沙果渣膳食纖維酶法制備工藝研究

朱 丹，牛廣財(cái)，朱光怡，王艷紅，肖翠紅，蔡亞平

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江大慶 163319）

膳食纖維（Dietary fiber，DF） 被稱為第七營養(yǎng)元素，指植物類食品中不被人體胃腸道消化酶消化，但能被人體胃腸道系統(tǒng)內(nèi)定殖的部分微生物酵解或利用的，特指非淀粉性多糖類和木質(zhì)素的總稱。根據(jù)其溶解性的不同，DF分為可溶性膳食纖維（Soluble dietary fiber，SDF） 和不溶性膳食纖維（Insoluble dietary fiber，IDF）[1]。美國學(xué)者 Richard.E和 Donald.J建議平衡的DF組成要求SDF占TDF總量的10%以上[2]，這種可溶性膳食纖維含量達(dá)到10%以上的較高品質(zhì)膳食纖維，其生理活性較強(qiáng)，具有明顯的保健作用。常用的膳食纖維改性方法有化學(xué)方法、物理方法、生物技術(shù)方法，以及多種方法組合等。其中，化學(xué)法雖然方便快捷，但反應(yīng)復(fù)雜、時(shí)間長、污染環(huán)境[3]；物理方法會使纖維物質(zhì)發(fā)生破碎、膨化，進(jìn)而改變其理化性質(zhì)，該方法雖然操作簡單，但是對設(shè)備要求較高；生物改性技術(shù)采用的方法有酶法和發(fā)酵法，酶法具有作用條件溫和、專一性強(qiáng)、副產(chǎn)物少和純度高等優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用的膳食纖維改性的酶主要有木聚糖酶、纖維素酶等。

沙果（Malusasiatica） 是東北地區(qū)夏秋季節(jié)大量上市的地產(chǎn)水果，在企業(yè)生產(chǎn)濃縮汁時(shí)產(chǎn)生了大量的廢渣，引起了嚴(yán)重的環(huán)境污染與資源浪費(fèi)問題。試驗(yàn)以沙果渣為原料，研究纖維素酶處理對沙果渣中SDF/TDF的影響，以期為沙果渣高品質(zhì)膳食纖維的生產(chǎn)及應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

沙果渣，黑龍江省大慶森陽果蔬食品科技有限公司沙果榨汁后的鮮渣；纖維素酶（40 000 U/g），上海如吉生物科技發(fā)展有限公司提供；無水乙醇、丙酮、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、無水乙酸鈉等，均為國產(chǎn)分析純試劑；α-淀粉酶（酶活≥4 000 U/g），上海滬峰生物科技有限公司提供。

1.2 儀器與設(shè)備

FW80型高速萬能粉碎機(jī)，天津市泰斯特儀器有限公司產(chǎn)品；101-2AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司產(chǎn)品；AR2140型電子天平，奧豪斯國際貿(mào)易（上海）有限公司產(chǎn)品；TDL-S-A型離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠產(chǎn)品；HH-S型電子恒溫水浴鍋，常州市國立試驗(yàn)設(shè)備研究所產(chǎn)品；精密pH計(jì)，賽多利斯美國丹佛儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 沙果渣可溶性膳食纖維酶法制備工藝流程

沙果渣→干燥（60℃） 粉碎→過篩（40目） →前處理→纖維素酶酶解→離心、過濾→上清液→醇沉→離心、過濾→沉淀（SDF）。 殘?jiān)↖DF）

1.3.2 操作要點(diǎn)

將干沙果渣粉碎后過60目篩，以1∶15料液比加入80%乙醇，對樣品浸提2次，離心分離后，繼續(xù)用丙酮洗滌沉淀，揮干后將沉淀在干燥箱中低溫干燥[4]。然后按一定料液比，用水將預(yù)處理后的沙果渣粉調(diào)成懸濁液，加入纖維素酶，調(diào)整酶用量、酶解時(shí)間、酶解溫度和pH值進(jìn)行試驗(yàn)。處理結(jié)束后進(jìn)行抽濾，濾渣經(jīng)干燥得到IDF；收集濾液，于60℃下減壓濃縮后，加入4倍體積無水乙醇密閉，靜置過夜，再次抽濾，將抽濾后的沉淀物干燥得到SDF[5]。

