高温蒸煮结合酶解改性枣渣膳食纤维

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(1.宁夏大学农学院,宁夏银川 750021;2.宁夏大学生命科学学院,宁夏银川 750021)

高温蒸煮结合酶解改性枣渣膳食纤维

孙静1,邵佩兰1,*,徐明2,赵宇慧1,杜文斌1,贺晓光1

(1.宁夏大学农学院,宁夏银川 750021;2.宁夏大学生命科学学院,宁夏银川 750021)

为探讨高温蒸煮结合纤维素酶酶解改性枣渣水不溶性膳食纤维的工艺。以枣渣为原料,采用高温蒸煮、纤维素酶酶解改性枣渣水不溶性膳食纤维,以水溶性膳食纤维得率为指标,在单因素实验基础上,采用Box-Behnken中心组合设计,通过响应面法优化高温蒸煮结合酶解改性工艺条件。结果表明:枣渣水不溶性膳食纤维经120 ℃高温蒸煮60 min,纤维素酶改性枣渣水不溶性膳食纤维最佳工艺条件为酶浓度0.55%、pH4.6、料液比1∶27 g/mL、酶解温度43 ℃,酶解时间 2.5 h,在此条件下水溶性膳食纤维得率为20.03%±0.58%,与模型预测值20.37%较为一致。响应面回归方程与实验结果拟合性好,说明此模型合理可靠,可为枣渣水不溶性膳食纤维改性的工业化应用提供一定参考。

枣渣,不溶性膳食纤维,高温蒸煮,酶解,响应面

膳食纤维具有预防肠癌,改善糖代谢,降低胆固醇等功能[1-2]。按其溶解性可分为水溶性膳食纤维(SDF)和水不溶性膳食纤维(IDF)[3],IDF可促进肠道蠕动,具有缓解便秘和减少肥胖的作用[4-5],SDF能降低血糖、血脂,调节血压,预防肠胃疾病和心血管疾病等[6-7]。膳食纤维中SDF含量达10%以上时具有良好的加工特性、功能特性和生理活性,才能成为高品质的膳食纤维,然而天然的膳食纤维多是不溶性的[8],因此如何使IDF向SDF转化,增加SDF含量,改善其理化性质及生理功能成为目前膳食纤维改性研究的热点。

红枣具有保肝、抗肿瘤,增强机体免疫力等保健功能[9-11],加工枣汁的废弃枣渣中含有14%的膳食纤维,是一种理想的天然食用纤维资源,但其SDF含量很低,约占3%左右[12]。目前,枣渣膳食纤维的研究主要集中于提取,郭雪霞[13]和陶永霞[14]等分别采用纤维素酶法和酶碱法从枣渣中提取SDF,得率分别为6.20%和11.32%,赵梅[15]等利用纤维素酶-木聚糖酶对枣渣进行酶法处理,使SDF得率由6.79%提高到14.65%。高温蒸煮法是膳食纤维在一定高温(100～130 ℃)、高压(1.2×105～2.4×105Pa)作用下,高温、高压导致不溶性膳食纤维分子链断裂,转变为可溶性的半纤维素使SDF含量增加[16],而酶法制得的膳食纤维色泽浅,易漂白,无异味,纯度较高[15],本文采用高温蒸煮结合纤维素酶酶解改性枣渣IDF,以弥补单一改性方法的缺陷,且可降低膳食纤维的改性难度,为实现IDF向SDF的转化,更好发挥膳食纤维生理功能,拓宽其在食品工业中应用范围提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

枣渣 宁夏灵武长枣加工枣汁后的废弃物,经食品化学与分析实验室提取红枣色素后的剩余残渣;纤维素酶(温度30～80 ℃,pH2.5～7.5,1000 U/g) 北京奥博星生物技术有限责任公司;氢氧化钠、盐酸、乙醇 北京化工厂,其它试剂 均为国产分析纯。

LXJ-ⅡB型离心机 上海安亭科学仪器厂;DHG-9053A型电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科技有限公司;DK-8B型电热恒温水槽 上海精宏实验设备有限公司;RE-52型旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂;DSX-280 B型高压蒸汽灭菌锅 上海申安医疗器械有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 枣渣不溶性膳食纤维的制备 参照张严磊[17]的实验方法并稍作修改。取适量枣渣,经水洗、干燥至恒重、粉碎、过80目筛,以1∶10 (g/mL)料液比加入0.3%α-淀粉酶于50 ℃、pH6.5下酶解80 min,灭酶,3500 r/min离心5 min,弃上清,加入3.0% NaOH于60 ℃下碱解90 min,水洗、离心(3500 r/min,5 min)后取沉淀经60 ℃干燥即得水不溶性膳食纤维(IDF)。

