響應(yīng)面優(yōu)化復(fù)合酶法提取紅薯皮膳食纖維

摘要：為了消除紅薯初加工副產(chǎn)物所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，提高紅薯產(chǎn)品附加值，以紅薯皮為原料，采用復(fù)合酶法提取其中的膳食纖維。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)探究了復(fù)合酶的添加量、酶解時(shí)間、酶解pH、酶解溫度和料液比對(duì)紅薯皮膳食纖維得率的影響，并采用Box-Behnken試驗(yàn)優(yōu)化提取參數(shù)。結(jié)果表明：紅薯皮膳食纖維的最佳提取工藝參數(shù)為料液比1∶25（g/mL）、復(fù)合酶（纖維素酶∶淀粉酶∶果膠酶質(zhì)量比= 1∶1∶1）添加量0.5%、酶解時(shí)間1.8 h、酶解pH 5.5、酶解溫度48 ℃，該工藝條件下紅薯皮可溶性膳食纖維得率為23.64%，不溶性膳食纖維得率為39.88%。

關(guān)鍵詞：紅薯皮；響應(yīng)面；復(fù)合酶法；膳食纖維

中圖分類號(hào)：TS209 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20240419

基金項(xiàng)目：漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課題（ZZY2021B141）。

Optimization of response surface for extracting dietary fiber from sweet potato peels using complex enzymes

Lin Liangmei1， Xiao Shaoxiang2， Zhang Lihong1

（ 1.Zhangzhou Institute of Technology， Zhangzhou， Fujian 363000； 2.Hunan Vocational College of Science and Technology， Changsha， Hunan 410004 ）

Abstract： In order to eliminate the environmental pollution caused by the initial processing by-products of sweet potatoes and improve the added value of sweet potato products， this paper took sweet potato peels as raw materials and explored the effects of compound enzyme addition， enzymatic hydrolysis time， enzymatic hydrolysis pH， enzymatic hydrolysis temperature， and liquid-to-solid ratio on dietary fiber yield through single factor experiments. The response surface method was used to optimize the process parameters. The results showed that the optimal process parameters were a liquid-to-solid ratio of 1：25 （g/mL）， a compound enzyme addition rate of 0.5% （fiber enzyme： amylase： pectinase = 1：1：1）， an enzymatic hydrolysis time of 1.8 hours， an enzymatic hydrolysis pH of 5.5， and an enzymatic hydrolysis temperature of 48 ℃. Under these optimal process conditions， the yield of soluble dietary fiber from sweet potato peels was 23.64%， and the yield of insoluble dietary fiber was 39.88%.

Key words： sweet potato peels； response surface； compound enzyme method； dietary fiber

紅薯是發(fā)展中國(guó)家第五大最基本的糧食作物，僅次于水稻、小麥、玉米和木薯，是我國(guó)主要種植和消費(fèi)的薯類作物之一[1]。紅薯富含蛋白質(zhì)、纖維素、B族維生素、β-胡蘿卜素、礦物質(zhì)，以及其他生物活性化合物（多酚化合物），具有替代主糧的潛力[2-5]，此外，紅薯還含有大量膳食纖維，可促進(jìn)胃腸道蠕動(dòng)，具有促進(jìn)排便和緩解便秘的功能?；诩t薯的大量種植、加工及豐富的膳食纖維含量，為了消除紅薯初加工副產(chǎn)物所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，提高紅薯產(chǎn)品附加值，文章將以紅薯皮這一加工副產(chǎn)物為原料進(jìn)行膳食纖維提取及應(yīng)用研究。