1.3.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以沙果渣為原料，以SDF/TDF為指標(biāo)，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，在料水比為1∶10條件下，對纖維素酶用量（A）、酶解時(shí)間（B）、酶解溫度（C） 和pH值（D）等因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)。其中，纖維素酶用量選擇30，40，50，60，70 U/g；酶解時(shí)間分別為40，60，80，100，120 min；酶解溫度分別為30，35，40，45，50℃；pH值分別為4.2，4.4，4.6，4.8，5.0。每個(gè)水平重復(fù)3次。

1.3.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇每個(gè)因素的合適水平，進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)，以確定最適的纖維素酶酶解條件。

正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

1.3.5 理化性質(zhì)測定

（1） 膳食纖維含量測定。不溶性膳食纖維（IDF）和可溶性膳食纖維（SDF） 的測定，參照AACC32—06的方法測定。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

（2） 持水力（WHC）的測定。準(zhǔn)確稱取沙果渣膳食纖維干樣（m1）1.0 g置于50 mL離心管（m0）中，加入10 mL蒸餾水浸泡，搖勻，室溫下靜置1 h，以轉(zhuǎn)速5 000 r/min離心20 min，棄去上清液，用濾紙吸干離心管殘留水分后稱量樣品質(zhì)量（m2），計(jì)算WHC。

式中：m1——樣品干樣質(zhì)量，g；

m2——樣品吸水質(zhì)量，g；

m0——離心管質(zhì)量，g。

（3） 持油力（OHC） 的測定。準(zhǔn)確稱取沙果渣膳食纖維干樣（m1）1.0 g置于50 mL離心管（m0）中，加入10 mL大豆油搖勻，室溫下靜置1 h，以轉(zhuǎn)速5 000 r/min離心20 min，小心棄去上層油液后，稱量樣品質(zhì)量（m2），計(jì)算OHC。

式中：m1——樣品干樣質(zhì)量，g；

m2——樣品吸附油脂質(zhì)量，g；

m0——離心管質(zhì)量，g。

（4）膨脹力（SC）測定。準(zhǔn)確稱取沙果渣膳食纖維干樣0.5 g置25 mL刻度試管中，讀取樣品干樣體積（V0），加入20 mL蒸餾水，振蕩搖勻，于室溫下放置24 h，測定其膨脹體積后體積（V1），計(jì)算SC。

式中：V1——樣品膨脹后體積，mL；

V0——樣品干樣體積，mL；

m——樣品干樣質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維素酶用量對SDF/TDF的影響

在纖維素酶作用下，大分子的纖維素可降解成低分子量的多糖、寡糖和單糖，使部分IDF轉(zhuǎn)化成SDF，從而增加SDF的含量。

纖維素酶用量對SDF/TDF的影響見圖1。

圖1 纖維素酶用量對SDF/TDF的影響

由圖1可知，當(dāng)纖維素酶用量較低時(shí)，SDF/TDF得率較低，隨纖維素酶用量的增加，其SDF/TDF逐漸上升，繼續(xù)增加反而使SDF/TDF降低，這是因?yàn)橹苽銼DF的過程中，添加適量纖維素酶可使沙果渣中IDF發(fā)生降解，分子鏈切斷，使分子量降低，溶解度發(fā)生變化，一部分IDF轉(zhuǎn)化成SDF，從而使得率隨著纖維素酶的增加而增加。IDF降解為分子量較小的低聚糖甚至單糖，由于聚合度低而無法被乙醇沉淀，從而使SDF/TDF降低。因此，選擇50 U/g作為纖維素酶的合適用量。

2.2 酶解時(shí)間對SDF/TDF的影響

酶解時(shí)間對SDF/TDF的影響見圖2。

圖2 酶解時(shí)間對SDF/TDF的影響

由圖2可知，當(dāng)酶解時(shí)間增加時(shí)，SDF的得率逐漸增加，增加到一定程度，繼續(xù)延長酶解時(shí)間，SDF的得率平穩(wěn)。這是因?yàn)殡S著反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)物濃度較大，這對酶解反應(yīng)有一定的反饋抑制作用。酶解時(shí)間在80 min時(shí)，SDF/TDF達(dá)到16.20%，之后趨于平穩(wěn)。因此，酶解時(shí)間80 min較為合適。

