馬鈴薯渣膳食纖維物化特性的研究

梅新+陳學玲+關健+施建斌+何建軍

摘要：以馬鈴薯渣為原料，采用酶法制備馬鈴薯渣膳食纖維，以馬鈴薯渣為對照，分析了pH、NaCl濃度和溫度變化對馬鈴薯渣膳食纖維持水性、持油性、吸水膨脹性和黏度等物化特性的影響。結果表明，在相同條件下，馬鈴薯渣膳食纖維持水性、持油性和吸水膨脹性明顯高于馬鈴薯渣，而黏度低于馬鈴薯渣，隨著pH的升高，膳食纖維持水性降低、吸水膨脹性升高、黏度呈“Z”字型變化；隨著NaCl質量分數(shù)的升高，膳食纖維持水性降低、吸水膨脹性先上升后降低、黏度升高；隨著溫度的升高，膳食纖維持水性、持油性、吸水膨脹性和黏度均呈上升趨勢。

關鍵詞：馬鈴薯渣；膳食纖維；物化特性

中圖分類號：TS210.9 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）19-4666-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.042

Physical-Chemical Properties of Dietary Fiber from Potato Residues

MEI Xin， CHEN Xue-ling， GUAN Jian， SHI Jian-bin， HE Jian-jun

（Institute of Agro-Products Processing and Nuclear-Agricultural Technolgoy， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan 430064， China）

Abstract： Potato dietary fiber（DF） was isolated from potato residues by enzymatic method. The effects of variation of pH value， NaCl concentration and temperature on water holding capacity （WHC）， oil holding capacity （OHC）， swelling capacity （SWC） and viscosity of potato DF were investigated. The results showed that potato DF was obviously higher than potato residues in WHC， OHC and SWC， but lower in viscosity. With the increase of pH value， the WHC of DF decreased and SWC increased. Viscosity exhibited the variation trend of shape of“Z” letter. With the increase of NaCl concentration， the WHC of DF decreased， SWC increased firstly and then decreased， viscosity increased. With the increase of temperature， the WHC， OHC， SWC and viscosity had the increasing trend.

Key words： potato residues；dietary fiber；physico-chemical properties

我國是世界上最大的馬鈴薯生產國和消費國，據(jù)世界糧農組織（FAO）統(tǒng)計，2012年世界馬鈴薯種植面積為1.92×107 hm2，產量3.65×108 t，其中我國馬鈴薯種植面積和產量分別為5.43×106 hm2，8.59×107 t，分別占世界馬鈴薯種植面積和產量的28.28%和23.53%。2009—2011年統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，我國馬鈴薯總產量61%用于鮮食，16%左右用于淀粉、淀粉類產品、薯片和薯條等加工，12%左右用于種薯，此外，貯藏、浪費等損失大概10%以上，出口約占0.4%。

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國馬鈴薯淀粉年加工量在5×105 t左右。加工企業(yè)大部分規(guī)模小，技術裝備水平較差，產品附加值低，廢渣廢液污染嚴重等問題制約了馬鈴薯淀粉加工產業(yè)的發(fā)展。馬鈴薯渣是馬鈴薯淀粉生產過程中的副產物，生產1 t馬鈴薯淀粉約產生2～3 t薯渣，薯渣含水量約80%以上，干物質主要成分為膳食纖維（Dietary fiber，DF）、殘余淀粉，因其蛋白含量低，粗纖維含量高，作為飼料使用營養(yǎng)價值低。此外，馬鈴薯淀粉受原料供應影響，生產季節(jié)集中，通常情況下，廢渣被作為廢棄物丟棄，既污染環(huán)境，又浪費了廢渣中的DF和淀粉資源。

Hipsley于1953年首次提出DF概念，將不能被人體腸道消化吸收的植物細胞壁組成部分定義為DF，其中包括纖維素、半纖維素和木質素等[1]。目前，研究表明DF中還包括寡聚糖、果膠、樹膠及蠟質等物質[2]。膳食纖維在保障人體健康方面扮演著重要角色，很多疾病如便秘、肥胖、心血管系統(tǒng)疾病等都與DF攝入量不足有關[3]。

馬鈴薯渣DF主要由纖維素、半纖維素、木質素和果膠等物質組成[4]。在前人報道中，對馬鈴薯DF研究主要集中于DF的制備[5-7]，改性提高可溶性DF得率[8，9]，馬鈴薯DF結構特征[10，11]、持水性（Water holding capacity，WHC）、持油性（Oil holding capacity，OHC）、吸水膨脹性（Swelling capacity，SWC）等物化特性分析[4，5，9，11]和吸附膽固醇能力[12]等方面，并探討了粒度對馬鈴薯DF物化特性的影響[13]，而有關食品體系中外在條件（pH、溫度及鹽離子濃度）對馬鈴薯DF物化特性的影響報道較少。本研究以酶解法制備馬鈴薯渣DF為原料，圍繞pH、溫度、NaCl濃度等外在條件對馬鈴薯渣DF物化特性的影響進行探討，以期為馬鈴薯渣DF在食品體系中廣泛應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮馬鈴薯購自超市，洗凈晾干后4 ℃下貯藏備用。

