笋头膳食纤维复合酶法改性工艺优化及其理化特性评价

方东亚 郑亚凤

摘 要：【目的】笋头是笋加工的主要副产物，是来源广泛且成本低廉的膳食纤维原料。传统的热水法制备的笋头膳食纤维由于纤维颗粒大，口感粗糙，在食品中添加应用易造成品质下降。为了推动笋头膳食纤维在食品加工中的应用，本文研究了复合酶法改性工艺对笋头膳食纤维的粒径及理化特性的影响。【方法】以热水法制备的笋头膳食纤维为原料，以纤维粒径为评价指标，通过单因素试验研究复合酶添加量、时间、温度和pH值对纤维粒径的影响。根据单因素结果，进行以Box-Behnken试验设计为基础的响应面优化试验。比较分析了改性前后笋头膳食纤维的理化特性变化。【结果】复合酶法改性笋头膳食纤维的最优工艺条件为：复合酶添加量0.20%（纤维素酶∶木聚糖酶=1∶1），温度47℃，pH 5.4，时间2.0 h。以优化后的复合酶解法处理的笋头膳食纤维的纤维粒径（D90）由（146.2± 0.21）μm降低至（97.2± 0.14）μm。相对于改性处理前的笋头膳食纤维，改性笋头膳食纤维的持水力、持油力和膨胀度分别提高1.30、2.16和1.64倍。【结论】经过工艺优化的复合酶法可显著减小笋头膳食纤维的纤维粒径，并显著提高纤维的持水力、持油力和膨胀度等理化性质。研究结果有利于推动笋头膳食纤维在功能食品加工中的应用。关键词：笋头;膳食纤维;响应面;复合酶解

中图分类号：TS 209文献标识码：A文章编号：1008-0384（2019）03-364-07

Abstract： 【Objective】Enzymatic hydrolysis was studied and optimized to modify the otherwise long and tough fibers of the bottom portion of a bamboo shoot （BDF） for a low-cost source of dietary fiber. 【Method】 Various enzymes in varying dosages at different temperatures，pHs and digestion durations were applied on hot-water cooked BDF for the experiment. Size of the fibers was measured in a single factor test followed by a Box-Behnken response surface experiment at 3 levels of each factor to optimize the process. Physical properties of the raw material and the resulting dietary fibers were compared. 【Result】The optimized hydrolysis was found to include 0.20% addition of cellulase：xylanase at 1∶1 ratio，temperature at 47℃，pH at 5.4 and digestion for 2.0 h. The BDF size （D90） decreased from（146.2±0.21） μm to （97.2±0.14） μm after the enzymatic hydrolysis. The water and oil holding capacities and expansion of the hydrolyzed BDF increased by 1.30-，2.16- and 1.64-folds，respectively，over the pre-treatment samples. 【Conclusion】The optimized composite enzymatic hydrolysis significantly reduced the fiber size and improved the physical properties of BDF making it as a dietary fiber ingredient feasible.

Key words： bamboo shoot byproduct; dietary fiber; response surface experiment; composite enzymatic hydrolysis

0 引言

【研究意義】在竹笋加工生产过程中，加工下脚料笋头被直接抛弃或简单加工成饲料和栽培基质，综合利用程度低，资源浪费严重。笋头可作为膳食纤维的优质原料，用于富含膳食纤维的健康食品的开发[1]。膳食纤维根据溶解度可分为水溶性膳食纤维和水不溶性膳食纤维[2-3]，笋头膳食纤维以水不溶性膳食纤维为主，并具有较大的纤维粒径。因此，笋头膳食纤维直接在食品中添加，易对食品原有结构造成破坏，并形成粗糙的口感[4]。笋头膳食纤维进行改性处理，降低其纤维粒径，对于推动笋头膳食纤维在食品加工中的有效应用具有重要意义。【前人研究进展】目前，对果蔬膳食纤维的改性处理已成为果蔬加工领域的热点之一。宋玉[5]通过高压蒸煮结合纤维素酶解法对笋膳食纤维进行改性，结果表明该处理方法可以提高水溶性膳食纤维含量，减小水不溶性膳食纤维的粒径，进而显著提高笋膳食纤维的理化性质，在中式香肠中应用可替代脂肪起到保持香肠质感的作用。刘玉凌[6]通过超声波、微波和微粉碎3种物理方法对方竹笋膳食纤维进行改性处理，发现3种改性方法均能较好地改善笋膳食纤维的水合性质和抗氧化活性，并造成纤维疏松多孔的网状结构，进而提升纤维的吸附能力。陆红佳等[7]在研究粒径大小对姜渣膳食纤维的性质影响时，发现随着膳食纤维粒度的减小，纤维的胆固醇吸附能力、阳离子交换能力、酶活性抑制力、DPPH·自由基清除力等方面均得到提高。【本研究切入点】虽然目前已有较多关于笋膳食纤维提取和改性的研究，但是以笋头膳食纤维为研究对象，纤维粒径为评价指标，优化其复合酶法改性工艺的研究还未见报道。利用反应条件温和且对环境无危害的酶解方法是膳食纤维的提取和改性的重要途径[8]，并能有效降低膳食纤维的粒径，得到颗粒小、结构疏松、吸附能力强的膳食纤维[9]。【拟解决的关键问题】复合酶法（纤维素酶∶木聚糖酶=1∶1）是适合笋头膳食纤维改性的技术方法，然而复合酶添加量、时间、温度和pH等因素对纤维粒径的影响还未明确。因此，本研究拟通过响应面法优化复合酶法制备膳食纤维的工艺条件，并比较改性前后笋头膳食纤维的理化特性的变化，推动笋头膳食纤维在功能食品加工中的应用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

