超微粉碎-酶法改性枣渣膳食纤维工艺优化

邢珂慧，鲁倩茹，邵佩兰，黄凤玲

(宁夏大学 农学院，银川 750021)

现代文明病是生理、心理、社会、遗传等因素共同作用的结果，而其防治与膳食营养密切相关。膳食纤维(DF)是被称为“第七大营养素”的一种不能被人体消化的多糖，大量研究证明，摄入足量膳食纤维可降低血清胆固醇、血脂、血糖，缓解便秘，利于减肥，防止结肠癌的发生[1]。根据溶解性不同分为可溶性膳食纤维(SDF)和不溶性膳食纤维(IDF)，IDF可增大食糜体积而促进肠蠕动，缓解便秘，而SDF较IDF在体内具有更强的生理功能，能有效改善肠道菌群，延缓葡萄糖吸收，降低胆固醇水平，减少心血管疾病发生等[2]，在食品加工中可作为增稠剂、膨胀剂、填充剂等而广泛应用于烘焙食品、饮料、调味品及果冻制品生产中[3]。SDF含量≥10%的膳食纤维为高品质膳食纤维，但大部分天然膳食纤维难以达到要求[4]，因此，通过物理、化学及生物等方法改性可提高其SDF含量，改善应用特性和生理功效，提高利用范围和价值。

枣渣为加工枣汁、枣酒等产生的废弃物，富含约14%的膳食纤维，但其SDF含量仅占约3%[5]。因此，改性枣渣膳食纤维以提高其SDF含量成为研究重点。赵梅[6]采用纤维素酶-木聚糖酶改性枣渣纤维，使SDF含量从6.79%提高到14.65%。孙静等[7]研究表明枣渣DF经高温蒸煮结合纤维素酶改性后，SDF含量增加了14.83%。大量研究表明纤维素酶对膳食纤维改性具有条件温和、专一性强、反应时间短、副产物少等优点[8]，而超微粉碎可增大膳食纤维比表面积和孔隙率，提高分散性、吸附性，能明显改善其功能活性[9]，且多种改性技术联合效果优于单一改性。本研究拟采用超微粉碎联合纤维素酶改性枣渣膳食纤维，通过响应面法优化改性条件，并将改性枣渣膳食纤维应用于果冻，以期为开发高品质、天然营养的膳食纤维产品提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料及试剂

枣渣：宁夏灵武长枣加工枣汁后的残渣；纤维素酶(10万U/g)、α-淀粉酶(2000 U/g，食品级)：山东隆科特酶制剂有限公司；脱氧胆酸钠：天津市凯通化学试剂有限公司；糠醛、硫酸等：均为国产分析纯；Na2CO3、柠檬酸、果冻粉、山梨酸钾、白砂糖等：均为食品级。

1.2 仪器与设备

XL-30C型高速连续式超微粉碎机 广州市旭朗机械设备有限公司；UV-2000型紫外可见分光光度仪 尤尼柯(上海)仪器有限公司；RE-52型旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂；TGL-10C离心机 上海安亭科学仪器厂；DZF-6053真空干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；TA-XT plus质构分析仪 英国Stable Micro Systems有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 枣渣膳食纤维的制备

枣渣经水洗3～5遍，除去果肉，沥干水分，于45 ℃烘干，粉碎过40目筛。取枣渣粉按料液比1∶10加入0.9% α-淀粉酶于60 ℃酶解1 h，冷却过滤，按料液比1∶12加入9.0% Na2CO3于50 ℃水解90 min，冷却、过滤，于60 ℃干燥至恒重即得到DF[10]。

1.3.2 超微粉碎-纤维素酶改性枣渣膳食纤维

取枣渣DF粉于超微粉碎机中超微粉碎一定时间，按料液比1∶8添加一定量纤维素酶，调节pH，于一定温度下酶解一定时间，分别测定SDF得率、持水力和吸附胆酸钠能力，考察超微粉碎-纤维素酶的改性条件。

1.3.3 响应面法优化DF改性工艺

采用Box-Behnken中心组合试验设计，以酶浓度、酶解时间、酶解温度、pH 4个因素为自变量，以SDF得率为响应值，设计四因素三水平的Box-Behnken模型，确定改性工艺。试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 The factors and levels of Box-Behnken response surface

1.3.4 SDF得率、持水力及吸附胆酸钠能力的测定

SDF得率的测定：取改性枣渣DF 1.0 g，按1∶20(g/mL)加水混匀，以3500 r/min离心5 min，将上清液旋转蒸发浓缩至约5 mL，加入4倍体积95%乙醇沉淀12 h离心，收集沉淀于60 ℃干燥至恒重，计算SDF得率。