膳食纖維（dietary fiber，DF）是指能抗人體小腸消化吸收而能在大腸部分或全部發(fā)酵的可食用的植物性成分、碳水化合物及其相類似物質(zhì)的總稱[6]。膳食纖維分為可溶性膳食纖維（SDF）和不溶性膳食纖維（IDF）[7]。SDF主要包括果膠、β-葡聚糖、半乳甘露聚糖、果聚糖和木質(zhì)素，IDF主要包括半纖維素、纖維素、木質(zhì)素[8]。其中，SDF具有防止膽結(jié)石，排除體內(nèi)有害金屬離子，防止糖尿病，降低血清及膽固醇，防止高血壓和心臟病等作用，而IDF對(duì)肥胖癥、便秘、腸癌等有效[9]。目前，關(guān)于膳食纖維的提取方法有很多，有堿處理法、酸-堿處理法、微波輔助堿法、超聲輔助堿法、酶水解法、超聲輔助酶法和酶-化學(xué)聯(lián)合法等[10-13]。因酶的專一性，纖維素酶、果膠酶、α-淀粉酶可分別作用于紅薯皮中的纖維素、果膠和淀粉，從而大大提高SDF的得率，改善紅薯皮膳食纖維配比，所以文章擬采用復(fù)合酶法[14]從紅薯皮中提取膳食纖維。復(fù)合酶配比具體參照WANG等[15]略加修改而來(lái)，僅為初步配比，最佳配比還有待進(jìn)一步優(yōu)化。文章致力于為后續(xù)膳食纖維在焙烤食品加工中的應(yīng)用研究提供原料儲(chǔ)備，以期獲得健康、營(yíng)養(yǎng)、美味集一體的焙烤食品。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅薯皮：漳州六鰲紅薯清洗削皮60 ℃烘干后粉碎過(guò)60目篩；

纖維素酶（1萬(wàn)U/g）、果膠酶（生物技術(shù)級(jí)）、α-淀粉酶（1萬(wàn)U/g）：上海麥克林生化科技股份有限公司；

氫氧化鈉、磷酸、95%乙醇、丙酮等（均為AR級(jí)）：西隴科學(xué)股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-2050B型電熱恒溫干燥箱：鄭州生元儀器有限公司；PHS-3S型精密pH計(jì)：上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；FA2004型電子天平：上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；TG16-WS型高速離心機(jī)：上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司；HWS-28型水浴鍋：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；RE52CS型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：上海亞榮生化儀器廠；YB-1000A型多功能粉粹機(jī)：永康市速鋒工貿(mào)有限公司；CHRIST ALPHA 1-4LSC型冷凍干燥機(jī)：北京博勱行儀器有限公司；HPD-25型真空泵：天津市恒奧科技發(fā)展有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 可溶性膳食纖維（SDF）提取

以紅薯皮粉質(zhì)量1g，以料液比1：20，酶添加量0.5%，酶解時(shí)間2h，酶解溫度50℃，酶解pH5.5為基準(zhǔn)，以紅薯皮SDF得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行復(fù)合酶單因素試驗(yàn)。單因素變量如下：料液比取1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30（g/mL）5個(gè)水平；酶添加量取0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8% 5個(gè)水平；酶解時(shí)間取1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h 5個(gè)水平；酶解溫度取30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃ 5個(gè)水平；酶解pH值取4.5、5.0、5.5、6.0、6.5，5個(gè)水平。

1.3.3 不溶性膳食纖維（IDF）提取

將上述離心所得濾渣于-40 ℃，0.085 MPa的真空度條件下進(jìn)行冷凍干燥，即可得到IDF。

1.3.4 響應(yīng)面優(yōu)化薯皮SDF提取工藝

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)SDF得率影響較顯著的因素為：酶添加量（A）、酶解pH（B）、酶解時(shí)間（C）、酶解溫度（D）。在單因素基礎(chǔ)上，采用四因素三水平設(shè)計(jì)響應(yīng)面分析，各因子編碼表值見(jiàn)表1。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)采用3個(gè)平行，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。利用 Design-Expert 12對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析，并進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，采用 Excel作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 薯皮SDF提取單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 料液比對(duì)SDF得率的影響

由圖1可以看出，隨著料液增加，SDF得率先上升后略有降低，其中，當(dāng)料液比達(dá)到1∶25（g/mL）時(shí)，SDF得率達(dá)到最高；之后再增加料液，SDF得率的變動(dòng)幅度并不是很明顯，因此，確定最適酶解料液比為1∶25（g/mL），但并不將其作為響應(yīng)面優(yōu)化因素。

2.1.2 酶添加量對(duì)SDF得率的影響

由圖2可以看出，SDF得率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，當(dāng)酶添加量為0.5%時(shí)，SDF得率最高。紅薯皮富含纖維素，而纖維素能夠被纖維素酶裂解使SDF溶出細(xì)胞，因而隨著纖維素酶添加量的增加，SDF溶出量增加。另外，淀粉酶和果膠酶可通過(guò)將紅薯皮中的淀粉和果膠分解成低分子多糖從而提高SDF得率。但是隨著淀粉和果膠的分解達(dá)到極限，纖維素酶將SDF降解成低分子物質(zhì)，混合酶用量增加反而導(dǎo)致SDF得率降低。因此，酶添加量宜選擇0.5%左右。

