青稞可溶性膳食纤维提取工艺优化及理化性质研究

李成彪，张文刚，张 杰，杨希娟，郑万财，党 斌

（青海大学农林科学院，青海省青藏高原农产品加工重点实验室，青海西宁 810016）

青稞（Hordeum vulgareL.var. nudumHook.f.） 是农牧民赖以生存的主要食粮，是藏区的第一大作物[1]。与其他谷物相比，青稞具有高蛋白质、高纤维、高维生素和低脂肪、低糖的营养特点，具有较高的营养和食疗价值[2]。青稞富含膳食纤维，其可溶性纤维和总纤维含量均高于其他谷类作物，尤其是青稞中的β -葡聚糖[1]。作为丰富的膳食纤维资源，青稞中的可溶性膳食纤维具有多种生理功能，不仅能在维持膳食平衡方面发挥重要作用，而且在预防结肠癌、心血管疾病和降低胆固醇等方面具有重要的生理功能，同时还可降低血脂含量、延缓小肠对葡萄糖的吸收速度，从而预防糖尿病的发生[3-4]。

可溶性膳食纤维含量高低是评价膳食纤维的重要指标[5]，其理化特性和生理功能特性会随着其含量的增加而有所改善，通常来说，可溶性膳食纤维含量在10%以上的才具有优良的性质[6]。而青稞膳食纤维组成中，SDF 与IDF 占比不平衡[7]，含量较少的SDF 导致膳食纤维品质较低、功能性差，而IDF 大多口感粗糙，较多的IDF 被加入到食品中时，会对食品的口感产生不利影响[8]。目前，酶法因其能较好地保护膳食纤维的组成和结构、污染小、易于实现工业化等优点，已被广泛应用于膳食纤维的改性中[9]。由于膳食纤维中含有较多木聚糖、纤维素等多糖类和壳聚糖类物质[10]，通过酶解作用后，纤维大分子由于分子链断裂被降解，从而使SDF 含量增加[11]。

为了改善青稞的口感，提高其生理活性，充分发挥青稞中可溶性膳食纤维的功能特性，选择纤维素酶、木聚糖酶对青稞全粉进行酶解改性，提高青稞全粉中的SDF 含量，进而提高其生理功能特性，同时使其在应用到产品时，兼顾营养的同时又可以改善产品的口感。研究2 种酶法提取工艺所得青稞可溶性膳食纤维的理化特性、功能特性的变化，筛选出最优的青稞可溶性膳食纤维改性方法与工艺，以期为青稞功能性食品的开发和推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料及试剂

青稞籽粒（昆仑20#），青海省农林科学院提供；纤维素酶（5.0×104U）、木聚糖酶（1.0×105U），郑州鸿瑞食品有限公司提供；糖化酶（1.0×105U），ɑ-淀粉酶（1.0×104U）、源叶生物、胰蛋白酶（2.5×105U）、食用油、浓硫酸、胆酸钠、糠醛、DNS 显色试剂、葡萄糖。

1.2 仪器与设备

HH-4 型数显恒温水浴锅，国华电器有限公司产品；DL-5M 型低速冷冻离心机，湖南长沙湘仪仪器有限公司产品；AL204 型万分之一分析天平，梅特勒- 托利多仪器有限公司产品；电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司产品。

1.3 测定方法

（1） 水分的测定的方法。参考GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定方法》中的测定方法。

（2） 可溶性膳食纤维的测定方法。参考文献[12]中的方法，并稍作修改。

（3） 持水力的测定[13]。称取0.5 g 样品m0于已知质量的50 mL 离心管中，加蒸馏水20 mL，摇匀于室温下漩涡振荡12 h，以转速4 000 r/min 离心10 min，弃上清液，并用吸水纸吸干离心管壁残留的水分，称量并计算试样吸水后质量m1。

式中：m1——样品湿质量，g；

m0——样品干质量，g。

（4） 持油力的测定方法[14]。称取0.5 g 样品于50 mL离心管中，加入大豆油30 mL，搅拌均匀后静置16 h，以转速5 000 r/min 离心10 min，完全去掉上油层，称质量，计算样品持油性。

式中：m2——样品吸油后的质量，g；

m1——样品干质量，g。

（5） 膨胀力的测定方法[15]。称取0.2 g 样品M置于20 mL 量筒中，测定体积V1后，加10 mL 蒸馏水，室温下静置24 h，测定吸水后体积V2，计算膨胀力。