(1)

持水力的测定：准确称取1.0 g改性枣渣DF于试管中，加入10 mL蒸馏水，充分搅拌混匀，密封静置24 h，4000 r/min离心25 min，弃上清液，于滤纸上沥干滤渣水分,并将其迅速转入表面皿中称质量，计算持水力[10]。

(2)

吸附胆酸钠能力：准确称取0.2 g胆酸钠于锥形瓶中，加入0.15 mol/L NaCl溶液100 mL，调节pH至 6.0，加入1.0 g改性枣渣DF于37 ℃振摇2 h，4000 r/min离心20 min，取上清液1 mL于试管中，加45%硫酸溶液6 mL、0.3%糠醛溶液1 mL，混匀，置于65 ℃恒温水浴30 min，冷却至室温后于620 nm处测吸光度，对比胆酸钠标准曲线换算吸附胆酸钠量[11]。

(3)

1.4 数据分析

试验测定结果以“平均数±标准差”表示，单因素试验用SPSS 18.0软件进行差异分析，以P<0.05判断为差异显著，响应面试验用 Design-Expert V8.0.6 软件分析试验数据和作图。

2 结果与讨论

2.1 超微粉碎对DF改性的影响

超微粉碎对枣渣膳食纤维SDF得率、持水力及胆酸钠吸附量的影响见表2。

表2 超微粉碎时间对DF改性的影响Table 2 Effect of ultrafine grinding time on the modification of dietary fiber

由表2可知，经超微粉碎DF的性质明显优于未改性(P<0.05)，且随超微粉碎时间延长，SDF得率、持水力和胆酸钠吸附量均逐渐增加；超微粉碎10 s时，SDF得率为(8.53±0.153)%，持水力为(5.07±0.048) g/g，胆酸钠吸附量为(190.49±0.57) mg/g。但随超微粉碎时间继续延长，其SDF得率、持水力及胆酸钠吸附量均明显降低(P<0.05)。枣渣DF经超微粉碎后，粒径减小且均匀分布，与水分子接触面积增多而使持水力增加。但粉碎时间较长会导致多糖分子部分化学键断裂，且颗粒粒径越小，相互聚集力越强，阻碍水分子进入而使持水力降低[12]。超微粉碎处理后SDF含量增高，可能是由于机械剪切作用使枣渣DF部分键断裂转化成水溶性聚合物所致。膳食纤维通过吸附胆酸盐排出体外，促进胆固醇代谢，减少胆汁酸重的吸收，阻断胆固醇的肠肝循环，使体内胆固醇水平下降[13]，经超微粉碎DF的表面积和孔隙率增大，使分散性、吸附性和流畅性等提高[14]，促使胆酸钠的吸附能力提高。经超微粉碎DF的性质明显改善，但不宜过久，故选择超微粉碎时间为10 s。

2.2 纤维素酶浓度对DF改性的影响

纤维素酶浓度对DF改性的影响结果见表3。

表3 纤维素酶浓度对DF改性的影响Table 3 Effect of cellulase concentration on the modification of dietary fiber

由表3可知，随纤维素酶浓度增加，SDF得率、持水力和吸附胆酸钠能力均逐渐增大，但当纤维素酶浓度大于0.3%时，酶浓度与DF性质呈显著负相关(P<0.05)。纤维素酶可分解DF中的纤维素组分，生成可溶性膳食纤维或分子量更小的寡糖等活性成分，枣渣DF经酶处理后结构变得疏松，膳食纤维与水的相互作用明显改善，酶解更充分，使SDF得率增加，持水力和吸附胆酸钠能力提高。但酶浓度过高时，可能由于底物与酶已完全结合，不再生成SDF，由此其得率、持水力和吸附胆酸钠能力均逐渐趋于平缓甚至降低，故选择纤维素酶浓度0.3%为宜。

2.3 酶解时间对DF改性的影响

酶解时间对DF改性的结果见表4。

表4 酶解时间对DF改性的影响Table 4 Effect of hydrolysis time on the modification of dietary fiber

由表4可知，随酶解时间延长，SDF得率、持水力和吸附胆酸钠能力均呈上升趋势，但酶解时间超过1 h后，SDF得率、持水力和吸附胆酸钠能力逐渐下降。酶解时间短，酶解不完全，而酶解时间长可使SDF进一步降解为亲水小分子、还原糖等，溶于水后在醇沉时不能被析出[15]，因此选择酶解1 h较适宜。

2.4 酶解温度对DF改性的影响

酶解温度对DF改性的结果见表5。

表5 酶解温度对DF改性的影响Table 5 Effect of hydrolysis temperature on the modification of dietary fiber

