酶法提取竹筍可溶性膳食纖維工藝優(yōu)化

范海芳，劉 茵，葉林峰，劉思樂，周已琴，鄧永東

（1.杭州丘比食品有限公司，浙江杭州 310018；2.安徽榮達禽業(yè)股份有限公司，安徽宣城 242200）

0 引言

隨著時代的發(fā)展，人們對于膳食纖維的認知有了不斷進步。膳食纖維的概念在1953年第一次被提出。Hipspaly E H[1]認為膳食纖維是不能被人體消化的植物細胞壁成分，其包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素[2]。但在2009年6月，國際食品法典委員會對膳食纖維進行了重新定義：膳食纖維是碳水化合物，它具有10個或者更多的單體鏈節(jié)，人體小腸中的酶無法水解，屬于天然存在于消費食物的可食用碳水化合物。竹筍是竹的幼芽，也稱為筍。竹為多年生常綠草本植物，食用部分為初生、嫩肥、短壯的芽或鞭，富含膳食纖維。

膳食纖維具有較高的持水力，對有機化合物有吸附螯合作用[3]，并且還具有填充劑的溶劑作用。此外，膳食纖維能調(diào)節(jié)腸道菌群、改變膳食組成，可使現(xiàn)存的微生物菌群比例發(fā)生變化。膳食纖維可被腸道細菌的酶發(fā)酵降解，產(chǎn)生短鏈脂肪酸，促進腸道有益菌群生長和增殖，抑制有害腐敗菌的生長并減少有毒發(fā)酵產(chǎn)物的形成[4]。短鏈脂肪酸在維持腸道屏障功能和刺激結(jié)腸受損組織愈合方面也起著重要的作用[5]。大量的試驗研究表明，增加膳食纖維的攝入可明顯降低心臟血管疾病尤其是冠心病的發(fā)生率[6-7]。膳食纖維對陽離子有較強的結(jié)合力，它能與腸道中的鈉離子和鉀離子進行交換，促使尿液和糞便中大量排出鈉離子和鉀離子，從而起到降低血壓的作用[8]。

早期的提取主要是粗分離法、膜分離法、化學分析法、化學試劑和酶結(jié)合分離法。隨著人們對膳食纖維認知的加深和科技飛速進步，現(xiàn)在還有熱水提法、化學法、酶法、Prosky法、酶化法、超聲波法、高壓蒸煮法、發(fā)酵法、酸堿法和擠壓法等[9]。未來膳食纖維的提取方法還將朝著提取率高、純度高、工藝簡單、投資少、污染少和耗能少等方向發(fā)展。膳食纖維的研究與開發(fā)，受到了西方各主要國家的高度重視，醫(yī)學界、營養(yǎng)學界、食品工業(yè)界都對此進行了大量的研究[10]。而我國在這方面的研究起步較晚，且多側(cè)重于谷物類膳食纖維的研究[11-14]。

選擇竹筍為試驗的研究對象，采用溫和的酶解法，進行水浴溫度、料液比、加酶量、酶解時間的4個單因素試驗，在單因素試驗的基礎(chǔ)上設(shè)計對應的響應面試驗優(yōu)化反應條件，最終得出最優(yōu)條件下的4個因素水平，作為最佳生產(chǎn)工藝標準，并測定提取出的可溶性膳食纖維的乳化性、乳化穩(wěn)定性、黏性，發(fā)掘可溶性膳食纖維的更多利用價值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

竹筍，寧國茂盛食品有限公司提供；α-淀粉酶、中性蛋白酶、淀粉葡萄糖酶、95%酒精、去離子水。

1.2 儀器設(shè)備

MS104TS型電子天平，梅特勒-托利多國際股份有限公司產(chǎn)品；HWS型恒溫水浴鍋，上海泰坦科技股份有限公司產(chǎn)品；HH型恒溫水浴鍋，金壇市金城國勝實驗儀器廠產(chǎn)品；101型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海躍進醫(yī)療機械廠產(chǎn)品；CT14RD型離心機，上海天美科學儀器有限公司產(chǎn)品；KQ-100DE型真空抽濾機，昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)品；HX-200型中藥粉碎機，上虞市華宏凈化設(shè)備廠產(chǎn)品；D-37520型高速冷凍離心機，Sigma公司產(chǎn)品。

1.3 試驗方法

1.3.1 竹筍可溶性膳食纖維的提取

（1） 工藝流程[15-17]

