甘薯膳食纖維酶法改性及其特性研究

劉映萍 常慶 吳志霜

摘 要：采用纖維素酶和木聚糖酶相結合，對甘薯膳食纖維進行改性研究。通過單因素試驗和正交試驗優(yōu)化甘薯膳食纖維酶法改性工藝條件，并對改性前后膳食纖維的理化特性和抗氧化活性進行分析研究。結果表明：甘薯膳食纖維酶法改性中，纖維素酶最適添加量1.2%，木聚糖酶最適添加量1.6%，最佳酶解時間30 min，最適料液比1∶11，獲得的可溶性膳食纖維得率為8.84%。與天然膳食纖維相比，改性后的甘薯膳食纖維持油力上升，膨脹力和持水力下降（P<0.05）。同時，酶法改性顯著提高了甘薯膳食纖維對DPPH的清除能力，增強了甘薯膳食纖維的功能特性。

關鍵詞：甘薯;膳食纖維;改性工藝;理化特性;抗氧化活性

膳食纖維（DF）是指在人體的小腸內不能被消化吸收，在大腸中可以部分或者全部發(fā)酵的可食用植物成分、碳水化合物及其類似物 [1]。DF分為可溶性膳食纖維（SDF）和不溶性膳食纖維（IDF）兩類[2]。SDF吸水性好、黏度大，容易被腸道菌群發(fā)酵利用，在降低餐后血糖和吸附膽固醇等方面具有優(yōu)良特性。在技術上SDF還可以作為重要的增稠劑、膠凝以及成膜和仿脂劑[3]。IDF則通過增加飽腹感以及糞便體積和重量，從而改善消化系統(tǒng)功能[4]。SDF含量的高低通常是評價DF品質優(yōu)劣的重要指標，然而很多天然的膳食纖維原料中SDF所占的比例都很低，需要對其進行改性，提高SDF的含量以更好地發(fā)揮其生理功效[5]。目前，對膳食纖維進行改性的方法主要有酶法、化學方法、物理方法、離子液體法等[6]，其中酶法改性具有溫和、安全、高效等優(yōu)點，是制備高活性膳食纖維較好的方法。有研究報道，纖維素酶和木聚糖酶聯(lián)合進行酶解在與官能團暴露和比表面積相關的性質方面表現(xiàn)出較好的效果，比如膽酸鈉結合容量和羥自由基清除活性[7]。

甘薯是一種營養(yǎng)價值十分豐富的作物[8]。我國是世界上最大的甘薯產地之一，幾乎所有地區(qū)均有種植[9]。我國常見的四個彩色甘薯品種是白色、黃色、橙色和紫色，它們的化學成分完全不同[10]。當前甘薯的開發(fā)大約50%用作飼料，14%作為食物，6%用于種薯，還有15%因保存不當被丟棄，只有很少的一部分用于工業(yè)加工，加工利用率低[11]。所以，加強對甘薯生物活性物質的研究，優(yōu)化甘薯提取工藝具有十分重要的意義。本研究采用纖維素酶和木聚糖酶相結合，對甘薯膳食纖維進行改性研究，優(yōu)化了甘薯膳食纖維加工的工藝條件，提高了SDF的含量，并對改性后膳食纖維的理化特性及抗氧化性進行了分析，為甘薯膳食纖維的深入研究及其功能產品的開發(fā)提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯（白皮紅心），金龍魚大豆油，昆明某超市;α-淀粉酶、糖化酶、木聚糖酶，北京索萊寶科技有限公司;木瓜蛋白酶、纖維素酶、DPPH，上海源葉生物科技有限公司;抗壞血酸、氫氧化鈉、乙酸、無水乙醇等均為分析純，天津市風船化學試劑科技有限公司;pH精密試紙：上海三愛思試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

電動粉碎機，上海淀久中藥機械制造有限公司;120目分樣篩（孔徑0.125 mm），浙江上虞哨金五四紗篩廠;101-2型干燥箱，中華人民共和國上海市試驗儀器廠;HH-3A數顯恒溫水浴鍋，金壇市易晨儀器制造有限公司;H1850臺式高速離心機，湖南湘儀試驗試劑器開發(fā)有限公司;電子分析天平，奧豪斯（上海）公司;SHZ-D（Ⅲ）型循環(huán)水真空泵，鞏義市予華儀器有限責任公司;722S可見分光光度計，上海精密科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 預處理 甘薯經清洗晾干后切成薄片，在鼓風干燥箱中烘干，粉碎機粉碎后過120目篩并保存。

