酶解处理对马铃薯渣理化性能的影响

曲 娜，顾正彪，王德军

（1.国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州215000;2.江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡214122;3.苏州帝瀚环保科技有限公司，江苏苏州 215000）

马铃薯淀粉是马铃薯深加工的主要途径之一。我国具有极为丰富的马铃薯资源，面积和产量均位于世界第一，是马铃薯淀粉消费潜在大国，随着马铃薯淀粉产业的发展，其副产物马铃薯渣的产量越来越大，一般1 t淀粉产生7.5 t湿渣(含水量在95%左右)，如不加以回收利用，不仅造成资源的浪费，而且造成严重的环境污染［1］。

马铃薯渣的含水量很高、不易储藏，若直接作为饲料则营养价值低。国内外的研究主要集中在从马铃薯渣中提取膳食纤维等有益物质或者生产发酵饲料［2］，但操作工艺复杂，若烘干处理则成本较高。综上所述，薯渣的开发利用率较低，其深加工一直没有得到较好的解决。而将薯渣加工后作为饲料添加组分，是薯渣深加工中的具有发展潜力的方向。笔者利用淀粉酶酶解马铃薯渣中的残余淀粉，释放薯渣中被淀粉包裹的纤维素，使其发挥功能性，另一方面也可增加体系的小分子糖含量，使其更易消化吸收。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 原料及试剂。马铃薯渣，黑龙江北大荒马铃薯产业有限公司提供;耐高温型α-淀粉酶，无锡杰能科生物工程有限公司提供(酶活20 000 U/ml);纤维素酶，无锡杰能科生物工程有限公司提供(酶活1 500 U/ml)

1.1.2 主要仪器。Quanta-200扫描电子显微镜，FEI公司;FT-IR spectrometer红外光谱仪，美国 Nicoletnexus公司;D8 advance型X射线衍射仪，德国布鲁克AXS公司;RJ-LD-IIB离心机，无锡市瑞江分析仪器有限公司;Waters600高效液相色谱系统，美国Waters公司;Waters2410示差折光检测器，美国Waters公司。

1.2 方法

1.2.1 酶解马铃薯渣工艺流程。马铃薯渣→耐高温α-淀粉酶处理(pH 6.0，95℃)→摇床(30 min)→灭酶→酶解产物。酶解程度通过DE值表示。

1.2.2 酶解前后马铃薯渣的结构表征。电镜分析:酶解产物进行冷冻干燥，喷金后电镜扫描观察分析，测定酶解前后马铃薯渣的效果。红外光谱分析:取适量样品，常规干燥后分别与溴化钾共同研磨压片，用傅立叶红外光谱仪分析。X-射线衍射:样品于室温下用X-射线衍射仪进行测定。测试条件为:管压40 kV，管流40 mA，扫描速度4°/min，扫描区域5°～60°(2θ)，狭缝系统为 DS/RS/SS=1°/0.1 mm/1°，采样步宽0.02°，所用波长为0.154 06 nm的单色Cu Kα射线。

1.2.3 酶解前后马铃薯渣的物化性质分析。

1.2.3.1 阳离子交换能力的测定。样品浸入0.1 mol/L的HCl(刚好浸没)，24 h后倒入铺有滤纸的玻璃漏斗中过滤，用蒸馏水去除多余的酸，用10%(W/V)的AgNO3检测至滤液不含Cl-为止。微热风干燥滤渣，称取0.25 g干样品溶解于100 ml 15%(W/V)NaCl，磁力搅拌，用0.1 mol/L NaOH 滴定，记录pH变化，作VNaOH-pH关系图［3］。

1.2.3.2 持水力测定。准确取样品(以干基计)1.00 g，放置于离心管中，水合24 h后，于离心机中在4 000 r/min的条件下离心20 min，去除上清液后称沉淀质量

式中，m为所称取样品的质量(g);G1为离心后沉淀的质量(g)。

1.2.3.3 膨胀力测定。准确称取样品(以干基计)1.00 g于50 ml刻度离心管中，添加水至50 ml，振荡均匀，分别测定它于室温和沸水浴处理10 min后放置24 h时分界面下纤维的自由膨胀体积V1［3］。

式中，m为所称取样品的质量(g);V1为样品膨胀后的体积(ml)。

1.2.3.4 持油力测定。准确称取3.0 g(W1)待测样品(以干基计)于离心管(W0)中，加入大豆色拉油30 ml，混合均匀后于37℃静置1 h，在4 000 r/min条件下离心15 min，去掉上层油，称重得W2［4］。

式中，W0为离心管质量(g);W1为所称取样品的质量(g);W2为去掉上层油后离心管的质量(g)。

1.2.3.5 纤维素转化率测定。用纤维素酶酶解不同处理的样品，采用葡萄糖氧化酶法在510 nm比色测定产生的葡萄糖含量［5］。其中，采用纤维素酶推荐参数:pH 4.8，50 ℃，摇床酶解1 h。

