藏药蕨麻可溶性膳食纤维酶法提取工艺优化

切吉卓玛 ，李军乔 *，李积雲

1. 青海民族大学青藏高原蕨麻研究中心（西宁 810007）；2. 青海省生物技术与分析测试重点实验室（西宁 810007）；3. 青海民族大学生态环境与资源学院（西宁 810007）；4. 青海省科学技术信息研究所有限公司（西宁 810007）

蕨麻（Potentilla anserinaL.）又名“人参果”，是蔷薇科（Rosacrae），委陵菜属（Potentilla）的多年生草本，是一种匍匐茎克隆植物[1]。秋冬时节在青藏高原，蕨麻块根膨大呈圆球状、线结状或棒状，可供食用[2]。蕨麻在藏区已有悠久的食用历史，它在藏族人民心目中是珍贵的食物和馈赠佳品。蕨麻经加工后可以作为蕨麻罐头、蕨麻饮料、蕨麻糕点、蕨麻啤酒等产品上市销售，但蕨麻的深加工产品相对较少[3]。蕨麻的深加工产业一直受蕨麻产量较少、产区交通不便以及产区经济落后等条件的影响，发展较为缓慢。对蕨麻中的可溶性膳食纤维的提取工艺进行研究，了解蕨麻中可溶性膳食纤维的含量，有利于蕨麻深加工产业的发展。此次试验使用的原材料是青海蕨麻2号。青海蕨麻2号的块根中糖分含量较高，鞣质含量较少，口感好，更适宜作为食品原材料[3]。

膳食纤维（Dietary fiber）是一种碳水化合物，广泛存在于植物中或由人工合成，也被称为继六大营养素之后的“第七大营养素”[4]。根据膳食纤维能否溶于水，可将其分为非可溶性膳食纤维（Insoluble dietary fiber，IDF）和可溶性膳食纤维（Soluble dietary fiber，SDF）[5]。木质素、纤维素和半纤维素是市面上较为常见的三种非可溶性膳食纤维，它们主要存在于植物的细胞壁中[6]；在自然界的非纤维性物质中，大量存在的果胶、菊粉和树胶等物质是可溶性膳食纤维[7]。膳食纤维多数是不溶性的，只有可溶性膳食纤维才能够被人体消化吸收。可溶性膳食纤维能够有效地增加肠道中的有益菌群活性，使有益菌群在肠道中大量繁殖，从而使得肠道更加健康化[8]。

根据前期研究，检测出蕨麻中含有膳食纤维，可将蕨麻中的可溶性膳食纤维加以利用，提高蕨麻的经济价值。此次试验以青海蕨麻2号为原材料，将蕨麻中的可溶性膳食纤维进行制备，并对其理化性质进行简单研究。以青海蕨麻2号为原料，利用酶解法对蕨麻中的膳食纤维进行提取，通过对酶解法提取工艺的优化，为蕨麻的利用提供辅助依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试植物

青海蕨麻2号（下文中简称为蕨麻），采自青海省西宁市湟源县克素尔乡。清洗自然晾干的蕨麻，沥干水分后，放入烘箱中，在60 ℃烘干，粉碎，过40目筛备用。

1.1.2 主要试剂

纤维素酶（酶活力为50 000 U/g），无水乙醇、乙酸、乙酸钠均为分析纯。

1.1.3 仪器与设备

DHG-9240 B智能型电热恒温鼓风干燥箱（上海琅玕实验设备有限公司）；PL 203电子天平（梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司）；R-205旋转蒸发器（上海申顺生物科技有限公司）；W201D恒温水浴锅（上海申顺生物科技有限公司）；Neofuge 23 R高速冷冻离心机（力新仪器（上海）有限公司）；HH-4数显恒温水浴锅（上海梅香仪器设备厂）；FE 28-Standard pH计（梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司）；XFB-400高速中药粉碎机（吉首市中诚制药机械厂）。