1.3.2 甘薯膳食纖維改性方法 （1）工藝流程：參考祝美云等[12]的方法，并進行適當修改。甘薯粉→α-淀粉酶和糖化酶除淀粉→木瓜蛋白酶除蛋白→纖維素酶和木聚糖酶酶解→離心→醇析→沉淀物→烘干→稱重。（2）操作要點：精確稱取5 g甘薯粉，按一定料液比加入去離子水，攪拌均勻，采用混合酶法加入α-淀粉酶和糖化酶（酶量12%，α-淀粉酶：糖化酶=6：4），在60℃水浴下酶解150 min后90℃滅酶10 min，然后在60℃水浴下調pH值為7.5，加入木瓜蛋白酶（酶量0.6%）酶解30 min后90℃滅酶10 min，之后在45℃水浴下調pH值為4.8，加入一定質量分數纖維素酶和木聚糖酶酶解一段時間，酶解結束后，6 000 r/min離心10 min，上清液用4倍體積95%乙醇沉淀過夜，抽濾，濾渣在105℃下烘至恒重?？扇苄陨攀忱w維得率按式（1）計算：

可溶性膳食纖維得率（%）=可溶性膳食纖維的重量甘薯粉的重量×100%（1）

1.3.3 甘薯膳食纖維改性工藝優(yōu)化的單因素試驗 （1）確定纖維素酶最佳添加量：在料液比為1∶10、酶解時間為60 min的條件下分別加入纖維素酶0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%，研究纖維素酶的添加量對可溶性膳食纖維得率的影響。（2）確定木聚糖酶最佳添加量：在料液比為1∶10，酶解時間為60 min的條件下分別加入木聚糖酶0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%，研究木聚糖酶的添加量對可溶性膳食纖維得率的影響。（3）確定酶解時間：在料液比為1∶10，纖維素酶添加量為1.2%，木聚糖酶添加量為1.2%的條件下分別酶解10、20、30、40、50 min，研究酶解時間對可溶性膳食纖維得率的影響。（4）確定料液比：在纖維素酶添加量為1.2%、木聚糖酶添加量為1.2%、酶解時間為30 min的條件下分別將料液比設為1∶8、1∶9、1∶10、1∶11、1∶12，研究料液比對可溶性膳食纖維得率的影響。

1.3.4 甘薯膳食纖維改性工藝優(yōu)化正交試驗 選取纖維素酶添加量、木聚糖酶添加量、酶解時間、料液比四個因素，溫度和pH值設為兩種酶的最適溫度和最適pH，以可溶性膳食纖維的得率為指標，確定各因素的重要性次序和最佳工藝參數。采用L9（34）進行正交試驗設計（表1）。

1.3.5 改性膳食纖維理化特性測定 參考龔衛(wèi)華等[13]的方法進行膨脹力、持水力和持油力的測定。（1）膨脹力的測定：準確稱取烘干過篩后的膳食纖維0.5 g，置于10 mL刻度試管中，讀取體積（V0），加 10 mL 蒸餾水，搖勻，室溫放置 24 h后讀取膨脹后的體積（V1），按式（2）計算膨脹力。（2）持水力的測定：準確稱取烘干過篩后的膳食纖維0.1 g（m1），放入15 mL干燥離心管中，稱重（m2）。加入 10 mL 蒸餾水，搖勻，室溫靜置4 h，在3 500 r/min離心30 min，棄去上清液后稱重（m3），按式（3）計算持水力。（2）持油力的測定：準確稱取膳食纖維樣品0.1 g（m1），放入15 mL干燥離心管中，稱重（m2）。加入10 mL 大豆油，搖勻，室溫靜置4 h，于3 500 r/min離心 30 min，棄去上層油后稱重（m3），按式（4）計算持油力。

膨脹力（mL/g）=V1-V00.5（2）

持水力（g/g）=m3-m2m1（3）

持油力（g/g）=m3-m2m1（4）

1.3.6 改性膳食纖維抗氧化活性的測定 于10 mL 刻度試管中分別加入配制好的不同濃度的樣品溶液2 mL和0.1 mmol/L DPPH溶液2 mL混合均勻，室溫下避光反應30 min后用分光光度計測吸光值（A2），波長設為517 nm，以2 mL蒸餾水和DPPH溶液2 mL混合，在同樣的條件下測定吸光值（A1），用不同濃度維生素C 溶液做陽性對照計算清除率，計算公式如式（5）。

