椰蓉膳食纖維的酶法提取與理化性質分析

張玉鋒，宋彥博，，王志煌，，陳衛軍，趙松林

（1.中國熱帶農業科學院椰子研究所，國家重要熱帶作物工程技術研究中心，海南省椰子深加工工程技術研究中心，海南文昌571339；2.海南大學食品學院，海南海口570228）

膳食纖維（Dietary Fiber，DF）是不能被人體小腸中內源性的酶水解、由10個或以上單體組成的碳水化合物聚合物的總稱，主要包括存在于日常食物中經物理、化學、酶法從食品原料中提取或人工合成的，并被官方證實的具有特定生理作用的碳水化合物聚合物[1]。根據溶解性的不同可將膳食纖維分為可溶性（Soluble Dietary Fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber，IDF）兩大類[2]。現代研究表明膳食纖維具有降低血清膽固醇、降低餐后血糖和胰島素水平、增加飽腹感、減輕慢性便秘和腸憩室等功效，被譽為“第七大營養素”[3]。近年來隨著飲食結構的改變，我國人民罹患肥胖、糖尿病、動脈硬化、腸癌等疾病的風險呈逐年增加的趨勢，這與膳食纖維的攝入不足有很大的關系[4]。如我國成年人平均每人每天攝入的膳食纖維僅為13.3 g左右，尚不到推薦攝入量的一半（30.2 g）。因此，尋求新的膳食纖維資源并進行日常膳食的纖維強化成為了國內外學者的重要研究課題。

椰蓉是新鮮椰肉粉碎并榨取椰奶后的副產物，經干燥脫水（水分至2.5%）后，其脂肪含量為42.6%，蛋白質4.2%，碳水化合物19.2%，粗纖維23.2%，是一種優良的膳食纖維資源，將其添加到食品中后會產生大量的短鏈脂肪酸（丁酸），可有效降低血糖水平，防止體重增加[5]。而目前國內外學者在椰蓉粉末的動力學特征、不同顆粒大小對椰蓉的水合性質、脂肪吸收能力和微觀結構的影響以及將椰蓉粗纖維添加到面條和餅干制品中研究其對食品感官和品質的影響等方面均有所報道[6-8]。但在椰蓉纖維的分類制備（SDF和IDF）及各組分的理化特性方面的研究報道尚未見到，因此本文擬在前期工作的基礎上研究椰蓉中膳食纖維的酶法制備工藝，分類制備SDF和IDF，并研究其理化特性，為提高椰蓉的附加值和后續開發利用提供理論指導和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料及試劑

新鮮椰蓉由海南文昌南椰實業有限公司提供；耐高溫α-淀粉酶（30 000 U/g）：湖南新鴻鷹生物工程有限公司；木瓜蛋白酶（≥3000U/g）、糖化酶（10萬U/mL）：阿拉丁試劑有限公司；氫氧化鈉、鹽酸、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉：均為分析純。

1.2 試驗方法

1.2.1 材料的預處理

新鮮椰蓉→60℃鼓風干燥箱（7 h）→粉碎→過篩（60目）→脫脂（椰蓉、石油醚質量體積比1∶4，浸泡過夜，脫脂3次）→60℃鼓風干燥箱（7 h）→密封保存

1.2.2 膳食纖維提取工藝流程

1.2.3 試驗設計與優化

在3種酶的最適水解溫度和pH值的基礎上進一步考察酶用量及水解時間對膳食纖維提取得率的影響。以提取率為考核指標，具體單因素試驗設計如表1所示，然后根據單因素試驗結果進行正交優化以確定最佳提取參數，并加以驗證。

表1 酶法提取試驗的因素水平表Table 1 Factors and levels of enzymatic extraction experiment

1.2.4 理化性質測定

溶脹力（Swelling Capacity，SC）的測定簡要過程：稱取干樣1.00 g，置入到50 mL量筒中，讀取樣品干樣體積，取30 mL去離子水加入到量筒中，于37℃下振蕩12 h，靜置12 h，讀取量筒中膨脹后的體積。