1.2 试验方法

1.2.1 蕨麻可溶性膳食纤维酶解法提取工艺流程

蕨麻预处理→称取适量蕨麻粉→酶解→抽滤→旋蒸浓缩→加醇沉淀→静置过夜→离心取沉淀→干燥→蕨麻SDF

1.2.2 操作要点说明

准确称取1 g蕨麻粉，按一定的料液比加入纯水，混匀。加入一定量的纤维素酶，调节酶解溶液的pH到一定值。在一定的温度条件下水浴进行酶解。酶解完成后趁热抽滤，浓缩滤液至5～10 mL。在浓缩好的滤液中加入4倍体积的无水乙醇，静置过夜。以4 000 r/min离心10 min，离心后取沉淀，100 ℃烘干即得蕨麻的SDF。

1.2.3 单因素试验

选择料液比、纤维素酶用量、酶解溶液pH、酶解温度、酶解时间5个因素，分别考察这5个因素对蕨麻SDF提取率的影响。

1.2.3.1 料液比对蕨麻SDF提取率的影响

准确称取1 g蕨麻粉，按料液比1∶10，1∶15，1∶20，1∶25和1∶30（g/mL）加入纯水，混匀。加入200 U/g的纤维素酶，调节酶解溶液pH至4，在40 ℃条件下水浴2 h。后续步骤同1.2.2小节。在料液比不同的情况下，研究料液比与蕨麻SDF提取率的关系。

1.2.3.2 纤维素酶用量对蕨麻SDF提取率的影响

准确称取1 g蕨麻粉，当料液比为1∶20（g/mL）时，混匀。加入200，250，300，350和400 U/g的纤维素酶，调节酶解溶液pH至4，在40 ℃条件下水浴2 h。后续步骤同1.2.2小节。在纤维素酶用量不同的情况下，研究纤维素酶用量与蕨麻SDF提取率的关系。

1.2.3.3 酶解溶液pH对蕨麻SDF提取率的影响

准确称取1 g蕨麻粉，当料液比为1∶20（g/mL）时，混匀。加入200 U/g的纤维素酶，调节酶解溶液pH至3，3.5，4，4.5和5，在40 ℃条件下水浴2 h。后续步骤同1.2.2小节。在酶解溶液pH不同的情况下，研究酶解溶液pH与蕨麻SDF提取率的关系。

1.2.3.4 酶解温度对蕨麻SDF提取率的影响

准确称取1 g蕨麻粉，当料液比为1∶20（g/mL）时，混匀。加入200 U/g的纤维素酶，调节酶解溶液pH至4，在35，40，45，50和55 ℃条件下水浴2 h。后续步骤同1.2.2小节。在酶解温度不同的情况下，研究酶解温度与蕨麻SDF提取率的关系。

1.2.3.5 酶解时间对蕨麻SDF提取率的影响

准确称取1 g蕨麻粉，当料液比为1∶20（g/mL）时，混匀。加入200 U/g的纤维素酶，调节酶解溶液pH至4，在40 ℃条件下水浴0.5，1，1.5，2和2.5 h。后续步骤同1.2.2小节。在酶解时间不同的情况下，研究酶解时间与蕨麻SDF提取率的关系。

1.2.4 正交试验

依据单因素试验，当料液比为1∶20（g/mL）时蕨麻SDF的提取率较高。同时为简化试验过程，将料液比定为1∶20（g/mL）进行正交试验。当料液比固定不变时，以蕨麻SDF的提取率为指标。研究纤维素酶用量、酶解溶液pH、酶解温度、酶解时间4个因素对SDF提取率的影响。对4个因素进行L9(34)正交试验，探讨这些因素对蕨麻SDF提取率的影响，进而对蕨麻SDF提取工艺进行优化。表1为正交试验的因素水平表。

