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(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院,寧夏銀川 750021;2.寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,寧夏銀川 750021)

高溫蒸煮結(jié)合酶解改性棗渣膳食纖維

孫靜1,邵佩蘭1,*,徐明2,趙宇慧1,杜文斌1,賀曉光1

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院,寧夏銀川 750021;2.寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,寧夏銀川 750021)

為探討高溫蒸煮結(jié)合纖維素酶酶解改性棗渣水不溶性膳食纖維的工藝。以棗渣為原料,采用高溫蒸煮、纖維素酶酶解改性棗渣水不溶性膳食纖維,以水溶性膳食纖維得率為指標(biāo),在單因素實驗基礎(chǔ)上,采用Box-Behnken中心組合設(shè)計,通過響應(yīng)面法優(yōu)化高溫蒸煮結(jié)合酶解改性工藝條件。結(jié)果表明:棗渣水不溶性膳食纖維經(jīng)120 ℃高溫蒸煮60 min,纖維素酶改性棗渣水不溶性膳食纖維最佳工藝條件為酶濃度0.55%、pH4.6、料液比1∶27 g/mL、酶解溫度43 ℃,酶解時間 2.5 h,在此條件下水溶性膳食纖維得率為20.03%±0.58%,與模型預(yù)測值20.37%較為一致。響應(yīng)面回歸方程與實驗結(jié)果擬合性好,說明此模型合理可靠,可為棗渣水不溶性膳食纖維改性的工業(yè)化應(yīng)用提供一定參考。

棗渣,不溶性膳食纖維,高溫蒸煮,酶解,響應(yīng)面

膳食纖維具有預(yù)防腸癌,改善糖代謝,降低膽固醇等功能[1-2]。按其溶解性可分為水溶性膳食纖維(SDF)和水不溶性膳食纖維(IDF)[3],IDF可促進腸道蠕動,具有緩解便秘和減少肥胖的作用[4-5],SDF能降低血糖、血脂,調(diào)節(jié)血壓,預(yù)防腸胃疾病和心血管疾病等[6-7]。膳食纖維中SDF含量達10%以上時具有良好的加工特性、功能特性和生理活性,才能成為高品質(zhì)的膳食纖維,然而天然的膳食纖維多是不溶性的[8],因此如何使IDF向SDF轉(zhuǎn)化,增加SDF含量,改善其理化性質(zhì)及生理功能成為目前膳食纖維改性研究的熱點。

紅棗具有保肝、抗腫瘤,增強機體免疫力等保健功能[9-11],加工棗汁的廢棄棗渣中含有14%的膳食纖維,是一種理想的天然食用纖維資源,但其SDF含量很低,約占3%左右[12]。目前,棗渣膳食纖維的研究主要集中于提取,郭雪霞[13]和陶永霞[14]等分別采用纖維素酶法和酶堿法從棗渣中提取SDF,得率分別為6.20%和11.32%,趙梅[15]等利用纖維素酶-木聚糖酶對棗渣進行酶法處理,使SDF得率由6.79%提高到14.65%。高溫蒸煮法是膳食纖維在一定高溫(100～130 ℃)、高壓(1.2×105～2.4×105Pa)作用下,高溫、高壓導(dǎo)致不溶性膳食纖維分子鏈斷裂,轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘陌肜w維素使SDF含量增加[16],而酶法制得的膳食纖維色澤淺,易漂白,無異味,純度較高[15],本文采用高溫蒸煮結(jié)合纖維素酶酶解改性棗渣IDF,以彌補單一改性方法的缺陷,且可降低膳食纖維的改性難度,為實現(xiàn)IDF向SDF的轉(zhuǎn)化,更好發(fā)揮膳食纖維生理功能,拓寬其在食品工業(yè)中應(yīng)用范圍提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

棗渣 寧夏靈武長棗加工棗汁后的廢棄物,經(jīng)食品化學(xué)與分析實驗室提取紅棗色素后的剩余殘渣;纖維素酶(溫度30～80 ℃,pH2.5～7.5,1000 U/g) 北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司;氫氧化鈉、鹽酸、乙醇 北京化工廠,其它試劑 均為國產(chǎn)分析純。

