不同提取方法对马铃薯膳食纤维化学组成和理化性质的影响

张建利 张正茂， 张芯蕊 朱玉萍郭怡琳 路永强 周发宝

(西北农林科技大学食品科学与工程学院1，杨凌 712100)(西北农林科技大学农学院2，杨凌 712100)

我国具有丰富的马铃薯资源，随着产业结构的调整，马铃薯加工产业迅速发展，国内马铃薯行业每年大约会产生百万吨马铃薯渣[1]，生产旺季，大量的马铃薯渣堆积在工厂，占用场地，腐败变质后产生恶臭，当成废渣作掩埋处理会造成地下水严重的污染[2]；目前马铃薯渣大多用于加工饲料，因此高效合理的利用马铃薯渣，既可有效利用资源，提高经济效益，又能减少环境污染，具有一定的社会效益。膳食纤维被称为“第七大营养素”[3]，合理摄入能降低胆固醇、血糖、血脂[4]，减少冠心病、中风、高血压、糖尿病、肥胖和某些胃肠道疾病[5-6]，马铃薯渣中含有丰富的膳食纤维，总膳食纤维含量在27.72%～43.16%[7]；马铃薯膳食纤维外观白色，持水力、膨胀力高，有良好的生理活性[8]，同时马铃薯膳食纤维中纤维素和半纤维素含量较高，木质素含量相对较低，具有更好的柔性,是制备高品质膳食纤维的良好原料[9]，因此利用马铃薯渣制备膳食前景光明广阔。

Weimin Zhang以木瓜皮为原料，采用碱提和超声波辅助碱提法提取膳食纤维，结果超声波辅助碱提法获得的膳食纤维纯度更高，表现出更高的持水性、持油性和膨胀性[10]；Meng-mei Ma以孜然为原料，采用碱提法、酶解法和剪切乳化辅助酶解法提取膳食纤维，结果表明剪切乳化辅助酶解法提取的膳食纤维持水力、持油力、葡萄糖吸附能力最强[11]；全桂静等采用筛法、酶法及酶碱法提取甘薯膳食纤维，酶法膳食纤维的提取率最高，持水和持油能力及膨胀性均最好[12]，综上表明不同提取方法对膳食纤维具有不同的影响，但缺乏不同提取方法对马铃薯膳食纤维影响的研究。目前常用的膳食纤维提取方法有化学法、酶法和化学-酶结合法，化学法操作简单；酶法安全性强，效果好；化学-酶结合法在我国还属于新工艺[13]。本研究通过酸解法、复合酶法、酶碱法对马铃薯渣(DPR)中的膳食纤维进行提取，研究不同提取方法对马铃薯膳食纤维化学组成和理化性质的影响，以期为马铃薯膳食纤维研究提供理论依据，为今后马铃薯膳食纤维的开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

马铃薯：陕西省子长县薯业局；原料：夏波蒂；淀粉提取方法：沉淀分离法)；淀粉酶、蛋白酶(北京索莱宝科技有限公司)；所用化学试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

UV-1780紫外可见分光光度计(日本岛津仪器有限公司)； KJELTEC-2300定氮仪(FOSS瑞典分析仪器公司)。

1.3 方法

1.3.1 膳食纤维提取方法1.3.1.1 酸解法

DPR→酸处理(料液比1∶15、硫酸浓度1.5%、温度55 ℃、时间55 min)→抽滤水洗至中性、干燥(60 ℃干燥24 h)、粉碎、过100目筛→膳食纤维

1.3.1.2 复合酶法

DPR→调浆糊化(料水比1∶15、85 ℃糊化20 min)→复合酶处理(pH=7.5、淀粉酶∶蛋白酶=3∶1.5、添加量2.5%(相对于DPR质量)、温度50 ℃、时间60 min)→抽滤水洗至中性、干燥(60 ℃干燥24 h)、粉碎、过100目筛→膳食纤维

1.3.1.3 酶碱法

DPR→调浆糊化(料水比1∶15、85 ℃糊化20 min)→淀粉酶处理(温度60 ℃、pH=7、添加量0.9%(相对于DPR质量)、时间75 min)→灭酶→抽滤水洗至中性→碱处理(料液比1∶5、NaOH浓度1.5%(相对于DPR质量)、温度60 ℃、时间60 min→抽滤水洗至中性，干燥(60 ℃干燥24 h)、粉碎、过100目筛→膳食纤维