竹笋L. oldhami Nakal购自福建当地市场;纤维素酶（Sigma，50 000 U·g-1），木聚糖酶（Solarbio，50 000 U·g-1）;其余化学药品：乙酸乙酯、乙醇等均为化学纯。

1.2 设备与仪器

FW177植物粉碎机，南通富莱克流体装备有限公司;HH-8 数显恒温循环水浴锅，常州国华电器有限公司;MS3000激光粒度分析仪，英国马尔文仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 笋头膳食纤维的制备

笋头膳食纤维的制备采用传统的热水法[10]，具体步骤如下：干燥的笋头经粉碎机粉碎后过80目筛，得到笋头粉末，置于干燥器中贮存备用。笋头粉末用乙酸乙酯脱脂1 h（粉末∶乙酸乙酯=1∶4，g·mL-1），取出至布氏漏斗进行抽滤，用蒸馏水洗涤纤维直至除去脂肪和其他杂质。将纤维放入60℃的烘箱中烘干24 h，得到脱脂纤维。脱脂纤维用蒸馏水（粉末∶溶剂=1∶30，w/v）在80℃的恒温水浴锅中萃取2 h，过滤后用78%乙醇洗涤数次，将过滤物放入60℃的烘箱中烘干直至恒重，所得干燥粉末即为笋头膳食纤维。

称取适量笋头膳食纤维，在设计条件下用复合酶法进行纤维改性处理，得到改性纤维溶液。除了一部分纤维溶液用于纤维粒径分析，剩余的纤维溶液经过冷冻干燥制得改性笋头膳食纤维粉末，用于膳食纤维理化特性的分析。

1.3.2 单因素试验

根据预备试验结果确定复合酶中的纤维素酶与木聚糖酶的比例为1∶1时，该复合酶的酶解效果最优。以笋头膳食纤维粒径为考察指标，分别考察复合酶添加量、pH、温度、时间对复合酶水解的影响。具体条件如下：

（1）复合酶添加量：设定酶解温度为50℃，pH值5.5，时间2.5 h，复合酶添加量设定为0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%。

（2）酶解pH：设定复合酶添加量为0.20%，温度50℃，时间2.5 h，pH值设定为4.5、5.0、5.5、6.0、6.5。

（3）酶解温度：设定复合酶添加量为0.20%，pH值5.5，时间2.5 h，温度设定为40、45、50、55、60℃。

（4）酶解时间：设定复合酶添加量为0.20%，pH值5.5，温度50℃，时间设定为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 h。

1.3.3 响应面优化试验

在单因素试验基础上，选取复合酶添加量、酶解pH、酶解温度为自变量，笋头纤维粒径大小为因变量。根据Box-Behnken试验设计，在单因素试验所得最佳3水平的基础上，进行3因素3水平响应面分析试验，因素水平见表1。参考文献[11]所述方法，采用Design Expert 8.0.7对复合酶法提取竹笋膳食纤维的最佳工艺进行响应面优化，并对所得最优试验条件进行验证试验。

1.3.4 纤维粒径分析

膳食纤维的粒径用D90表示，即纤维样品累计粒径分布百分数达到90%时的粒径大小[12]。笋头膳食纤维的粒径（D90）采用马尔文激光粒度仪进行测量[13]，将上述所得纤维样品溶液搅拌均后放入马尔文激光粒度仪中，设置折射率为1.47，遮光度5%～10%，检测3次后取平均值。

