超声波协同酶法制备杏仁皮中水溶性膳食纤维及理化研究

何余堂，高虹妮，解玉梅，刘 贺，励建荣

(渤海大学化学化工与食品安全学院，辽宁省食品质量安全与功能食品研究重点实验室，辽宁省食品贮藏加工及质量安全控制工程技术研究中心，辽宁锦州121013)

膳食纤维(Dietary Fiber，DF)是指在人体内难以被酶解消化的碳水化合物或其类似物，包括一部分不能消化的多糖、低聚糖等物质［1］。膳食纤维具有重要的生理功能，如产生饱腹感;清除自由基;调解碳水化合物和脂类代谢，降血脂，降血糖等;对离子的交换能力和对有机化合物的吸附作用，有助于减少有毒物质对肠粘膜的毒害［2］。膳食纤维在蔬菜、水果、粗粮、杂粮、豆类及菌藻类食物中含量丰富，主要包括谷物纤维、豆类种子与种皮纤维、水果蔬菜纤维、微生物多糖、其他天然纤维、合成半合成纤维，六大类共30余种，其中有实际应用的大约有十几种。膳食纤维分为水溶性膳食纤维(Soluble Dietary Fiber，SDF)和水不溶性膳食纤维(Insoluble Dietary Fiber，IDF)，其中 IDF为纤维素、半纤维素、木质素等，SDF为寡糖、糊精、多糖等。SDF与IDF在人体内的生理功能存在差异:IDF主要促进肠道产生机械蠕动作用，SDF主要发挥代谢功能，影响碳水化合物和脂类的代谢，降低血脂、血糖、胆固醇等［3］。目前膳食纤维的研究集中在四个方面:膳食纤维对人体生理效应及疾病防治作用的研究［4］;利用农副产品制备膳食纤维研究［5］;完善和提高膳食纤维工业提取和改性研究［6］;膳食纤维在食品加工中的应用研究［7］。扁杏仁在我国华北，西北和辽宁西北部有较大栽培面积。国内扁杏仁产品主要为整粒销售或加工成扁杏油，产品单一，经济效益偏低。因此，深加工是大扁杏产业的发展方向［8］。杏仁皮是扁杏仁深加工过程中的副产品，利用率低。杏仁皮中主要含有膳食纤维、多酚类物质、黄酮类物质、果胶和色素等，其中膳食纤维含量达到45%以上［9］。本研究以辽宁特产扁杏仁为原料，采用响应面实验设计，利用超声波辅助与复合酶法制备杏仁皮水溶性膳食纤维，为扁杏仁的综合加工利用提供理论与技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

扁杏仁 产地为辽宁省锦州义县;复合纤维素酶 规格:Celluclast 1.5L，酶活力:700EGU/g，诺维信(中国)生物技术有限公司。

通用型果仁脱壳机 锦州壳牌集团有限公司;DFT-100粉碎机 温岭市大德中药机械有限公司;DHG-9075A型电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科技有限公司;TD5A-WS型台式离心机 湘仪离心机仪器有限公司;L-3型双层玻璃反应釜 北京世纪森朗实验仪器公司;Scientz-ⅡD超声波细胞破碎机

宁波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 扁杏仁皮→恒温干燥→粉碎过40目筛→称5g杏仁皮粉，加复合纤维素酶，液料比15∶1，混匀，调节pH至5.5→超声波处理15min，功率500W→55℃水浴酶解→90℃灭酶10min→浓缩→4000r/min离心15min，过滤→滤渣干燥粉碎得水不溶性膳食纤维(IDF);滤液加4倍体积无水乙醇，静置30min，4000r/min离心15min，过滤→沉淀干燥得水溶性膳食纤维(SDF)。

1.2.2 扁杏仁皮膳食纤维提取率计算 SDF的测定按 AACC32［10］。膳食纤维提取率(%)=(制备的扁杏仁皮膳食纤维质量/扁杏仁皮质量)×100。

1.2.3 超声波辅助酶解参数 称取杏仁皮粉末，每份5g，分别放入烧杯中，加入纤维素酶，液料比为15∶1，混匀。先以超声波功率500W，处理时间分别为5、10、15、20、25min，依据工艺流程提取杏仁皮膳食纤维，优化参数。然后以超声波处理时间为15min，功率分别为300、400、500、600、700W，依据工艺流程提取杏仁皮SDF，优化超声波提取参数。

1.2.4 单因素实验 选液料比、酶添加量、酶解时间等因素，进行膳食纤维制备单因素实验。提取温度定为 55℃。实验水平分别为:液料比(5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1);酶添加量(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%);酶解时间(1.0、2.0、3.0、4.0、5.0h)，研究单因素对SDF提取率的影响。依据结果确定响应面设计的因素水平。

