酶-化学法提取生姜渣中膳食纤维的工艺研究

宋荣珍，位雪莲，李啸晨，王芸，唐晓珍，*

（1.山东农业大学食品科学与工程学院，山东泰安271018；2.伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校，美国伊利诺伊IL 61801）

酶-化学法提取生姜渣中膳食纤维的工艺研究

宋荣珍1，位雪莲2，李啸晨1，王芸1，唐晓珍1，*

（1.山东农业大学食品科学与工程学院，山东泰安271018；2.伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校，美国伊利诺伊IL 61801）

以生姜渣为原料，对酶-化学法提取其中膳食纤维的工艺进行探究。考察α-淀粉酶添加量与NaOH用量、水解时间、水解温度对生姜渣中可溶性和不可溶性膳食纤维得率的影响，以可溶性膳食纤维得率为标准，通过单因素、正交试验优化出提取的最优工艺为：α-淀粉酶用量0.3%，NaOH用量2.0%，水解时间50 min，水解温度70℃，在此工艺条件下，生姜渣中可溶性膳食纤维得率28.58%、不溶性膳食纤维得率66.21%。

生姜渣；膳食纤维；提取；酶-化学法

生姜又名地辛、百辣云，既可作为常用食品和调味品，又是临床常用中药[1]。中国是世界上种植生姜面积最大的国家，约占世界产量的45%[2]。生姜中含有姜辣素、姜烯酚、姜黄素等多种活性成分[3]，进行功能成分提取后会产生大量生姜渣。除了部分被当做动物饲料外，大都被直接废弃造成了环境污染和资源浪费。而生姜渣中含有大量膳食纤维，是一类非淀粉多糖[4]，主要包括水溶性和水不溶性两大类。目前市场上销售较多的是不溶性膳食纤维，其结构紧密，能被肠道内微生物所利用，促进肠道蠕动[5-6]，因其具有较强的吸水性、减少排泄物在肠道内停留时间[7]，所以在控制人体体重方面也具有重要作用[8]。而水溶性膳食纤维应用价值更高[9]，具有改善葡萄糖耐量[10]、阻碍脂质运输[11]、预防结肠癌和降低心脑血管疾病发病风险等功能[12-14]。

我国生姜资源丰富，生姜膳食纤维来源广。生姜中不溶性膳食纤维含有较高的纤维素，吸水膨胀后增加饱腹感。目前对生姜膳食纤维的研究程度并不深，相关报道较少。生姜膳食纤维提取方法有酶法[15]、化学法[16]、超声辅助法[17-18]、膜分离法[19]和发酵法[20]。本试验采用酶-化学法，结合酶法作用条件温和、产品纯度高以及碱法操作简单、效率高[21]等优势，能有效降低产业成本，减少环境污染。本试验可优化出膳食纤维的最佳提取工艺，不仅为生姜渣的处理提供了有效的解决方案，更为生姜膳食纤维的功能性应用拓宽了前景。

1 材料与方法

1.1 主要材料和试剂

生姜渣：山东农业大学食品实验室自制，利用提取多种生姜功能成分后的残渣继续提取姜淀粉后的剩余姜渣；柠檬酸（分析纯）、NaOH（分析纯）：天津市凯通化学试剂有限公司；磷酸氢二钠（分析纯）：天津益仁达化工有限公司；高峰α-淀粉酶：北京索莱宝。

1.2 主要仪器设备

DE-150 g红景天万能粉碎机：浙江红景天工贸有限公司；202A-1电热恒温干燥箱：山东省龙口市电炉制造厂；HH-6数显恒温水浴锅：常州国华电器有限公司；TDL-5-A离心机：上海安亭科学仪器厂；RE53CS旋转蒸发器、B-220恒温水浴锅：上海亚荣生化仪器厂；SHZ-D（Ⅲ）循环水式真空泵：巩义市予华仪器有限公司；PHS-3C pH计：上海仪电科学仪器股份有限公司；FA2004电子天平：上海上平仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 操作要点

