超微粉碎纤维素酶法改性竹笋膳食纤维的工艺评价

王娜 柯轶 魏瑜

摘 要：以竹筍为原料，评价超微粉碎纤维素酶法对膳食纤维（DF）改性的影响。通过检测竹笋可溶性膳食纤维（SDF）的得率、持水力以及膨胀力，分析超微粉碎法粉碎时间（0～25 s）、纤维素酶浓度（0.1%～0.5%）、酶解时间（30～150 s）、酶解温度（30～55℃）、pH值（4.5～5.5）对竹笋膳食纤维改性的影响;通过Box-Behnken中心组合试验设计方法，将酶浓度、酶解温度、酶解时间以及样品pH值因素作为自变量，并以样本SDF得率作为响应值，构建四因素三水平Box-Behnken模型，分析竹笋DF改性工艺。结果表明：经超微粉碎竹笋DF的性质与未改性相比显著更优（P<0.05），粉碎时间0～10 s内，随超微粉碎时间的延长，竹笋SDF得率、持水力与膨胀性升高。经超微粉碎处理10 s 后SDF得率（8.60±0.142）%、持水力（5.11±0.050） g·g-1、膨胀性（11.06±0.067）mL·g-1。随超微粉碎的时间进一步延长，竹笋SDF得率、持水力与膨胀性开始下降;在纤维素酶0.1%～0.3%浓度范围内，随着纤维素酶的浓度升高，竹笋SDF得率、持水力及膨胀力均逐渐增大，当纤维素酶的浓度>0.3%，随着纤维素酶的浓度升高，竹笋SDF得率、持水力及膨胀力均逐渐下降;酶解时间60 min，竹笋SDF得率、持水力及膨胀力最佳;当pH达到4.5，竹笋SDF得率、持水力及膨胀力最佳;对竹笋SDF得率影响中最显著因素为纤维素酶浓度（F=28.76），其次为pH（F=18.05）、酶解时间（F=11.43）、酶解温度（F=10.93）;Design-Expert回归模型分析显示，酶浓度0.32%、酶解时间85.03 min、酶解温度为50℃，pH值4.81，竹笋SDF得率预测值达到15.89%。

关键词：超微粉碎纤维素酶法;改性;竹笋膳食纤维;工艺优化

中图分类号：TS 201.4   文献标志码：A   文章编号：0253-2301（2021）05-0006-05

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2021.05.002

Process Evaluation of the Modification of Dietary Fiber in Bamboo Shoots byUltra-fine Pulverization-Cellulase Method

WANG Na， KE Yi， WEI Yu

（Fujian Vocational College of Bioengineering， Fuzhou， Fujian 350008， China）

Abstract： By taking the bamboo shoots as raw materials， the effect of ultra-fine pulverization-cellulase method on the modification of dietary fiber （DF） was evaluated. By detecting the yield， water-holding power and expansive force of soluble dietary fiber （SDF） in bamboo shoots， the effects of ultra-fine pulverization time （0-25 s）， cellulase concentration （0.1%-0.5%）， enzymolysis time （30-150 s）， enzymolysis temperature （30-55℃） and pH value （4.5-5.5） on the modification of dietary fiber in bamboo shoots were analyzed. By taking the enzymolysis concentration， enzymolysis temperature， enzymolysis time and pH value of samples as the independent variables， and the yield of SDF in the samples as the response value， the Box-Behnken central composite design method was used to construct a Box-Behnken model with 4 factors and 3 levels， thus to analyze the DF modification technology of bamboo shoots. The results showed that the properties of DF in bamboo shoots after ultra-fine pulverization were significantly better than those without modification （P<0.05）. The yield， water-holding power and expansibility of SDF in bamboo shoots increased with the extension of ultra-fine pulverization time within 0-10 s. The yield of SDF was （8.60±0.142） %， the water-holding power was （5.11±0.050） g·g-1， and the expansibility was （11.06±0.067） mL·g-1 after ultra-fine pulverization for 10 s. The yield， water-holding power and expansibility of SDF in bamboo shoots began to decrease with the further extension of ultra-fine pulverization time. In the range of cellulase concentration from 0.1% to 0.3%， the yield， water-holding power and expansive force increased with the increase of cellulase concentration. When the cellulase concentration was greater than 0.3%， the yield， water-holding power and expansive force of SDF in bamboo shoots decreased with the increase of the cellulase concentration. The best yield， water-holding power and expansive force of SDF in bamboo shoots were obtained after enzymatic hydrolysis for 60 min. When the pH reached 4.5， the yield， water-holding power and expansive force of SDF in bamboo shoots were the best. The most significant factor affecting the yield of SDF in bamboo shoots was the cellulase concentration （F=28.76）， followed by the pH （F=18.05）， enzymolysis time （F=11.43） and enzymolysis temperature （F=10.93）. The Design Expert regression model analysis showed that the predicted yield of SDF in bamboo shoots reached 15.89% with the cellulase concentration being 0.32%， enzymolysis time being 85.03 min， enzymolysis temperature being 50℃， and pH value being 4.81.

