超聲波輔助酶法制備甘薯渣膳食纖維工藝研究

賴愛萍 陸國權 王 穎

（浙江農林大學農業與食品科學學院，杭州 311300）

超聲波輔助酶法制備甘薯渣膳食纖維工藝研究

賴愛萍 陸國權 王 穎

（浙江農林大學農業與食品科學學院，杭州 311300）

甘薯渣是甘薯提取淀粉的副產物。以甘薯渣為原料提取膳食纖維，可以實現甘薯渣的綜合利用，提高經濟效益。本研究采用超聲波輔助酶法制備甘薯渣膳食纖維。在單因素試驗的基礎上，選定超聲時間、α－淀粉酶用量、蛋白酶用量和糖化酶用量4個因素為響應變量，總膳食纖維得率為響應值，進行響應面優化試驗。確定最優工藝條件為：超聲時間11.55 min，α－淀粉酶用量1.47 mL，胰蛋白酶用量0.43 mL，糖化酶用量5.52 mL，在此條件下，甘薯渣膳食纖維理論得率為37.22%，驗證實際得率為37.19%，與理論得率相對誤差為0.03%。這說明響應面優化后的工藝對于甘薯渣的膳食纖維提取具有一定的實踐指導意義。

甘薯渣 超聲波 酶法 膳食纖維

膳食纖維是一種不能被人體小腸內源酶消化吸收的混合物，具有多個組成成分，包括纖維素、木質素、樹膠及果膠等相關植物性成分［1－4］。我國甘薯的種植面積和產量均居世界第一［5］，甘薯淀粉的提取過程會產生大量薯渣，以甘薯渣為原料制備膳食纖維，不僅可以解決甘薯加工企業的后顧之憂，而且可以增加甘薯產品的附加值，實現甘薯渣的綜合利用。膳食纖維的提取方法有多種，Park等［6］通過化學法提取，此法會惡化膳食纖維的工藝特性，降低膳食纖維品質。令博等［7］通過微生物發酵法提取，制備的膳食纖維成分單一，主要為纖維素。Wong等［8］通過酶法提取，酶法制備的膳食纖維得率較高，持水力、膨脹力等方面表現較優。Chen等［9］以超聲波輔助酶法制備豆莢膳食纖維，提高了可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維的提取率。Wang等［10］通過超聲波輔助酶法提高了麥麩膳食纖維中的阿拉伯木聚糖含量。超聲波性能穩定，具有穿透力強、提取時間短、效率高等優點［11］，可以促進膳食纖維的溶出，提高膳食纖維得率。本試驗以超聲波輔助酶法提取甘薯渣膳食纖維，通過單因素和響應面試驗優化提取工藝，以期獲得一種高效、環保的提取工藝，提高原料的膳食纖維得率和可溶性膳食纖維得率，這對解決環境污染問題，促進甘薯渣的綜合利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料

甘薯渣：山東省濟寧市大型甘薯淀粉加工廠。

1.1.2 試劑

α－淀粉酶（食品級，20 000 u/mL）、胰蛋白酶（食品級，4 000 u/g）：江蘇銳陽生物科技有限公司；糖化酶（食品級，80 u/mg）、木瓜蛋白酶（食品級，3 500 u/g）：合肥博美生物科技有限責任公司；淀粉葡萄糖苷酶（100 000 u/mL）、耐高溫 α－淀粉酶（20 000 u/mL）：上海金穗生物科技有限公司。

1.1.3 主要儀器

Kjeltec2300型全自動定氮儀：瑞典FOSS公司；PHS－3S型pH計：上海雷磁儀器廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 甘薯渣的制備

甘薯渣經自然風干后，粉碎，過100目篩。

1.2.2 甘薯渣膳食纖維的工藝流程

甘薯渣→0.2 mol/L NaOH浸泡 1 h（1∶5 g/mL）→加入 pH 6.0磷酸緩沖液（1∶5 g/mL），加入 α－淀粉酶（2 000 u/mL）→超聲→45℃水浴30 min→加入pH 4.5磷酸緩沖液（1∶5 g/mL），加入糖化酶（1 500 u/mL）→超聲→60℃水浴30 min→加入pH 8.0磷酸緩沖液（1∶5 g/mL），加入蛋白酶（250 u/mL）→超聲→37℃水浴30 min→乙醇沉淀→抽濾→70℃烘干→粉碎→薯渣膳食纖維

1.2.3 測定方法

1.2.3.1 基本成分的測定

膳食纖維含量參照GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纖維的測定》；淀粉含量參照GB/T 5009.9—2008《食品中淀粉的測定》中的酶水解法；脂肪含量參照GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的測定》中的索氏抽提法；水分含量參照GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》中的直接干燥法進行測定；蛋白質含量參照GB 50095—2010《食品中蛋白質的測定》中的全自動凱氏定氮儀法進行測定；灰分含量參照GB 5009.4—2010《食品中灰分的測定》。

