響應面優化復合酶法提取紅薯皮膳食纖維

摘要：為了消除紅薯初加工副產物所帶來的環境污染問題，提高紅薯產品附加值，以紅薯皮為原料，采用復合酶法提取其中的膳食纖維。通過單因素實驗探究了復合酶的添加量、酶解時間、酶解pH、酶解溫度和料液比對紅薯皮膳食纖維得率的影響，并采用Box-Behnken試驗優化提取參數。結果表明：紅薯皮膳食纖維的最佳提取工藝參數為料液比1∶25（g/mL）、復合酶（纖維素酶∶淀粉酶∶果膠酶質量比= 1∶1∶1）添加量0.5%、酶解時間1.8 h、酶解pH 5.5、酶解溫度48 ℃，該工藝條件下紅薯皮可溶性膳食纖維得率為23.64%，不溶性膳食纖維得率為39.88%。

關鍵詞：紅薯皮；響應面；復合酶法；膳食纖維

中圖分類號：TS209 文獻標志碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20240419

基金項目：漳州職業技術學院校級課題（ZZY2021B141）。

Optimization of response surface for extracting dietary fiber from sweet potato peels using complex enzymes

Lin Liangmei1， Xiao Shaoxiang2， Zhang Lihong1

（ 1.Zhangzhou Institute of Technology， Zhangzhou， Fujian 363000； 2.Hunan Vocational College of Science and Technology， Changsha， Hunan 410004 ）

Abstract： In order to eliminate the environmental pollution caused by the initial processing by-products of sweet potatoes and improve the added value of sweet potato products， this paper took sweet potato peels as raw materials and explored the effects of compound enzyme addition， enzymatic hydrolysis time， enzymatic hydrolysis pH， enzymatic hydrolysis temperature， and liquid-to-solid ratio on dietary fiber yield through single factor experiments. The response surface method was used to optimize the process parameters. The results showed that the optimal process parameters were a liquid-to-solid ratio of 1：25 （g/mL）， a compound enzyme addition rate of 0.5% （fiber enzyme： amylase： pectinase = 1：1：1）， an enzymatic hydrolysis time of 1.8 hours， an enzymatic hydrolysis pH of 5.5， and an enzymatic hydrolysis temperature of 48 ℃. Under these optimal process conditions， the yield of soluble dietary fiber from sweet potato peels was 23.64%， and the yield of insoluble dietary fiber was 39.88%.

Key words： sweet potato peels； response surface； compound enzyme method； dietary fiber

紅薯是發展中國家第五大最基本的糧食作物，僅次于水稻、小麥、玉米和木薯，是我國主要種植和消費的薯類作物之一[1]。紅薯富含蛋白質、纖維素、B族維生素、β-胡蘿卜素、礦物質，以及其他生物活性化合物（多酚化合物），具有替代主糧的潛力[2-5]，此外，紅薯還含有大量膳食纖維，可促進胃腸道蠕動，具有促進排便和緩解便秘的功能。基于紅薯的大量種植、加工及豐富的膳食纖維含量，為了消除紅薯初加工副產物所帶來的環境污染問題，提高紅薯產品附加值，文章將以紅薯皮這一加工副產物為原料進行膳食纖維提取及應用研究。

膳食纖維（dietary fiber，DF）是指能抗人體小腸消化吸收而能在大腸部分或全部發酵的可食用的植物性成分、碳水化合物及其相類似物質的總稱[6]。膳食纖維分為可溶性膳食纖維（SDF）和不溶性膳食纖維（IDF）[7]。SDF主要包括果膠、β-葡聚糖、半乳甘露聚糖、果聚糖和木質素，IDF主要包括半纖維素、纖維素、木質素[8]。其中，SDF具有防止膽結石，排除體內有害金屬離子，防止糖尿病，降低血清及膽固醇，防止高血壓和心臟病等作用，而IDF對肥胖癥、便秘、腸癌等有效[9]。目前，關于膳食纖維的提取方法有很多，有堿處理法、酸-堿處理法、微波輔助堿法、超聲輔助堿法、酶水解法、超聲輔助酶法和酶-化學聯合法等[10-13]。因酶的專一性，纖維素酶、果膠酶、α-淀粉酶可分別作用于紅薯皮中的纖維素、果膠和淀粉，從而大大提高SDF的得率，改善紅薯皮膳食纖維配比，所以文章擬采用復合酶法[14]從紅薯皮中提取膳食纖維。復合酶配比具體參照WANG等[15]略加修改而來，僅為初步配比，最佳配比還有待進一步優化。文章致力于為后續膳食纖維在焙烤食品加工中的應用研究提供原料儲備，以期獲得健康、營養、美味集一體的焙烤食品。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅薯皮：漳州六鰲紅薯清洗削皮60 ℃烘干后粉碎過60目篩；

