超聲波輔助酶結(jié)合堿法提取薯渣纖維素的工藝研究

陸紅佳，鄭龍輝，劉 雄

（西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶400715）

超聲波輔助酶結(jié)合堿法提取薯渣纖維素的工藝研究

陸紅佳，鄭龍輝，劉 雄*

（西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶400715）

以甘薯渣為原料，采用超聲波輔助酶結(jié)合堿法從甘薯渣中提取纖維素。通過單因素及正交實驗，確定了最佳提取工藝條件。結(jié)果表明，在超聲波功率為105W輔助下，提取薯渣纖維素的最佳工藝條件為，α-淀粉酶的用量0.6%、酶解時間45min、氫氧化鈉濃度7%和堿解時間90min，在此條件下產(chǎn)品纖維素的含量為80.09%，并測定其持水性和溶脹性分別為5.34g/g和10.53mL/g，均優(yōu)于酶結(jié)合堿法，是一種可行，高效的方法。

甘薯渣，纖維素，超聲波輔助提取，正交實驗

纖維素是自然界中存在的主要碳水化合物之一，具有非常豐富的資源。纖維素的性質(zhì)決定了其具有重要的應(yīng)用價值[1]，如纖維素具有持水性、溶脹性、吸附性、抗消化性等理化特性，對人體健康起著重要的作用；同時，纖維素通過醚化、酯化等衍生處理可作為增稠劑、賦形劑、緩釋劑等，用于食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)，也可用于生產(chǎn)可降解生物材料[2-3]。然而，自然界中纖維素多與蛋白、多糖等成分混在一起，限制了纖維素的加工與應(yīng)用，因此，從天然纖維素原料中分離和純化纖維素尤為重要[4]。甘薯在我國總種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，目前，我國甘薯主要用于淀粉和粉絲等的生產(chǎn)，每年都會產(chǎn)生大量的薯渣，約占原料總量的10%～14%，甘薯渣的主要成分為淀粉和纖維素，其中纖維素的含量在25%左右，是很好的纖維素源。目前，甘薯渣纖維的提取方法，主要有篩選法[5]、化學(xué)法[6]、酶法[7]，其中篩選法是一種依靠顆粒大小不同提取纖維的物理方法，其缺點是提取的薯渣纖維純度不夠，含有少量的淀粉；化學(xué)法是利用化學(xué)試劑如酸堿等處理的方法，其缺點是提取的纖維色澤較差，不易漂白，且容易造成化學(xué)殘留，對設(shè)備要求較高；酶法是利用酶制劑主要是α-淀粉酶和蛋白酶水解淀粉及蛋白質(zhì)，使用這種方法提取纖維，可獲得較高純度的產(chǎn)品，但酶制劑的成本較高。因此，探索研究以甘薯渣為原料，提取高含量薯渣纖維素的方法及優(yōu)化工藝參數(shù)，是一個亟待解決的問題，其不僅可以提高甘薯渣的附加值，增加企業(yè)效益，為甘薯渣的綜合利用提供更多的途徑，而且對今后薯渣纖維素的工業(yè)化生產(chǎn)及功能性產(chǎn)品的開發(fā)具有重要意義。本實驗擬采用超聲波輔助酶結(jié)合堿法以甘薯渣作為原料來提取纖維素，在單因素實驗的基礎(chǔ)上，進行正交實驗來優(yōu)化提取條件，以期快速、高效地獲得高含量的纖維素，為今后纖維素的開發(fā)、應(yīng)用及進一步的深入研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甘薯渣 四川光友薯業(yè)有限公司提供；α-淀粉酶 北京奧博星生物技術(shù)有限責任公司；氫氧化鈉、過氧化氫、濃硫酸、十六烷基三甲基溴化銨、鹽酸、丙酮等 均為分析純。

JA2003A型電子天平 上海精天電子儀器有限公司；DL-1型萬用電爐 北京中興偉業(yè)儀器有限公司；KQ 3200DB型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州澳華儀器有限公司；SHZ-Ⅱ型循環(huán)水真空泵 上海亞榮生化儀器廠；TDZ5-WS型多管架自動平衡離心機 湘儀離心機儀器有限公司；PHS-3型精密酸度計 上海大普儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 甘薯渣纖維素的提取工藝流程 甘薯渣預(yù)處理→煮沸3min→降溫至60℃→超聲波輔助淀粉酶水解→滅酶（100℃，5min）→離心（4500r/min，10min）棄去上清液→堿水解→洗滌→過濾→漂白→洗滌至中性→干燥 （65℃，8h）→粉碎→薯渣纖維素產(chǎn)品

