酶法改性對馬鈴薯渣膳食纖維單糖組分及理化性質的影響

張海芳，李艷，韓育梅，*，佟海龍，趙珺

（1.內蒙古化工職業學院材料工程系，內蒙古呼和浩特010010；2.內蒙古農業大學食品科學與工程學院，內蒙古呼和浩特010018）

膳食纖維（dietary fiber，DF）被稱為“第七營養素”，根據是否溶于水分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF） 和不可溶性膳食纖維 （insoluble diebary fiber，IDF）[1-2]。有研究表明，膳食纖維有降低血糖[3]、降低膽固醇、預防便秘、預防結腸癌等功能特性[4-5]，這些保健功能與其單糖組成以及鍵合結構有關。例如，阿拉伯糖可以阻斷蔗糖在腸道內的代謝，降低血糖水平[6]；半乳糖和半乳糖醛酸作為果膠及果膠類物質的主要組成部分，可以形成凝膠網狀結構吸附膽酸鹽、膽固醇等物質，從而降低人體膽固醇[7-8]；膳食纖維化學結構中含有很多親水基團，具有很強的持水力和結合水力，膳食纖維吸水后膨脹形成滑潤細膩的海綿狀膨潤物，有利于擴大糞便容積，產生自然通便作用，同時大大減少糞便中有毒有害物質對腸道黏膜細胞的毒害作用，從而降低腸道癌癥的發病率[9-10]。

酶法改性溫和高效，操作簡單，常用的酶有纖維素酶、半纖維素酶、木聚糖酶[11-12]。例如，莎日娜等[13]利用纖維素酶改性馬鈴薯膳食纖維后，持油力由2.85 g/g提高至3.62 g/g，陽離子交換力由0.27 mL/g 提高至0.64 mL/g。沈蒙等[14]用纖維素酶和半纖維素酶對黑豆皮可溶性膳食纖維進行改性，SDF 的持水力和膨脹力分別提高3.71%、10.97%。王佳等[15]用纖維素酶和木聚糖酶對竹筍膳食纖維進行改性處理，其膨脹力、持水力、持油力分別提高了61%、46%、31%。

本試驗選用纖維素酶、木聚糖酶、纖維素-木聚糖復合酶分別對馬鈴薯渣膳食纖維進行改性，并對其改性前后理化性質和單糖組成及含量進行分析，旨在為馬鈴薯渣膳食纖維研究提供理論依據，為今后淀粉副產物的綜合利用提供參考價值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯渣：呼和浩特市華歐淀粉廠；95 %乙醇、氫氧化鈉、鹽酸、硝酸銀、溴化鉀、葡萄糖、半乳糖、半乳糖醛酸、阿拉伯糖、木糖（均為分析純）、纖維素酶（≥5 000 U/g）：國藥集團化學試劑有限公司；高峰α-淀粉酶（≥4 000 U/g）：上海源葉生物科技有限責任公司；木瓜蛋白酶（≥50 萬U/g）：北京奧博星生物技術有限責任公司；木聚糖酶（≥5 000 U/g）：江蘇銳陽生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

HC-3018 高速離心機：安徽中科中佳科學有限公司；GZX-9076 數顯鼓風干燥箱：上海博迅實驗有限公司醫療設備廠；Waters e2695 高效液相色譜儀（示差折光檢測器）：科沃安生物科技有限公司；IRSffinity-1 傅里葉變換紅外分光光度計：日本島津公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 膳食纖維的制備

原馬鈴薯渣膳食纖維：參考莎日娜等[13]的方法，將干燥的馬鈴薯渣粉碎過篩后，按1 ∶10（g/mL）的料液比加入蒸餾水，調pH 值至6.0，加入α-淀粉酶和木瓜蛋白酶，60 ℃酶解30 min，去除淀粉和蛋白質，滅酶冷卻后加4 倍體積95%的乙醇，沉淀1 h，抽濾得到濾渣即為馬鈴薯渣膳食纖維，記為O-DF。

