水溶性苦瓜膳食纤维的酶法制备及性质研究

贾东升，李荣乔，谢晓亮，温春秀，崔施展，刘灵娣

（河北省农林科学院经济作物研究所，药用植物研究中心，河北石家庄050051）

水溶性苦瓜膳食纤维的酶法制备及性质研究

贾东升，李荣乔，谢晓亮*，温春秀，崔施展，刘灵娣

（河北省农林科学院经济作物研究所，药用植物研究中心，河北石家庄050051）

研究蜗牛酶酶解苦瓜渣制备水溶性膳食纤维（Water-soluble dietary fiber，SDF）的工艺及SDF的理化性质。探讨酶解温度、料液比、蜗牛酶添加量和酶解时间对SDF得率的影响，通过正交试验确定了最佳工艺条件为：酶解温度35℃、pH值为5.5、料液比1∶30（kg/L），蜗牛酶添加量0.4%，酶解时间1.5 h，在此条件下SDF得率达13.49%，持水力、溶胀性分别达到（10.06±0.63）g/g、（11.61±1.33）mL/g，对脂肪酸、胆酸钠和胆固醇均具有较好的吸附能力。

苦瓜；蜗牛酶；膳食纤维

膳食纤维作为一种功能性食品配料具有多种保健作用，能够降低高血压、高血脂及糖尿病[1]等疾病的患病风险，其制备和生物活性研究已成为现阶段的热点。苦瓜（Momordica charantia L.）为葫芦科苦瓜属植物，现代药理研究结果表明，苦瓜具有降血糖、抗肿瘤、抗病毒、抗菌、免疫调节等多种药理活性，其中降血糖活性最为显著[2-3]。苦瓜深加工过程中会产生大量废弃物苦瓜渣，易造成资源浪费和环境污染，因此研究苦瓜渣的再利用技术将成为我国食品加工行业的一大课题。苦瓜渣中膳食纤维含量高达70%，是膳食纤维良好来源。目前膳食纤维的提取方法主要是化学法和生物酶解法，酸、碱对膳食纤维尤其是水溶性膳食纤维的破坏较大，产品品质较差，而且环境污染大，而酶法具有相对安全、高效和低成本等优点被广泛使用。蜗牛酶为一种从蜗牛内脏中提取的含纤维素酶、果胶酶、淀粉酶和蛋白酶的混合酶，具有很强的生物转化能力，已广泛应用于饲料、食品和基因工程学等领域[4-7]，但未见有关应用其制备苦瓜纤维素的报道。本研究应用蜗牛酶酶解苦瓜渣制备苦瓜水溶性纤维素，以期为苦瓜的综合深加工利用提供技术支持。

1 材料方法

1.1 材料与试剂

蜗牛酶（5 000 U/g）：诺维信公司；胆酸钠、胆固醇：上海化学试剂有限公司；金龙鱼花生油：益海粮油工业有限公司；猪油：河北省农林科学院药用植物研究中心自制；无水乙醇、醋酸钠、冰醋酸（均为分析纯）：天津天大化工实验厂。

1.2 仪器与设备

9030A鼓风电热恒温干燥箱：浙江嘉兴电热仪器厂；ME104电子分析天平：梅特勒-托利多国际贸易（上海）有限公司；PB-20酸度计：北京赛多利斯仪器有限公司；HH-S-24水浴锅：上海东星建材试验设备有限公司；3-30ks高速离心机：德国Sigma公司；AR-G2旋转流变仪：美国TA公司；723N紫外/可见分光光度计：上海仪电分析仪器有限公司。

2 方法

2.1 SDF1提取流程与步骤

2.1.1 工艺流程

2.1.2 操作要点

2.1.2.1 原料预处理

取鲜苦瓜榨汁后的苦瓜渣，于60℃烘箱中烘干，粉碎，过60目筛备用。

2.1.2.2 纤维素酶酶解

将苦瓜渣粉加入醋酸缓冲液中，然后加入一定量蜗牛酶恒温水浴酶解，酶解完成后于100℃保温5 min使酶失活。

2.1.2.3 乙醇沉淀

向酶解液中加入4倍体积的无水乙醇，静置过夜，离心取沉淀，60℃烘箱中烘干，得SDF1。

2.1.3 SDF1提取工艺优化

在蜗牛酶酶解单因素试验基础上选取酶解温度、料液比、蜗牛酶添加量和酶解时间四因素，每个因素选取3个水平，以SDF提取率为评价指标，采用L9（34）正交试验优化蜗牛酶的酶解工艺。正交试验因素水平表如表1所示。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels in orthogonal array design