以上三种方法中酸处理、复合酶处理、淀粉酶处理、碱处理的参数为通过正交实验确定的最佳工艺参数。

1.3.2 化学组成的测定

水分测定参照GB 5009.3—2016；淀粉测定参照GB/T 5514—2008；脂肪测定参照GB 5009.6—2016；蛋白质测定参照GB 5009.5—2016；灰分测定参照GB 5009.4—2016；TDF、IDF、SDF测定参照GB/T 5009.88—2014

1.3.3 持水力的测定[14]

称取样品1.000 0 g(m0)，于50 mL水中，25 ℃搅拌2 h后，3 000 r/min条件下离心30 min，弃上清液，称取残渣的质量(m1/g)。

(1)

1.3.4 膨胀力的测定[15]

称取样品1.000 0 g(m/g)于25 mL量筒中，加水至15 mL刻度，摇匀后室温放置24 h，测定膳食纤维膨胀后体积(V/mL)。

(2)

1.3.5 阳离子交换能力的测定[16]

称取样品0.500 0 g(m/g)于锥形瓶中，加入20 mL 0.1 mol/L的盐酸溶液，室温静置过夜。然后，过滤并用蒸馏水洗涤滤渣至滤液中不含氯离子为止。将滤渣转移至三角瓶中，加入质量分数为5%的氯化钠溶液100 mL，磁力搅拌30 min，使样品分布均匀，以质量分数为0.5%的酚酞-乙醇溶液作为反应指示剂，0.1 mol/L的氢氧化钠溶液进行滴定，滴定样品消耗氢氧化钠溶液体积(V1/mL)；滴定空白样消耗氢氧化钠溶液体积(V0/mL)。

(3)

1.3.6 胆固醇吸附能力的测定

参考张华[11]方法稍有改动，取市售鲜鸡蛋蛋黄，加9倍水搅打成乳液，称取样品0.500 0 g(m/g)于250 mL三角烧瓶中，加入30 mL乳液搅拌均匀，分别配制成pH=2.0和pH=7.0，37 ℃水浴2、4、6、8、10、12、24 h后，在3 800 r/min条件下离心15 min，分别取上清液1 mL，采用邻苯二甲醛法，以胆固醇标品制备标准曲线y=11.977x+0.003 2(R2=0.999 7)，在550 nm波长处测定,吸附后上清液中含量 (m1/mg) ，吸附前蛋黄乳液胆固醇质量(m2/mg)。

(4)

1.3.7 NO2-吸附能力的测定[18]

称取样品1.000 0 g(m/g)于150 mL锥形瓶中，加入100 mL质量浓度为5 μg/mL的亚硝酸钠溶液，分别配制成pH=2.0和pH=7.0。37 ℃水浴30、60、90、120、150、180 min后，3 800 r/min条件下离心15 min，分别取上清液5 mL，采用盐酸萘乙二胺法，以亚硝酸钠标品制备标准曲线y=0.998x-0.004 9(R2=0.999)，538 nm波长处测定，吸附前上清液中NO2-质量(m1/mg)，吸附后上清液中NO2-质量(m0/mg)。

(5)

1.4 分析方法

所有数据的测定重复3次，利用Excel2013处理数据、作图，采用SPSS ANOVO中的Duncan(D)进行显著性差异分析。

2 结果与讨论

2.1 不同提取方法对膳食纤维化学组成的影响

由表1可知，三种方法对DPR中淀粉和蛋白质都起到了显著的清除作用(P<0.05)，淀粉清除率在64.70%～74.86%；蛋白质清除率在52.48%～70.81%。不同提取方法提取的膳食纤维化学组成具有一定的差异：复合酶法提取的膳食纤维淀粉质量分数最低，TDF、SDF质量分数最高；酸解法提取的膳食纤维蛋白质质量分数最低。由于部分淀粉被包裹于纤维或果胶中，或有一些组织细胞未完全破碎，导致部分淀粉嵌于组织细胞中[19]，所以都有一定的淀粉残余；复合酶法和酶碱法对马铃薯渣都进行了加热糊化，加热温度较高，可能是因为蛋白质发生了凝固[20]不易被除去,导致最终提取膳食纤维中蛋白质质量分数较高。

