酶解處理對馬鈴薯渣理化性能的影響

曲娜　顧正彪　王德軍

摘要 [目的]研究酶解處理對馬鈴薯渣理化性能的影響。[方法] 利用淀粉酶酶解馬鈴薯渣中的殘余淀粉，釋放薯渣中被淀粉包裹的纖維素，并利用傅立葉變換紅外光譜儀（FTIR）和X射線衍射儀（XRD）研究了酶解前后馬鈴薯渣的化學(xué)組成和結(jié)晶性。[結(jié)果]掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，薯渣經(jīng)過酶解后，結(jié)構(gòu)松散，且在酶解前后表現(xiàn)出不同的理化性質(zhì)。酶解后其陽離子交換能力、纖維素轉(zhuǎn)化率、膨脹力、持水力和持油力均有所提高，乳化性和乳化穩(wěn)定性也較高。酶解后的薯渣結(jié)構(gòu)基團(tuán)沒有改變，纖維素的結(jié)晶度也沒有變化。[結(jié)論] 利用淀粉酶酶解馬鈴薯渣中的殘余淀粉，酶解后薯渣的纖維素本質(zhì)沒有變化，卻為腸道提供了一個(gè)有助于消化吸收的環(huán)境，更加有利于作為飼料添加組分。

關(guān)鍵詞 馬鈴薯渣；酶處理；飼料

中圖分類號 S188+.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2015）11-295-03

馬鈴薯淀粉是馬鈴薯深加工的主要途徑之一。我國具有極為豐富的馬鈴薯資源，面積和產(chǎn)量均位于世界第一，是馬鈴薯淀粉消費(fèi)潛在大國，隨著馬鈴薯淀粉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其副產(chǎn)物馬鈴薯渣的產(chǎn)量越來越大，一般1 t淀粉產(chǎn)生7.5 t濕渣（含水量在95%左右），如不加以回收利用，不僅造成資源的浪費(fèi)，而且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]。

馬鈴薯渣的含水量很高、不易儲藏，若直接作為飼料則營養(yǎng)價(jià)值低。國內(nèi)外的研究主要集中在從馬鈴薯渣中提取膳食纖維等有益物質(zhì)或者生產(chǎn)發(fā)酵飼料[2]，但操作工藝復(fù)雜，若烘干處理則成本較高。綜上所述，薯渣的開發(fā)利用率較低，其深加工一直沒有得到較好的解決。而將薯渣加工后作為飼料添加組分，是薯渣深加工中的具有發(fā)展?jié)摿Φ姆较颉９P者利用淀粉酶酶解馬鈴薯渣中的殘余淀粉，釋放薯渣中被淀粉包裹的纖維素，使其發(fā)揮功能性，另一方面也可增加體系的小分子糖含量，使其更易消化吸收。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料及試劑。

馬鈴薯渣，黑龍江北大荒馬鈴薯產(chǎn)業(yè)有限公司提供；

耐高溫型α-淀粉酶，無錫杰能科生物工程有限公司提供（酶活20 000 U/ml）；

纖維素酶，無錫杰能科生物工程有限公司提供（酶活1 500 U/ml）

1.1.2 主要儀器。

Quanta-200掃描電子顯微鏡，F(xiàn)EI公司；

FT-IR spectrometer 紅外光譜儀，美國 Nicoletnexus公司；

D8 advance 型X射線衍射儀，德國布魯克AXS公司；

RJ-LD-IIB離心機(jī)，無錫市瑞江分析儀器有限公司；

Waters600 高效液相色譜系統(tǒng)，美國Waters公司；Waters2410示差折光檢測器，美國Waters公司。

1.2 方法

1.2.1 酶解馬鈴薯渣工藝流程。

馬鈴薯渣→耐高溫α-淀粉酶處理（pH 6.0，95 ℃）→搖床（30 min）→滅酶→酶解產(chǎn)物。

酶解程度通過DE值表示。

1.2.2 酶解前后馬鈴薯渣的結(jié)構(gòu)表征。

電鏡分析：酶解產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥，噴金后電鏡掃描觀察分析，測定酶解前后馬鈴薯渣的效果。

