晚秋黄梨水不溶性膳食纤维的提取工艺优化

沈小芬，张乐乐，王彩虹，王振杰，刘艳红，李双芳，季春燕，刘生杰，b*

（阜阳师范大学 a.信息工程学院；b.生物与食品工程学院，安徽 阜阳236037）

膳食纤维（dietary fiber，DF）一般由不溶性植物细胞壁材料和细胞内非淀粉的水溶性多糖组成，根据水溶性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），不同种类食物的 DF 组成、功能以及植物多糖的结构亦不同，SDF主要有抗性寡糖、改性纤维素、合成多糖以及植物胶体等，IDF主要包括纤维素、半纤维素和木质素等，共同特点是不能被人类小肠内源酶所水解[1]。不同溶解性的DF具有的持水力、膨胀力等理化特性及由此形成生理功能也不尽相同，不同的提取方法也会影响DF的理化特性[2]。文献显示，DF提取方法主要有物理法、化学法、酶法等。物理法中有许多新兴技术，但有些方法程序相对繁琐、耗时长、效率相对较低，国内外提取DF较为成熟的方法为化学法，而化学法对DF的理化性质会产生影响，从而改变其生理功能，反应条件也较为苛刻，且加工过程还会产生大量化学污染物[1]，而酶法因其温和、环保、安全，不需要各种复杂条件，能降低因化学法等对DF提取的损失，对DF的提取率较高，所提取DF持水和膨胀性好等特点，成为DF提取的良好选择[2-3]。

研究表明严重威胁人类生命健康和生活质量的相关疾病与饮食中DF摄入量不足密切相关[4-5]。研究发现饮食中适量摄入DF能降低胆固醇、血糖、血脂，减少冠心病、中风、高血压、糖尿病、肥胖和某些胃肠疾病，促进肠道益生菌生长、增强免疫力、减少炎症等[6]，尤其是IDF具有较高的持水性和溶胀性，可增加肠道内容物容积，促进肠道蠕动，增强消化吸收机能，也因增加饱腹感减少高能饮食而起节食减肥效果，粪便因吸水溶胀体积增加而润滑通便，可预防便秘和结肠癌等[7-8]。因此对DF的研究与应用越来越受到重视，DF已经作为纤维素添加物、品质改良剂、增厚剂、脂肪替代物等广泛应用于食品加工[9]。

由于晚秋黄梨生长适应性强、早期丰产、可密植、产量大、果质优良等特点，深受种植户喜爱，在当地脱贫攻坚中逐步形成大面积种植的新产业，带动了地方以黄梨为原料的水果深加工的快速发展，帮助农民实现能力脱贫具有重要意义，但深加工产生的大量黄梨果渣利用却十分有限，而成为严重的环境污染源。文章通过实验探讨从黄梨果渣中提取IDF的方法选择，并对影响酶法提取率的工艺条件进行优化[10]，以期根据IDF在食品保健领域的应用价值[11-12]，促进黄梨果渣IDF的工业利用，为黄梨深加工产业的良性发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

晚秋黄梨采购于安徽省阜南县某梨场。α-淀粉酶购自北京索莱宝科技公司，其他化学试剂均为国产分析纯产品。

1.1.2 仪器与设备

HR1833型榨汁机、DGT-G135型鼓风干燥箱、XF-80型高速（固体）粉碎机、JA2003B型电子天平、HH-4J数显恒温水浴油浴锅、pHS-3c便携pH计。

1.2 试验方法

1.2.1 材料预处理

将新鲜黄梨清洗、去梗、切分后搅拌榨汁，过滤取渣，60℃干燥后粉碎，过60目筛，分装保藏在干燥器中备用。

1.2.2 碱提取法与酶提取法提取IDF

碱提取法。参阅文献[13]有改进。取10 g黄梨渣浸于20 mL浓度为0.25 mol/L的NaOH溶液中，50℃恒温水浴，静置1 h后过滤，弃滤液，留滤渣。将滤渣置于65℃恒温水浴锅中加入5.97 mL的6.7 mol/L盐酸，静置1 h，然后水洗至中性（pH 6～7），过滤除去SDF，滤渣再用95%乙醇进行反复洗涤、过滤。取滤渣，干燥至恒重，得到IDF。计算IDF的提取率。