2.2 SDF2制备

参考吴茂玉等[8]方法，采用淀粉酶和蛋白得酶解苦瓜渣得到SDF2。淀粉酶酶解条件：pH 6.0，温度55℃，料液比1∶25（kg/L），ɑ-淀粉酶添加量0.4%，酶解时间60 min；蛋白酶酶解条件：pH 7.0，温度50℃时，料液比1∶25（kg/L），中性蛋白酶添加量0.4%，水解时间90 min。

2.3 提取率计算

SDF提取率/%=SDF质量（g）/原料质量（g）×100

2.4 膳食纤维物理化学性质测定

2.4.1 结合水力、持水力、膨胀力

2.4.1.1 持水力测定

称取样品m1g于50 mL的离心管中，加入蒸馏水，室温搅打30 min，2 500 r/min离心10 min，弃去上清液并用滤纸吸干离心管壁残留水分，称重m2。

2.4.1.2 膨胀力测定

称取样品m1g置于10 mL量筒中，移液管准确移取5.00 mL蒸馏水加入其中。振荡均匀后室温（25℃）放置24 h，读取液体中膳食纤维的体积。

膨胀力/（mL/g）=[（膨胀后的体积（mL）-干品体积（mL）]/样品干重（g）

2.4.2 温度、pH值对SDF溶解性的影响

将样品定量溶解在溶液中，在一定温度下搅拌30 min，3 000 r/min离心20 min，取上清液于已恒重的铝盒，90℃水浴蒸干，于105℃烘至恒重。

溶解度/%=定量上清液干燥后的固形物含量（g）/水的体积（mL）×100

2.4.3 SDF对脂肪酸、胆固醇、胆酸钠吸附能力测定[9]

对饱和/不饱和脂肪酸的吸附性：分别准确称取m1的SDF于离心管中，各加入猪油/花生油20 g，分别在25℃、37℃温度条件下静置1 h，之后4 000 r/min下离心30 min，去除上层油，滤纸吸干管内游离的油，称样品质量为m2。

对胆固醇的吸附性：取10%鸡蛋黄乳液25 g于100 mL的三角瓶中，加入1.00 g SDF搅拌均匀，调节体系pH值至2.0或7.0，37℃振荡2 h，4 000 r/min离心20 min后取上清液，邻苯二甲醛法测定胆固醇含量，标准曲线：y=15.335x+0.013，R2=0.997

对胆酸钠的吸附性：向50 mL 0.15mol/L的NaCl溶液中加入0.100 g胆酸钠，调节体系pH值至2.0或7.0，分别加入膳食纤维0.50 g，37℃振摇2 h，4 000 r/min离心20 min，取上清测定胆酸钠含量，根据反应前后的浓度差计算吸附量，糠醛比色法测定胆酸钠的含量。标准曲线：y=0.265 2x－0.052 6，R2=0.991。

2.4.4 SDF流变学特性研究

黏度为流变特性参数，SDF溶液表观黏度决定产品的应用范围，因此采用流变仪测定了SDF在不同浓度、温度、pH值等条件下的黏度变化。

2.4.4.1 浓度对SDF溶液黏度的影响

分别配制浓度为1%～15%的SDF溶液，在剪切速率为150 s－1，温度为25℃条件下测定溶液的黏度。

2.4.4.2 温度对SDF溶液黏度的影响

分别配制浓度为5%的SDF溶液，在剪切速率为150 s－1，升温速率为5℃/min，依次在10℃～80℃条件下测定溶液的黏度。

2.4.4.3 pH值对SDF溶液黏度的影响

分别将浓度为5%的SDF溶液的pH值调至3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0，在剪切速率为150 s－1，温度为25℃条件下测定溶液的黏度。

3 结果与分析

3.1 正交试验设计与结果

3.1.1 正交试验结果

正交试验结果如表2、表3所示。

影响蜗牛酶法提取苦瓜渣中膳食纤维得率各因素主次顺序为酶解温度、酶解时间、料液比和蜗牛酶添加量。因素A的P值＜0.01，且极差R值大于其他三因素，说明酶解温度对指标影响最大。各主次指标最高水平，组成较优工艺条件为A1B2C1D2，即酶解温度35℃、料液比1∶30（kg/L），蜗牛酶添加量0.4%，酶解时间1.5 h。

表2 L9（34）正交试验结果Table 2 Results of orthogonal test

表3 正交试验结果方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal array design experimental results

3.1.2 验证试验

在酶解温度35℃、pH值为5.5、料液比1∶30（kg/L），蜗牛酶添加量0.4%，酶解时间1.5 h条件下进行3次平行试验，测得苦瓜渣膳食纤维得率为13.44%、13.56%和13.48%，平均得率为13.49%，因此确定酶解条件为酶解温度35℃、pH值为5.5、料液比1∶30（kg/L），蜗牛酶添加量0.4%，酶解时间1.5 h。

