基于蘆筍榨汁殘渣生產(chǎn)全營養(yǎng)酶解粉的工藝

劉寶祥，蘇政波*，馬闖，李文婧

1.齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）山東省食品發(fā)酵工業(yè)研究設計院山東省食品發(fā)酵工程重點實驗室（濟南 250013）；2.山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學院食品藥品學院（濟南 250103）

蘆筍（Asparagus officinalisL），又名石刁柏、龍須菜，是一種多年生的健康蔬菜食品，被世界衛(wèi)生組織列為世界十大最具有營養(yǎng)價值的蔬菜之首，具有營養(yǎng)高、能量攝入低的特點，是國際上公認的防癌保健蔬菜[1]。蘆筍營養(yǎng)價值豐富，含有多糖、有機酸、氨基酸、甾體皂苷、黃酮、多肽及衍生物、多酚（羥基肉桂酸、黃酮、芪類、木酚素和去甲木脂素）等多種功能性物質(zhì)，許多研究證明蘆筍具有降膽固醇、保肝、抗腫瘤、降血壓、保腎、抗糖尿病、改善睡眠、抗焦慮等作用[2-3]。蘆筍根含有36.8%～52.89%的糖類、17.93%的粗纖維、2.95%～6.1%的蛋白質(zhì)、4.1%～8.83%的皂苷、5%～6.2%的油類、4.18%的無機物，此外還有少量的維生素C、黃酮和多酚。由于根部可以積累皂苷和果聚糖等，也常在中醫(yī)中被用作輔助藥物[4]。

蘆筍殘渣為制造蘆筍濃縮汁過程中產(chǎn)生的廢棄物，在壓榨取汁后仍然較多殘余營養(yǎng)物質(zhì)，例如纖維素、膳食纖維和蛋白質(zhì)[5-6]。近年來，國際上蘆筍種植和加工發(fā)展迅速，國內(nèi)用蘆筍原料開發(fā)蘆筍飲料，有關蘆筍綜合利用及提高原料利用率的研究也不斷出現(xiàn)，蘆筍廢料的利用也越來越受到人們的重視。此次試驗利用蘆筍榨汁過程產(chǎn)生的副產(chǎn)物，提高蘆筍的利用率，所添加物質(zhì)為食品級，可直接食用。利用蘆筍殘渣富含的膳食纖維和其他營養(yǎng)物質(zhì)，為產(chǎn)品的進一步應用提供方法基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蘆筍（市售，產(chǎn)地為菏澤市）；纖維素酶、復合植物水解酶（諾維信生物技術(shù)有限公司）；纖維素酶、半纖維素酶、木瓜蛋白酶（青島康地恩生物科技有限公司）；碳酸氫鈉、氫氧化鈉、鹽酸等為分析純；所用水為純凈水。

1.2 儀器與設備

HR1863榨汁機[飛利浦（中國）投資有限公司]；DHG-9070A電熱恒溫鼓風干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）；40-10S高壓均質(zhì)機（上海東華高壓均質(zhì)機廠）；RV3V旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀[艾卡（廣州）儀器設備有限公司]；L550低速離心機（長沙湘儀離心機儀器有限公司）；電熱恒溫水浴鍋（北京醫(yī)療設備廠）；電子分析天平[梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司]；Buchi B-191噴霧干燥機（瑞士步琦有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 還原糖的測定

按照 GB 5009.7—2016《食品安全國家標準 食品中還原糖的測定》執(zhí)行[7]。

1.3.2 蛋白質(zhì)的測定

按照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質(zhì)的測定》執(zhí)行[8]。

1.3.3 膳食纖維的測定

按照GB 5009.88—2014《食品安全國家標準 食品中膳食纖維的測定》執(zhí)行[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料制備

取適量新鮮蘆筍，清洗后使用榨汁機榨汁，留取榨汁殘渣置于50 ℃烘箱烘干至水分10%以下，使用粉碎機進行粉碎，過孔徑75 μm濾網(wǎng)粉末備用。

2.2 酶解條件優(yōu)化

2.2.1 料水比的影響

對粉碎好的蘆筍殘渣按照料水比1∶10，1∶15，1∶20，1∶30和1∶40（g/mL）條件進行復水后，升溫。結(jié)果顯示，1∶10和1∶15（g/mL）時樣品太過黏稠，達不到攪拌要求，考慮經(jīng)濟因素，選擇1∶20（g/mL）料水比進行后續(xù)操作。