DPPH自油基清除率（%）=A1-A2A1（5）

1.3.7 數據處理 所有試驗數據均重復3次，數據結果表示為平均值±標準差。采用正交試驗助手進行正交試驗設計，采用SPSS 16.0進行方差分析和顯著性檢驗，采用Excel 2010制圖，P<0.05表示具有顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 纖維素酶添加量對甘薯SDF得率的影響 如圖1所示，隨著纖維素酶酶量的添加，SDF的得率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。當纖維素酶的添加量在0.4%～1.2%這個范圍時，SDF的得率逐漸增大，酶量達到1.2%時，得率達到最大，為8.09%。這是由于纖維素酶可以有效地降解不溶性的纖維素，大分子鏈被切斷，降解為可溶性的葡聚糖[12]。當酶量繼續(xù)增大，SDF的得率呈下降趨勢，可能是由于纖維素酶將不溶性膳食纖維降解成了分子量更小的聚糖甚至單糖，聚合度低無法被醇沉，導致SDF的得率降低[14]。因此，可以將0.8%、1.2%、1.6%作為正交試驗的纖維素酶添加量水平。

2.1.2 木聚糖酶添加量對甘薯SDF得率的影響 從圖2可以看出，木聚糖酶添加量在0.4%～1.2%這個范圍內時，SDF的得率隨著添加量的增多而增大，當添加量超過1.2%后，SDF的得率仍有上升，但是趨勢不明顯。綜合考慮，選擇添加量0.8%、1.2%、1.6% 作為正交試驗的木聚糖酶的酶添加量水平。

2.1.3 酶解時間對甘薯SDF得率的影響 由圖3可知，甘薯SDF的得率隨著酶解時間的延長呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在酶解時間為30 min時出現(xiàn)峰值（7.88%）。分析這種現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因是酶解反應是一個復雜的生化過程，轉化效率與反應時間之間存在著一定聯(lián)系[15]。反應初期，底物與酶能夠充分反應，酶解速度加快，SDF含量增多，30 min時達到飽和，隨著反應時間的延長，可以被纖維素酶和木聚糖酶酶解的化學基團逐漸減少[16]。而且，隨著兩種酶繼續(xù)作用，初期獲得的SDF被進一步降解成還原糖和親水小分子，無法通過醇沉析出，導致得率下降[17]。所以，可以選擇20、30、40 min作為正交試驗酶解時間水平。

2.1.4 料液比對甘薯SDF得率的影響 由圖4可知，在料液比為1∶8～1∶11這個范圍內，SDF的得率隨著料液比的增加而增加，當料液比為1∶11時獲得最大得率8.18%，當料液比超過1∶11后，SDF的得率反而下降。原因主要是料液比過低時，溶液呈糊狀，不利于酶與底物結合，SDF溶出少，隨著料液比增加，底物可以與酶充分混合，實現(xiàn)最大程度酶解[18]。當蒸餾水的添加量過多，會導致酶和底物被稀釋，從而導致轉化效率下降。如果料液比增加，提取液體積增大，會增加后期濃縮時間以及乙醇消耗，生產成本增加[19]。所以在保證試驗結果和節(jié)約能耗的前提下，選擇料液比1∶10、1∶11、1∶12作為正交試驗的水平。

2.1.5 正交試驗結果 采用纖維素酶（A）、木聚糖酶（B）、反應時間（C）、料液比（D）為因素，進行四因素三水平（34）正交試驗，以甘薯SDF的得率為指標。由表2可知，影響甘薯SDF得率的各因素主次關系為B>A>C>D，即木聚糖酶添加量>纖維素酶添加量>酶解時間>料液比。最佳工藝優(yōu)化組合為A2B3C2D2，即纖維素酶添加量1.2%、木聚糖酶添加量1.6%、酶解時間30 min、料液比1：11。由表3可知，在影響甘薯膳食纖維酶法改性的4個因素間的相互關系中，纖維素酶添加量、木聚糖酶添加量和酶解時間對SDF得率的影響均呈顯著性差異（P<0.05），料液比對其影響差異不顯著。采用最佳工藝優(yōu)化組合為A2B3C2D2，即纖維素酶添加量1.2%，木聚糖酶添加量1.6%，酶解時間30 min，料液比1：11進行驗證試驗，得到的SDF得率為8.84%，高于所有試驗中的得率。