1.2.2 高温蒸煮对IDF的改性 取1 g IDF 5份,以料液比1∶20 g/mL加水混匀,分别于120 ℃蒸煮40、60、80、100、120 min;另取1 g IDF 5份,以料液比1∶20 g/mL加水混匀,分别于100、105、110、115、120 ℃下蒸煮60 min。蒸煮后膳食纤维经冷却、离心(3500 r/min,5 min),取上清液于50 ℃旋转蒸发浓缩至约5 mL,加入4倍体积95%乙醇沉淀12 h,离心(3500 r/min,5 min)收集沉淀、60 ℃干燥至恒重,即得水溶性膳食纤维(SDF),计算SDF得率[13]。

1.2.3 高温蒸煮结合纤维素酶酶解对IDF的改性

1.2.3.1 酶浓度对IDF改性的影响 取1 g IDF 5份按1∶20 g/mL料液比加水混匀,于120 ℃蒸煮60 min后冷却,调pH4.0,分别加入0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%纤维素酶于45 ℃酶解2 h。

1.2.3.2 pH对IDF改性的影响 取1 g IDF 5份按1∶20 g/mL料液比加水混匀,于120 ℃蒸煮60 min后冷却,分别调pH为3.5、4.0、4.5、5.0、5.5,加入0.5%纤维素酶于45 ℃酶解2 h。

1.2.3.3 料液比对IDF改性的影响 取1 g IDF 5份,分别按1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40 g/mL料液比加水混匀,于120 ℃蒸煮60 min后冷却、调pH4.0,加入0.5%纤维素酶于45 ℃酶解2 h。

1.2.3.4 酶解时间对IDF改性的影响 取1 g IDF 5份按1∶20 g/mL料液比加水混匀,于120 ℃蒸煮60 min后冷却、调pH4.0,加入0.5%纤维素酶于45 ℃分别酶解1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 h。

1.2.3.5 酶解温度对IDF改性的影响 取1 g IDF 5份按1∶20 g/mL料液比加水混匀,于120 ℃蒸煮60 min后冷却、调pH4.0,加入0.5%纤维素酶分别于35、40、45、50、55 ℃酶解2 h。

酶解后膳食纤维经离心(3500 r/min,5 min)取上清液,其他操作同1.2.2。

1.2.4 高温蒸煮结合纤维素酶酶解改性IDF的工艺优化 采用Box-Behnken中心组合实验设计,在单因素实验的基础上,以酶浓度、pH、料液比、酶解温度4个因素为自变量,可溶性膳食纤维得率为响应值,酶解时间为2.5 h,设计四因素三水平的Box-Behnken模型,确定最优改性工艺。实验设计因素水平见表1。

表1 Box-Behnken响应面因素和水平表Table 1 Factors and levels table of Box-Behnken response surface experiments

1.3 数据统计分析

实验数据以平均值±标准差表示,采用Design-Expert V8.0.6软件进行方差分析。

2 结果与讨论

2.1 高温蒸煮对IDF改性的影响

图1 高温蒸煮时间对IDF改性的影响Fig.1 Effect of steam-cooking time on the modification of insoluble dietary fiber

高温蒸煮时间、温度对IDF改性的影响结果见图1、图2。由图1看出,随蒸煮时间延长,SDF得率增加,60 min时SDF得率为14.0%,随蒸煮时间继续延长,SDF得率降低。图2显示随蒸煮温度升高,SDF得率逐渐增加,但增幅较缓,120 ℃时SDF得率为14.12%。IDF处于高温高压环境下,短时间蒸煮只能使膳食纤维中部分氢键断裂,随蒸煮时间延长,结晶区中氢键被破坏,结晶区结构变得松散,使水分子易于进入,导致纤维素的水溶性增大,并释放部分可溶性成分[16,18],同时多糖链的分子内作用可能进一步减弱[16],从而使SDF溶出增多。但蒸煮时间过长易使SDF结构破坏,醇沉时难以析出。蒸煮温度越高,SDF得率越高,故本实验选择高温蒸煮时间为60 min、温度为120 ℃。

图2 高温蒸煮温度对IDF改性的影响Fig.2 Effect of steam-cooking temperature on the modification of insoluble dietary fiber

2.2 高温蒸煮结合纤维素酶酶解对IDF改性的影响

2.2.1 酶浓度对IDF改性的影响 IDF经120 ℃高温蒸煮60 min后,纤维素酶浓度对IDF改性的影响结果显示(图3),随纤维素酶浓度增加,SDF得率逐渐增加,但纤维素酶浓度大于0.5%时,SDF溶出趋于平缓。酶与底物充分接触有利于膳食纤维解聚,水分子进入结晶区的几率增大,使得纤维素的水溶性增大。酶用量增加可大大增加酶与底物结合的几率,从而增强水解程度[19]。但纤维素酶用量过大,使IDF降解为小分子低聚糖或单糖,因聚合度低而无法被乙醇沉淀,从而使SDF得率降低[20],故选择纤维素酶浓度为0.5%为宜。