酶提取法。参阅文献[14]有改进。取10 g黄梨渣，按1∶25料液比加250 mL蒸馏水、1 U/mL体系添加α-淀粉酶，50℃的恒温水浴，静置1 h，充分酶解。以80℃灭酶10 min后反复洗涤、过滤。取滤渣，干燥至恒重，得到IDF。计算IDF的提取率。

1.2.3 单因素试验方法

对影响酶解法提取黄梨渣IDF提取率的主要因素[8]，如料液比、酶用量、水解时间及水解温度等设计单因素实验，各单因素实验组各设3个重复，比较各组提取率，来探究各影响因素的最佳实验条件。

料液比。在酶含量1 U/mL、50℃恒温水浴1 h不变条件下，以料液比为控制变量，按不同料液比（1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35）进行分组实验。

酶用量。在料液比1∶25、50℃恒温水浴1h不变条件下，以酶用量为控制变量，按不同酶用量（0.6 U/mL、0.7 U/mL、0.8 U/mL、0.9 U/mL、1.0 U/mL）进行分组实验。

水解时间。在料液比1∶25、酶用量0.8 U/mL、50℃恒温水浴不变条件下，以水解时间为控制变量，按不同水解时间（1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h）进行分组实验。

水解温度。在料液比1∶25、酶用量0.8 U/mL、恒温水浴1 h条件下，以水解温度为控制变量，按不同水解温度（45℃、50℃、55℃、60℃、65℃）进行分组实验。

1.2.4 正交实验

依据料液比（A）、酶用量（B）、水解温度（C）、水解时间（D）单因素实验获得的各因素的最佳提取条件，设计L9（34）正交实验，每个因素选取3个水平，指标则采用水不溶性膳食纤维提取率，因素与水平见表1。

表1 正交实验的因素与水平

1.2.5 黄梨IDF持水力与膨胀力的测定

方法参阅文献[15]。

2 结果与分析

2.1 酶提取法与碱提取法对IDF提取率的比较

根据平行实验，碱提取法所得IDF平均提取率为34.48%，酶提取法平均提取率为58.58%，可知酶提取法的提取率明显高于碱提取法，本实验酶法提取率也高于陈辉等利用α-淀粉酶提取花生粕IDF的37.72%提取率[16]和岳晓霞等用淀粉酶法提取马铃薯渣IDF的53.29%提取率[14]，综合酶法相较于化学法的优点，故本研究选择对酶提取法进行工艺条件优化探讨。

2.2 单因素实验结果及分析

2.2.1 料液比对IDF得率的影响

不同的料液比对IDF提取率的影响结果见图1，结果显示在其他提取条件保持不变时，IDF的提取率随料液比的增加而增加，当料液比为1∶25时，提取率达最大值57.25%，后又随着料液比增加，得率反而呈下降趋势。

料液比会直接影响提取溶剂对提取物的可及度，进而影响IDF的提取效率。当料液比例低于1∶25时，黄梨果渣粉末会出现糊状，水解体系中淀粉酶无法充分接触黄梨果渣底物，水解反应不充分，导致IDF得率较小。当料液比增加到1∶25时，IDF提取率最大，表明果渣粉末底物扩散速率最快，能与淀粉酶达到充分混和接触，但当料液比例继续扩大时，在相同水解时间下IDF提取率反而降低。这符合酶促反应底物量与反应速度所遵循的酶促反应中间理论，底物量少结合酶量少、反应速度低，底物浓度增加，会提高酶促反应速度，底物量适当时会有最高反应速率。同时淀粉酶具有催化水解淀粉内部的α-1,4-糖苷键功能，本实验IDF提取体系中淀粉酶的反应底物结构形式可能有多种，根据酶促反应的邻近效应，不同结构底物分子存在顺序结合酶活性中心的可能，所以底物浓度降低，也会降低酶促效率，本实验中当料液比例继续扩大，反应底物浓度逐渐降低，引起酶解不彻底，应是导致IDF提取效率降低的可能原因。故应选择料液比为1∶25，IDF提取率最佳。

