沈小芬，張樂(lè)樂(lè)，王彩虹，王振杰，劉艷紅，李雙芳，季春燕，劉生杰，b*

（阜陽(yáng)師范大學(xué) a.信息工程學(xué)院；b.生物與食品工程學(xué)院，安徽 阜陽(yáng)236037）

膳食纖維（dietary fiber，DF）一般由不溶性植物細(xì)胞壁材料和細(xì)胞內(nèi)非淀粉的水溶性多糖組成，根據(jù)水溶性分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF），不同種類(lèi)食物的 DF 組成、功能以及植物多糖的結(jié)構(gòu)亦不同，SDF主要有抗性寡糖、改性纖維素、合成多糖以及植物膠體等，IDF主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等，共同特點(diǎn)是不能被人類(lèi)小腸內(nèi)源酶所水解[1]。不同溶解性的DF具有的持水力、膨脹力等理化特性及由此形成生理功能也不盡相同，不同的提取方法也會(huì)影響DF的理化特性[2]。文獻(xiàn)顯示，DF提取方法主要有物理法、化學(xué)法、酶法等。物理法中有許多新興技術(shù)，但有些方法程序相對(duì)繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)、效率相對(duì)較低，國(guó)內(nèi)外提取DF較為成熟的方法為化學(xué)法，而化學(xué)法對(duì)DF的理化性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生影響，從而改變其生理功能，反應(yīng)條件也較為苛刻，且加工過(guò)程還會(huì)產(chǎn)生大量化學(xué)污染物[1]，而酶法因其溫和、環(huán)保、安全，不需要各種復(fù)雜條件，能降低因化學(xué)法等對(duì)DF提取的損失，對(duì)DF的提取率較高，所提取DF持水和膨脹性好等特點(diǎn)，成為DF提取的良好選擇[2-3]。

研究表明嚴(yán)重威脅人類(lèi)生命健康和生活質(zhì)量的相關(guān)疾病與飲食中DF攝入量不足密切相關(guān)[4-5]。研究發(fā)現(xiàn)飲食中適量攝入DF能降低膽固醇、血糖、血脂，減少冠心病、中風(fēng)、高血壓、糖尿病、肥胖和某些胃腸疾病，促進(jìn)腸道益生菌生長(zhǎng)、增強(qiáng)免疫力、減少炎癥等[6]，尤其是IDF具有較高的持水性和溶脹性，可增加腸道內(nèi)容物容積，促進(jìn)腸道蠕動(dòng)，增強(qiáng)消化吸收機(jī)能，也因增加飽腹感減少高能飲食而起節(jié)食減肥效果，糞便因吸水溶脹體積增加而潤(rùn)滑通便，可預(yù)防便秘和結(jié)腸癌等[7-8]。因此對(duì)DF的研究與應(yīng)用越來(lái)越受到重視，DF已經(jīng)作為纖維素添加物、品質(zhì)改良劑、增厚劑、脂肪替代物等廣泛應(yīng)用于食品加工[9]。

由于晚秋黃梨生長(zhǎng)適應(yīng)性強(qiáng)、早期豐產(chǎn)、可密植、產(chǎn)量大、果質(zhì)優(yōu)良等特點(diǎn)，深受種植戶(hù)喜愛(ài)，在當(dāng)?shù)孛撠毠?jiān)中逐步形成大面積種植的新產(chǎn)業(yè)，帶動(dòng)了地方以黃梨為原料的水果深加工的快速發(fā)展，幫助農(nóng)民實(shí)現(xiàn)能力脫貧具有重要意義，但深加工產(chǎn)生的大量黃梨果渣利用卻十分有限，而成為嚴(yán)重的環(huán)境污染源。文章通過(guò)實(shí)驗(yàn)探討從黃梨果渣中提取IDF的方法選擇，并對(duì)影響酶法提取率的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化[10]，以期根據(jù)IDF在食品保健領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值[11-12]，促進(jìn)黃梨果渣IDF的工業(yè)利用，為黃梨深加工產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

晚秋黃梨采購(gòu)于安徽省阜南縣某梨場(chǎng)。α-淀粉酶購(gòu)自北京索萊寶科技公司，其他化學(xué)試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純產(chǎn)品。

