马铃薯渣可溶性膳食纤维提取工艺及其性能研究*

何玉凤，张侠，张玲，刘世磊，王荣民

(生态环境相关高分子材料教育部重点实验室，甘肃省高分子材料重点实验室，西北师范大学化学化工学院，甘肃兰州，730070)

马铃薯渣可溶性膳食纤维提取工艺及其性能研究*

何玉凤，张侠，张玲，刘世磊，王荣民

(生态环境相关高分子材料教育部重点实验室，甘肃省高分子材料重点实验室，西北师范大学化学化工学院，甘肃兰州，730070)

采用L-抗坏血酸结合六偏磷酸钠浸提法制备马铃薯渣水溶性膳食纤维，通过考察液料比、六偏磷酸钠浓度、提取时间、提取温度、助剂L-抗坏血酸用量对提取率的影响，获得了马铃薯渣水溶性膳食纤维的最佳提取工艺:即在质量分数为0.5%的六偏磷酸钠溶液150mL中加入5.0 g马铃薯淀粉渣和75 mg助剂;沸水浴条件下处理2.5 h;乙醇用量为150mL时，SDF产率最高可达43.4%，比未加L-抗坏血酸的SDF产率35.0%高。所得产品在pH=7，37℃条件下具有良好的水溶性、持水力和膨胀力，分别为56.15%、7.72 g/g和7.56mL/g。制得的SDF具有口感细腻、微咸的特点，乳白色，可广泛应用于焙烤、馅料、汤料、果酱等食品工业中。

马铃薯渣，可溶性膳食纤维，提取工艺，理化性质

我国具有丰富的马铃薯资源，据报道自2007年起种植面积和总产量均跃居世界首位。地处我国北部和西南部的内蒙古、甘肃、云南和贵州等4省区产量占全国总产量的45%，2009年仅甘肃种植面积就达66.53万hm2。我国马铃薯主要用于淀粉、粉丝的生产，与此同时产生了大量的薯渣，资源浪费严重，而且会造成环境污染［1］。膳食纤维分为可溶性膳食纤维(SDF)和不溶性膳食纤维(IDF)两类，SDF在许多方面具有比IDF更强的生理功能［2］，且应用范围更广。但许多天然的膳食纤维资源中SDF所占比例较小，达不到膳食平衡要求［3］。膳食纤维是人体所需的第七大营养素，因此，提取SDF并提高其产率具有特别重要的意义。马铃薯渣是一种很好的膳食纤维资源［4－5］，总膳食纤维含量在60%左右，具有广阔的开发前景。制备马铃薯渣SDF的方法有物理法(微波、超微粉碎技术)［6］、化学法(酸解、碱解，酸碱结合)［7－8］、生物法(酶法、发酵)［9－10］以及物理、化学、生物法的结合等。其中用酸、碱法提取膳食纤维虽然成本较低，但需用大量的水洗涤，会造成二次环境污染，更重要的是在反复洗涤过程中最具生理活性的SDF会全部流失。本文采用螯合剂法对马铃薯渣中的SDF制备工艺参数进行了优化，获得了提取SDF的最适工艺条件。

1 材料与方法

1.1 主要仪器与试剂

马铃薯渣(甘肃腾胜集团公司);六偏磷酸钠(SHMP)、无水乙醇、L-抗坏血酸(Vc)、HCl、NaOH等，均为分析纯试剂。

电热恒温鼓风干燥箱;81-2型恒温磁力搅拌器;UB-7赛多利斯丹佛酸度计(美国);20～200μL可调式移液器;800型电动沉淀器。

1.2 提取方法

1.2.1 工艺流程

马铃薯渣→α-淀粉酶浸泡(去除淀粉)→水洗(除去可溶性糖和α-淀粉酶)→烘干→SHMP溶液浸泡→室温搅拌→恒温水解→纱布粗过滤→离心分离→透析(除去残余小分子物质)→乙醇沉淀→离心分离→干燥→称重→产品

