纖維素酶法制備高品質紅薯渣膳食纖維條件的研究

倪文霞，王尚玉，王宏勛，黃澤元

(武漢工業學院食品科學與工程學院，湖北武漢430023)

纖維素酶法制備高品質紅薯渣膳食纖維條件的研究

倪文霞，王尚玉，王宏勛，黃澤元*

(武漢工業學院食品科學與工程學院，湖北武漢430023)

以紅薯渣為原料，對纖維素酶法制備高品質膳食纖維的條件進行實驗研究。對影響可溶性膳食纖維含量的因素進行單因素實驗，在此基礎上進行正交實驗，得到纖維素酶制備高品質紅薯渣膳食纖維的最佳條件為:溫度45℃，pH5，纖維素酶的添加量20U/g，酶解時間2.5h。在此工藝條件下，水溶性膳食纖維的含量由原來的4.26%提高到20.91%。

紅薯渣，纖維素酶，高品質膳食纖維

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅薯渣 湖北鳳凰薯業有限公司提供，水分5.13%、蛋白質2.63%、粗脂肪1.35%、淀粉51.53%、SDF4.26%、IDF38.04%;纖維素酶(酶活力≥15000U/g)、石油醚、無水乙醇、硫酸銅、硼酸 分析純，國藥集團化學試劑有限公司;α－淀粉酶 酶活力3000～5000U/g，北京雙旋微生物培養基制品廠;胰蛋白酶酶活力2500000U/g，北京格源天潤生物技術有限公司;淀粉葡萄糖苷酶 酶活力100000U/g，上海滬峰生化試劑有限公司;重絡酸鉀 分析純，大連市金州區化學試劑廠;三羥甲基氨基甲烷 分析純，國藥集團化學試劑有限公司;乙酸 分析純，廣州市南加化工有限公司;丙酮 分析純，天津市恒發化學試劑有限公司;氫氧化鈉 分析純，杭州蕭山化學試劑廠。

FA/MA分析天平 上海良平儀器儀表有限公司;HH.S11－1電熱恒溫水浴鍋 廣州滬瑞明儀器有限公司;梅特勒FE20K酸度計 北京聯合科儀科技有限公司;BPJ－9070A數顯鼓風干燥箱 上海和呈儀器制造有限公司;SHB－III循環水式真空泵 上海楚粕實驗室設備有限公司;LX/10馬弗爐 常州市興光窯爐有限公司;KDN－05A自動凱氏定氮儀 上海貝特儀電設別廠;JK08/STSXT－02索氏抽提器 安徽佳科儀器儀表設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 紅薯渣的預處理 原料粉碎，過80目篩，水分含量控制為5.13%。

1.2.2 單因素實驗 在纖維素酶作用下，大分子的纖維素可降解成低分子的多糖、單糖，使部分不溶性纖維轉化成可溶性纖維，從而增加可溶性纖維的含量。根據資料顯示，纖維素酶適宜使用條件為:溫度50℃，pH 4.5～5.0［10］。選用不同的料液比(1∶8、1∶10、1∶12、1∶14、1∶16)、pH(4、4.5、5、5.5、6)、溫度(40、45、50、55、60℃)、酶用量(10、15、20、25、30U/g)和酶解時間(0.5、1、1.5、2、2.5h)進行單因素實驗。

1.2.3 正交實驗 正交實驗因素和水平見表1。

表1 正交實驗因素和水平Table 1 Factors and level of orthogonal test

1.2.4 分析測定方法 蛋白質含量的測定按GB/ T5009.5－2010方法［11］;脂肪含量的測定按 GB/ T5009.6－2003方法［12］;灰分含量的測定按 GB/ T5009.4－2003方法［13］;淀粉含量的測定按 GB/ T5009/9－2008方法［14］;不溶性膳食纖維的測定按GB/T5009.88－2008方法［15］;可溶性膳食纖維的測定按GB/T5009.88－2008方法［15］。

2 結果與分析

2.1 料水比對SDF含量的影響

在pH5，溫度50℃，酶用量20U/g，酶解時間2h不變的條件下，就不同的料液比1∶8、1∶10、1∶12、 1∶14、1∶16進行單因素實驗。由圖1可知，隨著料液比的增加，SDF含量逐漸升高，因為水的增加對底物和酶的濃度有稀釋作用，增大了酶與底物的作用空間。結果顯示，當料液比大于1∶12時，SDF含量隨料液比的減小而增加，當料液比小于1∶12時，SDF含量有下降趨勢。由此可推斷出，較合適的料液比是1∶12，在此條件下，SDF含量高。

圖1 料液比對SDF含量的影響Fig.1 The effect of the proportion of the material and liquid on the content of SDF

