張　慶，唐　潔，林　凱，袁春紅，李　可，向文良

（西華大學生物工程學院，四川 成都　610039）

響應面法優(yōu)化甘薯酒精發(fā)酵醪渣膳食纖維提取工藝

張慶，唐潔，林凱，袁春紅，李可，向文良

（西華大學生物工程學院，四川 成都610039）

以新鮮甘薯酒精發(fā)酵醪渣為原料，采用單因素試驗和Box-Behnken響應面設計法對酶法制備膳食纖維的提取工藝進行優(yōu)化。結果表明：酶法提取新鮮甘薯酒精發(fā)酵醪渣膳食纖維的最佳工藝條件是反應體系pH 8.0、溫度55 ℃、堿性蛋白酶添加量0.45%、反應時間3 h、液料比9.5∶1。在此條件下，膳食纖維的得率為31.38%，蛋白去除率為85.92%。膳食纖維成分分析表明，總膳食纖維含量為58.74%，主要以不溶性膳食纖維為主。

甘薯；發(fā)酵醪渣；膳食纖維；提??；響應面分析

膳食纖維是指來源于植物的可食部分或碳水化合物及其類似物的總和，這些化合物具有抗消化特性，不能被人體小腸消化和吸收，但在結腸能部分或完全發(fā)酵代謝[1]。膳食纖維包括多糖（纖維素、半纖維素、果膠、樹膠及抗性淀粉等）、低聚糖、木質素以及各種非消化性低分子質量碳水化合物（多酚類物質、皂甙、蠟質、角質及抗性蛋白等）[2-3]。目前，膳食纖維的分類可根據其水溶性分為可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維；或根據其來源分為天然膳食纖維（植物類膳食纖維、動物類膳食纖維和微生物類膳食纖維）和合成類膳食纖維。其中，植物類膳食纖維是研究和應用最為廣泛的一類[4]。

自20世紀70年代起，有關膳食纖維有益健康的生理功能特性已引起公眾關注，并開展了廣泛研究[5]。研究表明，膳食纖維在保障人體營養(yǎng)健康方面起重要作用，很多疾病如便秘、冠心病、糖尿病、肥胖、結腸癌等的發(fā)生與發(fā)展與膳食纖維的攝入量不足有很大關系[6-8]。按照美國食品營養(yǎng)委員會建議，膳食纖維平均每天推薦攝入量為25～38 g[9]。在食品中添加膳食纖維是彌補日常飲食中膳食纖維攝入量不足的有效途徑。

我國甘薯（Ipomoea batatas Lam.）資源豐富，是世界上最大的甘薯生產國，每年的甘薯產量約1.3億 t。由于甘薯淀粉含量一般在20%～30%之間，且產量巨大，是理想的淀粉和生物酒精生產原料[10]。前人研究中，甘薯淀粉生產加工過程后產生的甘薯渣是制備甘薯膳食纖維的主要原料，制備方法主要有酶解去淀粉法、發(fā)酵法和物理篩分法等[11-13]。而甘薯在發(fā)酵生產酒精的過程中也會產生大量的發(fā)酵醪渣副產物，且甘薯發(fā)酵醪渣主要由粗纖維（28.56%）和蛋白（14.71%）組成，同時還含有多種維生素和多種氨基酸等有益成分[14]。在通常情況下，這些甘薯發(fā)酵醪渣被當作廢渣丟棄或作為飼料以簡單利用，這樣不僅浪費了大量膳食纖維資源，薯渣廢棄物的堆積也會對環(huán)境造成污染。因此，從甘薯酒精發(fā)酵醪渣中制取具有高附加值的膳食纖維，合理有效利用薯渣資源，對提升甘薯酒精發(fā)酵產業(yè)良性發(fā)展，提高企業(yè)經濟效益有重要促進作用。

本研究以新鮮甘薯酒精發(fā)酵醪渣為原料，采用酶解法從發(fā)酵醪渣中提取、制備膳食纖維，并利用響應面分析法對其提取工藝參數進行優(yōu)化，以獲得膳食纖維提取的最佳工藝條件，旨在為甘薯酒精發(fā)酵醪渣膳食纖維的產業(yè)化開發(fā)提供參考。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

