甘薯膳食纤维酶法改性及其特性研究

 　　摘 要：采用纤维素酶和木聚糖酶相结合，对甘薯膳食纤维进行改性研究。通过单因素试验和正交试验优化甘薯膳食纤维酶法改性工艺条件，并对改性前后膳食纤维的理化特性和抗氧化活性进行分析研究。结果表明：甘薯膳食纤维酶法改性中，纤维素酶最适添加量1.2%，木聚糖酶最适添加量1.6%，最佳酶解时间30 min，最适料液比1∶11，获得的可溶性膳食纤维得率为8.84%。与天然膳食纤维相比，改性后的甘薯膳食纤维持油力上升，膨胀力和持水力下降(P<0.05)。同时，酶法改性显著提高了甘薯膳食纤维对DPPH的清除能力，增强了甘薯膳食纤维的功能特性。

　　关键词：甘薯;膳食纤维;改性工艺;理化特性;抗氧化活性

　　《食品工业》创刊于1979年，以反映食品工业技术进步为主，配合报道食品的市场动态和科学管理，食品行业的科研、生产、原料、市场和消费等各个环节，在全国食品界创下了良好的声誉，成为全国食品工业类中文核心期刊。

　　膳食纤维(DF)是指在人体的小肠内不能被消化吸收，在大肠中可以部分或者全部发酵的可食用植物成分、碳水化合物及其类似物 [1]。DF分为可溶性膳食纤维(SDF)和不溶性膳食纤维(IDF)两类[2]。SDF吸水性好、黏度大，容易被肠道菌群发酵利用，在降低餐后血糖和吸附胆固醇等方面具有优良特性。在技术上SDF还可以作为重要的增稠剂、胶凝以及成膜和仿脂剂[3]。IDF则通过增加饱腹感以及粪便体积和重量，从而改善消化系统功能[4]。SDF含量的高低通常是评价DF品质优劣的重要指标，然而很多天然的膳食纤维原料中SDF所占的比例都很低，需要对其进行改性，提高SDF的含量以更好地发挥其生理功效[5]。目前，对膳食纤维进行改性的方法主要有酶法、化学方法、物理方法、离子液体法等[6]，其中酶法改性具有温和、安全、高效等优点，是制备高活性膳食纤维较好的方法。有研究报道，纤维素酶和木聚糖酶联合进行酶解在与官能团暴露和比表面积相关的性质方面表现出较好的效果，比如胆酸钠结合容量和羟自由基清除活性[7]。

　　甘薯是一种营养价值十分丰富的作物[8]。我国是世界上最大的甘薯产地之一，几乎所有地区均有种植[9]。我国常见的四个彩色甘薯品种是白色、黄色、橙色和紫色，它们的化学成分完全不同[10]。当前甘薯的开发大约50%用作饲料，14%作为食物，6%用于种薯，还有15%因保存不当被丢弃，只有很少的一部分用于工业加工，加工利用率低[11]。所以，加强对甘薯生物活性物质的研究，优化甘薯提取工艺具有十分重要的意义。本研究采用纤维素酶和木聚糖酶相结合，对甘薯膳食纤维进行改性研究，优化了甘薯膳食纤维加工的工艺条件，提高了SDF的含量，并对改性后膳食纤维的理化特性及抗氧化性进行了分析，为甘薯膳食纤维的深入研究及其功能产品的开发提供科学依据。

　　1 材料与方法

　　1.1 材料与试剂

　　甘薯(白皮红心)，金龙鱼大豆油，昆明某超市;α-淀粉酶、糖化酶、木聚糖酶，北京索莱宝科技有限公司;木瓜蛋白酶、纤维素酶、DPPH，上海源叶生物科技有限公司;抗坏血酸、氢氧化钠、乙酸、无水乙醇等均为分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司;pH精密试纸：上海三爱思试剂有限公司。

　　1.2 仪器与设备

　　电动粉碎机，上海淀久中药机械制造有限公司;120目分样筛(孔径0.125 mm)，浙江上虞哨金五四纱筛厂;101-2型干燥箱，中华人民共和国上海市试验仪器厂;HH-3A数显恒温水浴锅，金坛市易晨仪器制造有限公司;H1850台式高速离心机，湖南湘仪试验试剂器开发有限公司;电子分析天平，奥豪斯(上海)公司;SHZ-D(Ⅲ)型循环水真空泵，巩义市予华仪器有限责任公司;722S可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司。