由表5可知，温度为45 ℃时，SDF得率、持水力和吸附胆酸钠能力均最佳。酶解温度低于45 ℃时，随酶解温度升高，SDF得率、持水力、吸附胆酸钠能力出现增长趋势。可能是因为温度升高使得分子运动和扩散速度加快，SDF含量也随之增加。但温度超过45 ℃时，酶高于最适温度而逐渐变性失活，因此SDF含量降低，其持水力和吸附胆酸钠能力随之下降。由此选择45 ℃为纤维素酶的最适酶解温度。

2.5 pH对DF改性的影响

pH对DF改性的结果见表6。

表6 pH对DF改性的影响Table 6 Effect of pH on the modification of dietary fiber

由表6可知，pH为4.5时，SDF得率、持水力和吸附胆酸钠能力均最佳，分别为(19.2±0.265)%、(5.13±0.059) g/g、(197.999±0.036) mg/g。pH增大或者减小，DF性质都会受到影响，说明酶解反应受体系pH的影响。由此选择4.5为纤维素酶酶解pH值。

2.6 响应面法优化 DF 改性工艺

2.6.1 响应面试验结果

Box-Behnken中心组合试验设计及结果见表7。

表7 响应面法试验设计及结果Table 7 Design and results of response surface methodology experiment

续 表

利用 Design-Expert V8.0.6软件对数据进行二次多项式回归拟合，得到SDF得率对酶浓度、酶解时间、酶解温度、pH的二次多项回归方程为：Y=-334.36+586.68A+7.71B+5.41C+62.35D+21.00AB-3.56AC-35.30AD+0.046BC+0.35BD+0.164CD-457.13A2-8.49B2-0.057C2-6.69D2。对回归方程进行方差分析和显著性检验，结果见表8。

表8 回归模型方差分析表Table 8 Variance analysis of the regression model

由方差分析可知，回归方程二阶效应极显著(P<0.01)，失拟项不显著(P>0.05)，回归决定系数R2=0.9225，表明响应值SDF得率的变化有92.25%来自于影响因素的变化，即回归模型对试验的拟合情况较好，误差较小，可以用于描述各因素与响应值之间的真实关系。由F值可知，对枣渣SDF得率影响最显著的是A，其次是D，B，C，表明纤维素酶浓度对IDF改性影响最大，pH和酶解时间次之，酶解温度影响最小。一次项中A对SDF得率线性关系显著；二次项A2、B2、C2、D2也对响应值有极高的显著影响。

2.6.2 响应面交互作用分析

根据二次回归方程绘制出的响应曲面的形状可以反映出两因素之间的交互作用是否显著[16]，曲率大的曲面表示两因素之间交互作用显著，反之交互作用较小。

图1 两因素交互作用对 SDF 得率的响应面图Fig.1 Response surface of any two factors on the yield of soluble dietary fiber

由图1响应面三维图可以看出，过高或过低的各因素水平均会使SDF得率降低。此图中只有酶浓度和酶解时间(a)、酶浓度和酶解温度(b)、酶浓度和pH(c)之间交互作用显著，说明酶浓度是影响SDF得率的主要因素，与单因素试验结果一致。

2.6.3 改性条件模型验证及其在果冻中应用

通过Design-Expert软件对回归模型进行分析，结果显示：酶浓度为 0.34%，酶解时间为1.43 h，酶解温度为49 ℃，pH为4.86时，SDF得率的预测值为15.76%。为验证回归模型预测的可靠性，对优化条件进行3次重复试验，SDF得率的平均值为15.47%±0.37%。此时，其持水性为(5.31±0.082) g/g，胆酸钠吸附量为(196.799±0.037) mg/g。将改性枣渣DF加入果冻中的成品呈红棕色，无不良风味，口感较Q弹，弹性为(3.386±0.413) mm，咀嚼性为(1.612±0.053) mJ，凝聚性为0.138±0.014，感官评分为(89.61±0.071)分，感官品质良好。

3 结论

以枣渣为原料，利用超微粉碎联合纤维素酶对其膳食纤维进行改性处理，在单因素试验的基础上，选取SDF得率作为响应值，利用响应面法优化改性条件，得出枣渣膳食纤维经超微粉碎10 s，0.43%纤维素酶于pH 4.86，49 ℃下酶解1.43 h，改性膳食纤维中SDF得率实测值为15.47%±0.37%，与预测值15.76%基本吻合，充分证明该模型方程的可靠性，可为增加枣渣膳食纤维的利用率提供理论依据。将经过改性的膳食纤维添加到果冻中，感官品质良好，质构性质适中。因此，枣渣膳食纤维的改性研究对扩大果渣综合利用途径以及开发研究更多营养高纤产品具有重要意义。