在液料比(水∶原料)为15∶1、酶添加量为1.5%、酶解时间3.0h(温度55℃)条件下，改变参数，研究液料比、酶添加量、酶解时间对杏仁皮SDF提取率的影响。

1.2.5 响应面实验 依据单因素实验结果，进行响应面法Box-Behnken Design实验设计。称取杏仁皮粉末10g，以液料比、酶添加量、酶解时间为独立变量(A、B、C)，以SDF提取率为响应值，实验因素水平设计见表1。

表1 响应面因素水平编码表Table 1 Variables and levels in response surface method

1.2.6 数据处理 采用Design-Expert.V8.0.6对实验数据进行回归分析，进行响应曲面绘制。多项式模型方程拟合由决定系数R2表达，利用F检验分析显著性。

1.2.7 膳食纤维理化特性分析［11］膳食纤维持水性测定:准确称取膳食纤维1.0g放入烧杯中，加入定量蒸馏水，室温搅拌摇匀静置后，以3000r/min离心20min，除去上清液，称重，计算持水性。

持水性(g/g)=(样品吸水后质量-样品质量)/样品质量

膳食纤维溶胀性测定:准确称取膳食纤维1.0g置于量筒中，加入定量蒸馏水，室温振荡均匀后静置后，读取溶胀前后膳食纤维的体积，计算溶胀性。

溶胀性(mL/g)=(溶胀后体积-溶胀前体积)/样品质量

2 结果与分析

2.1 超声波辅助提取参数

随着超声波处理时间的增加，SDF提取率升高。处理时间为15min时，SDF提取率达到较高值，为12.36%;处理时间超过15min，SDF提取率缓慢下降(图1)。超声波功率对SDF提取的影响见图2。随着功率的增大，SDF提取率升高。超声波功率为500W时，SDF提取率达到较高值，为12.52%;功率继续增大后，SDF提取率反而下降。因此，超声波辅助提取SDF的参数为:处理时间15min，功率500W。

图1 超声波处理时间对杏仁皮SDF提取率的影响Fig.1 Effect of ultrasonic treatment time on SDF extraction percentage of almond skin

2.2 杏仁皮SDF提取单因素实验

2.2.1 液料比对SDF提取率的影响 随着液料比的增加，SDF提取率快速升高(图3)。液料比为15∶1时，SDF提取率达到12.63%;液料比继续增加后，SDF提取率开始下降。

图2 超声波功率对杏仁皮SDF提取率的影响Fig.2 Effect of ultrasonic power on SDF extraction percentage of almond skin

图3 液料比对杏仁皮SDF提取率的影响Fig.3 Effect of liquid-material ratio on SDF extraction percentage of almond skin

2.2.2 酶添加量对杏仁皮SDF提取率的影响 随着复合纤维素酶添加量的提高，SDF提取率快速升高;酶添加量达到1.5%时，SDF提取率为12.70%，达到较高值;酶添加量继续提高，SDF提取率略有降低(图4)。

图4 酶添加量对杏仁皮SDF提取率的影响Fig.4 Effect of enzyme addition on SDF extraction percentage of almond skin

2.2.3 酶解时间对杏仁皮SDF提取率的影响 随着酶解时间的增加，SDF提取率快速升高(图5)。酶解时间达到3.0h时，SDF提取率为12.75%，达到较高值;酶解时间继续增加，SDF提取率略微下降。

2.3 响应面实验分析

2.3.1 方差分析及回归方程 以杏仁皮SDF提取率为响应值，根据表2结果，通过Design-Expert软件分析获得回归方程为:SDF提取率(%)Y=-32.79833+1.288A+27.245B+6.693C-0.012AB+0.033AC-0.590BC-0.041A2-7.073B2-0.898C2(R2=0.989)

回归方程决定系数为0.989。从方差分析(表3)可看出，模型，变量A、B、C及二次项均达到极显著水平，各交互项未达显著。失拟项不显著，说明响应面分析对实验拟合好，实验误差小，可分析和预测膳食纤维制备效果。

图5 酶解时间对杏仁皮SDF提取率的影响Fig.5 Effect of enzymatic hydrolysis time on SDF extraction percentage of almond skin

表2 响应面实验设计及结果Table 2 Box-Behnken design and experimental results

2.3.2 响应曲面分析与优化 响应曲面及等高线见图6～图8。随着酶添加量和酶解时间的增加，杏仁皮SDF提取率迅速提高，然后趋于稳定;液料比过大或过小均对提取率有负面影响;三个变量中，酶添加量对响应值的影响最大，酶解时间次之，液料比最小。对回归模型进行分析，得到杏仁皮SDF提取的最优条件是:液料比为17∶1、酶添加量为1.8%、酶解时间为3.5h;并预测SDF提取率最高达13.59%。

为验证回归模型，在最优工艺下进行3次重复实验，杏仁皮SDF提取率分别为13.29%、13.18%、13.35%，平均13.27%(误差0.05%)。回归方程的最大预测值与实验数值接近，说明回归方程较真实地反映了各因素对响应值的影响。利用响应面分析法优化杏仁皮水溶性膳食纤维制备的技术参数，效果较理想。

