藏藥蕨麻可溶性膳食纖維酶法提取工藝優(yōu)化

切吉卓瑪 ，李軍喬 *，李積雲(yún)

1. 青海民族大學青藏高原蕨麻研究中心（西寧 810007）；2. 青海省生物技術與分析測試重點實驗室（西寧 810007）；3. 青海民族大學生態(tài)環(huán)境與資源學院（西寧 810007）；4. 青海省科學技術信息研究所有限公司（西寧 810007）

蕨麻（Potentilla anserinaL.）又名“人參果”，是薔薇科（Rosacrae），委陵菜屬（Potentilla）的多年生草本，是一種匍匐莖克隆植物[1]。秋冬時節(jié)在青藏高原，蕨麻塊根膨大呈圓球狀、線結狀或棒狀，可供食用[2]。蕨麻在藏區(qū)已有悠久的食用歷史，它在藏族人民心目中是珍貴的食物和饋贈佳品。蕨麻經(jīng)加工后可以作為蕨麻罐頭、蕨麻飲料、蕨麻糕點、蕨麻啤酒等產(chǎn)品上市銷售，但蕨麻的深加工產(chǎn)品相對較少[3]。蕨麻的深加工產(chǎn)業(yè)一直受蕨麻產(chǎn)量較少、產(chǎn)區(qū)交通不便以及產(chǎn)區(qū)經(jīng)濟落后等條件的影響，發(fā)展較為緩慢。對蕨麻中的可溶性膳食纖維的提取工藝進行研究，了解蕨麻中可溶性膳食纖維的含量，有利于蕨麻深加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。此次試驗使用的原材料是青海蕨麻2號。青海蕨麻2號的塊根中糖分含量較高，鞣質(zhì)含量較少，口感好，更適宜作為食品原材料[3]。

膳食纖維（Dietary fiber）是一種碳水化合物，廣泛存在于植物中或由人工合成，也被稱為繼六大營養(yǎng)素之后的“第七大營養(yǎng)素”[4]。根據(jù)膳食纖維能否溶于水，可將其分為非可溶性膳食纖維（Insoluble dietary fiber，IDF）和可溶性膳食纖維（Soluble dietary fiber，SDF）[5]。木質(zhì)素、纖維素和半纖維素是市面上較為常見的三種非可溶性膳食纖維，它們主要存在于植物的細胞壁中[6]；在自然界的非纖維性物質(zhì)中，大量存在的果膠、菊粉和樹膠等物質(zhì)是可溶性膳食纖維[7]。膳食纖維多數(shù)是不溶性的，只有可溶性膳食纖維才能夠被人體消化吸收。可溶性膳食纖維能夠有效地增加腸道中的有益菌群活性，使有益菌群在腸道中大量繁殖，從而使得腸道更加健康化[8]。

根據(jù)前期研究，檢測出蕨麻中含有膳食纖維，可將蕨麻中的可溶性膳食纖維加以利用，提高蕨麻的經(jīng)濟價值。此次試驗以青海蕨麻2號為原材料，將蕨麻中的可溶性膳食纖維進行制備，并對其理化性質(zhì)進行簡單研究。以青海蕨麻2號為原料，利用酶解法對蕨麻中的膳食纖維進行提取，通過對酶解法提取工藝的優(yōu)化，為蕨麻的利用提供輔助依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試植物

青海蕨麻2號（下文中簡稱為蕨麻），采自青海省西寧市湟源縣克素爾鄉(xiāng)。清洗自然晾干的蕨麻，瀝干水分后，放入烘箱中，在60 ℃烘干，粉碎，過40目篩備用。

1.1.2 主要試劑

纖維素酶（酶活力為50 000 U/g），無水乙醇、乙酸、乙酸鈉均為分析純。

1.1.3 儀器與設備

DHG-9240 B智能型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海瑯玕實驗設備有限公司）；PL 203電子天平（梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）；R-205旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（上海申順生物科技有限公司）；W201D恒溫水浴鍋（上海申順生物科技有限公司）；Neofuge 23 R高速冷凍離心機（力新儀器（上海）有限公司）；HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋（上海梅香儀器設備廠）；FE 28-Standard pH計（梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）；XFB-400高速中藥粉碎機（吉首市中誠制藥機械廠）。