3.2 物化性质结果与分析

3.2.1 结合水力、持水力、膨胀力

SDF持水力、膨胀力和持油力测定结果如表4所示。

表4 SDF持水力、膨胀力和持油力测定结果Table 4 Water holding capacity，swelling capacity and oil holding capacity of SDF

SDF1持水力、膨胀力、脂肪酸吸附能力较SDF2均较高，由此可得知蜗牛酶可以增加膳食纤维持水力和膨胀力，促进其吸附脂肪酸。

3.2.2 溶解性

温度对SDF溶解性的影响如图1所示。

图1 SDF溶解度随温度的变化情况Fig.1 Dependence of solubility of SDF on temperature

SDF溶解度随温度的升高而增加，在20℃时SDF1和SDF2的溶解度分别为28.76%和23.45%；处于50℃～90℃之间时，溶解度变化趋势最大，在100℃时SDF1的溶解度达到94.16%，SDF2溶解度为73.00%，蜗牛酶酶解苦瓜渣所得SDF1溶解性较好。

pH值对SDF溶解性的影响如图2所示。

图2 SDF溶解度随pH值的变化情况Fig.2 Dependence of solubility of SDF on pH value

pH值对两者溶解度影响较小，溶解度在酸性范围内随pH值增大，溶解度明显升高，在碱性范围内随pH值的增大而下降，在中性时达到最大，并且在相同条件下SDF1溶解度高于SDF2。

3.2.3 吸附能力

SDF对胆酸钠及胆固醇的吸附能力如表5所示。

表5 SDF对胆酸钠及胆固醇的吸附能力Table 5 The absorption capacity for sodium cholate and cholesterol of SDF

SDF1和SDF2对胆酸钠和胆固醇都有吸附作用，但在相同的反应体系下，SDF1的吸附能力强于SDF2。SDF吸附能力受反应体系酸碱性的影响，中性条件下的吸附量大于酸性条件下的吸附量。

3.2.4 流变学特征

SDF黏度随浓度的变化情况如图3所示。

图3 SDF黏度随浓度的变化情况Fig.3 Effects of concentration on SDF viscosity

随溶液浓度的升高，两者黏度均明显增大，相同浓度条件下SDF1黏度低于SDF2黏度。

SDF黏度随温度的变化情况如图4所示。

图4 SDF黏度随温度的变化情况Fig.4 Effects of temperature on SDF viscosity

两者的黏度均随着温度的升高而逐渐降低。当温度在10℃～60℃的范围内时，溶液黏度下降比较明显，随后，随着温度的升高，溶液黏度变化趋于平缓，在80℃时，5%浓度的SDF1的黏度仅为3.42 mPa·s，5%浓度的SDF2的黏度为4.71 mPa·s，并且在相同温度条件下SDF1黏度均低于SDF2黏度。

SDF黏度随pH的变化情况如图5所示。

图5 SDF黏度随pH值的变化情况Fig.5 Effects of pH on SDF viscosity

SDF1溶液和SDF2溶液的黏度随pH值变化趋势基本相同，在弱酸和中性条件下最低，当pH值在3～6之间时，黏度随pH值升高而略微降低，当pH值＞7时，黏度明显随pH值升高而增大，并且在相同pH值条件下SDF1溶液黏度低于SDF2溶液的黏度。

4 结论与讨论

本研究采用蜗牛酶酶解苦瓜渣制备水溶性膳食纤维，产物得率达到13.49%，且产物具有较好的持水性和膨胀性，分别为（10.06±0.63）g/g和（11.61±1.33）mL/g。蜗牛酶中含量最多的酶主要是纤维素酶、果胶酶、淀粉酶酶、蛋白酶等，酶种类丰富，可作用于多种底物[10]，纤维素酶、淀粉酶和果胶酶可以将纤维素、淀粉和果胶转化为小分子低聚糖，蛋白酶可以将蛋白质分解为小分子多肽或者氨基酸，使得较多极性基团暴露，提高了产物得率、持水性和膨胀性[11]。在相同条件下下，本试验酶法制得的苦瓜SDF溶解性高，黏度低，分别为，且受pH值影响小，可添加到酸性饮品、糕点等食品中，避免因黏度较高产生的不良口感。