表1 正交试验因素水平表

1.2.5 蕨麻SDF提取率计算

1.2.6 蕨麻可溶性膳食纤维的理化性质测定

1.2.6.1 持水力的测定

准确称取250 mg蕨麻SDF样品，置于10 mL离心管中。加入10 mL纯水，摇匀，室温下静置1 h。以4 000 r/min离心15 min。取出后，弃去上清液，用滤纸吸干离心管内壁残留的水分，称其质量，计算持水力。

1.2.6.2 持油力的测定

准确称取250 mg蕨麻SDF样品，置于10 mL离心管中。加入10 mL花生油，摇匀，室温下静置1 h。以4 000 r/min离心15 min。取出后，弃去上层花生油，用滤纸吸干离心管内壁残留的油珠，称其质量，计算持油力。

1.2.6.3 溶胀性的测定

准确称取250 mg蕨麻SDF样品，置于10 mL试管中。加入5 mL纯水，摇匀，室温下放置24 h。读取试管中蕨麻SDF的体积，计算每克蕨麻SDF的溶胀体积。

2 结果与分析

2.1 蕨麻可溶性膳食纤维提取的单因素试验结果分析

2.1.1 料液比对蕨麻SDF提取效果的影响

按1.2.3.1的试验方法进行试验，结果见表2和图1。当料液比为1∶20（g/mL）时，SDF的提取率最大，为6.35%；当料液比为1∶10（g/mL）时，蕨麻粉与纯水之间接触不完全，酶解溶液浓度过大，反应不完全。当料液比逐渐增大时，酶解溶液浓度逐渐降低。随着酶解溶液浓度的降低，纤维素酶和底物均被不同程度地进行了稀释，SDF的提取率也会随之降低[4]。料液比的选择也关系到后续试验的进行，料液比过大会加重后续试验的压力。当纯水的量增加时，旋蒸浓缩的时间被动增加。若不进行旋蒸浓缩，在醇沉时，无水乙醇的消耗量增加。从降低能源物料消耗的角度考虑，选择料液比1∶20（g/mL）较为合适。

表2 料液比对SDF提取率的影响

图1 料液比对SDF提取率的影响

2.1.2 纤维素酶用量对蕨麻SDF提取效果的影响

按1.2.3.2的试验方法进行试验，结果见表3和图2。当纤维素酶用量为300 U/g时，SDF的提取率最大，为8.88%。当纤维素酶用量低于300 U/g时，SDF提取率逐渐上升。当纤维素酶用量为300 U/g时，SDF的提取率达到最高值，提取效果最佳。但当纤维素酶用量高于300 U/g时，SDF的提取率逐渐下降。这主要是纤维素酶的加入可以让细胞壁发生降解，促进可溶性膳食纤维的溶出[4]。在底物的量不发生变化的前提下，当纤维素酶用量达到一个水平时，会出现饱和现象。随着纤维素酶用量不断提高，细胞壁已经发生降解。当纤维素酶用量增加时，SDF的提取率逐渐会下降。由图2可知，选择纤维素酶用量300 U/g较为合适。

表3 纤维素酶用量对SDF提取率的影响

图2 纤维素酶用量对SDF提取率的影响

2.1.3 酶解溶液pH对蕨麻SDF提取效果的影响

表4 酶解溶液pH对SDF提取率的影响

图3 酶解溶液pH对SDF提取率的影响

按1.2.3.3的试验方法进行试验，结果见表4和图3。当酶解溶液pH为4.5时，SDF的提取率最大，为7.00%。当酶解溶液pH为3.5～4.5时，SDF的提取率有上升的趋势。当酶解溶液pH由4.5变为5时，SDF的提取率有下降的趋势。纤维素酶的最适pH大多在4.5～5之间。若pH较低，反应体系呈酸性；若pH较高，反应体系呈碱性。反应体系呈现过酸或过碱的状态会抑制酶的活性，对酶与底物的结合产生影响，进而影响产物的提取率[9]。由图3可知，酶解溶液pH 4.5较为合适。