纖維素酶（1萬U/g）、果膠酶（生物技術級）、α-淀粉酶（1萬U/g）：上海麥克林生化科技股份有限公司；

氫氧化鈉、磷酸、95%乙醇、丙酮等（均為AR級）：西隴科學股份有限公司。

1.2 儀器與設備

DHG-2050B型電熱恒溫干燥箱：鄭州生元儀器有限公司；PHS-3S型精密pH計：上海儀電科學儀器股份有限公司；FA2004型電子天平：上海舜宇恒平科學儀器有限公司；TG16-WS型高速離心機：上海盧湘儀離心機儀器有限公司；HWS-28型水浴鍋：上海一恒科學儀器有限公司；RE52CS型旋轉蒸發儀：上海亞榮生化儀器廠；YB-1000A型多功能粉粹機：永康市速鋒工貿有限公司；CHRIST ALPHA 1-4LSC型冷凍干燥機：北京博勱行儀器有限公司；HPD-25型真空泵：天津市恒奧科技發展有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 可溶性膳食纖維（SDF）提取

以紅薯皮粉質量1g，以料液比1：20，酶添加量0.5%，酶解時間2h，酶解溫度50℃，酶解pH5.5為基準，以紅薯皮SDF得率為評價指標，進行復合酶單因素試驗。單因素變量如下：料液比取1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30（g/mL）5個水平；酶添加量取0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8% 5個水平；酶解時間取1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h 5個水平；酶解溫度取30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃ 5個水平；酶解pH值取4.5、5.0、5.5、6.0、6.5，5個水平。

1.3.3 不溶性膳食纖維（IDF）提取

將上述離心所得濾渣于-40 ℃，0.085 MPa的真空度條件下進行冷凍干燥，即可得到IDF。

1.3.4 響應面優化薯皮SDF提取工藝

通過單因素實驗發現，對SDF得率影響較顯著的因素為：酶添加量（A）、酶解pH（B）、酶解時間（C）、酶解溫度（D）。在單因素基礎上，采用四因素三水平設計響應面分析，各因子編碼表值見表1。

1.3.6 數據處理

試驗采用3個平行，結果以平均值±標準偏差表示。利用 Design-Expert 12對數據進行差異顯著性分析，并進行響應面優化，采用 Excel作圖。

2 結果與分析

2.1 薯皮SDF提取單因素實驗

2.1.1 料液比對SDF得率的影響

由圖1可以看出，隨著料液增加，SDF得率先上升后略有降低，其中，當料液比達到1∶25（g/mL）時，SDF得率達到最高；之后再增加料液，SDF得率的變動幅度并不是很明顯，因此，確定最適酶解料液比為1∶25（g/mL），但并不將其作為響應面優化因素。

2.1.2 酶添加量對SDF得率的影響

由圖2可以看出，SDF得率呈現先增加后減少的趨勢，當酶添加量為0.5%時，SDF得率最高。紅薯皮富含纖維素，而纖維素能夠被纖維素酶裂解使SDF溶出細胞，因而隨著纖維素酶添加量的增加，SDF溶出量增加。另外，淀粉酶和果膠酶可通過將紅薯皮中的淀粉和果膠分解成低分子多糖從而提高SDF得率。但是隨著淀粉和果膠的分解達到極限，纖維素酶將SDF降解成低分子物質，混合酶用量增加反而導致SDF得率降低。因此，酶添加量宜選擇0.5%左右。

2.1.3 酶解時間對SDF得率的影響

由圖3得知，SDF得率呈現先上升后下降的趨勢，當酶解時間達到1.5 h時，SDF得率最高。由此可見，當酶解時間達到1.5 h時，薯皮中的SDF已基本溶出，之后隨著酶解時間的增加反而可能致使SDF的進一步降解，從而降低SDF得率。因此，酶解時間宜選擇1.5 h左右。