2.2 改性膳食纖維物化特性

采用最佳工藝組合對甘薯膳食纖維進行改性，獲得改性膳食纖維（MDF），測定改性后膳食纖維的膨脹力、持水力和持油力，并與甘薯天然膳食纖維進行比較分析。膨脹力表示纖維基質在吸水時的膨脹量，持水力是指潮濕原料在外部離心力或壓縮作用下保持水分的能力[20]。從生理學的角度來看，持水力和膨脹力較高的膳食纖維，可能會促使人們長時間地咀嚼，從而潛在地降低食欲，增加飽腹感，并能夠促進腸胃蠕動，增加糞便體積和水分，促進糞便排出，對人體產生健康益處[21]。由表4可以看出，MDF的膨脹力和持水力分別為2.83 mL/g、2.74 g/g，與DF相比差異顯著（P<0.05），分別降低了16.02%、16.72%。可能是由于改性后纖維素和部分半纖維素被酶解成可溶性膳食纖維，不溶性膳食纖維減少，持水力和膨脹力下降[22]。

持油力是與膳食纖維的化學結構相關的性質，主要取決于纖維顆粒的表面性質、總電荷密度、厚度和疏水性[23]。持油性可以用來評估膳食纖維吸附脂肪的能力，在食品加工過程中可以防止脂肪流失，在人體內可以吸收腸腔中的脂肪來降低血清膽固醇水平[24-25]。由表4可知，改性后，MDF的持油力為4.56 g/g，與DF相比顯著增加了72.73%（P<0.05），這可能是由于酶解提高了SDF的得率，促進了官能團的暴露，使油更容易滲透到膳食纖維分子中，從而抑制了油的損失[26]。

2.3 改性膳食纖維抗氧化性能

DPPH法是一種廣泛使用的的體外抗氧化方法[27]。DPPH是一種穩(wěn)定的以氮為中心的自由基，在無水乙醇中呈紫色，在517 nm處有最強吸收峰，自由基清除劑可以與DPPH的單電子配對，使顏色變淺，所以常用此方法來檢測自由基被清除的情況[28]。本試驗測定了DF和MDF對DPPH自由基的清除效果，由圖5可知，隨著樣品溶液濃度的升高，DF和MDF對DPPH自由基的清除能力均呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢。當樣品濃度在0.05～0.8 mg/mL這個范圍內時，MDF對DPPH自由基的清除率達到61.92%，顯著超過DF的清除率（P<0.05）。以上結果說明，酶改性作用可使甘薯膳食纖維抗氧化能力顯著增強，對改善天然膳食纖維功能活性具有積極的意義。

3 結論

通過單因素試驗和正交試驗，確定了纖維素酶和木聚糖酶聯(lián)合改性甘薯膳食纖維的最佳工藝組合為纖維素酶添加量1.2%、木聚糖酶添加量1.6%、酶解時間30 min、料液比1∶11，在此條件下，甘薯SDF的得率為8.84%。采用最佳工藝對甘薯總膳食纖維進行改性，對比DF和MDF的理化特性可知，MDF的持油力顯著高于DF，但是膨脹力和持水力顯著低于DF。DF和MDF均對DPPH自由基有較高的清除能力，且MDF的清除率顯著高于DF?？傮w來看，對甘薯膳食纖維進行改性可以提高SDF的得率，進一步增強膳食纖維的功能活性，對甘薯膳食纖維保健產品的開發(fā)具有重要意義。可對酶法改性膳食纖維的機理、改性膳食纖維的構效關系等進行深入研究，為甘薯的綜合利用及其保健食品的開發(fā)提供科學依據。◇

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Enzymatic Modification of Dietary Fiber from Sweet Potato and Its Properties

LIU Ying-ping，CHANG Qing，WU Zhi-shuang

（School of Public Health，Kunming Medical University，Kunming 650500，China）

Abstract：The modification of sweet potato dietary fiber by cellulase and xylanase was studied.The enzymatic modification process of sweet potato dietary fiber was optimized by single factor test and orthogonal test，and the physicochemical properties and antioxidant activity of dietary fiber were analyzed.The results showed that the optimal process parameters of the modification process were the optimum addition of cellulase 1.2%，the optimum addition of xylanase 1.6%，the enzymatic hydrolysis time 30 min，the solid to liquid ratio 1∶11.Under these conditions，the yield of dietary fiber from sweet potato was 8.84%.Compared with natural dietary fiber，the oil-holding capacity of modified sweet potato dietary fiber increased，the swelling capacity and water-holding capacity decreased（P<0.05）.Scavenging ability to DPPH of the modified sweet potato dietary fiber is higher.The modification of cellulose and xylanase enhance functional characteristics of dietary fiber from sweet potato.

Keywords：sweet potato;dietary fiber;modification process;physicochemical properties;antioxidant activity