釀酒酵母甘薯發(fā)酵生產酒精后醪渣，經自來水沖洗3 次，擠壓，60 ℃烘干，粉碎機粉碎后過30 目篩，真空干燥器內貯藏備用。

熱穩(wěn)定α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶諾維信中國公司；堿性蛋白酶（2×105U/g）北京奧博星生物技術有限責任公司；其他試劑均為分析純。

1.2儀器與設備

ZN-200A高速中藥粉碎機長沙市岳麓區(qū)中南制藥機械廠；YLD-2000電熱恒溫鼓風干燥箱黃石市恒豐醫(yī)療器械有限公司；SX-5-12箱式電阻爐天津市泰斯特儀器有限公司；HH-S4數顯恒溫水浴鍋金壇市醫(yī)療儀器廠；pHS-3C數字酸度計上海雷韻試驗儀器制造有限公司；H97恒溫磁力攪拌器上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；TB-214電子天平美國丹佛儀器公司；SHB-Ⅲ循環(huán)水式真空泵鄭州匯成科工貿有限公司；Kjeltec2200凱式定氮儀瑞典FOSS公司；ZHWY-200D恒溫培養(yǎng)振蕩器上海智城分析儀器有限公司。

1.3方法

1.3.1醪渣成分分析

蛋白含量測定：參照凱氏定氮法AOAC 955.04[15]；脂肪含量測定：參照GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的測定》，采用酸水解法；淀粉含量測定：參照GB/T 5009.9—2008《食品中淀粉的測定》，采用酶水解法；灰分含量測定：參照GB 5009.4—2010《食品中灰分的測定》；水分含量測定：參照GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》，采用直接干燥法；總膳食纖維、可溶性膳食纖維及不溶性膳食纖維的測定：參照膳食纖維測量標準AOAC 991.43方法[8]。

1.3.2膳食纖維提取工藝流程

取一定量粉碎過的甘薯乙醇發(fā)酵醪渣→熱水（90～95 ℃）漂洗5 min→堿性蛋白酶水解→過濾、漂洗、離心（6 500×g，10 min）→烘干→粉碎過60 目篩→膳食纖維產品，干燥器中貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.3堿性蛋白酶提取膳食纖維的單因素試驗

采用酶解法提取甘薯乙醇發(fā)酵醪渣膳食纖維，在反應體系pH 8.0，溫度55 ℃條件下，分別以加酶量（0.2%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2%（m/m））、液料比（4∶1、6∶1、8∶1、10∶1（mL/g））和酶解反應時間（1、2、3、4 h）為影響因素，通過單因素試驗考察其對蛋白去除率及膳食纖維得率的影響。

1.3.4堿性蛋白酶提取膳食纖維響應面優(yōu)化試驗

在單因素試驗的基礎上，利用Design Expert軟件，采用Box-Behnken試驗設計[16-17]，以膳食纖維得率和蛋白質去除率為評價指標，確定堿性蛋白酶提取新鮮甘薯酒精發(fā)酵醪渣膳食纖維最優(yōu)條件，因素水平及編碼見表1。

表1　響應面試驗因素及水平編碼值Table 1　Coded factors and their coded levels used in response surface methodology

1.3.5蛋白去除率和總膳食纖維得率的計算

蛋白質去除率和總膳食纖維得率的計算方法公式如下：

2　結果與分析

2.1甘薯酒精發(fā)酵醪渣成分分析

表2　甘薯酒精發(fā)酵醪渣主要成分分析Table 2　Proximate composition of sweet potato residue (dry weight)

由表2可見，薯渣中總膳食纖維含量占30.52%，主要由不溶性膳食纖維組成，為29.75%；甘薯淀粉在酵母酒精發(fā)酵中被淀粉酶、糖化酶等轉化為單糖已基本被耗盡；且薯渣中脂肪含量極低，因此酵母發(fā)酵后的甘薯醪渣是一種良好的膳食纖維來源。由于蛋白含量較高，約18%左右，因此去除蛋白是提取膳食纖維的主要步驟。薯渣是甘薯酒精發(fā)酵后的副產物，目前對其綜合利用研究較少，如能開發(fā)出具有高附加值的膳食纖維，可極大促進甘薯酒精發(fā)酵產業(yè)的良性發(fā)展。

