响应面法优化甘薯酒精发酵醪渣膳食纤维提取工艺

张　庆，唐　洁，林　凯，袁春红，李　可，向文良

（西华大学生物工程学院，四川 成都　610039）

响应面法优化甘薯酒精发酵醪渣膳食纤维提取工艺

张庆，唐洁，林凯，袁春红，李可，向文良

（西华大学生物工程学院，四川 成都610039）

以新鲜甘薯酒精发酵醪渣为原料，采用单因素试验和Box-Behnken响应面设计法对酶法制备膳食纤维的提取工艺进行优化。结果表明：酶法提取新鲜甘薯酒精发酵醪渣膳食纤维的最佳工艺条件是反应体系pH 8.0、温度55 ℃、碱性蛋白酶添加量0.45%、反应时间3 h、液料比9.5∶1。在此条件下，膳食纤维的得率为31.38%，蛋白去除率为85.92%。膳食纤维成分分析表明，总膳食纤维含量为58.74%，主要以不溶性膳食纤维为主。

甘薯；发酵醪渣；膳食纤维；提取；响应面分析

膳食纤维是指来源于植物的可食部分或碳水化合物及其类似物的总和，这些化合物具有抗消化特性，不能被人体小肠消化和吸收，但在结肠能部分或完全发酵代谢[1]。膳食纤维包括多糖（纤维素、半纤维素、果胶、树胶及抗性淀粉等）、低聚糖、木质素以及各种非消化性低分子质量碳水化合物（多酚类物质、皂甙、蜡质、角质及抗性蛋白等）[2-3]。目前，膳食纤维的分类可根据其水溶性分为可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维；或根据其来源分为天然膳食纤维（植物类膳食纤维、动物类膳食纤维和微生物类膳食纤维）和合成类膳食纤维。其中，植物类膳食纤维是研究和应用最为广泛的一类[4]。

自20世纪70年代起，有关膳食纤维有益健康的生理功能特性已引起公众关注，并开展了广泛研究[5]。研究表明，膳食纤维在保障人体营养健康方面起重要作用，很多疾病如便秘、冠心病、糖尿病、肥胖、结肠癌等的发生与发展与膳食纤维的摄入量不足有很大关系[6-8]。按照美国食品营养委员会建议，膳食纤维平均每天推荐摄入量为25～38 g[9]。在食品中添加膳食纤维是弥补日常饮食中膳食纤维摄入量不足的有效途径。

我国甘薯（Ipomoea batatas Lam.）资源丰富，是世界上最大的甘薯生产国，每年的甘薯产量约1.3亿 t。由于甘薯淀粉含量一般在20%～30%之间，且产量巨大，是理想的淀粉和生物酒精生产原料[10]。前人研究中，甘薯淀粉生产加工过程后产生的甘薯渣是制备甘薯膳食纤维的主要原料，制备方法主要有酶解去淀粉法、发酵法和物理筛分法等[11-13]。而甘薯在发酵生产酒精的过程中也会产生大量的发酵醪渣副产物，且甘薯发酵醪渣主要由粗纤维（28.56%）和蛋白（14.71%）组成，同时还含有多种维生素和多种氨基酸等有益成分[14]。在通常情况下，这些甘薯发酵醪渣被当作废渣丢弃或作为饲料以简单利用，这样不仅浪费了大量膳食纤维资源，薯渣废弃物的堆积也会对环境造成污染。因此，从甘薯酒精发酵醪渣中制取具有高附加值的膳食纤维，合理有效利用薯渣资源，对提升甘薯酒精发酵产业良性发展，提高企业经济效益有重要促进作用。

本研究以新鲜甘薯酒精发酵醪渣为原料，采用酶解法从发酵醪渣中提取、制备膳食纤维，并利用响应面分析法对其提取工艺参数进行优化，以获得膳食纤维提取的最佳工艺条件，旨在为甘薯酒精发酵醪渣膳食纤维的产业化开发提供参考。

1　材料与方法

1.1材料与试剂

酿酒酵母甘薯发酵生产酒精后醪渣，经自来水冲洗3 次，挤压，60 ℃烘干，粉碎机粉碎后过30 目筛，真空干燥器内贮藏备用。

热稳定α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶诺维信中国公司；碱性蛋白酶（2×105U/g）北京奥博星生物技术有限责任公司；其他试剂均为分析纯。