改性馬鈴薯渣膳食纖維：將原馬鈴薯渣膳食纖維按 1 ∶10（g/mL）的料液比加入蒸餾水，調 pH 值至 5.0，加入6%的纖維素酶或木聚糖酶（復合酶按1 ∶1 質量比混合），50 ℃酶解2 h，冷卻后抽濾得到濾渣即為改性馬鈴薯渣膳食纖維，在干燥箱烘干備用。

DF：滅酶冷卻后用95 %乙醇醇沉后抽濾得到的濾渣；IDF：滅酶冷卻后直接抽濾得到的濾渣；SDF：抽濾得到的濾液用95%乙醇醇沉后抽濾得到的濾渣。

1.3.2 改性前后馬鈴薯渣膳食纖維單糖含量的測定

參考 Qi Jing 等[16]的方法，準確稱取（200±1）mg 1.3.1 節中制取的樣品于試管中，每支試管加入（2.00±0.10）mL72%的H2SO4，攪拌至其充分水解；然后加入28.00 mL 去離子水，使H2SO4稀釋到7%，混合均勻，密封好后置于壓力鍋中，于121℃反應60 min，反應結束后冷卻至25 ℃。

色譜條件：采用Waters 2414 示差折光檢測器，色譜柱為Aminex HPX-87H column（300 mm×7.8 mm，9 μm），流動相為 5 mmol/L H2SO4；進樣體積是 20 μL；流速為0.5 mL/min；柱溫和檢測器溫度均為50 ℃。通過樣品與標準品物質進行比對進行定性分析，采用外標法進行定量分析。

1.3.3 改性前后馬鈴薯渣膳食纖維理化指標的測定

1.3.3.1 持水力的測定

準確稱量1.000 g 樣品于離心管中，加入20 mL 蒸餾水，混勻后靜置1 h，在6 000 r/min 的轉速下離心10 min，棄上清液，稱離心管和沉淀質量m1[17]。

式中：m0為離心管質量，g；m 為干燥樣品質量，g；m1為離心管和沉淀質量，g。

1.3.3.2 持油力的測定

準確稱量1.000 g 樣品于離心管中，加入20 mL 亞麻籽油，混勻后靜置1 h，在6 000 r/min 的轉速下離心10 min，棄上層油，稱離心管和沉淀質量m1[18]。

式中：m0為離心管質量，g；m 為干燥樣品質量，g；m1為離心管和沉淀質量，g。

1.3.3.3 溶解度的測定

準確稱取1.000 g 樣品于燒杯中，加入10 mL 蒸餾水，混勻后，25 ℃下靜置1h，在 6 000 r/min 的轉速下離心10 min，收集上清液于平皿中，烘干稱重m1。

式中：m1為烘干后的上清液+平皿質量，g；m0為平皿的質量，g；m 為樣品質量，g。

1.3.3.4 結合水力的測定

在錐形瓶中加入1.000 g 樣品，加入30 mL 蒸餾水，混勻后37 ℃水浴加熱1 h，用真空泵抽濾，記錄濾渣重量m1，將濾渣烘干至恒重后稱重m2。

式中：m1為濕濾渣質量，g；m2為濾渣烘干至恒重后的質量，g；m 為樣品質量，g。

1.3.4 陽離子交換力的測定

在錐形瓶中加入1.000 g 樣品和15 mL 的0.1 mol/L的HCl 溶液，置于37 ℃水浴鍋中24 h，將樣品取出后用真空泵進行抽濾，之后用蒸餾水沖洗至濾渣中不再含有Cl-（用AgNO3溶液檢驗），將濾渣轉移到錐形瓶中，加入100 mL 15 g/100 mL 氯化鈉溶液，搖勻，加入酚酞，用0.1 moL/L 的氫氧化鈉溶液進行滴定，淡紅色為終點，記錄氫氧化鈉溶液所用體積V1（mL）。同時以蒸餾水代替氯化氫溶液做空白試驗并記錄氫氧化鈉溶液所用體積V0（mL）[19-20]。