1.1.2 儀器與設(shè)備

HR1833型榨汁機(jī)、DGT-G135型鼓風(fēng)干燥箱、XF-80型高速（固體）粉碎機(jī)、JA2003B型電子天平、HH-4J數(shù)顯恒溫水浴油浴鍋、pHS-3c便攜pH計(jì)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料預(yù)處理

將新鮮黃梨清洗、去梗、切分后攪拌榨汁，過(guò)濾取渣，60℃干燥后粉碎，過(guò)60目篩，分裝保藏在干燥器中備用。

1.2.2 堿提取法與酶提取法提取IDF

堿提取法。參閱文獻(xiàn)[13]有改進(jìn)。取10 g黃梨渣浸于20 mL濃度為0.25 mol/L的NaOH溶液中，50℃恒溫水浴，靜置1 h后過(guò)濾，棄濾液，留濾渣。將濾渣置于65℃恒溫水浴鍋中加入5.97 mL的6.7 mol/L鹽酸，靜置1 h，然后水洗至中性（pH 6～7），過(guò)濾除去SDF，濾渣再用95%乙醇進(jìn)行反復(fù)洗滌、過(guò)濾。取濾渣，干燥至恒重，得到IDF。計(jì)算IDF的提取率。

酶提取法。參閱文獻(xiàn)[14]有改進(jìn)。取10 g黃梨渣，按1∶25料液比加250 mL蒸餾水、1 U/mL體系添加α-淀粉酶，50℃的恒溫水浴，靜置1 h，充分酶解。以80℃滅酶10 min后反復(fù)洗滌、過(guò)濾。取濾渣，干燥至恒重，得到IDF。計(jì)算IDF的提取率。

1.2.3 單因素試驗(yàn)方法

對(duì)影響酶解法提取黃梨渣IDF提取率的主要因素[8]，如料液比、酶用量、水解時(shí)間及水解溫度等設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)，各單因素實(shí)驗(yàn)組各設(shè)3個(gè)重復(fù)，比較各組提取率，來(lái)探究各影響因素的最佳實(shí)驗(yàn)條件。

料液比。在酶含量1 U/mL、50℃恒溫水浴1 h不變條件下，以料液比為控制變量，按不同料液比（1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35）進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。

酶用量。在料液比1∶25、50℃恒溫水浴1h不變條件下，以酶用量為控制變量，按不同酶用量（0.6 U/mL、0.7 U/mL、0.8 U/mL、0.9 U/mL、1.0 U/mL）進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。

水解時(shí)間。在料液比1∶25、酶用量0.8 U/mL、50℃恒溫水浴不變條件下，以水解時(shí)間為控制變量，按不同水解時(shí)間（1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h）進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。

水解溫度。在料液比1∶25、酶用量0.8 U/mL、恒溫水浴1 h條件下，以水解溫度為控制變量，按不同水解溫度（45℃、50℃、55℃、60℃、65℃）進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。

1.2.4 正交實(shí)驗(yàn)

依據(jù)料液比（A）、酶用量（B）、水解溫度（C）、水解時(shí)間（D）單因素實(shí)驗(yàn)獲得的各因素的最佳提取條件，設(shè)計(jì)L9（34）正交實(shí)驗(yàn)，每個(gè)因素選取3個(gè)水平，指標(biāo)則采用水不溶性膳食纖維提取率，因素與水平見(jiàn)表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)的因素與水平

1.2.5 黃梨IDF持水力與膨脹力的測(cè)定

方法參閱文獻(xiàn)[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 酶提取法與堿提取法對(duì)IDF提取率的比較

根據(jù)平行實(shí)驗(yàn)，堿提取法所得IDF平均提取率為34.48%，酶提取法平均提取率為58.58%，可知酶提取法的提取率明顯高于堿提取法，本實(shí)驗(yàn)酶法提取率也高于陳輝等利用α-淀粉酶提取花生粕IDF的37.72%提取率[16]和岳曉霞等用淀粉酶法提取馬鈴薯渣IDF的53.29%提取率[14]，綜合酶法相較于化學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)，故本研究選擇對(duì)酶提取法進(jìn)行工藝條件優(yōu)化探討。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 料液比對(duì)IDF得率的影響

