筍頭膳食纖維復(fù)合酶法改性工藝優(yōu)化及其理化特性評價(jià)

方東亞 鄭亞鳳

摘 要：【目的】筍頭是筍加工的主要副產(chǎn)物，是來源廣泛且成本低廉的膳食纖維原料。傳統(tǒng)的熱水法制備的筍頭膳食纖維由于纖維顆粒大，口感粗糙，在食品中添加應(yīng)用易造成品質(zhì)下降。為了推動(dòng)筍頭膳食纖維在食品加工中的應(yīng)用，本文研究了復(fù)合酶法改性工藝對筍頭膳食纖維的粒徑及理化特性的影響?！痉椒ā恳詿崴ㄖ苽涞墓S頭膳食纖維為原料，以纖維粒徑為評價(jià)指標(biāo)，通過單因素試驗(yàn)研究復(fù)合酶添加量、時(shí)間、溫度和pH值對纖維粒徑的影響。根據(jù)單因素結(jié)果，進(jìn)行以Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。比較分析了改性前后筍頭膳食纖維的理化特性變化?！窘Y(jié)果】復(fù)合酶法改性筍頭膳食纖維的最優(yōu)工藝條件為：復(fù)合酶添加量0.20%（纖維素酶∶木聚糖酶=1∶1），溫度47℃，pH 5.4，時(shí)間2.0 h。以優(yōu)化后的復(fù)合酶解法處理的筍頭膳食纖維的纖維粒徑（D90）由（146.2± 0.21）μm降低至（97.2± 0.14）μm。相對于改性處理前的筍頭膳食纖維，改性筍頭膳食纖維的持水力、持油力和膨脹度分別提高1.30、2.16和1.64倍?！窘Y(jié)論】經(jīng)過工藝優(yōu)化的復(fù)合酶法可顯著減小筍頭膳食纖維的纖維粒徑，并顯著提高纖維的持水力、持油力和膨脹度等理化性質(zhì)。研究結(jié)果有利于推動(dòng)筍頭膳食纖維在功能食品加工中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：筍頭;膳食纖維;響應(yīng)面;復(fù)合酶解

中圖分類號：TS 209文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1008-0384（2019）03-364-07

Abstract： 【Objective】Enzymatic hydrolysis was studied and optimized to modify the otherwise long and tough fibers of the bottom portion of a bamboo shoot （BDF） for a low-cost source of dietary fiber. 【Method】 Various enzymes in varying dosages at different temperatures，pHs and digestion durations were applied on hot-water cooked BDF for the experiment. Size of the fibers was measured in a single factor test followed by a Box-Behnken response surface experiment at 3 levels of each factor to optimize the process. Physical properties of the raw material and the resulting dietary fibers were compared. 【Result】The optimized hydrolysis was found to include 0.20% addition of cellulase：xylanase at 1∶1 ratio，temperature at 47℃，pH at 5.4 and digestion for 2.0 h. The BDF size （D90） decreased from（146.2±0.21） μm to （97.2±0.14） μm after the enzymatic hydrolysis. The water and oil holding capacities and expansion of the hydrolyzed BDF increased by 1.30-，2.16- and 1.64-folds，respectively，over the pre-treatment samples. 【Conclusion】The optimized composite enzymatic hydrolysis significantly reduced the fiber size and improved the physical properties of BDF making it as a dietary fiber ingredient feasible.

Key words： bamboo shoot byproduct; dietary fiber; response surface experiment; composite enzymatic hydrolysis