2.1.3 酶解時(shí)間對(duì)SDF得率的影響

由圖3得知，SDF得率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)酶解時(shí)間達(dá)到1.5 h時(shí)，SDF得率最高。由此可見(jiàn)，當(dāng)酶解時(shí)間達(dá)到1.5 h時(shí)，薯皮中的SDF已基本溶出，之后隨著酶解時(shí)間的增加反而可能致使SDF的進(jìn)一步降解，從而降低SDF得率。因此，酶解時(shí)間宜選擇1.5 h左右。

2.1.4 酶解溫度對(duì)SDF得率的影響

由圖4可知，酶解溫度對(duì)薯皮SDF得率影響明顯。在所選定溫度范圍內(nèi)，薯皮SDF的得率呈現(xiàn)倒V型，即先增后減。原因可能是當(dāng)溫度高于50 ℃時(shí)，纖維素酶的酶活性受到影響，從而減少纖維素被降解的量，最終導(dǎo)致SDF的得率下降。綜合考慮各方面因素，酶解溫度宜選擇50 ℃左右。

2.1.5 酶解pH對(duì)SDF得率的影響

由圖5可知，酶解pH對(duì)SDF得率的影響明顯，當(dāng)酶解pH為5.5時(shí)SDF得率最高。pH與酶的活性息息相關(guān)，纖維素酶、果膠酶和α-淀粉酶都有各自最合適的pH，且復(fù)合酶解選擇最適用pH至關(guān)重要。因此，酶解pH宜選擇5.5左右。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化薯皮SDF提取工藝

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

采用Design-Expert 12軟件，根據(jù)Box-Behnken響應(yīng)面法按照表1的試驗(yàn)因素及水平，設(shè)計(jì)四因素三水平試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

2.2.2 回歸方程分析及顯著性檢驗(yàn)

運(yùn)用Design-Expert 12對(duì)表2的結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合，得二次多項(xiàng)回歸方程：

由表3可知，該回歸模型P<0.000 1，說(shuō)明模型的回歸效果極顯著，使用該回歸方程模擬分析SDF得率是可行的。模型失擬項(xiàng)不顯著，模型的負(fù)相關(guān)系數(shù)R2=94.69%，大于90%，該模型是合適的。此外，該二次回歸方程中的B、C、A2、B2、C2、D2對(duì)得率Y值存在極顯著的影響，BC、CD對(duì)Y值存在顯著的影響，說(shuō)明所選因素與Y值之間并非單一線性關(guān)系，二次項(xiàng)對(duì)Y值的影響也很大，交互項(xiàng)對(duì)得率Y值的影響相對(duì)較小。4個(gè)因素對(duì)得率的影響順序?yàn)椋築>C>D>A。

2.2.3 響應(yīng)面分析

在各個(gè)交互項(xiàng)當(dāng)中，酶解pH與酶解時(shí)間（BC）、酶解時(shí)間與酶解溫度（CD）兩個(gè)交互項(xiàng)響應(yīng)面的顏色變化較快，曲面較陡峭，即對(duì)SDF得率的影響較顯著，其響應(yīng)面圖和等高線圖如圖6—圖7所示。其中，圖6中最高點(diǎn)處酶解pH（B）為5.5，酶解時(shí)間（C）為1.5 h；圖7中最高點(diǎn)處酶解時(shí)間（C）為1.5 h，酶解溫度（D）為50 ℃。

2.2.4 最佳工藝條件

通過(guò)二次多元回歸模型求解，可知紅薯皮SDF最佳提取參數(shù)為：酶添加量0.479 6 %，酶解pH 5.37，酶解時(shí)間1.805 h，酶解溫度48.80 ℃，此時(shí)紅薯皮SDF的理論得率為22.656%?；谧罴压に嚄l件結(jié)合操作實(shí)際考慮，提取參數(shù)為酶添加量0.5%，酶解pH 5.5，酶解時(shí)間1.8 h，酶解溫度48 ℃。在此最佳工藝條件下進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，得到紅薯皮SDF的最終得率為（23.64±0.21）%，與理論值較為接近，表明該數(shù)學(xué)模型具有應(yīng)用價(jià)值。

2.3 紅薯皮IDF的提取

膳食纖維包括SDF和IDF兩種成分，基于各自活性和理化性質(zhì)，盡可能通過(guò)復(fù)合酶法提高SDF的得率。最終，在最佳復(fù)合酶法提取所得SDF得率的基礎(chǔ)上，所得不可溶性膳食纖維（IDF）的得率為39.88%。