将生姜渣干燥粉碎后备用。准确称取3.00 g生姜渣于100 mL锥形瓶中，加入45 mL pH6.0的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液，加入一定量耐高温α-淀粉酶，95℃条件下水解40 min，冷却后调pH值至中性，加入NaOH配制一定浓度的悬浊液，在一定温度下水解一定时间，冷却后调pH值至中性，离心。上清液调pH值至生姜蛋白等电点4.7左右，进一步离心除去沉淀，上清液经旋蒸浓缩后用4倍无水乙醇醇沉8 h，过滤、洗涤、干燥后即得水溶性膳食纤维（Soluble Dietary Fiber，SDF）；沉淀分别用水和无水乙醇洗涤3次，干燥后即得水不溶性膳食纤维（Insoluble Dietary Fiber，IDF）[22]。

1.3.2 膳食纤维得率的计算[23]

SDF、IDF 得率分别按照（1）、（2）公式计算：

1.4 单因素试验

本试验主要考查α-淀粉酶用量，NaOH用量、水解时间、水解温度对SDF和IDF得率的影响。

1.5 正交试验

通过单因素试验，以SDF得率为指标确定的α-淀粉酶用量，NaOH用量、水解时间、水解温度等4个因素的最适范围，每个因素取3个水平。采用L9（34）正交试验研究这4个因素的相互作用，以SDF得率为指标，确定最佳提取工艺。

2 结果与分析

2.1 耐高温α-淀粉酶用量对生姜渣中膳食纤维提取率的影响

按照1.3.1分别加入0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%耐高温α-淀粉酶，加入NaOH配制成2.0%的悬浊液，60℃碱解30 min，α-淀粉酶用量对生姜渣中SDF和IDF得率的影响见图1。

图1 α-淀粉酶用量对生姜渣中SDF和IDF得率的影响Fig.1 Effects of thermostable α-amylase dosage on the yield of SDF and IDF

由图1可以看出，随着α-淀粉酶添加量的增加，SDF呈现先上升后下降最后平稳的趋势，并在添加量为0.3%时得率达到最高；IDF呈现先下降后趋于平稳的趋势，这是因为随着α-淀粉酶添加量的增加，淀粉逐渐被水解，SDF溶出增多，得率增加；IDF纯度提高，得率降低。随着α-淀粉酶添加量进一步增加，部分SDF被降解为小分子低聚糖，造成SDF得率降低；随着淀粉逐渐被水解完全，IDF得率逐渐趋于稳定。所以耐高温α-淀粉酶添加量选择0.3%。

2.2 NaOH用量对生姜渣中膳食纤维提取率的影响

按照1.3.1加入0.3%耐高温α-淀粉酶，加入NaOH分别配制成0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%的悬浊液，60℃下碱解30 min，NaOH用量对生姜渣中SDF和IDF得率的影响见图2。

图2 NaOH用量对生姜渣中SDF和IDF得率的影响Fig.2 Effects of NaOH concentration on the yield of SDF and IDF

由图2可以看出，随着NaOH用量的增加，SDF呈现先上升后下降的趋势，并在碱用量为2.0%时得率达到最高；IDF得率逐渐降低是因为碱液具有一定的改性作用，可以将部分IDF改性为SDF，此外，因为碱液的强水解作用可增加不溶性物质的溶解，SDF得率增加；在碱性条件下，生姜蛋白溶出，IDF纯度提高，IDF得率降低。当NaOH用量进一步增加时，部分低聚糖被水解，SDF得率降低；IDF部分改性，IDF得率进一步降低。所以NaOH悬浊液的浓度选择2.0%。

2.3 NaOH水解时间对生姜渣中膳食纤维提取率的影响

按照1.3.1加入0.3%耐高温α-淀粉酶，加入NaOH 配制成 2.0%的悬浊液，60℃碱解 20、30、40、50、60 min，NaOH水解时间对生姜渣中SDF和IDF得率的影响见图3。

图3 NaOH水解时间对生姜渣中SDF和IDF得率的影响Fig.3 Effects of NaOH treatment time on the yield of SDF and IDF

由图3可以看出，随着NaOH水解时间增加，SDF呈现先上升后下降的趋势，并在NaOH水解时间为40 min时，得率达到最高；IDF得率呈现先降低后趋于平稳，再降低的趋势，这是因为碱液的水解作用，使SDF溶出增多，得率增加；大分子物质被水解，IDF纯度提高，得率降低。随着NaOH水解时间进一步增加，部分SDF水解，SDF得率降低；部分IDF被水解成小分子可溶性物质，IDF得率进一步降低。所以NaOH水解时间选择40 min。

