超聲波輔助酶法提取紅豆中的膳食纖維

趙泰霞，張明玉

（武夷學(xué)院茶與食品學(xué)院，福建武夷山 354300）

超聲波輔助酶法提取紅豆中的膳食纖維

趙泰霞，張明玉

（武夷學(xué)院茶與食品學(xué)院，福建武夷山 354300）

采用超聲波輔助酶解法提取紅豆中的膳食纖維（DF），用木瓜蛋白酶和α-淀粉酶對(duì)已經(jīng)干燥并且脫脂后的紅豆粉進(jìn)行酶解。酶解過程以木瓜蛋白酶添加量、α-淀粉酶添加量、酶解溶液pH值、酶解溫度和酶解時(shí)間為單因素，研究各單因素對(duì)膳食纖維（DF）得率和其中可溶性膳食纖維（SDF）所占百分比的影響，用正交法對(duì)試驗(yàn)工藝進(jìn)行優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明，木瓜蛋白酶添加量0.9%，酶解溶液pH值4.5，酶解溫度70℃，酶解時(shí)間60 min時(shí)，膳食纖維（DF）得率最高，為43.68%；可溶性膳食纖維（SDF）所占百分比為14.66%。

紅豆；膳食纖維；酶解法；SDF；超聲波

膳食纖維（DF）作為第七大營(yíng)養(yǎng)素，素有“腸道清潔夫”之稱，對(duì)預(yù)防齲齒、降血脂、促進(jìn)腸道消化吸收、防止便秘［1］、減肥、降低血糖、降低血壓等都有一定的作用［2］。除此之外，膳食纖維還對(duì)降低與荷爾蒙相關(guān)的癌癥（如乳腺癌等）有一定的功效。膳食纖維因此受到了廣泛關(guān)注，其保健功能也為越來越多的人所知曉。

膳食纖維（DF）可分成兩大類，分別是可溶性膳食纖維（SDF）和水不溶性膳食纖維（IDF），二者在生理功能和保健方面作用效果各有不同。

紅豆，又稱紅小豆，種子中含有豐富的淀粉、蛋白質(zhì)、膳食纖維以及B族維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可作為糧食和副食品，并且是進(jìn)補(bǔ)的良好食材。紅豆皮是很好的膳食纖維來源，纖維含量高達(dá)60%，且其不僅有較好的質(zhì)感和良好的口感，還可以通過加工而成為高純度、高品質(zhì)、高附加值的膳食纖維［3］。

1 材料

1.1 試驗(yàn)材料

紅豆，市售；木瓜蛋白酶（酶活≥100×104U/g），上海藍(lán)季科技發(fā)展有限公司提供；α-淀粉酶，北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司提供；石油醚（分析純）、95%乙醇（分析純）、氫氧化鈉（分析純），由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供；一水合檸檬酸（食品級(jí)），吳江信誠(chéng)精細(xì)化工有限公司提供。

1.2 儀器設(shè)備

DHG-9245A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海慧泰儀器制造公司產(chǎn)品；DK-8D型數(shù)顯恒溫水浴鍋，金壇市盛威實(shí)驗(yàn)儀器廠產(chǎn)品；高速萬能粉碎機(jī)，天津市泰斯特儀器公司產(chǎn)品；DT5-4型離心機(jī)，北京時(shí)代北利離心機(jī)公司產(chǎn)品；SHB-III型循環(huán)水式真空泵，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)公司產(chǎn)品；KQ-50DB型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器公司產(chǎn)品。

