酶解处理对竹笋膳食纤维理化特性的影响

王佳，张颜笑，郑炯,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715) 2(重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆，400715)



酶解处理对竹笋膳食纤维理化特性的影响

王佳1，张颜笑1，郑炯1,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715) 2(重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆，400715)

用单一酶和复合酶在不同条件下对竹笋膳食纤维进行酶解处理，测定其膨胀力(swelling capacity, SWC)、持水力(water-holding capacity, WHC)、持油力(oil-binding capacity, OBC)等主要理化性质，并观察其微观结构的变化，从而探究酶解处理对竹笋膳食纤维理化性能的影响。结果表明：在pH=5.0，酶解温度50 ℃，反应时间2 h，同时添加180 U/g DF纤维素酶和90 U/g DF木聚糖酶时，竹笋膳食纤维达到最佳改性效果，其中SWC为9.29 mL/g，WHC为5.57 g/g，OBC为1.53 g/g，可溶性膳食纤维含量为12.1%。扫描电镜观察到，竹笋膳食纤维原料表面平整；单一酶处理后的竹笋膳食纤维表面粗糙，有碎屑孔隙；复合酶处理后的膳食纤维表面蓬松，有大量孔隙。复合酶处理使其具有更优势的微观结构。

竹笋膳食纤维；纤维素酶；木聚糖酶；理化特性；微观结构

膳食纤维(dietary fiber, DF)具有调节肠道菌群、降血压、降血糖、降血脂及胆固醇等生理功能[1-2]，其主要是通过理化特性影响肠道功能，从而达到不同的生物活性效果[3-4]。DF组成中可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber, SDF)含量达到10%以上才是高品质DF，高品质DF不仅具有较强膨胀力(swelling capacity, SWC)、持水力(water-holding capacity, WHC)和持油力(oil-binding capacity, OBC)，而且还能改善其本身的口感和应用成品的质构。然而天然DF资源中SDF含量远低于高品质DF要求，因此对其进行改性是研究的热点。目前膳食纤维的改性方法主要有化学处理法、物理机械降解法、生物改性、联合处理技术[5-6]。MA等[7]研究了提取方式和粒径分布对脱脂孜然DF理化特性的影响；WANG等[8]结合蒸汽爆破和稀酸浸泡的方法对橘皮SDF的理化特性进行了研究；CHEN等[9]研究了化学法和酶法对玛卡酒渣DF理化特性的影响。这些改性方法对DF的理化特性均有改善作用，生物酶法和联合处理的效果更好。

生物法通常包括酶法改性和发酵改性。该方法具有作用条件温和、专一性强、产品色泽变化小、反应时间较短、副产物较少、纯度高等优点，具有很好的应用前景[10]。一些学者对榨菜皮DF[11]、大豆豆渣DF[12]、玉米麸皮DF[13]、香菇柄DF[14]、番茄皮渣DF[15]及红枣渣DF[16]的酶法改性进行了研究，但是目前对竹笋DF的研究大多集中在提取方法上[17-18]，而对理化特性方面的研究较少。本文以竹笋DF为研究对象，采用生物酶法，以理化特性为考察指标，以期为竹笋DF的研究提供参考。

1　材料与方法

1.1材料与试剂

竹笋膳食纤维，实验室自制；纤维素酶(10 000 U/g)、木聚糖酶(6 000 U/mg)，美国sigma公司；金龙鱼调和油，购于重庆市北碚区永辉超市；95%乙醇、柠檬酸(一水)、NaOH、丙酮：分析纯，成都市科龙化工试剂厂。

1.2仪器与设备

FA2004A电子分析天平，上海精天电子仪器有限公司；pHS-3C酸度计，成都世纪方舟科技有限公司；HH-8数显恒温水浴锅，常州澳华仪器有限公司；1580常温离心机，基因有限公司；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱，上海齐欣科学仪器有限公司；FW135中草药粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司；SX-2.5-10马弗炉，浙江嘉兴东城仪器厂；KDN-04B定氮仪，上海新嘉电子有限公司；JSM-6510LV钨灯丝扫描电子显微镜，日本电子株式会社(JEOL)。

