沙果渣膳食纤维酶法制备工艺研究

朱 丹，牛广财，朱光怡，王艳红，肖翠红，蔡亚平

（1.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，黑龙江大庆 163319；2.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江大庆 163319）

膳食纤维（Dietary fiber，DF） 被称为第七营养元素，指植物类食品中不被人体胃肠道消化酶消化，但能被人体胃肠道系统内定殖的部分微生物酵解或利用的，特指非淀粉性多糖类和木质素的总称。根据其溶解性的不同，DF分为可溶性膳食纤维（Soluble dietary fiber，SDF） 和不溶性膳食纤维（Insoluble dietary fiber，IDF）[1]。美国学者 Richard.E和 Donald.J建议平衡的DF组成要求SDF占TDF总量的10%以上[2]，这种可溶性膳食纤维含量达到10%以上的较高品质膳食纤维，其生理活性较强，具有明显的保健作用。常用的膳食纤维改性方法有化学方法、物理方法、生物技术方法，以及多种方法组合等。其中，化学法虽然方便快捷，但反应复杂、时间长、污染环境[3]；物理方法会使纤维物质发生破碎、膨化，进而改变其理化性质，该方法虽然操作简单，但是对设备要求较高；生物改性技术采用的方法有酶法和发酵法，酶法具有作用条件温和、专一性强、副产物少和纯度高等优点，目前应用的膳食纤维改性的酶主要有木聚糖酶、纤维素酶等。

沙果（Malusasiatica） 是东北地区夏秋季节大量上市的地产水果，在企业生产浓缩汁时产生了大量的废渣，引起了严重的环境污染与资源浪费问题。试验以沙果渣为原料，研究纤维素酶处理对沙果渣中SDF/TDF的影响，以期为沙果渣高品质膳食纤维的生产及应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

沙果渣，黑龙江省大庆森阳果蔬食品科技有限公司沙果榨汁后的鲜渣；纤维素酶（40 000 U/g），上海如吉生物科技发展有限公司提供；无水乙醇、丙酮、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、无水乙酸钠等，均为国产分析纯试剂；α-淀粉酶（酶活≥4 000 U/g），上海沪峰生物科技有限公司提供。

1.2 仪器与设备

FW80型高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司产品；101-2AB型电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司产品；AR2140型电子天平，奥豪斯国际贸易（上海）有限公司产品；TDL-S-A型离心机，上海安亭科学仪器厂产品；HH-S型电子恒温水浴锅，常州市国立试验设备研究所产品；精密pH计，赛多利斯美国丹佛仪器有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 沙果渣可溶性膳食纤维酶法制备工艺流程

沙果渣→干燥（60℃） 粉碎→过筛（40目） →前处理→纤维素酶酶解→离心、过滤→上清液→醇沉→离心、过滤→沉淀（SDF）。 残渣（IDF）

1.3.2 操作要点

将干沙果渣粉碎后过60目筛，以1∶15料液比加入80%乙醇，对样品浸提2次，离心分离后，继续用丙酮洗涤沉淀，挥干后将沉淀在干燥箱中低温干燥[4]。然后按一定料液比，用水将预处理后的沙果渣粉调成悬浊液，加入纤维素酶，调整酶用量、酶解时间、酶解温度和pH值进行试验。处理结束后进行抽滤，滤渣经干燥得到IDF；收集滤液，于60℃下减压浓缩后，加入4倍体积无水乙醇密闭，静置过夜，再次抽滤，将抽滤后的沉淀物干燥得到SDF[5]。

1.3.3 单因素试验设计

以沙果渣为原料，以SDF/TDF为指标，根据预试验结果，在料水比为1∶10条件下，对纤维素酶用量（A）、酶解时间（B）、酶解温度（C） 和pH值（D）等因素进行单因素试验。其中，纤维素酶用量选择30，40，50，60，70 U/g；酶解时间分别为40，60，80，100，120 min；酶解温度分别为30，35，40，45，50℃；pH值分别为4.2，4.4，4.6，4.8，5.0。每个水平重复3次。

1.3.4 正交试验设计

在单因素试验的基础上，选择每个因素的合适水平，进行L9（34）正交试验，以确定最适的纤维素酶酶解条件。

正交试验因素与水平设计见表1。

1.3.5 理化性质测定

（1） 膳食纤维含量测定。不溶性膳食纤维（IDF）和可溶性膳食纤维（SDF） 的测定，参照AACC32—06的方法测定。

表1 正交试验因素与水平设计

（2） 持水力（WHC）的测定。准确称取沙果渣膳食纤维干样（m1）1.0 g置于50 mL离心管（m0）中，加入10 mL蒸馏水浸泡，摇匀，室温下静置1 h，以转速5 000 r/min离心20 min，弃去上清液，用滤纸吸干离心管残留水分后称量样品质量（m2），计算WHC。

式中：m1——样品干样质量，g；

m2——样品吸水质量，g；

m0——离心管质量，g。

（3） 持油力（OHC） 的测定。准确称取沙果渣膳食纤维干样（m1）1.0 g置于50 mL离心管（m0）中，加入10 mL大豆油摇匀，室温下静置1 h，以转速5 000 r/min离心20 min，小心弃去上层油液后，称量样品质量（m2），计算OHC。

式中：m1——样品干样质量，g；

m2——样品吸附油脂质量，g；

m0——离心管质量，g。

（4）膨胀力（SC）测定。准确称取沙果渣膳食纤维干样0.5 g置25 mL刻度试管中，读取样品干样体积（V0），加入20 mL蒸馏水，振荡摇匀，于室温下放置24 h，测定其膨胀体积后体积（V1），计算SC。

