蓮殼膳食纖維微波-雙酶協同提取工藝優化

陳鐵壁靳 娜 王建輝 劉冬敏樊 敏 鄧勝國 陳穎奕

(1. 湖南科技學院化學與生物工程學院，湖南 永州 425199；2. 長沙理工大學湖南省水生資源食品加工工程技術研究中心，湖南 長沙 410114)

蓮殼膳食纖維微波-雙酶協同提取工藝優化

陳鐵壁1,2靳 娜2王建輝2劉冬敏1,2樊 敏1鄧勝國1陳穎奕1

(1. 湖南科技學院化學與生物工程學院，湖南 永州 425199；2. 長沙理工大學湖南省水生資源食品加工工程技術研究中心，湖南 長沙 410114)

以蓮子殼為原料，采用微波-雙酶協同提取蓮殼膳食纖維，在單因素試驗結果的基礎上，進行正交試驗，研究蓮子殼篩目數、料液比、木瓜蛋白酶和糖化酶用量及提取時間對蓮殼膳食纖維提取工藝的影響。結果表明：其最佳提取工藝條件為蓮殼篩目數60目，液料比20∶1 (mL/g)，木瓜蛋白酶加入量3%，微波協同木瓜蛋白酶酶解提取時間為6×20 s(提取6次，每次20 s，間隔2 min)，糖化酶用量4%，微波協同糖化酶提取時間8×20 s(提取8次，每次20 s，間隔2 min)，該條件下蓮殼膳食纖維提取率為72.36%。與雙酶提取法相比，微波-雙酶協同提取法可縮短70%的時間，提取率提高82.87%。

蓮子殼；膳食纖維；微波；木瓜蛋白酶；糖化酶

近年來，功能性食品已逐漸成為食品科學研究的前沿，作為功能性食品重要基料之一的膳食纖維已成為研究的熱點[1-2]。膳食纖維通常是指一類不能被人體消化酶類消化吸收，主要是由可食性植物細胞壁殘余物(包括纖維素、半纖維素、木質素等)及與之締合的相關物質組成的化合物，其有可溶性和不可溶性之分[1,3]。現今膳食纖維的保健作用日益受到重視，營養學家紛紛認識到，膳食纖維對人體的正常代謝是不可或缺的，其主要生理功能包括促進腸道的暢通、降低血漿膽固醇含量、緩和餐后血糖上升幅度和排除有毒成分等諸多方面[2, 4-5]。

蓮殼作為蓮子加工副產品，其主要營養成分中纖維含量較高，蛋白質、淀粉、單寧、脂肪含量相對較低[6]。由于蓮子殼質硬壁厚，長期被棄或燃燒后作為肥料，利用率較低。從蓮殼中提取膳食纖維，用于生產富含纖維的食品，可變廢為寶，既可提高蓮殼的綜合經濟效益，亦可滿足膳食需要。當前，國內外對蓮殼有效成分的研究尚處于起步階段[7-8]，對蓮殼膳食纖維的研究尚未見報道。以往膳食纖維的提取多以常規的提取方法(如化學試劑/酶的方法)為主，而微波助提法所用時間短、溶劑消耗低、環境污染小、設備簡單及加熱萃取效率高。本研究擬以蓮殼為原料，綜合運用單因素和正交試驗設計，利用微波協同雙酶水解法在去除干擾因素(蛋白質、淀粉等)的情況下，提取蓮子殼中膳食纖維，重點考察蓮子殼篩目數、料液比、木瓜蛋白酶和糖化酶用量及提取時間對蓮子殼膳食纖維提取工藝的影響，并進行工藝條件優化，旨在為蓮殼資源的開發利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蓮殼：湖南粒粒珍湘蓮有限公司；