2.4 杏仁皮水溶性膳食纤维的理化特性

理化分析表明，杏仁皮SDF的持水性分别为8.38、8.31、8.24g/g，平均值为 8.31g/g，溶胀性分别为 6.47、6.55、6.42mL/g，平均值为 6.48mL/g;说明杏仁皮SDF的持水性和溶胀性比较好，具有良好的水合能力。

表3 响应面方差分析Table 3 ANOVA for response surface

图6 Y=f(A，B)响应曲面及等高线Fig.6 Response surface and contour for Y=f(A，B)

图7 Y=f(A，C)响应曲面及等高线Fig.7 Response surface and contour for Y=f(A，C)

图8 Y=f(B，C)响应曲面及等高线Fig.8 Response surface and contour for Y=f(B，C)

3 讨论与结论

3.1 利用响应面设计和超声波辅助技术，结合酶法对杏仁皮水溶性膳食纤维制备的工艺参数进行优化。结果表明，液料比、酶添加量、酶解时间对杏仁皮SDF提取率的影响均达极显著水平。结合单因素实验结果，杏仁皮SDF提取的最佳工艺条件为:液料比为17∶1，酶添加量为1.8%，浸提时间为3.5h，浸提温度为55℃;超声波辅助提取技术参数为:功率500W，时间15min。此条件下杏仁皮SDF提取率为13.27%，与理论值13.59%相差很小。说明采用响应面法优化杏仁皮SDF提取工艺参数的效果比较好。

3.2 杏仁皮水溶性膳食纤维含有大量的亲水基团，具有优良的持水性和溶胀性。杏仁皮SDF的持水性为8.31g/g，溶胀性为6.48mL/g，其理化性能稍微优于小米麸皮膳食纤维、米糠饼粕膳食纤维和大豆膳食纤维［12-14］。

3.3 超声波作用于纤维素酶溶液时，可产生空化、振荡等效应，使酶分子构象及催化部位发生变化，影响催化活力。超声波功率的大小与超声波处理时间的长短对纤维素酶活力影响较大。适宜强度的超声波可促进酶的分子构象发生变化，使酶的二级与三级结构更合理，容易与底物分子结合，从而增强酶的催化能力［15］。超声波强度过大则会破坏酶分子的结构，导致酶钝化，降低酶活力，不利于目的产物的分离提取。

扁杏仁是我国特有的药食兼用杏仁资源，杏仁皮是一种很好的膳食纤维食品。对杏仁进行研发，有助于将资源优势转化为产业优势，对振兴地方经济具有重要的现实意义。

［1］李健文，杨月欣.膳食纤维定义及分析方法研究进展［J］.食品科学，2007，28(2):350-354.

［2］高宗颖，苏丽，袁丽，等.膳食纤维的生理保健作用［J］.农业工程技术，2011(1):42-44.

［3］张玉倩，赵乃峰，王成忠，等.膳食纤维功能特性与改性的研究［J］.粮食加工，2010，35(5):57-59.

［4］Paturi G，Butts C A，Monro J A，et al.Evaluation of gastrointestinal transit in rats fed dietary fibres differing in their susceptibility to large intestine fermentation［J］.Journal of Functional Foods，2012，4(1):107-115.

［5］Chen S N，Jiang L Z，Li Y，et al.Ultrasound-assisted enzymatic extraction of dietary fiber from pods［J］.Procedia Engineering，2011，15:5056-5061.

［6］黄清霞，雷激，李华鑫，等.高生物活性柠檬膳食纤维的功能特性研究［J］.食品工业科技，2012，33(5):226-229.

［7］Elleuch M，Bedigian D，Roiseux O，et al.Dietary fibre and fibre-rich by-products of food processing:Characterisation，technological functionality and commercial applications:A review［J］.Food Chemistry，2011，124(2):411-421.

［8］李素玲，王强，田金强，等.杏仁深加工技术研究进展［J］.粮油加工，2009(9):61-64.

［9］严毅梅 .杏仁皮有抗菌作用［J］.食品与生活，2010(12):49.

［10］郑建仙.膳食纤维的化学分析［J］.粮食与油脂，1994(1):17-22.

［11］苗敬芝，冯金和，董玉玮.超声结合酶法提取生姜中水溶性膳食纤维及其功能性研究［J］.食品科学，2011，32(24):120-125.

［12］刘倍毓，郑红艳，钟耕，等.小米麸皮膳食纤维成分及物化特性测定［J］.中国粮油学报，2011，26(10):30-34.

［13］马涛，张良晨.米糠饼粕膳食纤维理化性质的研究［J］.食品工业科技，2010，31(7):105-106，109.

［14］姜爱莉，贺红军，孙承锋.大豆膳食纤维的提取工艺［J］.食品工业，2004(1):46-47.

［15］王婷，何荣海，马海乐.物理场对酶活力的影响［J］.食品工业科技，2010，31(6):401-403，407.