超聲波協(xié)同酶法制備杏仁皮中水溶性膳食纖維及理化研究

何余堂，高虹妮，解玉梅，劉 賀，勵(lì)建榮

(渤海大學(xué)化學(xué)化工與食品安全學(xué)院，遼寧省食品質(zhì)量安全與功能食品研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧省食品貯藏加工及質(zhì)量安全控制工程技術(shù)研究中心，遼寧錦州121013)

膳食纖維(Dietary Fiber，DF)是指在人體內(nèi)難以被酶解消化的碳水化合物或其類(lèi)似物，包括一部分不能消化的多糖、低聚糖等物質(zhì)［1］。膳食纖維具有重要的生理功能，如產(chǎn)生飽腹感;清除自由基;調(diào)解碳水化合物和脂類(lèi)代謝，降血脂，降血糖等;對(duì)離子的交換能力和對(duì)有機(jī)化合物的吸附作用，有助于減少有毒物質(zhì)對(duì)腸粘膜的毒害［2］。膳食纖維在蔬菜、水果、粗糧、雜糧、豆類(lèi)及菌藻類(lèi)食物中含量豐富，主要包括谷物纖維、豆類(lèi)種子與種皮纖維、水果蔬菜纖維、微生物多糖、其他天然纖維、合成半合成纖維，六大類(lèi)共30余種，其中有實(shí)際應(yīng)用的大約有十幾種。膳食纖維分為水溶性膳食纖維(Soluble Dietary Fiber，SDF)和水不溶性膳食纖維(Insoluble Dietary Fiber，IDF)，其中 IDF為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等，SDF為寡糖、糊精、多糖等。SDF與IDF在人體內(nèi)的生理功能存在差異:IDF主要促進(jìn)腸道產(chǎn)生機(jī)械蠕動(dòng)作用，SDF主要發(fā)揮代謝功能，影響碳水化合物和脂類(lèi)的代謝，降低血脂、血糖、膽固醇等［3］。目前膳食纖維的研究集中在四個(gè)方面:膳食纖維對(duì)人體生理效應(yīng)及疾病防治作用的研究［4］;利用農(nóng)副產(chǎn)品制備膳食纖維研究［5］;完善和提高膳食纖維工業(yè)提取和改性研究［6］;膳食纖維在食品加工中的應(yīng)用研究［7］。扁杏仁在我國(guó)華北，西北和遼寧西北部有較大栽培面積。國(guó)內(nèi)扁杏仁產(chǎn)品主要為整粒銷(xiāo)售或加工成扁杏油，產(chǎn)品單一，經(jīng)濟(jì)效益偏低。因此，深加工是大扁杏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向［8］。杏仁皮是扁杏仁深加工過(guò)程中的副產(chǎn)品，利用率低。杏仁皮中主要含有膳食纖維、多酚類(lèi)物質(zhì)、黃酮類(lèi)物質(zhì)、果膠和色素等，其中膳食纖維含量達(dá)到45%以上［9］。本研究以遼寧特產(chǎn)扁杏仁為原料，采用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用超聲波輔助與復(fù)合酶法制備杏仁皮水溶性膳食纖維，為扁杏仁的綜合加工利用提供理論與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

扁杏仁 產(chǎn)地為遼寧省錦州義縣;復(fù)合纖維素酶 規(guī)格:Celluclast 1.5L，酶活力:700EGU/g，諾維信(中國(guó))生物技術(shù)有限公司。

通用型果仁脫殼機(jī) 錦州殼牌集團(tuán)有限公司;DFT-100粉碎機(jī) 溫嶺市大德中藥機(jī)械有限公司;DHG-9075A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科技有限公司;TD5A-WS型臺(tái)式離心機(jī) 湘儀離心機(jī)儀器有限公司;L-3型雙層玻璃反應(yīng)釜 北京世紀(jì)森朗實(shí)驗(yàn)儀器公司;Scientz-ⅡD超聲波細(xì)胞破碎機(jī)

寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程 扁杏仁皮→恒溫干燥→粉碎過(guò)40目篩→稱5g杏仁皮粉，加復(fù)合纖維素酶，液料比15∶1，混勻，調(diào)節(jié)pH至5.5→超聲波處理15min，功率500W→55℃水浴酶解→90℃滅酶10min→濃縮→4000r/min離心15min，過(guò)濾→濾渣干燥粉碎得水不溶性膳食纖維(IDF);濾液加4倍體積無(wú)水乙醇，靜置30min，4000r/min離心15min，過(guò)濾→沉淀干燥得水溶性膳食纖維(SDF)。