0 引言

【研究意義】在竹筍加工生產(chǎn)過程中，加工下腳料筍頭被直接拋棄或簡單加工成飼料和栽培基質(zhì)，綜合利用程度低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。筍頭可作為膳食纖維的優(yōu)質(zhì)原料，用于富含膳食纖維的健康食品的開發(fā)[1]。膳食纖維根據(jù)溶解度可分為水溶性膳食纖維和水不溶性膳食纖維[2-3]，筍頭膳食纖維以水不溶性膳食纖維為主，并具有較大的纖維粒徑。因此，筍頭膳食纖維直接在食品中添加，易對食品原有結(jié)構(gòu)造成破壞，并形成粗糙的口感[4]。筍頭膳食纖維進(jìn)行改性處理，降低其纖維粒徑，對于推動(dòng)筍頭膳食纖維在食品加工中的有效應(yīng)用具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】目前，對果蔬膳食纖維的改性處理已成為果蔬加工領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。宋玉[5]通過高壓蒸煮結(jié)合纖維素酶解法對筍膳食纖維進(jìn)行改性，結(jié)果表明該處理方法可以提高水溶性膳食纖維含量，減小水不溶性膳食纖維的粒徑，進(jìn)而顯著提高筍膳食纖維的理化性質(zhì)，在中式香腸中應(yīng)用可替代脂肪起到保持香腸質(zhì)感的作用。劉玉凌[6]通過超聲波、微波和微粉碎3種物理方法對方竹筍膳食纖維進(jìn)行改性處理，發(fā)現(xiàn)3種改性方法均能較好地改善筍膳食纖維的水合性質(zhì)和抗氧化活性，并造成纖維疏松多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升纖維的吸附能力。陸紅佳等[7]在研究粒徑大小對姜渣膳食纖維的性質(zhì)影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著膳食纖維粒度的減小，纖維的膽固醇吸附能力、陽離子交換能力、酶活性抑制力、DPPH·自由基清除力等方面均得到提高?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】雖然目前已有較多關(guān)于筍膳食纖維提取和改性的研究，但是以筍頭膳食纖維為研究對象，纖維粒徑為評價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化其復(fù)合酶法改性工藝的研究還未見報(bào)道。利用反應(yīng)條件溫和且對環(huán)境無危害的酶解方法是膳食纖維的提取和改性的重要途徑[8]，并能有效降低膳食纖維的粒徑，得到顆粒小、結(jié)構(gòu)疏松、吸附能力強(qiáng)的膳食纖維[9]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】復(fù)合酶法（纖維素酶∶木聚糖酶=1∶1）是適合筍頭膳食纖維改性的技術(shù)方法，然而復(fù)合酶添加量、時(shí)間、溫度和pH等因素對纖維粒徑的影響還未明確。因此，本研究擬通過響應(yīng)面法優(yōu)化復(fù)合酶法制備膳食纖維的工藝條件，并比較改性前后筍頭膳食纖維的理化特性的變化，推動(dòng)筍頭膳食纖維在功能食品加工中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

竹筍L. oldhami Nakal購自福建當(dāng)?shù)厥袌?纖維素酶（Sigma，50 000 U·g-1），木聚糖酶（Solarbio，50 000 U·g-1）;其余化學(xué)藥品：乙酸乙酯、乙醇等均為化學(xué)純。

1.2 設(shè)備與儀器

FW177植物粉碎機(jī)，南通富萊克流體裝備有限公司;HH-8 數(shù)顯恒溫循環(huán)水浴鍋，常州國華電器有限公司;MS3000激光粒度分析儀，英國馬爾文儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 筍頭膳食纖維的制備

筍頭膳食纖維的制備采用傳統(tǒng)的熱水法[10]，具體步驟如下：干燥的筍頭經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后過80目篩，得到筍頭粉末，置于干燥器中貯存?zhèn)溆?。筍頭粉末用乙酸乙酯脫脂1 h（粉末∶乙酸乙酯=1∶4，g·mL-1），取出至布氏漏斗進(jìn)行抽濾，用蒸餾水洗滌纖維直至除去脂肪和其他雜質(zhì)。將纖維放入60℃的烘箱中烘干24 h，得到脫脂纖維。脫脂纖維用蒸餾水（粉末∶溶劑=1∶30，w/v）在80℃的恒溫水浴鍋中萃取2 h，過濾后用78%乙醇洗滌數(shù)次，將過濾物放入60℃的烘箱中烘干直至恒重，所得干燥粉末即為筍頭膳食纖維。

稱取適量筍頭膳食纖維，在設(shè)計(jì)條件下用復(fù)合酶法進(jìn)行纖維改性處理，得到改性纖維溶液。除了一部分纖維溶液用于纖維粒徑分析，剩余的纖維溶液經(jīng)過冷凍干燥制得改性筍頭膳食纖維粉末，用于膳食纖維理化特性的分析。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

根據(jù)預(yù)備試驗(yàn)結(jié)果確定復(fù)合酶中的纖維素酶與木聚糖酶的比例為1∶1時(shí)，該復(fù)合酶的酶解效果最優(yōu)。以筍頭膳食纖維粒徑為考察指標(biāo)，分別考察復(fù)合酶添加量、pH、溫度、時(shí)間對復(fù)合酶水解的影響。具體條件如下：

