘箱中烘干，得SDF1。

2.1.3 SDF1提取工藝優(yōu)化

在蝸牛酶酶解單因素試驗基礎(chǔ)上選取酶解溫度、料液比、蝸牛酶添加量和酶解時間四因素，每個因素選取3個水平，以SDF提取率為評價指標，采用L9（34）正交試驗優(yōu)化蝸牛酶的酶解工藝。正交試驗因素水平表如表1所示。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels in orthogonal array design

2.2 SDF2制備

參考吳茂玉等[8]方法，采用淀粉酶和蛋白得酶解苦瓜渣得到SDF2。淀粉酶酶解條件：pH 6.0，溫度55℃，料液比1∶25（kg/L），ɑ-淀粉酶添加量0.4%，酶解時間60 min；蛋白酶酶解條件：pH 7.0，溫度50℃時，料液比1∶25（kg/L），中性蛋白酶添加量0.4%，水解時間90 min。

2.3 提取率計算

SDF提取率/%=SDF質(zhì)量（g）/原料質(zhì)量（g）×100

2.4 膳食纖維物理化學(xué)性質(zhì)測定

2.4.1 結(jié)合水力、持水力、膨脹力

2.4.1.1 持水力測定

稱取樣品m1g于50 mL的離心管中，加入蒸餾水，室溫攪打30 min，2 500 r/min離心10 min，棄去上清液并用濾紙吸干離心管壁殘留水分，稱重m2。

2.4.1.2 膨脹力測定

稱取樣品m1g置于10 mL量筒中，移液管準確移取5.00 mL蒸餾水加入其中。振蕩均勻后室溫（25℃）放置24 h，讀取液體中膳食纖維的體積。

膨脹力/（mL/g）=[（膨脹后的體積（mL）-干品體積（mL）]/樣品干重（g）

2.4.2 溫度、pH值對SDF溶解性的影響

將樣品定量溶解在溶液中，在一定溫度下攪拌30 min，3 000 r/min離心20 min，取上清液于已恒重的鋁盒，90℃水浴蒸干，于105℃烘至恒重。

溶解度/%=定量上清液干燥后的固形物含量（g）/水的體積（mL）×100

2.4.3 SDF對脂肪酸、膽固醇、膽酸鈉吸附能力測定[9]

對飽和/不飽和脂肪酸的吸附性：分別準確稱取m1的SDF于離心管中，各加入豬油/花生油20 g，分別在25℃、37℃溫度條件下靜置1 h，之后4 000 r/min下離心30 min，去除上層油，濾紙吸干管內(nèi)游離的油，稱樣品質(zhì)量為m2。

對膽固醇的吸附性：取10%雞蛋黃乳液25 g于100 mL的三角瓶中，加入1.00 g SDF攪拌均勻，調(diào)節(jié)體系pH值至2.0或7.0，37℃振蕩2 h，4 000 r/min離心20 min后取上清液，鄰苯二甲醛法測定膽固醇含量，標準曲線：y=15.335x+0.013，R2=0.997

對膽酸鈉的吸附性：向50 mL 0.15mol/L的NaCl溶液中加入0.100 g膽酸鈉，調(diào)節(jié)體系pH值至2.0或7.0，分別加入膳食纖維0.50 g，37℃振搖2 h，4 000 r/min離心20 min，取上清測定膽酸鈉含量，根據(jù)反應(yīng)前后的濃度差計算吸附量，糠醛比色法測定膽酸鈉的含量。標準曲線：y=0.265 2x－0.052 6，R2=0.991。

2.4.4 SDF流變學(xué)特性研究

黏度為流變特性參數(shù)，SDF溶液表觀黏度決定產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，因此采用流變儀測定了SDF在不同濃度、溫度、pH值等條件下的黏度變化。

2.4.4.1 濃度對SDF溶液黏度的影響

分別配制濃度為1%～15%的SDF溶液，在剪切速率為150 s－1，溫度為25℃條件下測定溶液的黏度。

2.4.4.2 溫度對SDF溶液黏度的影響

分別配制濃度為5%的SDF溶液，在剪切速率為150 s－1，升溫速率為5℃/min，依次在10℃～80℃條件下測定溶液的黏度。

2.4.4.3 pH值對SDF溶液黏度的影響

分別將濃度為5%的SDF溶液的pH值調(diào)至3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0，在剪切速率為150 s－1，溫度為25℃條件下測定溶液的黏度。