1.3方法

1.3.1纤维素酶处理

1.3.1.1处理时间对DF的影响

参考刘生利[19]的方法，准确称取10 g DF四份，加入180 U/g DF纤维素酶，以液固比10∶1(mL∶g)加入100 mL柠檬酸缓冲液调节pH为5.0，搅匀后50 ℃分别水浴1、2、3、4 h，反应完后100 ℃下灭酶10 min。混合液以4 500 r/min离心15 min，将乙醇预热到60 ℃，加入上清液4倍体积的乙醇沉淀4 h，布氏漏斗抽滤，分别用78%乙醇，95%乙醇，丙酮洗涤沉淀2遍，60 ℃烘干过夜，粉碎，得到改性膳食纤维，测定SWC、WHC、OBC。

1.3.1.2酶用量对DF的影响

取10 g DF五份，分别按60、100、140、180、220 U/g DF添加纤维素酶，加入100 mL柠檬酸缓冲液调节pH为5.0，50 ℃水浴加热2 h，反应完后灭酶。其余同1.3.1.1。

1.3.2木聚糖酶处理

1.3.2.1处理时间对DF的影响

取10 g DF五份，加入120 U/g DF木聚糖酶,分别加入100 mL柠檬酸缓冲液调节pH为4.8，搅匀后50 ℃分别水浴1、2、3、4、5 h，反应完后灭酶。其余同1.3.1.1。

1.3.2.2酶用量对DF的影响

取10 g DF五份，分别按30、60、90、120、150 U/g DF加入木聚糖酶，加入100 mL柠檬酸缓冲液调节pH为4.8，50 ℃水浴加热4 h，反应完后灭酶。其余同1.3.1.1。

1.3.3复合酶处理对DF的影响

(1)取10 g DF两份，采用分步酶解，2份按不同顺序添加180 U/g DF纤维素酶和120 U/g DF木聚糖酶，同时加入100 mL柠檬酸缓冲液调节pH为最适值(纤维素酶最适pH=5.0，木聚糖酶最适pH=4.8)，搅匀后，每种酶分别于50 ℃水浴2 h，反应完后灭酶。其余同1.3.1.1，并测定SDF。

(2)取10 g DF三份，采用同时酶解，分别添加3种不同用量的复合酶(纤维素酶+木聚糖酶)，其添加量分别为(140 + 90)、(180 + 120)、(180 + 90) U/g DF，加入100 mL柠檬酸缓冲液调节pH=4.9，搅匀后于50 ℃水浴2 h，反应完后灭酶。其余同1.3.1.1，并测定SDF。

1.4测定项目与方法

1.4.1食品中膳食纤维的测定

GB/T 5009.88—2008[20]。

1.4.2SWC测定方法

称取2 g(M)膳食纤维粉，放入10 mL量筒中读取体积V1，量取80 mL纯水转移到100 mL量筒中，振荡均匀，25 ℃条件下放置24 h，读取纤维吸水后体积V2。计算膨胀性。

(1)

1.4.3WHC测定方法

参考李安平等[17]的方法，称取1 g(m1)膳食纤维粉，放入烧杯中，加入20 ℃的水饱和纤维60 min，将纤维置于滤纸上沥干后，把保留在滤纸上结合了水的纤维转移到表面皿中称重，记为m2。计算持水力。

(2)

1.4.4OBC测定方法

称取1 g (M)膳食纤维粉放入离心管中称重，记为m1，加入20 mL食用油在37 ℃下饱和纤维60 min，4 500 r/min离心10 min，沥干后，称重记为m2。计算持油力。

(3)

1.4.5微观结构测定

参考WANG等[8]的方法，取少量原料膳食纤维粉和改性后膳食纤维粉过80目筛，60 ℃真空冷冻干燥，将干燥好的样品平铺在粘有导电胶的载物台上，置于真空镀膜机中进行喷金镀膜，并在扫描电镜下观察样品组织的微观结构。

1.5数据处理

使用Microcal Origin8.0，SPSS18.0软件进行图表的绘制和相关数据的处理，图中标注字母不同表示有显著性差异(P<0.05)。

2　结果与分析

2.1纤维素酶处理对DF理化特性的影响

2.1.1处理时间对DF理化特性的影响

由图1可知，添加180 U/g DF纤维素酶时，在反应开始的1～2 h内，DF的膨胀力和持水力均随时间的延长而增加，2 h达到最大值，分别为8.76 mL/g、5.52 g/g，持油力平缓增加，2 h达到最大值，为1.52 g/g。这是因为，纤维素酶在部分降解DF中纤维素的同时可改变其表面的结构，使结构更松散，颗粒增加，孔隙增多，油和水更易进入膳食纤维的间隙，同时暴露出一些亲水、亲油的活性基团，使膨胀力、持水力、持油力得到改善。处理时间超过2 h后，DF的各项性质均呈现下降的趋势。这可能是由于纤维素酶完全降解产生的葡聚糖等可溶性DF被进一步降解，其表面的一些活性基团和孔隙结构被破环，致使其持水和持油能力下降。这一结果与刘生利[19]用纤维素酶处理江蓠残渣DF的研究结果相似。