紅外光譜分析：取適量樣品，常規(guī)干燥后分別與溴化鉀共同研磨壓片，用傅立葉紅外光譜儀分析。

X-射線衍射：樣品于室溫下用X-射線衍射儀進(jìn)行測定。測試條件為：管壓40 kV，管流40 mA，掃描速度4°/min，掃描區(qū)域5°～60°（2θ），狹縫系統(tǒng)為DS/RS/SS=1°/0.1 mm/1°，采樣步寬0.02°，所用波長為0.154 06 nm的單色Cu Kα射線。

1.2.3 酶解前后馬鈴薯渣的物化性質(zhì)分析。

1.2.3.1 陽離子交換能力的測定。樣品浸入0.1 mol/L的 HCl （剛好浸沒），24 h 后倒入鋪有濾紙的玻璃漏斗中過濾，用蒸餾水去除多余的酸，用10%（W/V）的 AgNO3 檢測至濾液不含Cl-為止。微熱風(fēng)干燥濾渣，稱取0.25 g 干樣品溶解于100 ml 15%（W/V）NaCl，磁力攪拌，用0.1 mol/L NaOH滴定，記錄pH變化，作VNaOH-pH關(guān)系圖[3]。

1.2.3.2 持水力測定。準(zhǔn)確取樣品（以干基計(jì)）1.00 g，放置于離心管中，水合24 h后，于離心機(jī)中在4 000 r/min的條件下離心20 min，去除上清液后稱沉淀質(zhì)量G1[4]。

持水力（g/g）=（G1-m）/m

式中，m為所稱取樣品的質(zhì)量（g）；G1為離心后沉淀的質(zhì)量（g）。

1.2.3.3 膨脹力測定。準(zhǔn)確稱取樣品（以干基計(jì)）1.00 g于50 ml刻度離心管中，添加水至50 ml，振蕩均勻，分別測定它于室溫和沸水浴處理10 min后放置24 h時(shí)分界面下纖維的自由膨脹體積V1[3]。

膨脹力（ml/g）=V1/m

式中，m為所稱取樣品的質(zhì)量（g）；V1為樣品膨脹后的體積（ml）。

1.2.3.4 持油力測定。準(zhǔn)確稱取3.0 g（W1）待測樣品（以干基計(jì)）于離心管（W0）中，加入大豆色拉油30 ml，混合均勻后于37 ℃靜置1 h，在4 000 r/min條件下離心15 min，去掉上層油，稱重得W2[4]。

持油力（g/g）=（W2 -W1-W0）/W1

式中，W0為離心管質(zhì)量（g）；W1為所稱取樣品的質(zhì)量（g）；W2為去掉上層油后離心管的質(zhì)量（g）。

1.2.3.5 纖維素轉(zhuǎn)化率測定。用纖維素酶酶解不同處理的樣品，采用葡萄糖氧化酶法在510 nm比色測定產(chǎn)生的葡萄糖含量[5]。其中，采用纖維素酶推薦參數(shù)：pH 4.8，50 ℃，搖床酶解1 h。

纖維素轉(zhuǎn)化率（%）=葡萄糖質(zhì)量濃度/纖維素質(zhì)量濃度×100%×0.9

1.2.3.6 乳化性及乳化穩(wěn)定性測定。以EA表示乳化性，ES表示乳化穩(wěn)定性。取100 ml 5%的樣品室溫下24 000 r/min均質(zhì)2 min，然后樣品中各加入100 ml豆油，于24 000 r/min均質(zhì)2 min，取10 ml均質(zhì)后的乳狀液，3 000 r/min離心5 min，測定乳狀液層占總體積的比例即乳化性。然后把此乳狀液加熱到80 ℃，保溫30 min后冷卻至室溫，3 000 r/min離心5 min，此時(shí)乳化液層占原先乳狀液層的比例即為乳化穩(wěn)定性[4]。

