酶法提取竹笋可溶性膳食纤维工艺优化

范海芳，刘 茵，叶林峰，刘思乐，周已琴，邓永东

（1.杭州丘比食品有限公司，浙江杭州 310018；2.安徽荣达禽业股份有限公司，安徽宣城 242200）

0 引言

随着时代的发展，人们对于膳食纤维的认知有了不断进步。膳食纤维的概念在1953年第一次被提出。Hipspaly E H[1]认为膳食纤维是不能被人体消化的植物细胞壁成分，其包括纤维素、半纤维素和木质素[2]。但在2009年6月，国际食品法典委员会对膳食纤维进行了重新定义：膳食纤维是碳水化合物，它具有10个或者更多的单体链节，人体小肠中的酶无法水解，属于天然存在于消费食物的可食用碳水化合物。竹笋是竹的幼芽，也称为笋。竹为多年生常绿草本植物，食用部分为初生、嫩肥、短壮的芽或鞭，富含膳食纤维。

膳食纤维具有较高的持水力，对有机化合物有吸附螯合作用[3]，并且还具有填充剂的溶剂作用。此外，膳食纤维能调节肠道菌群、改变膳食组成，可使现存的微生物菌群比例发生变化。膳食纤维可被肠道细菌的酶发酵降解，产生短链脂肪酸，促进肠道有益菌群生长和增殖，抑制有害腐败菌的生长并减少有毒发酵产物的形成[4]。短链脂肪酸在维持肠道屏障功能和刺激结肠受损组织愈合方面也起着重要的作用[5]。大量的试验研究表明，增加膳食纤维的摄入可明显降低心脏血管疾病尤其是冠心病的发生率[6-7]。膳食纤维对阳离子有较强的结合力，它能与肠道中的钠离子和钾离子进行交换，促使尿液和粪便中大量排出钠离子和钾离子，从而起到降低血压的作用[8]。

早期的提取主要是粗分离法、膜分离法、化学分析法、化学试剂和酶结合分离法。随着人们对膳食纤维认知的加深和科技飞速进步，现在还有热水提法、化学法、酶法、Prosky法、酶化法、超声波法、高压蒸煮法、发酵法、酸碱法和挤压法等[9]。未来膳食纤维的提取方法还将朝着提取率高、纯度高、工艺简单、投资少、污染少和耗能少等方向发展。膳食纤维的研究与开发，受到了西方各主要国家的高度重视，医学界、营养学界、食品工业界都对此进行了大量的研究[10]。而我国在这方面的研究起步较晚，且多侧重于谷物类膳食纤维的研究[11-14]。

选择竹笋为试验的研究对象，采用温和的酶解法，进行水浴温度、料液比、加酶量、酶解时间的4个单因素试验，在单因素试验的基础上设计对应的响应面试验优化反应条件，最终得出最优条件下的4个因素水平，作为最佳生产工艺标准，并测定提取出的可溶性膳食纤维的乳化性、乳化稳定性、黏性，发掘可溶性膳食纤维的更多利用价值。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

竹笋，宁国茂盛食品有限公司提供；α-淀粉酶、中性蛋白酶、淀粉葡萄糖酶、95%酒精、去离子水。

1.2 仪器设备

MS104TS型电子天平，梅特勒-托利多国际股份有限公司产品；HWS型恒温水浴锅，上海泰坦科技股份有限公司产品；HH型恒温水浴锅，金坛市金城国胜实验仪器厂产品；101型电热恒温鼓风干燥箱，上海跃进医疗机械厂产品；CT14RD型离心机，上海天美科学仪器有限公司产品；KQ-100DE型真空抽滤机，昆山市超声仪器有限公司产品；HX-200型中药粉碎机，上虞市华宏净化设备厂产品；D-37520型高速冷冻离心机，Sigma公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 竹笋可溶性膳食纤维的提取

（1） 工艺流程[15-17]