图1　纤维素酶处理时间对DF理化特性的影响Fig.1　Effect of cellulase hydrolysis time on physicochemical properties of dietary fiber

2.1.2酶用量对DF理化特性的影响

由表1可知，随着纤维素酶用量的增加，DF的膨胀力和持水力明显的增加，在添加量为180 μ/g DF时达到最大值，相较原料有明显改善(P<0.05)；持油力呈增加趋势，比较平缓，相较原料有一定改善。这可能是因为纤维素酶对纤维素的部分降解作用生成葡聚糖同时原纤维表面出现很多孔隙，亲水、亲油基团暴露，改善其理化性质；酶添加量超过180 μ/g DF后，膨胀力、持水力和持油力均下降。胡叶碧等[21]发现这是由于纤维素酶对细胞壁的降解作用是有限的，当酶用量超过一定水平后，不会再有大量的细胞壁随酶用量的增加而被降解，且其水解产物的聚合度反而被进一步降低以致失去持水和持油能力。

表1　纤维素酶用量对DF理化特性的影响

注：同一列中带不同字母的表示在5%水平上差异显著(n=3)。

2.2木聚糖酶处理对DF理化特性的影响

2.2.1处理时间对DF理化特性的影响

由图2可知，添加120 U/g DF木聚糖酶时，在反应开始的1～4 h内，DF的膨胀力、持水力和持油力均随时间的增加而增加，在4 h达到最大值，分别为6.8 mL/g、5.01 g/g、1.47 g/g。这是由于，木聚糖酶将不溶性半纤维素降解成可溶性半纤维素，同时使膳食纤维表面由于半纤维素的部分降解产生孔隙结构，一些活性基团进一步暴露，使DF的膨胀力、持水力和持油力增加。反应时间超过4 h，其理化性质呈下降趋势，这可能是因为随着酶活化时间的增加，降解产生的可溶性半纤维素进一步降解，且破坏了DF表面的膨松结构和活化基团，使其相应的理化性质下降。

图2　木聚糖酶处理时间对DF理化特性的影响Fig.2　Effect of xylanase hydrolysis time on physicochemical properties of dietary fiber

2.2.2酶用量对DF理化特性的影响

由表2可知，随着木聚糖酶用量的增多，膨胀力、持水力和持油力平缓增加，添加量为120 μ/g DF时达到最大值，这是由于，木聚糖酶的部分降解作用同时改变膳食纤维的组成和表面结构，使其理化性质得到改善。而添加量超过120 μ/g DF后，各项指标呈缓慢下降的趋势，这可能是因为大量的半纤维素被水解成不构成膳食纤维成分、没有持水和持油能力的小分子糖类。

表2　木聚糖酶用量对DF理化特性的影响

注：同一列中带不同字母的表示在5%水平上差异显著(n=3)。

2.3复合酶处理对DF理化特性的影响

由表3可知，复合酶处理对竹笋膳食纤维的理化特性有改善作用，且可溶性膳食纤维的量明显增加(P<0.05)。同时酶解时，SWC和WHC明显增加(P<0.05)，分步酶解时缓慢增加。当同时加入180 U/g DF纤维素酶和90 U/g DF木聚糖酶处理2 h时，膳食纤维的SWC、WHC和OBC均达到最优值，分别为9.29 mL/g、5.57 g/g、1.53 g/g，SDF含量由原料的5.6%增加为12.1%。说明纤维素酶和木聚糖酶对底物细胞壁的降解存在正协同作用。

表3　复合酶处理对DF理化特性的影响

注：a. 1—原料DF；2—先加入180 U/g DF纤维素酶，后加入120 U/g DF木聚糖酶；3—先加入120 U/g D木聚糖酶，后加入180 U/g DF纤维素酶； 4—同时加入140 U/g DF纤维素酶和90 U/g DF木聚糖酶；5—同时加入180 U/g DF纤维素酶和120 U/g DF木聚糖酶；6—同时加入180 U/g DF纤维素酶和90 U/g DF木聚糖酶。b. 同一列中带不同字母的表示在5%水平上差异显著(n=3)。