1.2.3.7 易消化淀粉（RDS）和慢消化淀粉（SDS）測定。稱取10 ml樣品（馬鈴薯渣水解液）置于測試管中，添加15 ml pH 5.2的0.2 mol/L醋酸鈉緩沖液，混勻后加入10 ml的豬胰α-淀粉酶（290 U/ml）和糖化酶（15 U/ml），置于在37 ℃恒溫水浴下振蕩（轉(zhuǎn)速為150 r/min）并準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。水解20或120 min 后取出0.5 ml水解液加4 ml無水乙醇滅酶，然后將離心處理后的上清液用葡萄糖氧化酶法在510 nm比色測定產(chǎn)生的葡萄糖含量[6]。

RDS=（G20-FG）×0.9

SDS=（G120-G20）×0.9

式中，G20為淀粉酶水解20 min后產(chǎn)生的葡萄糖含量（mg）；FG為酶水解處理前淀粉中游離葡萄糖含量（mg）；G120為淀粉酶水解120 min后產(chǎn)生的葡萄糖含量（mg）。

1.2.3.8 HPLC法測定小分子糖含量。樣品（馬鈴薯渣水解液）于3 000 r/min離心，取上清液，微孔過濾后進(jìn)樣。色譜條件：柱溫30 ℃，流動相為純水，流速為0.4 ml/h。

2 結(jié)果與分析

2.1 酶解前后馬鈴薯渣的結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 電鏡分析。薯渣原料（a）與經(jīng)過酶解處理（DE=14）后樣品（b）的掃描電鏡圖如圖1所示。圖1（a）表明，原料中有部分馬鈴薯淀粉顆粒，呈橢圓形，纖維素成片狀存在，與淀粉顆粒結(jié)合緊密在一起。圖1（b）表明，樣品經(jīng)高溫酶解后，淀粉已經(jīng)完全糊化，并隨著酶解程度的進(jìn)行，淀粉分子顆粒內(nèi)維系空間螺旋結(jié)構(gòu)的氫鍵及糖苷鍵被破壞，最后淀粉顆粒變成由越來越少層構(gòu)成的錐形碎片。樣品的結(jié)構(gòu)變得松散，薯渣表面產(chǎn)生許多孔洞，纖維素與淀粉分開而存在。

2.1.2 紅外光譜分析。由圖2可以看到，酶解前后馬鈴薯渣的紅外光譜吸收圖譜相似，具有纖維素的特征吸收峰。馬鈴薯渣在3 002～3 742 cm-1處都有一個(gè)較寬且吸收較強(qiáng)的吸收峰，這是羥基（-OH）的特征峰，證明薯渣中存在著處于締合狀態(tài)的氫鍵。2 900 cm-1附近的吸收峰是-CH的伸縮振動峰，1 630 cm-1附近為半纖維素羰基（C=O）的伸縮振動，1 159 cm-1處為纖維素、半纖維素C-O-C伸縮振動，1 060～1 050 cm-1附近為纖維素、半纖維素C-O伸縮振動，是纖維中醚鍵的特征峰，這與纖維素的結(jié)構(gòu)相符[7]。另外，經(jīng)酶解處理后羥基峰的位置發(fā)生了位移。樣品薯渣的羥基峰由原來的3 443.33 cm-1向3 418.00 cm-1移動，即酶解處理使羥基峰逐漸向低波數(shù)方向移動，這可能是酶解過程中淀粉的降解產(chǎn)生的變化，同時(shí)也說明薯渣中羥基所形成的氫鍵增強(qiáng)，親水性增強(qiáng)。