1.2.2 操作要点

将鲜马铃薯渣用自来水并加入一定量α-淀粉酶浸泡12 h，除去淀粉，后继续用自来水充分洗涤，直到洗涤水清澈，pH值约为7，75℃鼓风灭酶，干燥后备用。将预处理的马铃薯渣按一定比例加SHMP溶液，室温搅拌30 min，此时pH值在6.3左右。再在一定水浴温度下搅拌2.5 h。纱布粗过滤，人工沥干。将滤液离心10 min，将上清液透析(除去残余小分子)，然后边搅拌边向1倍体积的乙醇中加入透析液，静置1 h，离心分离，即得到SDF。产品用体积分数60%乙醇洗涤3次后，50℃干燥，称量。

1.3 影响SDF提取率的因素

1.3.1 液料比对SDF提取率的影响

取5.0 g预处理马铃薯渣于250mL烧杯，按不同液料比(SHMP溶液/预处理马铃薯渣，mL/g)加入0.5%SHMP溶液，沸水浴搅拌2.5 h，考察液料比对SDF提取率的影响。

1.3.2 温度对SDF提取率的影响

采用液料比为30∶1(mL∶g)的0.5%SHMP溶液，分别在不同温度下搅拌2.5 h，考察温度对SDF提取率的影响。

1.3.3 提取时间对SDF提取率的影响

采用液料比30∶1(mL∶g)的0.5%SHMP溶液，沸水条件下，考察不同提取时间对SDF提取率的影响。

1.3.4 乙醇浓度对SDF提取率的影响

取10.0 g预处理的马铃薯渣放入600mL烧杯中，采用液料比30∶1(mL∶g)的0.5%SHMP溶液室温搅拌30 min，沸水浴中搅拌2 h。将上清液倒入250mL烧杯，用移液管分别移取25mL于250mL烧杯中，并按照不同的比例加入乙醇溶液，考察混合液中乙醇浓度对SDF提取率的影响。

1.3.5 SHMP浓度对SDF提取率的影响

采用液料比30∶1(mL∶g)的不同浓度的 SHMP溶液，分别在沸水浴中搅拌2 h，考察不同SHMP浓度对SDF提取率的影响。

1.3.6 Vc用量对SDF提取率的影响

SHMP溶液浓度为0.5%，其他条件同1.3.5。加入不同量的助剂Vc，考察Vc用量对SDF提取率的影响。

1.4 SDF水溶性测定

准确称取最佳条件下提取的 SDF样品m=1.00 g置于100mL烧杯中，加50mL蒸馏水，室温下搅拌4 h，离心10 min，将上清液置于培养皿(已恒重m0)中，于60℃干燥18 h后在105℃再烘2 h至恒重，称其质量为m1，m0、m1的差值即为所溶解的马铃薯渣的质量。

式中:m，样品的质量(g);m0，恒重后培养皿的质量(g);m1，培养皿与上清液烘干后的质量(g)。

1.4.1 温度对马铃薯渣SDF水溶性的影响

在20～100℃内每隔10℃进行一次水溶性测定，其他实验步骤如1.4。

1.4.2 pH值对SDF水溶性的影响

用NaOH和稀HCl调溶液的pH值，测不同pH值下SDF的水溶性，其他实验步骤如1.4。

1.5 pH对SDF持水力、膨胀力的影响

准确称取最佳条件下提取的SDF样品m1=1.00 g，研磨成小颗粒，置于带刻度的离心管中，离心2 min，读取干物质的体积V1，加入8mL pH值为2～7的蒸馏水，室温下搅拌均匀，37℃水浴静置12 h，读取膨胀后湿物质的体积V2，然后再离心10 min，称得样品的湿重为 m2［11］。

式中:m1，所称样品的质量(g);V1，所称样品的体积(mL);V2，样品膨胀后湿物质的体积(mL);m2，样品离心后的湿重(g)。

2 结果与讨论

2.1 影响SDF提取率因素

2.1.1 液料比对SDF提取率的影响

图1为液料比与SDF提取率的关系。由图1可知，随着液料比的增加，SDF的提取率随之升高。在液料比达到30∶1前，SDF提取率增幅较为明显。当液料比大于30∶1时，SDF提取率几乎不变，从经济角度考虑，选择液料比30∶1较为适宜。

