纤维素酶法制备高品质红薯渣膳食纤维条件的研究

倪文霞，王尚玉，王宏勋，黄泽元

(武汉工业学院食品科学与工程学院，湖北武汉430023)

纤维素酶法制备高品质红薯渣膳食纤维条件的研究

倪文霞，王尚玉，王宏勋，黄泽元*

(武汉工业学院食品科学与工程学院，湖北武汉430023)

以红薯渣为原料，对纤维素酶法制备高品质膳食纤维的条件进行实验研究。对影响可溶性膳食纤维含量的因素进行单因素实验，在此基础上进行正交实验，得到纤维素酶制备高品质红薯渣膳食纤维的最佳条件为:温度45℃，pH5，纤维素酶的添加量20U/g，酶解时间2.5h。在此工艺条件下，水溶性膳食纤维的含量由原来的4.26%提高到20.91%。

红薯渣，纤维素酶，高品质膳食纤维

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

红薯渣 湖北凤凰薯业有限公司提供，水分5.13%、蛋白质2.63%、粗脂肪1.35%、淀粉51.53%、SDF4.26%、IDF38.04%;纤维素酶(酶活力≥15000U/g)、石油醚、无水乙醇、硫酸铜、硼酸 分析纯，国药集团化学试剂有限公司;α－淀粉酶 酶活力3000～5000U/g，北京双旋微生物培养基制品厂;胰蛋白酶酶活力2500000U/g，北京格源天润生物技术有限公司;淀粉葡萄糖苷酶 酶活力100000U/g，上海沪峰生化试剂有限公司;重络酸钾 分析纯，大连市金州区化学试剂厂;三羟甲基氨基甲烷 分析纯，国药集团化学试剂有限公司;乙酸 分析纯，广州市南加化工有限公司;丙酮 分析纯，天津市恒发化学试剂有限公司;氢氧化钠 分析纯，杭州萧山化学试剂厂。

FA/MA分析天平 上海良平仪器仪表有限公司;HH.S11－1电热恒温水浴锅 广州沪瑞明仪器有限公司;梅特勒FE20K酸度计 北京联合科仪科技有限公司;BPJ－9070A数显鼓风干燥箱 上海和呈仪器制造有限公司;SHB－III循环水式真空泵 上海楚粕实验室设备有限公司;LX/10马弗炉 常州市兴光窑炉有限公司;KDN－05A自动凯氏定氮仪 上海贝特仪电设别厂;JK08/STSXT－02索氏抽提器 安徽佳科仪器仪表设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 红薯渣的预处理 原料粉碎，过80目筛，水分含量控制为5.13%。

1.2.2 单因素实验 在纤维素酶作用下，大分子的纤维素可降解成低分子的多糖、单糖，使部分不溶性纤维转化成可溶性纤维，从而增加可溶性纤维的含量。根据资料显示，纤维素酶适宜使用条件为:温度50℃，pH 4.5～5.0［10］。选用不同的料液比(1∶8、1∶10、1∶12、1∶14、1∶16)、pH(4、4.5、5、5.5、6)、温度(40、45、50、55、60℃)、酶用量(10、15、20、25、30U/g)和酶解时间(0.5、1、1.5、2、2.5h)进行单因素实验。

1.2.3 正交实验 正交实验因素和水平见表1。

表1 正交实验因素和水平Table 1 Factors and level of orthogonal test

1.2.4 分析测定方法 蛋白质含量的测定按GB/ T5009.5－2010方法［11］;脂肪含量的测定按 GB/ T5009.6－2003方法［12］;灰分含量的测定按 GB/ T5009.4－2003方法［13］;淀粉含量的测定按 GB/ T5009/9－2008方法［14］;不溶性膳食纤维的测定按GB/T5009.88－2008方法［15］;可溶性膳食纤维的测定按GB/T5009.88－2008方法［15］。

2 结果与分析

2.1 料水比对SDF含量的影响

在pH5，温度50℃，酶用量20U/g，酶解时间2h不变的条件下，就不同的料液比1∶8、1∶10、1∶12、 1∶14、1∶16进行单因素实验。由图1可知，随着料液比的增加，SDF含量逐渐升高，因为水的增加对底物和酶的浓度有稀释作用，增大了酶与底物的作用空间。结果显示，当料液比大于1∶12时，SDF含量随料液比的减小而增加，当料液比小于1∶12时，SDF含量有下降趋势。由此可推断出，较合适的料液比是1∶12，在此条件下，SDF含量高。

图1 料液比对SDF含量的影响Fig.1 The effect of the proportion of the material and liquid on the content of SDF