（1）復(fù)合酶添加量：設(shè)定酶解溫度為50℃，pH值5.5，時(shí)間2.5 h，復(fù)合酶添加量設(shè)定為0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%。

（2）酶解pH：設(shè)定復(fù)合酶添加量為0.20%，溫度50℃，時(shí)間2.5 h，pH值設(shè)定為4.5、5.0、5.5、6.0、6.5。

（3）酶解溫度：設(shè)定復(fù)合酶添加量為0.20%，pH值5.5，時(shí)間2.5 h，溫度設(shè)定為40、45、50、55、60℃。

（4）酶解時(shí)間：設(shè)定復(fù)合酶添加量為0.20%，pH值5.5，溫度50℃，時(shí)間設(shè)定為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 h。

1.3.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取復(fù)合酶添加量、酶解pH、酶解溫度為自變量，筍頭纖維粒徑大小為因變量。根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在單因素試驗(yàn)所得最佳3水平的基礎(chǔ)上，進(jìn)行3因素3水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)，因素水平見表1。參考文獻(xiàn)[11]所述方法，采用Design Expert 8.0.7對復(fù)合酶法提取竹筍膳食纖維的最佳工藝進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，并對所得最優(yōu)試驗(yàn)條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

1.3.4 纖維粒徑分析

膳食纖維的粒徑用D90表示，即纖維樣品累計(jì)粒徑分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到90%時(shí)的粒徑大小[12]。筍頭膳食纖維的粒徑（D90）采用馬爾文激光粒度儀進(jìn)行測量[13]，將上述所得纖維樣品溶液攪拌均后放入馬爾文激光粒度儀中，設(shè)置折射率為1.47，遮光度5%～10%，檢測3次后取平均值。

1.3.5 纖維樣品理化特性分析

膳食纖維在食品中的應(yīng)用潛力及在人體中的生理功能均與纖維的理化特性密切相關(guān)，包括持水力、持油力和膨脹力等。因此，本文對改性前后的筍頭膳食纖維的持水力、持油力和膨脹力進(jìn)行測定，從而評價(jià)改性處理對于提升膳食纖維品質(zhì)的作用。

膳食纖維持水力試驗(yàn)方法參考張馨月等[14]。準(zhǔn)確稱取3 g纖維樣品，放入50 mL離心管中，加入25 mL去離子水，室溫下攪拌30 min使得水分被充分吸收。離心（3 000 r·min-1，20 min）后棄去上清液，并將沉淀物置于105℃烘干箱干燥2 h后稱重。計(jì)算公式如下：

持水力/（g·g-1）=（含水樣品濕重-樣品干重）/樣品干重

纖維持水力試驗(yàn)方法參考Requena等[15]。將1 g纖維樣品置于50 mL離心管中，加入20 g食用植物油，攪拌均勻后在37℃條件下靜置1 h。離心（3 000 r·min-1，20 min）后移除上層油，沉淀物用濾紙吸干未被吸收的游離植物油，稱重。計(jì)算公式如下：

持油力/（g·g-1）=（含油樣品濕重-樣品干重）/樣品干重

纖維膨脹度參考Chen等[16]。準(zhǔn)確稱取0.5 g樣品于10 mL量筒中，以移液管準(zhǔn)確加入5.0 mL蒸餾水。振蕩均勻后室溫（20 ± 3）℃ 下放置24 h，讀取液體中吸水膨脹后纖維的體積。計(jì)算公式如下：

膨脹度/（mL·g-1）=（膨脹后體積-干品體積）/樣品干重

1.4 數(shù)據(jù)分析

上述各項(xiàng)指標(biāo)取其平均值±標(biāo)準(zhǔn)差為結(jié)果。差異性顯著分析采用DPS軟件中Duncan法進(jìn)行計(jì)算。不同字母表示組內(nèi)顯著性差異，顯著水平P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素分析

