基于芦笋榨汁残渣生产全营养酶解粉的工艺

刘宝祥，苏政波*，马闯，李文婧

1.齐鲁工业大学（山东省科学院）山东省食品发酵工业研究设计院山东省食品发酵工程重点实验室（济南 250013）；2.山东商业职业技术学院食品药品学院（济南 250103）

芦笋（Asparagus officinalisL），又名石刁柏、龙须菜，是一种多年生的健康蔬菜食品，被世界卫生组织列为世界十大最具有营养价值的蔬菜之首，具有营养高、能量摄入低的特点，是国际上公认的防癌保健蔬菜[1]。芦笋营养价值丰富，含有多糖、有机酸、氨基酸、甾体皂苷、黄酮、多肽及衍生物、多酚（羟基肉桂酸、黄酮、芪类、木酚素和去甲木脂素）等多种功能性物质，许多研究证明芦笋具有降胆固醇、保肝、抗肿瘤、降血压、保肾、抗糖尿病、改善睡眠、抗焦虑等作用[2-3]。芦笋根含有36.8%～52.89%的糖类、17.93%的粗纤维、2.95%～6.1%的蛋白质、4.1%～8.83%的皂苷、5%～6.2%的油类、4.18%的无机物，此外还有少量的维生素C、黄酮和多酚。由于根部可以积累皂苷和果聚糖等，也常在中医中被用作辅助药物[4]。

芦笋残渣为制造芦笋浓缩汁过程中产生的废弃物，在压榨取汁后仍然较多残余营养物质，例如纤维素、膳食纤维和蛋白质[5-6]。近年来，国际上芦笋种植和加工发展迅速，国内用芦笋原料开发芦笋饮料，有关芦笋综合利用及提高原料利用率的研究也不断出现，芦笋废料的利用也越来越受到人们的重视。此次试验利用芦笋榨汁过程产生的副产物，提高芦笋的利用率，所添加物质为食品级，可直接食用。利用芦笋残渣富含的膳食纤维和其他营养物质，为产品的进一步应用提供方法基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

芦笋（市售，产地为菏泽市）；纤维素酶、复合植物水解酶（诺维信生物技术有限公司）；纤维素酶、半纤维素酶、木瓜蛋白酶（青岛康地恩生物科技有限公司）；碳酸氢钠、氢氧化钠、盐酸等为分析纯；所用水为纯净水。

1.2 仪器与设备

HR1863榨汁机[飞利浦（中国）投资有限公司]；DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）；40-10S高压均质机（上海东华高压均质机厂）；RV3V旋转蒸发仪[艾卡（广州）仪器设备有限公司]；L550低速离心机（长沙湘仪离心机仪器有限公司）；电热恒温水浴锅（北京医疗设备厂）；电子分析天平[梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司]；Buchi B-191喷雾干燥机（瑞士步琦有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 还原糖的测定

按照 GB 5009.7—2016《食品安全国家标准 食品中还原糖的测定》执行[7]。

1.3.2 蛋白质的测定

按照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》执行[8]。

1.3.3 膳食纤维的测定

按照GB 5009.88—2014《食品安全国家标准 食品中膳食纤维的测定》执行[9]。

2 结果与分析

2.1 原料制备

取适量新鲜芦笋，清洗后使用榨汁机榨汁，留取榨汁残渣置于50 ℃烘箱烘干至水分10%以下，使用粉碎机进行粉碎，过孔径75 μm滤网粉末备用。

2.2 酶解条件优化

2.2.1 料水比的影响

对粉碎好的芦笋残渣按照料水比1∶10，1∶15，1∶20，1∶30和1∶40（g/mL）条件进行复水后，升温。结果显示，1∶10和1∶15（g/mL）时样品太过黏稠，达不到搅拌要求，考虑经济因素，选择1∶20（g/mL）料水比进行后续操作。

2.2.2 酶的种类

取10 g芦笋残渣，加入纯净水定容至200 mL，添加康地恩纤维素酶、康地恩半纤维素酶、诺维信纤维素酶、诺维信复合植物水解酶，利用这4种酶进行单独酶解和两两协同酶解，于55 ℃水浴保温，不断搅拌，酶解3 h，检测酶解后水溶性总糖和还原糖的含量。