木瓜蛋白酶：合肥博美生物科技有限責任公司；

糖化酶：上海楷洋生物技術有限公司；

氫氧化鈉：AR級，天津市風船化學試劑有限公司；

鹽酸：AR級，衡陽市凱信化工試劑有限公司；

無水乙醇：AR級，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

高速萬能粉碎機：FW100型，天津市泰斯特儀器有限公司；

島津電子分析天平：AUY120型，日本島津公司；

微波化學反應器：MCR-3型，鞏義市予華儀器有限責任公司；

pH計：DELTA 320 型，上海天普pH計有限公司。

1.3 方法

1.3.1 蓮殼膳食纖維的提取工藝

(1) 蓮殼干燥后粉碎，過篩，得不同篩目的蓮殼固體顆粒，分裝，放入干燥器內存儲待用。

(2) 微波協同雙酶法提取：稱取2.00 g蓮子殼粉末，加入一定比例的純水，攪拌，調節至pH 6.0[9]，加入一定量的木瓜蛋白酶，微波溫度50 ℃，功率320 W[10]，提取一定的次數；再次調節pH至 5.0，加入一定量的糖化酶，微波溫度50 ℃，功率320 W，提取一定的次數，滅酶，加入3倍體積預熱至60 ℃的95%乙醇，4 ℃靜置沉淀24 h，過濾，用75%的乙醇洗滌濾渣，干燥，即得蓮子殼膳食纖維。

1.3.2 膳食纖維提取率的計算 膳食纖維提取率的計算公式見式(1)。

(1)

式中：

c——膳食纖維的提取率，%；

m1——樣品總量(干基)，%；

m2——總酶量，%；

m3——膳食纖維總量(干基)，%。

1.3.3 微波協同雙酶法的單因素試驗設計 稱取干燥至質量恒定的湘蓮殼粉末2.00 g，調至微波溫度50 ℃，功率320 W，按以下各因素設定參數，進行單因素試驗。

(1) 樣品篩目數：設定液料比25∶1(mL/g)、木瓜蛋白酶用量4%，木瓜蛋白酶提取時間6×20 s(提取6次，每次20 s，間隔2 min)，糖化酶用量1%，糖化酶提取時間3×20 s(提取3次，每次20 s，間隔2 min)，分別考察篩目數為40，60，80，100，120目時，蓮殼膳食纖維提取率的變化。

(2) 液料比：設定樣品篩目數60目，木瓜蛋白酶用量4%，木瓜蛋白酶提取時間6×20 s(提取6次，每次20 s，間隔2 min)，糖化酶用量1%，糖化酶提取時間3×20 s(提取3次，每次20 s，間隔2 min)，分別考察液料比15∶1，20∶1，25∶1，30∶1，35∶1(mL/g)時，蓮殼膳食纖維提取率的變化。

(3) 木瓜蛋白酶用量：設定樣品篩目數60目，液料比25∶1(mL/g)，木瓜蛋白酶提取次數6×20 s(提取6次，每次20 s，間隔2 min)，糖化酶用量1%，糖化酶提取時間3×20 s(提取3次，每次20 s，間隔2 min)，分別考察木瓜蛋白酶用量1%，2%，3%，4%，5%時，蓮殼膳食纖維提取率的變化。

(4) 木瓜蛋白酶微波提取時間：設定樣品篩目數60目，液料比25∶1(mL/g)，木瓜蛋白酶用量3%，糖化酶用量1%，糖化酶提取時間3×20 s(提取3次，每次20 s，間隔2 min)，分別考察木瓜蛋白酶提取時間為2×20 s，3×20 s，4×20 s，5×20 s，6×20 s(每次20 s，間隔2 min)時，蓮殼膳食纖維提取率的變化。

(5) 糖化酶用量：設定樣品篩目數60目，液料比25∶1(mL/g)，木瓜蛋白酶用量3%，木瓜蛋白酶提取時間5×20 s(提取5次，每次20 s，間隔2 min)、糖化酶提取時間3×20 s(提取3次，每次20 s，間隔2 min)，分別考察糖化酶用量為2%，3%，4%，5%，6%時，蓮殼膳食纖維提取率的變化。

(6) 糖化酶微波提取時間：設定樣品篩目數60目，液料比25∶1(mL/g)，木瓜蛋白酶用量3%，木瓜蛋白酶提取時間5×20 s(提取5次，每次20 s，間隔2 min)，糖化酶用量4%時，分別考察糖化酶提取時間為6×20 s，7×20 s，8×20 s，9×20 s，10×20 s(每次20 s，間隔2 min)時，蓮殼膳食纖維提取率的變化。