2.2 pH對SDF含量的影響

環境pH直接影響到酶和底物的解離狀態，從而影響酶與底物的結合和反應速度。在某一pH時，酶活性達最大值，這一pH稱為酶的最適pH。環境pH高于或低于最適pH時，酶的活性降低，反應速度下降，遠離最適pH時，甚至會導致酶的變性失活。在料液比1∶12，溫度50℃，酶用量20U/g，酶解時間2h不變的條件下，就不同的pH 4、4.5、5、5.5、6進行單因素實驗。由圖2可知，當pH為5.5時，SDF的含量較高。由此可以推斷出，5.5是該纖維素酶的較適pH，在此條件下，纖維素酶活性較大，因而反應速度快，SDF含量較高。

圖2 pH對SDF含量的影響Fig.2 The effect of pH on the content of SDF

2.3 溫度對SDF含量的影響

酶作為生物催化劑，和一般催化劑一樣呈現出溫度效應，一方面，升高溫度可以增加活化分子數目，提高酶促反應速度;另一方面，當溫度超過一定范圍時，又會加速酶蛋白的變性速度，增加了酶的熱變性。根據酶促反應動力學原理，當酶在低于其最適溫度時，隨著溫度升高，反應速度逐漸加快;當溫度高于其最適值時，酶會隨著溫度的升高而逐漸變性，反應速度下降。在料液比1∶12，pH 5.5，酶用量20U/g，酶解時間2h不變的條件下，就不同的溫度40、45、50、55、60℃進行單因素實驗。由圖3可知，隨著反應溫度的升高，SDF含量逐漸增加，當溫度達到50℃時，SDF含量開始下降。由此可以推斷出，50℃是該纖維素酶作用的較適溫度。在此條件下，酶的活化分子數目大，因而酶促反應速度高，SDF的含量高。

圖3 溫度對SDF含量的影響Fig.3 The effect of temperature on the content of SDF

2.4 酶用量對SDF含量的影響

一般來說，當酶的濃度較小，底物濃度大大高于酶，則酶的濃度與反應速度成正比;當底物濃度一定時，酶的濃度繼續增加到一定值以后，其反應速度并不加快，甚至可能促使酶促反應過早停止。在料液比1∶12，pH 5.5，溫度50℃，酶解時間2h不變的條件下，就不同的酶用量10、15、20、25、30U/g進行單因素實驗。由圖4可知，當酶用量為10～15U/g時，隨著酶量的增加，SDF含量快速增加，加酶量高于15U/g時，SDF含量反而緩慢下降。由此可推斷出，酶用量為15U/g是該纖維素酶的最適用量，在此條件下，酶與底物能更快更好地結合，因而酶促反應速度快，SDF含量高。

圖4 酶用量對SDF含量的影響Fig.4 The effect of the amount of enzyme on the content of SDF

2.5 酶解時間對SDF含量的影響

酶解時間過短，會使酶促反應不完全;酶解時間過長，又造成浪費。在料液比1∶12，pH 5.5，溫度50℃，酶用量為15U/g不變的條件下，就酶解時間0.5、1、1.5、2、2.5h進行單因素實驗。由圖5可知，SDF含量隨著酶解時間的延長而逐漸增加，當酶解時間超過2h時，SDF含量雖有所增加，但變化并不顯著。由此可以推斷出，該纖維素酶解的較適時間是2h，在此條件下，酶促反應較徹底，SDF含量高。

2.6 高品質紅薯渣膳食纖維制備的正交實驗結果與分析

根據以上單因素實驗結果，選取溶液pH、溫度、纖維素酶添加量、酶解時間作四因素三水平的正交實驗，以研究其相互作用對SDF含量的影響。正交實驗結果見表2。

圖5 酶解時間對SDF含量的影響Fig.5 The effect of enzymatic hydrolysis time on the content of SDF

表2 正交實驗結果Table 2 Result of orthogonal test

通過對纖維素酶法制備高品質紅薯渣膳食纖維的條件進行單因素實驗的基礎上，進行正交實驗，以SDF含量為判斷指標，得到纖維素酶法制備高品質紅薯渣膳食纖維的最佳實驗條件。對正交實驗的結果進行分析，可以看出，影響高品質紅薯渣膳食纖維制備的主次因素順序為:B＞A＞C＞D。說明溫度的影響最大，其次是溶液的pH，再次是纖維素酶的添加量，最后是酶解時間。由表2可以得到產品的最佳實驗條件為:B1A1C3D3，即溫度為45℃，溶液的pH為5，纖維素酶的添加量為20U/g，酶解時間為2.5h。通過實驗驗證，最佳實驗條件下，SDF的含量為20.91%，高于正交實驗結果，而紅薯原渣SDF含量僅為4.26%。經該實驗條件處理，紅薯渣中SDF含量得到顯著提高，達到了預期效果。