由表1可知，康地恩半纤维素酶和诺维信复合植物水解酶可以协同配合，达到更好的复合效果；两种纤维素酶效果相当，推测其成分基本类似，诺维信纤维素酶效果较好。根据试验结果，选择诺维信纤维素酶、复合植物水解酶和康地恩半纤维素酶3种酶复合进行酶解。

表1 不同酶制剂的酶解效果

2.2.3 温度对酶解的影响

取10 g芦笋残渣，加入纯净水定容至200 mL，添加诺维信纤维素酶、复合植物水解酶和康地恩半纤维素酶，于40，45，50，55和60 ℃水浴保温，不断搅拌，酶解180 min，检测酶解后水溶性总糖和还原糖的浓度。

由表2可知，温度对酶解效果影响较大，低温对复合酶有一定抑制，随着温度升高，反应速度加快。当温度超过一定范围后，酶会因热发生变性，导致催化活性下降[13]。此时，酶的最适温度在50 ℃左右。

表2 温度对酶解的影响

2.2.4 pH对酶解效果的影响

取10 g芦笋残渣，加入纯净水定容至200 mL，调整pH分别为3.0，3.5，4.0，4.5和5.0，添加诺维信纤维素酶、复合植物水解酶和康地恩半纤维素酶，于50℃水浴保温，不断搅拌，酶解180 min，检测酶解后水溶性总糖和还原糖的浓度。

大部分的酶受到其环境pH的影响，与温度对酶活力的影响类似，pH会影响酶蛋白的构象，影响酶分子的稳定性，也会影响酶分子的解离状态。在最适pH条件下，酶和底物之间有最适宜的结合和解离状态，从而使得酶具有最高的酶活力。由表3可知，复合酶的最适pH在4.0左右。

表3 pH对酶解的影响

2.2.5 加酶量对酶解的影响

取10 g芦笋残渣，加入纯净水定容至200 mL，调整pH至4.0，诺维信纤维素酶、复合植物水解酶和康地恩半纤维素酶分别添加0.050%，0.075%，0.100%，0.125%和0.150%，于50 ℃水浴保温，不断搅拌，酶解180 min，检测酶解后水溶性总糖和还原糖的浓度。

在酶促反应中，酶的浓度低时，反应速度与酶的浓度呈正比，酶的浓度越高，反应速度越快。酶的浓度达到一定程度，酶促反应的速度达到极致，再提高浓度已达不到提高反应速度的目的，甚至会因酶浓度过高，抑制酶促反应的进行。由表4可知，复合酶的最适添加量为各0.125%。

表4 加酶量对酶解的影响

2.2.6 复合酶的酶解时间

取10 g芦笋残渣，加入纯净水定容至200 mL，调整pH至4.0，添加0.125%诺维信纤维素酶、复合植物水解酶和康地恩半纤维素酶，于50 ℃水浴保温，不断搅拌，酶解240 min，取样检测酶解过程中水溶性总糖和还原糖的浓度。

由图1可知，随着酶促反应的进行，总糖和还原糖的浓度迅速提高，与酶解时间呈线性关系，随着酶解的进行，120 min后反应速度变慢，糖的浓度在150 min后达到最高。所以此反应的酶解时间在150 min左右。

图1 酶解过程总糖和还原糖的变化

2.3 酶解条件的正交优化

对芦笋残渣按比例添加纯净水进行复水，选择酶解温度、酶解时间、pH、加酶量为影响因素，以总糖为指标，设计L9(34)正交因素水平表，如表5所示。

表5 正交因素水平表

由表6可知，最佳工艺为A1B2C2D2，即芦笋残渣的最佳酶解工艺为酶解温度50 ℃、酶解时间150 min、pH 4.0、酶添加量0.125%。在正交设计表设计的条件范围内对总糖的影响顺序为A＞C＞B＞D，温度对酶解效果影响最大，酶添加量对酶解效果的影响最小。芦笋残渣的原始pH为3.85，接近优化pH，选择自然pH，不作调整。