式中：m 為樣品質量，g；V1為測定時氫氧化鈉溶液所用體積，mL；V0為空白試驗氫氧化鈉溶液所用體積，mL。

1.3.5 紅外光譜測定方法

分別取少量烘干至恒重的4 種膳食纖維粉末及KBr 粉末以1 ∶100 的質量比混合，放入瑪瑙研缽中研磨均勻后壓片處理，并對樣品進行掃描。掃描條件：以KBr 為空白，掃描次數 32 次，掃描范圍（4 000 cm-1～450 cm-1），掃描分辨率為 4 cm-1。

1.4 統計分析

本試驗數據均為3 個平行樣的平均值，結果采用SPSS20.0 分析軟件和Origin7.5 進行處理，并對數據進行差異顯著性分析（p＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 單糖組分分析

原馬鈴薯渣膳食纖維和纖維素酶、木聚糖酶、復合酶改性后膳食纖維的單糖組成及所占百分比如表1所示。

4 種樣品均含有半乳糖醛酸、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖這5 種單糖組分，且均以葡萄糖為主，其次是半乳糖醛酸、半乳糖和木糖，阿拉伯糖含量均低于5%，說明馬鈴薯渣膳食纖維主要由纖維素中葡聚糖、半纖維素中木聚糖和阿拉伯木聚糖、果膠中聚半乳糖醛酸、果膠類物質中聚半乳糖構成。

表1 馬鈴薯渣膳食纖維改性前后單糖組分分析Table 1 Analysis of monosaccharide compositions before and after modified potato dregs dietary fiber

由表1 中還可得知，不同酶法改性前后膳食纖維中各單糖含量有顯著性差異。與原馬鈴薯渣膳食纖維相比，纖維素酶改性后，膳食纖維中半乳糖醛酸、半乳糖含量分別由10.14%、13.52%提高至14.82%、14.55%（p＜0.05），葡萄糖含量由55.25%降低到49.22%（p＜0.05），這可能是由于纖維素酶作用于纖維素，使部分不溶性纖維轉化成果膠和果膠類可溶性多糖，同時構成纖維素的葡聚糖減少。木聚糖酶改性后，膳食纖維中阿拉伯糖提高到4.79%（p＜0.05），木糖和葡萄糖分別降低到9.97%、52.53%（p＜0.05），可能是由于木聚糖酶降解半纖維素，使以木糖為主鏈的不溶性阿拉伯木聚糖轉化成可溶性木聚糖，同時以β-吡喃葡聚糖為主鏈的木糖葡聚糖轉化成阿拉伯半乳聚糖等可溶性低聚糖[21-22]。復合酶改性后膳食纖維中半乳糖醛酸、半乳糖、阿拉伯糖含量分別為15.19%、18.61%、4.85%，顯著高于纖維素酶改性和木聚糖酶改性；同時葡萄糖和木糖含量也顯著低于其他兩種酶法改性。由此可以看出，纖維素酶和木聚糖酶對馬鈴薯渣膳食纖維進行復合改性是正協同作用，使纖維素和半纖維素轉化成可溶性低聚糖，即IDF 向SDF 轉化，進而獲得高品質膳食纖維[23]。

2.2 不同酶處理改性后的馬鈴薯膳食纖維持水力的比較

不同酶處理改性后的馬鈴薯膳食纖維的持水力結果見圖1。

圖1 不同酶處理改性后的馬鈴薯膳食纖維的持水力Fig.1 Water holding capacity of the potato dietary fiber with different enzymatic modifications

由圖1 可知，經過不同酶法改性后馬鈴薯渣IDF和DF 的持水力均有所提高，其中復合酶改性的效果更為顯著，這可能是由于纖維素酶和木聚糖酶酶協同作用使DF 和IDF 結構變得疏松，增大了與水分的接觸面積。原馬鈴薯渣DF 持水力為2.93 g/g，經纖維素酶、木聚糖酶以及復合酶改性后DF 的持水力分別為3.46、4.59、6.29 g/g，與原 DF 相比分別提高了 18 %、57%和115%。如圖所示，經不同酶改性后IDF 的持水均有所增加，SDF 卻均降低。這可能是由于經過酶法改性后IDF 的分子鏈被酶切斷，空間網狀結構遭到破壞，更多親水基團暴露，增加了與水的接觸面積使得其持水力有所提高[24]。