图1 液料比对SDF提取率的影响

2.1.2 温度对SDF提取率的影响

图2为温度与SDF提取率的关系。由图2可知，随着温度的升高，SDF提取率不断增大，当温度超过95℃后，提取率大幅降低，因此，本实验中提取温度在95℃(本地区沸水温度)较为适宜。沸水条件下SDF提取率达35.0%。大大超过从其他原料中提取SDF的结果［12］，同时也超过了同类方法提取SDF的产率［13－14］。在此实验中，螯合剂 SHMP起到重要的作用:(1)SHMP易水解成正磷酸根离子，对细胞壁中被束缚的纤维(果胶类多糖)的螯合作用强;(2)pH=6.3的弱酸性SHMP，使果胶类多糖分子和链还原端的半乳糖得到很好的保持;(3)SHMP的弱酸性可能导致纤维素和半纤维素部分降解，由原先不溶变为水溶性纤维，从而提高了SDF的含量。但当温度达到110℃时，SDF提取率骤减。原因可能是SDF主要成分为天然果胶和β-葡聚糖，天然SDF易溶于热水，但不耐高温，温度过高会使其自身结构破坏，导致溶液黏度增大，从而使提取率降低［15］。

图2 温度对SDF提取率的影响

2.1.3 提取时间对SDF提取率的影响

如图3所示，随提取时间的延长，SDF提取率随之升高;但提取时间超过2.5 h时，SDF提取率随之下降。这是因为SDF主要成分为果胶，而果胶中的原果胶水溶性较差，如提取时间过短，则原果胶不能充分溶解，故适当延长提取时间，有利于马铃薯渣中的果胶质充分溶解，提高产率;但提取时间过长，会增加果胶被裂解的量，并且部分果胶在水溶液中会被氢离子水解而降低其产量。因此，提取时间以2.5 h较为适宜。

图3 提取时间对SDF提取率的影响

2.1.4 乙醇浓度对SDF提取率的影响

乙醇在滤液中的浓度对SDF提取率的影响如图4所示。当乙醇体积分数低于50%时，SDF提取率随乙醇浓度的增大而提高，当乙醇体积分数超过50%后SDF的提取率趋于稳定，从经济角度考察，选择乙醇体积分数为50%为最佳值，即乙醇与滤液体积之比为 1∶1。

图4 乙醇浓度对SDF提取率的影响

2.1.5 SHMP浓度对SDF提取率的影响

SHMP浓度对SDF提取率的影响如图5所示。随SHMP浓度的增加，SDF的提取率随之升高。在SHMP质量分数达到0.5%前，SDF提取率增幅较为明显。随后增幅不大且有下降趋势，故SHMP质量分数选择为0.5%。

图5 SHMP的浓度对SDF提取率影响

2.1.6 Vc用量对SDF提取率的影响

实验发现，在提取SDF过程中混合液很容易发黑，因此考虑使用强还原性的Vc，即可抑制多酚氧化酶的氧化作用，进而可提高SDF的含量。Vc用量对SDF提取率的影响如图6所示。选择Vc最佳用量为75 mg。实验中还发现，当SHMP质量分数为0.5%时，加75 mg Vc后SDF的提取率达到43.4%，比未加Vc时的提取率35.0%提高了8.4%，而且SDF的颜色由原来米黄色硬块颗粒变成半透明乳白色蓬松颗粒，口感、持水力、膨胀力都比未加Vc时的SDF好。

图6 Vc用量对SDF提取率的影响

2.2 水溶性的测定

2.2.1 温度对SDF水溶性的影响

表1为不同温度下SDF的水溶性。由表1可知，马铃薯渣SDF的水溶性随温度的增加缓慢上升，在温度20～60℃时，其水溶性随温度的变化幅度较小，温度高于60℃时，SDF水溶性显著提高，其原因可能是，热力作用破坏了纤维多糖分子侧链间的氢键和离子键，分子链被切断，使分子量降低，水溶性提高。但当温度高于70℃后随温度升高，水溶性反而下降。这是因为随温度的升高SDF黏度越来越大，阻碍了SDF在水溶液中的铺展，因而水溶性降低。

