超聲波輔助提取馬鈴薯全粉加工副產(chǎn)物中膳食纖維

馬子曄，何孟欣，孫劍鋒，*，任叢濤，宮可心

（1.河北農(nóng)業(yè)大學食品科技學院，河北保定071000；2.張家口弘基農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限責任公司，河北張家口075000；3.今麥郎面品有限公司，河北邢臺054000）

馬鈴薯全粉是馬鈴薯加工產(chǎn)品之一，由于其能較長時間的保存，且能基本保持新鮮馬鈴薯的營養(yǎng)和風味，便于制作加工各種食品，是馬鈴薯食品加工的天然添加劑和優(yōu)質(zhì)原料[1]。因此，馬鈴薯全粉作為馬鈴薯深加工產(chǎn)品，在食品工業(yè)上得到了快速地應用與發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，每加工得到1 t馬鈴薯全粉會產(chǎn)出0.2 t～0.5 t的馬鈴薯廢渣，加工全粉后得到的薯渣不僅含水率高，而且松散、不易儲運，廢棄腐敗后對環(huán)境污染較大，因此，妥善處理這些薯渣，對降低加工成本、防止生態(tài)環(huán)境惡化具有重要意義。

新鮮薯渣水分含量高達70%～85%，其內(nèi)部的干物質(zhì)中殘留約53.9%的淀粉、18%的膳食纖維、11%的蛋白質(zhì)、2.3%的灰分、3.6%的果膠、1.9%的還原糖及其它成分，具有較高的再利用價值。膳食纖維是一種多糖，被營養(yǎng)界補充認定為第七類營養(yǎng)素，包括纖維素、半纖維素、果膠及其它單體成分等[2]。按照其在水中的溶解性，可將膳食纖維分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）兩大類?？扇苄陨攀忱w維主要包括細胞壁內(nèi)的儲存物質(zhì)和分泌物及合成類多糖等，不溶性膳食纖維主要是植物的細胞壁成分，包括木質(zhì)素、纖維素和部分半纖維素等[3]。眾多研究表明：膳食纖維具有增加飽腹感[4]、促排便[5]、調(diào)節(jié)腸道菌群動態(tài)平衡[6]等作用，可以起到減肥[7]、降血糖[8]、抗癌抗腫瘤[9]、降低膽固醇[10]等功效。馬鈴薯渣含纖維量較高，是廉價而安全的膳食纖維資源。本研究以馬鈴薯全粉加工副產(chǎn)物為原材料，采用超聲波輔助酶、堿結(jié)合的方法提取馬鈴薯膳食纖維，進行有效成分的資源化利用，不僅有利于保護環(huán)境，更有利于提高馬鈴薯全粉加工的附加值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

馬鈴薯全粉加工副產(chǎn)物（含薯皮薯渣）：張家口弘基農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限責任公司；α-淀粉酶（酶活力≥600 000 U/g）、纖維素酶（酶活力≥10 000 U/g）、木聚糖酶（酶活力≥50 000 U/g）：北京索萊寶科技有限公司；氫氧化鈉、鹽酸：均為分析純，上海沃凱生物技術(shù)有限公司。

1.1.2 儀器與設備

1114W50176S高速冷凍離心機：上海礫弞科學儀器有限公司；SK5200H超聲波清洗器：廣州科導儀器設備有限公司；H.SWX-600BS恒溫水浴箱：常州朗博儀器制造有限公司；DHG-9143BS-Ⅲ電熱恒溫鼓風干燥箱：上海新苗醫(yī)療制造有限公司；LG1.0型真空冷凍干燥機：沈陽航天新陽速凍設備制造有限公司；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵：上海天星科學儀器有限公司；AR423CN電子天平：奧豪斯（上海）儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 提取工藝