竹筍→打粉（粉碎） →烘干→用α-淀粉酶、中性蛋白酶、淀粉葡萄糖酶酶解→滅酶→冷卻→抽濾→醇沉→離心→冷凍干燥→可溶性膳食纖維。

（2）操作要點。①將竹筍用粉碎機粉碎，之后放入電熱恒溫鼓風干燥機中干燥24 h，干燥完成的粉末裝入保鮮袋中備用。②稱量竹筍粉，置于錐形瓶中，加入一定量的去離子水和3種酶，在恒溫水浴鍋中加熱。③將水浴加熱后的裝有樣品的錐形瓶立即置于沸水中加熱5 min，達到滅酶的效果，滅酶完成后立即冷卻。④用真空抽濾機進行抽濾，將得到的澄清液倒入大燒杯中，加入4倍體積的95%乙醇溶液，用保鮮膜封住燒杯，靜置2 h。⑤靜置完成后用冷凍離心機離心，以轉(zhuǎn)速3 000 r/min離心時間10 min。⑥離心過后將固體轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)皿內(nèi)，用保鮮膜封住，用牙簽戳孔，之后放入超低溫冷凍干燥機中冷凍干燥24 h，即得到所需要的樣品。

1.3.2 試驗內(nèi)容

（1）單因素試驗。①水浴溫度對竹筍可溶性膳食纖維提取率的影響。水浴溫度分別為40，50，60，70，80℃，其他條件為料液比1∶20，加酶量0.7%，酶解時間60 min，考查水浴溫度對竹筍可溶性膳食纖維提取率的影響。②料液比對竹筍可溶性膳食纖維提取率的影響。料液比分別為1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，其他條件分別為水浴溫度50℃，酶添加量0.7%，酶解時間60 min，考查料液比對竹筍可溶性膳食纖維提取率的影響。③酶添加量對竹筍可溶性膳食纖維提取率的影響[18]。酶添加量分別為0.5%，0.6%，0.7%，0.8%，0.9%，其他條件分別為水浴溫度50℃，料液比1∶20，酶解時間60 min，考查加酶量對竹筍可溶性膳食纖維提取率的影響。④水浴加熱時間對竹筍可溶性膳食纖維提取率的影響。酶解時間分別為15，30，45，60，75 min，其他條件為分別為水浴溫度50℃，料液比1:10，酶添加量0.7%，考查水浴加熱時間對竹筍可溶性膳食纖維提取率的影響。

（2）響應面試驗設(shè)計。在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，比較后選用較為顯著的因素，進行四因素三水平的響應面試驗，對竹筍可溶性膳食纖維提取工藝進行優(yōu)化。

竹筍可溶性膳食纖維提取響應面因素與水平設(shè)計見表1。

表1 竹筍可溶性膳食纖維提取響應面因素與水平設(shè)計

1.3.3 竹筍可溶性膳食纖維性質(zhì)的測定

（1）竹筍可溶性膳食纖維的乳化性和乳化穩(wěn)定性的測定。分別配制質(zhì)量濃度為1，5，10，15，20，25，30 mg/100 mL的SDF溶液100 mL，加入10 mL大豆油，于高速分散器中以轉(zhuǎn)速2 000 r/min均質(zhì)乳化2 min，乳化后的溶液置于離心機中，以轉(zhuǎn)速2 000 r/min離心8 min，測量乳化層的高度，算出乳化層體積，乳化后的溶液在80℃的水浴中保溫30 min，用自來水冷卻至常溫，放入離心機中，以相同的轉(zhuǎn)速和時間進行離心，然后測量乳化層體積。

（2）竹筍可溶性膳食纖維黏性的測定。用旋轉(zhuǎn)黏度計在25℃，以轉(zhuǎn)速60 r/min條件下檢測不同質(zhì)量濃度（1，2，3，4，5 g/100 mL） SDF的黏度，繪制黏度變化曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 水浴溫度對可溶性膳食纖維提取率的影響

水浴溫度對竹筍可溶性膳食纖維提取率的影響見圖1。

圖1 水浴溫度對竹筍可溶性膳食纖維提取率的影響

由圖1可以看出，竹筍可溶性膳食纖維提取率隨著水浴溫度升高而升高，在水浴溫度到70℃時達到最大，隨后隨著水浴溫度的上升而降低，所以最佳水浴溫度為70℃。

2.1.2 料液比對可溶性膳食纖維提取率的影響

料液比對竹筍可溶性膳食纖維提取率的影響見圖2。

圖2 料液比對竹筍可溶性膳食纖維提取率的影響

由圖2可以看出，隨著料液比的減小，竹筍可溶性膳食纖維的提取率上升，在料液比為1∶15時達到最大，之后隨著料液比的減小，可溶性膳食纖維提取率也隨之減小，所以最佳料液比為1∶15。