2.1.1 復(fù)合酶添加量對纖維粒徑的影響

由圖1可知，當(dāng)復(fù)合酶添加量在0.10%～0.20%，隨著復(fù)合酶添加量的增加，筍頭膳食纖維的粒徑呈現(xiàn)下降趨勢，在0.20%的添加量時(shí)達(dá)到最小。當(dāng)復(fù)合酶添加量繼續(xù)增加至0.25%和3.0%時(shí)，筍頭膳食纖維的粒徑變化趨于平緩，甚至呈現(xiàn)出小幅度上升。根據(jù)分子絡(luò)合學(xué)說，酶解與底物結(jié)合在一定條件下存在平衡點(diǎn)，過多的酶添加對底物結(jié)合并無影響，甚至可能產(chǎn)生競爭從而導(dǎo)致酶解效率下降，類似的現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在石亞中等[17]的研究中。本試驗(yàn)在較低的復(fù)合酶添加量（0.20%）時(shí)，即可對筍頭膳食纖維的粒徑產(chǎn)生顯著的影響，可能是由于纖維素酶及木聚糖酶的主要作用對象分別為纖維素和半纖維素，且在相互存在協(xié)同作用，該現(xiàn)象在Cinar[18]和趙能等[19]的研究中也有體現(xiàn)。根據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果，選擇復(fù)合酶添加量0.15%、0.20%、0.25%為響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)的因素水平。

2.1.2 酶解pH對纖維粒徑的影響

由圖2可知，在酶解pH在5.5～6.0時(shí)，隨著pH的降低，筍頭膳食纖維的粒徑顯著減小，在pH為5.5時(shí)筍頭膳食纖維的粒徑達(dá)到最小。當(dāng)酶解pH低于5.5時(shí)，隨著pH的降低，筍頭膳食纖維粒徑呈現(xiàn)增大趨勢，這可能是由于過低的pH值抑制了復(fù)合酶的活性，影響酶解反應(yīng)的有效進(jìn)行[20]。因此，在下一步的響應(yīng)面試驗(yàn)中，采用酶解pH 5.0、5.5、6.0為因素水平進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.3 酶解溫度對纖維粒徑的影響

由圖3可知，在酶解溫度低于45℃時(shí)，隨著溫度的增加，筍頭膳食纖維的粒徑逐漸減小，45℃時(shí)筍頭膳食纖維的粒徑達(dá)到最小。當(dāng)酶解溫度大于45℃后，隨著溫度的升高，筍頭膳食纖維粒徑呈現(xiàn)增大趨勢，這可能是由于較高的溫度會抑制酶的反應(yīng)活性[21]。因此，在下一步的響應(yīng)面試驗(yàn)中，采用酶解溫度40、45、50℃為因素水平對條件進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.4 酶解時(shí)間對酶解纖維粒徑大小的影響

由圖4可知，當(dāng)酶解時(shí)間在1.5～2.0 h時(shí)，筍頭膳食纖維粒徑快速下降;當(dāng)酶解時(shí)間超過2.0 h，筍頭膳食纖維的粒徑雖然呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，但是差異不顯著。這可能是由于酶解效率高，在2.0 h時(shí)可分解的酶解底物已基本水解完畢，增加酶解時(shí)間對酶解效果無明顯促進(jìn)作用[22]。因此，酶解時(shí)間為2.0 h時(shí)已足夠酶解過程的進(jìn)行，出于對生產(chǎn)效率的考慮，本試驗(yàn)選擇固定酶解時(shí)間2.0 h，并不對其做響應(yīng)面優(yōu)化。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化酶解工藝

2.2.1 中心組合試驗(yàn)

根據(jù)Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，由于酶解時(shí)間在2.0～3.5 h時(shí)試驗(yàn)結(jié)果未表現(xiàn)出顯著性差異，因此以復(fù)合酶添加量、酶解pH、酶解溫度作為主要因素，設(shè)計(jì)3因素3水平響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。中心組合試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)使用Design-Expert軟件進(jìn)行多元回歸擬合分析，得到模型的擬合曲線方程為：

Y=103.54-1.99A-11.91B+9.23C-2.05AB-2.73AC+1.13BC+10.55A2+13.35B2+9.43C2

同時(shí)對模型進(jìn)行了回歸系數(shù)和方差分析的顯著性檢驗(yàn)（表3）。方差分析表明該模型的Prob>F的值小于0.01，表明該模型的回歸方程極顯著。失擬項(xiàng)P>0.05，不顯著，試驗(yàn)誤差較小，故可用此模型對筍頭膳食纖維的復(fù)合酶法改性工藝結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測。