3 結論

3.1 酶法制備高品質紅薯渣膳食纖維，高效、安全，具有很好的應用前景。纖維素酶法制備高品質膳食纖維的最佳工藝條件:提取溫度為45℃，溶液的pH為5，纖維素酶的添加量為20U/g，酶解時間為2.5h。

3.2 經過纖維素酶解反應，紅薯渣中SDF的含量明顯提高，SDF的含量由原來的4.26%提高到20.91%，大大改善了紅薯渣中SDF與IDF的比例。

3.3 由于SDF含量的提高，很大程度上改善了紅薯渣的品質和口感。因此，經處理后的紅薯渣膳食纖維可加工成高質量、高附加值、用途廣泛的低熱量、純天然產品，在食品生產加工業應用領域有廣泛的應用潛力。

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［11］食品安全國家標準.GB/T5009.5－2010食品中蛋白質的測定［S］.

［12］GB/T5009.6－2003食品中脂肪的測定［S］.

［13］GB/T5009.4－2003食品中灰分的測定［S］.

［14］GB/T5009.9－2008食品中淀粉的測定［S］.

［15］GB/T5009.88－2008食品中膳食纖維的測定［S］.

Research of the conditions of high quality dietary fiber from sweet potato residue by cellulose preparation

NI Wen－xia，WANG Shang－yu，WANG Hong－xun，HUANG Ze－yuan*
(College of Food Science and Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China)

An experimental study for preparation of high－quality dietary fiber made from sweet potato residue by cellulose enzyme was carried out.An orthogonal test was designed based on the single factor experiment which effect the yield of the soluble dietary fiber.The optimal conditions for preparation of high quality dietary fiber were obtained，such as the temperature was 45℃，pH5.0，the quantity of cellulose enzyme was 20U/g，and action time 2.5h.Under these conditions，the yield of soluble dietary fiber increased from the original 4.26%to 20.91%.

sweet potato residue;cellulose enzyme;high quality dietary fiber

TS201.2+3

A

1002－0306(2012)08－0204－04

膳食纖維是一類不易被消化吸收的營養素，被營養學家稱為“第七營養素”［1］。主要包括水溶性膳食纖維(Soluble Dietary Fiber，SDF)和水不溶性膳食纖維(Insoluble Dietary Fiber，IDF)。食品營養學研究表明:膳食纖維對人體的消化系統健康具有重要作用，可以控制人體的血糖、血脂水平，預防心血管疾病、癌癥、糖尿病以及其它疾病。紅薯渣是紅薯提取淀粉后的余渣，膳食纖維含量高，是很好的制備膳食纖維的原料［2］。膳食纖維的溶解性是影響生理功能發揮的重要因素，與水不溶性膳食纖維相比，水溶性膳食纖維不僅具有較高的持水力，而且具有降低血漿膽固醇、改善血糖生成反應、控制體重、預防便秘和結腸癌等生理功能，有更高的營養價值。據FAO (2000年)統計，我國紅薯年種植面積為616萬hmz，總產11.7億t，分別占世界種植面積和總產的68.1%和84.8%，居世界首位［3］。淀粉提取后的薯渣一般被作為飼料廉價出售或堆棄如山，腐敗酸化，造成環境污染［4］。將紅薯渣變廢為寶，進一步加工利用，不僅可提高紅薯資源的利用率，保護環境，還可以為企業和社會帶來巨大的經濟效益和社會效益。制備膳食纖維的方法有多種，酶法便是其中之一，它的作用條件溫和，能最大限度地收回有效成分，且無污染［5］，是一種較為理想的制備膳食纖維的方法。鄭紅艷等［6］以非糯性小米為原料，采用酶與化學結合法提取膳食纖維;黃紀念等［7］以麥麩為原料，采用3種蛋白酶對麥麩蛋白進行水解，制備麥麩膳食纖維，這兩種方法都大大提高了膳食纖維純度。秦杰等［8］采用酶法提取生姜中可溶性膳食纖維，李月華等［9］采用復合酶法制取筍頭水溶性膳食纖維，這兩種方法都很大程度上提高了可溶性膳食纖維的溶出率。纖維素酶處理紅薯渣，可提高其可溶性膳食纖維含量，從而制備出高品質紅薯渣膳食纖維。本研究以紅薯渣為原料，對纖維素酶法制備高品質紅薯渣膳食纖維的條件進行了實驗研究，旨在提高產品的可溶性膳食纖維的含量，改善產品的口感，提高紅薯渣的附加值，增加其經濟效益。

2011－07－07 *通訊聯系人

倪文霞(1987－)，女，碩士研究生，研究方向:農產品加工。