Key words： Ultra-fine pulverization-cellulase method;Modification;Dietary fiber of bamboo shoots;Process optimization

膳食纤维（DF）又被称之为“第七大营养素”，属于不可被人体消化的一类多糖物质，研究发现，人体摄入足量的膳食纤维有助于降低血清胆固醇、血糖及血脂等指标，并缓解便秘症状，膳食纤维的摄入有助于减肥、预防发生结肠癌等[1-2]。DF依据溶解性的不同可分成不溶性膳食纤维（IDF）与可溶性膳食纤维（SDF），IDF能起到增大食糜的体积、促进肠蠕动作用，从而可有效缓解便秘症状，SDF相比IDF在人体内具更高的生理功能，进而可有效改善人体肠道内菌群，延缓对葡萄糖的吸收，并具有降低胆固醇指标水平，降低心血管疾病的发生风险等作用[3-6]。竹笋属于一类常食用的绿色蔬菜，其富含膳食纤维、蛋白质、氨基酸、矿物质以及无机盐等营养成分，但SDF的含量占比相对较低，改性竹笋膳食纤维以提高SDF含量是当前研究的重点[7]。既往针对竹笋膳食纤维改性的研究发现，纤维素酶有助于改性竹笋DF，但对于超微粉碎纤维素酶法工艺鲜有报道[8-10]。本研究以超微粉碎纤维素酶法为切入点，分析超微粉碎和纤维素酶法对竹笋膳食纤维改性的影响，总结超微粉碎纤维素酶法改性竹笋膳食纤维的优化工艺。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

麻竹笋，选用X菜市场采购样本;纤维素酶（10万U·g-1，山东隆科特酶制剂有限公司）、食品级α-淀粉酶（2000 U·g-1，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）;分析纯级硫酸、糠醛;食品级柠檬酸、Na2CO3、山梨酸钾、果冻粉及白砂糖。

1.2 试验仪器与设备

高速连续式超微粉碎机（XL30C，广州市旭朗机械设备有限公司）;旋转蒸发器（RE52，上海亚荣生化仪器厂）;紫外可见分光光度仪（UV2000，上海尤尼柯仪器有限公司）;高速离心机;真空干燥箱;TA-XT plus型质构分析仪（StableMicroSystems公司，英国）。

1.3 试验方法

1.3.1 制备竹笋膳食纤维 取新鲜的麻竹笋作为检测样品，麻竹笋洗净切片后取笋肉，使用沸水漂烫处理8 min，置于60℃下烘干，通过粉碎机粉碎处理并经过100目筛，获取竹笋粉，添加800 U·g-1木瓜蛋白酶，控制料液比在1∶20 （g/mL），置于55℃下酶解2 h，将样本取出置于沸水灭酶处理15 min，处理后样本置于3000 r·min-1转速离心机进行离心处理15 min获取沉淀物，经冷冻、干燥及粉碎获得竹笋DF粉。

1.3.2 超微粉碎-纤维素酶法改性竹笋膳食纤维 竹笋DF粉置于超微粉碎机进行超微粉碎处理，并按料液比1∶8加入纤维素酶（10萬U·g-1），后调控pH，置于一定温度下酶解，并测定竹笋粉SDF得率、持水力以及吸附胆酸钠能力，分析超微粉碎-纤维素酶法的具体改性条件。

1.3.3 单因素试验 分析超微粉碎法（粉碎时间0～25 s）、纤维素酶的浓度（0.1%～0.5%）、酶解时间（30～150 s）、酶解温度（30～55℃）、pH值（4.5～5.5）对竹笋DF改性影响;通过响应面法分析并验证竹笋DF改性工艺的优化作用。

1.3.4 Box-Behnken中心组合试验设计方法 通过Box-Behnken中心组合试验设计方法，将酶浓度、酶解温度、酶解时间以及样品pH值4个因素作为自变量，并以样本SDF得率作为响应值，构建四因素三水平Box-Behnken模型，分析竹笋DF改性工艺。试验设计因素水平见表1。