表1 L9（34）正交實驗因素水平表Table 1 Factors and levels of L9（34）orthogonal experiment

1.2.2 操作要點

1.2.2.1 原料的預(yù)處理 將提取淀粉后所得到的甘薯渣進行洗滌，除去其中的雜質(zhì)和可溶性物質(zhì)，然后放入恒溫干燥箱中，在80℃下干燥8h，粉碎過40目篩，置于通風(fēng)干燥處保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2.2 主要提取工藝過程[8-9]稱取5.00g預(yù)處理的薯渣，加30mL蒸餾水煮沸3min，使淀粉充分糊化，然后按原料重量的10倍（W/W），加入一定濃度的α-淀粉酶液，于60℃，在一定功率的超聲波中，酶解一定時間后，滅酶（100℃，5min），離心（4500r/min，10min）棄去上清液，加入一定濃度的NaOH溶液（料液比為1∶10），于70℃的條件下堿解一定時間，過濾，漂白，干燥（65℃，8h），粉碎后獲得薯渣纖維素產(chǎn)品。

1.2.3 單因素實驗設(shè)計 以提取出的薯渣纖維素含量為指標，考察超聲波的功率（90、105、120、135、150W）、α-淀粉酶的用量（濃度為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%）、酶解時間（30、45、60、75、90min）、氫氧化鈉濃度（3%、4%、5%、6%、7%）和堿解時間（45、60、75、90、105min）對提取的薯渣纖維素含量的影響，確定主要影響因素。在上述各條件下每個實驗設(shè)置3次重復(fù)。

1.2.4 正交實驗設(shè)計方法 在單因素實驗的基礎(chǔ)上，選取α-淀粉酶用量、酶解時間、氫氧化鈉濃度和堿解時間作為主要影響因素，在超聲功率一定的條件下，以提取出的纖維素含量為指標，進行L9（34）正交實驗，確定超聲波輔助酶結(jié)合堿法的最佳提取工藝條件。正交實驗因素水平表見表1。

1.2.5 甘薯渣的基本化學(xué)成分分析 原料中水分含量的測定：采用恒重法（GB/T 5009.3-2003《食品中水分的測定》）；淀粉含量的測定：酸水解法（GB/T 5009.9-2008《食品中淀粉的測定》）；蛋白質(zhì)含量的測定：凱氏定氮法（GB 5009.5-2010《食品安全國家標準食品中蛋白質(zhì)的測定》）；脂肪含量的測定：索氏抽提法（GB/T 5009.6-2003《食品中脂肪的測定》）；粗纖維含量的測定：采用GB/T 5009.6-2003《植物類食品中粗纖維的測定》；灰分含量的測定：采用GB/T 5009.4-2003《食品中灰分的測定》。

1.2.6 甘薯渣纖維素含量的測定[11]準確稱取1.00g提取的薯渣纖維素放入燒瓶中，加入100mL酸性洗滌液（將20g十六烷基三甲基溴化銨溶解在1mol/L的H2SO4中），再加入2mL十氫奈，連接回流冷凝管，加熱，使其在3～5min內(nèi)沸騰并開始計時，持續(xù)微沸回流1h，然后用已稱重的玻璃坩堝過濾，依次用熱水和丙酮充分洗滌，最后將坩堝連同殘留物于65℃烘至恒重，稱重并計算。

式中：W為所提取纖維素產(chǎn)品重（g）；W1為坩堝重（g）；W2為烘干后坩堝及殘留物重（g）。

1.2.7 甘薯渣纖維素得率的計算

1.2.8 甘薯渣纖維素的理化指標

1.2.8.1 持水性的測定[12]準確稱取薯渣纖維素1.00g，置于100mL的燒杯中，加蒸餾水75mL，在室溫20℃和37℃下，電磁攪拌24h，在3000～4000r/min的轉(zhuǎn)速離心30min，取出，傾去上層清液，甩干水分稱重，計算持水性（WHC）。

1.2.8.2 溶脹性的測定[12]準確稱取過40目篩的薯渣纖維素0.10g，置于10mL量筒中，移液管準確移取5.00mL蒸餾水加入其中。振蕩均勻后室溫（18±3）℃放置24h，讀取液體中纖維的體積，計算溶脹性（SW）。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘薯渣基本組成分析

