酶法制备山药渣中水不溶性膳食纤维的研究

何侃亮

(陕西省中医医院药剂科，陕西 西安　710000)



酶法制备山药渣中水不溶性膳食纤维的研究

何侃亮

(陕西省中医医院药剂科，陕西 西安710000)

摘要：目的 以山药废渣为原料研究以淀粉酶和蛋白酶水解法制备水不溶性膳食纤维的工艺条件。方法 试验选取淀粉酶的用量、酶解时间、蛋白酶的用量、酶解时间四个因素，确定最佳酶解工艺条件。结果 淀粉酶用量为2 U·mL(-1)，酶解时间为80 min，蛋白酶用量为3 U·mL(-1)，酶解时间为30 min。结论 该法可提高山药的利用度，促进山药相关产品的开发利用。

关键词：山药渣；酶法；水不溶性膳食纤维

山药(DioscoreabatatasDecne.)为薯蓣科薯蓣属多年生宿根蔓生草本植物的块根，别名怀山药、白山药、淮山药。山药味甘，性平。归脾、肺、肾经。具有补脾养胃，生津益肺，补肾涩精。用于脾虚食少，久泻不止，肺虚喘咳，肾虚遗精，带下，尿频，虚热消渴。山药营养价值丰富，每100 g含有碳水化合物12.40 g，脂肪0.2 g，蛋白质1.9 g，纤维素0.8 g，另外还含有丰富维生素和矿物质。现代药理研究表明，山药中的活性成分具有降血糖、降血脂、抗肿瘤、助消化等作用[1-3]，是很好的进补“食物药”，因而备受青睐。目前，我国河南、四川等地区山药的种植面积及年加工量逐年递增，年产量万余吨。山药虽然营养价值丰富，但其含水量较高，不易贮藏和运输。山药淀粉是山药的一种主要加工制品，其保留了山药大部分的营养成分，又易方便贮藏和运输，因而市场需求量很大。

膳食纤维是指不能被人体小肠消化和吸收，但对人体有健康意义的一类碳水化合物。现代营养学研究表明，膳食纤维具有降低血糖和胆固醇，控制体质量和减肥，增强肠道功能、有利于粪便排出等生理功能[4-5]。膳食纤维的最好来源是天然的植物性食物，山药中也富含膳食纤维，包括水溶性膳食纤维(soluble dietary fiber，SDF)和水不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber，IDF)。应用现代生产工艺，将山药加工成山药淀粉后会产生较多的山药废渣，而这些废渣中尚含有纤维素、半纤维素、木质素等水不溶性膳食纤维。本文以生产山药淀粉的废渣为原料，利用淀粉酶、蛋白酶水解作用生产水不溶性膳食纤维。此法可有效降低浪费，并可促进山药产品的综合开发和利用。

1材料与方法

1.1材料、试剂和仪器铁棍山药：购于西安市药材市场;α-淀粉酶、蛋白酶：长泰生物科技有限公司(酶活力≥500 000 U·g-1);氢氧化钠、无水乙醇、石油醚、丙酮、盐酸、无水硫酸钠均为分析纯：西安化学试剂厂。

BZF-30真空干燥箱，上海博迅实业有限公司； SL-301粉碎机，上海宇索实业有限公司；TD5A低速离心机，济南普纳仪器设备有限公司；EV351旋转蒸发仪，北京艾博泰科仪器股份有限公司。

1.2工艺流程[6]山药渣→低温干燥→粉碎过筛→酶解→碱液提取→离心→干燥→膳食纤维。

(1)低温干燥：山药加工山药淀粉后的废渣，于50℃干燥箱中干燥1 h；(2)粉碎过筛：干燥后经粉碎机粉碎过100目筛；(3)酶解：先后加入一定量的淀粉酶和蛋白酶，分别于适宜温度下酶解一定时间；(4)碱液提取：酶解后在酶解液中加入1%的氢氧化钠溶液，60℃浸提2 h；(5)离心分离：离心机转速3 000 r·min-1，离心分离30 min，弃去上清液；(6) 真空干燥：用一定量的无水乙醇反复洗涤水不溶性膳食纤维后，置于真空干燥箱干燥，控制真空度保持在0.1 MPa，干燥温度60℃。

1.3酶解正交试验设计称取10 g烘干粉碎的山药渣样品，加50 mL水溶解，加入一定量的淀粉酶在60℃条件下酶解一定时间，煮沸灭酶。再加入一定量的中性蛋白酶在45℃条件下酶解一定时间，煮沸灭酶。试验中选取考察淀粉酶用量(A)、淀粉酶酶解时间(B)、蛋白酶用量(C)、蛋白酶酶解时间(D) 4个参数，进行L9(34)正交试验，以水不溶性膳食纤维的提取率为考察指标，确定最佳酶解工艺条件。见表1。

表1　正交试验因素-水平表

1.4膳食纤维提取率计算方法[7-8]按照GB/T 5009.88-2008《食品中膳食纤维的测定》方法进行检测。

式中：m1为提取物的质量/g ；r1为提取物水分及挥发物含量/%；m2为原料的质量/g；r2为原料水分及挥发物含量/%。

1.5膳食纤维理化性质的测定方法[9-10]

1.5.1持水性测定称取1.0 g干燥样品于烧杯中，加30 mL去离子水，室温下浸泡24 h，装于50 mL离心管中3 000 r·min-1离心15 min，去上清液，精确称重(湿质量)，然后在105℃条件下烘干至质量恒定，精确称重(干质量)。