3 結(jié)果與分析

3.1 正交試驗設(shè)計與結(jié)果

3.1.1 正交試驗結(jié)果

正交試驗結(jié)果如表2、表3所示。

影響蝸牛酶法提取苦瓜渣中膳食纖維得率各因素主次順序為酶解溫度、酶解時間、料液比和蝸牛酶添加量。因素A的P值＜0.01，且極差R值大于其他三因素，說明酶解溫度對指標影響最大。各主次指標最高水平，組成較優(yōu)工藝條件為A1B2C1D2，即酶解溫度35℃、料液比1∶30（kg/L），蝸牛酶添加量0.4%，酶解時間1.5 h。

表2 L9（34）正交試驗結(jié)果Table 2 Results of orthogonal test

表3 正交試驗結(jié)果方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal array design experimental results

3.1.2 驗證試驗

在酶解溫度35℃、pH值為5.5、料液比1∶30（kg/L），蝸牛酶添加量0.4%，酶解時間1.5 h條件下進行3次平行試驗，測得苦瓜渣膳食纖維得率為13.44%、13.56%和13.48%，平均得率為13.49%，因此確定酶解條件為酶解溫度35℃、pH值為5.5、料液比1∶30（kg/L），蝸牛酶添加量0.4%，酶解時間1.5 h。

3.2 物化性質(zhì)結(jié)果與分析

3.2.1 結(jié)合水力、持水力、膨脹力

SDF持水力、膨脹力和持油力測定結(jié)果如表4所示。

表4 SDF持水力、膨脹力和持油力測定結(jié)果Table 4 Water holding capacity，swelling capacity and oil holding capacity of SDF

SDF1持水力、膨脹力、脂肪酸吸附能力較SDF2均較高，由此可得知蝸牛酶可以增加膳食纖維持水力和膨脹力，促進其吸附脂肪酸。

3.2.2 溶解性

溫度對SDF溶解性的影響如圖1所示。

圖1 SDF溶解度隨溫度的變化情況Fig.1 Dependence of solubility of SDF on temperature

SDF溶解度隨溫度的升高而增加，在20℃時SDF1和SDF2的溶解度分別為28.76%和23.45%；處于50℃～90℃之間時，溶解度變化趨勢最大，在100℃時SDF1的溶解度達到94.16%，SDF2溶解度為73.00%，蝸牛酶酶解苦瓜渣所得SDF1溶解性較好。

pH值對SDF溶解性的影響如圖2所示。

圖2 SDF溶解度隨pH值的變化情況Fig.2 Dependence of solubility of SDF on pH value

pH值對兩者溶解度影響較小，溶解度在酸性范圍內(nèi)隨pH值增大，溶解度明顯升高，在堿性范圍內(nèi)隨pH值的增大而下降，在中性時達到最大，并且在相同條件下SDF1溶解度高于SDF2。

3.2.3 吸附能力

SDF對膽酸鈉及膽固醇的吸附能力如表5所示。

表5 SDF對膽酸鈉及膽固醇的吸附能力Table 5 The absorption capacity for sodium cholate and cholesterol of SDF

SDF1和SDF2對膽酸鈉和膽固醇都有吸附作用，但在相同的反應(yīng)體系下，SDF1的吸附能力強于SDF2。SDF吸附能力受反應(yīng)體系酸堿性的影響，中性條件下的吸附量大于酸性條件下的吸附量。

3.2.4 流變學(xué)特征

SDF黏度隨濃度的變化情況如圖3所示。

圖3 SDF黏度隨濃度的變化情況Fig.3 Effects of concentration on SDF viscosity

隨溶液濃度的升高，兩者黏度均明顯增大，相同濃度條件下SDF1黏度低于SDF2黏度。

SDF黏度隨溫度的變化情況如圖4所示。

圖4 SDF黏度隨溫度的變化情況Fig.4 Effects of temperature on SDF viscosity

兩者的黏度均隨著溫度的升高而逐漸降低。當(dāng)溫度在10℃～60℃的范圍內(nèi)時，溶液黏度下降比較明顯，隨后，隨著溫度的升高，溶液黏度變化趨于平緩，在80℃時，5%濃度的SDF1的黏度僅為3.42 mPa·s，5%濃度的SDF2的黏度為4.71 mPa·s，并且在相同溫度條件下SDF1黏度均低于SDF2黏度。

SDF黏度隨pH的變化情況如圖5所示。

圖5 SDF黏度隨pH值的變化情況Fig.5 Effects of pH on SDF viscosity

SDF1溶液和SDF2溶液的黏度隨pH值變化趨勢基本相同，在弱酸和中性條件下最低，當(dāng)pH值在3～6之間時，黏度隨pH值升高而略微降低，當(dāng)pH值＞7時，黏度明顯隨pH值升高而增大，并且在相同pH值條件下SDF1溶液黏度低于SDF2溶液的黏度。