通過對甘薯渣進行基本化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。可知，甘薯渣中的淀粉和粗纖維含量較高，蛋白質(zhì)次之。因此，本實驗主要通過α-淀粉酶去除其中的淀粉，氫氧化鈉來除去其中的蛋白質(zhì)、脂肪等雜質(zhì)，來得到高含量的薯渣纖維素。

表2 甘薯渣的基本成分Table 2 The basal component of sweet potato residue

2.2 單因素實驗

2.2.1 超聲波功率對薯渣纖維素含量的影響 稱取5.00g預(yù)處理的薯渣，在α-淀粉酶液濃度為0.5%，酶解溫度60℃，酶解時間60min，NaOH濃度為5%，堿解溫度70℃，堿解時間75min的條件下，超聲波功率分別為90、105、120、135、150W時對薯渣纖維素含量的影響結(jié)果見圖1。

圖1 超聲波功率對薯渣纖維素含量的影響Fig.1 Effect of ultrasonic power on cellulose content of sweet potato residue

由圖1可知，隨著超聲波功率的增加，纖維素的含量呈現(xiàn)緩慢升高趨勢，主要是由于超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)、熱效應(yīng)和機械作用，增加細胞壁的通透性，并且使酶易于與蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)包裹的淀粉接觸，使淀粉的水解更加完全，當超聲波功率超過105W時，纖維素含量不再增加，趨于平緩，說明超聲波功率超過一定值后，其對酶的水解作用影響不大。因此，從能耗及對纖維素含量影響變化幅度方面考慮，確定超聲波的最佳功率為105W。

2.2.2 酶用量對薯渣纖維素含量的影響 稱取5.00g預(yù)處理的薯渣，在超聲波功率105W，酶解溫度60℃，酶解時間60min，NaOH濃度為5%，堿解溫度70℃，堿解時間75min的條件下，α-淀粉酶液濃度分別為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%時對薯渣纖維素含量的影響結(jié)果見圖2。

圖2 酶用量對薯渣纖維素含量的影響Fig.2 Effect of enzyme concentration on cellulose content of sweet potato residue

由圖2可知，隨著α-淀粉酶用量的增加，纖維素的含量呈現(xiàn)先升高后逐漸趨于平緩下降的趨勢，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是隨著酶量的增加，其中的淀粉水解量也逐漸增加，得率降低但纖維素含量相應(yīng)的提高，當酶量為0.5%時，纖維素的含量達到最高，此時的淀粉水解率達到最大值[13]，酶用量超過0.5%時趨于平緩下降，說明其中的淀粉水解達到飽和，因此選取酶用量為0.4%～0.6%。

2.2.3 酶解時間對薯渣纖維素含量的影響 稱取5.00g預(yù)處理的薯渣，在超聲波功率105W，α-淀粉酶液濃度為0.5%，酶解溫度60℃，NaOH溶液濃度為5%，堿解溫度70℃，堿解時間75min的條件下，酶解時間分別為30、45、60、75、90min時對薯渣纖維素含量的影響結(jié)果見圖3。

圖3 酶解時間對薯渣纖維素含量的影響Fig.3 Effect of enzyme hydrolysis time on cellulose content of sweet potato residue

由圖3可知，隨著酶解時間的增加，纖維素的含量先是逐漸升高，說明淀粉的酶解率也相應(yīng)提高，在酶解時間45min時，纖維素含量最高，此時淀粉酶解率也達到最大值，超過此時間后，曲線呈現(xiàn)平緩下降后趨于平穩(wěn)，纖維素含量變化不大[14]，可能是由于酶解時間過長，在超聲波的作用下，造成少量纖維素無定形區(qū)被破壞，因此選擇時間范圍在45～75min。

2.2.4 NaOH濃度對薯渣纖維素含量的影響 稱取5.00g預(yù)處理的薯渣，在超聲波功率105W，α-淀粉酶液濃度為0.5%，酶解溫度60℃，酶解時間45min，堿解溫度70℃，堿解時間75min的條件下，NaOH溶液濃度分別為3%、4%、5%、6%、7%時對薯渣纖維素含量的影響結(jié)果見圖4。

圖4 NaOH濃度對薯渣纖維素含量的影響Fig.4 Effect of NaOH concentration on cellulose content of sweet potato residue