竹笋→打粉（粉碎） →烘干→用α-淀粉酶、中性蛋白酶、淀粉葡萄糖酶酶解→灭酶→冷却→抽滤→醇沉→离心→冷冻干燥→可溶性膳食纤维。

（2）操作要点。①将竹笋用粉碎机粉碎，之后放入电热恒温鼓风干燥机中干燥24 h，干燥完成的粉末装入保鲜袋中备用。②称量竹笋粉，置于锥形瓶中，加入一定量的去离子水和3种酶，在恒温水浴锅中加热。③将水浴加热后的装有样品的锥形瓶立即置于沸水中加热5 min，达到灭酶的效果，灭酶完成后立即冷却。④用真空抽滤机进行抽滤，将得到的澄清液倒入大烧杯中，加入4倍体积的95%乙醇溶液，用保鲜膜封住烧杯，静置2 h。⑤静置完成后用冷冻离心机离心，以转速3 000 r/min离心时间10 min。⑥离心过后将固体转移至培养皿内，用保鲜膜封住，用牙签戳孔，之后放入超低温冷冻干燥机中冷冻干燥24 h，即得到所需要的样品。

1.3.2 试验内容

（1）单因素试验。①水浴温度对竹笋可溶性膳食纤维提取率的影响。水浴温度分别为40，50，60，70，80℃，其他条件为料液比1∶20，加酶量0.7%，酶解时间60 min，考查水浴温度对竹笋可溶性膳食纤维提取率的影响。②料液比对竹笋可溶性膳食纤维提取率的影响。料液比分别为1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，其他条件分别为水浴温度50℃，酶添加量0.7%，酶解时间60 min，考查料液比对竹笋可溶性膳食纤维提取率的影响。③酶添加量对竹笋可溶性膳食纤维提取率的影响[18]。酶添加量分别为0.5%，0.6%，0.7%，0.8%，0.9%，其他条件分别为水浴温度50℃，料液比1∶20，酶解时间60 min，考查加酶量对竹笋可溶性膳食纤维提取率的影响。④水浴加热时间对竹笋可溶性膳食纤维提取率的影响。酶解时间分别为15，30，45，60，75 min，其他条件为分别为水浴温度50℃，料液比1:10，酶添加量0.7%，考查水浴加热时间对竹笋可溶性膳食纤维提取率的影响。

（2）响应面试验设计。在单因素试验结果的基础上，比较后选用较为显著的因素，进行四因素三水平的响应面试验，对竹笋可溶性膳食纤维提取工艺进行优化。

竹笋可溶性膳食纤维提取响应面因素与水平设计见表1。

表1 竹笋可溶性膳食纤维提取响应面因素与水平设计

1.3.3 竹笋可溶性膳食纤维性质的测定

（1）竹笋可溶性膳食纤维的乳化性和乳化稳定性的测定。分别配制质量浓度为1，5，10，15，20，25，30 mg/100 mL的SDF溶液100 mL，加入10 mL大豆油，于高速分散器中以转速2 000 r/min均质乳化2 min，乳化后的溶液置于离心机中，以转速2 000 r/min离心8 min，测量乳化层的高度，算出乳化层体积，乳化后的溶液在80℃的水浴中保温30 min，用自来水冷却至常温，放入离心机中，以相同的转速和时间进行离心，然后测量乳化层体积。

（2）竹笋可溶性膳食纤维黏性的测定。用旋转黏度计在25℃，以转速60 r/min条件下检测不同质量浓度（1，2，3，4，5 g/100 mL） SDF的黏度，绘制黏度变化曲线。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 水浴温度对可溶性膳食纤维提取率的影响

水浴温度对竹笋可溶性膳食纤维提取率的影响见图1。

图1 水浴温度对竹笋可溶性膳食纤维提取率的影响

由图1可以看出，竹笋可溶性膳食纤维提取率随着水浴温度升高而升高，在水浴温度到70℃时达到最大，随后随着水浴温度的上升而降低，所以最佳水浴温度为70℃。

2.1.2 料液比对可溶性膳食纤维提取率的影响

料液比对竹笋可溶性膳食纤维提取率的影响见图2。

图2 料液比对竹笋可溶性膳食纤维提取率的影响

由图2可以看出，随着料液比的减小，竹笋可溶性膳食纤维的提取率上升，在料液比为1∶15时达到最大，之后随着料液比的减小，可溶性膳食纤维提取率也随之减小，所以最佳料液比为1∶15。