2.2酶解法甘薯酒精發(fā)酵醪渣膳食纖維提取單因素試驗

2.2.1酶添加量對膳食纖維提取指標的影響

為了獲得較高純度的膳食纖維，需要盡可能除去薯渣中的蛋白質。本實驗中采用堿性蛋白酶的處理方法。反應體系控制在堿性蛋白酶的最適pH 8.0、最適溫度55 ℃、液料比8∶1（mL/g）、水解時間3 h。以蛋白去除率和膳食纖維得率為指標，研究適宜的堿性蛋白酶用量，結果見圖1。

圖1　堿性蛋白酶添加量對膳食纖維提取效果的影響Fig.1　Effect of protease concentration on DF extraction

由圖1可知，膳食纖維的得率在不同堿性蛋白酶量下差別不明顯。而蛋白的去除率則有明顯差異，當蛋白酶量在0.2%～0.4%時，蛋白質的去除率隨酶添加量的增加而明顯增大；當蛋白酶添加量大于0.4%時，酶與底物的結合趨于飽和，蛋白去除率增加不明顯，趨于平穩(wěn)。因此，確定堿性蛋白酶的添加量為0.4%。

2.2.2液料比對膳食纖維提取指標的影響

反應體系控制在pH 8.0、溫度55 ℃、堿性蛋白酶添加量0.4%、反應時間3 h，研究不同液料比對膳食纖維蛋白去除率及得率的影響。結果見圖2。

圖2　液料比對膳食纖維提取效果的影響Fig.2　Effect of liquid-material ratio on DF extraction

由圖2可知，在液料比在4∶1～8∶1之間時，隨著用水量 的增加，蛋白質的去除率逐漸增加。堿性蛋白酶可將蛋白水解成水溶性的小分子肽或氨基酸，體系中水量的增加可使小分子肽或氨基酸加速溶解，從而在后面的漂洗中更好去除。而當液料比為8∶1和10∶1時蛋白的去除率趨于平衡，并沒有明顯增加。為了得到更高純度的膳食纖維，結合膳食纖維的得率，兼顧節(jié)約水量，確定液料比為8∶1。

2.2.3酶解時間對膳食纖維提取指標的影響

反應體系控制在pH 8.0、溫度55 ℃、堿性蛋白酶的添加量0.4%、液料比8∶1時，考察時間對膳食纖維蛋白去除率及得率的影響。結果見圖3。

圖3　堿性蛋白酶處理時間對膳食纖維提取效果的影響Fig.3　Effect of hydrolysis time on DF extraction

由圖3可知，隨著時間延長，蛋白去除率逐漸增大。在1～3 h范圍內，蛋白去除率呈明顯上升趨勢，隨后趨于平緩。初始反應，酶與底物結合，底物蛋白逐漸被酶水解，蛋白去除率增加。而蛋白的水解是可逆反應，隨著時間的延長，底物的消耗與高產物濃度的變化等可能對蛋白 的水解產生抑制，蛋白去除趨于平穩(wěn)。水解時間的不同對膳食纖維得率沒有明顯差別。因此，確定水解時間為3 h。

2.3響應面試驗確定最佳酶解提取膳食纖維工藝參數

表3　響應面中心組合試驗設計及結果Table 3　Central composite design scheme and results for response surface analysis

在單因素試驗分析的基礎上，依據Box-Behnken試驗設計原理，選取液料比、堿性蛋白酶用量和反應時間3 個因素為自變量，以蛋白去除率和膳食纖維得率為響應值，設計響應面優(yōu)化分析試驗，結果見表3。