1.2 試驗方法

1.2.1 蕨麻可溶性膳食纖維酶解法提取工藝流程

蕨麻預處理→稱取適量蕨麻粉→酶解→抽濾→旋蒸濃縮→加醇沉淀→靜置過夜→離心取沉淀→干燥→蕨麻SDF

1.2.2 操作要點說明

準確稱取1 g蕨麻粉，按一定的料液比加入純水，混勻。加入一定量的纖維素酶，調(diào)節(jié)酶解溶液的pH到一定值。在一定的溫度條件下水浴進行酶解。酶解完成后趁熱抽濾，濃縮濾液至5～10 mL。在濃縮好的濾液中加入4倍體積的無水乙醇，靜置過夜。以4 000 r/min離心10 min，離心后取沉淀，100 ℃烘干即得蕨麻的SDF。

1.2.3 單因素試驗

選擇料液比、纖維素酶用量、酶解溶液pH、酶解溫度、酶解時間5個因素，分別考察這5個因素對蕨麻SDF提取率的影響。

1.2.3.1 料液比對蕨麻SDF提取率的影響

準確稱取1 g蕨麻粉，按料液比1∶10，1∶15，1∶20，1∶25和1∶30（g/mL）加入純水，混勻。加入200 U/g的纖維素酶，調(diào)節(jié)酶解溶液pH至4，在40 ℃條件下水浴2 h。后續(xù)步驟同1.2.2小節(jié)。在料液比不同的情況下，研究料液比與蕨麻SDF提取率的關系。

1.2.3.2 纖維素酶用量對蕨麻SDF提取率的影響

準確稱取1 g蕨麻粉，當料液比為1∶20（g/mL）時，混勻。加入200，250，300，350和400 U/g的纖維素酶，調(diào)節(jié)酶解溶液pH至4，在40 ℃條件下水浴2 h。后續(xù)步驟同1.2.2小節(jié)。在纖維素酶用量不同的情況下，研究纖維素酶用量與蕨麻SDF提取率的關系。

1.2.3.3 酶解溶液pH對蕨麻SDF提取率的影響

準確稱取1 g蕨麻粉，當料液比為1∶20（g/mL）時，混勻。加入200 U/g的纖維素酶，調(diào)節(jié)酶解溶液pH至3，3.5，4，4.5和5，在40 ℃條件下水浴2 h。后續(xù)步驟同1.2.2小節(jié)。在酶解溶液pH不同的情況下，研究酶解溶液pH與蕨麻SDF提取率的關系。

1.2.3.4 酶解溫度對蕨麻SDF提取率的影響

準確稱取1 g蕨麻粉，當料液比為1∶20（g/mL）時，混勻。加入200 U/g的纖維素酶，調(diào)節(jié)酶解溶液pH至4，在35，40，45，50和55 ℃條件下水浴2 h。后續(xù)步驟同1.2.2小節(jié)。在酶解溫度不同的情況下，研究酶解溫度與蕨麻SDF提取率的關系。

1.2.3.5 酶解時間對蕨麻SDF提取率的影響

準確稱取1 g蕨麻粉，當料液比為1∶20（g/mL）時，混勻。加入200 U/g的纖維素酶，調(diào)節(jié)酶解溶液pH至4，在40 ℃條件下水浴0.5，1，1.5，2和2.5 h。后續(xù)步驟同1.2.2小節(jié)。在酶解時間不同的情況下，研究酶解時間與蕨麻SDF提取率的關系。

1.2.4 正交試驗

依據(jù)單因素試驗，當料液比為1∶20（g/mL）時蕨麻SDF的提取率較高。同時為簡化試驗過程，將料液比定為1∶20（g/mL）進行正交試驗。當料液比固定不變時，以蕨麻SDF的提取率為指標。研究纖維素酶用量、酶解溶液pH、酶解溫度、酶解時間4個因素對SDF提取率的影響。對4個因素進行L9(34)正交試驗，探討這些因素對蕨麻SDF提取率的影響，進而對蕨麻SDF提取工藝進行優(yōu)化。表1為正交試驗的因素水平表。