表1 温度对SDF水溶性的影响

2.2.2 pH值对SDF水溶性的影响

表2为不同pH值时SDF的水溶性。由表2可见，在酸性范围内SDF的水溶性随pH值的增大而明显上升。在碱性条件下，SDF的水溶性随pH值的增大有所下降。pH值为中性左右时，SDF水溶性最强，pH值小于4时水溶性很弱，这是因为同浓度的SDF溶液比pH=7时的黏度大［16］，溶液黏度大使多糖分子扩散受到更大的阻力。

表2 pH值对SDF水溶性的影响

2.3 pH值对SDF持水力、膨胀力的影响

表3为不同pH时SDF的持水力和膨胀力。由表3可知，SDF具有较好的持水性、溶胀性、结合水力，其原因可能是，马铃薯渣经水解后，纤维多糖发生降解，分子链被切断，分子量相对降低，导致聚合度下降。所得的SDF颗粒微小、结构疏松，增大了颗粒的表面积，而且SDF结构中含有很多亲水基团，因此，SDF具有较高的持水性和溶胀性。SDF的高持水性有利于形成其组织结构以防脱水收缩，因此，提取的SDF可应用在肉制品和焙烤等食品中，可减少水分和香味的散失。而且SDF的高持水性及缚水后体积的膨胀性，在胃肠道中会发挥填充剂的容积作用，并引起胃排空的减慢，更快产生饱腹感且不易感到饥饿，对预防肥胖症十分有利。同时还可以增加人体排便的体积和速度，减轻直肠压力，从而可起到预防结肠癌等疾病［17］。

表3 pH对SDF持水力、膨胀力的影响

3 结论

(1)不加助剂Vc处理5 g干渣时的条件:0.5%SHMP的溶液150mL;沸水浴;时间2.5 h;乙醇用量150mL，SDF最高产率可达35.0%，比同类方法中SDF的提取率高得多，且乙醇、SHMP用量少，大大降低了成本。

(2)加助剂Vc处理5 g干渣时的条件:0.5%SHMP的溶液150mL;沸水浴;时间2.5 h;乙醇用量150mL，SDF最高产率可达43.4%。所得SDF在pH=7，37℃条件下具有良好的水溶性(56.15%)、持水力(7.72 g/g)和膨胀力(7.56mL/g)，并且SDF具有口感细腻、微咸的特点，颜色为乳白色，可广泛应用于焙烤、馅料、汤料、果酱、果冻肉制品等食品工业中。

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Extracting Technology of Dietary Fiber from Potato Pulp and Its Properties

He Yu-feng，Zhang Xia，Zhang Ling，Liu Shi-lei，Wang Rong-min
(Key Laboratory of Eco-Environment-Related Polymer Materials Ministry of Education，Key Laboratory of Polymer Materials of Gansu Province，College of Chemistry and Chemical Engineering，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，China)

In this paper，soluble dietary fiber from potato pulp was extracted by using L-ascorbic acid and sodium hexametaphosphate method.Its functional characteristics were also investigated，such as expansibility，retention ability，water solubility.The optimization processing were studied by the comparison of the ratio of solution and the dregs，the concentration of sodium hexametaphosphate(SHMP)，promoter L-ascorbic acid，the extraction temperature and time，the ratio of ethanol volume(the filtrate to liquid).The optimum extraction conditions were:mixed with 0.5%sodium hexametaphosphate solution and 75 mg of L-ascorbic acid as promoter at the ratio of 30∶1.The mixture was kept at 95℃ for 2.5h，and the ratio of ethanol volume(the filtrate to liquid)was 1∶1.The soluble dietary fiber was thus extracted with the yield of 43.4%.The soluble dietary fiber from potato pulp had good water solubility(56.15%)，expansibility(7.72 g/g)and retention ability(7.56mL/g)in pH 7 at 37℃.

potato pulp，soluble dietary fiber，extraction technology，physicochemical characteristic

硕士，教授(E-mail:heyufeng@nwnu.edu.cn)。

*国家自然科学基金项目(20964002);甘肃省科技支撑计划项目(1011GKCA017)

2010－06－10，改回日期:2010－09－15