將表3所得的試驗數據進行回歸分析，三個因素經過回歸擬合分別得到以蛋白去除率（Y1）及膳食纖維得率（Y2）為目標函數的二次回歸方程：

表4　響應面試驗回歸模型方差分析Table 4　Variance analysis for the fitted regression equation

由回歸模型方差分析可知，回歸模型P值均小于0.000 1，達到了極顯著水平，說明該模型顯著回歸，方程能夠正確反映甘薯酒精發(fā)酵醪渣蛋白去除率及膳食纖維得率與各因素之間的關系。以蛋白去除率（Y1）為響應值的模型中，A、B、C、BC、A2、B2及C2的P值小于0.01，表明其差異極顯著；以膳食纖維得率（Y2）為響應值的模型中，A、B、C、AC、A2、B2及C2的P值小于0.01，表明其差異極顯著。模型的失擬項P值分別為0.682 9和0.179 6，均大于0.05，差異不顯著，說明回歸模型與實際實驗擬合較好，試驗誤差小，可用于模型分析。相關系數R2分別為0.978 0及0.972 7，表明采用響應面法設計所得的回歸模型有效，適用于甘薯發(fā)酵醪渣膳食纖維提取實驗的理論預測。

2.4響應面分析

響應面及等高線圖能夠直觀地反映出各個因素及其交互作用，利用Design Expert軟件即可以作出兩因素交互作用的響應面圖及其等高線圖，結果見圖4、5。

圖4　各因素交互作用對蛋白去除率的響應面及等高線圖Fig.4　Response surface and contour plots for the interactive effects of three factors on the removal rate of protein

圖5　各因素交互作用對膳食纖維得率的響應面及等高線圖Fig.5　Response surface and contour plots for the interactive effects of three factors on the yield of dietary fib er

圖4、5直觀的反映了膳食纖維提取中蛋 白去除及膳食纖維得率各個因素之間的相互作用和影響。從圖4a可以看出，等高線沿酶用量軸變化較液料比軸向變化相對密集，曲面較陡，說明酶用量對蛋白去除率的影響較顯著。從圖4b可以看出，等高線沿液料比軸向變化相對稀疏，而沿時間軸變化較較密集，說明酶解時間對蛋白去除率的影響較大。從圖4c可以看出，在時間及酶量較大范圍內均可以得到較大的響應值，且曲面最陡，說明兩因素之間的交互作用對蛋白去除率影響最顯著；從圖5a可以看出，等高線沿液料比軸變化較酶用量軸向變化相對密集，曲面較陡，說明液料比對膳食纖維得率影響較顯著。從圖5b可以看出，在液料比較大范圍內均可以得到較大的響應值，等高線沿液料比軸向變化密集程度略大于時間較軸向方向，說明液料比響應值的影響較顯著。從圖5c可以看出，等高線沿時間軸向變化較酶用量軸向變化相對密集，說明酶解時間對響應值的影響較顯著。圖5b曲面最陡，說明液料比和酶解時間的交互作用對膳食纖維得率的影響最為顯著。

2.5工藝優(yōu)化與驗證實驗

分別對二次回歸方程分析，可得最優(yōu)化的甘薯酒精發(fā)酵醪渣蛋白去除率及膳食纖維提取率條件分別為液料比9.45∶1、酶用量0.47%、時間3.32 h，該條件下蛋白去除率的理論預測值為86.19%；液料比9.63∶1、酶用量0.42%、時間3.01 h，該條件下膳食纖維得率的理論預測值為32.30%。

對最佳提取工藝進行驗證實驗，根據實際生產，綜合考慮蛋白去除率和膳食纖維得率指標，將預測條件優(yōu)化為液料比9.5∶1、酶用量0.45%、時間3 h。結果得出在此優(yōu)化工藝條件下，膳食纖維的得率為31.38%，蛋白去除率為85.92%，與模型理論預測值的偏差均約為1.0%，說明該響應面回歸模型具有可行性。

2.6甘薯酒精發(fā)酵醪渣膳食纖維成分分析

表5　甘薯醪渣膳食纖維組成分析Table 5　Proximate composition of sweet potato residue DF (dry weight)