不同的料液比對(duì)IDF提取率的影響結(jié)果見(jiàn)圖1，結(jié)果顯示在其他提取條件保持不變時(shí)，IDF的提取率隨料液比的增加而增加，當(dāng)料液比為1∶25時(shí)，提取率達(dá)最大值57.25%，后又隨著料液比增加，得率反而呈下降趨勢(shì)。

料液比會(huì)直接影響提取溶劑對(duì)提取物的可及度，進(jìn)而影響IDF的提取效率。當(dāng)料液比例低于1∶25時(shí)，黃梨果渣粉末會(huì)出現(xiàn)糊狀，水解體系中淀粉酶無(wú)法充分接觸黃梨果渣底物，水解反應(yīng)不充分，導(dǎo)致IDF得率較小。當(dāng)料液比增加到1∶25時(shí)，IDF提取率最大，表明果渣粉末底物擴(kuò)散速率最快，能與淀粉酶達(dá)到充分混和接觸，但當(dāng)料液比例繼續(xù)擴(kuò)大時(shí)，在相同水解時(shí)間下IDF提取率反而降低。這符合酶促反應(yīng)底物量與反應(yīng)速度所遵循的酶促反應(yīng)中間理論，底物量少結(jié)合酶量少、反應(yīng)速度低，底物濃度增加，會(huì)提高酶促反應(yīng)速度，底物量適當(dāng)時(shí)會(huì)有最高反應(yīng)速率。同時(shí)淀粉酶具有催化水解淀粉內(nèi)部的α-1,4-糖苷鍵功能，本實(shí)驗(yàn)IDF提取體系中淀粉酶的反應(yīng)底物結(jié)構(gòu)形式可能有多種，根據(jù)酶促反應(yīng)的鄰近效應(yīng)，不同結(jié)構(gòu)底物分子存在順序結(jié)合酶活性中心的可能，所以底物濃度降低，也會(huì)降低酶促效率，本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)料液比例繼續(xù)擴(kuò)大，反應(yīng)底物濃度逐漸降低，引起酶解不徹底，應(yīng)是導(dǎo)致IDF提取效率降低的可能原因。故應(yīng)選擇料液比為1∶25，IDF提取率最佳。

圖1 料液比對(duì)水不溶性膳食纖維提取率的影響

2.2.2 酶用量對(duì)IDF得率的影響

酶用量對(duì)IDF提取率的影響結(jié)果見(jiàn)圖2，隨著酶用量的增加，IDF的提取率呈先增加后下降規(guī)律，酶用量為0.8 U/mL時(shí)提取率最大（55.08%）。此規(guī)律可能反映了酶用量低于0.8 U/mL時(shí)，反應(yīng)體系中水解酶的有效濃度不足，果渣中淀粉水解不夠完全。但當(dāng)酶用量超過(guò)0.8 U/mL時(shí)，IDF的提取率又出現(xiàn)下降，與王遂等制備高活性玉米膳食纖維中的結(jié)果類(lèi)似，可能隨酶濃度的不斷增加，使得半纖維素等活性物質(zhì)溶解出來(lái)，導(dǎo)致IDF的最終產(chǎn)量下降[17]。因此，在其他反應(yīng)條件不變時(shí)，酶用量為0.8 U/mL時(shí)，IDF的提取率最佳。以此，后續(xù)酶解時(shí)間、酶解溫度單因素實(shí)驗(yàn)中酶用量采用0.8 U/mL。

圖2 酶用量對(duì)水不溶性膳食纖維提取率的影響

2.2.3 水解時(shí)間對(duì)IDF得率的影響

水解時(shí)間對(duì)IDF提取率的影響結(jié)果見(jiàn)圖3，α-淀粉酶不同酶解時(shí)間對(duì)IDF的提取率呈先增加后降低，酶解時(shí)間為1.5 h IDF提取率最高。1.5 h后隨著酶解時(shí)間延長(zhǎng)，提取效率逐漸降低的原因可能是隨酶解時(shí)間延長(zhǎng)酶使半纖維素等活性物質(zhì)溶解，導(dǎo)致IDF的最終產(chǎn)量下降。因?qū)嶒?yàn)結(jié)果是靜態(tài)測(cè)定最終IDF的獲得量，沒(méi)有隨著酶解時(shí)間變化測(cè)定IDF的動(dòng)態(tài)成分改變，所以此原因有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因此，其他條件不變，1.5 h是IDF提取的最佳酶解時(shí)間。