表1 正交試驗因素水平表

1.2.5 蕨麻SDF提取率計算

1.2.6 蕨麻可溶性膳食纖維的理化性質(zhì)測定

1.2.6.1 持水力的測定

準確稱取250 mg蕨麻SDF樣品，置于10 mL離心管中。加入10 mL純水，搖勻，室溫下靜置1 h。以4 000 r/min離心15 min。取出后，棄去上清液，用濾紙吸干離心管內(nèi)壁殘留的水分，稱其質(zhì)量，計算持水力。

1.2.6.2 持油力的測定

準確稱取250 mg蕨麻SDF樣品，置于10 mL離心管中。加入10 mL花生油，搖勻，室溫下靜置1 h。以4 000 r/min離心15 min。取出后，棄去上層花生油，用濾紙吸干離心管內(nèi)壁殘留的油珠，稱其質(zhì)量，計算持油力。

1.2.6.3 溶脹性的測定

準確稱取250 mg蕨麻SDF樣品，置于10 mL試管中。加入5 mL純水，搖勻，室溫下放置24 h。讀取試管中蕨麻SDF的體積，計算每克蕨麻SDF的溶脹體積。

2 結果與分析

2.1 蕨麻可溶性膳食纖維提取的單因素試驗結果分析

2.1.1 料液比對蕨麻SDF提取效果的影響

按1.2.3.1的試驗方法進行試驗，結果見表2和圖1。當料液比為1∶20（g/mL）時，SDF的提取率最大，為6.35%；當料液比為1∶10（g/mL）時，蕨麻粉與純水之間接觸不完全，酶解溶液濃度過大，反應不完全。當料液比逐漸增大時，酶解溶液濃度逐漸降低。隨著酶解溶液濃度的降低，纖維素酶和底物均被不同程度地進行了稀釋，SDF的提取率也會隨之降低[4]。料液比的選擇也關系到后續(xù)試驗的進行，料液比過大會加重后續(xù)試驗的壓力。當純水的量增加時，旋蒸濃縮的時間被動增加。若不進行旋蒸濃縮，在醇沉時，無水乙醇的消耗量增加。從降低能源物料消耗的角度考慮，選擇料液比1∶20（g/mL）較為合適。

表2 料液比對SDF提取率的影響

圖1 料液比對SDF提取率的影響

2.1.2 纖維素酶用量對蕨麻SDF提取效果的影響

按1.2.3.2的試驗方法進行試驗，結果見表3和圖2。當纖維素酶用量為300 U/g時，SDF的提取率最大，為8.88%。當纖維素酶用量低于300 U/g時，SDF提取率逐漸上升。當纖維素酶用量為300 U/g時，SDF的提取率達到最高值，提取效果最佳。但當纖維素酶用量高于300 U/g時，SDF的提取率逐漸下降。這主要是纖維素酶的加入可以讓細胞壁發(fā)生降解，促進可溶性膳食纖維的溶出[4]。在底物的量不發(fā)生變化的前提下，當纖維素酶用量達到一個水平時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。隨著纖維素酶用量不斷提高，細胞壁已經(jīng)發(fā)生降解。當纖維素酶用量增加時，SDF的提取率逐漸會下降。由圖2可知，選擇纖維素酶用量300 U/g較為合適。

表3 纖維素酶用量對SDF提取率的影響

圖2 纖維素酶用量對SDF提取率的影響

2.1.3 酶解溶液pH對蕨麻SDF提取效果的影響

表4 酶解溶液pH對SDF提取率的影響

圖3 酶解溶液pH對SDF提取率的影響

按1.2.3.3的試驗方法進行試驗，結果見表4和圖3。當酶解溶液pH為4.5時，SDF的提取率最大，為7.00%。當酶解溶液pH為3.5～4.5時，SDF的提取率有上升的趨勢。當酶解溶液pH由4.5變?yōu)?時，SDF的提取率有下降的趨勢。纖維素酶的最適pH大多在4.5～5之間。若pH較低，反應體系呈酸性；若pH較高，反應體系呈堿性。反應體系呈現(xiàn)過酸或過堿的狀態(tài)會抑制酶的活性，對酶與底物的結合產(chǎn)生影響，進而影響產(chǎn)物的提取率[9]。由圖3可知，酶解溶液pH 4.5較為合適。