3 結(jié) 論

通過(guò)單因素試驗(yàn)，確定復(fù)合酶添加量、酶解時(shí)間、酶解pH及酶解溫度為影響紅薯皮可溶性膳食纖維得率的最終因素，根據(jù)Box-Behnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用響應(yīng)曲面分析法優(yōu)化紅薯皮可溶性膳食纖維的最佳提取參數(shù)，建立可溶性膳食纖維得率的二次多元回歸模型，該模型經(jīng)檢驗(yàn)，能夠很好地用于預(yù)測(cè)紅薯皮可溶性膳食纖維的得率。其中最佳提取參數(shù)為：料液比1∶25（g/mL），復(fù)合酶添加量0.5%，酶解時(shí)間1.8 h，酶解pH 5.5，酶解溫度48 ℃，可溶性膳食纖維的得率為23.64%，不溶性膳食纖維得率為39.88%。后續(xù)將對(duì)不同可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維配比的活性進(jìn)行研究。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王欣，李強(qiáng)，曹清河，等.中國(guó)甘薯產(chǎn)業(yè)和種業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)展望[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2021，54（3）：483-492.

[2] ALAM M K， RANA Z H， ISLAM S N， et al. Comparative assessment of nutritional composition， polyphenol profile， antidiabetic and antioxidative properties of selected edible wild plant species of Bangladesh[J]. Food Chemistry，2020，320：126646.

[3] ALAM M K， SAMS S， RANA Z H， et al. Minerals， vitamin C， and effect of thermal processing on carotenoids composition in nine varieties orange-fleshed sweet potato （Ipomoea batatas） [J]. Journal of Food Composition and Analysis，2020，92（1）：103582.

[4] ALAM M K. A comprehensive review of sweet potato （Ipomoea batatas [L.] Lam）： revisiting the associated health benefits[J]. Trends in Food Science Technology，2021，115：512-529.

[5] JU D， MU T H， SUN H N. Sweet potato and potato residual flours as potential nutritional and healthy food material[J]. Journal of Integrative Agriculture，2017，16（11）：2632-2645.

[6] 修建成，曹榮安，孔保華，等.膳食纖維的生理功能及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].農(nóng)產(chǎn)品加工學(xué)刊， 2005（8）：48-50.

[7] ACKOM N B， TANO-DEBRAH K. Processing pineapple pulp into dietary fibre supplement[J]. African Journal of Food， Agriculture， Nutritional Development，2012，12（6）：6823-6834.

[8] SHARMA S K， BANSAL S， MANGAL M， et al. Utilization of food processing by-product as dietary， functional and novel fiber： a review[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition，2016，56（10）：1647-1661.

[9]顧芯，陳風(fēng)波，張京.麥麩膳食纖維的開(kāi)發(fā)及在食品工業(yè)中應(yīng)用[J].糧食與飼料工業(yè)，1997（3）：43-45.

[10] 周新，唐世英，楊賀棋，等.不溶性膳食纖維的提取、表征及改性研究進(jìn)展[J].食品工業(yè)科技，2021，42（3）：359-366+372.

[11]張萬(wàn)佳，王素雅，蘭蔓.毛竹筍粉及其膳食纖維的功能性質(zhì)比較[J]. 糧食科技與經(jīng)濟(jì)，2023，48（04）：109-114.

[12] 魏旭瑤，姜彩霞，曾祥瑞，等.復(fù)合酶改性玉米皮可溶性膳食纖維的工藝優(yōu)化及理化特性分析[J].食品工業(yè)科技，2024，45（6）：202-209.

[13] 楊帆，孫孝帆，李德海，等.超聲-酶輔助堿法提取黑木耳膳食纖維及對(duì)糖尿病小鼠的降血糖作用[J].精細(xì)化工，2024，41（8）：1754-1764+1847.

[14] PARK S K， KIM C T， LEE J W， et al. Analysis of ethyl carbamate in Korean soy sauce using high-performance liquid chromatography with fluorescence detection or tandem mass spectrometry and gas chromatography with mass spectrometry[J]. Food Control，2007，18（8）：975-982.

[15] WANG F， JIANG Y， GUO W， et al. An environmentally friendly and productive process for bioethanol production from potato waste [J]. Biotechnology for Biofuels，2016，9（1）：50.