圖3 酶解時(shí)間對(duì)水不溶性膳食纖維提取率的影響

2.2.4 水解溫度對(duì)不溶性膳食纖維得率的影響

水解溫度對(duì)IDF提取率的影響結(jié)果見(jiàn)圖4，IDF提取率也隨水解溫度升高呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，且在55℃時(shí)獲得最大提取率。酶催化都有最適溫度，最適溫度之前，溫度升高有利于提高催化效率，促進(jìn)了IDF的提取率提升高，當(dāng)水解溫度過(guò)高會(huì)使淀粉酶部分失活，應(yīng)是導(dǎo)致IDF的提取率降低的主導(dǎo)因素，也不排除較高溫度下部分種類(lèi)IDF發(fā)生了輕度溶解，致提取率下降。綜上，其他條件不變，水解溫度55℃為IDF最佳提取溫度。

圖4 水解溫度對(duì)水不溶性膳食纖維提取率的影響

2.3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

依據(jù)料液比（A）、酶用量（B）、水解溫度（C）、水解時(shí)間（D）4個(gè)單因素最佳條件設(shè)計(jì)的L9（34）正交試驗(yàn)結(jié)果及分析見(jiàn)表2和表3。表3中Kn值為所在列（某一因素）中相同水平下的提取率之和，如K1=56.99+60.16+55.84=172.990；表 3中kn值為所在列Kn值的平均數(shù)，如表3的A列中k1=K1/3=57.663。表3中R值為對(duì)應(yīng)列中kn最大值與最小值之差，如A列中R=57.663-55.470=2.193。

表2 淀粉酶提取正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果極差分析表

正交試驗(yàn)各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響重要性用極差R的大小進(jìn)行判斷，表3顯示R（A）＞R(D)＞R(C)＞R(B)，即因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序是料液比＞水解時(shí)間＞水解溫度＞酶用量，對(duì)IDF提取率影響最大的因素是料液比，酶解時(shí)間和酶解溫度對(duì)提取率的影響次之，在正交試驗(yàn)所選酶用量范圍對(duì)提取率的影響最小。綜上各因素最優(yōu)條件組合為 A1B2C2D2，即料液比 1∶20、酶用量0.8 U/mL、55℃條件下酶解1.5 h，能得到最高的提取率為60.16%。

2.4 黃梨IDF持水力與膨脹力的測(cè)定結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算知：酶法提取黃梨果渣IDF的持水力F1=5.23 g/g，膨脹力F2=2.5 mL/g。本實(shí)驗(yàn)提取IDF的持水力和膨脹力，分別高于陶姝穎等改性葡萄皮渣膳食纖維的2.8 g/g和1.69 mL/g[18]，甚至高于王秀麗等用化學(xué)制備的白果殼IDF的持水力4.14 g/g和1.78 mL/g[19]，表明酶法提取黃梨果渣IDF保持了較高的持水性和溶脹性，具有較強(qiáng)生物學(xué)應(yīng)用價(jià)值，為開(kāi)發(fā)IDF產(chǎn)品提供了保證。

3 小結(jié)

實(shí)驗(yàn)選擇了利用α-淀粉酶酶解法提取黃梨梨渣IDF，該法相較于堿法提取更為簡(jiǎn)捷、快速、高效。酶解法中料液比、酶用量、酶解溫度、酶解時(shí)間等條件均能影響對(duì)IDF的提取效率，其中料液比是主要影響因素，酶解時(shí)間和酶解溫度的影響次之，酶用量影響最小。因此對(duì)IDF提取的理論優(yōu)化條件為料液比1∶20、酶用量0.8 U/mL、55℃條件下酶解1.5 h。實(shí)驗(yàn)獲得的IDF有較高持水力和膨脹力，有較好開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值。