SDF对饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸的吸附力分别为（1.42±0.31）g/g和（1.33±0.12）g/g，对胆酸钠和胆固醇具有较强的吸附能力，pH=2条件下对胆酸钠和胆固醇的吸附力分别为（21.64±2.34）mg/g和（25.17± 2.15）mg/g，pH=7条件下对胆酸钠和胆固醇的吸附力分别为（38.59±4.21）mg/g和（33.64±3.18）mg/g，表明其可以减少肠道对膳食脂肪的吸收，加速体内胆固醇的分解从而具有一定的减肥、降血脂的作用。经蜗牛酶酶解后SDF分子小，微晶束较少，呈无定形状态，空间障碍小，更有利于发挥吸附作用。本研究还发现SDF在pH值为7.0条件下对胆酸钠和胆固醇的吸附能力要优于pH值为2.0条件下的吸附能力，这可能是因为在酸性条件下H+较多，膳食纤维与被吸附成分均携带部分正电荷，两者之间产生了相互排斥的作用力而使结合力减弱。因此SDF对胆酸钠和胆固醇的吸附作用可以降低心血管疾病的发病风险[12]。

利用蜗牛酶酶解苦瓜渣制备苦瓜水溶性膳食纤维，工艺简单可行，生产条件温和，产品得率较高并且性状较为优良，在膳食纤维制备工业中拥有较好的应用前景。

[1] 刘波.野生软枣猕猴桃与苦瓜复合果蔬汁的工艺研究[J].食品研究与开发,2015,36(18):123－126

[2]尤玲玲,刘金福,王媛,等.苦瓜皂苷的纯化及降血糖活性的研究[J].食品研究与开发,2015,36(17):32－35

[3]董义,王斯慧,曾里,等.六种保健食品原料的辅助降血糖功效研究[J].食品研究与开发,2014,35(23):121－124

[4]李学坤,李莉,田盼盼,等.响应面法优化微波辅助蜗牛酶提取女贞子黄酮[J].化学工程,2014,42(3):6－9

[5]杨春瑜,刘海玲,杨春莉,等.响应曲面法优化蜗牛酶辅助提取黑木耳多糖工艺[J].食品工业科技,2015,36(22):198－201

[6]郑瑞生,黄丽香.超声波与蜗牛酶分别提取橘皮总黄酮及其抗氧化性的研究[J].中国食品添加剂,2015,36(22):198－201

[7]杜娜,杨学山,韩舜愈.超声波辅助酶法分离提取葡萄酒泥酵母SOD工艺条件的优化[J].食品科学,2014,35(2):87－90

[8] 吴茂玉,葛邦国,和法涛,等.高活性苦瓜膳食纤维粉的研究[J].食品研究与开发,2007,28(2):4－6

[9]杨丙雪,边景,张力,等.高含低聚糖豆渣膳食纤维制备工艺研究[J].食品研究与开发,2016,37(4):117－121

[10]Benoit C,Nicolas V,Gabrielle C,et al.Evidence for an antihypertensive effect of a land snail(Helix aspersa)by－product hydrolysate－Identification of involved peptides[J].Journal of Functional Foods, 2016,4(22):602－611

[11]Peter I C,Matthew D W,Jeffrey P P,et al.The impact of dietary fibres on the physiological processes governing snall intestinal digestive processes[J].Bioactive Carbohydrates and Dietary Fibre,2015,6(2): 117－132

[12]Marie L M K,Emmanuel N J,Joseph G K,et al.Effect of re－extraction parameters and drying temperature on the antioxidant properties and dietary fiber of Red sorrel(Hibiscus sabdariffa L.)calyces residues[J].Industrial Crops and Products,2015,74(11):680－688

The Enzymatic Preparation，Properties of Water-Soluble Dietary Fiber from Momordica charantia L.

JIA Dong-sheng，LI Rong-qiao，XIE Xiao-liang*，WEN Chun-xiu，CUI Shi-zhan，LIU Ling-di
（Institute of Cash Crops of Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Medicinal Plant Research Center，Shijiazhuang 050051，Hebei，China）

Solubility dietary fiber was prepared from Momordica charantia L.with snail enzyme，the effects of temperature，liquid ratio，enzyme amount and time on the yield of SDF and the properties of SDF were studied. By single factor experiments and orthogonal test，the optimum technological conditions were as follows：temperature 35℃，pH 5.5，liquid ratio1∶30（kg/L），enzyme amount 0.4%and time1.5 h，under the optimal conditions，the yield of water insoluble dietary fiber was found to be 13.49%，the water-holding capability and ex pansibility were（10.06±0.63）g/g（11.61±1.33）mL/g respectively，showed excellent fat，bile sodium and cholesterol absorbing abilities in vitro assay.

Momordica charantia L.；snail enzyme；dietary fiber

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.10.017

2016－12－13

河北省农林科学院青年基金项目（A2015050101）；河北省科技计划项目（17227101D）；河北省科学技术研究与发展计划项目(11231005D）；河北省中药材产业体系项目（11232025D）；河北省农林科学院财政项目（F17R02-01）

贾东升（1982—），男（汉），副研究员，硕士，主要从事中药功能食品研究。

*通信作者：谢晓亮（1962—），男（汉），研究员，博士，主要从事中药资源、中药加工研究。