樣品前處理：馬鈴薯全粉加工副產(chǎn)物（含薯皮薯渣）真空冷凍干燥→粉碎過篩（40目）。

工藝流程：稱量→加水溶解→調(diào)pH6→煮沸3 min→加α-淀粉酶→超聲（酶解）→滅酶→離心→棄去上清液→沉淀加NaOH堿解→離心分離濾液濾渣。

濾渣：蒸餾水洗滌至中性→干燥→不溶性膳食纖維（IDF）。

濾液：3%HCl洗滌至中性→離心→吸取上清液用3倍體積乙醇醇沉1 h→干燥→可溶性膳食纖維（SDF）。

總馬鈴薯膳食纖維（totaldietaryfiber，TDF）=不溶性膳食纖維（IDF）+可溶性膳食纖維（SDF）。

1.2.2 試驗設計

1.2.2.1 單因素試驗

1）在固定超聲溫度50℃，α-淀粉酶添加量1.5%，酶解時間30 min，NaOH濃度3%，堿解時間30 min的條件下，選擇不同超聲波功率150、180、210、240、270 W進行試驗，根據(jù)總馬鈴薯膳食纖維提取率確定超聲波功率。

2）在固定超聲功率300W，α-淀粉酶添加量1.5%，酶解時間30 min，NaOH濃度3%，堿解時間30 min的條件下，選擇不同超聲溫度 40、50、60、70、80 ℃進行試驗，根據(jù)總馬鈴薯膳食纖維提取率確定超聲溫度。

3）在固定超聲波功率300 W，超聲溫度50℃，酶解時間30 min，NaOH濃度3%，堿解時間30 min的條件下，選擇不同α-淀粉酶添加量0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%進行試驗，根據(jù)總馬鈴薯膳食纖維提取率確定α-淀粉酶添加量。

4）在固定超聲波功率300 W，超聲溫度50℃、α-淀粉酶添加量1.5%，NaOH濃度3%，堿解時間30 min的條件下，選擇不同酶解時間 10、20、30、40、50 min 進行試驗，根據(jù)總馬鈴薯膳食纖維提取率確定酶解時間。

5）在固定超聲波功率300 W，超聲溫度50℃，α-淀粉酶添加量1.5%，酶解時間30 min，堿解時間30 min的條件下，選擇不同NaOH濃度2%、3%、4%、5%、6%進行試驗，根據(jù)總馬鈴薯膳食纖維提取率確定NaOH濃度。

6）在固定超聲波功率300 W，超聲溫度50℃，α-淀粉酶添加量1.5%，酶解時間30 min，NaOH濃度3%的條件下，選擇不同堿解時間 10、20、30、40、50 min進行試驗，根據(jù)總馬鈴薯膳食纖維提取率確定堿解時間。

1.2.2.2 響應面試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取影響顯著的試驗因子及其較優(yōu)水平進行響應面優(yōu)化試驗。試驗的設計方案如表1所示。

表1 Box-Behnken設計試驗因素水平及編碼Table 1 Box-Behnken design experimental factor level and coding

1.2.2.3 理化特性測定

持水力測定參考易甜等[11]的方法，略作修改，準確稱取0.4 g樣品于離心管中，加蒸餾水至40 mL，振蕩24 h，4 000 r/min離心30 min，棄去上清液，使離心管壁干燥，稱重并計算持水力。

式中：m0為離心前離心管與樣品的質(zhì)量，g；M為離心后離心管與沉淀物的質(zhì)量，g；m為樣品質(zhì)量，g。

溶脹力測定參考易甜等[11]的方法，略作修改，準確稱取1.0 g樣品于有刻度的試管中，讀取體積，加10 mL蒸餾水，搖勻后靜置24 h，讀取膨脹的體積并計算溶脹力。

式中：m0為樣品質(zhì)量，g；V0為樣品體積，mL；V1為膨脹后體積，mL。

持油力測定參考Robertson等[12]的方法，略作修改，準確稱取0.5 g樣品于離心管中，稱重，加30 mL植物油，振蕩混合10 min，4 000 r/min離心30 min，棄去上清液，擦干管壁附著的油，稱重并計算持油力。