1.3.5 SDF的得率检测 样品SDF 得率检测采取改性竹笋DF 1.0 g，添加20 mL水混匀处理，并置于3000 r·min-1转速离心机进行离心处理5 min，采集上清液进行蒸发浓缩处理至5 mL，添加20 mL浓度95%乙醇沉淀处理12 h后离心处理，以收集沉淀60℃干燥至恒重状态下。检测SDF得率。SDF得率=SDF质量/原料总质量×100.0%。

1.3.6 持水力测试 准确称取1.0 g的改性竹笋DF，添加10 mL蒸馏水并进行充分搅拌，密封后放置24 h，样本经4000 r·min-1高速离心处理25 min后弃去上清液，样本置于滤纸上以沥干滤渣中水分，将其转入表面皿进行称量，计算样本持水力。

1.3.7 膨胀力测试 准确称取0.2 g样品，置于10 mL量筒中，并读取、记录样本体积为V1，准确添加8 mL纯水后振荡均匀，置于室温下24 h，记录改性竹笋DF吸水后体积膨胀性（swelling capality，SC）。

1.4 数据处理

通过SPSS 20.0统计学软件分析并处理研究数据，该试验检测结果中，针对计量数据均以（平均数±标准差）描述数据，数据差异采用单因素分析，并以P<0.05表示数据差异存在统计意义。响应面试验通过Design-Expert 11软件分析。

2 结果与分析

2.1 超微粉碎法粉碎时间对竹笋DF改性影响分析

从表2可知，经超微粉碎竹笋DF的性质与未改性相比显著更优（P<0.05），粉碎时间0～10 s内，随超微粉碎的时间延长，竹笋SDF得率、持水力与膨胀性升高。经超微粉碎处理10 s后SDF得率（8.60±0.142）%、持水力（5.11±0.050） g·g-1、膨胀性（11.06±0.067）mL·g-1。随超微粉碎的时间进一步延长（>10 s），竹笋SDF得率、持水力与膨胀性开始下降。竹笋DF通过超微粉碎处理后的粒径会减小且呈现均匀分布，使其与水分子的接触面积逐渐增多，持水力增加。但超微粉碎的时间过长则会导致多糖分子中的部分化学键发生断裂，颗粒粒径小则聚集力更强，从而阻碍水分子的进入使竹笋的持水力、膨胀性下降。经超微粉碎处理后的SDF含量增加，可能是受机械剪切的作用导致竹笋DF的部分键发生断裂进而转化为水溶性聚合物。故经超微粉碎竹笋DF性质得到显著改善，但超微粉碎时间不宜过久，可选择进行超微粉碎10 s。

2.2 纤维素酶浓度对竹笋DF改性影响分析

由表3可知，在纤维素酶0.1%～0.3%浓度范围内，随着纤维素酶的浓度升高，竹笋SDF得率、持水力及膨胀力均逐渐增大，当纤维素酶的浓度>0.3%，随着纤维素酶的浓度升高，竹笋SDF得率、持水力及膨胀力均逐渐下降。纤维素酶能分解竹笋DF当中纤维素组分，并生成可溶性膳食纤维等活性成分，竹笋DF经纤维素酶处理后，其结构变疏松，DF与水相互作用得到改善，充分酶解并使竹笋SDF得率升高，持水力、膨胀性提高。但当酶的浓度过高时，可能因酶与底物已完全结合而导致不再生成新的SDF，因此，竹笋SDF得率、持水力及膨胀力会趋于平缓或开始降低，故试验选择0.3%的纤维素酶浓度进行竹笋DF改性。

2.3 酶解时间对竹笋DF改性影响分析

从表4可知，在酶解初期（30～60 min），随着酶解时间的延长，竹笋SDF得率、持水力及膨胀力随之升高;当酶解时间>60 min，竹笋SDF得率、持水力及膨胀力开始下降。酶解时间短，竹笋DF的酶解不完全，当酶解时间过长时可导致SDF降解成亲水小分子等，因此，酶解时间选择60 min。

2.4 酶解温度对竹笋DF改性影响分析

从表5可知，当酶解温度<45℃，随着酶解温度升高，竹笋SDF得率、持水力及膨胀力呈升高趋势。但当酶解温度>45℃，酶因高于最适温度导致发生变性失活，SDF的含量降低，持水力及膨胀力下降。酶解温度控制在45℃时，竹笋SDF得率、持水力及膨胀力最佳。由此，控制酶解温度在45℃最合适。

