香芋可溶性膳食纤维提取工艺及其性能研究

陈致印，胡一鸿，金晨钟，朱定萍，王 琼

（1.湖南人文科技学院生命科学系，湖南 娄底 417000；2.平凉市产品质量监督检验所，甘肃 平凉 744000）

膳食纤维是人体平衡膳食结构的必需营养素之一，不能被人体内消化酶分解和吸收，称为“第七营养素”，对人体具有重要的生理功能[1-2]，如降低便秘、肠癌、肥胖症、II型糖尿病和冠心病等慢性病的发生率。膳食纤维按其水溶性可分为不溶性膳食纤维（Insoluble dietary fiber，IDF）和可溶性膳食纤维（Soluble dietary fiber，SDF）两类。可溶性膳食纤维在许多方面的生理功能比不溶性膳食纤维更强[3]，其应用范围更为广泛。因此，可溶性膳食纤维的制备具有特别重要的意义。

香芋（Eolocasia esculenta schott）属天南星科芋属，为多年生单子宿根性草本植物，是热带亚太地区重要块茎类作物之一[4]。香芋引进我国种植已久[5]，资源极为丰富，营养物质含量也高。香芋除了富含蛋白质、钙、磷、铁、钾、镁、钠、胡萝卜素、烟酸、B族维生素、皂角等多种成分外，还含有大量可溶性膳食纤维成分，如黏液多糖、黏液皂素、碱性物质等成分，具有重要的生理功能[6]。多年来，人们对香芋的研究主要集中在栽培方面，有关其深加工研究报道很少，目前仍没有对其可溶性膳食纤维提取方法的研究报道。本试验以香芋为原料，探讨提取其中水溶性膳食纤维的方法，以期为香芋资源的深度开发提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

香芋（购于当地市场）；纤维素酶（20 000 U/g）（山东枣庄杰诺生物酶有限公司）；标准葡聚糖Dextran 2000（瑞典Phamrmacia公司）；氢氧化钠、盐酸、无水乙醇、等药品均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

F160型粉碎机（北京中兴伟业仪器有限公司）；R-201L旋转蒸发仪（西安常仪仪器设备有限公司）；PHBJ-260便携式pH计（上海将来实验设备有限公司）；HH-8型恒温水浴锅（江苏宏华仪器厂）；GZX-DH.300-BS-II电热恒温干燥箱（上海跃进医疗器械厂）；台式离心机Thermo Scientific（Heraeus Megafuge 1.0 R）。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程 香芋→恒温干燥（60℃）→粉碎→过筛（60目）→加水（香芋粉∶纯净水＝1∶40）→调pH值→纤维素酶酶解→恒温水解→高温灭酶（90℃，10 min）→冷却→离心分离→

1.3.2 提取率测定方法 可溶性膳食纤维烘干至恒重，称取质量，其与干样品重的比值即为提取率，计算公式为：

1.3.3 性能测定方法 持水力（Water holding capacity,WHC）测定：准确称取250 mg过40目筛的样品，放入离心管中，加入25 mL去离子水，振荡后在室温下静置60 min。离心（15 min,3 000 g），除去上清液，称重，换算成每克干样品保持水的量（g/g干物质）:

膨胀力（Swelling,SW）测定：称取1.00 g过40目筛的样品，放入20 mL的具塞刻度玻璃试管中，加入20 mL去离子水，振匀后在室温（20℃）下放置16 h，观察样品在试管中的自由膨胀体积（mL）。按下面公式计算每克样品的膨胀力（mL/g）：

1.3.4 单因素试验和正交设计试验 分别选取水浴温度，pH值，提取时间，以及酶用量先进行单因素试验。根据单因素试验结果，采用4因素3水平L9（34）设计（表1）进行正交试验。

表1 试验选取因素及水平

2 结果与分析

2.1 提取因素对香芋可溶性膳食纤维提取率的影响

2.1.1 单因素试验 图1显示，提取温度在35～55℃时，可溶性膳食纤维提取率随温度的升高而升高；当提取温度高于55℃时，可溶性膳食纤维提取率随着温度的升高而降低。这是由于可溶性膳食纤维主要成分为天然果胶和β-葡聚糖，如果胶、瓜尔豆胶、卡拉胶、黄原胶、甘露糖、葡聚糖、海藻酸钠、真菌多糖等，提取温度过高，会使其本身分子结构受到破坏，从而降低提取率[7]。因此，提取温度控制在55℃左右较为适宜。

图2显示，随着pH值的升高，可溶性膳食纤维提取率有所上升，至pH值为5.5达到最大，之后随着pH值的升高提取率下降。这可能因为酶是一种特殊的蛋白质分子，其催化能力与pH值密切相关，当pH值超过酶活性的最佳范围时，提取效率有所下降。