1.5.2溶胀性测定称取1.0 g干燥样品于5 mL量筒中，轻微振荡使表面平整，读取干体积，再将干品转移至50 mL量筒中，加入30 mL去离子水，振荡摇匀，室温下浸泡24 h，测定体积。

1.5.3理化特性分析方法试验考察不同葡萄糖浓度(4%、5%、6%、7%、8%)、酸碱度(pH 6、7、8、9、10)对水不溶性膳食纤维持水性及溶胀性的影响。

2结果和分析

2.1单因素试验结果

2.1.1淀粉酶用量对膳食纤维提取率的影响 由图1可知，水不溶性膳食纤维的提取率随着淀粉酶用量的增加而增加，当酶用量大于2.5 U·mL-1以后，提取率增加缓慢，变化不大，说明山药渣中的淀粉已水解的较为完全。从经济效益角度考虑，为节约成本，试验确定淀粉酶用量在1.0～3.0 U·mL-1。

图1　淀粉酶用量对水不溶性膳食纤维提取率的影响

2.1.2淀粉酶酶解时间对膳食纤维提取率的影响根据图2的试验结果，淀粉酶酶解时间与提取率正相关，试验确定酶解时间为60～100 min。

图2　淀粉酶酶解时间对水不溶性膳食纤维提取率的影响

2.1.3蛋白酶用量对膳食纤维提取率的影响由图3可知，当蛋白酶用量<3 U·mL-1时，随着用量的增加膳食纤维的提取率逐渐增加，当蛋白酶用量超过3 U·mL-1时，反而出现下降的趋势，趋势正交试验蛋白酶的用量范围在2～3 U·mL-1。

图3　 蛋白酶用量对水不溶性膳食纤维提取率的影响

2.1.4蛋白酶酶解时间对膳食纤维提取率的影响根据图4结果，蛋白酶水解时间在50 min范围内，膳食纤维的提取率随时间增加而增大，确定30～50 min为正交试验范围。

2.2正交试验结果从正交试验结果的直观分析可知，淀粉酶和蛋白酶水解条件影响膳食纤维提取率值的因素主次顺序为:淀粉酶用量>蛋白酶酶解时间>淀粉酶酶解时间>蛋白酶用量。正交试验的最佳组合为：A1B2C3D1，即淀粉酶用量为2 U·mL-1，淀粉酶酶解时间为80 min，蛋白酶用量为3 U·mL-1，蛋白酶酶解时间为30 min。见表2，3。

图4　蛋白酶酶解时间对水不溶性膳食纤维提取率的影响

试验号因素ABCD提取率/%1112269.82121178.13132362.84212167.35223366.96131266.77311264.58322367.09333168.1K1207.3201.6203.0207.2K2200.9205.7202.5201.0K3199.6203.0204.8202.1k169.167.267.769.1k267.068.667.567.0k366.567.768.367.4R2.601.040.802.10

表3　方差分析表

2.3膳食纤维理化性质分析

2.3.1葡萄糖浓度对膳食纤维持水性和溶胀性的影响由图5、6可知，膳食纤维的持水性随着葡萄糖浓度的增大，呈现先增大后减小再增大再减小的波浪式变化；随着葡萄糖浓度的增大，溶胀性呈现先缓慢上升后缓慢下降的趋势，分析原因可能是由葡萄糖与膳食纤维竞争性地和水分子的结合造成的[11-12]。因此在应用膳食纤维制品时，应考虑葡萄糖浓度对膳食纤维理化特性的影响。

图5　不同葡萄糖浓度溶液中膳食纤维的持水性

图6　不同葡萄糖浓度溶液中膳食纤维的溶胀性

2.3.2pH值对膳食纤维持水性和溶胀性的影响由图7、8可知，在中性偏碱的条件下膳食纤维有较强的持水力和溶胀力；但当pH>9时，膳食纤维的持水性呈明显的下降趋势。这可能是因为OH-影响了膳食纤维分子结构，使其内部发生较大的变化[13-14]，导致持水性和溶胀性均呈现下降趋势。

图7　不同pH溶液中膳食纤维的持水性

图8　不同pH溶液中膳食纤维的溶胀性

3结论

膳食纤维被称为“第七大营养素”，其有益于亚健康人群的身体健康[15]。山药废渣是山药淀粉生产的废弃物，其中尚含大量水不溶性膳食纤维，以淀粉酶和蛋白酶进行水解，提取膳食纤维，此法可大大降低山药资源的浪费，并进一步促进山药资源的综合开发利用。

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Preparation of insoluble dietary fiber from Dioscorea batatas Decne Residu by enzymatic method

HE Kan-liang

(DepartmentofPharmacy,ShaanxiProvincialHospitalof

TraditionalChineseMedicine,Xi'an,Shaanxi710000,China)

Abstract:Objective To study the process conditions of preparing water insoluble dietary with amylase and protease with Dioscorea batatas Decne Residu as raw material.Methods The amount of amylase,digestion time,the dosage of the protease and enzymolysis time were tested to determine the optimal enzymatic hydrolysis conditions.Results The amount of amylase was 2 U·mL(-1),the digestion time was 80 min,the dosage of the protease was 3 U·mL(-1) and the enzymolysis time was 30 min.Conclusions The method could improve the exploitation of Dioscorea,promote the development and utilization of Dioscorea related products.

Key words:dioscorea batatas decne residu;enzymatic method;insoluble dietary fiber

(收稿日期：2015-10-11，修回日期：2015-11-23)

doi:10.3969/j.issn.1009-6469.2016.03.008