4 結(jié)論與討論

本研究采用蝸牛酶酶解苦瓜渣制備水溶性膳食纖維，產(chǎn)物得率達到13.49%，且產(chǎn)物具有較好的持水性和膨脹性，分別為（10.06±0.63）g/g和（11.61±1.33）mL/g。蝸牛酶中含量最多的酶主要是纖維素酶、果膠酶、淀粉酶酶、蛋白酶等，酶種類豐富，可作用于多種底物[10]，纖維素酶、淀粉酶和果膠酶可以將纖維素、淀粉和果膠轉(zhuǎn)化為小分子低聚糖，蛋白酶可以將蛋白質(zhì)分解為小分子多肽或者氨基酸，使得較多極性基團暴露，提高了產(chǎn)物得率、持水性和膨脹性[11]。在相同條件下下，本試驗酶法制得的苦瓜SDF溶解性高，黏度低，分別為，且受pH值影響小，可添加到酸性飲品、糕點等食品中，避免因黏度較高產(chǎn)生的不良口感。

SDF對飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸的吸附力分別為（1.42±0.31）g/g和（1.33±0.12）g/g，對膽酸鈉和膽固醇具有較強的吸附能力，pH=2條件下對膽酸鈉和膽固醇的吸附力分別為（21.64±2.34）mg/g和（25.17± 2.15）mg/g，pH=7條件下對膽酸鈉和膽固醇的吸附力分別為（38.59±4.21）mg/g和（33.64±3.18）mg/g，表明其可以減少腸道對膳食脂肪的吸收，加速體內(nèi)膽固醇的分解從而具有一定的減肥、降血脂的作用。經(jīng)蝸牛酶酶解后SDF分子小，微晶束較少，呈無定形狀態(tài)，空間障礙小，更有利于發(fā)揮吸附作用。本研究還發(fā)現(xiàn)SDF在pH值為7.0條件下對膽酸鈉和膽固醇的吸附能力要優(yōu)于pH值為2.0條件下的吸附能力，這可能是因為在酸性條件下H+較多，膳食纖維與被吸附成分均攜帶部分正電荷，兩者之間產(chǎn)生了相互排斥的作用力而使結(jié)合力減弱。因此SDF對膽酸鈉和膽固醇的吸附作用可以降低心血管疾病的發(fā)病風(fēng)險[12]。

利用蝸牛酶酶解苦瓜渣制備苦瓜水溶性膳食纖維，工藝簡單可行，生產(chǎn)條件溫和，產(chǎn)品得率較高并且性狀較為優(yōu)良，在膳食纖維制備工業(yè)中擁有較好的應(yīng)用前景。

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The Enzymatic Preparation，Properties of Water-Soluble Dietary Fiber from Momordica charantia L.

JIA Dong-sheng，LI Rong-qiao，XIE Xiao-liang*，WEN Chun-xiu，CUI Shi-zhan，LIU Ling-di
（Institute of Cash Crops of Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Medicinal Plant Research Center，Shijiazhuang 050051，Hebei，China）

Solubility dietary fiber was prepared from Momordica charantia L.with snail enzyme，the effects of temperature，liquid ratio，enzyme amount and time on the yield of SDF and the properties of SDF were studied. By single factor experiments and orthogonal test，the optimum technological conditions were as follows：temperature 35℃，pH 5.5，liquid ratio1∶30（kg/L），enzyme amount 0.4%and time1.5 h，under the optimal conditions，the yield of water insoluble dietary fiber was found to be 13.49%，the water-holding capability and ex pansibility were（10.06±0.63）g/g（11.61±1.33）mL/g respectively，showed excellent fat，bile sodium and cholesterol absorbing abilities in vitro assay.

Momordica charantia L.；snail enzyme；dietary fiber

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.10.017

2016－12－13

河北省農(nóng)林科學(xué)院青年基金項目（A2015050101）；河北省科技計劃項目（17227101D）；河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃項目(11231005D）；河北省中藥材產(chǎn)業(yè)體系項目（11232025D）；河北省農(nóng)林科學(xué)院財政項目（F17R02-01）

賈東升（1982—），男（漢），副研究員，碩士，主要從事中藥功能食品研究。

*通信作者：謝曉亮（1962—），男（漢），研究員，博士，主要從事中藥資源、中藥加工研究。