2.1.3 酶添加量對可溶性膳食纖維提取率的影響

酶添加量對竹筍可溶性膳食纖維提取率的影響見圖3。

由圖3可以看出，隨著酶添加量的增加，竹筍可溶性膳食纖維提取率上升，在酶添加量0.6%時達到最大，之后隨著酶添加量的增加，可溶性膳食纖維提取率隨之減小，所以最佳酶添加量為0.6%。

圖3 加酶量對竹筍可溶性膳食纖維提取率的影響

2.1.4 酶解時間對可溶性膳食纖維提取率的影響

酶解時間對竹筍可溶性膳食纖維提取率的影響見圖4。

圖4 酶解時間對竹筍可溶性膳食纖維提取率的影響

由圖4可以看出，隨著酶解時間的增加，竹筍可溶性膳食纖維提取率上升，在時間為60 min時達到最大，之后隨著酶解時間的增加，可溶性膳食纖維提取率也隨之減小，所以最佳酶解時間為60 min。

2.2 響應面優(yōu)化結(jié)果分析

2.2.1 回歸模型的建立與分析

提取竹筍可溶性膳食纖維的響應面試驗結(jié)果見表3。

根據(jù)響應面試驗設(shè)計的原理，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選取水浴溫度、酶解時間、酶添加量、料液比4個影響因素為自變量A，B，C，D，以竹筍可溶性膳食纖維提取率為響應值。

試驗方案的27個試驗點中包括24個析因點（1～24） 和 3 個中心點 （25～27）。

用Design Expert對響應面設(shè)計的試驗結(jié)果進行顯著性檢驗。

竹筍可溶性膳食纖維提取率回歸方程系數(shù)顯著性檢驗見表4，竹筍可溶性膳食纖維提取率的二次多項式模型方差分析見表5。

通過Design Expert 8.0程序可以得出將竹筍可溶性膳食纖維提取率數(shù)據(jù)對模型通過最小二乘法擬合的二次多項方程進行多元回歸擬合，剔除影響不顯著的因素后，得到竹筍可溶性膳食纖維提取率對編碼自變量水浴溫度（X1）、酶解時間（X2）、酶添加量（X3）、料液比（X4）的二次多項回歸方程如下：

表3 提取竹筍可溶性膳食纖維的響應面試驗結(jié)果

表5 竹筍可溶性膳食纖維提取率的二次多項式模型方差分析

可溶性膳食纖維提取率=2.92+0.14A+0.20B+0.14C+8.333×10-3D+0.091AB+0.050AC-0.045AD+0.022BC+0.037BD-0.15CD-0.19A2-0.011B2+0.089C2-0.63D2.

由方差分析表、回歸方程等數(shù)據(jù)可知，試驗所選用模型p＜0.000 1，為高度顯著，所以擬合性強，預測值和實際值有很好的相關(guān)性，R2=0.985 8，R2Adj=0.969 2。

2.2.2 響應面試驗結(jié)果

酶解時間和水浴溫度交互作用對可溶性膳食纖維提取率的影響見圖5。

圖5 酶解時間和水浴溫度交互作用對可溶性膳食纖維提取率的影響

由圖5可以看出，在酶添加量為0.6%，料液比為1∶15時，酶解時間和水浴溫度對可溶性膳食纖維提取率的交互作用。固定酶解時間，可以看出隨著水浴溫度上升，可溶性膳食纖維提取率先上升后降低；固定水浴溫度，可以看出隨著酶解時間的上升，提取率先上升后趨于平緩。從響應面等高圖中可以看出，酶解時間60 min，水浴溫度70℃時可以得到最高點，此時可以確定竹筍可溶性膳食纖維提取率的最高值。

酶添加量和水浴溫度交互作用對可溶性膳食纖維提取率的影響見圖6。

圖6 酶添加量和水浴溫度交互作用對可溶性膳食纖維提取率的影響

由圖6可以看出，在時間為60 min，料液比為1∶15時，水浴溫度與料液比對可溶性膳食纖維提取率的交互作用。固定酶添加量，可以看出隨著水浴溫度上升，提取率先上升后下降；固定水浴溫度，隨著加酶量的增加，提取率先上升后降低。從響應面等高圖中可以看出當加酶量為0.60%，水浴溫度為70℃時可以得到最高點，此時可溶性膳食纖維提取率最高。