2.1.3 X射線衍射。由圖3可以看到，薯渣原料（a）與經(jīng)過酶解處理后樣品（b）曲線的趨勢大致一致，它們分別在2θ為17°、21°和34°左右各有峰出現(xiàn)，002面峰較尖銳，101、101―面峰則重迭，呈圓鈍形的特點(diǎn)，屬于典型的纖維素Ⅰ晶態(tài)[8]。馬鈴薯渣中主要成分是纖維素和淀粉，淀粉的非晶衍射峰位一般出現(xiàn)在27°～33°，而淀粉糊化后，結(jié)晶區(qū)被破壞也會在21°左右出現(xiàn)一個(gè)峰，如圖3所示的（a）、（b）2條曲線吸收峰基本一致，可能是淀粉和纖維素的吸收峰疊加在一起使曲線趨勢相同，所以需要結(jié)合結(jié)晶指數(shù)來考察馬鈴薯渣經(jīng)加熱酶解處理后纖維素是否受到影響。

2.1.4 結(jié)晶指數(shù)的測定。通過紅外光譜法和X-射線衍射法對纖維相對結(jié)晶度的計(jì)算可以了解到酶解處理對薯渣纖維結(jié)晶程度的影響。由表1所示，采用Nelson和OConnor結(jié)晶度指數(shù)（K1）法測定纖維素相對結(jié)晶度，其計(jì)算公式為：

K1=a1/a2

式中，K1為結(jié)晶度指數(shù)；a1為1 372 cm-1譜帶的吸收強(qiáng)度；a2為2 900 cm-1譜帶的吸收強(qiáng)度。

通過紅外光譜測定馬鈴薯渣纖維素的結(jié)晶度指數(shù)，只需要用到2 900 cm-1和1 372 cm-12個(gè)波數(shù)處的吸收強(qiáng)度進(jìn)行測量，相對要簡單方便些。但試驗(yàn)的結(jié)果受測試條件影響較大，不能直觀得到結(jié)晶度數(shù)值，需要參照X射線衍射法才能知道結(jié)晶度的大小[9]。利用Segal等提出的經(jīng)驗(yàn)結(jié)晶指數(shù)CrI[10]，其可用于表示天然纖維素的結(jié)晶程度，其計(jì)算公式為：

CrI=（I002-Iamorph）/I002

式中，I002表示主結(jié)晶峰002的最大衍射強(qiáng)度，Iamorph表示2θ角為18°時(shí)的衍射強(qiáng)度。

由上可知，用紅外法和X射線衍射法測量了馬鈴薯渣酶解處理前后結(jié)晶度指數(shù)和相對結(jié)晶度，2種方法測定結(jié)果一致，馬鈴薯渣的結(jié)晶度基本沒有變化，與文獻(xiàn)[3]中測定的薯渣纖維素的結(jié)晶指數(shù)相近，說明淀粉的吸收峰對薯渣纖維素結(jié)晶度影響較小，加熱酶解后薯渣中的纖維素沒有受到影響，但纖維素與淀粉分開后表面微結(jié)構(gòu)的變化對薯渣物化性質(zhì)的影響卻不容忽視。

2.2 酶解前后馬鈴薯渣的物化性質(zhì)分析

2.2.1 陽離子交換能力測定。試驗(yàn)記錄不同處理馬鈴薯渣用NaOH溶液滴定過程中的pH變化情況，測定薯渣膳食纖維的陽離子交換能力，結(jié)果見圖4。馬鈴薯渣的膳食纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)中包含羧基、羥基和氨基等側(cè)鏈基團(tuán)，產(chǎn)生類似弱酸性陽離子交換樹脂的作用，可以與Ca2+、Zn2+、Cu2+、Pb2+等離子進(jìn)行可逆交換，改變它們在人體內(nèi)的瞬間濃度[11]，影響消化道的pH、滲透壓及氧化還原電位等，并出現(xiàn)一個(gè)更有利緩沖的環(huán)境以利于消化吸收。

對于膳食纖維，其滴定曲線斜率越陡，表明陽離子交換能力越強(qiáng)[12]。由圖4可以看出，樣品與原料的滴定曲線不同，樣品的滴定曲線斜率較陡，說明樣品的陽離子交換能力強(qiáng)，原料的滴定曲線斜率較緩，說明其陽離子交換能力較差。隨著pH的增加，樣品跟原料的滴定曲線趨于