持油力（Oil Holding Capacity，OHC）的測定：稱取干樣1.00 g置于50 mL離心管中，加入25 mL花生油于離心管中，37℃振蕩1 h，3 000 r/min，離心20 min。去掉上層未被吸附的液體，用濾紙吸干殘液，稱重。

持水力（Water Holding Capacity，WHC）的測定：稱量干樣1.00 g置于50 mL離心管中，加入25 mL的去離子水，37℃振蕩1 h，在4 000 r/min條件下離心20 min，棄去上清液，用濾紙吸干殘液，稱重。

2 結果與分析

2.1 α-淀粉酶對椰蓉DF提取率的影響

α-淀粉酶的用量和水解時間對椰蓉DF提取率的影響結果見圖1和圖2。

圖1 α-淀粉酶用量對DF提取率的影響Fig.1 Effect of α-amylase dosage on DF extraction rate

圖2 α-淀粉酶作用時間對DF提取率的影響Fig.2 Effect of hydrolysis time on DF extraction rate

圖1、圖2可以看出：在α-淀粉酶用量低于0.2%時，DF提取率呈顯著增大趨勢；酶用量為0.2%時提取率最高，達86.39%；再增加酶用量，DF提取率基本不變且略有降低；而對α-淀粉酶的作用時間而言，在作用時間為45 min時，DF的提取率最高，可達86.02%；增加或縮短水解時間均會導致提取率的降低；因此選擇α-淀粉酶的用量0.1%～0.3%、作用時間30 min～60 min為正交試驗的水平范圍。

2.2 蛋白酶對椰蓉DF提取率的影響

蛋白酶對椰蓉DF提取率的影響見圖3、圖4。

由圖3可知，蛋白酶是DF酶法提取的關鍵用酶，隨著蛋白酶用量的增加，DF的提取率呈先增加再降低的趨勢，且在用量為0.2%時提取率達到最高為87.63%。由圖4可知，對蛋白酶作用時間來說，隨著時間的延長，DF的提取率迅速增加，而45 min以后，DF提取率基本不再變化（圖4）。這可能是因為在反應開始時，椰蓉濃度較高，DF濃度較低，反饋抑制效應小，酶促反應速率和DF的提取率較高；但隨著時間的增長，椰蓉濃度不斷減小、DF不斷積累，產物的負反饋抑制效應明顯增加，酶促反應速率和DF提取率則不再增加[9]。因此蛋白酶用量和作用時間分別選擇0.1%～0.3%和30 min～60 min作為后續正交試驗的水平范圍。

圖3 蛋白酶用量對DF提取率的影響Fig.3 Effect of protease dosage on DF extraction rate

圖4 蛋白酶作用時間對DF提取率的影響Fig.4 Effect of hydrolysis time on DF extraction rate

2.3 糖化酶對椰蓉DF提取率的影響

糖化酶對椰蓉DF提取率的影響結果見圖5、圖6。

可知：在糖化酶添加量小于30 μL/g時，DF的提取率隨著酶用量的增加而顯著提高。但當糖化酶用量大于30 μL/g時，DF得率逐漸降低（圖5）。糖化酶作用時間對DF提取率的影響與酶用量的作用結果類似，在作用時間為30 min時，DF提取率最高，而后提取率逐漸降低（圖6）。其原因可能是隨著酶用量的增加和作用時間的延長，膳食纖維（主要為IDF）中的纖維素和半纖維素等成分會因糖苷鍵和氫鍵等化學鍵的斷裂而降解成低聚糖或單糖等小分子產物，不易被乙醇沉淀，從而導致DF的提取率逐漸降低[10-11]。因此糖化酶的用量和作用時間分別以 20 μL/g～40 μL/g 和20 min～40 min為宜。

圖5 糖化酶用量對DF提取率的影響Fig.5 Effect of glucoamylase dosage on DF extraction rate

2.4 3種酶提取的正交優化

在上述單因素試驗的基礎上，選取α-淀粉酶的用量（A）和作用時間（B）、蛋白酶的用量（C）和作用時間（D）以及糖化酶的用量（E）和作用時間（F）6個因素，進行3水平正交試驗L18（37）優化，以確定椰蓉DF的酶法提取工藝，結果見表2。