图3 酶浓度对IDF改性的影响Fig.3 Effect of enzyme concentration on the modification of insoluble dietary fiber

2.2.2 pH对IDF改性的影响 IDF经高温蒸煮后,酶解pH对IDF改性的影响结果见图4。由图4看出,pH4.0时,SDF得率为20.04%,随pH逐渐升高,SDF得率逐渐降低,表明纤维素酶在最适pH时最具活力,pH增大或减小都会抑制纤维素酶的活性,故确定纤维素酶酶解最适pH为4.0。

图4 pH对IDF改性的影响Fig.4 Effect of pH on the modification of insoluble dietary fiber

2.2.3 料液比对IDF改性的影响 IDF以不同料液比加水混匀进行高温蒸煮后再进行酶解,由5可得，SDF得率随料液比增加呈现先增后降趋势,料液比在1∶30 g/mL时SDF得率最大,为19.43%。料液比过小,溶液过于黏稠,酶与底物不能充分结合,使膳食纤维不能充分酶解;增大料液比,有利于酶促反应彻底进行,水分子进入结晶区的几率增大,进而使纤维素的水溶性增大,但料液比过大会大大减少底物浓度,因而使得SDF得率降低[13,15]。综合考虑确定料液比为1∶30 g/mL。

图5 料液比对IDF改性的影响Fig.5 Effect of liquid-solid ratio on the modification of insoluble dietary fiber

图6 酶解时间对IDF改性的影响Fig.6 Effect of hydrolysis time on the modification of insoluble dietary fiber

2.2.4 酶解时间、温度对IDF改性的影响 酶解时间、温度对IDF改性的影响结果显示(图6、图7),随酶解时间延长、温度升高,SDF得率出现先增后降的趋势,酶解2.5 h、45 ℃时SDF得率最高,分别为18.03%和16.03%。酶解过程中,膳食纤维分子内的氢键以及其他一些次级键逐渐断裂,断裂后的氢键与次级键更容易与水分子结合,使得膳食纤维的水溶性增加[19]。随着酶解时间的延长,纤维素酶充分酶解底物,部分SDF聚合度降低,不能被无水乙醇沉淀,导致得率逐渐降低;酶解温度高于45 ℃,SDF得率降低是由于当高于最适温度时,随着温度升高而使酶逐步变性,反应速度下降,得率降低[13],由实验可知纤维素酶的最适反应温度为45 ℃,因此,确定最适酶解时间为2.5 h、温度为45 ℃。

图7 酶解温度对IDF改性的影响Fig.7 Effect of hydrolysis temperature on the modification of insoluble dietary fiber

与酶浓度、pH、料液比、酶解温度这四个因素相比,酶解时间对SDF得率影响变化较小。酶解时间在2.5 h左右时,SDF得率相对较稳定,因此固定酶解时间为2.5 h,选则酶浓度、pH、料液比、酶解温度这四个因素为自变量进行下一步的优化。

2.3 响应面法优化IDF改性工艺

2.3.1 响应面实验设计及结果分析 Box-Behnken中心组合实验设计及结果见表2。回归统计分析表见表3。

表2 响应面法实验设计及实验结果Table 2 Design and results of response surface methodology experiment

利用Design-Expert.V8.0.6软件对数据进行二次多元回归拟合,得到SDF得率对酶浓度、pH、料液比、酶解温度的二次多项回归方程为:

Y=19.87+1.28A+0.61B+0.39C-0.15D+0.058AB+0.020AC-0.12AD-0.15BC-0.21BD-0.030CD-1.23A2-1.70B2-0.59C2-0.35D2。

表3 回归模型方差分析表Table 3 Variance analysis of the regression model

注:“*” 表示差异显著(p<0.05),“**” 表示差异极显著(p<0.01)。

从表3分析结果可知,回归决定系数R2为0.9596,修正决定系数为0.9193,说明该响应值的变化有95.96%来源于所选因子变化,拟合程度良好;回归模型p<0.0001,失拟项p>0.05,说明回归模型极显著,失拟项不显著,能够较好地描述实验结果,使用方程代替真实的实验点进行分析是可行的。而且该二次回归方程的一次项及二次项中的A2、B2、C2都表现出极显著影响,二次项中的D2表现出显著影响。由F值大小可知,影响枣渣不溶性膳食纤维改性的因素主次顺序为A>B>C>D。即纤维素酶浓度对水不溶性膳食纤维改性影响最大,pH和料液比次之,酶解温度影响最小。