　　1.3 方法

　　1.3.1 预处理 甘薯经清洗晾干后切成薄片，在鼓风干燥箱中烘干，粉碎机粉碎后过120目筛并保存。

　　1.3.2 甘薯膳食纤维改性方法 (1)工艺流程：参考祝美云等[12]的方法，并进行适当修改。甘薯粉→α-淀粉酶和糖化酶除淀粉→木瓜蛋白酶除蛋白→纤维素酶和木聚糖酶酶解→离心→醇析→沉淀物→烘干→称重。(2)操作要点：精确称取5 g甘薯粉，按一定料液比加入去离子水，搅拌均匀，采用混合酶法加入α-淀粉酶和糖化酶(酶量12%，α-淀粉酶：糖化酶=6：4)，在60℃水浴下酶解150 min后90℃灭酶10 min，然后在60℃水浴下调pH值为7.5，加入木瓜蛋白酶(酶量0.6%)酶解30 min后90℃灭酶10 min，之后在45℃水浴下调pH值为4.8，加入一定质量分数纤维素酶和木聚糖酶酶解一段时间，酶解结束后，6 000 r/min离心10 min，上清液用4倍体积95%乙醇沉淀过夜，抽滤，滤渣在105℃下烘至恒重。可溶性膳食纤维得率按式(1)计算：

　　可溶性膳食纤维得率(%)=可溶性膳食纤维的重量甘薯粉的重量×100%(1)

　　1.3.3 甘薯膳食纤维改性工艺优化的单因素试验 (1)确定纤维素酶最佳添加量：在料液比为1∶10、酶解时间为60 min的条件下分别加入纤维素酶0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%，研究纤维素酶的添加量对可溶性膳食纤维得率的影响。(2)确定木聚糖酶最佳添加量：在料液比为1∶10，酶解时间为60 min的条件下分别加入木聚糖酶0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%，研究木聚糖酶的添加量对可溶性膳食纤维得率的影响。(3)确定酶解时间：在料液比為1∶10，纤维素酶添加量为1.2%，木聚糖酶添加量为1.2%的条件下分别酶解10、20、30、40、50 min，研究酶解时间对可溶性膳食纤维得率的影响。(4)确定料液比：在纤维素酶添加量为1.2%、木聚糖酶添加量为1.2%、酶解时间为30 min的条件下分别将料液比设为1∶8、1∶9、1∶10、1∶11、1∶12，研究料液比对可溶性膳食纤维得率的影响。

　　1.3.4 甘薯膳食纤维改性工艺优化正交试验 选取纤维素酶添加量、木聚糖酶添加量、酶解时间、料液比四个因素，温度和pH值设为两种酶的最适温度和最适pH，以可溶性膳食纤维的得率为指标，确定各因素的重要性次序和最佳工艺参数。采用L9(34)进行正交试验设计(表1)。

　　1.3.5 改性膳食纤维理化特性测定 参考龚卫华等[13]的方法进行膨胀力、持水力和持油力的测定。(1)膨胀力的测定：准确称取烘干过筛后的膳食纤维0.5 g，置于10 mL刻度试管中，读取体积(V0)，加 10 mL 蒸馏水，摇匀，室温放置 24 h后读取膨胀后的体积(V1)，按式(2)计算膨胀力。(2)持水力的测定：准确称取烘干过筛后的膳食纤维0.1 g(m1)，放入15 mL干燥离心管中，称重(m2)。加入 10 mL 蒸馏水，摇匀，室温静置4 h，在3 500 r/min离心30 min，弃去上清液后称重(m3)，按式(3)计算持水力。(2)持油力的测定：准确称取膳食纤维样品0.1 g(m1)，放入15 mL干燥离心管中，称重(m2)。加入10 mL 大豆油，摇匀，室温静置4 h，于3 500 r/min离心 30 min，弃去上层油后称重(m3)，按式(4)计算持油力。

　　膨胀力(mL/g)=V1-V00.5(2)

　　持水力(g/g)=m3-m2m1(3)