式中：m0為離心前離心管與樣品質(zhì)量，g；m1為離心后離心管與沉淀物質(zhì)量，g；m為樣品質(zhì)量，g。

1.2.2.4 膳食纖維功能特性的測定

陽離子交換能力參考陸紅佳等[13]的方法。葡萄糖吸附能力參考周笑犁等[14]的方法。亞硝酸根離子吸附能力參考楊曉寬等[15]的方法，依據(jù)標準曲線，計算膳食纖維對亞硝酸根離子的吸附能力。膽固醇吸附能力參考高蔭榆等[16]的方法，依據(jù)標準曲線，計算不同pH值下膳食纖維對膽固醇的吸附性。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗重復3次，測定平均值，試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 23.0軟件進行Duncan多重比較分析，不同小寫字母表示在P＜0.05水平上差異顯著，圖表用origin 8.1繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 提取工藝優(yōu)化

2.1.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1.1 超聲波功率對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響超聲波功率對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響見圖1。

圖1 超聲波功率對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic power on total potato dietary fiber extraction rate

由圖1可以看出，隨著超聲波功率的增大，總馬鈴薯膳食纖維提取率呈現(xiàn)先上升后下降并趨于平緩的趨勢，這可能是由于超聲波的機械作用和空化效應，使細胞破裂，粒子運動加快，使酶易于與蛋白質(zhì)網(wǎng)絡包裹的淀粉接觸，使淀粉水解更加完全[17]。當超聲波功率達到180 W時，總馬鈴薯膳食纖維提取率達到最大值，當功率超過180 W時，提取率下降，可能是由于過高的提取功率會使目標物質(zhì)分解，造成提取率的降低。因此，從能耗及提取率變化方面考慮，確定超聲波的最佳功率為180 W。

2.1.1.2 超聲溫度對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響

超聲溫度對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響見圖2。

圖2 超聲溫度對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic temperature on total potato dietary fiber extraction rate

從圖2可以看出，隨著超聲溫度的升高，總馬鈴薯膳食纖維提取率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這可能是由于超聲的溫度與酶的活性相關(guān)，在一定溫度范圍內(nèi)，α-淀粉酶的活性隨溫度的升高而增加，提取率也隨之上升，當提取溫度超過60℃后，隨著溫度的升高，易導致酶的活性降低，且較高的溫度也可能引起纖維物質(zhì)的降解，影響總馬鈴薯膳食纖維提取率。因此，提取總馬鈴薯膳食纖維的最適超聲溫度為50℃。

2.1.1.3 α-淀粉酶添加量對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響

α-淀粉酶添加量對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響見圖3。

圖3 α-淀粉酶添加量對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響Fig.3 Effect of α-amylase addition on total potato dietary fiber extraction rate

從圖3可以看出，隨著α-淀粉酶添加量的增加，總馬鈴薯膳食纖維提取率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這可能是由于隨著α-淀粉酶添加量的增加，淀粉被充分酶解，提高了總馬鈴薯膳食纖維提取率，當α-淀粉酶添加量為1.5%時，總馬鈴薯膳食纖維含量達到最高，淀粉水解率也達到最大值，當α-淀粉酶添加量超過1.5%時趨于平緩下降，說明底物被酶飽和。因此，提取總馬鈴薯膳食纖維的α-淀粉酶添加量為1.5%。

2.1.1.4 酶解時間對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響

酶解時間對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響見圖4。

圖4 酶解時間對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響Fig.4 Effect of enzymatic hydrolysis time on total potato dietary fiber extraction rate

從圖4可以看出，隨著酶解時間的增加，總馬鈴薯膳食纖維提取率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這可能是由于在超聲波的剪切振動作用下，粒子運動加速，暴露出更多的酶活性基團，隨著酶解時間的增加，提取率提高，繼續(xù)延長酶解時間，半纖維素等活性物質(zhì)發(fā)生降解使提取率降低。因此，提取總馬鈴薯膳食纖維適宜的酶解時間為30 min。

