紅薯膳食纖維提取工藝優(yōu)化試驗(yàn)

唐興興+黃升謀

摘要：以紅薯為原料，對影響紅薯可溶性膳食纖維提取的因素（料液比、溶液pH值、溫度、纖維素酶添加量和酶解時(shí)間5個(gè)因素）進(jìn)行了單因素試驗(yàn)，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了正交試驗(yàn)，得到了纖維素酶制備紅薯可溶性膳食纖維的最佳條件：料液比1∶12、溫度55 ℃，pH值為6，纖維素酶的添加量20 U/g，酶解時(shí)間2 h。以此條件提取的紅薯水溶性膳食纖維的含量高達(dá)20.91%，能顯著提高紅薯水溶性膳食纖維的提取率。

關(guān)鍵詞：紅薯； 纖維素酶； 膳食纖維； 提取

中圖分類號(hào)：TS25

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16749944（2017）22015402

1 引言

紅薯含有大量膳食纖維，可以預(yù)防心血管疾病、糖尿病、癌癥等疾病的發(fā)生[1]。但由于我國綜合利用程度低，每年除少數(shù)被用作飼料外，大量紅薯膳食纖維被丟棄而腐敗酸化[2]，造成浪費(fèi)和環(huán)境污染[3] 。

近年來，紅薯膳食纖維的提取[4]以及在食品工業(yè)中應(yīng)用的研究開發(fā)取得了一定進(jìn)展 [5]。目前紅薯膳食纖維的提取主要有篩法[6]、直接水提法、化學(xué)提取法和酶提法。篩法和直接水提法方法簡單，但是得到的產(chǎn)品中膳食纖維的含量較低，化學(xué)提取法制備的產(chǎn)品中膳食纖維含量高，但工藝比較復(fù)雜，時(shí)間過長，難用于工業(yè)化生產(chǎn)；酶提法復(fù)雜程度一般，制備的產(chǎn)品膳食纖維含量較高。

研究聯(lián)合直接水提法和酶提法提取紅薯渣膳食纖維，用四因素三水平正交試驗(yàn)對影響紅薯渣水溶性膳食纖維含量的4個(gè)主要因素（pH值、溫度、纖維素酶添加量以及酶解時(shí)間）進(jìn)行優(yōu)化，篩選出最佳工藝的條件。

2 試驗(yàn)材料和設(shè)備

2.1 原料和試劑

原料： 紅薯（市售）；

試劑：a＼|淀粉酶（食品級(jí)），北京美的生物技術(shù)有限公司；

木瓜蛋白酶（食品級(jí)），廣西南寧龐博生物工程有限公司；

脂肪酶（食品級(jí)），京美的生物技術(shù)有限公司；

氫氧化鈉（國產(chǎn)分析純），東莞市喬科化學(xué)有限公司；

鹽酸（國產(chǎn)分析純）， 南寧市鑫浩達(dá)化工有限公司；

磷酸氫二鈉（國產(chǎn)分析純），南寧市鑫浩達(dá)化工有限公司；

丙酮 （國產(chǎn)分析純），南寧市鑫浩達(dá)化工有限公司。

2.2 試驗(yàn)器材

HH1數(shù)顯恒溫水浴鍋，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；

HX-OIN抽濾機(jī)，恒信世紀(jì)科技有限公司；

高速組織搗碎機(jī)DS-1，無錫沃信有限公司；

LD-Y300A粉碎機(jī)，上海項(xiàng)帥電器有限公司；

YP6000電子天平，上海佑科儀器儀表科技有限公司；

100 mL移液槍，上海精密儀器儀表有限公司。

3 試驗(yàn)方法

3.1 紅薯可溶性膳食纖維提取工藝流程

取無病蟲害的薯塊，去除須根，用清水洗凈表面的泥沙等雜質(zhì)，切成小塊后曬干，破碎成2 cm大小的碎塊，加水混合， 搗碎機(jī)搗碎， 用4層紗布過濾，同時(shí)不斷加水淋洗，再通過8層紗布二次過濾。將濾渣烘干即為紅薯可溶性膳食纖維提取樣品。

取上述烘干樣品，清水漂洗后干燥粉碎，過60目篩，在室溫下按料液比加入0.2 mol/L氫氧化鈉溶液，用磷酸緩沖液調(diào)整pH值，浸泡1 h， 用α-淀粉酶水解0.5 h[7]，木瓜蛋白酶水解0.5 h[8]，脂肪酶水解1 h[9]，然后按要求用纖維素酶處理，最后用乙醇沉淀，再將沉淀過濾，將殘?jiān)靡掖己捅獩_洗，干燥即得總膳食纖維（TDF）。將TDF用蒸餾水溶解，過濾，將濾出液用4倍量的95%乙醇沉淀，然后再過濾，干燥，稱重即得可溶性膳食纖維（SDF）。