2.1.4 酶解溫度對SDF得率的影響

由圖4可知，酶解溫度對薯皮SDF得率影響明顯。在所選定溫度范圍內，薯皮SDF的得率呈現倒V型，即先增后減。原因可能是當溫度高于50 ℃時，纖維素酶的酶活性受到影響，從而減少纖維素被降解的量，最終導致SDF的得率下降。綜合考慮各方面因素，酶解溫度宜選擇50 ℃左右。

2.1.5 酶解pH對SDF得率的影響

由圖5可知，酶解pH對SDF得率的影響明顯，當酶解pH為5.5時SDF得率最高。pH與酶的活性息息相關，纖維素酶、果膠酶和α-淀粉酶都有各自最合適的pH，且復合酶解選擇最適用pH至關重要。因此，酶解pH宜選擇5.5左右。

2.2 響應面優化薯皮SDF提取工藝

2.2.1 試驗結果

采用Design-Expert 12軟件，根據Box-Behnken響應面法按照表1的試驗因素及水平，設計四因素三水平試驗，試驗設計及結果見表2。

2.2.2 回歸方程分析及顯著性檢驗

運用Design-Expert 12對表2的結果進行多元回歸擬合，得二次多項回歸方程：

由表3可知，該回歸模型P<0.000 1，說明模型的回歸效果極顯著，使用該回歸方程模擬分析SDF得率是可行的。模型失擬項不顯著，模型的負相關系數R2=94.69%，大于90%，該模型是合適的。此外，該二次回歸方程中的B、C、A2、B2、C2、D2對得率Y值存在極顯著的影響，BC、CD對Y值存在顯著的影響，說明所選因素與Y值之間并非單一線性關系，二次項對Y值的影響也很大，交互項對得率Y值的影響相對較小。4個因素對得率的影響順序為：B>C>D>A。

2.2.3 響應面分析

在各個交互項當中，酶解pH與酶解時間（BC）、酶解時間與酶解溫度（CD）兩個交互項響應面的顏色變化較快，曲面較陡峭，即對SDF得率的影響較顯著，其響應面圖和等高線圖如圖6—圖7所示。其中，圖6中最高點處酶解pH（B）為5.5，酶解時間（C）為1.5 h；圖7中最高點處酶解時間（C）為1.5 h，酶解溫度（D）為50 ℃。

2.2.4 最佳工藝條件

通過二次多元回歸模型求解，可知紅薯皮SDF最佳提取參數為：酶添加量0.479 6 %，酶解pH 5.37，酶解時間1.805 h，酶解溫度48.80 ℃，此時紅薯皮SDF的理論得率為22.656%。基于最佳工藝條件結合操作實際考慮，提取參數為酶添加量0.5%，酶解pH 5.5，酶解時間1.8 h，酶解溫度48 ℃。在此最佳工藝條件下進行3次平行實驗，得到紅薯皮SDF的最終得率為（23.64±0.21）%，與理論值較為接近，表明該數學模型具有應用價值。

2.3 紅薯皮IDF的提取

膳食纖維包括SDF和IDF兩種成分，基于各自活性和理化性質，盡可能通過復合酶法提高SDF的得率。最終，在最佳復合酶法提取所得SDF得率的基礎上，所得不可溶性膳食纖維（IDF）的得率為39.88%。

3 結 論

通過單因素試驗，確定復合酶添加量、酶解時間、酶解pH及酶解溫度為影響紅薯皮可溶性膳食纖維得率的最終因素，根據Box-Behnken的中心組合試驗設計原理，采用響應曲面分析法優化紅薯皮可溶性膳食纖維的最佳提取參數，建立可溶性膳食纖維得率的二次多元回歸模型，該模型經檢驗，能夠很好地用于預測紅薯皮可溶性膳食纖維的得率。其中最佳提取參數為：料液比1∶25（g/mL），復合酶添加量0.5%，酶解時間1.8 h，酶解pH 5.5，酶解溫度48 ℃，可溶性膳食纖維的得率為23.64%，不溶性膳食纖維得率為39.88%。后續將對不同可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維配比的活性進行研究。

參 考 文 獻

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