料液比和溫度交互作用對可溶性膳食纖維提取率的影響見圖7。

由圖7可以看出，在酶解時間為60 min，加酶量為0.6%時，料液比與水浴溫度對可溶性膳食纖維提取率的交互作用。固定料液比，隨著水浴溫度的上升，提取率先上升后下降；固定水浴溫度，隨著料液比的上升，提取率先上升后下降。從響應面等高圖中可以看出料液比為1∶14，水浴溫度為70℃時可以得到最高點，此時可溶性膳食纖維提取率最高。

加酶量與酶解時間的交互作用對可溶性膳食纖維提取率的影響見圖8。

由圖8可以看出，在水浴溫度為70℃，料液比為1∶15時，加酶量與酶解時間對可溶性膳食纖維提取率的交互作用。固定加酶量，隨著酶解時間上升，提取率先上升后趨于平緩；固定酶解時間，隨著加酶量的上升，提取率先上升后趨于平緩。從響應面等高圖中可以看出在加酶量為0.6%，酶解時間為60 min時可以達到最高點，此時可溶性膳食纖維提取率最高。

料液比與酶解時間交互作用對可溶性膳食纖維提取率的影響見圖9。

圖7 料液比和溫度交互作用對可溶性膳食纖維提取率的影響

圖8 酶添加量與酶解時間的交互作用對可溶性膳食纖維提取率的影響

由圖9可以看出，水浴溫度為70℃，酶添加量為0.6%時，料液比與酶解時間對可溶性膳食纖維提取率的交互作用。固定料液比，隨著酶解時間上升，提取率先上升后趨于平緩；固定酶解時間，隨著料液比上升，提取率先上升后下降。從響應面等高圖中看出在料液比為1∶15，酶解時間60 min時可以得出最高點，此時可溶性膳食纖維提取率最高。

圖9 料液比與酶解時間交互作用對可溶性膳食纖維提取率的影響

料液比與加酶量交互作用對可溶性膳食纖維提取率的影響見圖10。

由圖10可以看出，水浴溫度70℃，酶解時間60 min時，料液比與酶添加量對可溶性膳食纖維的交互作用。固定料液比，隨著酶添加量上升，提取率先上升后下降；固定酶添加量，隨著料液比上升，提取率先上升后下降。從響應面等高圖中看出在酶添加量為0.60%，料液比為1∶15時得到最高點，此時可溶性膳食纖維提取率最高。

在試驗水平范圍內(nèi)，軟件Design Expert 8.0優(yōu)化并結(jié)合生產(chǎn)周期、能耗等需要得出進行竹筍酶法可溶性膳食纖維提取的最佳條件為水浴溫度73℃，酶解時間67 min，酶添加量0.64%，料液比1∶14，在此條件下竹筍可溶性膳食纖維的提取率為3.32%。

2.3 竹筍可溶性膳食纖維性質(zhì)的研究

2.3.1 乳化活性及乳化穩(wěn)定性的研究

可溶性膳食纖維的乳化活性及乳化穩(wěn)定性見圖11。

由圖11可以看出，隨著可溶性竹筍膳食纖維質(zhì)量分數(shù)的不斷增加，其乳化活性及乳化穩(wěn)定性也在不斷上升，到后面上升速率逐漸趨于平緩。

2.3.2 黏性的研究

竹筍可溶性膳食纖維的黏性見圖12。

由圖12可以看出，樣品質(zhì)量分數(shù)為3%時黏性最大，1%的最低，隨著剪切速率的上升都不斷下降。

圖10 料液比與酶添加量交互作用對可溶性膳食纖維提取率的影響

圖11 可溶性膳食纖維的乳化活性及乳化穩(wěn)定性

3 結(jié)論

由試驗得出最佳工藝條件為水浴溫度73℃，加酶量0.64%，酶解時間67 min，料液比1∶14，在此條件下得到的可溶性膳食纖維提取率最高，為3.34%。同時研究了提取出的可溶膳食纖維的乳化性、乳化穩(wěn)定性和黏性，得出了對應的乳化性、乳化穩(wěn)定性和黏性曲線。

圖12 竹筍可溶性膳食纖維的黏性