1.2.2 扁杏仁皮膳食纖維提取率計(jì)算 SDF的測(cè)定按 AACC32［10］。膳食纖維提取率(%)=(制備的扁杏仁皮膳食纖維質(zhì)量/扁杏仁皮質(zhì)量)×100。

1.2.3 超聲波輔助酶解參數(shù) 稱取杏仁皮粉末，每份5g，分別放入燒杯中，加入纖維素酶，液料比為15∶1，混勻。先以超聲波功率500W，處理時(shí)間分別為5、10、15、20、25min，依據(jù)工藝流程提取杏仁皮膳食纖維，優(yōu)化參數(shù)。然后以超聲波處理時(shí)間為15min，功率分別為300、400、500、600、700W，依據(jù)工藝流程提取杏仁皮SDF，優(yōu)化超聲波提取參數(shù)。

1.2.4 單因素實(shí)驗(yàn) 選液料比、酶添加量、酶解時(shí)間等因素，進(jìn)行膳食纖維制備單因素實(shí)驗(yàn)。提取溫度定為 55℃。實(shí)驗(yàn)水平分別為:液料比(5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1);酶添加量(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%);酶解時(shí)間(1.0、2.0、3.0、4.0、5.0h)，研究單因素對(duì)SDF提取率的影響。依據(jù)結(jié)果確定響應(yīng)面設(shè)計(jì)的因素水平。

在液料比(水∶原料)為15∶1、酶添加量為1.5%、酶解時(shí)間3.0h(溫度55℃)條件下，改變參數(shù)，研究液料比、酶添加量、酶解時(shí)間對(duì)杏仁皮SDF提取率的影響。

1.2.5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn) 依據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行響應(yīng)面法Box-Behnken Design實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。稱取杏仁皮粉末10g，以液料比、酶添加量、酶解時(shí)間為獨(dú)立變量(A、B、C)，以SDF提取率為響應(yīng)值，實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面因素水平編碼表Table 1 Variables and levels in response surface method

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 采用Design-Expert.V8.0.6對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，進(jìn)行響應(yīng)曲面繪制。多項(xiàng)式模型方程擬合由決定系數(shù)R2表達(dá)，利用F檢驗(yàn)分析顯著性。

1.2.7 膳食纖維理化特性分析［11］膳食纖維持水性測(cè)定:準(zhǔn)確稱取膳食纖維1.0g放入燒杯中，加入定量蒸餾水，室溫?cái)嚢钃u勻靜置后，以3000r/min離心20min，除去上清液，稱重，計(jì)算持水性。

持水性(g/g)=(樣品吸水后質(zhì)量-樣品質(zhì)量)/樣品質(zhì)量

膳食纖維溶脹性測(cè)定:準(zhǔn)確稱取膳食纖維1.0g置于量筒中，加入定量蒸餾水，室溫振蕩均勻后靜置后，讀取溶脹前后膳食纖維的體積，計(jì)算溶脹性。

溶脹性(mL/g)=(溶脹后體積-溶脹前體積)/樣品質(zhì)量

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波輔助提取參數(shù)

隨著超聲波處理時(shí)間的增加，SDF提取率升高。處理時(shí)間為15min時(shí)，SDF提取率達(dá)到較高值，為12.36%;處理時(shí)間超過(guò)15min，SDF提取率緩慢下降(圖1)。超聲波功率對(duì)SDF提取的影響見(jiàn)圖2。隨著功率的增大，SDF提取率升高。超聲波功率為500W時(shí)，SDF提取率達(dá)到較高值，為12.52%;功率繼續(xù)增大后，SDF提取率反而下降。因此，超聲波輔助提取SDF的參數(shù)為:處理時(shí)間15min，功率500W。

圖1 超聲波處理時(shí)間對(duì)杏仁皮SDF提取率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic treatment time on SDF extraction percentage of almond skin

2.2 杏仁皮SDF提取單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 液料比對(duì)SDF提取率的影響 隨著液料比的增加，SDF提取率快速升高(圖3)。液料比為15∶1時(shí)，SDF提取率達(dá)到12.63%;液料比繼續(xù)增加后，SDF提取率開(kāi)始下降。

圖2 超聲波功率對(duì)杏仁皮SDF提取率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on SDF extraction percentage of almond skin