1.2仪器与设备

ZN-200A高速中药粉碎机长沙市岳麓区中南制药机械厂；YLD-2000电热恒温鼓风干燥箱黄石市恒丰医疗器械有限公司；SX-5-12箱式电阻炉天津市泰斯特仪器有限公司；HH-S4数显恒温水浴锅金坛市医疗仪器厂；pHS-3C数字酸度计上海雷韵试验仪器制造有限公司；H97恒温磁力搅拌器上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司；TB-214电子天平美国丹佛仪器公司；SHB-Ⅲ循环水式真空泵郑州汇成科工贸有限公司；Kjeltec2200凯式定氮仪瑞典FOSS公司；ZHWY-200D恒温培养振荡器上海智城分析仪器有限公司。

1.3方法

1.3.1醪渣成分分析

蛋白含量测定：参照凯氏定氮法AOAC 955.04[15]；脂肪含量测定：参照GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的测定》，采用酸水解法；淀粉含量测定：参照GB/T 5009.9—2008《食品中淀粉的测定》，采用酶水解法；灰分含量测定：参照GB 5009.4—2010《食品中灰分的测定》；水分含量测定：参照GB 5009.3—2010《食品中水分的测定》，采用直接干燥法；总膳食纤维、可溶性膳食纤维及不溶性膳食纤维的测定：参照膳食纤维测量标准AOAC 991.43方法[8]。

1.3.2膳食纤维提取工艺流程

取一定量粉碎过的甘薯乙醇发酵醪渣→热水（90～95 ℃）漂洗5 min→碱性蛋白酶水解→过滤、漂洗、离心（6 500×g，10 min）→烘干→粉碎过60 目筛→膳食纤维产品，干燥器中贮存备用。

1.3.3碱性蛋白酶提取膳食纤维的单因素试验

采用酶解法提取甘薯乙醇发酵醪渣膳食纤维，在反应体系pH 8.0，温度55 ℃条件下，分别以加酶量（0.2%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2%（m/m））、液料比（4∶1、6∶1、8∶1、10∶1（mL/g））和酶解反应时间（1、2、3、4 h）为影响因素，通过单因素试验考察其对蛋白去除率及膳食纤维得率的影响。

1.3.4碱性蛋白酶提取膳食纤维响应面优化试验

在单因素试验的基础上，利用Design Expert软件，采用Box-Behnken试验设计[16-17]，以膳食纤维得率和蛋白质去除率为评价指标，确定碱性蛋白酶提取新鲜甘薯酒精发酵醪渣膳食纤维最优条件，因素水平及编码见表1。

表1　响应面试验因素及水平编码值Table 1　Coded factors and their coded levels used in response surface methodology

1.3.5蛋白去除率和总膳食纤维得率的计算

蛋白质去除率和总膳食纤维得率的计算方法公式如下：

2　结果与分析

2.1甘薯酒精发酵醪渣成分分析

表2　甘薯酒精发酵醪渣主要成分分析Table 2　Proximate composition of sweet potato residue (dry weight)

由表2可见，薯渣中总膳食纤维含量占30.52%，主要由不溶性膳食纤维组成，为29.75%；甘薯淀粉在酵母酒精发酵中被淀粉酶、糖化酶等转化为单糖已基本被耗尽；且薯渣中脂肪含量极低，因此酵母发酵后的甘薯醪渣是一种良好的膳食纤维来源。由于蛋白含量较高，约18%左右，因此去除蛋白是提取膳食纤维的主要步骤。薯渣是甘薯酒精发酵后的副产物，目前对其综合利用研究较少，如能开发出具有高附加值的膳食纤维，可极大促进甘薯酒精发酵产业的良性发展。

2.2酶解法甘薯酒精发酵醪渣膳食纤维提取单因素试验

2.2.1酶添加量对膳食纤维提取指标的影响

为了获得较高纯度的膳食纤维，需要尽可能除去薯渣中的蛋白质。本实验中采用碱性蛋白酶的处理方法。反应体系控制在碱性蛋白酶的最适pH 8.0、最适温度55 ℃、液料比8∶1（mL/g）、水解时间3 h。以蛋白去除率和膳食纤维得率为指标，研究适宜的碱性蛋白酶用量，结果见图1。

图1　碱性蛋白酶添加量对膳食纤维提取效果的影响Fig.1　Effect of protease concentration on DF extraction

由图1可知，膳食纤维的得率在不同碱性蛋白酶量下差别不明显。而蛋白的去除率则有明显差异，当蛋白酶量在0.2%～0.4%时，蛋白质的去除率随酶添加量的增加而明显增大；当蛋白酶添加量大于0.4%时，酶与底物的结合趋于饱和，蛋白去除率增加不明显，趋于平稳。因此，确定碱性蛋白酶的添加量为0.4%。