1.3.4 正交試驗設計 在單因素試驗結果的基礎上，以蓮殼膳食纖維的提取率為考察指標，選取對提取率有較大影響的因素進行正交試驗優化，分析其對蓮殼膳食纖維提取率的影響，確定各因素影響提取效果的主次順序，進而確定提取蓮殼膳食纖維的最佳工藝條件。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗考察

2.1.1 樣品篩目數 由圖1可知，隨著樣品篩目數的不斷增大，蓮殼膳食纖維提取率先增加后減少。篩目數為60目時，膳食纖維提取率最大，達52.6%。說明不同篩目數的物料對膳食纖維提取的影響較大。究其原因，可能是篩分越細，越易破壞蓮殼分子結構，從而造成分子漂浮，不易被乙醇溶劑提取亦或損失過大。因此，在其他條件不變的情況下，篩目數以60目為宜。

2.1.2 液料比 由圖2可知，隨著液料比不斷增大，膳食纖維提取率不斷增大，當液料比增大至25∶1(mL/g)后，可溶性膳食纖維逐步溶解，膳食纖維提取率降低，蓮子殼膳食纖維在料液比為25∶1(mL/g)時有最大的提取率。因此，在其他條件不變的情況下，選擇液料比25∶1(mL/g)為宜。

2.1.3 木瓜蛋白酶用量 木瓜蛋白酶具有分解蛋白質能力強，適用pH范圍廣，熱穩定性高等優點，被廣泛應用于食品、醫藥、工業生產中。為制備純度較高的膳食纖維，本試驗利用木瓜蛋白酶對蓮殼粉進行處理。由圖3可知，隨木瓜蛋白酶加入量的增加，蓮殼膳食纖維提取率呈先升后降的趨勢，加酶量為3%時，提取率達到最大值50.16%。說明酶與底物間的適宜比例尤為重要，在其他條件不變的情況下，木瓜蛋白酶用量確定為3%。

2.1.4 木瓜蛋白酶提取時間 由圖4可知，蓮殼膳食纖維提取率先隨木瓜蛋白酶提取時間的增加而緩慢上升，5×20 s時達到最大(59.80%)，而后提取率呈下降趨勢。這可能源于微波的離子傳導和偶極子轉動作用等影響，蓮殼分子分解加快，極大地促進木瓜蛋白酶酶解反應速度；隨著反應時間的延長，反應底物減少，產物積累對酶活性的反饋抑制作用[11-12]，從而導致提取率下降。因此，微波協同木瓜蛋白酶的提取時間選擇5×20 s為宜。

2.1.5 糖化酶用量 糖化酶性能穩定，無腐蝕性，價格合理，可用于水解蓮子殼中淀粉，其為制備較高純度膳食纖維的理想酶類。由圖5可知，蓮殼膳食纖維提取率隨糖化酶加酶量的增加先上升后降低，加酶量為4%時達到最高，而后隨著酶用量的增加，膳食纖維提取率開始下降。結合生產成本分析，選擇糖化酶適宜量為4%。

2.1.6 糖化酶提取時間 由圖6可知，糖化酶提取時間對蓮殼膳食纖維提取率的影響不大。隨著提取時間的延長，蓮殼膳食纖維提取率變化呈先增后減的趨勢，但總體變化幅度不大。出于節能考慮，選擇糖化酶的最佳提取時間為8×20 s。

2.2 正交試驗

由單因素試驗可知，糖化酶的用量及其提取時間對蓮殼膳食纖維提取率的影響較少，因此根據單因素試驗結果，選定糖化酶用量為4%，糖化酶提取時間為8×20 s。正交試驗中選定樣品篩目數、液料比、木瓜蛋白酶用量、木瓜蛋白酶提取時間4個因素，以蓮殼膳食纖維提取率為考察指標，設計四因素三水平L9(34)正交試驗，試驗設計和結果見表1、2。

由表2可知，影響蓮子殼膳食纖維提取率的4個因素的主次順序依次為篩目>液料比>木瓜蛋白酶提取時間>木瓜蛋白酶用量，最佳工藝組合為A2B1C2D3，即：篩目數60目、液料比20∶1(mL/g)、木瓜蛋白酶用量為3%、木瓜蛋白酶提取時間為6×20 s(提取6次，每次20 s，間隔2 min)，糖化酶用量為4%，糖化酶提取時間為8×20 s(提取8次，每次20 s，間隔2 min)。按照此工藝條件來提取蓮子殼中的膳食纖維，重復3次，并取其平均值，得提取率為72.36%。