2.4酶解处理对DF微观结构的影响

图3(A)为DF原料，其表面较整齐，有少量碎屑颗粒，无明显孔隙；图3(B)为单一纤维素酶活化后的DF，表面变得粗糙，形成明显凹穴，有很多孔隙，同时产生了较小颗粒的膳食纤维碎屑；图3(C)为单一木聚糖酶活化后的DF，有大量碎屑生成，但仍存在大块片状结构，蓬松度低，孔隙结构少；图3(D)为复合酶活化后的DF，其表面变得松散，膨松多孔，有很多的碎屑和片层状结构，有许多沟壑，从而具有很大的比表面积。

酶解作用能改变DF的成分组成和表面结构，从而影响其理化性质和功能特性[22]。MA 等[23]发现酶法改性后的脱脂孜然DF表面呈蜂巢状，粗糙且纤维粘连，形成深沟和碎屑，其理化特性得到改善。CHEN等[9]研究认为酶法改性后的玛卡酒渣DF表面结构松散，出现很多沟壑，孔隙增多，单糖种类增多是其理化特性增强的原因。比较单一酶和复合酶的处理效果，单一酶活化的DF相对原料比表面积增加，但相对复合酶活化的DF，其蓬松度很低，这一结果表明纤维素酶和木聚糖酶对底物细胞壁的降解存在协同作用，且表面形态的差别是造成其亲水亲油能力变化的一个重要原因。

A-原料DF；B-纤维素酶活化DF;木聚糖酶活化DF;D-复合酶活化DF图3　不同酶处理方式活化后的膳食纤维电镜扫描图Fig.3　Scanning electron microscope images of dietary fiber with different enzymatic hydrolysis

3　结论

纤维素酶和木聚糖酶都能改善膳食纤维的膨胀力、持水力和持油力；纤维素酶的改善效果更好；复合酶处理的效果优于单一酶。当同时加入180 U/g DF纤维素酶和90 U/g DF木聚糖酶时，竹笋膳食纤维的SWC、WHC、OBC和SDF分别提高了61%、46%、31%、116%，为最佳改性条件。膳食纤维电镜扫描结果表明，复合酶改性后的竹笋膳食纤维表面结构变为有孔隙的蓬松结构。

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Effects of enzymatic hydrolysis on the physicochemical properties of dietary fiber from bamboo shoot

WANG Jia1,ZHANG Yan-xiao1,ZHENG Jiong1,2*

1(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China)2(Chongqing Research Center of Special Food Engineering and Technology, Chongqing 400715, China)

The bamboo shoot dietary fiber (BSDF) was hydrolyzed with single and composite enzymes under different conditions, and the main physicochemical properties of the hydrolyzed BSDF including swelling capacity (SWC), water-holding capacity (WHC) and oil-binding capacity (OBC), were determined. Meanwhile, the change of the microstructure was observed. The results showed that the optimized modification conditions were as follows: pH 5.0, hydrolytic temperature of 50 ℃, reaction time of 2 hours, simultaneous addition composite cellulase of 180 U/g DF and xylanase of 90 U/g DF. Under this condition, SWC was 9.29 mL/g, WHC was 5.57 g/g, OBC was 1.53 g/g, and the proportion of soluble fiber increased to 12.1%. Scanning electron microscopy exhibited that raw BSDF had smooth surface, BSDF hydrolyzed with single enzyme had rough, clastic and porous surface, and BSDF hydrolyzed with composite enzymes showed fluffy porous surface. Compared with raw BSDF and BSDF treated with single enzyme, BSDF hydrolyzed with composite enzymes possessed preferential microstructure.

bamboo shoot dietary fiber; cellulase; xylanase; physicochemical property; microstructure

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201609018

硕士研究生(郑炯副教授为通讯作者,E-mail：zhengjiong_swu@126.com)。

重庆市社会事业与民生保障科技创新专项(cstc￣2015￣shmszx80007)；中央高校基本科研业务费专项(SWU115051)；中央高校基本科研业务费重点项目(XDJK2016B035)

2016-04-08，改回日期：2016-04-25