2.1.3 酶添加量对可溶性膳食纤维提取率的影响

酶添加量对竹笋可溶性膳食纤维提取率的影响见图3。

由图3可以看出，随着酶添加量的增加，竹笋可溶性膳食纤维提取率上升，在酶添加量0.6%时达到最大，之后随着酶添加量的增加，可溶性膳食纤维提取率随之减小，所以最佳酶添加量为0.6%。

图3 加酶量对竹笋可溶性膳食纤维提取率的影响

2.1.4 酶解时间对可溶性膳食纤维提取率的影响

酶解时间对竹笋可溶性膳食纤维提取率的影响见图4。

图4 酶解时间对竹笋可溶性膳食纤维提取率的影响

由图4可以看出，随着酶解时间的增加，竹笋可溶性膳食纤维提取率上升，在时间为60 min时达到最大，之后随着酶解时间的增加，可溶性膳食纤维提取率也随之减小，所以最佳酶解时间为60 min。

2.2 响应面优化结果分析

2.2.1 回归模型的建立与分析

提取竹笋可溶性膳食纤维的响应面试验结果见表3。

根据响应面试验设计的原理，在单因素试验的基础上，选取水浴温度、酶解时间、酶添加量、料液比4个影响因素为自变量A，B，C，D，以竹笋可溶性膳食纤维提取率为响应值。

试验方案的27个试验点中包括24个析因点（1～24） 和 3 个中心点 （25～27）。

用Design Expert对响应面设计的试验结果进行显著性检验。

竹笋可溶性膳食纤维提取率回归方程系数显著性检验见表4，竹笋可溶性膳食纤维提取率的二次多项式模型方差分析见表5。

通过Design Expert 8.0程序可以得出将竹笋可溶性膳食纤维提取率数据对模型通过最小二乘法拟合的二次多项方程进行多元回归拟合，剔除影响不显著的因素后，得到竹笋可溶性膳食纤维提取率对编码自变量水浴温度（X1）、酶解时间（X2）、酶添加量（X3）、料液比（X4）的二次多项回归方程如下：

表3 提取竹笋可溶性膳食纤维的响应面试验结果

表5 竹笋可溶性膳食纤维提取率的二次多项式模型方差分析

可溶性膳食纤维提取率=2.92+0.14A+0.20B+0.14C+8.333×10-3D+0.091AB+0.050AC-0.045AD+0.022BC+0.037BD-0.15CD-0.19A2-0.011B2+0.089C2-0.63D2.

由方差分析表、回归方程等数据可知，试验所选用模型p＜0.000 1，为高度显著，所以拟合性强，预测值和实际值有很好的相关性，R2=0.985 8，R2Adj=0.969 2。

2.2.2 响应面试验结果

酶解时间和水浴温度交互作用对可溶性膳食纤维提取率的影响见图5。

图5 酶解时间和水浴温度交互作用对可溶性膳食纤维提取率的影响

由图5可以看出，在酶添加量为0.6%，料液比为1∶15时，酶解时间和水浴温度对可溶性膳食纤维提取率的交互作用。固定酶解时间，可以看出随着水浴温度上升，可溶性膳食纤维提取率先上升后降低；固定水浴温度，可以看出随着酶解时间的上升，提取率先上升后趋于平缓。从响应面等高图中可以看出，酶解时间60 min，水浴温度70℃时可以得到最高点，此时可以确定竹笋可溶性膳食纤维提取率的最高值。

酶添加量和水浴温度交互作用对可溶性膳食纤维提取率的影响见图6。

图6 酶添加量和水浴温度交互作用对可溶性膳食纤维提取率的影响

由图6可以看出，在时间为60 min，料液比为1∶15时，水浴温度与料液比对可溶性膳食纤维提取率的交互作用。固定酶添加量，可以看出随着水浴温度上升，提取率先上升后下降；固定水浴温度，随着加酶量的增加，提取率先上升后降低。从响应面等高图中可以看出当加酶量为0.60%，水浴温度为70℃时可以得到最高点，此时可溶性膳食纤维提取率最高。