圖6 糖化酶作用時間對DF得率的影響Fig.6 Effect of hydrolysis time on DF extraction rate

表2 酶法提取膳食纖維的正交試驗結果Table 2 Orthogonal test results of dietary fiber extracted by enzymatic extraction

根據R值的大小可知：3種酶對椰蓉DF提取率的影響大小順序分別為B＞A、D＞C、E＞F，即對于 α-淀粉酶和蛋白酶來說，酶解時間對椰蓉DF的影響大于酶用量，而對糖化酶來說，酶用量對DF提取率的影響大于酶解時間，這可能是不同酶的活力大小或者其自身特性不同的緣故。由K值可以看出酶法提取的最佳組合應為B2A3D2C2E1F2，即α-淀粉酶作用時間和用量分別為45 min和0.3%、蛋白酶作用時間和用量分別為45 min和0.2%、糖化酶用量和作用時間分別為20 μL/g和30 min。經3次重復驗證后得知：此工藝下椰蓉DF的提取率為89.68%。而第2組試驗（B2A1D2C2E2F2）的DF提取率也高達89.37%，只是α-淀粉酶和糖化酶的用量（0.1%和30 μL/g）與優化組略有差異。但從生產成本方面考慮，處理等量物料時，0.2%淀粉酶的價格要遠低于 10 μL/g糖化酶的價格，因此優化組（B2A3D2C2E1F2）更適合作為大批量原料處理和規模化生產的首選。

2.5 椰蓉膳食纖維的理化性質分析

在最佳酶法提取工藝的基礎上，按照1.2.2的操作分別制備了椰蓉SDF和IDF，進而對其理化性質（持水力、持油力和溶脹性）進行分析結果見表3。

結果表明：SDF因其較好的溶解性能，不再表現出吸水膨脹性；而IDF的的SC值約為椰蓉原料的1.5倍，均優于大豆副產品的溶脹性（9.09 mL/g）[12]，說明椰蓉IDF可作為一種保水組分應用到不同食品中，增加人們的飽腹感，減少其他食物的攝入量，進而起到一定的體重控制目的。

就OHC而言，IDF最高，椰蓉次之，SDF最低。但3種組分的OHC值均高于橘子膳食纖維（1.27 g/g）和麥麩（1.6 g/g），但是卻低于藻類的14.7 g/g和芒果果皮的4.65 g/g。說明椰蓉及其膳食纖維在一定程度上均可作為高纖維成分應用于需要滯留油脂、吸收膽固醇的食品中。另外，IDF的WHC值高達12.71 g/g，約為SDF的18倍；雖然顯著低于火龍果皮膳食纖維（30.95 g/g～54.20 g/g）[13]，但也略高或相當于蘋果、梨、香蕉、酸橙果皮等纖維的 WHC 值（6.3 g/g～12.8 g/g）[14]，因此，椰蓉IDF可以作為減少食品水分損失、降低熱量和改善黏度的一種功能性食品添加成分。因此，總體來說，制備所得的SDF和IDF與椰蓉相比在WHC、OHC和SC方面都有一定程度的改變或提升，即將椰蓉膳食纖維單獨提取制備，然后作為功能組分添加到食品中不僅能發揮更優越的加工特性，還會改善食品的營養和功能性質。