2.3 本法與雙酶非微波提取法的提取效果比較

微波提取法采用間歇式萃取，由最佳優化工藝可知，微波-雙酶總提取時間為14× 20 s(總提取14次，每次20 s，間隔2 min)，總耗時間約為30 min；相同條件下，雙酶非微波提取法總提取時間為100 min(具體數據略)，故微波提取法可縮短70%的時間，且提取率大幅提高(提高82.87%)，結果見表3。因此，從省時、省試劑等諸方面綜合考慮，微波-雙酶協同提取法以其得率高、時間短、能耗低等特點明顯優于常用的單純雙酶提取法。

3 結論

本試驗以蓮殼為原料，研究了不同篩目數、液料比、木瓜蛋白酶用量、木瓜蛋白酶提取時間、糖化酶用量、糖化酶提取時間對蓮子殼膳食纖維提取率的影響，通過單因素和正交試驗分析，明確了微波—雙酶協同提取法中影響蓮殼膳食纖維提取率的4個因素的主次順序：篩目>液料比>木瓜蛋白酶提取時間>木瓜蛋白酶用量，確定了其最佳工藝條件為：蓮子殼篩目為60目，液料比20∶1(mL/g)，木瓜蛋白酶加入量3%，微波協同木瓜蛋白酶提取時間6×20 s，糖化酶加入量4%，微波協同糖化酶提取時間8×20 s，此條件下，蓮子殼膳食纖維的平均提取率為72.36%。同時，將本試驗與以往常用的雙酶提取法相比，微波-雙酶協同提取法可縮短70%的時間，且提取率提高了82.87%。然而，不同提取法制備的蓮殼膳食纖維在理化性能及其構效關系的差異尚不明確，有待開展進一步研究。

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Optimization on microwave-two enzymes synergistic methods for dietary fiber extraction in lotus seed shell

CHEN Tie-bi1,2JINNa2WANGJian-hui2LIUDong-min1,2FANMin1DENGGuo-sheng1CHENYing-yi1

(1.DepartmentofBiologyandChemistry,HunanUniversityofScienceandTechnology,Yongzhou,Hunan425100,China; 2.HunanProvincialEngineeringResearchCenterforFoodProcessingofAquaticBioticResources,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha,Hunan410114,China)

To investigate the effect of microwave-two enzymes synergistic extraction methods on dietary fiber yields in lotus shell, the sieving mesh number of the lotus seed shell, ratio of solid-liquid, papain and glucoamylase dosages and extraction time were set out to conduct the orthogonal tests based on the results of single factor experiments. The optimal extraction conditions were as followed: sieving mesh of 60, ratio of liquid-solid 20∶1, papain dosage 3%, papain extraction time of 6×20 s (extracting 6 times, each time for 20 s with intervals of 2 min), dosage of glucoamylase 4%, and glucoamylase extraction time 8×20s (extracting 8 times, each time for 20 s with intervals of 2 min). Under the optimal conditions, the extraction rate of dietary fiber in lotus shell was 72.36%. Compared with enzyme extraction, microwave-two enzymes synergistic extraction can save 70% time, and greatly improve the extraction rate over 82.87% than two enzyme method.

Lotus seed shell; dietary fiber; microwave; papain; glucoamylase

國家自然科學基金青年科學基金項目(編號：31301564)；湖南省自然科學基金項目(編號：2015JJ2011)，湖湘青年英才支持計劃項目(編號：2015RS4051)；永州市科技局科技計劃項目(編號：永科發[2009]20號)；湖南省高校科技創新團隊支持計劃資助(編號：2012-318)； 湖南省水生資源食品加工工程技術研究中心開放基金資助項目(編號：2016GCZX02，2015GCZX08)

陳鐵壁，男，湖南科技學院實驗師，碩士。

王建輝(1980—)，男，長沙理工大學教授，博士。 E-mail:wangjh0909@163.com

2016—09—17

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.03.034