1.2.3.2 膳食纖維得率的計算

式中：m1為提取物質量；m2為提取物中的總膳食纖維質量；m3為提取物中可溶性膳食纖維質量。

1.2.4 單因素試驗

1.2.4.1 超聲時間單因素試驗

稱取甘薯渣1 g，設置α－淀粉酶用量1.2 mL，糖化酶用量4.0 mL，胰蛋白酶用量0.7 mL，討論不同超聲時間對膳食纖維得率的影響。超聲時間分別取 5、10、15、25、30 min。

1.2.4.2 α－淀粉酶用量單因素試驗

稱取甘薯渣1 g，設置超聲時間10min，糖化酶用量4.0 mL，胰蛋白酶用量0.7 mL，討論不同α－淀粉酶用量對膳食纖維得率的影響。α－淀粉酶用量分別取 1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 mL。

1.2.4.3 糖化酶用量單因素試驗

稱取甘薯渣1 g，設置超聲時間10 min，α－淀粉酶用量1.2 mL，胰蛋白酶用量0.7 mL，討論不同糖化酶用量對膳食纖維得率的影響。糖化酶用量分別取 3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 mL。

1.2.4.4 蛋白酶用量單因素試驗

稱取甘薯渣1 g，設置超聲時間10 min，α－淀粉酶用量1.2 mL，糖化酶用量4.0 mL，討論不同蛋白酶酶用量對膳食纖維得率的影響。蛋白酶用量分別取 0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 mL。

1.2.4.5 響應面設計方案

在單因素試驗的基礎上，選定超聲時間（A）、α－淀粉酶用量（B）、蛋白酶用量（C）和糖化酶用量（D）4個因素為響應變量，總膳食纖維得率為響應值，進行響應面優化試驗。采用Design－Expert.8.05b統計軟件，進行Box－Behnken試驗方案，設計四因素三水平二次回歸方程，擬合各因素和總膳食纖維得率之間的函數關系。試驗因素水平見表1。

表1 響應面試驗因素水平編碼表

2 結果與分析

2.1 甘薯渣組成成分測定結果

對經烘干粉碎的甘薯渣進行成分分析，結果見表2。

表2 甘薯渣組成成分測定結果/%

從表2知，甘薯渣中的膳食纖維質量分數為24.06%，可以用作提取膳食纖維的原料。薯渣中的蛋白質和脂肪含量很少，因此不需要進行脫脂處理。

2.2 單因素試驗結果分析

2.2.1 超聲時間對膳食纖維得率的影響

從圖1可知，TDF得率和SDF得率隨著超聲時間的延長呈先上升后下降的趨勢。超聲時間在5～10 min范圍內，膳食纖維的得率不斷增大，因為在超聲波的作用下，樣品和酶充分接觸，促進樣品的酶解作用，從而提高了TDF得率和SDF得率。當超聲時間為10 min時，試驗結果最佳，TDF得率為36.67%，SDF得率為32.7%。當超聲時間過長時，由于超聲波的強剪切作用，將纖維之間連接的鍵切斷，使膳食纖維遭到破壞，部分發生降解［12］，影響得率。綜合考慮，超聲時間選定為10 min時最佳。

圖1 超聲時間對TDF得率和SDF得率的影響

2.2.2 α－淀粉酶用量對膳食纖維得率的影響

從圖2可知，隨著α－淀粉酶用量的變化，TDF得率和SDF得率的變化趨勢基本相同。α－淀粉酶用量從1.1 mL增加到1.5 mL的過程中，膳食纖維含量呈上升趨勢，說明在這階段α－淀粉酶用量對膳食纖維的含量具有限制作用，隨著α－淀粉酶用量的增加，樣品中的淀粉去除率增加［13］，膳食纖維含量增高。當α－淀粉酶用量達到1.5 mL時，TDF得率最高為40.25%，SDF得率也最高達26.66%。當α－淀粉酶用量為1.6 mL時，膳食纖維含量不再升高反而下降，說明此時的α－淀粉酶量對于樣品已經達到飽和。所以α－淀粉酶用量選定為1.5 mL較宜。

圖2 α－淀粉酶用量對TDF得率和SDF得率的影響

2.2.3 糖化酶用量對膳食纖維得率的影響

從圖3可知，當糖化酶用量小于5.5 mL時，膳食纖維的含量與糖化酶的用量成正比，隨著糖化酶用量的增加，薯渣TDF得率和SDF得率緩慢增加。糖化酶用量為5.5 mL時，TDF得率最高為39.94%，SDF得率最高為29.76%，當糖化酶用量繼續增加時，膳食纖維的含量反而下降了，所以糖化酶用量為5.5 mL時，試驗條件最佳。