2.2.2 響應(yīng)面因素間交互作用

酶解條件的交互作用如圖5所示，可知酶解溫度的等高線分布較復(fù)合酶添加量的等高線分度密集，且響應(yīng)面3D圖形在酶解溫度維度上的坡度變化較大。因此認(rèn)為在復(fù)合酶添加量及酶解溫度對纖維酶解后粒徑的影響上，酶解溫度的影響較復(fù)合酶添加量顯著，與方差分析表中的因素顯著性結(jié)果一致。同理可知，在復(fù)合酶添加量及酶解pH的交互作用上，酶解pH對酶解后纖維粒徑的影響較為顯著;而酶解溫度及酶解pH在因素交互過程中顯示出對酶解后纖維粒徑的影響效果較為相近。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果，計(jì)算得到最佳酶解條件為：復(fù)合酶添加量為0.20%（纖維素酶∶木聚糖酶=1∶1），酶解溫度46.85℃，酶解pH 5.39，復(fù)合酶法改性纖維在理論最優(yōu)條件下的理論粒徑為D90 = 99.4 μm。在理論值基礎(chǔ)上對最優(yōu)條件進(jìn)行優(yōu)化，并最終確定優(yōu)化條件為復(fù)合酶添加量0.20%;酶解溫度47℃;酶解pH 5.4，通過3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到復(fù)合酶解后纖維平均粒徑D90 =（97.2±0.14）μm，與理論值的差距為2.21%，且效果優(yōu)于理論值。因此采用此模型優(yōu)化得到的參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

2.3 改性前后纖維持水力、持油力、膨脹度的對比

經(jīng)過優(yōu)化后的復(fù)合酶解改性工藝處理的筍頭膳食纖維的粒徑由（146.2±0.21）μm降低至（97.2±0.14）μm，降幅達(dá)到33.5%。由表4可知，經(jīng)過復(fù)合酶法改性的筍頭膳食纖維的持水力、持油力、膨脹度較改性前均有顯著提高，分別為改性前膳食纖維的1.30、2.16和1.64倍。這是由于酶解處理去除了部分纖維素和半纖維素[24]，膳食纖維的粒徑減小，比表面積增加，隨著纖維表面的部分水不溶性纖維成分的酶解破壞，纖維內(nèi)部更多活性基團(tuán)暴露在纖維表面。在這些因素的共同作用下，使得改性膳食纖維能夠吸附更多的水分子和油脂，吸附性增強(qiáng)[25]。經(jīng)過改性后的筍頭膳食纖維不僅具有更好的健康功效，更高的持水力、持油力和膨脹度還有利于保持復(fù)雜食品體系中的水、油分子的穩(wěn)定性，進(jìn)行降低添加膳食纖維后對食品質(zhì)構(gòu)和品質(zhì)產(chǎn)生的影響，從而提升了膳食纖維在食品工業(yè)中的應(yīng)用價(jià)值。

3 討論與結(jié)論

本研究在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，篩選出對粒徑具有顯著影響的3個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，確定筍頭膳食纖維的最佳復(fù)合酶法改性工藝為復(fù)合酶添加量0.20%，酶解溫度47℃，酶解pH值5.4，酶解時(shí)間2.0 h。驗(yàn)證試驗(yàn)中得到最優(yōu)條件下的纖維素粒徑D90達(dá)到最小值（97.2±0.14）μm，且優(yōu)于理論值。對改性前后筍頭膳食纖維的理化性質(zhì)的測定結(jié)果表明，復(fù)合酶法改性顯著提高了筍頭膳食纖維的持水力，持油力及膨脹度，分別是改性前膳食纖維的1.30、2.16和1.64倍。由于粒徑是纖維性質(zhì)及功能性的重要影響因素，因此由驗(yàn)證試驗(yàn)及性質(zhì)對比試驗(yàn)可知，本試驗(yàn)所得響應(yīng)面優(yōu)化工藝適用于纖維粒徑優(yōu)化試驗(yàn)，所得最佳工藝在纖維粒徑上有顯著影響，并具有改善其理化功能性質(zhì)的作用。該試驗(yàn)結(jié)果可推動(dòng)筍頭膳食纖維的高值化利用，為今后筍頭膳食纖維產(chǎn)品的開發(fā)提供了一定的理論基礎(chǔ)。本研究同時(shí)尚有改善之處，盡管復(fù)合酶解處理對筍頭膳食纖維粒徑的減小起到了顯著作用，但其粒徑仍較大。因此可在后續(xù)研究中結(jié)合其他物理化學(xué)方法對筍頭膳食纖維進(jìn)行進(jìn)一步的粒徑細(xì)化。例如，將復(fù)合酶解法與動(dòng)態(tài)高壓微射流法結(jié)合，使筍頭膳食纖維粒徑進(jìn)一步減小，同時(shí)改善其在食品中的應(yīng)用性及功能性。

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（責(zé)任編輯：黃愛萍）