2.2.2液料比对膳食纤维提取指标的影响

反应体系控制在pH 8.0、温度55 ℃、碱性蛋白酶添加量0.4%、反应时间3 h，研究不同液料比对膳食纤维蛋白去除率及得率的影响。结果见图2。

图2　液料比对膳食纤维提取效果的影响Fig.2　Effect of liquid-material ratio on DF extraction

由图2可知，在液料比在4∶1～8∶1之间时，随着用水量 的增加，蛋白质的去除率逐渐增加。碱性蛋白酶可将蛋白水解成水溶性的小分子肽或氨基酸，体系中水量的增加可使小分子肽或氨基酸加速溶解，从而在后面的漂洗中更好去除。而当液料比为8∶1和10∶1时蛋白的去除率趋于平衡，并没有明显增加。为了得到更高纯度的膳食纤维，结合膳食纤维的得率，兼顾节约水量，确定液料比为8∶1。

2.2.3酶解时间对膳食纤维提取指标的影响

反应体系控制在pH 8.0、温度55 ℃、碱性蛋白酶的添加量0.4%、液料比8∶1时，考察时间对膳食纤维蛋白去除率及得率的影响。结果见图3。

图3　碱性蛋白酶处理时间对膳食纤维提取效果的影响Fig.3　Effect of hydrolysis time on DF extraction

由图3可知，随着时间延长，蛋白去除率逐渐增大。在1～3 h范围内，蛋白去除率呈明显上升趋势，随后趋于平缓。初始反应，酶与底物结合，底物蛋白逐渐被酶水解，蛋白去除率增加。而蛋白的水解是可逆反应，随着时间的延长，底物的消耗与高产物浓度的变化等可能对蛋白 的水解产生抑制，蛋白去除趋于平稳。水解时间的不同对膳食纤维得率没有明显差别。因此，确定水解时间为3 h。

2.3响应面试验确定最佳酶解提取膳食纤维工艺参数

表3　响应面中心组合试验设计及结果Table 3　Central composite design scheme and results for response surface analysis

在单因素试验分析的基础上，依据Box-Behnken试验设计原理，选取液料比、碱性蛋白酶用量和反应时间3 个因素为自变量，以蛋白去除率和膳食纤维得率为响应值，设计响应面优化分析试验，结果见表3。

将表3所得的试验数据进行回归分析，三个因素经过回归拟合分别得到以蛋白去除率（Y1）及膳食纤维得率（Y2）为目标函数的二次回归方程：

表4　响应面试验回归模型方差分析Table 4　Variance analysis for the fitted regression equation

由回归模型方差分析可知，回归模型P值均小于0.000 1，达到了极显著水平，说明该模型显著回归，方程能够正确反映甘薯酒精发酵醪渣蛋白去除率及膳食纤维得率与各因素之间的关系。以蛋白去除率（Y1）为响应值的模型中，A、B、C、BC、A2、B2及C2的P值小于0.01，表明其差异极显著；以膳食纤维得率（Y2）为响应值的模型中，A、B、C、AC、A2、B2及C2的P值小于0.01，表明其差异极显著。模型的失拟项P值分别为0.682 9和0.179 6，均大于0.05，差异不显著，说明回归模型与实际实验拟合较好，试验误差小，可用于模型分析。相关系数R2分别为0.978 0及0.972 7，表明采用响应面法设计所得的回归模型有效，适用于甘薯发酵醪渣膳食纤维提取实验的理论预测。

2.4响应面分析

响应面及等高线图能够直观地反映出各个因素及其交互作用，利用Design Expert软件即可以作出两因素交互作用的响应面图及其等高线图，结果见图4、5。

图4　各因素交互作用对蛋白去除率的响应面及等高线图Fig.4　Response surface and contour plots for the interactive effects of three factors on the removal rate of protein

图5　各因素交互作用对膳食纤维得率的响应面及等高线图Fig.5　Response surface and contour plots for the interactive effects of three factors on the yield of dietary fib er

图4、5直观的反映了膳食纤维提取中蛋 白去除及膳食纤维得率各个因素之间的相互作用和影响。从图4a可以看出，等高线沿酶用量轴变化较液料比轴向变化相对密集，曲面较陡，说明酶用量对蛋白去除率的影响较显著。从图4b可以看出，等高线沿液料比轴向变化相对稀疏，而沿时间轴变化较较密集，说明酶解时间对蛋白去除率的影响较大。从图4c可以看出，在时间及酶量较大范围内均可以得到较大的响应值，且曲面最陡，说明两因素之间的交互作用对蛋白去除率影响最显著；从图5a可以看出，等高线沿液料比轴变化较酶用量轴向变化相对密集，曲面较陡，说明液料比对膳食纤维得率影响较显著。从图5b可以看出，在液料比较大范围内均可以得到较大的响应值，等高线沿液料比轴向变化密集程度略大于时间较轴向方向，说明液料比响应值的影响较显著。从图5c可以看出，等高线沿时间轴向变化较酶用量轴向变化相对密集，说明酶解时间对响应值的影响较显著。图5b曲面最陡，说明液料比和酶解时间的交互作用对膳食纤维得率的影响最为显著。