由表 5可知，甘薯酒精發(fā)酵醪渣膳食纖維中，總膳食纖維含量為58.74%，明顯高于芒果（28.05%）、桃（30.7%）、柑橘（36.9%）以及香蕉（31.8%）等水果膳食纖維產品中膳食纖維的含量[18-21]，但低于酸橙皮（66.7%）、檸檬皮（60.1%）、蘋果渣（78.2%）以及海棗果肉（88%）等產品中膳食纖維的含量[22-24]。且甘薯酒精發(fā)酵醪渣膳食纖維中主要以不溶性膳食纖維（57.17%）為主，可溶性膳食纖維僅占約1.57%。此外，脂肪含量為2.18%，水分含量為6.18%。商品化的膳食纖維一般要求總膳食纖維含量要高于50%，脂肪含量低于5%，水分含量要低于9%[25]。甘薯酒精發(fā)酵醪渣提取的膳食纖維主要指標符合商品化的膳食纖維的標準。

3　結 論

釀酒酵母甘薯酒精發(fā)酵醪渣中總膳食纖維含量為30.52%，淀粉、脂肪含量低，可以作為制備膳食纖維的理想原料。通過單因素試驗和響應面分析法優(yōu)化酶法提取膳食纖維的工藝，在反應體系pH 8.0、溫度55 ℃時，得出最佳提取條件為堿性蛋白酶添加量0.45%、反應時間3 h、液料比9.5∶1。在此優(yōu)化工藝條件下，膳食纖維的得率為31.38%，蛋白去除率為85.92%。制備所得膳食纖維成分分析發(fā)現，總膳食纖維含量為58.74%，主要以不溶性膳食纖維為主，脂肪為2.18%、水分為6.18%，符合商品化膳食纖維的主要指標。

[1]AACC (American Association of Cereal Chemists) dietary fiber technical committee. The definition of dietary fiber[J]. Cereal Food World, 2001, 46(3): 112-129.

[2]ELLEUCH M, BEDIGIAN D, ROISEUX O, et al. Dietary fibre and fibre-rich by-products of food processing: characterisation, technological functionality and commercial applications: a review[J]. Food Chemistry, 2011, 124(2): 411-421.

[3]RODRIGUEZ R, JIMENEZ A, FEMANDEZ-BOLANOS J, et al. Dietary fibre from vegetable products as source of functional ingredients[J]. Trends in Food Science and Technology, 2006, 17(1): 3-15.

[4]謝碧霞, 李安平. 膳食纖維[M]. 北京: 科學出版社, 2006: 20.

[5]ABDUL-HAMID A, LUAN Y. Functional properties of dietary fiber prepared from defatted rice bran[J]. Food Chemistry, 2000, 68(1): 15-19.

[6]MANN J I, CUMMINGS J H. Possible implications for health of the different definitions of dietary fibre[J]. Nutrition, Metabolism and Cardiovascular Diseases, 2009, 19(3): 226-229.

[7]JIMéNEZ-ESCRIBANO A, RINCóN M, PULIDO R, et al. Guava fruit as a new source of antioxidant dietary fiber[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2001, 49(11): 5489-5493.

[8]TAVAINI A, LA VECCHIA C. Fruit and vegetable consumption and cancer risk in a Mediterranean population[J]. The American Journal of Clinical Nutrition, 1995, 61(6): 1374-1377.

[9]Food and Nutrition Board, Institute of Medicine. Dietary reference intakes: Proposed definition of dietary fiber, a report of the panel on the definition of dietary fiber and the standing committee on the scientific evaluation of dietary reference intakes[M]. Washington DC: National Academy Press, 2001: 10.

[10] LI S Z, CHAN-HALBRENDT C. Ethanol production in (the) People’s Republic of China: potential and technologies[J]. Applied Energy, 2009, 86(S1): S162-S169.

[11] 劉達玉, 左勇. 酶解法提取薯渣膳食纖維的研究[J]. 食品工業(yè)科技, 2005, 26(5): 90-92.

[12] 鄔建國, 周帥, 張曉昱, 等. 采用藥用真菌液態(tài)發(fā)酵甘薯渣獲得膳食纖維的發(fā)酵工藝研究[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2005, 31(7): 42-44.

[13] 曹媛媛, 木泰華. 篩法提取甘薯膳食纖維的工藝研究[J]. 食品工業(yè)科技, 2007, 28(7): 131-133.