LXJ-ⅡB型離心機 上海安亭科學(xué)儀器廠;DHG-9053A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科技有限公司;DK-8B型電熱恒溫水槽 上海精宏實驗設(shè)備有限公司;RE-52型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;DSX-280 B型高壓蒸汽滅菌鍋 上海申安醫(yī)療器械有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 棗渣不溶性膳食纖維的制備 參照張嚴磊[17]的實驗方法并稍作修改。取適量棗渣,經(jīng)水洗、干燥至恒重、粉碎、過80目篩,以1∶10 (g/mL)料液比加入0.3%α-淀粉酶于50 ℃、pH6.5下酶解80 min,滅酶,3500 r/min離心5 min,棄上清,加入3.0% NaOH于60 ℃下堿解90 min,水洗、離心(3500 r/min,5 min)后取沉淀經(jīng)60 ℃干燥即得水不溶性膳食纖維(IDF)。

1.2.2 高溫蒸煮對IDF的改性 取1 g IDF 5份,以料液比1∶20 g/mL加水混勻,分別于120 ℃蒸煮40、60、80、100、120 min;另取1 g IDF 5份,以料液比1∶20 g/mL加水混勻,分別于100、105、110、115、120 ℃下蒸煮60 min。蒸煮后膳食纖維經(jīng)冷卻、離心(3500 r/min,5 min),取上清液于50 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至約5 mL,加入4倍體積95%乙醇沉淀12 h,離心(3500 r/min,5 min)收集沉淀、60 ℃干燥至恒重,即得水溶性膳食纖維(SDF),計算SDF得率[13]。

1.2.3 高溫蒸煮結(jié)合纖維素酶酶解對IDF的改性

1.2.3.1 酶濃度對IDF改性的影響 取1 g IDF 5份按1∶20 g/mL料液比加水混勻,于120 ℃蒸煮60 min后冷卻,調(diào)pH4.0,分別加入0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%纖維素酶于45 ℃酶解2 h。

1.2.3.2 pH對IDF改性的影響 取1 g IDF 5份按1∶20 g/mL料液比加水混勻,于120 ℃蒸煮60 min后冷卻,分別調(diào)pH為3.5、4.0、4.5、5.0、5.5,加入0.5%纖維素酶于45 ℃酶解2 h。

1.2.3.3 料液比對IDF改性的影響 取1 g IDF 5份,分別按1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40 g/mL料液比加水混勻,于120 ℃蒸煮60 min后冷卻、調(diào)pH4.0,加入0.5%纖維素酶于45 ℃酶解2 h。

1.2.3.4 酶解時間對IDF改性的影響 取1 g IDF 5份按1∶20 g/mL料液比加水混勻,于120 ℃蒸煮60 min后冷卻、調(diào)pH4.0,加入0.5%纖維素酶于45 ℃分別酶解1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 h。

1.2.3.5 酶解溫度對IDF改性的影響 取1 g IDF 5份按1∶20 g/mL料液比加水混勻,于120 ℃蒸煮60 min后冷卻、調(diào)pH4.0,加入0.5%纖維素酶分別于35、40、45、50、55 ℃酶解2 h。

酶解后膳食纖維經(jīng)離心(3500 r/min,5 min)取上清液,其他操作同1.2.2。

1.2.4 高溫蒸煮結(jié)合纖維素酶酶解改性IDF的工藝優(yōu)化 采用Box-Behnken中心組合實驗設(shè)計,在單因素實驗的基礎(chǔ)上,以酶濃度、pH、料液比、酶解溫度4個因素為自變量,可溶性膳食纖維得率為響應(yīng)值,酶解時間為2.5 h,設(shè)計四因素三水平的Box-Behnken模型,確定最優(yōu)改性工藝。實驗設(shè)計因素水平見表1。

表1 Box-Behnken響應(yīng)面因素和水平表Table 1 Factors and levels table of Box-Behnken response surface experiments

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

實驗數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準差表示,采用Design-Expert V8.0.6軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫蒸煮對IDF改性的影響

圖1 高溫蒸煮時間對IDF改性的影響Fig.1 Effect of steam-cooking time on the modification of insoluble dietary fiber