2.1.4 酶解温度对蕨麻SDF提取效果的影响

按1.2.3.4的试验方法进行试验，结果见表5和图4。当酶解温度为40 ℃时，SDF的提取率最大，为7.33%。温度在35～40 ℃之间，SDF的提取率逐渐上升。当温度继续升高时，SDF的提取率有所降低。当反应体系的温度高于酶的最适温度时，可能会使酶分子逐渐变性，使反应体系的反应速率降低，产物提取率下降，对SDF的提取率产生影响。由图4可知，在40℃进行试验较为合适[10]。

表5 酶解温度对SDF提取率的影响

图4 酶解温度对SDF提取率的影响

2.1.5 酶解时间对蕨麻SDF提取效果的影响

按1.2.3.5的试验方法进行试验，结果见表6和图5。当酶解时间为1 h时，SDF的提取率最大，为8.91%。当酶解时间为0.5～1 h时，SDF的提取率有上升的趋势。当酶解时间超过1 h后，SDF的提取率有下降的趋势。当反应体系中底物的量和纤维素酶的量一定时，纤维素酶与底物发生接触以后，反应会逐步进行。反应时间过长，纤维素酶的量和能与纤维素酶发生反应的底物量都会有所减少，SDF的提取率会下降。在底物的量不变的前提下，反应时间越长，SDF的提取率会逐渐下降。故选择1 h为酶解时间较为合适。

2.2 蕨麻可溶性膳食纤维提取的正交试验结果与分析

当料液比固定不变时，研究纤维素酶用量、酶解温度、酶解溶液pH、酶解时间这4个因素对SDF提取率的影响。由表7可以看出，各种因素对蕨麻可溶性膳食纤维提取率的影响依次为A＞B＞D＞C。也就是说对蕨麻可溶性膳食纤维提取率影响最大的因素是纤维素酶用量。然后是酶解温度，其次是酶解时间，对蕨麻SDF提取率影响最小的是酶解溶液pH。提取蕨麻中SDF最优的工艺流程是A3B3C2D1，即料液比为1∶20（g/mL），纤维素酶用量为350 U/g，酶解温度为45℃，酶解溶液pH为4.5，酶解时间为1 h。在工艺流程下，蕨麻可溶性膳食纤维的提取率为6.53%。

表6 酶解时间pH对SDF提取率的影响

图5 酶解时间pH对SDF提取率的影响

表7 正交试验结果与分析

2.3 蕨麻可溶性膳食纤维的理化性质测定结果

蕨麻可溶性膳食纤维的持水力为2.34 g/g，持油力为5.69 g/g，溶胀性为6.67 mL/g。由以上数据可知蕨麻可溶性膳食纤维的持油力和溶胀性较高，有较强的生理活性，具有一定的利用价值。

3 结论与讨论

3.1 结论

提取可溶性膳食纤维的常用方法有酸法、碱法和酶法。此次试验采用纤维素酶法来提取蕨麻中的SDF，该方法简单易行，试验条件较为温和，可操作性强。用正交试验对蕨麻中的可溶性膳食纤维提取工艺进行了优化，得到了提取蕨麻中SDF最优的工艺流程：料液比1∶20（g/mL），纤维素酶用量350 U/g，酶解温度45 ℃，酶解溶液pH 4.5，酶解时间1 h。在此工艺流程下，蕨麻可溶性膳食纤维的提取率为6.53%。

3.2 讨论

可溶性膳食纤维对人体有益，但在当今社会中，成年人和儿童的可溶性膳食纤维的摄取量不足指导摄入量的1/2。人们可以多吃水果、蔬菜以及谷物，从中摄取可溶性膳食纤维。摄入一定量的可溶性膳食纤维能有效降低患冠心病、糖尿病和肥胖症的风险，同时还可以增强机体免疫力[11]。蕨麻是一种营养丰富的植物，具有极高的利用价值。通过试验发现蕨麻的SDF具有一定的持水性、持油性和溶胀性。蕨麻的SDF可以吸收食物中的水分和油脂，并给人体提供一定的饱腹感，对人体健康有益。