红薯膳食纤维提取工艺优化试验

唐兴兴+黄升谋

摘要：以红薯为原料，对影响红薯可溶性膳食纤维提取的因素（料液比、溶液pH值、温度、纤维素酶添加量和酶解时间5个因素）进行了单因素试验，然后在此基础上进行了正交试验，得到了纤维素酶制备红薯可溶性膳食纤维的最佳条件：料液比1∶12、温度55 ℃，pH值为6，纤维素酶的添加量20 U/g，酶解时间2 h。以此条件提取的红薯水溶性膳食纤维的含量高达20.91%，能显著提高红薯水溶性膳食纤维的提取率。

关键词：红薯； 纤维素酶； 膳食纤维； 提取

中图分类号：TS25

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）22015402

1 引言

红薯含有大量膳食纤维，可以预防心血管疾病、糖尿病、癌症等疾病的发生[1]。但由于我国综合利用程度低，每年除少数被用作饲料外，大量红薯膳食纤维被丢弃而腐败酸化[2]，造成浪费和环境污染[3] 。

近年来，红薯膳食纤维的提取[4]以及在食品工业中应用的研究开发取得了一定进展 [5]。目前红薯膳食纤维的提取主要有筛法[6]、直接水提法、化学提取法和酶提法。筛法和直接水提法方法简单，但是得到的产品中膳食纤维的含量较低，化学提取法制备的产品中膳食纤维含量高，但工艺比较复杂，时间过长，难用于工业化生产；酶提法复杂程度一般，制备的产品膳食纤维含量较高。

研究联合直接水提法和酶提法提取红薯渣膳食纤维，用四因素三水平正交试验对影响红薯渣水溶性膳食纤维含量的4个主要因素（pH值、温度、纤维素酶添加量以及酶解时间）进行优化，筛选出最佳工艺的条件。

2 试验材料和设备

2.1 原料和试剂

原料： 红薯（市售）；

试剂：a＼|淀粉酶（食品级），北京美的生物技术有限公司；

木瓜蛋白酶（食品级），广西南宁庞博生物工程有限公司；

脂肪酶（食品级），京美的生物技术有限公司；

氢氧化钠（国产分析纯），东莞市乔科化学有限公司；

盐酸（国产分析纯）， 南宁市鑫浩达化工有限公司；

磷酸氢二钠（国产分析纯），南宁市鑫浩达化工有限公司；

丙酮 （国产分析纯），南宁市鑫浩达化工有限公司。

2.2 试验器材

HH1数显恒温水浴锅，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；

HX-OIN抽滤机，恒信世纪科技有限公司；

高速组织捣碎机DS-1，无锡沃信有限公司；

LD-Y300A粉碎机，上海项帅电器有限公司；

YP6000电子天平，上海佑科仪器仪表科技有限公司；

100 mL移液枪，上海精密仪器仪表有限公司。

3 试验方法

3.1 红薯可溶性膳食纤维提取工艺流程

取无病虫害的薯块，去除须根，用清水洗净表面的泥沙等杂质，切成小块后晒干，破碎成2 cm大小的碎块，加水混合， 捣碎机捣碎， 用4层纱布过滤，同时不断加水淋洗，再通过8层纱布二次过滤。将滤渣烘干即为红薯可溶性膳食纤维提取样品。

取上述烘干样品，清水漂洗后干燥粉碎，过60目筛，在室温下按料液比加入0.2 mol/L氢氧化钠溶液，用磷酸缓冲液调整pH值，浸泡1 h， 用α-淀粉酶水解0.5 h[7]，木瓜蛋白酶水解0.5 h[8]，脂肪酶水解1 h[9]，然后按要求用纤维素酶处理，最后用乙醇沉淀，再将沉淀过滤，将残渣用乙醇和丙酮冲洗，干燥即得总膳食纤维（TDF）。将TDF用蒸馏水溶解，过滤，将滤出液用4倍量的95%乙醇沉淀，然后再过滤，干燥，称重即得可溶性膳食纤维（SDF）。

3.2 纤维素酶用量对红薯水溶性膳食纤维含量的影响

取10 g样品，按料液比为1∶12， pH值为6， 温度为55 ℃， 酶解时间2 h，研究纤维素酶用量为10 U/g、15 U/g、20 U/g、25 U/g、30 U/g时对水溶性膳食纤维提取的影响。

3.3 纤维素酶酶解时间对红薯水溶性膳食纤维含量的影响

取10 g样品，按料液比为1∶12，pH值为6，温度为55 ℃，维素酶用量为20 U/g，研究酶解时间0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h对SDF（水溶性膳食纤维） 提取的影响。酶解时间到时对酶进行高温灭活，防止在测定过程中酶解反应影响实验结果。

3.4 料液比对红薯水溶性膳食纤维含量的影响

取10 g样品，按pH值为6， 温度55 ℃， 维素酶用量20 U/g， 酶解时间2 h，研究料液比为1∶5、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14时，对SDF（水溶性膳食纤维） 提取的影响。

3.5 温度对红薯水溶性膳食纤维含量的影响

取10 g样品，按料液比为1∶12，pH值为6，维素酶用量20 U/g， 酶解时间2 h，研究温度为40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃时，对SDF（水溶性膳食纤维）提取的影响。

3.6 pH值对红薯水溶性膳食纤维含量的影响

取10 g样品，按料液比为1∶12，pH值为6，温度55 ℃， 维素酶用量20 U/g， 酶解时间2 h，研究 pH值为4.5、5、5.5、6、6.5对水溶性膳食纤维提取的影响。