1.2.3.6 乳化性及乳化稳定性测定。以EA表示乳化性，ES表示乳化稳定性。取100 ml 5%的样品室温下24 000 r/min均质2 min，然后样品中各加入100 ml豆油，于24 000 r/min均质2 min，取10 ml均质后的乳状液，3 000 r/min离心5 min，测定乳状液层占总体积的比例即乳化性。然后把此乳状液加热到80℃，保温30 min后冷却至室温，3 000 r/min离心5 min，此时乳化液层占原先乳状液层的比例即为乳化稳定性［4］。

1.2.3.7 易消化淀粉(RDS)和慢消化淀粉(SDS)测定。称取10 ml样品(马铃薯渣水解液)置于测试管中，添加15 ml pH 5.2的0.2 mol/L醋酸钠缓冲液，混匀后加入10 ml的猪胰α-淀粉酶(290 U/ml)和糖化酶(15 U/ml)，置于在37℃恒温水浴下振荡(转速为150 r/min)并准确计时。水解20或120 min后取出0.5 ml水解液加4 ml无水乙醇灭酶，然后将离心处理后的上清液用葡萄糖氧化酶法在510 nm比色测定产生的葡萄糖含量［6］。

式中，G20为淀粉酶水解20 min后产生的葡萄糖含量(mg);FG为酶水解处理前淀粉中游离葡萄糖含量(mg);G120为淀粉酶水解120 min后产生的葡萄糖含量(mg)。

1.2.3.8 HPLC法测定小分子糖含量。样品(马铃薯渣水解液)于3 000 r/min离心，取上清液，微孔过滤后进样。色谱条件:柱温30℃，流动相为纯水，流速为0.4 ml/h。

2 结果与分析

2.1 酶解前后马铃薯渣的结构表征

2.1.1 电镜分析。薯渣原料(a)与经过酶解处理(DE=14)后样品(b)的扫描电镜图如图1所示。图1(a)表明，原料中有部分马铃薯淀粉颗粒，呈椭圆形，纤维素成片状存在，与淀粉颗粒结合紧密在一起。图1(b)表明，样品经高温酶解后，淀粉已经完全糊化，并随着酶解程度的进行，淀粉分子颗粒内维系空间螺旋结构的氢键及糖苷键被破坏，最后淀粉颗粒变成由越来越少层构成的锥形碎片。样品的结构变得松散，薯渣表面产生许多孔洞，纤维素与淀粉分开而存在。

2.1.2 红外光谱分析。由图2可以看到，酶解前后马铃薯渣的红外光谱吸收图谱相似，具有纤维素的特征吸收峰。马铃薯渣在3 002～3 742 cm-1处都有一个较宽且吸收较强的吸收峰，这是羟基(-OH)的特征峰，证明薯渣中存在着处于缔合状态的氢键。2 900 cm-1附近的吸收峰是-CH的伸缩振动峰，1 630 cm-1附近为半纤维素羰基(C=O)的伸缩振动，1 159 cm-1处为纤维素、半纤维素C-O-C伸缩振动，1 060～1 050 cm-1附近为纤维素、半纤维素C-O伸缩振动，是纤维中醚键的特征峰，这与纤维素的结构相符［7］。另外，经酶解处理后羟基峰的位置发生了位移。样品薯渣的羟基峰由原来的3 443.33 cm-1向 3 418.00 cm-1移动，即酶解处理使羟基峰逐渐向低波数方向移动，这可能是酶解过程中淀粉的降解产生的变化，同时也说明薯渣中羟基所形成的氢键增强，亲水性增强。

2.1.3 X射线衍射。由图3可以看到，薯渣原料(a)与经过酶解处理后样品(b)曲线的趋势大致一致，它们分别在2θ为17°、21°和34°左右各有峰出现，002 面峰较尖锐，101、101―面峰则重迭，呈圆钝形的特点，属于典型的纤维素Ⅰ晶态［8］。马铃薯渣中主要成分是纤维素和淀粉，淀粉的非晶衍射峰位一般出现在27°～33°，而淀粉糊化后，结晶区被破坏也会在21°左右出现一个峰，如图3所示的(a)、(b)2条曲线吸收峰基本一致，可能是淀粉和纤维素的吸收峰叠加在一起使曲线趋势相同，所以需要结合结晶指数来考察马铃薯渣经加热酶解处理后纤维素是否受到影响。

2.1.4 结晶指数的测定。通过红外光谱法和X-射线衍射法对纤维相对结晶度的计算可以了解到酶解处理对薯渣纤维结晶程度的影响。由表1所示，采用Nelson和O’Connor结晶度指数(K1)法测定纤维素相对结晶度，其计算公式为:

式中，K1为结晶度指数;a1为1 372 cm-1谱带的吸收强度;a2为2 900 cm-1谱带的吸收强度。

通过红外光谱测定马铃薯渣纤维素的结晶度指数，只需要用到2 900 cm-1和1 372 cm-12个波数处的吸收强度进行测量，相对要简单方便些。但试验的结果受测试条件影响较大，不能直观得到结晶度数值，需要参照X射线衍射法才能知道结晶度的大小［9］。利用Segal等提出的经验结晶指数CrI［10］，其可用于表示天然纤维素的结晶程度，其计算公式为:

式中，I002表示主结晶峰002的最大衍射强度，Iamorph表示2θ角为18°时的衍射强度。

由上可知，用红外法和X射线衍射法测量了马铃薯渣酶解处理前后结晶度指数和相对结晶度，2种方法测定结果一致，马铃薯渣的结晶度基本没有变化，与文献［3］中测定的薯渣纤维素的结晶指数相近，说明淀粉的吸收峰对薯渣纤维素结晶度影响较小，加热酶解后薯渣中的纤维素没有受到影响，但纤维素与淀粉分开后表面微结构的变化对薯渣物化性质的影响却不容忽视。

表1 酶解前后样品的结晶指数

2.2 酶解前后马铃薯渣的物化性质分析

2.2.1 阳离子交换能力测定。试验记录不同处理马铃薯渣用NaOH溶液滴定过程中的pH变化情况，测定薯渣膳食纤维的阳离子交换能力，结果见图4。马铃薯渣的膳食纤维化学结构中包含羧基、羟基和氨基等侧链基团，产生类似弱酸性阳离子交换树脂的作用，可以与 Ca2+、Zn2+、Cu2+、Pb2+等离子进行可逆交换，改变它们在人体内的瞬间浓度［11］，影响消化道的pH、渗透压及氧化还原电位等，并出现一个更有利缓冲的环境以利于消化吸收。

对于膳食纤维，其滴定曲线斜率越陡，表明阳离子交换能力越强［12］。由图4可以看出，样品与原料的滴定曲线不同，样品的滴定曲线斜率较陡，说明样品的阳离子交换能力强，原料的滴定曲线斜率较缓，说明其阳离子交换能力较差。随着pH的增加，样品跟原料的滴定曲线趋于一致，斜率略高于原料，说明在高碱性的条件下两者的阳离子交换能力相接近。马铃薯渣固形物的主要成分是淀粉和纤维素，还有少量的果胶、蛋白质、灰分等。造成阳离子交换能力不同的原因可能是马铃薯渣膳食纤维含有一定量的糖醛酸，通过酶解掉一部分包裹着纤维素的淀粉可以使纤维中更多的表面积、糖醛酸或离子键合位点暴露出来，从而提高了它的阳离子交换能力，可以为肠道提供一个更有利于消化吸收的环境。

2.2.2 酶解前后马铃薯渣的品质分析。由表2所示，样品的性质与原料有所区别。马铃薯渣经酶解后持水力、膨胀力、持油性与原浆相比均有所提高。这是因为酶解后，薯渣致密的组织结构被疏松，颗粒的比表面积、表面能和孔隙率提高［13］，纤维素和半纤维素中更多的亲水性基团暴露出来，颗粒与水的接触面积、接触部位增多，其分散性增强，因而持水力、膨胀力和持油力均有明显提高。在此过程中，使用纤维素酶与样品和原料分别反应，发现样品的纤维素转化率提高，这是因为样品经处理后结构疏松，可以与纤维素酶接触的作用位点暴露的更多，因而更容易与纤维素酶作用。

表2 酶解前后样品的品质测定

乳化性即在乳状液或食品中的持油能力，它是考察食物品质的重要因子［14］，可以影响饲料的质地和品质。乳化性主要包括乳化性(EA)和乳化稳定性(ES)。从表2可以看出，样品的EA为48.24%，远远高于原料(28.72%)。对于乳化稳定性，样品(66.11%)也优于原料(45.92%)，表明样品纤维在亲水基和疏水基间有较好的平衡，增强与水的亲和力，能有效减小油的表面张力，且与持水力持油力的结果相一致。

淀粉颗粒层状结晶结构是由交替的无定形层和结晶层构成，当淀粉酶与其表面结合并进入颗粒内部，按照内-外逐层消化与并行消化的模式均匀水解无定形区与结晶区，部分淀粉分子经酶解产生小分子糖，样品中单糖、二糖及五糖以下等小分子糖组分增加显著，可以迅速被体内吸收。酶解后，样品的RDS片断明显增加，比原料提高了25.27%，说明薯渣中的淀粉经酶解处理后SDS逐渐转化为RDS，可以快速的被肠道消化吸收，与小分子糖含量测定结果一致。

3 结论

通过红外光谱和X射线衍射法测量了马铃薯渣酶解处理前后结晶度指数和相对结晶度，2种方法测定结果基本一致。酶解后的薯渣结构基团没有改变，纤维素的结晶度也没有变化。

马铃薯渣经酶解后持水力、持油力、膨胀力、乳化性和乳化稳定性均有所提高，阳离子交换能力增强，薯渣经处理后结构松散，纤维素转化率提高，作用位点可以更好地发挥作用，可以为肠道提供一个有助于消化吸收的环境，更加有利于作为饲料添加组分。

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