2.2 pH对SDF含量的影响

环境pH直接影响到酶和底物的解离状态，从而影响酶与底物的结合和反应速度。在某一pH时，酶活性达最大值，这一pH称为酶的最适pH。环境pH高于或低于最适pH时，酶的活性降低，反应速度下降，远离最适pH时，甚至会导致酶的变性失活。在料液比1∶12，温度50℃，酶用量20U/g，酶解时间2h不变的条件下，就不同的pH 4、4.5、5、5.5、6进行单因素实验。由图2可知，当pH为5.5时，SDF的含量较高。由此可以推断出，5.5是该纤维素酶的较适pH，在此条件下，纤维素酶活性较大，因而反应速度快，SDF含量较高。

图2 pH对SDF含量的影响Fig.2 The effect of pH on the content of SDF

2.3 温度对SDF含量的影响

酶作为生物催化剂，和一般催化剂一样呈现出温度效应，一方面，升高温度可以增加活化分子数目，提高酶促反应速度;另一方面，当温度超过一定范围时，又会加速酶蛋白的变性速度，增加了酶的热变性。根据酶促反应动力学原理，当酶在低于其最适温度时，随着温度升高，反应速度逐渐加快;当温度高于其最适值时，酶会随着温度的升高而逐渐变性，反应速度下降。在料液比1∶12，pH 5.5，酶用量20U/g，酶解时间2h不变的条件下，就不同的温度40、45、50、55、60℃进行单因素实验。由图3可知，随着反应温度的升高，SDF含量逐渐增加，当温度达到50℃时，SDF含量开始下降。由此可以推断出，50℃是该纤维素酶作用的较适温度。在此条件下，酶的活化分子数目大，因而酶促反应速度高，SDF的含量高。

图3 温度对SDF含量的影响Fig.3 The effect of temperature on the content of SDF

2.4 酶用量对SDF含量的影响

一般来说，当酶的浓度较小，底物浓度大大高于酶，则酶的浓度与反应速度成正比;当底物浓度一定时，酶的浓度继续增加到一定值以后，其反应速度并不加快，甚至可能促使酶促反应过早停止。在料液比1∶12，pH 5.5，温度50℃，酶解时间2h不变的条件下，就不同的酶用量10、15、20、25、30U/g进行单因素实验。由图4可知，当酶用量为10～15U/g时，随着酶量的增加，SDF含量快速增加，加酶量高于15U/g时，SDF含量反而缓慢下降。由此可推断出，酶用量为15U/g是该纤维素酶的最适用量，在此条件下，酶与底物能更快更好地结合，因而酶促反应速度快，SDF含量高。

图4 酶用量对SDF含量的影响Fig.4 The effect of the amount of enzyme on the content of SDF

2.5 酶解时间对SDF含量的影响

酶解时间过短，会使酶促反应不完全;酶解时间过长，又造成浪费。在料液比1∶12，pH 5.5，温度50℃，酶用量为15U/g不变的条件下，就酶解时间0.5、1、1.5、2、2.5h进行单因素实验。由图5可知，SDF含量随着酶解时间的延长而逐渐增加，当酶解时间超过2h时，SDF含量虽有所增加，但变化并不显著。由此可以推断出，该纤维素酶解的较适时间是2h，在此条件下，酶促反应较彻底，SDF含量高。

2.6 高品质红薯渣膳食纤维制备的正交实验结果与分析

根据以上单因素实验结果，选取溶液pH、温度、纤维素酶添加量、酶解时间作四因素三水平的正交实验，以研究其相互作用对SDF含量的影响。正交实验结果见表2。

图5 酶解时间对SDF含量的影响Fig.5 The effect of enzymatic hydrolysis time on the content of SDF

表2 正交实验结果Table 2 Result of orthogonal test

通过对纤维素酶法制备高品质红薯渣膳食纤维的条件进行单因素实验的基础上，进行正交实验，以SDF含量为判断指标，得到纤维素酶法制备高品质红薯渣膳食纤维的最佳实验条件。对正交实验的结果进行分析，可以看出，影响高品质红薯渣膳食纤维制备的主次因素顺序为:B＞A＞C＞D。说明温度的影响最大，其次是溶液的pH，再次是纤维素酶的添加量，最后是酶解时间。由表2可以得到产品的最佳实验条件为:B1A1C3D3，即温度为45℃，溶液的pH为5，纤维素酶的添加量为20U/g，酶解时间为2.5h。通过实验验证，最佳实验条件下，SDF的含量为20.91%，高于正交实验结果，而红薯原渣SDF含量仅为4.26%。经该实验条件处理，红薯渣中SDF含量得到显著提高，达到了预期效果。