圖3 液料比對(duì)杏仁皮SDF提取率的影響Fig.3 Effect of liquid-material ratio on SDF extraction percentage of almond skin

2.2.2 酶添加量對(duì)杏仁皮SDF提取率的影響 隨著復(fù)合纖維素酶添加量的提高，SDF提取率快速升高;酶添加量達(dá)到1.5%時(shí)，SDF提取率為12.70%，達(dá)到較高值;酶添加量繼續(xù)提高，SDF提取率略有降低(圖4)。

圖4 酶添加量對(duì)杏仁皮SDF提取率的影響Fig.4 Effect of enzyme addition on SDF extraction percentage of almond skin

2.2.3 酶解時(shí)間對(duì)杏仁皮SDF提取率的影響 隨著酶解時(shí)間的增加，SDF提取率快速升高(圖5)。酶解時(shí)間達(dá)到3.0h時(shí)，SDF提取率為12.75%，達(dá)到較高值;酶解時(shí)間繼續(xù)增加，SDF提取率略微下降。

2.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)分析

2.3.1 方差分析及回歸方程 以杏仁皮SDF提取率為響應(yīng)值，根據(jù)表2結(jié)果，通過(guò)Design-Expert軟件分析獲得回歸方程為:SDF提取率(%)Y=-32.79833+1.288A+27.245B+6.693C-0.012AB+0.033AC-0.590BC-0.041A2-7.073B2-0.898C2(R2=0.989)

回歸方程決定系數(shù)為0.989。從方差分析(表3)可看出，模型，變量A、B、C及二次項(xiàng)均達(dá)到極顯著水平，各交互項(xiàng)未達(dá)顯著。失擬項(xiàng)不顯著，說(shuō)明響應(yīng)面分析對(duì)實(shí)驗(yàn)擬合好，實(shí)驗(yàn)誤差小，可分析和預(yù)測(cè)膳食纖維制備效果。

圖5 酶解時(shí)間對(duì)杏仁皮SDF提取率的影響Fig.5 Effect of enzymatic hydrolysis time on SDF extraction percentage of almond skin

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Box-Behnken design and experimental results

2.3.2 響應(yīng)曲面分析與優(yōu)化 響應(yīng)曲面及等高線見(jiàn)圖6～圖8。隨著酶添加量和酶解時(shí)間的增加，杏仁皮SDF提取率迅速提高，然后趨于穩(wěn)定;液料比過(guò)大或過(guò)小均對(duì)提取率有負(fù)面影響;三個(gè)變量中，酶添加量對(duì)響應(yīng)值的影響最大，酶解時(shí)間次之，液料比最小。對(duì)回歸模型進(jìn)行分析，得到杏仁皮SDF提取的最優(yōu)條件是:液料比為17∶1、酶添加量為1.8%、酶解時(shí)間為3.5h;并預(yù)測(cè)SDF提取率最高達(dá)13.59%。

為驗(yàn)證回歸模型，在最優(yōu)工藝下進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，杏仁皮SDF提取率分別為13.29%、13.18%、13.35%，平均13.27%(誤差0.05%)。回歸方程的最大預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值接近，說(shuō)明回歸方程較真實(shí)地反映了各因素對(duì)響應(yīng)值的影響。利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化杏仁皮水溶性膳食纖維制備的技術(shù)參數(shù)，效果較理想。

2.4 杏仁皮水溶性膳食纖維的理化特性

理化分析表明，杏仁皮SDF的持水性分別為8.38、8.31、8.24g/g，平均值為 8.31g/g，溶脹性分別為 6.47、6.55、6.42mL/g，平均值為 6.48mL/g;說(shuō)明杏仁皮SDF的持水性和溶脹性比較好，具有良好的水合能力。

表3 響應(yīng)面方差分析Table 3 ANOVA for response surface

圖6 Y=f(A，B)響應(yīng)曲面及等高線Fig.6 Response surface and contour for Y=f(A，B)

圖7 Y=f(A，C)響應(yīng)曲面及等高線Fig.7 Response surface and contour for Y=f(A，C)

圖8 Y=f(B，C)響應(yīng)曲面及等高線Fig.8 Response surface and contour for Y=f(B，C)