2.1.1.5 NaOH濃度對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響

NaOH濃度對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響見圖5。

圖5 NaOH濃度對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響Fig.5 Effect of NaOH concentration on total potato dietary fiber extraction rate

從圖5可以看出，隨著NaOH濃度的增加，總馬鈴薯膳食纖維提取率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。這可能是由于隨著氫氧化鈉溶液濃度的增加，蛋白質(zhì)水解率逐漸提高，其中的半纖維素溶出，使半纖維素與纖維素分離的較徹底，使得膳食纖維提取率增加，而氫氧化鈉溶液濃度過高時，會破壞部分纖維素，從而降低膳食纖維含量[18]。因此，提取總馬鈴薯膳食纖維適宜的NaOH濃度為4%。

2.1.1.6 堿解時間對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響

堿解時間對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響見圖6。

圖6 堿解時間對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響Fig.6 Effect of alkaline hydrolysis time on total potato dietary fiber extraction rate

從圖6可以看出，隨著堿解時間的增加，總馬鈴薯膳食纖維提取率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。這可能是由于堿解時間過短時，蛋白質(zhì)水解不完全，而堿解時間過長，纖維軟化，容易造成纖維素發(fā)生水解，導致膳食纖維總體含量降低[19]。因此，提取總馬鈴薯膳食纖維適宜的堿解時間為20 min。

2.1.2 響應面試驗結(jié)果

2.1.2.1 馬鈴薯膳食纖維提取的響應面試驗結(jié)果分析

采用Box-Behnken原理設計以α-淀粉酶添加量、酶解時間、NaOH濃度和堿解時間為自變量的四因素三水平共29個試驗點的試驗，以總馬鈴薯膳食纖維提取率為響應值，試驗的設計方案和結(jié)果如表2所示。對回歸模型進行方差分析，結(jié)果如表3所示。

表2 響應面試驗設計和試驗結(jié)果Table 2 Response surface test design and test results

續(xù)表2 響應面試驗設計和試驗結(jié)果Continue table 2 Response surface test design and test results

表3 響應面膳食纖維提取率的回歸模型的方差分析及顯著性檢驗Table 3 Analysis of variance and significance test for regression model of dietary fiber extraction rate on response surface

模型因子為P＜0.000 1，表明該回歸模型因子有極顯著差異（P＜0.01）；且失擬項P=0.412 9差異不顯著，表明該模型穩(wěn)定，殘差由隨機誤差引起，這個模型能夠很好地預測不同工藝條件對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響。由F值大小可知，影響總馬鈴薯膳食纖維提取率的主要因素主次順序為C＞D＞A＞B，即NaOH濃度＞堿解時間＞酶添加量＞酶解時間。

2.1.2.2 響應面模型方程的建立

對試驗數(shù)據(jù)進行多項擬合回歸，得到二次多項式回歸模型，以總馬鈴薯膳食纖維提取率（Y）為因變量，α-淀粉酶添加量（A）、酶解時間（B）、NaOH 濃度（C）、堿解時間（D）為自變量，建立的二次回歸模型，方程為Y=61.41+1.60A-0.13B-4.69C-1.99D+0.88AB-2.42AC+0.66AD-0.28BC-0.20BD+0.97CD-1.96A2-1.15B2-2.40C2-2.41D2。

2.1.2.3 響應面試驗結(jié)果分析

根據(jù)回歸分析結(jié)果，利用Design-Expert8.1.0軟件對表2中的數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，得到總馬鈴薯膳食纖維提取率的三維響應面，如圖7所示。

圖7 各因素交互作用對馬鈴薯膳食纖維提取率影響的響應面圖Fig.7 Response surface plot of potato dietary fiber extraction rate for interaction of various factors