式中：V2——吸水后样品体积，mL；

V1——吸水前样品体积，mL；

M——样品质量，g。

（6） 胆酸钠吸附能力的测定方法[8]。以不同胆酸钠标准溶液浓度为横坐标，吸光度为纵坐标绘制标准曲线。样品经处理后，采用糠醛比色法于波长620 nm处测定吸光值，根据标准曲线计算胆酸钠的含量。对胆酸钠吸附能力计算公式如下所示。

式中：D——样品对胆酸钠吸附能力，mg/g；

Ma——吸附前溶液的胆酸钠质量，mg；

Mb——吸附后上清液中胆酸钠质量，mg；

m——样品的干物质量，g。

（7） 对葡萄糖吸附作用的测定[16]。采用3-5 二硝基水杨酸法绘制葡萄糖标准曲线。样品经处理后，在波长540 nm 处测定吸光度，葡萄糖吸附能力（GAC）按下式计算。

式中：n1——原溶液葡萄糖的量，mmoL；

n2——吸附后上清液葡萄糖的量，mmoL；

m——样品质量，g。

1.4 可溶性膳食纤维的提取方法

取1.500 g 青稞全粉，用柠檬酸钠-柠檬酸溶液调节pH 值和水分，再加入纤维素酶或者木聚糖酶搅拌均匀后酶解一定时间。酶解完成后，加入25 mL蒸馏水在沸水浴中灭酶10 min，离心并收集上清液，依次加入0.05 g ɑ -淀粉酶、胰蛋白酶、糖化酶，每种酶的酶解时间均为1 h，酶解结束后用4 倍的无水乙醇沉淀1 h，将无水乙醇及沉淀在105 ℃电热鼓风干燥箱中烘干并称量。烘干至恒质量的沉淀质量，即为可溶性膳食纤维的质量。

1.5 试验设计

取同一批次的青稞全粉，精密称取1.500 0 g，固定其他因素不变的条件下，分别考查水分含量（14%，18%，22%，26%，30%）、酶解时间（30，50，70，90，110 min）、酶添加量（0.3%，0.6%，0.9%，1.2%，1.5%）、酶解温度（30，40，50，60，70 ℃）、pH 值（4.0，4.5，5.0，5.5，6.0） 等5 个因素对SDF 提取率的影响，以筛选出最优酶解条件。

2 结果与分析

2.1 青稞可溶性膳食纤维酶解工艺优化

2.1.1 单因素试验

（1） 水分含量对青稞全粉SDF 提取率的影响。

水分含量对SDF提取率的影响见图1。

图1 水分含量对SDF提取率的影响

由图1 可知，随着水分含量的增加，2 种酶在不同水分环境下对SDF提取率的影响呈现不断增加的变化趋势，当水分含量为26%时，SDF提取率达到最高值，再继续增加水分含量，SDF提取率反而下降。水分含量决定了酶解底物的浓度，底物的浓度过高或者过低，都会影响化学反应的平衡导致化学反应变慢[17]，而水分含量26%时底物浓度较为合适，酶解效果最好，因此选择水分含量为26%较适宜。

（2） 酶解时间对青稞全粉SDF提取率的影响。

酶解时间对SDF提取率的影响见图2。

图2 酶解时间对SDF提取率的影响

由图2 可知，随着酶解时间的增加，2 种酶的作用时间对SDF提取率的影响呈先增加后减小的变化趋势，在酶解时间为50 min 和70 min 时，纤维素酶和木聚糖酶的提取率达到最高值。随着时间的延长，底物与酶结合较充分，呈现饱和状态，再延长时间，底物被消耗，酶分子的有效含量也有所降低，酶解速率随之降低。可见，纤维素酶的最适酶解时间为50 min，木聚糖酶为70 min。

（3） 酶添加量对青稞全粉SDF提取率的影响。

酶添加量对SDF提取率的影响见图3。

图3 酶添加量对SDF提取率的影响

由图3 可知，随着酶添加量的增加，2 种酶的酶添加量对SDF 提取率的影响呈现先增加后减少的变化趋势，且都在酶添加量为0.6%时SDF提取率达到最大值。当底物一定时，随着酶添加量的增加，酶解速率也增加，但是当酶添加量达到一定程度时，酶与底物充分结合达到饱和[18]，继续添加酶会使得酶的作用位点减少[19]，酶解速率趋于平缓，导致酶解效果降低。因此，纤维素酶、木聚糖酶的酶添加量均以0.6%较适宜。

（4） 酶解温度对青稞全粉SDF提取率的影响。

酶解温度对SDF提取率的影响见图4。

图4 酶解温度对SDF提取率的影响

由图4 可知，随着酶解温度的上升，2 种酶的酶解温度对SDF提取率的影响都呈先增后减的变化，且都在40 ℃时SDF提取率到达最高值。高温环境下，酶的结构遭到破坏，导致其活性、稳定性都有所下降[17]，而低温条件不能提高反应体系的活化能[20]，也会导致酶解效果降低。因此，确定纤维素酶、木聚糖酶的最适酶解温度为40℃。