高溫蒸煮時間、溫度對IDF改性的影響結(jié)果見圖1、圖2。由圖1看出,隨蒸煮時間延長,SDF得率增加,60 min時SDF得率為14.0%,隨蒸煮時間繼續(xù)延長,SDF得率降低。圖2顯示隨蒸煮溫度升高,SDF得率逐漸增加,但增幅較緩,120 ℃時SDF得率為14.12%。IDF處于高溫高壓環(huán)境下,短時間蒸煮只能使膳食纖維中部分氫鍵斷裂,隨蒸煮時間延長,結(jié)晶區(qū)中氫鍵被破壞,結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)變得松散,使水分子易于進入,導(dǎo)致纖維素的水溶性增大,并釋放部分可溶性成分[16,18],同時多糖鏈的分子內(nèi)作用可能進一步減弱[16],從而使SDF溶出增多。但蒸煮時間過長易使SDF結(jié)構(gòu)破壞,醇沉?xí)r難以析出。蒸煮溫度越高,SDF得率越高,故本實驗選擇高溫蒸煮時間為60 min、溫度為120 ℃。

圖2 高溫蒸煮溫度對IDF改性的影響Fig.2 Effect of steam-cooking temperature on the modification of insoluble dietary fiber

2.2 高溫蒸煮結(jié)合纖維素酶酶解對IDF改性的影響

2.2.1 酶濃度對IDF改性的影響 IDF經(jīng)120 ℃高溫蒸煮60 min后,纖維素酶濃度對IDF改性的影響結(jié)果顯示(圖3),隨纖維素酶濃度增加,SDF得率逐漸增加,但纖維素酶濃度大于0.5%時,SDF溶出趨于平緩。酶與底物充分接觸有利于膳食纖維解聚,水分子進入結(jié)晶區(qū)的幾率增大,使得纖維素的水溶性增大。酶用量增加可大大增加酶與底物結(jié)合的幾率,從而增強水解程度[19]。但纖維素酶用量過大,使IDF降解為小分子低聚糖或單糖,因聚合度低而無法被乙醇沉淀,從而使SDF得率降低[20],故選擇纖維素酶濃度為0.5%為宜。

圖3 酶濃度對IDF改性的影響Fig.3 Effect of enzyme concentration on the modification of insoluble dietary fiber

2.2.2 pH對IDF改性的影響 IDF經(jīng)高溫蒸煮后,酶解pH對IDF改性的影響結(jié)果見圖4。由圖4看出,pH4.0時,SDF得率為20.04%,隨pH逐漸升高,SDF得率逐漸降低,表明纖維素酶在最適pH時最具活力,pH增大或減小都會抑制纖維素酶的活性,故確定纖維素酶酶解最適pH為4.0。

圖4 pH對IDF改性的影響Fig.4 Effect of pH on the modification of insoluble dietary fiber

2.2.3 料液比對IDF改性的影響 IDF以不同料液比加水混勻進行高溫蒸煮后再進行酶解,由5可得，SDF得率隨料液比增加呈現(xiàn)先增后降趨勢,料液比在1∶30 g/mL時SDF得率最大,為19.43%。料液比過小,溶液過于黏稠,酶與底物不能充分結(jié)合,使膳食纖維不能充分酶解;增大料液比,有利于酶促反應(yīng)徹底進行,水分子進入結(jié)晶區(qū)的幾率增大,進而使纖維素的水溶性增大,但料液比過大會大大減少底物濃度,因而使得SDF得率降低[13,15]。綜合考慮確定料液比為1∶30 g/mL。

圖5 料液比對IDF改性的影響Fig.5 Effect of liquid-solid ratio on the modification of insoluble dietary fiber

圖6 酶解時間對IDF改性的影響Fig.6 Effect of hydrolysis time on the modification of insoluble dietary fiber