3.2 纖維素酶用量對紅薯水溶性膳食纖維含量的影響

取10 g樣品，按料液比為1∶12， pH值為6， 溫度為55 ℃， 酶解時(shí)間2 h，研究纖維素酶用量為10 U/g、15 U/g、20 U/g、25 U/g、30 U/g時(shí)對水溶性膳食纖維提取的影響。

3.3 纖維素酶酶解時(shí)間對紅薯水溶性膳食纖維含量的影響

取10 g樣品，按料液比為1∶12，pH值為6，溫度為55 ℃，維素酶用量為20 U/g，研究酶解時(shí)間0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h對SDF（水溶性膳食纖維） 提取的影響。酶解時(shí)間到時(shí)對酶進(jìn)行高溫滅活，防止在測定過程中酶解反應(yīng)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.4 料液比對紅薯水溶性膳食纖維含量的影響

取10 g樣品，按pH值為6， 溫度55 ℃， 維素酶用量20 U/g， 酶解時(shí)間2 h，研究料液比為1∶5、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14時(shí)，對SDF（水溶性膳食纖維） 提取的影響。

3.5 溫度對紅薯水溶性膳食纖維含量的影響

取10 g樣品，按料液比為1∶12，pH值為6，維素酶用量20 U/g， 酶解時(shí)間2 h，研究溫度為40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃時(shí)，對SDF（水溶性膳食纖維）提取的影響。

3.6 pH值對紅薯水溶性膳食纖維含量的影響

取10 g樣品，按料液比為1∶12，pH值為6，溫度55 ℃， 維素酶用量20 U/g， 酶解時(shí)間2 h，研究 pH值為4.5、5、5.5、6、6.5對水溶性膳食纖維提取的影響。

3.7 紅薯膳食纖維提取的最適條件

根據(jù)以上各單因素試驗(yàn)的結(jié)果，選取pH、溫度、纖維素酶添加量以及酶解時(shí)間做四因素三水平的正交試驗(yàn)，如表1。

4 結(jié)果及分析

4.1 纖維素酶用量對水溶性膳食纖維含量的影響

當(dāng)?shù)孜餄舛纫欢〞r(shí)，當(dāng)酶的用量小于最適用量時(shí)，酶解反應(yīng)的速度會(huì)隨著酶用量的增加而增快；當(dāng)酶的用量大于最適用量時(shí)，酶解反應(yīng)速度反而隨著酶用量的增加而減慢。由圖1可知，當(dāng)纖維素酶的用量小于15 U/g時(shí)，水溶性膳食纖維的含量隨著酶量的增加而增加，酶用量達(dá)到15 U/g時(shí)，水溶性膳食纖維的含量隨著酶用量的增加而下降。分析表明，纖維素酶用量增加可能促進(jìn)細(xì)胞壁的分解，促進(jìn)SDF的溶出，提高SDF的提取率，當(dāng)纖維素酶用量達(dá)到飽和后，不會(huì)有大量的的細(xì)胞壁隨纖維素酶用量增加而降解，反而會(huì)使SDF被纖維素酶降解，聚合度降低，導(dǎo)致SDF提取率下降。endprint

4.2 酶解時(shí)間對水溶性膳食纖維含量的影響

由圖2可以看出，在酶解時(shí)間2 h以內(nèi)時(shí)，水溶性膳食纖維的含量隨著酶解時(shí)間的延長而增加，當(dāng)酶解時(shí)間到達(dá)2 h以后，水溶性膳食纖維的含量隨著酶解時(shí)間的延長略有降低。其原因是隨著酶解時(shí)間的進(jìn)一步延長，纖維素酶會(huì)分解已經(jīng)溶出的SDF，導(dǎo)致SDF聚合度降低，提取率下降。

4.3 料液比對水溶性膳食纖維含量的影響

由圖3可以看出，水溶性膳食纖維的含量隨著料液比的增加而逐漸升高，而當(dāng)料液比超過1∶12時(shí)，水溶性膳食纖維的含量下降。分析表明，酶濃度不變，當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時(shí)，酶促反應(yīng)速度隨底物濃度的增加而增加，當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾拥揭欢〞r(shí)，反應(yīng)速度達(dá)到最大值，料液比的增大減小了底物濃度，增大了酶與底物的作用空間，因此，反應(yīng)速度下降。