表1 不同提取方法获得的膳食纤维的化学组成/%

注：同一列中不同字母表示有显著性差异(P<0.05)，DPR：干燥的马铃薯渣，C-DF：酸解法提取的膳食纤维，E-DF：复合酶法提取的膳食纤维，EA-DF：酶碱法提取的膳食纤维，下同。

2.2 不同提取方法对膳食纤维水合能力的影响

膳食纤维吸水后体积增大，对胃肠道产生容积作用，体积效应使人产生饱腹感而减少食物的摄入，同时加快排便速度减少其他物质的吸收，具有防止便秘、抑制肥胖等作用[21]。由表2可知，酸解法和复合酶法提取的膳食纤维具有较好的水合性质。水合能力与纤维IDF质量分数、化学结构和多孔性有关[22]，C-DF的持水力和膨胀力最高可能由于含有较高的IDF，也可能是酸水解对纤维结构有一定的破坏，造成纤维疏松多孔、体积蓬松，增大接触面积所致[23-24]。

表2 不同提取方法获得的膳食纤维的水合能力

注：同一列中不同字母表示有显著性差异(P<0.05)。

2.3 不同提取方法对马铃薯膳食纤维阳离子交换能力的影响

膳食纤维中含有羧基和羟基类侧链基团，这些基团可以和阳离子进行交换[25]，改变消化道的pH、渗透压，影响氧化还原电位，从而形成一个理想缓冲体系；肠道中的K+、Na+与膳食纤维结合，被排除体外，降低了过量摄入Na+、K+而导致的多种疾病的发生[26]。从图1可知E-DF阳离子交换能力最强，可能是由于E-DF纤维含量较高具有较多的羟基和羧基吸附基团，另一方面因为蛋白质和淀粉的清除率较高，暴露出更多的羟基和羧基，更易与阳离子进行交换。

图1 不同提取方法获得的膳食纤维的阳离子交换能力

2.4 不同提取方法对马铃薯膳食纤维吸附能力的影响

2.4.1 不同提取方法对马铃薯膳食纤维胆固醇吸附能力的影响

从图2可知，膳食纤维对胆固醇的吸收主要在肠中，这与张洪微等[27]研究结果一致，可能是酸性条件下的氢离子更容易被膳食纤维上的·OH所吸附，削弱了膳食纤维对胆固醇的吸附。膳食纤维对胆固醇的吸附随时间延长呈现先快后慢，最后趋于平衡的趋势；吸附能力E-DF>EA-DF>C-DF。苏珏[28]等认为SDF对胆固醇主要起吸收作用，IDF对网络结构起稳定作用。C-DF、EA-DF、E-DF的SDF含量依次增大，所以吸附胆固醇能力依次增强；虽然DPR的SDF含量高于C-DF，可能因为IDF含量较低不能提供稳定的网络结构，导致吸附作用最弱。

图2 不同提取方法获得的膳食纤维对胆固醇的吸附作用

2.4.2 不同提取方法对马铃薯膳食纤维NO2-吸附能力的影响

从图3中可知，膳食纤维对NO2-的吸附发生在胃中，这与吴丽樱等[29]等研究结果一致。庄远红等[30]等认为膳食纤维通过分子上的-OH和NO2-形成“膳食纤维-NO2-络合物”来去除NO2-，碱性条件下络合物解离。pH=2.0时膳食纤维对NO2-的吸附能力随时间延长呈现出先快后慢，最后趋于平衡的趋势：C-DF、E-DF、EA-DF分别在90、150、120 min吸附趋于平衡；NO2-吸附能力E-DF>EA-DF>C-DF。

图3 不同提取方法获得的膳食纤维对NO2-的吸附作用

3 结论

酸、碱和酶在清除蛋白质和淀粉的过程也会造成膳食纤维降解，影响膳食纤维的含量和网络结构，最终导致不同提取方法对马铃薯膳食纤维化学组成和理化性质影响很大。复合酶法提取的膳食纤维TDF和SDF质量分数最高；膨胀力同酸解法提取的膳食纤维无显著性差异且高于酶碱法；阳离子交换能力、胆固醇和亚硝酸根吸附能力高于酸解法、酶碱法提取的膳食纤维。综合考虑：复合酶法提取的膳食纤维纯度高、性质优，因此，复合酶法是提取马铃薯膳食纤维较好的方法。