1.3.5 纤维样品理化特性分析

膳食纤维在食品中的应用潜力及在人体中的生理功能均与纤维的理化特性密切相关，包括持水力、持油力和膨胀力等。因此，本文对改性前后的笋头膳食纤维的持水力、持油力和膨胀力进行测定，从而评价改性处理对于提升膳食纤维品质的作用。

膳食纤维持水力试验方法参考张馨月等[14]。准确称取3 g纤维样品，放入50 mL离心管中，加入25 mL去离子水，室温下搅拌30 min使得水分被充分吸收。离心（3 000 r·min-1，20 min）后弃去上清液，并将沉淀物置于105℃烘干箱干燥2 h后称重。计算公式如下：

持水力/（g·g-1）=（含水样品湿重-样品干重）/样品干重

纤维持水力试验方法参考Requena等[15]。将1 g纤维样品置于50 mL离心管中，加入20 g食用植物油，搅拌均匀后在37℃条件下静置1 h。离心（3 000 r·min-1，20 min）后移除上层油，沉淀物用滤纸吸干未被吸收的游离植物油，称重。计算公式如下：

持油力/（g·g-1）=（含油样品湿重-样品干重）/样品干重

纤维膨胀度参考Chen等[16]。准确称取0.5 g样品于10 mL量筒中，以移液管准确加入5.0 mL蒸馏水。振荡均匀后室温（20 ± 3）℃ 下放置24 h，读取液体中吸水膨胀后纤维的体积。计算公式如下：

膨胀度/（mL·g-1）=（膨胀后体积-干品体积）/样品干重

1.4 数据分析

上述各项指标取其平均值±标准差为结果。差异性显著分析采用DPS软件中Duncan法进行计算。不同字母表示组内显著性差异，显著水平P<0.05。

2 结果与分析

2.1 单因素分析

2.1.1 复合酶添加量对纤维粒径的影响

由图1可知，当复合酶添加量在0.10%～0.20%，随着复合酶添加量的增加，笋头膳食纤维的粒径呈现下降趋势，在0.20%的添加量时达到最小。当复合酶添加量继续增加至0.25%和3.0%时，笋头膳食纤维的粒径变化趋于平缓，甚至呈现出小幅度上升。根据分子络合学说，酶解与底物结合在一定条件下存在平衡点，过多的酶添加对底物结合并无影响，甚至可能产生竞争从而导致酶解效率下降，类似的现象同样出现在石亚中等[17]的研究中。本試验在较低的复合酶添加量（0.20%）时，即可对笋头膳食纤维的粒径产生显著的影响，可能是由于纤维素酶及木聚糖酶的主要作用对象分别为纤维素和半纤维素，且在相互存在协同作用，该现象在Cinar[18]和赵能等[19]的研究中也有体现。根据该试验结果，选择复合酶添加量0.15%、0.20%、0.25%为响应面优化试验的因素水平。

2.1.2 酶解pH对纤维粒径的影响

由图2可知，在酶解pH在5.5～6.0时，随着pH的降低，笋头膳食纤维的粒径显著减小，在pH为5.5时笋头膳食纤维的粒径达到最小。当酶解pH低于5.5时，随着pH的降低，笋头膳食纤维粒径呈现增大趋势，这可能是由于过低的pH值抑制了复合酶的活性，影响酶解反应的有效进行[20]。因此，在下一步的响应面试验中，采用酶解pH 5.0、5.5、6.0为因素水平进行优化。

2.1.3 酶解温度对纤维粒径的影响

由图3可知，在酶解温度低于45℃时，随着温度的增加，笋头膳食纤维的粒径逐渐减小，45℃时笋头膳食纤维的粒径达到最小。当酶解温度大于45℃后，随着温度的升高，笋头膳食纤维粒径呈现增大趋势，这可能是由于较高的温度会抑制酶的反应活性[21]。因此，在下一步的响应面试验中，采用酶解温度40、45、50℃为因素水平对条件进行优化。

2.1.4 酶解时间对酶解纤维粒径大小的影响

由图4可知，当酶解时间在1.5～2.0 h时，笋头膳食纤维粒径快速下降;当酶解时间超过2.0 h，笋头膳食纤维的粒径虽然呈现微弱的下降趋势，但是差异不显著。这可能是由于酶解效率高，在2.0 h时可分解的酶解底物已基本水解完毕，增加酶解时间对酶解效果无明显促进作用[22]。因此，酶解时间为2.0 h时已足够酶解过程的进行，出于对生产效率的考虑，本试验选择固定酶解时间2.0 h，并不对其做响应面优化。