2.3 不同酶處理改性后的馬鈴薯膳食纖維持油力的比較

不同酶處理改性后的馬鈴薯膳食纖維的持油力結果見圖2。

圖2 不同酶處理改性后的馬鈴薯膳食纖維的持油力Fig.2 Oil holding capacity of the potato dietary fiber with different enzymatic modifications

由圖2 可知，與原馬鈴薯渣膳食纖維相比，經纖維素酶、木聚糖酶、復合酶改性后DF 的持油力均有所提高，由 2.13 g/g 分別提高到 2.6、2.60、2.89 g/g，且分別提高了30%、8.2%和16.73%。這是由于酶法改性能改變DF 化學結構，暴露出一些親油基團，改性后DF 與油脂之間的結合能力增強，宏觀上呈現了持油力的提高。不同酶法改性后DF 持油力的強弱次序為復合酶改性＞纖維素酶改性＞木聚糖酶改性，復合酶改性效果顯著，而木聚糖酶改性低于其他兩種酶法改性可能是由于木聚糖酶對于馬鈴薯DF 水解程度過高，破壞了基礎的空間網狀結構，使其降低了對油脂的吸附能力，其次是由于原有的親水性基團暴露出來，讓持油力出現了下降的現象[25]。

2.4 不同酶處理改性后的馬鈴薯膳食纖維結合水力的比較

不同酶處理改性后的馬鈴薯膳食纖維的結合水力結果見圖3。

圖3 不同酶處理改性后的馬鈴薯膳食纖維的結合水力Fig.3 Water binding capacity of the potato dietary fiber with different enzymatic modifications

由圖3 可知，與原馬鈴薯渣DF 相比，纖維素酶、木聚糖酶、復合酶改性后DF 結合水力由4.71 g/g 分別提高到 5.12、5.19、5.99 g/g，且分別提高了 8.7%、10.19%和27.18%。馬鈴薯渣IDF 和DF 的結合水力的強弱次序均為復合酶改性＞木聚糖酶改性＞纖維素酶改性，復合酶改性的效果更為顯著。這是由于酶改變纖維結構，使親水基團暴露，空間網狀結構的面積增加，更多水分子被束縛在網狀結構內，從而表現為結合水力的增加[26]。

2.5 不同酶處理改性后的馬鈴薯膳食纖維溶解度的比較

不同酶處理改性后的馬鈴薯膳食纖維溶解度結果見圖4。

圖4 不同酶處理改性后的馬鈴薯膳食纖維溶解度Fig.4 Solubility of the potato dietary fiber with different enzymatic modifications

由圖4 可知，SDF 溶解度最高，改性后均達到80%以上，IDF 和DF 經不同酶法改性后溶解度也均有提高，其中復合酶改性的效果最顯著。與原馬鈴薯渣DF相比，經纖維素酶、木聚糖酶、復合酶改性后DF 溶解度由22.22%分別提高到28.38 %、28.71 %、32.28 %，且分別提高了27.72%、29.21%、45.27%。這可能是由于纖維素酶和木聚糖酶分別作用于不溶于水的纖維素和半纖維素，使其分子間氫鍵等鍵合力斷裂，形成無序結構，可溶性小分子增加，從而表現為溶解度的增加[5，27]。

2.6 不同酶處理改性后的馬鈴薯膳食纖陽離子交換力的比較

不同酶處理改性后的馬鈴薯膳食纖維的陽離子交換力結果見圖5。

圖5 不同酶處理改性后的馬鈴薯膳食纖維的陽離子交換力Fig.5 Cation exchange force of the potato dietary fiber with different enzymatic modifications