2.2.4 酶解時間、溫度對IDF改性的影響 酶解時間、溫度對IDF改性的影響結(jié)果顯示(圖6、圖7),隨酶解時間延長、溫度升高,SDF得率出現(xiàn)先增后降的趨勢,酶解2.5 h、45 ℃時SDF得率最高,分別為18.03%和16.03%。酶解過程中,膳食纖維分子內(nèi)的氫鍵以及其他一些次級鍵逐漸斷裂,斷裂后的氫鍵與次級鍵更容易與水分子結(jié)合,使得膳食纖維的水溶性增加[19]。隨著酶解時間的延長,纖維素酶充分酶解底物,部分SDF聚合度降低,不能被無水乙醇沉淀,導(dǎo)致得率逐漸降低;酶解溫度高于45 ℃,SDF得率降低是由于當(dāng)高于最適溫度時,隨著溫度升高而使酶逐步變性,反應(yīng)速度下降,得率降低[13],由實驗可知纖維素酶的最適反應(yīng)溫度為45 ℃,因此,確定最適酶解時間為2.5 h、溫度為45 ℃。

圖7 酶解溫度對IDF改性的影響Fig.7 Effect of hydrolysis temperature on the modification of insoluble dietary fiber

與酶濃度、pH、料液比、酶解溫度這四個因素相比,酶解時間對SDF得率影響變化較小。酶解時間在2.5 h左右時,SDF得率相對較穩(wěn)定,因此固定酶解時間為2.5 h,選則酶濃度、pH、料液比、酶解溫度這四個因素為自變量進行下一步的優(yōu)化。

2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化IDF改性工藝

2.3.1 響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果分析 Box-Behnken中心組合實驗設(shè)計及結(jié)果見表2?；貧w統(tǒng)計分析表見表3。

表2 響應(yīng)面法實驗設(shè)計及實驗結(jié)果Table 2 Design and results of response surface methodology experiment

利用Design-Expert.V8.0.6軟件對數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合,得到SDF得率對酶濃度、pH、料液比、酶解溫度的二次多項回歸方程為:

Y=19.87+1.28A+0.61B+0.39C-0.15D+0.058AB+0.020AC-0.12AD-0.15BC-0.21BD-0.030CD-1.23A2-1.70B2-0.59C2-0.35D2。

表3 回歸模型方差分析表Table 3 Variance analysis of the regression model

注:“*” 表示差異顯著(p<0.05),“**” 表示差異極顯著(p<0.01)。

從表3分析結(jié)果可知,回歸決定系數(shù)R2為0.9596,修正決定系數(shù)為0.9193,說明該響應(yīng)值的變化有95.96%來源于所選因子變化,擬合程度良好;回歸模型p<0.0001,失擬項p>0.05,說明回歸模型極顯著,失擬項不顯著,能夠較好地描述實驗結(jié)果,使用方程代替真實的實驗點進行分析是可行的。而且該二次回歸方程的一次項及二次項中的A2、B2、C2都表現(xiàn)出極顯著影響,二次項中的D2表現(xiàn)出顯著影響。由F值大小可知,影響棗渣不溶性膳食纖維改性的因素主次順序為A>B>C>D。即纖維素酶濃度對水不溶性膳食纖維改性影響最大,pH和料液比次之,酶解溫度影響最小。

2.3.2 響應(yīng)面分析與優(yōu)化 根據(jù)二次回歸方程繪制的響應(yīng)面圖見圖8。

通過對比以上各圖可知,圖8(a、b)在不同pH和料液比條件下,隨酶濃度的增大,SDF得率均出現(xiàn)先增后減的變化,且曲面較陡峭,說明酶濃度是影響SDF得率的主要因素,但其與pH和料液比的交互作用均不顯著。從圖8(d、e)可看出,在不同料液比和溫度條件下,隨pH增大,SDF得率呈現(xiàn)出明顯的先增后降趨勢,說明pH對SDF得率的影響極顯著(p<0.0001),但pH與料液比和溫度的交互作用不顯著。由圖8(c、f)可知,在酶濃度和料液比不同的條件下,隨著溫度的升高,SDF得率變化不明顯,說明酶解溫度對SDF得率影響不顯著。從圖8(b、d)可看出,在不同酶濃度和pH條件下,隨料液比的增大,SDF得率均出現(xiàn)先增大后減小的變化,說明料液比對SDF得率影響較大。

圖8 兩因素交互作用對SDF得率的響應(yīng)面圖Fig.8 Response surface of any two factors on the yield of soluble dietary fiber