式中：V1——样品膨胀后体积，mL；

V0——样品干样体积，mL；

m——样品干样质量，g。

2 结果与分析

2.1 纤维素酶用量对SDF/TDF的影响

在纤维素酶作用下，大分子的纤维素可降解成低分子量的多糖、寡糖和单糖，使部分IDF转化成SDF，从而增加SDF的含量。

纤维素酶用量对SDF/TDF的影响见图1。

图1 纤维素酶用量对SDF/TDF的影响

由图1可知，当纤维素酶用量较低时，SDF/TDF得率较低，随纤维素酶用量的增加，其SDF/TDF逐渐上升，继续增加反而使SDF/TDF降低，这是因为制备SDF的过程中，添加适量纤维素酶可使沙果渣中IDF发生降解，分子链切断，使分子量降低，溶解度发生变化，一部分IDF转化成SDF，从而使得率随着纤维素酶的增加而增加。IDF降解为分子量较小的低聚糖甚至单糖，由于聚合度低而无法被乙醇沉淀，从而使SDF/TDF降低。因此，选择50 U/g作为纤维素酶的合适用量。

2.2 酶解时间对SDF/TDF的影响

酶解时间对SDF/TDF的影响见图2。

图2 酶解时间对SDF/TDF的影响

由图2可知，当酶解时间增加时，SDF的得率逐渐增加，增加到一定程度，继续延长酶解时间，SDF的得率平稳。这是因为随着反应的持续进行，产物浓度较大，这对酶解反应有一定的反馈抑制作用。酶解时间在80 min时，SDF/TDF达到16.20%，之后趋于平稳。因此，酶解时间80 min较为合适。

2.3 酶解温度对SDF/TDF的影响

酶解温度对SDF/TDF的影响见图3。

图3 酶解温度对SDF/TDF的影响

由图3可知，随着酶解温度的升高，一方面酶活性逐渐增加，酶解温度45℃时，达到纤维素酶的最适酶解温度，此时酶解率最高；另一方面酶分子和底物分子热运动速度增加，提高了分子之间的碰撞效率，从而使反应效率提高，SDF/TDF也增加。当酶解温度继续增加时，部分酶分子发生变性，致使酶活下降，从而使反应速度下降，SDF/TDF降低。因此，将45℃为纤维素酶作用沙果渣的合适酶解温度。

2.4 pH值对SDF/TDF的影响

pH值对SDF/TDF的影响见图4。

图4 pH值对SDF/TDF的影响

由图4可知，随着pH值的增大，纤维素酶活逐渐增加，酶解率增加，SDF/TDF逐渐升高。但是，当pH值达到4.6后，继续增大pH值，有可能破坏酶的空间构象，使部分酶分子失活，也可能影响酶活性中心催化基团的解离状态和底物的解离状态，使底物不能与酶活性中心结合，从而影响造成SDF/TDF下降。因此，纤维素酶作用沙果渣的合适pH值为4.6。

2.5 正交试验结果与分析

在单因素试验的基础上，以纤维素酶用量（A）、酶解时间（B）、酶解温度（C）、pH值（D） 为考查因素，以SDF/TDF为指标，设计四因素三水平即L9（34）正交试验，对沙果渣膳食纤维提取工艺进行优化。

纤维素酶酶解正交试验结果见表2。

表2 纤维素酶酶解正交试验结果

由极差分析结果可知，影响沙果渣SDF/TDF值大小的因素按主次顺序为A＞B＞C＞D，其中纤维素酶的用量对结果影响最大，酶解时间和酶解温度影响次之。分析所得的最佳组合为A2B2C3D2，由于A2B2C3D2不在1～9号试验中，故进行了一组验证性试验，结果得到SDF/TDF平均值为18.86%。因此，最终确定沙果渣纤维素酶酶解的最佳工艺条件为纤维素酶用量50 U/g，酶解时间80 min，酶解温度45℃，pH值4.6，在该条件下SDF/TDF为18.86%。

2.6 酶解工艺正交优化条件下膳食纤维特性

在纤维素酶用量50 U/g，酶解时间80 min，酶解温度45℃，pH值4.6的情况下，得到的膳食纤维呈淡黄色。

沙果渣制备膳食纤维的理化指标见表3。

表3 沙果渣制备膳食纤维的理化指标

由表3可知，该膳食纤维持水力为6.87 g/g，持油力为7.36 g/g，膨胀力为6.54 mL/g，其持水力和膨胀力都较好。

3 结论

纤维素酶酶法制备高活性沙果渣膳食纤维，最佳工艺条件为纤维素酶用量50 U/g，酶解时间80 min，酶解温度45℃，pH值4.6；此时SDF/TDF为18.86%。

参考文献：

[1]Burton Freeman B，Liyanage D，Rahman S，et al.Ratios of soluble and insoluble dietary fibers on satiety and energy intake in overweight pre-and postmenopausal women[J].Nutrition and Healthy Aging，2017，4 （2）：157-168.

[2]涂宗财，李金林，汪菁琴，等.微生物发酵法研制高活性大豆膳食纤维的研究 [J].食品工业科技，2005，26 （5）：49-51.

[3]Yangilar filiz.The application of dietary fibre in food industry structural features，effects on health and definition，obtaining and analysis of dietary fibre：A review[J].Journal of Food and Nutrition Research，2013，1（3）：13-23.

[4]王庆玲，朱莉，孟春棉，等.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.

[5]侯丽娟，牟建楼，何思鲁，等.不同提取方式对苹果渣中膳食纤维品质的影响研究 [J].食品科技，2016，41（6）：255-259.◇该条件下膳食纤维呈淡黄色，其持水力为6.87 g/g，持油力为7.36 g/g，膨胀力为6.54 mL/g。可见，选用纤维素酶酶解提取沙果渣膳食纤维效果是非常好的。