2.5工艺优化与验证实验

分别对二次回归方程分析，可得最优化的甘薯酒精发酵醪渣蛋白去除率及膳食纤维提取率条件分别为液料比9.45∶1、酶用量0.47%、时间3.32 h，该条件下蛋白去除率的理论预测值为86.19%；液料比9.63∶1、酶用量0.42%、时间3.01 h，该条件下膳食纤维得率的理论预测值为32.30%。

对最佳提取工艺进行验证实验，根据实际生产，综合考虑蛋白去除率和膳食纤维得率指标，将预测条件优化为液料比9.5∶1、酶用量0.45%、时间3 h。结果得出在此优化工艺条件下，膳食纤维的得率为31.38%，蛋白去除率为85.92%，与模型理论预测值的偏差均约为1.0%，说明该响应面回归模型具有可行性。

2.6甘薯酒精发酵醪渣膳食纤维成分分析

表5　甘薯醪渣膳食纤维组成分析Table 5　Proximate composition of sweet potato residue DF (dry weight)

由表 5可知，甘薯酒精发酵醪渣膳食纤维中，总膳食纤维含量为58.74%，明显高于芒果（28.05%）、桃（30.7%）、柑橘（36.9%）以及香蕉（31.8%）等水果膳食纤维产品中膳食纤维的含量[18-21]，但低于酸橙皮（66.7%）、柠檬皮（60.1%）、苹果渣（78.2%）以及海枣果肉（88%）等产品中膳食纤维的含量[22-24]。且甘薯酒精发酵醪渣膳食纤维中主要以不溶性膳食纤维（57.17%）为主，可溶性膳食纤维仅占约1.57%。此外，脂肪含量为2.18%，水分含量为6.18%。商品化的膳食纤维一般要求总膳食纤维含量要高于50%，脂肪含量低于5%，水分含量要低于9%[25]。甘薯酒精发酵醪渣提取的膳食纤维主要指标符合商品化的膳食纤维的标准。

3　结 论

酿酒酵母甘薯酒精发酵醪渣中总膳食纤维含量为30.52%，淀粉、脂肪含量低，可以作为制备膳食纤维的理想原料。通过单因素试验和响应面分析法优化酶法提取膳食纤维的工艺，在反应体系pH 8.0、温度55 ℃时，得出最佳提取条件为碱性蛋白酶添加量0.45%、反应时间3 h、液料比9.5∶1。在此优化工艺条件下，膳食纤维的得率为31.38%，蛋白去除率为85.92%。制备所得膳食纤维成分分析发现，总膳食纤维含量为58.74%，主要以不溶性膳食纤维为主，脂肪为2.18%、水分为6.18%，符合商品化膳食纤维的主要指标。

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Optimization of Dietary Fiber Extraction from Sweet Potato Residue from Ethanol Fermentation Using Response Surface Methodology

ZHANG Qing, TANG Jie, LIN Kai, YUAN Chun-hong, LI Ke, XIANG Wen-liang
(College of Bioengineering, Xihua University, Chengdu610039, China)

Response surface methodology was used to optimize the enzymatic extraction of dietary fiber from sweet potato residue after ethanol fermentation by using alkali protease. The results showed that the optimal extraction conditions were obtained as follows: enzyme dosage, 0.45% (m/m), extraction time, 3 hours and ratio of water to material, 9.5:1; pH, 8.0 and temperature, 55℃. Under these conditions, the yield of dietary fiber was 31.38% and the removal efficiency of protein was 85.92%. The proximate composition of dietary fiber showed that the content of total dietary fiber was 58.74%. The total dietary fiber was mainly composed of insoluble dietary fiber.

sweet potato; fermentation residue; dietary fiber; extraction; response surface methodology

TS261.9

A

1002-6630（2014）14-0062-06

10.7506/spkx1002-6630-201414012

2013-10-24

四川省教育厅一般项目（13ZB0025）；西华大学重点科研基金项目（Z1220531）

张庆（1979—），男，讲师，博士，研究方向为生物质资 源利用及微生物发酵。E-mail：zhangqing0318@163.com