2.4 NaOH处理温度对生姜渣中膳食纤维提取率的影响

按照1.3.1加入0.3%耐高温α-淀粉酶，加入NaOH配制成2.0%的悬浊液，分别在40、50、60、70、80℃条件下水解40 min，NaOH水解温度对生姜渣中SDF和IDF得率的影响见图4。

图4 NaOH水解温度对生姜渣中SDF和IDF得率的影响Fig.4 Effects of NaOH treatment temperature on the yield of SDF and IDF

由图4可以看出，随着NaOH水解温度的增加，SDF出现先上升后降低的趋势，并在NaOH水解温度为60℃时得率达到最高；IDF得率出现逐渐下降的趋势，这是因为温度升高，溶液中水分子运动速率加快，加速了SDF的溶解，同时，部分IDF的溶解也增大了SDF的含量；IDF纯度提高，得率下降。随着水解温度的进一步升高，SDF又是热敏性物质，SDF结构变性，得率下降；部分IDF被降解为可溶性物质，IDF得率进一步下降。所以NaOH水解温度选择60℃。

2.5 酶-化学法提取生姜渣中膳食纤维的工艺优化

在单因素试验基础上，选择α-淀粉酶添加量、NaOH用量、水解时间、水解温度4个因素为考察对象，以SDF得率为考察指标，采用L9（34）正交试验对提取工艺进行进一步研究，正交试验因素水平表见1，正交试验结果见表2。

表1 因素水平表Table 1 Factors and level

表2 正交试验结果Table 2 Results of orthogonal experiment

由表2可以看出，各因素对SDF得率影响的主次顺序为：A＞C＞D＞B，通过比较各水平的K值，得出最佳因素水平组合为A2C3D3B1。各因素对IDF得率影响的主次顺序为：A＞D＞C＞B，通过比较各水平 K值，得出最佳因素水平组合为A1D1C2B1。综合考虑生姜SDF的功能性高于IDF，所以应尽可能提高SDF得率，因此，酶-化学法提取生姜渣中膳食纤维的最佳工艺组合为A2C3D3B1，即α-淀粉酶用量0.3%，NaOH水解时间50 min、水解温度70℃、NaOH用量2.0%。

2.6 验证试验

在α-淀粉酶用量0.3%，NaOH用量2.0%、水解时间50 min，水解温度70℃的条件下进行验证试验，试验结果见表3。

表3 验证试验结果Table 3 Results of proven experiment

由表3可以看出，酶-化学法提取生姜渣中的膳食纤维在α-淀粉酶用量0.3%，NaOH用量2.0%、水解时间50 min、水解温度70℃条件下，SDF得率28.58%，IDF得率66.21%，3组平行试验的重复性较好，说明此工艺可行，结果可靠。

3 结论

以SDF得率为标准，优化出酶-化学法制备生姜渣中膳食纤维的最佳提取条件为：α-淀粉酶用量0.3%，NaOH用量2.0%、水解时间50 min、水解温度70℃。此条件下，SDF得率28.58%、IDF得率66.21%。

[1]张卉,何诗意,张晓军.生姜的营养价值及其产品研发进展[J].广东化工,2016,43(7):89-90

[2]赵文竹,张瑞雪,于志鹏,等.生姜的化学成分及生物活性研究进展[J].食品工业科技,2016,37(11):383-389

[3]Hsiang-yu Yeh,Cheng-hung Chuang,Hsin-chun Chen.Bioactive components analysis of two various gingers(Zingiber officinale Roscoe)and antioxidant effect of ginger extracts[J].LWT-Food Science and Technology,2014,55:329-334

[4]Fernando Figuerola,María Luz Hurtado,Ana María Estévez.Fibre concentrates from apple pomace and citrus peel as potential?bre sources for food enrichment[J].Food Chemistry,2005,91:395-401

[5]王庆玲,朱莉,孟春棉.番茄皮渣膳食纤维的理化性质及其结构表征[J].现代食品科技,2014,30(11):60-64

[6]谢三都.橄榄渣总膳食纤维提取工艺优化及其理化性质[J].安徽农业科学,2015,43(33):137-139,190

[7]黄素雅,钱炳俊,邓云.膳食纤维功能的研究进展[J].食品工业,2016,37(1):273-277

[8]Han Shu-fen Ph D,M D,Jun Jiao M M.Lipolysis and thermogenesis in adipose tissues as new potential mechanisms for metabolic benefits of dietary fiber[J].Nutrition,2017,33:118-124