3 討論與結(jié)論

3.1 利用響應(yīng)面設(shè)計(jì)和超聲波輔助技術(shù)，結(jié)合酶法對(duì)杏仁皮水溶性膳食纖維制備的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，液料比、酶添加量、酶解時(shí)間對(duì)杏仁皮SDF提取率的影響均達(dá)極顯著水平。結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，杏仁皮SDF提取的最佳工藝條件為:液料比為17∶1，酶添加量為1.8%，浸提時(shí)間為3.5h，浸提溫度為55℃;超聲波輔助提取技術(shù)參數(shù)為:功率500W，時(shí)間15min。此條件下杏仁皮SDF提取率為13.27%，與理論值13.59%相差很小。說(shuō)明采用響應(yīng)面法優(yōu)化杏仁皮SDF提取工藝參數(shù)的效果比較好。

3.2 杏仁皮水溶性膳食纖維含有大量的親水基團(tuán)，具有優(yōu)良的持水性和溶脹性。杏仁皮SDF的持水性為8.31g/g，溶脹性為6.48mL/g，其理化性能稍微優(yōu)于小米麩皮膳食纖維、米糠餅粕膳食纖維和大豆膳食纖維［12-14］。

3.3 超聲波作用于纖維素酶溶液時(shí)，可產(chǎn)生空化、振蕩等效應(yīng)，使酶分子構(gòu)象及催化部位發(fā)生變化，影響催化活力。超聲波功率的大小與超聲波處理時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)纖維素酶活力影響較大。適宜強(qiáng)度的超聲波可促進(jìn)酶的分子構(gòu)象發(fā)生變化，使酶的二級(jí)與三級(jí)結(jié)構(gòu)更合理，容易與底物分子結(jié)合，從而增強(qiáng)酶的催化能力［15］。超聲波強(qiáng)度過(guò)大則會(huì)破壞酶分子的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致酶鈍化，降低酶活力，不利于目的產(chǎn)物的分離提取。

扁杏仁是我國(guó)特有的藥食兼用杏仁資源，杏仁皮是一種很好的膳食纖維食品。對(duì)杏仁進(jìn)行研發(fā)，有助于將資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，對(duì)振興地方經(jīng)濟(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］李健文，楊月欣.膳食纖維定義及分析方法研究進(jìn)展［J］.食品科學(xué)，2007，28(2):350-354.

［2］高宗穎，蘇麗，袁麗，等.膳食纖維的生理保健作用［J］.農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2011(1):42-44.

［3］張玉倩，趙乃峰，王成忠，等.膳食纖維功能特性與改性的研究［J］.糧食加工，2010，35(5):57-59.

［4］Paturi G，Butts C A，Monro J A，et al.Evaluation of gastrointestinal transit in rats fed dietary fibres differing in their susceptibility to large intestine fermentation［J］.Journal of Functional Foods，2012，4(1):107-115.

［5］Chen S N，Jiang L Z，Li Y，et al.Ultrasound-assisted enzymatic extraction of dietary fiber from pods［J］.Procedia Engineering，2011，15:5056-5061.

［6］黃清霞，雷激，李華鑫，等.高生物活性檸檬膳食纖維的功能特性研究［J］.食品工業(yè)科技，2012，33(5):226-229.

［7］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.

［8］李素玲，王強(qiáng)，田金強(qiáng)，等.杏仁深加工技術(shù)研究進(jìn)展［J］.糧油加工，2009(9):61-64.

［9］嚴(yán)毅梅 .杏仁皮有抗菌作用［J］.食品與生活，2010(12):49.

［10］鄭建仙.膳食纖維的化學(xué)分析［J］.糧食與油脂，1994(1):17-22.

［11］苗敬芝，馮金和，董玉瑋.超聲結(jié)合酶法提取生姜中水溶性膳食纖維及其功能性研究［J］.食品科學(xué)，2011，32(24):120-125.

［12］劉倍毓，鄭紅艷，鐘耕，等.小米麩皮膳食纖維成分及物化特性測(cè)定［J］.中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2011，26(10):30-34.

［13］馬濤，張良晨.米糠餅粕膳食纖維理化性質(zhì)的研究［J］.食品工業(yè)科技，2010，31(7):105-106，109.

［14］姜愛(ài)莉，賀紅軍，孫承鋒.大豆膳食纖維的提取工藝［J］.食品工業(yè)，2004(1):46-47.

［15］王婷，何榮海，馬海樂(lè).物理場(chǎng)對(duì)酶活力的影響［J］.食品工業(yè)科技，2010，31(6):401-403，407.