一致，斜率略高于原料，說明在高堿性的條件下兩者的陽離子交換能力相接近。馬鈴薯渣固形物的主要成分是淀粉和纖維素，還有少量的果膠、蛋白質(zhì)、灰分等。造成陽離子交換能力不同的原因可能是馬鈴薯渣膳食纖維含有一定量的糖醛酸，通過酶解掉一部分包裹著纖維素的淀粉可以使纖維中更多的表面積、糖醛酸或離子鍵合位點(diǎn)暴露出來，從而提高了它的陽離子交換能力，可以為腸道提供一個(gè)更有利于消化吸收的環(huán)境。

2.2.2 酶解前后馬鈴薯渣的品質(zhì)分析。由表2所示，樣品的性質(zhì)與原料有所區(qū)別。馬鈴薯渣經(jīng)酶解后持水力、膨脹力、持油性與原漿相比均有所提高。這是因?yàn)槊附夂螅碓旅艿慕M織結(jié)構(gòu)被疏松，顆粒的比表面積、表面能和孔隙率提高[13]，纖維素和半纖維素中更多的親水性基團(tuán)暴露出來，顆粒與水的接觸面積、接觸部位增多，其分散性增強(qiáng)，因而持水力、膨脹力和持油力均有明顯提高。在此過程中，使用纖維素酶與樣品和原料分別反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)樣品的纖維素轉(zhuǎn)化率提高，這是因?yàn)闃悠方?jīng)處理后結(jié)構(gòu)疏松，可以與纖維素酶接觸的作用位點(diǎn)暴露的更多，因而更容易與纖維素酶作用。

乳化性即在乳狀液或食品中的持油能力，它是考察食物品質(zhì)的重要因子[14]，可以影響飼料的質(zhì)地和品質(zhì)。乳化性

主要包括乳化性（EA）和乳化穩(wěn)定性（ES）。從表2可以看出，樣品的EA為48.24%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原料（28.72%）。對于乳化穩(wěn)定性，樣品（66.11%）也優(yōu)于原料（45.92%），表明樣品纖維在親水基和疏水基間有較好的平衡，增強(qiáng)與水的親和力，能有效減小油的表面張力，且與持水力持油力的結(jié)果相一致。

淀粉顆粒層狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)是由交替的無定形層和結(jié)晶層構(gòu)成，當(dāng)?shù)矸勖概c其表面結(jié)合并進(jìn)入顆粒內(nèi)部，按照內(nèi)-外逐層消化與并行消化的模式均勻水解無定形區(qū)與結(jié)晶區(qū)，部分淀粉分子經(jīng)酶解產(chǎn)生小分子糖，樣品中單糖、二糖及五糖以下等小分子糖組分增加顯著，可以迅速被體內(nèi)吸收。酶解后，樣品的RDS片斷明顯增加，比原料提高了25.27%，說明薯渣中的淀粉經(jīng)酶解處理后SDS逐漸轉(zhuǎn)化為RDS，可以快速的被腸道消化吸收，與小分子糖含量測定結(jié)果一致。

3 結(jié)論

通過紅外光譜和X射線衍射法測量了馬鈴薯渣酶解處理前后結(jié)晶度指數(shù)和相對結(jié)晶度，2種方法測定結(jié)果基本一致。酶解后的薯渣結(jié)構(gòu)基團(tuán)沒有改變，纖維素的結(jié)晶度也沒有變化。

馬鈴薯渣經(jīng)酶解后持水力、持油力、膨脹力、乳化性和乳化穩(wěn)定性均有所提高，陽離子交換能力增強(qiáng)，薯渣經(jīng)處理后結(jié)構(gòu)松散，纖維素轉(zhuǎn)化率提高，作用位點(diǎn)可以更好地發(fā)揮作用，可以為腸道提供一個(gè)有助于消化吸收的環(huán)境，更加有利于作為飼料添加組分。

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責(zé)任編輯 徐麗華 責(zé)任校對 李巖