2 試驗(yàn)方法

2.1 工藝流程

預(yù)處理→脫水干燥→石油醚脫脂→抽濾→干燥→脫脂→水洗→木瓜蛋白酶酶解→滅酶→α-淀粉

①濾液→濃縮至原體積1/3→4倍體積95%乙醇沉淀1.5 h→真空抽濾→濾出物干燥→可溶性膳食纖維（SDF）；

②濾渣→熱水浸泡至中性（80℃，10 min）→真空抽濾→濾出物烘干→水不溶性膳食纖維（IDF）。

2.2 操作要點(diǎn)［4-5］

2.2.1 脫水預(yù)處理

挑選干凈整齊的紅豆，用粉碎機(jī)粉碎，過100目篩備用。

2.2.2 脫水干燥

紅豆本身含有一些水分，故在粉碎后將其置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥至恒質(zhì)量，并計(jì)算其含水量。

2.2.3 脫脂

本試驗(yàn)用超聲波協(xié)同脫脂，用沸程60～90℃的石油醚為溶劑，55℃下輔助超聲20 min，然后抽提2次，每次90 min，最后抽濾收集濾渣，除去溶劑即可認(rèn)為脫脂完成。

2.2.4 酶處理

用一定量的木瓜蛋白酶和α-淀粉酶，在一定的酶解溶液pH值、酶解溫度以及酶解時(shí)間下對(duì)原材料進(jìn)行酶解，然后煮沸滅酶。

2.2.5 離心過濾

將煮沸滅酶后的樣品置于離心機(jī)中離心（轉(zhuǎn)速4 000 r/min，20 min），分離出上清液和沉淀物［6］。

2.2.6 SDF的制取

將上述上清液轉(zhuǎn)移至250 mL中的燒杯中，其中加入4倍體積95%的乙醇，靜置90 min使SDF沉淀，抽濾，沉淀物干燥，得到SDF。

2.2.7 IDF的制取

將2.2.5中沉淀用熱水浸泡至中性（80℃，10 min）再真空抽濾，烘干，粉碎，即得IDF［7］。

2.2.8 DF得率和SDF所占百分比計(jì)算［8］

試驗(yàn)中稱取1.00g經(jīng)前期脫脂和干燥的脫脂干豆渣，其中含脂肪0.64%，含水率11.96%，因此本試驗(yàn)中計(jì)算公式如下：

式中：m1——提取出的DF總質(zhì)量，g；

m2——所用脫脂干豆渣的質(zhì)量，g。

式中：m3——提取出的SDF總質(zhì)量，g；

m4——所用脫脂干豆渣的質(zhì)量，g。

2.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于紅豆中含較高的蛋白質(zhì)和淀粉等，故該試驗(yàn)將酶解過程中的加酶量（%） （木瓜蛋白酶和α-淀粉酶）、酶解溶液pH值、酶解溫度、酶解時(shí)間設(shè)為單因素，每個(gè)因素分別設(shè)5個(gè)水平。其中，木瓜蛋白酶添加量分別為0.5%，0.6%，0.7%，0.8%，0.9%；α-淀粉酶添加量分別為0.8%，0.9%，1.0%，1.1%，1.2%；酶解溶液pH值分別為3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，酶解溫度分別為55，60，65，70，75℃；酶解時(shí)間分別為40，60，80，100，120 min。

2.3.1 木瓜蛋白酶添加量對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響

稱取1.00g的脫脂干豆粉5份，置于貼有標(biāo)簽的燒杯中，按料液比1∶30［8］，先分別向其中加入30 mL蒸餾水，再分別向5個(gè)燒杯中加入0.5%，0.6%，0.7%，0.8%，0.9%的木瓜蛋白酶［9］，調(diào)節(jié)α-淀粉酶的添加量為0.9%，在酶解溶液pH值為5.0，60℃下酶解90 min。重復(fù)試驗(yàn)3次，研究木瓜蛋白酶添加量對(duì)DF得率和SDF所占百分比的影響。

2.3.2 α-淀粉酶添加量對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響［10-12］

稱取1.00g的脫脂干豆粉5份，置于貼有標(biāo)簽的燒杯中，按料液比1∶30，向其中加入30 mL蒸餾水。在料液中分別加0.8%，0.9%，1.0%，1.1%，1.2%的α-淀粉酶，調(diào)節(jié)木瓜蛋白酶添加量為0.8%，在酶解溶液pH值為5.0，60℃的條件下酶解90 min。重復(fù)試驗(yàn)3次，研究α-淀粉酶添加量對(duì)DF得率和SDF所占百分比的影響。