3 結論與討論

自從1953年Hipsplay第1次提出膳食纖維的概念至今，有關膳食纖維的測定、提取制備、功能評價及開發利用成為了國內外學者的研究熱點。膳食纖維也因其調節機體功能，改善人體營養狀況的獨特生理功能而被譽為“第七大營養素”。目前，國內外提取膳食纖維的方法主要有化學提取法、酶提取法、化學-酶結合提取法、膜分離法、發酵法和物理法[15]。其中以AOAC為中心的酶法，因其操作方便，不需高溫、高壓水解條件，節約能源，能處理大量樣品、可省去中和工藝及設備、產品純度高等優點，而被很多國家推薦作為膳食纖維的制備方法并實現自動化。因此本文研究了淀粉酶、蛋白酶和糖化酶提取制備椰蓉膳食纖維的工藝參數，結果表明在α-淀粉酶作用時間和用量分別為45 min和0.3%、蛋白酶作用時間和用量分別為45 min和0.2%、糖化酶用量和作用時間分別為20 μL/g和30 min的工藝下，椰蓉DF的提取率可達89.68%。與化學法制備（77.01%）相比，該法顯著提高了椰蓉DF的提取率，同時避免了鹽酸和氫氧化鈉等大量提取廢液的產生，具有良好的生態效益[16]。進一步分類制備所得的IDF和SDF與椰蓉原料相比，在理化性質（溶脹性、持水力和持油力）方面有了一定的改變或提升，且以IDF的SC、OHC和WHC最高，分別為15.33 mL/g、6.51 g/g和12.71 g/g，可以作為一種潛在的保持水分、改善食品品質的功能性膳食纖維添加組分，但其對食品品質的影響作用及體內外生理功能評價尚待進一步研究。

[1]Phillips G O.Dietary fibre:A chemical category or a health ingredient?[J].Bioactive Carbohydrates and Dietary Fibre,2013,1(1):3-9

[2]Westenbrink S,Brunt K,van der Kamp J W.Dietary fibre:Challengesin production anduse of food composition data[J].Food Chemistry,2013,140(3):562-567

[3]Fendri L B,Chaari F,Maaloul M,et al.Wheat bread enrichment by pea and broad bean pods fibers:Effect on dough rheology and bread quality[J].LWT-Food Science and Technology,2016,73(11):584-591

[4]Lottenberg A M P,Fan P L T,Buonacorso V.Effects of dietary fiber intake on inflammation in chronic diseases[J].Einstein,2010,8(2):254-258

[5]Yalegama L W C,Karunaratne D N,Sivakanesan R,et al.Chemical and functional properties of fibre concentrates obtained from byproducts of coconut kernel[J].Food Chemistry,2013,141(1):124-130

[6]Raghavendra S N,Rastogi N K,Raghavarao K S M S,et al.Dietary fiber from coconut residue:effects of different treatments and particle size on the hydration properties[J].European Food Research and Technology,2004,218(6):563-567

[7]Raghavendra S N,Ramachandra Swamy S R,Rastogi N K,et al.Grinding characteristics and hydration properties of coconut residue:A source of dietary fiber[J].Journal of Food Engineering,2006,72(3):281-286

[8]Yalegama L L W C,Chavan J K.Studies on utilization of coconut flour as a source of cell wall polysaccharides[EB/OL].[2017-07-25].http://dl.nsf.ac.lk/bitstream/handle/1/12149/PGIATAR-18-126.pdf?sequence=2.2006

[9]肖瓊.超聲波輔助植物纖維原料酶水解的研究[D].南京:南京林業大學,2006:33-42

[10]劉昊飛.豆渣水溶性膳食纖維酶法制備及其應用[D].哈爾濱:東北農業大學,2008:24-28

[11]鄧璀,李志建.酶-化學法提取石磨小麥麩皮不溶性膳食纖維工藝研究[J].河南工業大學學報,2015,36(2):13-16

[12]Rodriguez R,Jimenez A,Fernandezbolanos J,et al.Dietary fibre from vegetable products as source of functional ingredients[J].Trends in Food Science&Technology,2006,17(1):3-15

[13]Hassan F A,Ismail A,Hamid A A,et al.Characterisation of fibrerich powder and antioxidant capacity of Mangifera pajang,K.fruit peels[J].Food Chemistry,2011,126(1):283-288

[14]張玉鋒,孫麗平,莊永亮,等.火龍果皮中膳食纖維含量及其物理化學特性[J].食品科學,2012,33(19):164-167

[15]符瓊,林親錄,魯娜,等.膳食纖維提取的研究進展[J].中國食物與營養,2010,16(3):32-35

[16]宋彥博,張玉鋒,趙松林,等.椰蓉膳食纖維的提取工藝優化[J].食品工業,2016,37(11):132-135