图1 料液比对水不溶性膳食纤维提取率的影响

2.2.2 酶用量对IDF得率的影响

酶用量对IDF提取率的影响结果见图2，随着酶用量的增加，IDF的提取率呈先增加后下降规律，酶用量为0.8 U/mL时提取率最大（55.08%）。此规律可能反映了酶用量低于0.8 U/mL时，反应体系中水解酶的有效浓度不足，果渣中淀粉水解不够完全。但当酶用量超过0.8 U/mL时，IDF的提取率又出现下降，与王遂等制备高活性玉米膳食纤维中的结果类似，可能随酶浓度的不断增加，使得半纤维素等活性物质溶解出来，导致IDF的最终产量下降[17]。因此，在其他反应条件不变时，酶用量为0.8 U/mL时，IDF的提取率最佳。以此，后续酶解时间、酶解温度单因素实验中酶用量采用0.8 U/mL。

图2 酶用量对水不溶性膳食纤维提取率的影响

2.2.3 水解时间对IDF得率的影响

水解时间对IDF提取率的影响结果见图3，α-淀粉酶不同酶解时间对IDF的提取率呈先增加后降低，酶解时间为1.5 h IDF提取率最高。1.5 h后随着酶解时间延长，提取效率逐渐降低的原因可能是随酶解时间延长酶使半纤维素等活性物质溶解，导致IDF的最终产量下降。因实验结果是静态测定最终IDF的获得量，没有随着酶解时间变化测定IDF的动态成分改变，所以此原因有待实验验证。因此，其他条件不变，1.5 h是IDF提取的最佳酶解时间。

图3 酶解时间对水不溶性膳食纤维提取率的影响

2.2.4 水解温度对不溶性膳食纤维得率的影响

水解温度对IDF提取率的影响结果见图4，IDF提取率也随水解温度升高呈现先升后降的趋势，且在55℃时获得最大提取率。酶催化都有最适温度，最适温度之前，温度升高有利于提高催化效率，促进了IDF的提取率提升高，当水解温度过高会使淀粉酶部分失活，应是导致IDF的提取率降低的主导因素，也不排除较高温度下部分种类IDF发生了轻度溶解，致提取率下降。综上，其他条件不变，水解温度55℃为IDF最佳提取温度。

图4 水解温度对水不溶性膳食纤维提取率的影响

2.3 正交实验结果与分析

依据料液比（A）、酶用量（B）、水解温度（C）、水解时间（D）4个单因素最佳条件设计的L9（34）正交试验结果及分析见表2和表3。表3中Kn值为所在列（某一因素）中相同水平下的提取率之和，如K1=56.99+60.16+55.84=172.990；表 3中kn值为所在列Kn值的平均数，如表3的A列中k1=K1/3=57.663。表3中R值为对应列中kn最大值与最小值之差，如A列中R=57.663-55.470=2.193。

表2 淀粉酶提取正交实验结果

表3 正交实验结果极差分析表

正交试验各因素对试验指标的影响重要性用极差R的大小进行判断，表3显示R（A）＞R(D)＞R(C)＞R(B)，即因素对试验指标影响的主次顺序是料液比＞水解时间＞水解温度＞酶用量，对IDF提取率影响最大的因素是料液比，酶解时间和酶解温度对提取率的影响次之，在正交试验所选酶用量范围对提取率的影响最小。综上各因素最优条件组合为 A1B2C2D2，即料液比 1∶20、酶用量0.8 U/mL、55℃条件下酶解1.5 h，能得到最高的提取率为60.16%。

2.4 黄梨IDF持水力与膨胀力的测定结果分析

根据实验结果计算知：酶法提取黄梨果渣IDF的持水力F1=5.23 g/g，膨胀力F2=2.5 mL/g。本实验提取IDF的持水力和膨胀力，分别高于陶姝颖等改性葡萄皮渣膳食纤维的2.8 g/g和1.69 mL/g[18]，甚至高于王秀丽等用化学制备的白果壳IDF的持水力4.14 g/g和1.78 mL/g[19]，表明酶法提取黄梨果渣IDF保持了较高的持水性和溶胀性，具有较强生物学应用价值，为开发IDF产品提供了保证。

3 小结

实验选择了利用α-淀粉酶酶解法提取黄梨梨渣IDF，该法相较于碱法提取更为简捷、快速、高效。酶解法中料液比、酶用量、酶解温度、酶解时间等条件均能影响对IDF的提取效率，其中料液比是主要影响因素，酶解时间和酶解温度的影响次之，酶用量影响最小。因此对IDF提取的理论优化条件为料液比1∶20、酶用量0.8 U/mL、55℃条件下酶解1.5 h。实验获得的IDF有较高持水力和膨胀力，有较好开发应用价值。