（5） pH 值对青稞全粉SDF提取率的影响。

pH 值对SDF提取率的影响见图5。

图5 pH 值对SDF提取率的影响

由图5 可知，随着pH 值的增大，2 种酶的pH 值对SDF提取率的影响呈先增加后减少的变化趋势，最后趋于平缓。当pH 值为4.5，5.0 时纤维素酶与木聚糖酶的提取率达到最高值，分别为18.786%和24.497%。2 种酶的最适pH 值4.5 与5.0 左右，pH值过高或者过低都会引起酶空间结构的变化而导致其活性降低，同时影响酶与底物的结合，导致酶解效果不好。因此，纤维素酶的最适pH 值为4.5，木聚糖酶的最适pH 值为5.0。

2.1.2 酶解工艺条件的优化

根据单因素试验结果，以SDF提取率为考查指标，以水分含量（A）、酶解时间（B）、酶添加量（C）、酶解温度（D）、pH 值（E） 为考查因素。采用L16（45）正交试验设计进行试验。

（1） 纤维素酶法提取工艺条件的优化。

纤维素酶法正交试验设计及结果见表1，纤维素酶法正交试验验证结果见表2。

表1 纤维素酶法正交试验设计及结果

表2 纤维素酶法正交试验验证结果

从直观分析结果看，各因素的作用大小依次为A＞E＞D＞C＞B。综合考虑，最优工艺组合为A2B1C1D3E1，即水分含量24%，酶解时间30 min，酶添加量0.3%，酶解温度40 ℃，pH 值4.0。在最优条件下，对该工艺组合进行验证，SDF提取率为25.467%，高于正交试验的任何一组，说明优化的工艺条件可行。

（2） 木聚糖酶法提取工艺条件的优化。

木聚糖酶法正交试验设计及结果见表3，木聚糖酶法正交试验验证结果见表4。

表3 木聚糖酶法正交试验设计及结果

表4 木聚糖酶法正交试验验证结果

从直观分析结果来看，各因素的作用大小依次为B'＞A'＞E'＞D'＞C'。综合考虑，最优工艺组合为A'2B'1C'1D'1E'2，即水分含量24%，酶解时间50 min，酶添加量0.3%，酶解温度30 ℃，pH 值4.75，在最优条件下，对该工艺组合进行验证，SDF提取率为29.544%，高于正交试验中的任何一组，说明优化的工艺条件可行。

2.2 2 种酶法提取SDF效果比较

2.2.1 2 种提取工艺对青稞可溶性膳食纤维得率的影响

2 种酶法提取工艺对青稞全粉SDF 提取率的影响见图6。

图6 2 种酶法提取工艺对青稞全粉SDF 提取率的影响

采用了不同的提取工艺对青稞全粉中可溶性膳食纤维进行提取（见图6）。经过2 种酶解工艺提取后，青稞全粉中的SDF提取率分别高达25.467%，29.544%，与对照组相比，SDF提取率分别提高了2.9 倍，3.4 倍，2 种酶解提取工艺能够显著提高SDF提取率，且所提取的可溶性膳食纤维品质较好，优于高品质膳食纤维标准（SDF≥10%）。2 种酶解提取工艺对SDF提取率的影响不显著，木聚糖酶法提取工艺所提取的SDF提取较高。赵匀淑等人[21]研究了不同提取方式对大蒜秸秆可溶性膳食纤维含量的影响。结果表明，采用纤维素酶法提取能显著提高大蒜秸秆可溶性膳食纤维的提取率，这与本研究的结论一致。

2.2.2 2 种提取工艺对青稞全粉可溶性膳食纤维理化特性的影响

可溶性膳食纤维构成成分中有较多的亲水基团、亲油基团，因此有较强的持水性、持油性。进入人体肠胃后，在持水力和持油力的作用下能较好地吸收食物中的水分、油脂等，导致溶胀后体积显著增加，能够提高饱腹感，同时减少人体进食量和油脂的摄入，进而达到有效控制体重甚至减肥的作用[22]。

