香芋可溶性膳食纖維提取工藝及其性能研究

陳致印，胡一鴻，金晨鐘，朱定萍，王 瓊

（1.湖南人文科技學院生命科學系，湖南 婁底 417000；2.平涼市產品質量監督檢驗所，甘肅 平涼 744000）

膳食纖維是人體平衡膳食結構的必需營養素之一，不能被人體內消化酶分解和吸收，稱為“第七營養素”，對人體具有重要的生理功能[1-2]，如降低便秘、腸癌、肥胖癥、II型糖尿病和冠心病等慢性病的發生率。膳食纖維按其水溶性可分為不溶性膳食纖維（Insoluble dietary fiber，IDF）和可溶性膳食纖維（Soluble dietary fiber，SDF）兩類?？扇苄陨攀忱w維在許多方面的生理功能比不溶性膳食纖維更強[3]，其應用范圍更為廣泛。因此，可溶性膳食纖維的制備具有特別重要的意義。

香芋（Eolocasia esculenta schott）屬天南星科芋屬，為多年生單子宿根性草本植物，是熱帶亞太地區重要塊莖類作物之一[4]。香芋引進我國種植已久[5]，資源極為豐富，營養物質含量也高。香芋除了富含蛋白質、鈣、磷、鐵、鉀、鎂、鈉、胡蘿卜素、煙酸、B族維生素、皂角等多種成分外，還含有大量可溶性膳食纖維成分，如黏液多糖、黏液皂素、堿性物質等成分，具有重要的生理功能[6]。多年來，人們對香芋的研究主要集中在栽培方面，有關其深加工研究報道很少，目前仍沒有對其可溶性膳食纖維提取方法的研究報道。本試驗以香芋為原料，探討提取其中水溶性膳食纖維的方法，以期為香芋資源的深度開發提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

香芋（購于當地市場）；纖維素酶（20 000 U/g）（山東棗莊杰諾生物酶有限公司）；標準葡聚糖Dextran 2000（瑞典Phamrmacia公司）；氫氧化鈉、鹽酸、無水乙醇、等藥品均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

F160型粉碎機（北京中興偉業儀器有限公司）；R-201L旋轉蒸發儀（西安常儀儀器設備有限公司）；PHBJ-260便攜式pH計（上海將來實驗設備有限公司）；HH-8型恒溫水浴鍋（江蘇宏華儀器廠）；GZX-DH.300-BS-II電熱恒溫干燥箱（上海躍進醫療器械廠）；臺式離心機Thermo Scientific（Heraeus Megafuge 1.0 R）。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程 香芋→恒溫干燥（60℃）→粉碎→過篩（60目）→加水（香芋粉∶純凈水＝1∶40）→調pH值→纖維素酶酶解→恒溫水解→高溫滅酶（90℃，10 min）→冷卻→離心分離→

1.3.2 提取率測定方法 可溶性膳食纖維烘干至恒重，稱取質量，其與干樣品重的比值即為提取率，計算公式為：

1.3.3 性能測定方法 持水力（Water holding capacity,WHC）測定：準確稱取250 mg過40目篩的樣品，放入離心管中，加入25 mL去離子水，振蕩后在室溫下靜置60 min。離心（15 min,3 000 g），除去上清液，稱重，換算成每克干樣品保持水的量（g/g干物質）:

膨脹力（Swelling,SW）測定：稱取1.00 g過40目篩的樣品，放入20 mL的具塞刻度玻璃試管中，加入20 mL去離子水，振勻后在室溫（20℃）下放置16 h，觀察樣品在試管中的自由膨脹體積（mL）。按下面公式計算每克樣品的膨脹力（mL/g）：

1.3.4 單因素試驗和正交設計試驗 分別選取水浴溫度，pH值，提取時間，以及酶用量先進行單因素試驗。根據單因素試驗結果，采用4因素3水平L9（34）設計（表1）進行正交試驗。

表1 試驗選取因素及水平

2 結果與分析

2.1 提取因素對香芋可溶性膳食纖維提取率的影響

2.1.1 單因素試驗 圖1顯示，提取溫度在35～55℃時，可溶性膳食纖維提取率隨溫度的升高而升高；當提取溫度高于55℃時，可溶性膳食纖維提取率隨著溫度的升高而降低。這是由于可溶性膳食纖維主要成分為天然果膠和β-葡聚糖，如果膠、瓜爾豆膠、卡拉膠、黃原膠、甘露糖、葡聚糖、海藻酸鈉、真菌多糖等，提取溫度過高，會使其本身分子結構受到破壞，從而降低提取率[7]。因此，提取溫度控制在55℃左右較為適宜。