2.2.2 酶的種類

取10 g蘆筍殘渣，加入純凈水定容至200 mL，添加康地恩纖維素酶、康地恩半纖維素酶、諾維信纖維素酶、諾維信復合植物水解酶，利用這4種酶進行單獨酶解和兩兩協(xié)同酶解，于55 ℃水浴保溫，不斷攪拌，酶解3 h，檢測酶解后水溶性總糖和還原糖的含量。

由表1可知，康地恩半纖維素酶和諾維信復合植物水解酶可以協(xié)同配合，達到更好的復合效果；兩種纖維素酶效果相當，推測其成分基本類似，諾維信纖維素酶效果較好。根據(jù)試驗結(jié)果，選擇諾維信纖維素酶、復合植物水解酶和康地恩半纖維素酶3種酶復合進行酶解。

表1 不同酶制劑的酶解效果

2.2.3 溫度對酶解的影響

取10 g蘆筍殘渣，加入純凈水定容至200 mL，添加諾維信纖維素酶、復合植物水解酶和康地恩半纖維素酶，于40，45，50，55和60 ℃水浴保溫，不斷攪拌，酶解180 min，檢測酶解后水溶性總糖和還原糖的濃度。

由表2可知，溫度對酶解效果影響較大，低溫對復合酶有一定抑制，隨著溫度升高，反應速度加快。當溫度超過一定范圍后，酶會因熱發(fā)生變性，導致催化活性下降[13]。此時，酶的最適溫度在50 ℃左右。

表2 溫度對酶解的影響

2.2.4 pH對酶解效果的影響

取10 g蘆筍殘渣，加入純凈水定容至200 mL，調(diào)整pH分別為3.0，3.5，4.0，4.5和5.0，添加諾維信纖維素酶、復合植物水解酶和康地恩半纖維素酶，于50℃水浴保溫，不斷攪拌，酶解180 min，檢測酶解后水溶性總糖和還原糖的濃度。

大部分的酶受到其環(huán)境pH的影響，與溫度對酶活力的影響類似，pH會影響酶蛋白的構(gòu)象，影響酶分子的穩(wěn)定性，也會影響酶分子的解離狀態(tài)。在最適pH條件下，酶和底物之間有最適宜的結(jié)合和解離狀態(tài)，從而使得酶具有最高的酶活力。由表3可知，復合酶的最適pH在4.0左右。

表3 pH對酶解的影響

2.2.5 加酶量對酶解的影響

取10 g蘆筍殘渣，加入純凈水定容至200 mL，調(diào)整pH至4.0，諾維信纖維素酶、復合植物水解酶和康地恩半纖維素酶分別添加0.050%，0.075%，0.100%，0.125%和0.150%，于50 ℃水浴保溫，不斷攪拌，酶解180 min，檢測酶解后水溶性總糖和還原糖的濃度。

在酶促反應中，酶的濃度低時，反應速度與酶的濃度呈正比，酶的濃度越高，反應速度越快。酶的濃度達到一定程度，酶促反應的速度達到極致，再提高濃度已達不到提高反應速度的目的，甚至會因酶濃度過高，抑制酶促反應的進行。由表4可知，復合酶的最適添加量為各0.125%。

表4 加酶量對酶解的影響

2.2.6 復合酶的酶解時間

取10 g蘆筍殘渣，加入純凈水定容至200 mL，調(diào)整pH至4.0，添加0.125%諾維信纖維素酶、復合植物水解酶和康地恩半纖維素酶，于50 ℃水浴保溫，不斷攪拌，酶解240 min，取樣檢測酶解過程中水溶性總糖和還原糖的濃度。

由圖1可知，隨著酶促反應的進行，總糖和還原糖的濃度迅速提高，與酶解時間呈線性關系，隨著酶解的進行，120 min后反應速度變慢，糖的濃度在150 min后達到最高。所以此反應的酶解時間在150 min左右。

圖1 酶解過程總糖和還原糖的變化

2.3 酶解條件的正交優(yōu)化

對蘆筍殘渣按比例添加純凈水進行復水，選擇酶解溫度、酶解時間、pH、加酶量為影響因素，以總糖為指標，設計L9(34)正交因素水平表，如表5所示。

表5 正交因素水平表

由表6可知，最佳工藝為A1B2C2D2，即蘆筍殘渣的最佳酶解工藝為酶解溫度50 ℃、酶解時間150 min、pH 4.0、酶添加量0.125%。在正交設計表設計的條件范圍內(nèi)對總糖的影響順序為A＞C＞B＞D，溫度對酶解效果影響最大，酶添加量對酶解效果的影響最小。蘆筍殘渣的原始pH為3.85，接近優(yōu)化pH，選擇自然pH，不作調(diào)整。