3.7 红薯膳食纤维提取的最适条件

根据以上各单因素试验的结果，选取pH、温度、纤维素酶添加量以及酶解时间做四因素三水平的正交试验，如表1。

4 结果及分析

4.1 纤维素酶用量对水溶性膳食纤维含量的影响

当底物浓度一定時，当酶的用量小于最适用量时，酶解反应的速度会随着酶用量的增加而增快；当酶的用量大于最适用量时，酶解反应速度反而随着酶用量的增加而减慢。由图1可知，当纤维素酶的用量小于15 U/g时，水溶性膳食纤维的含量随着酶量的增加而增加，酶用量达到15 U/g时，水溶性膳食纤维的含量随着酶用量的增加而下降。分析表明，纤维素酶用量增加可能促进细胞壁的分解，促进SDF的溶出，提高SDF的提取率，当纤维素酶用量达到饱和后，不会有大量的的细胞壁随纤维素酶用量增加而降解，反而会使SDF被纤维素酶降解，聚合度降低，导致SDF提取率下降。endprint

4.2 酶解时间对水溶性膳食纤维含量的影响

由图2可以看出，在酶解时间2 h以内时，水溶性膳食纤维的含量随着酶解时间的延长而增加，当酶解时间到达2 h以后，水溶性膳食纤维的含量随着酶解时间的延长略有降低。其原因是随着酶解时间的进一步延长，纤维素酶会分解已经溶出的SDF，导致SDF聚合度降低，提取率下降。

4.3 料液比对水溶性膳食纤维含量的影响

由图3可以看出，水溶性膳食纤维的含量随着料液比的增加而逐渐升高，而当料液比超过1∶12时，水溶性膳食纤维的含量下降。分析表明，酶浓度不变，当底物浓度较低时，酶促反应速度随底物浓度的增加而增加，当底物浓度增加到一定时，反应速度达到最大值，料液比的增大减小了底物浓度，增大了酶与底物的作用空间，因此，反应速度下降。

4.4 溶液pH值对水溶性膳食纤维含量的影响

酶的活力与所处环境的pH值密切相关，且每种酶都有其最适pH值，当所处环境中pH值高于或低于此值时，该酶的活力会下降。纤维素酶作用的最适pH为4.5～6[10]。由图4可以看出，SDF的含量随着pH的增加而增加，当pH达到6后，SDF的含量随着pH值的增加而明显降低。

4.5 温度对水溶性膳食纤维含量的影响

根据酶促反应动力学原理可知，酶在最适温度时活力是最大的，当酶处于低于其最适温度的环境中时，酶促反应随着温度的升高而逐渐加快；当环境温度高于其最适温度时，酶的活性随着温度的升高而逐渐下降。由图5可知，SDF（水溶性膳食纤维）开始时随反应温度的升高而逐渐增加，而当温度达到50 ℃时，水溶性膳食纤维含量随着温度的升高而呈现明显下降。

4.6 红薯膳食纤维提取的最适条件

根据以上各单因素试验的结果，选取pH、温度、纤维素酶添加量以及酶解时间做四因素三水平的正交试验，研究其相互作用对水溶性膳食纤维含量的影响。结果如表2所示。

从正交试验结果可知： 影响膳食纤维制备的主次因素顺序为：B>A>C>D。对水溶性膳食纤维含量的影响最大的是温度，其次是pH值，再次是纤维素酶的添加量，最后才是酶解时间。该纤维素酶作用的最适条件为：B1A1C3D3，温度55 ℃，pH值为6，纤维素酶的添加量20 U/g，酶解时间2 h。试验表明，纤维素酶在最佳条件下酶解红薯，水溶性膳食纤维的含量高达20.91%，大大的提高了红薯水溶性膳食纤维的提取率。

5 小结和讨论

本研究表明，在料液比1∶12、温度55 ℃，pH值为6，纤维素酶的添加量20 U/g，酶解时间2 h的提取条件下，得到的水溶性膳食纤维含量最高。温度对于酶结构的影响最大，当温度过高或过低时，酶的蛋白质结合结构域发生变化，影响与底物的结合，最终导致反应变慢或停止。纤维素酶酶结构域赖氨酸较多，赖氨酸是一种碱性氨基酸，pH值对其带电性影响较大，随着pH值的改变，赖氨酸残基带电性随之变化，影响了与底物的结合，所以导致反应变慢或停止。而酶的添加量和酶解时间虽然对水溶性膳食纤维的提取有一定的影响，但在本实验所取值区间内影响不大，所以对水溶性膳食纤维的含量影响最小。

从本研究可知，单因素试验中最佳温度50 ℃，纤维素酶的添加量15 U/g，在正交实验中最佳温度55 ℃，纤维素酶的添加量20 U/g，说明温度和纤维素酶的添加量与pH和酶解时间互作明显，其原因有待进一步研究。

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Abstract： The sweet potato was used as the raw material to carry out the single-factor experiment on the factors that affect the extraction of soluble dietary fiber of sweet potato （solid-liquid ratio， solutionpH， temperature， temperature，amount of cellulase and enzymolysis time）. The optimal conditions of extraction of soluble dietary fiber form sweet potato by cellulase are as follows： the ratio of material to liquid was 1：12； temperature was 55； pH was 6； cellulase dosage was 20U/g；enzymolysis time was 2 hours. The content of soluble dietary fiber extracted under this condition form sweet potato is up to 20.91%， which greatly improves the extraction rate of sweet potato soluble dietary fiber.

Key words： sweet potato；cellulose；dietary fiber；extractionendprint