由圖4可知，隨著NaOH濃度的增加，纖維素的含量逐漸升高，當NaOH濃度為6%時，纖維素的含量達到最大值，NaOH濃度超過6%時，纖維素含量呈下降趨勢，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是由于隨著氫氧化納溶液濃度的增大，蛋白質(zhì)水解率逐漸提高，并且其中的半纖維素溶出，使半纖維素與纖維素分離得較徹底，纖維素的含量也逐漸增加。而堿液濃度過高時，纖維素將發(fā)生輕度的水解反應(yīng)，且蛋白質(zhì)出現(xiàn)變性反應(yīng)，溶解度降低[15-16]，從而降低產(chǎn)品的得率和含量，同時也會增加處理的難度。因此，堿濃度選取在5%～7%范圍內(nèi)。2.2.5 堿解時間對薯渣纖維素含量的影響 稱取5.00g預(yù)處理的薯渣，在超聲波功率105W，α-淀粉酶液濃度為0.5%，酶解溫度60℃，酶解時間45min，NaOH溶液濃度為6%，堿解溫度70℃的條件下，堿解時間分別為45、60、75、90、105min時對薯渣纖維素含量的影響結(jié)果見圖5。由圖5可知，隨著堿解時間的增加，纖維素含量先呈現(xiàn)上升趨勢，當時間為75min時，纖維素含量達到最大值，隨著時間繼續(xù)增加，纖維素含量呈現(xiàn)下降趨勢。這主要是由于堿解時間過短時，蛋白質(zhì)水解不完全，造成纖維素含量不高。而提取時間過長，纖維素軟化，易造成纖維素發(fā)生輕度水解，導(dǎo)致纖維素的得率和含量均降低[17]。因此，堿解時間應(yīng)控制在60～ 90min之間。

圖5 堿解時間對薯渣纖維素含量的影響Fig.5 Effect of alkaline hydrolysis time on cellulose content of sweet potato residue

2.3 正交實驗結(jié)果與分析

表3 L9（34）正交實驗設(shè)計結(jié)果Table 3 Design and results of L9（34）orthogonal experiment

正交實驗結(jié)果見表3，由極差分析[18]結(jié)果可以看出，以薯渣纖維素含量為指標，4個影響因素的主次關(guān)系為Agt;Cgt;Dgt;B，即α-淀粉酶用量gt;氫氧化鈉濃度gt;堿解時間gt;酶解時間，從而可選取出最優(yōu)組合為A3B2C3D3，即α-淀粉酶用量為0.6%，酶解時間45min，氫氧化鈉濃度7%，堿解時間90min，在超聲功率為105W的上述最優(yōu)條件下，進行驗證實驗得到的纖維素含量為80.09%。

2.4 優(yōu)化工藝的驗證實驗

在超聲功率為105W，α-淀粉酶用量為0.6%，酶解時間45min，氫氧化鈉濃度7%，堿解時間90min的最優(yōu)工藝條件下，重復(fù)提取纖維素3次，與相同條件下，不經(jīng)超聲波輔助的酶結(jié)合堿法對比[19]，結(jié)果見表4，超聲波輔助下纖維素的得率和含量較高，并且所得纖維素的持水性和溶脹性均優(yōu)于酶結(jié)合堿法。說明超聲波輔助能有效地提高薯渣纖維素的含量，并且在一定程度上改善纖維素的理化特性。

表4 最優(yōu)條件下的重復(fù)驗證實驗Table 4 The confirmatory experiments under optimum conditions

3 結(jié)論

3.1 經(jīng)測定在甘薯渣中粗纖維含量為26.74%，淀粉含量高達46.89%，蛋白質(zhì)只有5.0%，因此，降低淀粉含量是純化甘薯渣纖維的關(guān)鍵。

3.2 超聲波輔助酶結(jié)合堿法純化薯渣纖維素的最佳工藝條件為：超聲波功率105W，α-淀粉酶用量為0.6%，酶解時間45min，氫氧化鈉濃度7%，堿解時間90min，此條件下所得產(chǎn)品的纖維素含量為80.09%，其持水性和溶脹性分別為5.34g/g和10.53mL/g，均優(yōu)于酶結(jié)合堿法。

3.3 本研究結(jié)果表明，超聲波輔助酶結(jié)合堿法不僅可有效地提高薯渣纖維素含量，還可以進一步改善薯渣纖維素的理化特性，是一種可行且高效的方法。

[1]劉濤，劉寧，方桂珍.纖維素及其衍生物在食品及醫(yī)藥行業(yè)的開發(fā)與應(yīng)用[J].食品科學(xué)，2009，30（15）：276-280.