圖3 糖化酶用量對TDF得率和SDF得率的影響

2.2.4 蛋白酶用量對膳食纖維得率的影響

從圖4可知，TDF得率和SDF得率隨著胰蛋白酶用量的增加呈先上升后下降的趨勢。當胰蛋白酶用量為0.5 mL時，TDF得率最高為40.67%，SDF得率最高為30.75%。當蛋白酶用量超過0.5 mL時，膳食纖維含量逐漸下降，可能是因為過量的蛋白酶使樣品中的多糖發生降解，從而降低了膳食纖維含量，所以胰蛋白酶用量最適為0.5 mL。

圖4 胰蛋白酶用量對TDF得率和SDF得率的影響

2.3 響應面優化試驗結果分析

2.3.1 響應面試驗設計及結果

采用Design－Expert.8.05b統計軟件，對甘薯渣膳食纖維的提取進行Box－Behnken設計，由于在單因素試驗中，總膳食纖維得率和可溶性膳食纖維得率的變化趨勢基本相同，所以在響應面試驗中，響應指標僅設總膳食纖維得率這一項，試驗結果見表3，回歸方差分析見表4。

表3 響應面試驗設計及結果

表4 響應面試驗方差分析結果

利用Design－Expert.8.05b統計軟件，選用Box－Behnken模型，對表3中的試驗數據進行二次多項式回歸擬合，獲得二次項回歸方程為：膳食纖維得率

由表4可知，該模型的P值＜0.000 1，說明該模型極顯著，它的失擬差P值為0.538 6，說明該模型的純誤差是不顯著的，可以用來分析和預測薯渣膳食纖維的提取工藝。該模型中的一次項A顯著，交互項AB、AD顯著，BC極顯著，二次項A2、B2顯著，C2、D2極顯著，表明各因素對膳食纖維得率有交互作用。從方差分析的結果可看出各因素對薯渣膳食纖維得率影響力大小的順序為：A超聲時間＞Bα－淀粉酶量＞D糖化酶量＞C胰蛋白酶量。模型的決定系數R2＝0.910 0，比較接近1，說明模型能夠較好地預測其響應值［14］；變異系數 C.V% ＝3.49＜10，說明試驗可靠性比較強，比較準確。信噪比為9.401＞4，說明模型的響應值信號比較強，可以用來擬合試驗結果［15］。

2.3.2 響應面及等高線分析

響應面及等高線圖反映了各因素對膳食纖維得率的影響。等高線的形狀可以反映不同因素之間交互作用的強弱，等高線為鞍型或橢圓形表示兩者交互作用顯著，等高線為圓形則表示兩者交互作用不顯著［16］。從圖5可知，等高線圖為橢圓形，說明超聲時間和α－淀粉酶用量交互作用顯著，等高線沿A軸方向變化相對密集，說明超聲時間比α－淀粉酶用量對膳食纖維得率的影響更大。同理，圖6和圖7可知，超聲時間對膳食纖維得率的影響大于胰蛋白酶用量和糖化酶用量。圖8中等高線為鞍型，表明胰蛋白酶用量和糖化酶用量交互作用顯著，當胰蛋白酶為0.4～0.5 mL之間時，膳食纖維得率隨著α－淀粉酶用量的增加而增加，胰蛋白酶在0.5～0.6mL之間時，α－淀粉酶用量的增加對膳食纖維得率影響不大。圖9中等高線為橢圓形，α－淀粉酶用量和糖化酶交互作用顯著，B軸的相對變化密集，說明α－淀粉酶用量對膳食纖維得率的影響大于糖化酶。圖10中，等高線為圓形，說明胰蛋白酶與糖化酶交互作用不顯著。

圖5 超聲時間與α－淀粉酶用量的響應面及等高線圖

圖6 超聲時間與胰蛋白酶用量的響應面及等高線圖

圖7 超聲時間與糖化酶用量的響應面及等高線圖

圖8 α－淀粉酶與胰蛋白酶用量的響應面及等高線圖

圖9 α－淀粉酶與糖化酶用量的響應面及等高線圖

圖10 胰蛋白酶與糖化酶用量的響應面及等高線圖

2.3.3 響應面工藝的驗證

對膳食纖維含量的二次回歸方程進行求解得到，在超聲時間為11.55 min，α－淀粉酶用量為1.47 mL，胰蛋白酶用量為0.43 mL，糖化酶用量為5.52 mL時，膳食纖維的得率最高，理論值為37.221 7%。為了驗證響應面模型得到結果的可靠性，在此條件下進行試驗，重復3次，實際測得的膳食纖維質量分數平均值為37.19%，與理論值相差較小，僅為0.031 7%，說明此模型優化所得的條件參數可靠。此時，獲得的膳食纖維中SDF得率為25.91%。