[9]张世仙,从凯龙,曾启华.酶法提取茅台酒糟中水溶性膳食纤维的工艺研究[J].中国酿造,2012,31(3):97-100

[10]涂宗财,李志,陈钢.大豆可溶性膳食纤维降血糖功效的研究[J].食品科学,2009,30(17):294-296

[11]Alan Mackie,Balazs Bajka,Neil Rigby.Roles for dietary fibre in the upper GI tract:The importance of viscosity[J].Food Research International,2016,88:234-238

[12]Susanne Djurle,Annica A M Andersson,Roger Andersson.Milling and extrusion of six barley varieties,effects on dietary fibre and starch content and composition[J].Journal of Cereal Science,2016,72:146-152

[13]余凡,葛亚龙,杨恒拓.苜蓿中膳食纤维的提取工艺及生理功能的研究进展[J].杭州化工,2013,43(4):8-10,18

[14]李正阳,张彩云,童鑫.水溶性膳食纤维的提取纯化技术及其抗氧化活性研究进展[J].粮油科技与经济,2016,41(1):69-72

[15]王顺民,郑锐.正交试验优化酶法提取菜籽皮不溶性膳食纤维工艺[J].食品科学,2013,34(8):100-103

[16]雷登凤,范文垒,余德顺.碱法提取生姜中不溶性膳食纤维的工艺研究[J].食品科技,2014,39(12):273-276

[17]苗敬芝,冯金和,董玉玮.超声结合酶法提取生姜中水溶性膳食纤维及其功能性研究[J].食品科学,2011,32(24):120-125

[18]杨慧,苗敬芝,董玉玮.超声结合酶法提取生姜中总膳食纤维及其性能研究[J].食品工程技术,2012,24(28):135-137

[19]肖小年,易醒,马永花.超滤制备车前草可溶性膳食纤维的研究[J].时珍国医国药2008,19(5):1058-1059

[20]Quan Gui-jing,Geng Da-wei.Comparative Study on the Different Extraction Processes of Dietary Fiber from Sweet Potato[J].Chinese Food Science 2012,1(3):5-8

[21]张严磊,施欢贤,唐志书.碱法同时提取酸枣渣可溶性与不溶性膳食纤维及其性能研究[J].纤维素科学与技术,2015,23(4):43-48

[22]潘建刚,黄苗苗,张艾艾.酶-化学法提取荞麦壳中水不溶性膳食纤维的工艺优化[J].广东农业科学,2015,3(1):85-88

[23]韦琴,黄婉星.胡萝卜膳食纤维提取工艺研究[J].安徽农业科学,2014,42(19):6379-6381,6457

Extraction Technology of Dietary Fiber from Ginger Residue by Enzymatic-chemical Method

SONG Rong-zhen1，WEI Xue-lian2，LI Xiao-chen1，WANG Yun1，TANG Xiao-zhen1，*
（1.College of Food Science and Engineering，Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，Shandong，China；2.University of Illinois at Urbana-Champaign，Illinois IL61801，USA）

The extracted technology of ginger dietary fiber from ginger residue.Study on the extraction technology of ginger dietary fiber from ginger residue by enzymatic-alkaline hydrolysis.The effects of α-amylase concentration，NaOH concentration，NaOH hydrolyzing time，NaOH hydrolyzing temperature on the extraction rate of soluble dietary fiber and insoluble dietary fiber were investigated．The extraction conditions were optimized by orthogonal and single factor experiment.The optimum extraction condition was that：α-amylase concentration 0.3%，NaOH concentration 2.0%，NaOH hydrolyzing time 50 min，NaOH hydrolyzing temperature 70 ℃.The extraction yield of soluble dietary fiber was 28.58%.insoluble dietary fiber was 66.21%.

ginger residue；dietary fiber；extraction；enzymatic-alkal

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.24.005

山东省自然科学基金（ZR2014CM035）；山东省2016年度农业重大应用技术创新项目（2130106）；国家科技支撑计划子课题（2012BAD33B07）；泰安市科技发展项目（20113075）

宋荣珍（1993—），女（汉），硕士，研究方向：功能因子的提纯与功能食品开发。

*通信作者：唐晓珍（1969—），女（汉），教授，博士，研究方向：功能因子的提纯与功能食品开发。

2017-04-28