[2]張汆，李敏，賈小麗，等.甘薯資源的綜合利用[J].食品科技，2009，16（1）：22-25.

[3]GURGEL L V A，JNIOR O K，DE FREITAS GIL R P，et al. Adsorption of Cu（II），Cd（II），and Pb（II）from aqueous single metal solutions by cellulose and mercerized cellulose chemically modified with succinic anhydride[J].Bioresource Technology，2008，99（8）：3077-3083.

[4]胡鵬，蔡榮寶，鄧鵬，等.甘薯膳食纖維的生理功能及提取工藝研究進展[J].中國食物與營養(yǎng)，2009（9）：31-33.

[5]曹媛媛，木泰華.篩法提取甘薯膳食纖維的工藝研究工藝[J].食品工業(yè)科技，2007，28（7）：131-133.

[6]劉德全，張文秋.甘薯纖維提取工藝及應(yīng)用研究[J].食品研究與開發(fā)，2009，30（8）：69-72.

[7]劉達玉，左勇.酶解法提取薯渣膳食纖維的研究[J].食品工業(yè)科技，2005，26（5）：90-92.

[8]曾慶梅，楊毅，殷勻旭，等.梨渣水不溶性膳食纖維的提取工藝研究[J].食品科學(xué)，2008，29（8）：275-278.

[9]胡小軍，何玉雪，曾玉帶.酶堿法制備水浮蓮膳食纖維的工藝研究[J].食品科學(xué)，2007，28（7）：222-225.

[10]鄧紅，宋紀蓉，史紅兵.蘋果渣水不溶性膳食纖維的提取及脫色工藝研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2002，28（5）：10-13.

[11]高潔，湯烈貴.纖維素科學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1999.

[12]SANGNARK A，NOOMHORM A.Effect of particle sizes on functional properties of dietary fibre prepared from sugar cane bagasse[J].Food Chemistry，2003，80（2）：221-229.

[13]蔡寶玉，王雷，陶冠軍，等.蓮藕殘渣中纖維素的制備工藝[J].食品工業(yè)，2004（3）：14-15.

[14]李慧娜，楊衛(wèi)海，榮保華，等.蓮藕渣中不溶性膳食纖維的制備工藝研究[J].食品工業(yè)科技，2010，31（1）：237-243.

[15]魏丹，王澤南，楊慧.荸薺果皮不溶性膳食纖維提取工藝的研究[J].食品科技，2007（2）：14-17.

[16]羅均，李曉定，何旭，等.柚皮纖維素的提取工藝研究[J].食品工業(yè)科技，2010，31（4）：273-276.

[17]王忠合.醬油渣不溶性膳食纖維的制備及其功能特性研究[J].中國釀造，2009（2）：105-108.

[18]王欽德，楊堅.食品實驗設(shè)計與統(tǒng)計分析[M].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[19]邵佩蘭，李雯霞，徐明.不同提取方法對麥麩膳食纖維特性的影響[J].食品科學(xué)，2003（11）：98-100.

Study on optimization of ultrasonic-assisted enzymatic extraction combined with alkaline hydrolysis of cellulose from sweet potato residue

LU Hong-jia，ZHENG Long-hui，LIU Xiong*
（College of Food Science，Southwest University，Chongqing 400715，China）

Sweet potato residue as raw material，used the ultrasonic-assisted enzymatic alkaline method extracted the cellulose from sweet potato residue.Through the optimization by single factor and orthogonal array design methods，the optimum hydrolysis conditions for the extraction of cellulose from sweet potato residue were determined to be：ultrasonic power 105W，enzyme concentration 0.6%，length of enzyme hydrolysis time 45min，NaOH concentration 7%，alkaline hydrolysis time 90min.Under these optimal conditions，the extraction yield of cellulose reached up to 80.09%，the water holding capacity and swelling capacity were 5.34g/g and 10.53mL/g，respectively.That was better than the enzyme combination alkaline process，and also a feasible and efficient method.

sweet potato residue；cellulose；ultrasonic-assisted extraction；orthogonal array design

TS209

B

1002-0306（2012）01-0234-05

2010－12－27 *通訊聯(lián)系人

陸紅佳（1986-），女，碩士研究生，研究方向：食品化學(xué)與營養(yǎng)學(xué)。

四川省科技廳2009年科技支撐項目（2009NZ0077-005）。