2.3 酶解溫度對SDF/TDF的影響

酶解溫度對SDF/TDF的影響見圖3。

圖3 酶解溫度對SDF/TDF的影響

由圖3可知，隨著酶解溫度的升高，一方面酶活性逐漸增加，酶解溫度45℃時(shí)，達(dá)到纖維素酶的最適酶解溫度，此時(shí)酶解率最高；另一方面酶分子和底物分子熱運(yùn)動(dòng)速度增加，提高了分子之間的碰撞效率，從而使反應(yīng)效率提高，SDF/TDF也增加。當(dāng)酶解溫度繼續(xù)增加時(shí)，部分酶分子發(fā)生變性，致使酶活下降，從而使反應(yīng)速度下降，SDF/TDF降低。因此，將45℃為纖維素酶作用沙果渣的合適酶解溫度。

2.4 pH值對SDF/TDF的影響

pH值對SDF/TDF的影響見圖4。

圖4 pH值對SDF/TDF的影響

由圖4可知，隨著pH值的增大，纖維素酶活逐漸增加，酶解率增加，SDF/TDF逐漸升高。但是，當(dāng)pH值達(dá)到4.6后，繼續(xù)增大pH值，有可能破壞酶的空間構(gòu)象，使部分酶分子失活，也可能影響酶活性中心催化基團(tuán)的解離狀態(tài)和底物的解離狀態(tài)，使底物不能與酶活性中心結(jié)合，從而影響造成SDF/TDF下降。因此，纖維素酶作用沙果渣的合適pH值為4.6。

2.5 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以纖維素酶用量（A）、酶解時(shí)間（B）、酶解溫度（C）、pH值（D） 為考查因素，以SDF/TDF為指標(biāo)，設(shè)計(jì)四因素三水平即L9（34）正交試驗(yàn)，對沙果渣膳食纖維提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。

纖維素酶酶解正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 纖維素酶酶解正交試驗(yàn)結(jié)果

由極差分析結(jié)果可知，影響沙果渣SDF/TDF值大小的因素按主次順序?yàn)锳＞B＞C＞D，其中纖維素酶的用量對結(jié)果影響最大，酶解時(shí)間和酶解溫度影響次之。分析所得的最佳組合為A2B2C3D2，由于A2B2C3D2不在1～9號試驗(yàn)中，故進(jìn)行了一組驗(yàn)證性試驗(yàn)，結(jié)果得到SDF/TDF平均值為18.86%。因此，最終確定沙果渣纖維素酶酶解的最佳工藝條件為纖維素酶用量50 U/g，酶解時(shí)間80 min，酶解溫度45℃，pH值4.6，在該條件下SDF/TDF為18.86%。

2.6 酶解工藝正交優(yōu)化條件下膳食纖維特性

在纖維素酶用量50 U/g，酶解時(shí)間80 min，酶解溫度45℃，pH值4.6的情況下，得到的膳食纖維呈淡黃色。

沙果渣制備膳食纖維的理化指標(biāo)見表3。

表3 沙果渣制備膳食纖維的理化指標(biāo)

由表3可知，該膳食纖維持水力為6.87 g/g，持油力為7.36 g/g，膨脹力為6.54 mL/g，其持水力和膨脹力都較好。

3 結(jié)論

纖維素酶酶法制備高活性沙果渣膳食纖維，最佳工藝條件為纖維素酶用量50 U/g，酶解時(shí)間80 min，酶解溫度45℃，pH值4.6；此時(shí)SDF/TDF為18.86%。

參考文獻(xiàn)：

[1]Burton Freeman B，Liyanage D，Rahman S，et al.Ratios of soluble and insoluble dietary fibers on satiety and energy intake in overweight pre-and postmenopausal women[J].Nutrition and Healthy Aging，2017，4 （2）：157-168.

[2]涂宗財(cái)，李金林，汪菁琴，等.微生物發(fā)酵法研制高活性大豆膳食纖維的研究 [J].食品工業(yè)科技，2005，26 （5）：49-51.

[3]Yangilar filiz.The application of dietary fibre in food industry structural features，effects on health and definition，obtaining and analysis of dietary fibre：A review[J].Journal of Food and Nutrition Research，2013，1（3）：13-23.

[4]王慶玲，朱莉，孟春棉，等.番茄皮渣膳食纖維的理化性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)表征 [J].現(xiàn)代食品科技，2014，30（11）：60-64.

[5]侯麗娟，牟建樓，何思魯，等.不同提取方式對蘋果渣中膳食纖維品質(zhì)的影響研究 [J].食品科技，2016，41（6）：255-259.◇該條件下膳食纖維呈淡黃色，其持水力為6.87 g/g，持油力為7.36 g/g，膨脹力為6.54 mL/g?？梢?，選用纖維素酶酶解提取沙果渣膳食纖維效果是非常好的。