[14] 王碩, 楊云超, 王立常. 甘薯酒精渣飼喂肉牛飼養(yǎng)試驗[J]. 畜禽業(yè), 2010(4): 8-10.

[15] AOAC. Official methods of analysis[S]. 17th ed. Gaithersburg, MD: Association of Official Analytical Chemists, 2000.

[16] 杜彬, 李鳳英, 范長軍, 等. 響應面法優(yōu)化葡萄皮渣中可溶性膳食纖維的酸法提取工藝[J]. 食品科學, 2011, 32(22): 128-134.

[17] 張根生, 范愛月, 韓冰, 等. 響應曲面法優(yōu)化堿性蛋白酶提取林蛙殘體膠原蛋白[J]. 食品科學, 2011, 32(2): 93-97.

[18] VERGARA-VALENCIA N, GRANADOS-PEREZA E, AGAMAACEVEDO E, et al. Fibre concentrate from mango fruit: Characterization, associated antioxidant capacity and application as a bakery product ingredient[J]. LWT-Food Science and Technology, 2007, 40(4): 722-729.

[19] GRIGELMO-MIGUEL M, GORINSTEIN S, MARTIN-BELLOSO O. Characterization of peach dietary fibre concentrate as a food ingredient[J]. Food Chemistry, 1999, 65(2): 175-181.

[20] GRIGELMO-MIGUEL N, MARTINA-BELLOSO O. Characterization of dietary fibre from orange juice extraction[J]. Food Research International, 1999, 31(5): 355-361.

[21] RODRíGUEZ-AMBRIZ S L, ISLAS-HERNáNDEZ J J, AGAMAACEVEDO E, et al. Characterization of a fibre-rich powder prepared by liquefaction of unripe banana flour[J]. Food Chemistry, 2008, 107(4): 1515-1521.

[22] UBANDO J, NAVARRO A, VALDIVIA M A. Mexican lime peel: Comparative study on contents of dietary fibre and associated antioxidant activity[J]. Food Chemistry, 2005, 89(1): 57-61.

[23] FIGUEROLA F, HURTADO M L, ESTéVEZ A M, et al. Fibre concentrates from apple pomace and citrus peel as potential fibre sources for food enrichment[J]. Food Chemistry, 2005, 91(3): 395-401.

[24] ELLEUCH M, BESBES S, ROISEUX O, et al. Date flesh: Chemical composition and characteristics of the dietary fibre[J]. Food Chemistry, 2008, 111(3): 676-682.

[25] LARRAURI J A. New approaches in the preparation of high dietary fibre powders from fruits by-products[J]. Trends in Food Science and Technology, 1999, 10(1): 3-8.

Optimization of Dietary Fiber Extraction from Sweet Potato Residue from Ethanol Fermentation Using Response Surface Methodology

ZHANG Qing, TANG Jie, LIN Kai, YUAN Chun-hong, LI Ke, XIANG Wen-liang
(College of Bioengineering, Xihua University, Chengdu610039, China)

Response surface methodology was used to optimize the enzymatic extraction of dietary fiber from sweet potato residue after ethanol fermentation by using alkali protease. The results showed that the optimal extraction conditions were obtained as follows: enzyme dosage, 0.45% (m/m), extraction time, 3 hours and ratio of water to material, 9.5:1; pH, 8.0 and temperature, 55℃. Under these conditions, the yield of dietary fiber was 31.38% and the removal efficiency of protein was 85.92%. The proximate composition of dietary fiber showed that the content of total dietary fiber was 58.74%. The total dietary fiber was mainly composed of insoluble dietary fiber.

sweet potato; fermentation residue; dietary fiber; extraction; response surface methodology

TS261.9

A

1002-6630（2014）14-0062-06

10.7506/spkx1002-6630-201414012

2013-10-24

四川省教育廳一般項目（13ZB0025）；西華大學重點科研基金項目（Z1220531）

張慶（1979—），男，講師，博士，研究方向為生物質資 源利用及微生物發(fā)酵。E-mail：zhangqing0318@163.com