2.5 pH值对竹笋DF改性影响分析

从表6可知，当pH达到4.5，竹笋SDF得率、持水力及膨胀力最佳。随着pH的增大、减小，竹笋DF的性质都发生改变。研究以pH值4.5作为纤维素酶酶解的最佳pH值。

2.6 响应面法在竹笋DF改性工艺的优化作用

从表7可知， Design-Expert 11对竹笋DF改性工艺数据进行二次多项式回归分析显示，回归方程二阶效应具有显著性（P<0.01），失拟项不具有显著（P>0.05），回归决定系数R2=0.9313，提示响应值SDF得率变化来自影响因素变化，回归模型对试验拟合度较好。分析F值发现，对竹笋SDF得率影响中最显著因素为纤维素酶浓度（F=28.76），其次为pH（F=18.05）、酶解时间（F=11.43）、酶解温度（F=10.93）。

2.7 改性条件模型的验证及应用

Design-Expert回归模型分析显示，酶浓度0.32%、酶解时间85.03 min、酶解温度为50℃，pH值4.81，竹笋SDF得率预测值达到15.89%。针对优化条件重复3次试验显示，SDF得率为（15.41±0.31）%。

3 结论

在纤维素酶的作用下，大分子纤维素可降解成为低分子的多糖、寡糖、单糖，使部分的IDF转化成SDF，从而增加SDF的含量[11-12]。以水溶性膳食纤维SDF得率为指标，采用纤维素酶法可提高笋渣水溶性膳食纤维的得率[13-15]。根据预试验结果，分别对影响纤维素酶加入量、酶解pH、酶解温度以及酶解时间几个因素进行分析显示。对竹笋SDF得率影响中最显著因素为纤维素酶浓度，其次为pH、酶解时间、酶解温度。Design-Expert回归模型分析显示，酶浓度0.32%、酶解时间85.03 min、酶解温度为50℃，pH值4.81，竹笋SDF得率预测值达到15.89%。依据上述试验可确定竹笋DF改性的最佳工艺条件，从而制备优质的竹笋改性膳食纤维。

参考文献：

[1]张瀚文，余秋文，张一凡，等.膳食纤维的生理功能及改性方法研究进展[J].农业科技与装备，2021（1）：64-65，68.

[2]何康慧.竹笋水不溶性膳食纤维稳定Pickering乳液及其应用[D].武汉：华中农业大学，2020.

[3]龚娣，陈程莉，常馨月，等.竹笋膳食纤维的改性研究进展[J].中国食品添加剂，2020，31（1）：172-178.

[4]李安平，谢碧霞，钟秋平，等.不同粒度竹笋膳食纤维功能特性研究[J].食品工業科技，2008（3）：83-85.

[5]李安平，谢碧霞，种秋平，等.响应面分析法优化竹笋膳食纤维乳酸发酵改性条件研究[J].食品工业科技，2009（9）：193-195.

[6]安玉敏.改性方式对胡麻不溶性膳食纤维理化功能特性及结构的影响[D].临汾：山西师范大学，2019.

[7]苏玉，李璐，黄亮，等.超微化雷竹笋膳食纤维对高脂血症小鼠的影响[J].食品科学，2019，40（15）：211-218.

[8]王俊丽，臧明夏.膳食纤维改性研究进展[J].食品研究与开发，2012（5）：233-236.

[9]陈雪峰，吴丽萍，柯蕾，等.苹果渣膳食纤维改性工艺的初步探讨[J].食品与发酵工业，2004，30（6）：50-53.

[10]汪楠，黄山，张月，等.竹笋膳食纤维理化特性及改性技术研究进展[J].食品工业科技，2020，41（12）：353-357.

[11]李艳.不同酶法改性的马铃薯渣膳食纤维工艺条件及性能研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2019.

[12]康丽君，寇芳，沈蒙，等.响应面试验优化小米糠膳食纤维改性工艺及其结构分析[J].食品科学，2017，38（2）：240-247.

[13]陶俊奎.竹笋膳食纤维制备与微胶囊化包埋复合及功能特性研究[D].长沙：中南林业科技大学，2008.

[14]方东亚，郑亚凤.笋头膳食纤维复合酶法改性工艺优化及其理化特性评价[J].福建农业学报，2019，34（3）：364-370.

[15]房岩强，杨海莺，谢天，等.膳食纤维挤压改性研究进展[J].中国粮油学报，2016，31（2）：141-146.

（责任编辑：柯文辉）

收稿日期：2021-04-18

作者简介：王娜，女，1988年生，助教，主要从事微生物、分子生物学应用研究。

基金项目：福建生物工程职业技术学院项目（Kj201501）。