2.3.3 酶解溶液pH值對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響

稱取1.00g的脫脂干豆粉5份，置于貼有標(biāo)簽的燒杯中，按料液比1∶30，向其中加入30 mL蒸餾水。再向其中加入0.8%的木瓜蛋白酶，0.9%的α-淀粉酶，調(diào)節(jié)酶解溶液pH值分別為4.0，4.5，5.0，5.5，6.0，在酶解溫度為60℃的條件下酶解90 min。重復(fù)試驗(yàn)3次，以考察不同酶解溶液pH值對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響。

2.3.4 酶解溫度對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響

稱取1.00g的脫脂干豆粉5份，置于貼有標(biāo)簽的燒杯中，按料液比1∶30，向其中加入30 mL蒸餾水。調(diào)節(jié)酶解溶液pH值為5.0，加入0.8%的木瓜蛋白酶，0.9%的α-淀粉酶，將料液分別置于55，60，65，70，75℃的酶解溫度下酶解90 min。重復(fù)試驗(yàn)3次，考察酶解溫度對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響。

2.3.5 酶解時(shí)間對(duì)DF得率及SDF所占百分比影響

稱取1.00g的脫脂干豆粉5份，置于貼有標(biāo)簽的燒杯中，按料液比1∶30，向其中加入30 mL蒸餾水，再加入0.3%的木瓜蛋白酶，0.8%的α-淀粉酶，調(diào)節(jié)酶解溶液pH值為5.0，在酶解溫度為50℃的條件下，分別酶解40，60，80，100，120 min。重復(fù)試驗(yàn)3次，以考察不同酶解時(shí)間對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響。

2.4 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合提取效率、經(jīng)濟(jì)成本綜合分析，考慮選取木瓜蛋白酶添加量、酶解溶液pH值、酶解時(shí)間、酶解溫度4個(gè)因素作為正交試驗(yàn)的因素，設(shè)計(jì)L9（34）正交表。最后以DF得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過對(duì)正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，從而確定紅豆渣中DF的最佳提取工藝條件。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次。

L9（34）正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 L9（34）正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

3 結(jié)果與討論

3.1 木瓜蛋白酶添加量對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響

木瓜蛋白酶添加量對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響見圖1。

圖1 木瓜蛋白酶添加量對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響

由圖1可知，當(dāng)木瓜蛋白酶添加量小于0.8%時(shí)，隨著木瓜蛋白酶添加量的增多，DF得率和SDF所占百分比都有所提升；但是當(dāng)木瓜蛋白酶添加量大于0.8%時(shí)，DF得率和SDF所占百分比反而有所下降。綜合考慮，木瓜蛋白酶的添加量為0.8%最適合。

3.2 α-淀粉酶添加量對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響

α-淀粉酶添加量對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響見圖2。

圖2 α-淀粉酶添加量對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響

由圖2可知，α-淀粉酶添加量小于1.0%時(shí)，隨著α-淀粉酶添加量的增加而稍微有所下降；當(dāng)添加量大于1%時(shí)稍微有所下降；當(dāng)α-淀粉酶添加量大于1.1%時(shí)，DF得率又有所下降，但是幅度不是很明顯。綜合考慮，α-淀粉酶添加量為1.1%為較合適水平。

3.3 酶解溶液pH值對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響

酶解溶液pH值對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響見圖3。

圖3 酶解溶液pH值對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響

由圖3可知，當(dāng)酶解溶液pH值為3.5～4.0時(shí)，隨著酶解溶液pH值的增大，DF得率與SDF所占百分比都有所下降；但是當(dāng)酶解溶液pH值大于4.5時(shí)，二者都有比較明顯的上升趨勢(shì)；當(dāng)酶解溶液pH值為5.0時(shí)，二者達(dá)到最大。因此綜合分析，酶解溶液pH值為5.0為較適合水平。