由圖7三維響應曲面圖可知4個因素變量對總馬鈴薯膳食纖維提取率的影響，響應曲面的坡度緩陡說明相應條件的改變對響應值影響的高低，倘若坡度越陡峻，則說明響應值對于操作條件的改變越靈敏[20]。

由二次多項式回歸模型和響應面分析結(jié)果可知：該組回歸模型存在穩(wěn)定點（即響應值綜合最高點）為在超聲波功率為180 W、超聲溫度為50℃時，添加2%的α-淀粉酶、酶解時間35.17 min、NaOH濃度3%、堿解時間為14.03 min時達到總馬鈴薯膳食纖維提取率的最大值66.71%。

2.1.2.4 回歸模型的驗證

為便于試驗操作，在α-淀粉酶添加量為2.0%、酶解時間35 min、NaOH濃度3.0%、堿解時間14 min的條件下，進行3組重復驗證試驗，所得膳食纖維提取率為（66.56±0.029）%、而理論預測值為66.71%，與預測值基本一致。說明該回歸模型可以較真實地反應各因素對響應值的影響，用該模型可以可靠地預測馬鈴薯全粉加工副產(chǎn)物中總膳食纖維的提取率。

2.2 馬鈴薯膳食纖維的品質(zhì)特性試驗

2.2.1 馬鈴薯膳食纖維理化特性

馬鈴薯膳食纖維理化特性見圖8。

圖8 馬鈴薯膳食纖維理化特性Fig.8 Physicochemical characteristics of potato dietary fiber

由圖8可知，不溶性膳食纖維（IDF）的持水力7.39 g/g、持油力1.46 g/g及膨脹力7.25 mL/g，均明顯高于可溶性膳食纖維（SDF）；可溶性膳食纖維的持水力、持油力及膨脹力明顯低于不溶性膳食纖維和總馬鈴薯膳食纖維（TDF），總馬鈴薯膳食纖維的持水力達9.02g/g，顯著高于不溶性膳食纖維和可溶性膳食纖維。

2.2.2 馬鈴薯膳食纖維功能特性

馬鈴薯膳食纖維功能特性見表4。

由表4可知，總馬鈴薯膳食纖維的葡萄糖吸附能力為137.2 mg/g、陽離子交換能力為0.72 mmol/kg、亞硝酸根離子清除能力為7.31 mg/g、膽固醇吸附能力在pH2時為 9.54 mg/g、pH7時為 16.82 mg/g，均顯著高于不溶性膳食纖維以及可溶性膳食纖維，其中由膽固醇吸附能力在pH2以及pH7的值不同，可知膳食纖維對膽固醇的吸附作用主要發(fā)生在小腸中，在胃中的吸附能力較差。

表4 馬鈴薯膳食纖維功能特性Table 4 Functional characteristics of potato dietary fiber

3 結(jié)論

采用響應面優(yōu)化超聲波輔助酶堿結(jié)合法提取馬鈴薯全粉加工副產(chǎn)物中膳食纖維，結(jié)果表明：總馬鈴薯膳食纖維提取的最佳工藝為超聲波功率180W、超聲溫度50℃、α-淀粉酶添加量2%、酶解時間35 min、NaOH濃度3%、堿解時間14 min時，此時膳食纖維提取率為66.56%。

經(jīng)試驗測定：不溶性、可溶性、總馬鈴薯膳食纖維的持水力分別為7.39、2.52、9.02 g/g，膨脹力分別為7.25、0.75、3.5 mL/g、持油力分別為 1.46、1.02、1.3 g/g。總膳食纖維的陽離子交換能力0.72 mmol/kg、葡萄糖吸附能力137.2 mg/g，亞硝酸根離子吸附能力7.31 mg/g，膽固醇吸附能力在pH2時為9.54 mg/g，在pH7時為16.82 mg/g，均顯著高于其不溶性膳食纖維和可溶性膳食纖維，具有良好的功能特性，適用于后期在食品加工中的應用。