4.4 溶液pH值對水溶性膳食纖維含量的影響

酶的活力與所處環(huán)境的pH值密切相關(guān)，且每種酶都有其最適pH值，當(dāng)所處環(huán)境中pH值高于或低于此值時(shí)，該酶的活力會(huì)下降。纖維素酶作用的最適pH為4.5～6[10]。由圖4可以看出，SDF的含量隨著pH的增加而增加，當(dāng)pH達(dá)到6后，SDF的含量隨著pH值的增加而明顯降低。

4.5 溫度對水溶性膳食纖維含量的影響

根據(jù)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理可知，酶在最適溫度時(shí)活力是最大的，當(dāng)酶處于低于其最適溫度的環(huán)境中時(shí)，酶促反應(yīng)隨著溫度的升高而逐漸加快；當(dāng)環(huán)境溫度高于其最適溫度時(shí)，酶的活性隨著溫度的升高而逐漸下降。由圖5可知，SDF（水溶性膳食纖維）開始時(shí)隨反應(yīng)溫度的升高而逐漸增加，而當(dāng)溫度達(dá)到50 ℃時(shí)，水溶性膳食纖維含量隨著溫度的升高而呈現(xiàn)明顯下降。

4.6 紅薯膳食纖維提取的最適條件

根據(jù)以上各單因素試驗(yàn)的結(jié)果，選取pH、溫度、纖維素酶添加量以及酶解時(shí)間做四因素三水平的正交試驗(yàn)，研究其相互作用對水溶性膳食纖維含量的影響。結(jié)果如表2所示。

從正交試驗(yàn)結(jié)果可知： 影響膳食纖維制備的主次因素順序?yàn)椋築>A>C>D。對水溶性膳食纖維含量的影響最大的是溫度，其次是pH值，再次是纖維素酶的添加量，最后才是酶解時(shí)間。該纖維素酶作用的最適條件為：B1A1C3D3，溫度55 ℃，pH值為6，纖維素酶的添加量20 U/g，酶解時(shí)間2 h。試驗(yàn)表明，纖維素酶在最佳條件下酶解紅薯，水溶性膳食纖維的含量高達(dá)20.91%，大大的提高了紅薯水溶性膳食纖維的提取率。

5 小結(jié)和討論

本研究表明，在料液比1∶12、溫度55 ℃，pH值為6，纖維素酶的添加量20 U/g，酶解時(shí)間2 h的提取條件下，得到的水溶性膳食纖維含量最高。溫度對于酶結(jié)構(gòu)的影響最大，當(dāng)溫度過高或過低時(shí)，酶的蛋白質(zhì)結(jié)合結(jié)構(gòu)域發(fā)生變化，影響與底物的結(jié)合，最終導(dǎo)致反應(yīng)變慢或停止。纖維素酶酶結(jié)構(gòu)域賴氨酸較多，賴氨酸是一種堿性氨基酸，pH值對其帶電性影響較大，隨著pH值的改變，賴氨酸殘基帶電性隨之變化，影響了與底物的結(jié)合，所以導(dǎo)致反應(yīng)變慢或停止。而酶的添加量和酶解時(shí)間雖然對水溶性膳食纖維的提取有一定的影響，但在本實(shí)驗(yàn)所取值區(qū)間內(nèi)影響不大，所以對水溶性膳食纖維的含量影響最小。

從本研究可知，單因素試驗(yàn)中最佳溫度50 ℃，纖維素酶的添加量15 U/g，在正交實(shí)驗(yàn)中最佳溫度55 ℃，纖維素酶的添加量20 U/g，說明溫度和纖維素酶的添加量與pH和酶解時(shí)間互作明顯，其原因有待進(jìn)一步研究。

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Abstract： The sweet potato was used as the raw material to carry out the single-factor experiment on the factors that affect the extraction of soluble dietary fiber of sweet potato （solid-liquid ratio， solutionpH， temperature， temperature，amount of cellulase and enzymolysis time）. The optimal conditions of extraction of soluble dietary fiber form sweet potato by cellulase are as follows： the ratio of material to liquid was 1：12； temperature was 55； pH was 6； cellulase dosage was 20U/g；enzymolysis time was 2 hours. The content of soluble dietary fiber extracted under this condition form sweet potato is up to 20.91%， which greatly improves the extraction rate of sweet potato soluble dietary fiber.

Key words： sweet potato；cellulose；dietary fiber；extractionendprint