表6 正交試驗結(jié)果

2.4 蛋白酶添加時間確定

通過凱氏定氮法檢測，蘆筍殘渣中的蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為19.85 g/100 g，其中水溶性蛋白質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)低于20%（3.72 g/100 g），此時選擇木瓜蛋白酶進行蘆筍殘渣的處理。根據(jù)木瓜蛋白酶的使用條件，分別于3種酶使用前和酶解后添加，水溶性蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度分別為0.376和0.469 g/L，可見經(jīng)過諾維信纖維素酶、復合植物水解酶和康地恩半纖維素酶3種復合酶酶解，再加入木瓜蛋白酶能夠達到更好的效果，水溶性蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度提高了19.83%。這可能是由于纖維素和木質(zhì)素等成分的包裹，木瓜蛋白酶不能直接作用于蛋白質(zhì)，經(jīng)過纖維素酶等處理，包裹的纖維素等成分分解，使蛋白質(zhì)暴露出來，能夠與木瓜蛋白酶作用，改善蛋白質(zhì)表面疏水性。無規(guī)則卷曲增加，α-螺旋和β-折疊結(jié)構(gòu)含量減少，更多的無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)為蛋白的良好表面性質(zhì)及乳液穩(wěn)定性的表達提供了更多柔性結(jié)構(gòu)單元。酶解后肽鍵斷裂形成小肽，其粒徑大小逐漸降低，極性增加，電荷密度增大，親水性增加，從而促進蛋白質(zhì)的溶出和降解，氮溶解指數(shù)提高[11-12]。

綜上所述，蘆筍殘渣的最佳酶解工藝：取適量蘆筍殘渣，按照1∶20（g/mL）的料水比定容，諾維信纖維素酶、復合植物水解酶和康地恩半纖維素酶各0.125%的酶添加量，在自然pH條件下于50 ℃酶解150 min；再加入蘆筍殘渣質(zhì)量0.1%的木瓜蛋白酶，于50℃酶解120 min。

2.5 濃縮和干燥

均質(zhì)機通過均質(zhì)閥控制流體通過間隙的大小，產(chǎn)生高壓、高速，達到高剪切、高速碰撞、空穴效應等作用。同時，由于其可控制于低溫運行，不會破壞食品的營養(yǎng)、風味和熱敏物質(zhì)，被廣泛應用于破碎分散、減小顆粒粒徑、代謝產(chǎn)物提取等生產(chǎn)[13]。均質(zhì)作用使酶解液中物料進一步分散和破碎，有利于噴霧干燥的進行。通入均質(zhì)機于30 MPa左右均質(zhì)1次，結(jié)合經(jīng)濟因素，均質(zhì)后使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將酶解液濃縮至質(zhì)量分數(shù)約15%。

濃縮后的物料通入噴霧干燥機，噴霧干燥具有水分蒸發(fā)迅速、干燥時間短的優(yōu)點，酶解輔助噴霧干燥制得的粉末溶解性好，色澤風味佳，食用方便[14]。設置進口溫度170 ℃、出口溫度90 ℃、壓縮空氣流量20%進行干燥。

干燥后檢測相應指標，蘆筍酶解粉的總糖質(zhì)量分數(shù)為25.12 g/100 g，還原糖質(zhì)量分數(shù)為20.34 g/100 g，水溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為16.38 g/100 g，可溶性膳食纖維（SDF）質(zhì)量分數(shù)為23.74 g/100 g，總膳食纖維（TDF）質(zhì)量分數(shù)為51.35 g/100 g。

3 結(jié)論

通過對蘆筍榨汁殘渣的酶解研究，確定蘆筍榨汁殘渣生產(chǎn)全營養(yǎng)的工藝條件：取適量新鮮蘆筍，清洗后使用榨汁機榨汁，留取殘渣置于50 ℃烘箱烘干，使用粉碎機進行粉碎，過孔徑75 μm篩網(wǎng)；蘆筍殘渣按照1∶20（g/mL）的料水比定容，使用諾維信纖維素酶、復合植物水解酶和康地恩半纖維素酶，在自然pH條件按0.125%的酶添加量，于50 ℃酶解150 min，再加入蘆筍殘渣質(zhì)量0.1%的木瓜蛋白酶，于50 ℃酶解120 min；酶解完成后30 MPa左右均質(zhì)，使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至質(zhì)量分數(shù)約15%進行噴霧干燥，得到酶解粉。蘆筍殘渣全營養(yǎng)酶解粉富含膳食纖維和水溶性物質(zhì)，溶解性好、營養(yǎng)豐富。