图3显示，可溶性膳食纤维提取率随酶解时间延长而增加，但当酶解时间超过120 min后提取率增加的趋势减缓。这可能是因为在提取过程中有效成分的浓度差是提取的推动力，在提取初期，浓度差大，提取速率快，产物增加得也快[8]；随着提取时间的延长，溶剂中有效成分浓度增大，与固相中的浓度差逐渐变小，推动力也就变小，所以提取率减缓，直至提取达到平衡，产物浓度也趋于恒定[8]。因此试验选定最佳酶解时间为120 min。

图4显示，随着酶浓度的增加，可溶性膳食纤维提取率逐渐增加，当酶浓度达到2.5%时其提取率最高，达33.4%；随着酶浓度的进一步的增加得率反而减少。可能是由于香芋中含有大量不溶性纤维，酶浓度过低，不溶性纤维水解不完全，而酶浓度过高，使膳食纤维中可溶性纤维素等生理活性物质分解，造成提取率降低，所以纤维素酶的浓度以2.5%为最宜。

图1 温度对提取率的影响

图2 pH值对提取率的影响

图3 时间对提取率的影响

图4 酶用量对提取率的影响

2.1.2 正交试验 综合考虑多因素相互作用对于香芋水溶性膳食纤维提取的影响，根据单因素的试验结果，采用L9（34）正交设计对香芋水溶性膳食纤维提取的条件进行优化，重复2次，正交试验结果见表2。

表2 正交设计与数据处理

根据极差分析，影响香芋水溶性膳食纤维得率的各因素主次关系依次为：水浴温度（D）＞pH值（B）＞酶用量（A）＞提取时间（C），水浴温度影响最大，水浴时间影响最小，最优组合为A1B1C3D2，即酶用量为2.0%，pH值为4.5，水浴时间150 min，水浴温度为55℃。这与正交试验中的最高提取率组合A3B1C3D2水平不一致，故需要验证试验。两次验证试验得到的水溶性膳食纤维提取率分别为39.86%和39.90%，高于正交试验中的最高提取率组合A3B1C3D2，因此采用A1B1C3D2组合，水溶性膳食纤维提取率能达到39.88%。

2.2 香芋可溶性膳食纤维性能

研究水溶性膳食纤维物理特性，能够判断香芋纤维生理性能。在最佳提取工艺条件制备下，香芋可溶性膳食纤维的溶胀性为8.53±0.32 mL/g（n=3），明显高于豆渣的溶胀性6.33 mL/g，说明香芋纤维在增加粪便体积、稀释潜在致癌物方面的生理功能具有更明显的优势。香芋纤维持水力为4.24±0.26 g/g（n=3），低于大豆纤维 5.56 g/g[9]，说明香芋纤维在增加水相体积，降低吸收速度和减少肠内吸收部位方面不及大豆纤维优越。

3 讨论

采用纤维素酶提取香芋中可溶性纤维，利用单因素试验和正交试验，对影响其提取结果的相关因素进行试验和探讨，通过极差分析和验证试验得出，提取香芋可溶性膳食纤维的最佳工艺为：酶用量为2.0%，pH值为4.5，水浴时间150 min，水浴温度为55℃，可溶性膳食纤维提取率能达到39.88%。其提取率明显高于豆渣纤维的提取率13.7%，也高于花生纤维的提取率6.98%[10]。这可能是由于香芋原料中淀粉含量相对较高，或者香芋纤维的提取工艺较为优越。

香芋纤维溶胀性为8.53±0.32 mL/g，高于豆渣；持水力为4.24±0.26 g/g，低于大豆纤维。这可能是由于香芋纤维黏多糖的黏度较差所致，可以通过添加蔗糖、明矾、硼砂和pH值改变其黏度[10]，使其获得更好的生理性能。

[1]Rodriguez R,Jimenez A,Fernandez-Bolanos J,et al.Dietary fiber from vegetable products as source of functional ingredients[J].Trends in Food Science and Technology,2006,17（1）:3-15.

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[3]Vasanthan Thava,Jiang Gaosong,Yeung Judy,et al.Dietary fiber profile of barley flour as affected by extrusion cooking [J].Food Chemistry,2002，77（1）:35-40.

[4]林 捷，蒋 妲，林晓静，等.炭布香芋真空冷冻干燥工艺研究[J].现代食品科技，2006，22（4）：118-121.

[5]曹梦竺.香芋的开发利用价值[J].农技服务，2007，24（9）：35.

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[8]王忠合，吴晓玉.酱油渣中可溶性膳食纤维微波辅助酶法提取工艺研究[J].食品研究与开发，2009，8（30）：87.

[9]娄海伟，迟玉杰.挤压蒸煮对豆渣中可溶性膳食纤维含量的影响[J].中国粮油学报，2009，24（6）：34.

[10]孙忠伟.芋头淀粉的提取及其性质的研究[D].无锡：江南大学，2004.