2.1.4 酶解溫度對蕨麻SDF提取效果的影響

按1.2.3.4的試驗方法進行試驗，結果見表5和圖4。當酶解溫度為40 ℃時，SDF的提取率最大，為7.33%。溫度在35～40 ℃之間，SDF的提取率逐漸上升。當溫度繼續(xù)升高時，SDF的提取率有所降低。當反應體系的溫度高于酶的最適溫度時，可能會使酶分子逐漸變性，使反應體系的反應速率降低，產(chǎn)物提取率下降，對SDF的提取率產(chǎn)生影響。由圖4可知，在40℃進行試驗較為合適[10]。

表5 酶解溫度對SDF提取率的影響

圖4 酶解溫度對SDF提取率的影響

2.1.5 酶解時間對蕨麻SDF提取效果的影響

按1.2.3.5的試驗方法進行試驗，結果見表6和圖5。當酶解時間為1 h時，SDF的提取率最大，為8.91%。當酶解時間為0.5～1 h時，SDF的提取率有上升的趨勢。當酶解時間超過1 h后，SDF的提取率有下降的趨勢。當反應體系中底物的量和纖維素酶的量一定時，纖維素酶與底物發(fā)生接觸以后，反應會逐步進行。反應時間過長，纖維素酶的量和能與纖維素酶發(fā)生反應的底物量都會有所減少，SDF的提取率會下降。在底物的量不變的前提下，反應時間越長，SDF的提取率會逐漸下降。故選擇1 h為酶解時間較為合適。

2.2 蕨麻可溶性膳食纖維提取的正交試驗結果與分析

當料液比固定不變時，研究纖維素酶用量、酶解溫度、酶解溶液pH、酶解時間這4個因素對SDF提取率的影響。由表7可以看出，各種因素對蕨麻可溶性膳食纖維提取率的影響依次為A＞B＞D＞C。也就是說對蕨麻可溶性膳食纖維提取率影響最大的因素是纖維素酶用量。然后是酶解溫度，其次是酶解時間，對蕨麻SDF提取率影響最小的是酶解溶液pH。提取蕨麻中SDF最優(yōu)的工藝流程是A3B3C2D1，即料液比為1∶20（g/mL），纖維素酶用量為350 U/g，酶解溫度為45℃，酶解溶液pH為4.5，酶解時間為1 h。在工藝流程下，蕨麻可溶性膳食纖維的提取率為6.53%。

表6 酶解時間pH對SDF提取率的影響

圖5 酶解時間pH對SDF提取率的影響

表7 正交試驗結果與分析

2.3 蕨麻可溶性膳食纖維的理化性質(zhì)測定結果

蕨麻可溶性膳食纖維的持水力為2.34 g/g，持油力為5.69 g/g，溶脹性為6.67 mL/g。由以上數(shù)據(jù)可知蕨麻可溶性膳食纖維的持油力和溶脹性較高，有較強的生理活性，具有一定的利用價值。

3 結論與討論

3.1 結論

提取可溶性膳食纖維的常用方法有酸法、堿法和酶法。此次試驗采用纖維素酶法來提取蕨麻中的SDF，該方法簡單易行，試驗條件較為溫和，可操作性強。用正交試驗對蕨麻中的可溶性膳食纖維提取工藝進行了優(yōu)化，得到了提取蕨麻中SDF最優(yōu)的工藝流程：料液比1∶20（g/mL），纖維素酶用量350 U/g，酶解溫度45 ℃，酶解溶液pH 4.5，酶解時間1 h。在此工藝流程下，蕨麻可溶性膳食纖維的提取率為6.53%。

3.2 討論

可溶性膳食纖維對人體有益，但在當今社會中，成年人和兒童的可溶性膳食纖維的攝取量不足指導攝入量的1/2。人們可以多吃水果、蔬菜以及谷物，從中攝取可溶性膳食纖維。攝入一定量的可溶性膳食纖維能有效降低患冠心病、糖尿病和肥胖癥的風險，同時還可以增強機體免疫力[11]。蕨麻是一種營養(yǎng)豐富的植物，具有極高的利用價值。通過試驗發(fā)現(xiàn)蕨麻的SDF具有一定的持水性、持油性和溶脹性。蕨麻的SDF可以吸收食物中的水分和油脂，并給人體提供一定的飽腹感，對人體健康有益。