　　持油力(g/g)=m3-m2m1(4)

　　1.3.6 改性膳食纤维抗氧化活性的测定 于10 mL 刻度试管中分别加入配制好的不同浓度的样品溶液2 mL和0.1 mmol/L DPPH溶液2 mL混合均匀，室温下避光反应30 min后用分光光度计测吸光值(A2)，波长设为517 nm，以2 mL蒸馏水和DPPH溶液2 mL混合，在同样的条件下測定吸光值(A1)，用不同浓度维生素C 溶液做阳性对照计算清除率，计算公式如式(5)。

　　DPPH自油基清除率(%)=A1-A2A1(5)

　　1.3.7 数据处理 所有试验数据均重复3次，数据结果表示为平均值±标准差。采用正交试验助手进行正交试验设计，采用SPSS 16.0进行方差分析和显著性检验，采用Excel 2010制图，P<0.05表示具有显著性差异。

　　2 结果与分析

　　2.1 单因素试验结果

　　2.1.1 纤维素酶添加量对甘薯SDF得率的影响 如图1所示，随着纤维素酶酶量的添加，SDF的得率呈现先增加后减少的趋势。当纤维素酶的添加量在0.4%～1.2%这个范围时，SDF的得率逐渐增大，酶量达到1.2%时，得率达到最大，为8.09%。这是由于纤维素酶可以有效地降解不溶性的纤维素，大分子链被切断，降解为可溶性的葡聚糖[12]。当酶量继续增大，SDF的得率呈下降趋势，可能是由于纤维素酶将不溶性膳食纤维降解成了分子量更小的聚糖甚至单糖，聚合度低无法被醇沉，导致SDF的得率降低[14]。因此，可以将0.8%、1.2%、1.6%作为正交试验的纤维素酶添加量水平。

　　2.1.2 木聚糖酶添加量对甘薯SDF得率的影响 从图2可以看出，木聚糖酶添加量在0.4%～1.2%这个范围内时，SDF的得率随着添加量的增多而增大，当添加量超过1.2%后，SDF的得率仍有上升，但是趋势不明显。综合考虑，选择添加量0.8%、1.2%、1.6% 作为正交试验的木聚糖酶的酶添加量水平。

　　2.1.3 酶解时间对甘薯SDF得率的影响 由图3可知，甘薯SDF的得率随着酶解时间的延长呈现先增大后减小的趋势，在酶解时间为30 min时出现峰值(7.88%)。分析这种现象出现的主要原因是酶解反应是一个复杂的生化过程，转化效率与反应时间之间存在着一定联系[15]。反应初期，底物与酶能够充分反应，酶解速度加快，SDF含量增多，30 min时达到饱和，随着反应时间的延长，可以被纤维素酶和木聚糖酶酶解的化学基团逐渐减少[16]。而且，随着两种酶继续作用，初期获得的SDF被进一步降解成还原糖和亲水小分子，无法通过醇沉析出，导致得率下降[17]。所以，可以选择20、30、40 min作为正交试验酶解时间水平。

　　2.1.4 料液比对甘薯SDF得率的影响 由图4可知，在料液比为1∶8～1∶11这个范围内，SDF的得率随着料液比的增加而增加，当料液比为1∶11时获得最大得率8.18%，当料液比超过1∶11后，SDF的得率反而下降。原因主要是料液比过低时，溶液呈糊状，不利于酶与底物结合，SDF溶出少，随着料液比增加，底物可以与酶充分混合，实现最大程度酶解[18]。当蒸馏水的添加量过多，会导致酶和底物被稀释，从而导致转化效率下降。如果料液比增加，提取液体积增大，会增加后期浓缩时间以及乙醇消耗，生产成本增加[19]。所以在保证试验结果和节约能耗的前提下，选择料液比1∶10、1∶11、1∶12作为正交试验的水平。