2.3.2 响应面分析与优化 根据二次回归方程绘制的响应面图见图8。

通过对比以上各图可知,图8(a、b)在不同pH和料液比条件下,随酶浓度的增大,SDF得率均出现先增后减的变化,且曲面较陡峭,说明酶浓度是影响SDF得率的主要因素,但其与pH和料液比的交互作用均不显著。从图8(d、e)可看出,在不同料液比和温度条件下,随pH增大,SDF得率呈现出明显的先增后降趋势,说明pH对SDF得率的影响极显著(p<0.0001),但pH与料液比和温度的交互作用不显著。由图8(c、f)可知,在酶浓度和料液比不同的条件下,随着温度的升高,SDF得率变化不明显,说明酶解温度对SDF得率影响不显著。从图8(b、d)可看出,在不同酶浓度和pH条件下,随料液比的增大,SDF得率均出现先增大后减小的变化,说明料液比对SDF得率影响较大。

图8 两因素交互作用对SDF得率的响应面图Fig.8 Response surface of any two factors on the yield of soluble dietary fiber

应用响应面寻优分析方法对回归模型进行分析,获得SDF得率最大值时,酶浓度为0.55%,pH为4.6,料液比为1∶26.6 g/mL,酶解温度为43.11 ℃。根据模型的预测,得率在优化后的条件下得到的最大值为20.37%。为操作方便,对改性条件进行调整,选取酶浓度为0.55%,pH为4.6,料液比为1∶27 g/mL,酶解温度为43 ℃。对优化条件进行3次重复验证实验,以验证模型方程预测的可靠性,得到SDF得率的平均值为20.03%±0.58%。

3 结论

本实验采用高温蒸煮结合纤维素酶酶解改性枣渣水不溶性膳食纤维,根据单因素实验结果,利用Box-Behnken中心组合设计原理,通过Design-Expert软件进行响应面分析,建立了高温蒸煮结合纤维素酶酶解改性枣渣水不溶性膳食纤维工艺的的数学模型。通过分析并综合考虑,高温蒸煮结合纤维素酶酶解改性工艺条件为:枣渣水不溶性膳食纤维经 120 ℃高温蒸煮 60 min,酶浓度 0.55%,pH4.6,料液比1∶27 g/mL,酶解温度 43 ℃,酶解时间 2.5 h,在此条件下水溶性膳食纤维得率实测值为20.03%±0.58%,预测值为20.37%,其误差仅为0.34%,表明实测值与预测值之间具有良好的拟合度,充分证明该数学模型的可靠性,可为枣渣不溶性膳食纤维改性的工业化应用提供一定参考。

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一套《食品工业科技》在手，纵观食品工业发展全貌

Technologyoptimizationonsteam-cookingcombingwithenzymatichydrolysismodificationofdietaryfiberfromjujuberesidues

SUNJing1,SHAOPei-lan1,*,XUMing2,ZHAOYu-hui1,DUWen-bin1,HEXiao-guang1

(1.College of Agriculture Science,Ningxia University,Yinchuan 750021,China;2.College of Life Science,Nanjing University,Yinchuan 750021,China)

The study aimed to discuss the technology of steam-cooking combining with cellulase hydrolysis on modification of insoluble dietary fiber. Extraction of IDF from jujube residues,using SDF yield as the index,the processing technologies of steam-cooking and cellulase modification were studied. Based on the single factor experiment,the technology optimization was by Box-Behnken central composite design and response surface methodology. The results showed that the steam-cooking technology of IDF from jujube residues was as follows:steam-cooking temperature 120 ℃ and treatment time 60 min,and the optimal technology for hydrolyzed of IDF by cellulase was determined as follows:enzyme concentration 0.55%,pH4.6,liquid-solid ratio 1∶27 g/mL,enzymatic hydrolysis temperature 43 ℃ and treatment time 2.5 h. Under these technological conditions,the SDF yield by combining steam-cooking and enzymatic hydrolysis was up to 20.03%±0.58%,which was very close to the predicted value of 20.37%. The regression equation of response surface was in good agreement with the experimental results,indicating that the model was reliable and will provide a reference for the industrial modification of IDF from jujube residues.

jujube residues;insoluble dietary fiber;steam-cooking;enzymatic hydrolysis;response surface

2017-05-22

孙静(1992-),女,硕士研究生,研究方向：非热加工技术、果蔬贮藏与加工,E-mail:18209614658@163.com。

*通讯作者:邵佩兰(1963-),女,本科,教授,研究方向：食品化学与营养、天然产物提取及应用研究,E-mail:nxshpl@163.com。

国家自然科学基金项目(31260375);宁夏大学大学生科技创新研究项目(14NXG08)。

TS201.1

B

1002-0306(2017)23-0137-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.23.027