3.4 酶解溫度對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響

酶解溫度對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響見圖4。

由圖4可知，當(dāng)酶解溫度從55℃上升到65℃時(shí)，隨著酶解溫度的升高，DF得率也有所增加；但是當(dāng)酶解溫度達(dá)到65℃后，隨著酶解溫度的上升，DF得率反而有所下降。可能原因是酶解溫度低于65℃，酶活隨著酶解溫度的升高而增大；當(dāng)酶解溫度大于65℃，酶活有所降低，因而導(dǎo)致DF得率減少。因此，最適合的酶解溫度為65℃。

圖4 酶解溫度對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響

3.5 酶解時(shí)間對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響

酶解時(shí)間對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響見圖5。

圖5 酶解時(shí)間對(duì)DF得率及SDF所占百分比的影響

由圖5可知，酶解時(shí)間從40～60 min時(shí)，其DF得率有所提升，但是幅度小；而酶解80 min后則DF得率呈下降趨勢(shì)，雖然有提升，但是效果不明顯。其原因可能是在較短時(shí)間內(nèi)酶解不夠充分，部分DF無法水解出來；但是若酶解時(shí)間偏長(zhǎng)，則又可能導(dǎo)致某些半纖維素被水解成非DF成分［13］。因此，從提取效率和經(jīng)濟(jì)成本的角度出發(fā)，較為適合的酶解時(shí)間為60～80 min。

3.6 正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

由正交試驗(yàn)R可知，A＞C＞B＞D，可知影響的主次順序?yàn)槟竟系鞍酌柑砑恿浚久附鈺r(shí)間＞酶解溫度＞酶解溶液pH值。確定出最優(yōu)工藝方案組合為A3C2B3D1，即當(dāng)木瓜蛋白酶添加量為0.9%，酶解時(shí)間為60 min，酶解溫度為70℃，酶解溶液pH值為4.5時(shí)，DF得率最高。以最佳工藝條件平行重復(fù)3組試驗(yàn)，測(cè)得DF得率為43.68%，SDF所占百分比為14.66%，驗(yàn)證表明優(yōu)化水平較為可靠。

3.7 DF后期處理

從紅豆中提取出的SDF呈淡黃褐色粉末狀，IDF呈淡紅褐色，外觀性狀較為理想；再從持水性和膨脹力方面分析提取出DF的性狀。

3.7.1 持水性

準(zhǔn)確稱取1.00g DF，置于100 mL燒杯中，加入蒸餾水50 mL，25℃下電磁攪拌2 h，取懸浮液轉(zhuǎn)移至離心杯中，于4 000 r/min下離心30 min，取出，棄去上清液，稱質(zhì)量。