2.2 响应面优化酶解工艺

2.2.1 中心组合试验

根据Box-Benhnken中心组合试验设计原理，依据单因素试验结果，由于酶解时间在2.0～3.5 h时试验结果未表现出显著性差异，因此以复合酶添加量、酶解pH、酶解温度作为主要因素，设计3因素3水平响应面优化试验。中心组合试验方案及结果如表2所示。根据表2中的数据使用Design-Expert软件进行多元回归拟合分析，得到模型的拟合曲线方程为：

Y=103.54-1.99A-11.91B+9.23C-2.05AB-2.73AC+1.13BC+10.55A2+13.35B2+9.43C2

同时对模型进行了回归系数和方差分析的显著性检验（表3）。方差分析表明该模型的Prob>F的值小于0.01，表明该模型的回归方程极显著。失拟项P>0.05，不显著，试验误差较小，故可用此模型对笋头膳食纤维的复合酶法改性工艺结果进行分析和预测。

2.2.2 响应面因素间交互作用

酶解条件的交互作用如图5所示，可知酶解温度的等高线分布较复合酶添加量的等高线分度密集，且响应面3D图形在酶解温度维度上的坡度变化较大。因此认为在复合酶添加量及酶解温度对纤维酶解后粒径的影响上，酶解温度的影响较复合酶添加量显著，与方差分析表中的因素显著性结果一致。同理可知，在复合酶添加量及酶解pH的交互作用上，酶解pH对酶解后纤维粒径的影响较为显著;而酶解温度及酶解pH在因素交互过程中显示出对酶解后纤维粒径的影响效果较为相近。

2.2.3 试验结果验证

根据响应面优化结果，计算得到最佳酶解条件为：复合酶添加量为0.20%（纤维素酶∶木聚糖酶=1∶1），酶解温度46.85℃，酶解pH 5.39，复合酶法改性纤维在理论最优条件下的理论粒径为D90 = 99.4 μm。在理论值基础上对最优条件进行优化，并最终确定优化条件为复合酶添加量0.20%;酶解温度47℃;酶解pH 5.4，通过3次平行验证试验，得到复合酶解后纤维平均粒径D90 =（97.2±0.14）μm，与理论值的差距为2.21%，且效果优于理论值。因此采用此模型优化得到的参数准确可靠，具有实用价值。

2.3 改性前后纤维持水力、持油力、膨胀度的对比

经过优化后的复合酶解改性工艺处理的笋头膳食纤维的粒径由（146.2±0.21）μm降低至（97.2±0.14）μm，降幅达到33.5%。由表4可知，经过复合酶法改性的笋头膳食纤维的持水力、持油力、膨胀度较改性前均有显著提高，分别为改性前膳食纤维的1.30、2.16和1.64倍。这是由于酶解处理去除了部分纤维素和半纤维素[24]，膳食纤维的粒径减小，比表面积增加，随着纤维表面的部分水不溶性纤维成分的酶解破坏，纤维内部更多活性基团暴露在纤维表面。在这些因素的共同作用下，使得改性膳食纤维能够吸附更多的水分子和油脂，吸附性增强[25]。经过改性后的笋头膳食纤维不仅具有更好的健康功效，更高的持水力、持油力和膨胀度还有利于保持复杂食品体系中的水、油分子的稳定性，进行降低添加膳食纤维后对食品质构和品质产生的影响，从而提升了膳食纤维在食品工业中的应用价值。

3 讨论与结论

本研究在单因素试验的基础上，筛选出对粒径具有显著影响的3个因素进行响应面优化，确定笋头膳食纤维的最佳复合酶法改性工艺为复合酶添加量0.20%，酶解温度47℃，酶解pH值5.4，酶解时间2.0 h。验证试验中得到最优条件下的纤维素粒径D90达到最小值（97.2±0.14）μm，且优于理论值。对改性前后笋头膳食纤维的理化性质的测定结果表明，复合酶法改性显著提高了笋头膳食纤维的持水力，持油力及膨胀度，分别是改性前膳食纤维的1.30、2.16和1.64倍。由于粒径是纤维性质及功能性的重要影响因素，因此由验证试验及性质对比试验可知，本试验所得响应面优化工艺适用于纤维粒径优化试验，所得最佳工艺在纤维粒径上有显著影响，并具有改善其理化功能性质的作用。该试验结果可推动笋头膳食纤维的高值化利用，为今后笋头膳食纤維产品的开发提供了一定的理论基础。本研究同时尚有改善之处，尽管复合酶解处理对笋头膳食纤维粒径的减小起到了显著作用，但其粒径仍较大。因此可在后续研究中结合其他物理化学方法对笋头膳食纤维进行进一步的粒径细化。例如，将复合酶解法与动态高压微射流法结合，使笋头膳食纤维粒径进一步减小，同时改善其在食品中的应用性及功能性。

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（责任编辑：黄爱萍）