1.2 方法

1.2.1 馬鈴薯渣中膳食纖維的提取 將馬鈴薯打漿，分離淀粉后的殘渣，自來水沖洗3～5次，60 ℃下烘干，粉碎后過100目篩備用。取干燥后馬鈴薯渣按料液比1∶10（m/V），加水懸浮，100 ℃下糊化10 min，冷卻至室溫，調節(jié)pH至5，加入α-淀粉酶，60 ℃下酶解30 min，100 ℃下滅酶，酶解液4 500 r/min離心30 min，棄上清，沉淀加水至原體積，調節(jié)pH至4.5，加入糖化酶60 ℃下酶解30 min，100 ℃下滅活，酶解液4 500 r/min離心30 min，去上清液收集沉淀，60 ℃下干燥得到馬鈴薯渣DF，DF粉碎過100目篩備用。α-淀粉酶和糖化酶質量分數(shù)均為1.0%（m/V），酶液用量為每克薯渣0.5 mL。

1.2.2 膳食纖維基本成分分析 采用國標中規(guī)定的方法分析馬鈴薯渣和馬鈴薯渣DF中的水分（GB/T 5009.3—2003）、灰分（GB/T 5009.4—2003）、蛋白質（GB/T 5009.5—2003）、脂肪（GB/T 5009.6—2003）、淀粉（GB/T 5009.9—2003）、DF（GB/T 22224—2008）含量。

1.2.3 膳食纖維物化特性分析

1）持水性（WHC）的測定。持水性測定參照Lecumberri等[14]的方法，取一定量樣品（g）記為W1，按1∶100（m/V）比例加入NaCl溶液，充分混勻，調節(jié)pH，一定溫度下放置1 h，后于3 000 r/min下離心15 min，棄上清液，記錄沉淀重量為W2（g），WHC的計算公式為：

WHC（g/g）=（W2-W1）/W1

2）吸水膨脹性（SWC）的測定。吸水膨脹性測定參照Lecumberri等[14]的方法，取一定量樣品（g）記為W3，置于帶刻度的試管中，記錄樣品體積為V1，按1∶50（m/V）加入NaCl溶液，調節(jié)pH，充分混勻，于一定溫度下放置18 h，記錄樣品體積為V2，SWC計算的公式為：

SWC=（V2-V1）/W3

采用單因素試驗分別探討pH（2、3、4、5、6、7、8、9、10、11）、NaCl質量分數(shù)（0、1%、3%、5%、7%、10%）、溫度（20、30、40、50、60、70、80、90、100 ℃）對樣品WHC和SWC的影響。在探討某一單因素時，pH、NaCl質量分數(shù)和溫度分別定為7.0、0和30 ℃。

3）持油性（OHC）的測定。持油性測定參照Elleuch等[15]的方法，取一定量樣品（g）即為W4，按1∶100（m/V）比例加入玉米油，充分混勻，置于一定溫度下（20、30、40、50、60、70、80、90、100 ℃）放置1 h，后于1 500 r/min下離心30 min，記錄沉淀重量為W5（g），OHC的計算公式為：

OHC（g/g）=（W4-W5）/W4

4）黏度的測定。取一定量樣品按1∶100（m/V）加入NaCl溶液，調節(jié)pH，1 000 r/min均質1 min，一定溫度下保溫30 min，測定溶液表觀黏度。黏度計轉子轉速300 r/min。

采用單因素試驗分別考察pH（2、3、4、5、6、7、8、9、10、11）、NaCl質量分數(shù)（0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%）、溫度（20、40、60、80、100 ℃）對樣品黏度的影響，在探討某一單因素時，pH、NaCl質量分數(shù)和溫度分別定為7.0、0和30 ℃。

各處理均以馬鈴薯渣為對照。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有試驗均重復3次，試驗數(shù)據(jù)用平均值±標準差表示，用DPS 7.55統(tǒng)計軟件進行方差分析，用Duncan′s新復極差法進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯渣和馬鈴薯膳食纖維基本成分的比較

從表1結果看出，馬鈴薯渣主要由淀粉和DF組成，其含量分別為49.94%和31.83%，其次為蛋白質4.02%，脂肪含量較少，僅為0.42%。酶解法制備馬鈴薯渣DF中淀粉含量僅為3.01%，DF含量高達80.17%，這高于吳海燕等[7]同樣采用酶法制備的馬鈴薯DF含量75.58%，略低于酶法制備的甘薯DF含量81.43%[16]。

2.2 不同因素對馬鈴薯渣膳食纖維持水性的影響

馬鈴薯渣DF的WHC隨pH、NaCl質量分數(shù)以及溫度的變化情況如圖1所示。結果表明，隨著pH的升高，薯渣WHC呈“M”型變化趨勢，pH為9時WHC最大，達到4.89 g/g，而pH為11時最小，僅為4.04 g/g；隨著pH的升高，DF的WHC呈下降趨勢，pH為2.0時，WHC最大達到8.59 g/g，酸性條件下，不同pH下薯渣DF的WHC無顯著差異。