3 结论

3.1 酶法制备高品质红薯渣膳食纤维，高效、安全，具有很好的应用前景。纤维素酶法制备高品质膳食纤维的最佳工艺条件:提取温度为45℃，溶液的pH为5，纤维素酶的添加量为20U/g，酶解时间为2.5h。

3.2 经过纤维素酶解反应，红薯渣中SDF的含量明显提高，SDF的含量由原来的4.26%提高到20.91%，大大改善了红薯渣中SDF与IDF的比例。

3.3 由于SDF含量的提高，很大程度上改善了红薯渣的品质和口感。因此，经处理后的红薯渣膳食纤维可加工成高质量、高附加值、用途广泛的低热量、纯天然产品，在食品生产加工业应用领域有广泛的应用潜力。

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［11］食品安全国家标准.GB/T5009.5－2010食品中蛋白质的测定［S］.

［12］GB/T5009.6－2003食品中脂肪的测定［S］.

［13］GB/T5009.4－2003食品中灰分的测定［S］.

［14］GB/T5009.9－2008食品中淀粉的测定［S］.

［15］GB/T5009.88－2008食品中膳食纤维的测定［S］.

Research of the conditions of high quality dietary fiber from sweet potato residue by cellulose preparation

NI Wen－xia，WANG Shang－yu，WANG Hong－xun，HUANG Ze－yuan*
(College of Food Science and Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China)

An experimental study for preparation of high－quality dietary fiber made from sweet potato residue by cellulose enzyme was carried out.An orthogonal test was designed based on the single factor experiment which effect the yield of the soluble dietary fiber.The optimal conditions for preparation of high quality dietary fiber were obtained，such as the temperature was 45℃，pH5.0，the quantity of cellulose enzyme was 20U/g，and action time 2.5h.Under these conditions，the yield of soluble dietary fiber increased from the original 4.26%to 20.91%.

sweet potato residue;cellulose enzyme;high quality dietary fiber

TS201.2+3

A

1002－0306(2012)08－0204－04

膳食纤维是一类不易被消化吸收的营养素，被营养学家称为“第七营养素”［1］。主要包括水溶性膳食纤维(Soluble Dietary Fiber，SDF)和水不溶性膳食纤维(Insoluble Dietary Fiber，IDF)。食品营养学研究表明:膳食纤维对人体的消化系统健康具有重要作用，可以控制人体的血糖、血脂水平，预防心血管疾病、癌症、糖尿病以及其它疾病。红薯渣是红薯提取淀粉后的余渣，膳食纤维含量高，是很好的制备膳食纤维的原料［2］。膳食纤维的溶解性是影响生理功能发挥的重要因素，与水不溶性膳食纤维相比，水溶性膳食纤维不仅具有较高的持水力，而且具有降低血浆胆固醇、改善血糖生成反应、控制体重、预防便秘和结肠癌等生理功能，有更高的营养价值。据FAO (2000年)统计，我国红薯年种植面积为616万hmz，总产11.7亿t，分别占世界种植面积和总产的68.1%和84.8%，居世界首位［3］。淀粉提取后的薯渣一般被作为饲料廉价出售或堆弃如山，腐败酸化，造成环境污染［4］。将红薯渣变废为宝，进一步加工利用，不仅可提高红薯资源的利用率，保护环境，还可以为企业和社会带来巨大的经济效益和社会效益。制备膳食纤维的方法有多种，酶法便是其中之一，它的作用条件温和，能最大限度地收回有效成分，且无污染［5］，是一种较为理想的制备膳食纤维的方法。郑红艳等［6］以非糯性小米为原料，采用酶与化学结合法提取膳食纤维;黄纪念等［7］以麦麸为原料，采用3种蛋白酶对麦麸蛋白进行水解，制备麦麸膳食纤维，这两种方法都大大提高了膳食纤维纯度。秦杰等［8］采用酶法提取生姜中可溶性膳食纤维，李月华等［9］采用复合酶法制取笋头水溶性膳食纤维，这两种方法都很大程度上提高了可溶性膳食纤维的溶出率。纤维素酶处理红薯渣，可提高其可溶性膳食纤维含量，从而制备出高品质红薯渣膳食纤维。本研究以红薯渣为原料，对纤维素酶法制备高品质红薯渣膳食纤维的条件进行了实验研究，旨在提高产品的可溶性膳食纤维的含量，改善产品的口感，提高红薯渣的附加值，增加其经济效益。

2011－07－07 *通讯联系人

倪文霞(1987－)，女，硕士研究生，研究方向:农产品加工。