3 結論

甘薯渣的膳食纖維超聲波輔助酶法工藝優化后的條件為：超聲時間為11.55 min，α－淀粉酶用量為1.47 mL，胰蛋白酶用量為0.43 mL，糖化酶用量為5.52 mL，在此條件下，膳食纖維實際得率為37.19%，SDF得率為25.91%。該模型對試驗擬合較好，具有一定的應用價值。

［1］溫志英，楊麗欽.花生殼水溶性膳食纖維微波輔助提取工藝及其性質研究［J］.中國糧油學報，2011，26（4）：99－103

［2］Prosky L.What is dietary fiber？［J］.Journal of AOAC International，2000，83（4）：985－987

［3］何余堂，高虹妮，解玉梅，等.超聲波協同酶法制備杏仁皮中水溶性膳食纖維及理化研究［J］.食品工業科技，2013，34（1）：229－237

［4］許麗麗，黃桂娟.甘薯莖尖中不溶性膳食纖維的提取工藝研究［J］.中國釀造，2010，（6）：113－116

［5］胡鵬，蔡榮寶，鄧鵬，等.甘薯膳食纖維的生理功能及提取工藝研究進展［J］.中國食物與營養，2009，（9）：31－33

［6］Park K A，Lee K Y，Lee Y G.Chemical composition and physicochemical properties of barley dietary fiber by chemical modification［J］.International Journal of Biological Macromolecules，2013，6：360－365

［7］令博，田云波，吳洪斌，等.微生物發酵法制取葡萄皮渣膳食纖維的工藝優化［J］.食品科學，2012，33（15）：178－179

［8］Wong K H，Cheung PC.Enzymatic preparation ofmushroom dietary fiber：a comparison between analytical and industrial enzymes［J］.Food Chemistry，2009，115（3）：795－800

［9］Chen SN，Jiang L Z，Li Y，etal.Ultrasound－Assisted enzymatic extraction of dietary fiber from pods［J］.Procedia Engineering，2011，15：5056－5061

［10］Wang J，Sun B G，Liu Y L，et al.Optimisation of ultrasound－assisted enzymatic extraction of arabinoxylan from wheat bran［J］.Food Chemistry，2014，150：482－488

［11］杜蕾，李新華，張振.超聲波輔助提取黑花生衣黃酮工藝優化［J］.食品工業科技，2013，34（17）：259－263

［12］于翠芳，趙梅.超聲波輔助提取花生殼水溶性膳食纖維工藝研究［J］.糧食與油脂，2012（9）：23－25

［13］李小平，魏朝明，鄧紅.甘薯渣膳食纖維制備工藝的研究［J］.食品與發酵工業，2007，33（9）：100－103

［14］牟建樓，王頡，孫劍鋒.響應面法優化纖維素酶提取蘋果渣中水溶性膳食纖維［J］.食品科學，2012，33（8）：95－98

［15］汪穎，鄭寶東，張怡，等.響應面法優化壓熱法制備蓮子抗性淀粉工藝的研究［J］.熱帶作物學報，2012，33（7）：1303－1308

［16］郭希娟，馬萍，張桂芳.響應面法在可溶性膳食纖維超聲提取中的應用［J］.中國食品學報，2012，12（3）：104－111.

Ultrasonic－Assisted Enzymatic Extraction Technology of Dietary Fiber from Sweetpotato Residue

Lai Aiping Lu Guoquan Wang Ying
（School of Agricultural and Food Science，Zhejiang F＆A University，Hangzhou 311300）

Sweetpotato residue is a byproduct of starch extraction from sweetpotato.Dietary fiber of sweetpotato residue can promote the comprehensive utilization of sweetpotato residue and improve economic benefits.The ultrasonic－assisted enzymaticmethod was used to extract dietary fiber from sweetpotato in this paper.On the basis of single factor experiment，response variables including ultrasonic time，dosage of alpha amylase，dosage of protease and glucoamylase dose，and total dietary fiber yield were selected to carry out response surface optimal experiment for achievingmaximum yield of total dietary fiber.The optimal process conditionswere ultrasonic time of11.55min，dosage of alpha amylase of 1.47 mL，dosage of trypsin of 0.43 mL and glucoamylase dosage of 5.52 mL.Under the optimized conditions，the theoretical yield of total dietary fiber was37.22%，and the validated actual yield was37.19%，which was lower0.03%than the relative error.Technology optimized by response surface provided some practical significance for dietary fiber extraction from sweetpotato residue.

sweetpotato residue，ultrasonic，enzymatic method，dietary fiber

TS209

A

1003－0174（2015）08－0099－06

現代農業產業技術體系建設專項（CARS－11－B－18）

2014－03－07

賴愛萍，女，1989年出生，碩士，食品加工與安全

陸國權，男，1963年出生，教授，薯類品質及其加工利用