圖2顯示，隨著pH值的升高，可溶性膳食纖維提取率有所上升，至pH值為5.5達到最大，之后隨著pH值的升高提取率下降。這可能因為酶是一種特殊的蛋白質分子，其催化能力與pH值密切相關，當pH值超過酶活性的最佳范圍時，提取效率有所下降。

圖3顯示，可溶性膳食纖維提取率隨酶解時間延長而增加，但當酶解時間超過120 min后提取率增加的趨勢減緩。這可能是因為在提取過程中有效成分的濃度差是提取的推動力，在提取初期，濃度差大，提取速率快，產物增加得也快[8]；隨著提取時間的延長，溶劑中有效成分濃度增大，與固相中的濃度差逐漸變小，推動力也就變小，所以提取率減緩，直至提取達到平衡，產物濃度也趨于恒定[8]。因此試驗選定最佳酶解時間為120 min。

圖4顯示，隨著酶濃度的增加，可溶性膳食纖維提取率逐漸增加，當酶濃度達到2.5%時其提取率最高，達33.4%；隨著酶濃度的進一步的增加得率反而減少?？赡苁怯捎谙阌笾泻写罅坎蝗苄岳w維，酶濃度過低，不溶性纖維水解不完全，而酶濃度過高，使膳食纖維中可溶性纖維素等生理活性物質分解，造成提取率降低，所以纖維素酶的濃度以2.5%為最宜。

圖1 溫度對提取率的影響

圖2 pH值對提取率的影響

圖3 時間對提取率的影響

圖4 酶用量對提取率的影響

2.1.2 正交試驗 綜合考慮多因素相互作用對于香芋水溶性膳食纖維提取的影響，根據單因素的試驗結果，采用L9（34）正交設計對香芋水溶性膳食纖維提取的條件進行優化，重復2次，正交試驗結果見表2。

表2 正交設計與數據處理

根據極差分析，影響香芋水溶性膳食纖維得率的各因素主次關系依次為：水浴溫度（D）＞pH值（B）＞酶用量（A）＞提取時間（C），水浴溫度影響最大，水浴時間影響最小，最優組合為A1B1C3D2，即酶用量為2.0%，pH值為4.5，水浴時間150 min，水浴溫度為55℃。這與正交試驗中的最高提取率組合A3B1C3D2水平不一致，故需要驗證試驗。兩次驗證試驗得到的水溶性膳食纖維提取率分別為39.86%和39.90%，高于正交試驗中的最高提取率組合A3B1C3D2，因此采用A1B1C3D2組合，水溶性膳食纖維提取率能達到39.88%。

2.2 香芋可溶性膳食纖維性能

研究水溶性膳食纖維物理特性，能夠判斷香芋纖維生理性能。在最佳提取工藝條件制備下，香芋可溶性膳食纖維的溶脹性為8.53±0.32 mL/g（n=3），明顯高于豆渣的溶脹性6.33 mL/g，說明香芋纖維在增加糞便體積、稀釋潛在致癌物方面的生理功能具有更明顯的優勢。香芋纖維持水力為4.24±0.26 g/g（n=3），低于大豆纖維 5.56 g/g[9]，說明香芋纖維在增加水相體積，降低吸收速度和減少腸內吸收部位方面不及大豆纖維優越。

3 討論

采用纖維素酶提取香芋中可溶性纖維，利用單因素試驗和正交試驗，對影響其提取結果的相關因素進行試驗和探討，通過極差分析和驗證試驗得出，提取香芋可溶性膳食纖維的最佳工藝為：酶用量為2.0%，pH值為4.5，水浴時間150 min，水浴溫度為55℃，可溶性膳食纖維提取率能達到39.88%。其提取率明顯高于豆渣纖維的提取率13.7%，也高于花生纖維的提取率6.98%[10]。這可能是由于香芋原料中淀粉含量相對較高，或者香芋纖維的提取工藝較為優越。

香芋纖維溶脹性為8.53±0.32 mL/g，高于豆渣；持水力為4.24±0.26 g/g，低于大豆纖維。這可能是由于香芋纖維黏多糖的黏度較差所致，可以通過添加蔗糖、明礬、硼砂和pH值改變其黏度[10]，使其獲得更好的生理性能。

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