由圖5 可知，纖維素酶、木聚糖酶、復合酶改性后馬鈴薯渣IDF、SDF、DF 的陽離子交換力均有提高，說明纖維素酶和木聚糖酶均可使膳食纖維的長鏈斷裂，羧基、羥基等弱酸性基團暴露出來，離子結合位點增加，同時比表面積增大，最終表現為陽離子交換力增大。圖中還顯示，木聚糖酶改性IDF、SDF、DF 的陽離子交換力均大于纖維素酶改性，說明木聚糖酶可以使更多的側鏈基團暴露出來。原馬鈴薯渣DF 的陽離子交換力為0.22 mL/g，改性后分別提高到0.53 mL/g（纖）、0.50 mL/g（木）、0.60 mL/g（復合）且分別提高了 141%、127%和173%。

2.7 不同酶處理改性后的馬鈴薯膳食纖維紅外光譜分析

不同酶法改性前后馬鈴薯渣膳食纖維的紅外光譜測定結果見圖6。

圖6 不同酶處理改性后的馬鈴薯膳食纖維紅外光譜圖Fig.6 FTIR spectra of the potato dietary fiber with different enzymatic modifications

從圖6 中可以看出，原馬鈴薯渣膳食纖維和3 種酶法改性后的膳食纖維在某些波長處的吸收峰相似，只是吸收峰的強度和面積發生了改變。在3 500 cm-1～3 000 cm-1出現的寬峰是纖維素和半纖維素中O-H的伸縮振動，3 種酶法改性后的膳食纖維在此處吸收峰都比原膳食纖維寬，其中復合酶改性膳食纖維差異最顯著（p＜0.01），這是由于纖維素酶和木聚糖酶分別水解纖維素和半纖維素，使多糖糖苷鍵斷裂，游離羥基增多，從而使羥基的吸收峰增強[28]。在2 921 cm-1處波動范圍是糖類亞甲基上的C-H 伸縮振動特征峰；1 027 cm-1處波動范圍是纖維素和半纖維素中C-O 的伸縮振動，3 種酶法改性后此處吸收峰強度都增強，其中纖維素酶改性后膳食纖維在1 027 cm-1處吸收峰顯著增強。木聚糖酶和復合酶改性后膳食纖維在1 241 cm-1和898 cm-1附近出現的小峰分別是半纖維素中C=O 和阿拉伯糖基伸縮振動引起的，而其他兩種膳食纖維中未出現這兩種峰，這是由于木聚糖酶水解半纖維素，產生阿拉伯木聚糖，從而出現特征吸收峰[29]。在1 735 cm-1處波動范圍是木質素中苯環特征吸收峰；在1 614 cm-1處波動范圍是糖醛酸C=O 吸收峰，3 種酶法改性后此峰強度均增加，其中復合酶改性后膳食纖維在此波數處吸收峰顯著增強，表明兩種酶作用下纖維素和半纖維素同時被分解成可溶性小分子，氫鍵斷裂，產生更多纖維二糖及短鏈糖類[30]。

3 結論

本試驗對比了不同酶法處理后馬鈴薯渣膳食纖維的單糖組分和理化性質，研究表明，纖維素酶和木聚糖酶復合處理比用單一酶處理更顯著提高了馬鈴薯渣膳食纖維功能性單糖含量及其理化性質。單糖測定結果表明，3 種酶法改性后膳食纖維中均含有葡萄糖、半乳糖、半乳糖醛酸、阿拉伯糖、木糖5 種單糖，各單糖含量差異顯著（p＜0.05）。復合酶改性后膳食纖維持水力、持油力、結合水力、溶解度、陽離子交換力分別為 6.29 g/g、2.89 g/g、5.99 g/g、32.28%、0.60 mL/g，與原膳食纖維相比較分別提高了115.22%、16.73%、27.18%、45.27%、173.18%。原馬鈴薯渣膳食纖維和3 種酶法改性后的膳食纖維在某些波長處出現相似吸收峰，但吸收峰的強度和面積發生了改變。