應(yīng)用響應(yīng)面尋優(yōu)分析方法對回歸模型進行分析,獲得SDF得率最大值時,酶濃度為0.55%,pH為4.6,料液比為1∶26.6 g/mL,酶解溫度為43.11 ℃。根據(jù)模型的預(yù)測,得率在優(yōu)化后的條件下得到的最大值為20.37%。為操作方便,對改性條件進行調(diào)整,選取酶濃度為0.55%,pH為4.6,料液比為1∶27 g/mL,酶解溫度為43 ℃。對優(yōu)化條件進行3次重復(fù)驗證實驗,以驗證模型方程預(yù)測的可靠性,得到SDF得率的平均值為20.03%±0.58%。

3 結(jié)論

本實驗采用高溫蒸煮結(jié)合纖維素酶酶解改性棗渣水不溶性膳食纖維,根據(jù)單因素實驗結(jié)果,利用Box-Behnken中心組合設(shè)計原理,通過Design-Expert軟件進行響應(yīng)面分析,建立了高溫蒸煮結(jié)合纖維素酶酶解改性棗渣水不溶性膳食纖維工藝的的數(shù)學(xué)模型。通過分析并綜合考慮,高溫蒸煮結(jié)合纖維素酶酶解改性工藝條件為:棗渣水不溶性膳食纖維經(jīng) 120 ℃高溫蒸煮 60 min,酶濃度 0.55%,pH4.6,料液比1∶27 g/mL,酶解溫度 43 ℃,酶解時間 2.5 h,在此條件下水溶性膳食纖維得率實測值為20.03%±0.58%,預(yù)測值為20.37%,其誤差僅為0.34%,表明實測值與預(yù)測值之間具有良好的擬合度,充分證明該數(shù)學(xué)模型的可靠性,可為棗渣不溶性膳食纖維改性的工業(yè)化應(yīng)用提供一定參考。

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一套《食品工業(yè)科技》在手，縱觀食品工業(yè)發(fā)展全貌

Technologyoptimizationonsteam-cookingcombingwithenzymatichydrolysismodificationofdietaryfiberfromjujuberesidues

SUNJing1,SHAOPei-lan1,*,XUMing2,ZHAOYu-hui1,DUWen-bin1,HEXiao-guang1

(1.College of Agriculture Science,Ningxia University,Yinchuan 750021,China;2.College of Life Science,Nanjing University,Yinchuan 750021,China)

The study aimed to discuss the technology of steam-cooking combining with cellulase hydrolysis on modification of insoluble dietary fiber. Extraction of IDF from jujube residues,using SDF yield as the index,the processing technologies of steam-cooking and cellulase modification were studied. Based on the single factor experiment,the technology optimization was by Box-Behnken central composite design and response surface methodology. The results showed that the steam-cooking technology of IDF from jujube residues was as follows:steam-cooking temperature 120 ℃ and treatment time 60 min,and the optimal technology for hydrolyzed of IDF by cellulase was determined as follows:enzyme concentration 0.55%,pH4.6,liquid-solid ratio 1∶27 g/mL,enzymatic hydrolysis temperature 43 ℃ and treatment time 2.5 h. Under these technological conditions,the SDF yield by combining steam-cooking and enzymatic hydrolysis was up to 20.03%±0.58%,which was very close to the predicted value of 20.37%. The regression equation of response surface was in good agreement with the experimental results,indicating that the model was reliable and will provide a reference for the industrial modification of IDF from jujube residues.

jujube residues;insoluble dietary fiber;steam-cooking;enzymatic hydrolysis;response surface

2017-05-22

孫靜(1992-),女,碩士研究生,研究方向：非熱加工技術(shù)、果蔬貯藏與加工,E-mail:18209614658@163.com。

*通訊作者:邵佩蘭(1963-),女,本科,教授,研究方向：食品化學(xué)與營養(yǎng)、天然產(chǎn)物提取及應(yīng)用研究,E-mail:nxshpl@163.com。

國家自然科學(xué)基金項目(31260375);寧夏大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新研究項目(14NXG08)。

TS201.1

B

1002-0306(2017)23-0137-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.23.027