2 种酶法提取工艺对青稞全粉SDF理化性质的影响见图7。

图7 2 种酶法提取工艺对青稞全粉SDF理化性质的影响

由图7 可知，酶解工艺提取的可溶性膳食纤维的持水力、持油力、膨胀力较对照组相比有不同程度的提高。其中，木聚糖酶法提取工艺所得的可溶性膳食纤维持水力、持油力、膨胀力最大，与对照组相比分别提高了1.32 倍，1.46 倍，1.39 倍，这可能是因为酶解过程中破坏了细胞壁，使可溶性膳食纤维结构疏松，孔隙率增加，结晶度降低，结合位点暴露更多[10]。这3 个理化指标与可溶性膳食纤维的生理活性作用息息相关，数值越大时可溶性膳食纤维的理化性质就越好。因此，木聚糖酶法提取工艺所得的可溶性膳食纤维理化性质最优。王成祥等人[23]研究了不同改性方法对青稞膳食纤维理化特性的影响，结果表明，酶法改性能不同程度的提高青稞膳食纤维的持水力、持油力、膨胀力，这与本研究的结论一致。

2.2.3 2 种提取工艺对青稞全粉可溶性膳食纤维胆酸钠吸附能力的影响

可溶性膳食纤维对胆酸钠的吸附能力是用来衡量其降血脂功能特性的重要指标。

2 种酶法提取工艺对青稞全粉SDF胆酸钠吸附能力的影响见图8。

图8 2 种酶法提取工艺对青稞全粉SDF胆酸钠吸附能力的影响

与对照组相比，由酶法提取工艺所得的青稞可溶性膳食纤维胆酸钠吸附能力有不同程度的提高，分别提高了1.19 倍，1.32 倍，其中木聚糖酶法提取的可溶性膳食纤维胆酸钠吸附能力最强，降血脂功能特性最优。Caroline C 等人[24]研究了果胶酶和纤维素酶复合酶处理对羽扇豆籽膳食纤维结合胆酸盐的能力的影响时，也发现酶水解可以提高膳食纤维结合胆酸盐的能力。

2.2.4 2 种提取工艺对青稞全粉可溶性膳食纤维葡萄糖吸附能力的影响

可溶性膳食纤维具有良好的吸附作用，通过阻止葡萄糖的吸收和扩散起到降血糖的作用[23]。

2 种酶法提取工艺对青稞全粉SDF葡萄糖吸附能力的影响见图9。

图9 2 种酶法提取工艺对青稞全粉SDF葡萄糖吸附能力的影响

由图9 可知，酶法提取工艺得到的可溶性膳食纤维较对照组相比葡萄糖吸附能力分别提高了2.21倍，2.25 倍，可显著地提高可溶性膳食纤维的葡萄糖吸附能力，Liu Y 等人[25]采用纤维素酶处理米糠膳食纤维时，也得出了相似的结论。2 种酶法提取工艺所得的可溶性膳食纤维相比，葡萄糖吸附能力相差不大，木聚糖酶提取工艺提取的可溶性膳食纤维葡萄糖吸附能力最好，说明其降血糖效果最好。

3 结论

通过正交试验，确定了纤维素酶法提取工艺的条件为水分含量24%，酶解时间30 min，酶添加量0.3%，酶解温度40 ℃，pH 值4.0，此条件下SDF提取率为25.47%；木聚糖酶法提取工艺的条件为水分含量24%，酶解时间50 min，酶添加量0.3%，酶解温度30 ℃，pH 值4.75，此条件下SDF提取率为29.544%。2 种酶法提取工艺条件相比较，物料水分含量、酶添加量相同；纤维素酶法提取工艺可节省时间20 min；木聚糖酶法提取工艺所需的酶解温度条件较纤维素酶法提取工艺低10 ℃；木聚糖酶法提取工艺所需的pH 值较纤维素酶法提取工艺高0.75；木聚糖酶法提取工艺所得SDF提取率较纤维素酶法提取工艺所得的高4.077%。综合比较，木聚糖酶法提取工艺酶解条件温和、酶解效率高、能耗少、提取率高。

2 种酶法提取工艺所得的SDF理化性质较对照组有显著的提高。2 种酶法提取工艺所得SDF理化性质相比较，除持水力无显著性差异外，持油力、膨胀力、葡萄糖吸附能力、胆酸钠吸附能力都有显著性差异。木聚糖酶法提取工艺所得的SDF持水力、持油力、膨胀力都高于纤维素酶法提取工艺所得的SDF，而这3 个理化指标与SDF生理功能特性的发挥呈正相关；木聚糖酶法提取工艺所得的SDF葡萄糖吸附能力、胆酸钠吸附能力最强，而这2 个值越大说明SDF发挥其调节血糖和血脂的能力越强，这与测定的理化性质趋势相同。因此，木聚糖酶法提取工艺所得的SDF理化性质最好。

综上，木聚糖酶法提取工艺提取率高、酶解效率高、能耗少，且所提取的SDF理化性质好，吸附能力强，更适合于青稞可溶性膳食纤维的提取。