式中：S0——DF干質(zhì)量，g；

S1——DF濕質(zhì)量，g。

試驗(yàn)結(jié)果為持水率5.61g/g。

3.7.2 膨脹性

取1.00g DF于量筒中，測(cè)定體積后，加入5 mL蒸餾水，浸泡24 h測(cè)定體積，并計(jì)算其膨脹力。

式中：V1——溶脹后的總體積，mL；

V0——溶脹前的總體積，mL；

m——所用DF的質(zhì)量，g。

試驗(yàn)結(jié)果為膨脹力8.80 mL/g。

4 結(jié)論

試驗(yàn)中以木瓜蛋白酶添加量、α-淀粉酶添加量、酶解溶液pH值、酶解溫度和酶解時(shí)間為單因素，所得DF得率和SDF所占百分比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選出影響較大的幾個(gè)因素。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，木瓜蛋白酶添加量、酶解溶液pH值、酶解溫度和酶解時(shí)間是影響比較大的因素。用木瓜蛋白酶添加量、酶解溶液pH值、酶解溫度和酶解時(shí)間進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)，結(jié)果顯示，當(dāng)木瓜蛋白酶添加量為0.9%、酶解時(shí)間為60 min、酶解溫度為70℃，酶解溶液pH值為4.5時(shí)，DF得率最高，為43.68%；SDF所占百分比為14.66%。酶法的優(yōu)點(diǎn)是提取條件溫和、節(jié)約能源、操作簡(jiǎn)單方便，而且相比一些經(jīng)過了高溫高壓或者其他比較劇烈方式處理工藝提取出來的膳食纖維性能更優(yōu)良，還可以省去部分工藝和設(shè)備，有利于環(huán)境保護(hù)，酶法特別適合于原料中淀粉和蛋白質(zhì)含量高的制備工藝［14］。

［1］ 權(quán)美平.膳食纖維的生理保健功能及其提取工藝的研究進(jìn)展 ［J］.保鮮與加工，2013，13（1）：49-51.

［2］ 高宗穎.膳食纖維的生理保健作用 ［J］.農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)），2011（1）：43-45.

［3］ 趙建民．烹飪營(yíng)養(yǎng)學(xué) ［M］．北京：中國(guó)財(cái)政經(jīng)濟(jì)出版社，2001：135-137.

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［5］ 金晶，徐志宏，魏振承，等．超聲微波輔助法提純菜籽蛋白的研究 ［J］.現(xiàn)代食品科技，2009，25（3）：275-278.

［6］ 那仁圖雅.紅小豆分離蛋白的特性研究以及抗氧化肽制備 ［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

［7］ 劉紹.食品分析與檢驗(yàn) ［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011：47-52.

［8］ 吳暉.大豆水溶性膳食纖維的提取研究 ［J］.現(xiàn)代食品科技，2008，24（4）：338-339.

［9］ 劉建平.超聲輔助酶解法提取豆渣膳食纖維研究 ［J］.食品研究與開發(fā)，2010，31（11）：12-13.

［10］張向前.酶解法提取紅棗膳食纖維的工藝研究 ［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（1）：114-115.

［11］Elizabeth R N，Anneteh，F(xiàn)ranciscogr，et al.Antioxidant and antimutagenic activity of pH enolic compoundsin three different colourgroups of common bean cultivars［J］.Food Chemistry，2007，103：521-527.

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［13］劉瑩.雙酶法提取褐蘑菇膳食纖維的最佳工藝條件研究 ［J］.湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（21）：86-87.

［14］陳菲菲.膳食纖維的生理功能及其提取方法的研究進(jìn)展 ［J］.福建水產(chǎn)，2008（2）：51-52.◇

Extraction of Dietary Fiber from Red Beans by Ultrasonic Assisted Enzymatic Method

ZHAO Taixia，ZHANG Mingyu
（Tea and Food College，Wuyi University，Wuyishan，F(xiàn)ujian 354300，China）

Using ultrasound-assisted hydrolysis method to extract dietary fiber from red beans in this study.Using papain and alpha amylase to digest the red beans which is degreased and dried already.Papain amount，alpha amylase amount，solution pH，hydrolysis temperature，hydrolysis time are regarded to single factors in the digestion process，so that can study the influence of each single factors to the extraction rate of dietary fiber（DF）and the influence of SDF percentage.On this basis，using orthogonal experiment to optimize it.The results show that the DF extraction rate and the SDF percentage are higest when it is under the condition that the papain is 0.9%，the solution pH is 4.5，hydrolysis time is 60 min，hydrolysis temperature is 70℃.It is 43.68%of DF and 14.66%of SDF.

red beans；DF；enzymatic hydrolysis；SDF；ultrasound

TS214.9

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.04.003

1671-9646（2016）04a-0008-04

2016-01-13

趙泰霞（1983— ），女，碩士，助教，研究方向?yàn)槭称肺⑸飳W(xué)。