表6 正交试验结果

2.4 蛋白酶添加时间确定

通过凯氏定氮法检测，芦笋残渣中的蛋白质质量分数为19.85 g/100 g，其中水溶性蛋白质的质量分数低于20%（3.72 g/100 g），此时选择木瓜蛋白酶进行芦笋残渣的处理。根据木瓜蛋白酶的使用条件，分别于3种酶使用前和酶解后添加，水溶性蛋白质的质量浓度分别为0.376和0.469 g/L，可见经过诺维信纤维素酶、复合植物水解酶和康地恩半纤维素酶3种复合酶酶解，再加入木瓜蛋白酶能够达到更好的效果，水溶性蛋白质的质量浓度提高了19.83%。这可能是由于纤维素和木质素等成分的包裹，木瓜蛋白酶不能直接作用于蛋白质，经过纤维素酶等处理，包裹的纤维素等成分分解，使蛋白质暴露出来，能够与木瓜蛋白酶作用，改善蛋白质表面疏水性。无规则卷曲增加，α-螺旋和β-折叠结构含量减少，更多的无规则卷曲结构为蛋白的良好表面性质及乳液稳定性的表达提供了更多柔性结构单元。酶解后肽键断裂形成小肽，其粒径大小逐渐降低，极性增加，电荷密度增大，亲水性增加，从而促进蛋白质的溶出和降解，氮溶解指数提高[11-12]。

综上所述，芦笋残渣的最佳酶解工艺：取适量芦笋残渣，按照1∶20（g/mL）的料水比定容，诺维信纤维素酶、复合植物水解酶和康地恩半纤维素酶各0.125%的酶添加量，在自然pH条件下于50 ℃酶解150 min；再加入芦笋残渣质量0.1%的木瓜蛋白酶，于50℃酶解120 min。

2.5 浓缩和干燥

均质机通过均质阀控制流体通过间隙的大小，产生高压、高速，达到高剪切、高速碰撞、空穴效应等作用。同时，由于其可控制于低温运行，不会破坏食品的营养、风味和热敏物质，被广泛应用于破碎分散、减小颗粒粒径、代谢产物提取等生产[13]。均质作用使酶解液中物料进一步分散和破碎，有利于喷雾干燥的进行。通入均质机于30 MPa左右均质1次，结合经济因素，均质后使用旋转蒸发仪将酶解液浓缩至质量分数约15%。

浓缩后的物料通入喷雾干燥机，喷雾干燥具有水分蒸发迅速、干燥时间短的优点，酶解辅助喷雾干燥制得的粉末溶解性好，色泽风味佳，食用方便[14]。设置进口温度170 ℃、出口温度90 ℃、压缩空气流量20%进行干燥。

干燥后检测相应指标，芦笋酶解粉的总糖质量分数为25.12 g/100 g，还原糖质量分数为20.34 g/100 g，水溶性蛋白质质量分数为16.38 g/100 g，可溶性膳食纤维（SDF）质量分数为23.74 g/100 g，总膳食纤维（TDF）质量分数为51.35 g/100 g。

3 结论

通过对芦笋榨汁残渣的酶解研究，确定芦笋榨汁残渣生产全营养的工艺条件：取适量新鲜芦笋，清洗后使用榨汁机榨汁，留取残渣置于50 ℃烘箱烘干，使用粉碎机进行粉碎，过孔径75 μm筛网；芦笋残渣按照1∶20（g/mL）的料水比定容，使用诺维信纤维素酶、复合植物水解酶和康地恩半纤维素酶，在自然pH条件按0.125%的酶添加量，于50 ℃酶解150 min，再加入芦笋残渣质量0.1%的木瓜蛋白酶，于50 ℃酶解120 min；酶解完成后30 MPa左右均质，使用旋转蒸发仪浓缩至质量分数约15%进行喷雾干燥，得到酶解粉。芦笋残渣全营养酶解粉富含膳食纤维和水溶性物质，溶解性好、营养丰富。