　　2.1.5 正交试验结果 采用纤维素酶(A)、木聚糖酶(B)、反应时间(C)、料液比(D)为因素，进行四因素三水平(34)正交试验，以甘薯SDF的得率为指标。由表2可知，影响甘薯SDF得率的各因素主次关系为B>A>C>D，即木聚糖酶添加量>纤维素酶添加量>酶解时间>料液比。最佳工艺优化组合为A2B3C2D2，即纤维素酶添加量1.2%、木聚糖酶添加量1.6%、酶解时间30 min、料液比1：11。由表3可知，在影响甘薯膳食纤维酶法改性的4个因素间的相互关系中，纤维素酶添加量、木聚糖酶添加量和酶解时间对SDF得率的影响均呈显著性差异(P<0.05)，料液比对其影响差异不显著。采用最佳工艺优化组合为A2B3C2D2，即纤维素酶添加量1.2%，木聚糖酶添加量1.6%，酶解时间30 min，料液比1：11进行验证试验，得到的SDF得率为8.84%，高于所有试验中的得率。

　　2.2 改性膳食纤维物化特性

　　采用最佳工艺组合对甘薯膳食纤维进行改性，获得改性膳食纤维(MDF)，测定改性后膳食纤维的膨胀力、持水力和持油力，并与甘薯天然膳食纤维进行比较分析。膨胀力表示纤维基质在吸水时的膨胀量，持水力是指潮湿原料在外部离心力或压缩作用下保持水分的能力[20]。从生理学的角度来看，持水力和膨胀力较高的膳食纤维，可能会促使人们长时间地咀嚼，从而潜在地降低食欲，增加饱腹感，并能够促进肠胃蠕动，增加粪便体积和水分，促进粪便排出，对人体产生健康益处[21]。由表4可以看出，MDF的膨胀力和持水力分别为2.83 mL/g、2.74 g/g，与DF相比差异显著(P<0.05)，分别降低了16.02%、16.72%。可能是由于改性后纤维素和部分半纤维素被酶解成可溶性膳食纤维，不溶性膳食纤维减少，持水力和膨胀力下降[22]。

　　持油力是与膳食纤维的化学结构相关的性质，主要取决于纤维颗粒的表面性质、总电荷密度、厚度和疏水性[23]。持油性可以用来评估膳食纤维吸附脂肪的能力，在食品加工过程中可以防止脂肪流失，在人体内可以吸收肠腔中的脂肪来降低血清胆固醇水平[24-25]。由表4可知，改性后，MDF的持油力为4.56 g/g，与DF相比显著增加了72.73%(P<0.05)，这可能是由于酶解提高了SDF的得率，促进了官能团的暴露，使油更容易渗透到膳食纤维分子中，从而抑制了油的损失[26]。

　　2.3 改性膳食纤维抗氧化性能

　　DPPH法是一种广泛使用的的体外抗氧化方法[27]。DPPH是一种稳定的以氮为中心的自由基，在无水乙醇中呈紫色，在517 nm处有最强吸收峰，自由基清除剂可以与DPPH的单电子配对，使颜色变浅，所以常用此方法来检测自由基被清除的情况[28]。本试验测定了DF和MDF对DPPH自由基的清除效果，由图5可知，随着样品溶液浓度的升高，DF和MDF对DPPH自由基的清除能力均呈现逐渐增长的趋势。当样品浓度在0.05～0.8 mg/mL这个范围内时，MDF对DPPH自由基的清除率达到61.92%，显著超过DF的清除率(P<0.05)。以上结果说明，酶改性作用可使甘薯膳食纤维抗氧化能力显著增强，对改善天然膳食纤维功能活性具有积极的意义。

　　3 結论

　　通过单因素试验和正交试验，确定了纤维素酶和木聚糖酶联合改性甘薯膳食纤维的最佳工艺组合为纤维素酶添加量1.2%、木聚糖酶添加量1.6%、酶解时间30 min、料液比1∶11，在此条件下，甘薯SDF的得率为8.84%。采用最佳工艺对甘薯总膳食纤维进行改性，对比DF和MDF的理化特性可知，MDF的持油力显著高于DF，但是膨胀力和持水力显著低于DF。DF和MDF均对DPPH自由基有较高的清除能力，且MDF的清除率显著高于DF。总体来看，对甘薯膳食纤维进行改性可以提高SDF的得率，进一步增强膳食纤维的功能活性，对甘薯膳食纤维保健产品的开发具有重要意义。可对酶法改性膳食纤维的机理、改性膳食纤维的构效关系等进行深入研究，为甘薯的综合利用及其保健食品的开发提供科学依据。◇

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