料液比和温度交互作用对可溶性膳食纤维提取率的影响见图7。

由图7可以看出，在酶解时间为60 min，加酶量为0.6%时，料液比与水浴温度对可溶性膳食纤维提取率的交互作用。固定料液比，随着水浴温度的上升，提取率先上升后下降；固定水浴温度，随着料液比的上升，提取率先上升后下降。从响应面等高图中可以看出料液比为1∶14，水浴温度为70℃时可以得到最高点，此时可溶性膳食纤维提取率最高。

加酶量与酶解时间的交互作用对可溶性膳食纤维提取率的影响见图8。

由图8可以看出，在水浴温度为70℃，料液比为1∶15时，加酶量与酶解时间对可溶性膳食纤维提取率的交互作用。固定加酶量，随着酶解时间上升，提取率先上升后趋于平缓；固定酶解时间，随着加酶量的上升，提取率先上升后趋于平缓。从响应面等高图中可以看出在加酶量为0.6%，酶解时间为60 min时可以达到最高点，此时可溶性膳食纤维提取率最高。

料液比与酶解时间交互作用对可溶性膳食纤维提取率的影响见图9。

图7 料液比和温度交互作用对可溶性膳食纤维提取率的影响

图8 酶添加量与酶解时间的交互作用对可溶性膳食纤维提取率的影响

由图9可以看出，水浴温度为70℃，酶添加量为0.6%时，料液比与酶解时间对可溶性膳食纤维提取率的交互作用。固定料液比，随着酶解时间上升，提取率先上升后趋于平缓；固定酶解时间，随着料液比上升，提取率先上升后下降。从响应面等高图中看出在料液比为1∶15，酶解时间60 min时可以得出最高点，此时可溶性膳食纤维提取率最高。

图9 料液比与酶解时间交互作用对可溶性膳食纤维提取率的影响

料液比与加酶量交互作用对可溶性膳食纤维提取率的影响见图10。

由图10可以看出，水浴温度70℃，酶解时间60 min时，料液比与酶添加量对可溶性膳食纤维的交互作用。固定料液比，随着酶添加量上升，提取率先上升后下降；固定酶添加量，随着料液比上升，提取率先上升后下降。从响应面等高图中看出在酶添加量为0.60%，料液比为1∶15时得到最高点，此时可溶性膳食纤维提取率最高。

在试验水平范围内，软件Design Expert 8.0优化并结合生产周期、能耗等需要得出进行竹笋酶法可溶性膳食纤维提取的最佳条件为水浴温度73℃，酶解时间67 min，酶添加量0.64%，料液比1∶14，在此条件下竹笋可溶性膳食纤维的提取率为3.32%。

2.3 竹笋可溶性膳食纤维性质的研究

2.3.1 乳化活性及乳化稳定性的研究

可溶性膳食纤维的乳化活性及乳化稳定性见图11。

由图11可以看出，随着可溶性竹笋膳食纤维质量分数的不断增加，其乳化活性及乳化稳定性也在不断上升，到后面上升速率逐渐趋于平缓。

2.3.2 黏性的研究

竹笋可溶性膳食纤维的黏性见图12。

由图12可以看出，样品质量分数为3%时黏性最大，1%的最低，随着剪切速率的上升都不断下降。

图10 料液比与酶添加量交互作用对可溶性膳食纤维提取率的影响

图11 可溶性膳食纤维的乳化活性及乳化稳定性

3 结论

由试验得出最佳工艺条件为水浴温度73℃，加酶量0.64%，酶解时间67 min，料液比1∶14，在此条件下得到的可溶性膳食纤维提取率最高，为3.34%。同时研究了提取出的可溶膳食纤维的乳化性、乳化稳定性和黏性，得出了对应的乳化性、乳化稳定性和黏性曲线。

图12 竹笋可溶性膳食纤维的黏性