隨著NaCl質量分數(shù)的增大，薯渣和DF的WHC變化趨勢不同，NaCl質量分數(shù)為5.0%時，薯渣的WHC最大為5.84%，而NaCl質量分數(shù)為0時，DF的WHC最大達到8.30%。在相同pH和NaCl質量分數(shù)下，DF的WHC明顯高于薯渣。隨著溫度的升高，薯渣和DF的WHC均明顯升高，當溫度高于60 ℃時，薯渣WHC急劇增大，這是由于薯渣中淀粉糊化所致，溫度高于80 ℃時，薯渣的WHC高于DF的WHC，100 ℃下薯渣和DF的WHC分別為14.70、11.64 g/g。

2.3 溫度對馬鈴薯渣膳食纖維持油性的影響

溫度對馬鈴薯渣DF的OHC影響如圖2所示，結果表明隨著溫度的升高，薯渣和DF的OHC均呈明顯的上升趨勢，相同溫度條件下，DF的OHC明顯高于薯渣的OHC。溫度從60 ℃上升到90 ℃的過程中，不同溫度下薯渣的OHC無顯著差異；而溫度從30 ℃上升到90 ℃的過程中，不同溫度下DF的OHC無顯著差異。20 ℃下薯渣和DF的OHC分別為1.03、1.52 g/g，100 ℃下薯渣和DF的OHC分別為1.95、2.81 g/g。

2.4 不同因素對馬鈴薯渣吸水膨脹性的影響

馬鈴薯渣DF的SWC隨pH、NaCl質量分數(shù)以及溫度的變化情況如圖3所示，結果表明，隨著pH的升高，薯渣和DF的SWC變化趨勢相同，均呈先上升后下降的變化趨勢；pH為5時，薯渣SWC最大為2.83 mL/g，而DF的SWC達到最大（8.07 mL/g）時pH為6。隨著NaCl質量分數(shù)的增大，薯渣和DF的SWC均呈先上升后下降的變化趨勢，且不同NaCl質量分數(shù)下的SWC存在顯著差異，NaCl質量分數(shù)為1.0%和3.0%時，DF和薯渣的SWC先后出現(xiàn)最大值8.10 mL/g和3.33 mL/g。隨著溫度的升高，薯渣和DF的SWC呈明顯的上升趨勢，這與薯渣和DF中淀粉糊化有關，薯渣中淀粉含量高，SWC上升幅度大，100 ℃時薯渣和DF的SWC分別為7.07、8.20 mL/g。相同pH、NaCl質量分數(shù)以及溫度條件下，DF的SWC明顯高于薯渣的SWC。

2.5 不同因素對馬鈴薯渣膳食纖維黏度的影響

不同pH、NaCl質量分數(shù)以及溫度對馬鈴薯渣DF黏度的影響如圖4所示，結果表明，隨著pH的升高，薯渣黏度先上升后下降，但不同pH下黏度無顯著差異；而DF黏度則呈“Z”字型變化趨勢，pH 3和9時分別出現(xiàn)最大值（2.80 mPa.s）和最小值（1.80 mPa.s），在pH從3到9變化范圍內，各pH下DF的黏度值無顯著差異。隨著NaCl質量分數(shù)的增大，薯渣和DF的黏度上升，其上升幅度分別為0.60 mPa.s和1.20 mPa.s；NaCl質量分數(shù)3.0%時，薯渣和DF黏度值均最大，分別為2.90 mPa.s和2.80 mPa.s。隨著溫度的升高，薯渣和DF黏度上升，20 ℃時，兩者黏度相同均為2.50 mPa.s，而100 ℃時，薯渣黏度達到5.70 mPa.s，DF粘黏僅上升到3.00 mPa.s。相同NaCl質量分數(shù)、溫度以及pH介于4.0至10.0之間時，薯渣黏度明顯高于DF黏度。

3 結論

馬鈴薯渣是馬鈴薯淀粉及淀粉制品生產過程中的副產物，以馬鈴薯渣作為原料生產DF具有來源廣泛、附加值高、生產成本低等優(yōu)點。目前，DF已經作為食品原料或輔料用于焙烤食品、主食食品、膨化食品、乳制品、肉制品、飲料、保健品等[17，18]中。膳食纖維作為食品成分具有很多優(yōu)點，可影響產品顏色、風味、持油性和持水性，可作為穩(wěn)定劑，對食品結構、凝膠和粗度起改善作用，可作為增稠劑，控制糖的結晶，且對產品貨架期有一定的提高[19]。

膳食纖維作為食品體系的一部分，其持水性、持油性、吸水膨脹性等物化特性可受到食品加工和生產過程中pH、NaCl質量分數(shù)和溫度等的影響，進而影響產品質構、品質。本研究結果表明，在酸性條件下，馬鈴薯渣DF的WHC、SWC和黏度較高，pH為2、6和3時，對應的馬鈴薯渣DF的WHC、SWC和黏度達到最大，分別為8.59 g/g、8.07 mL/g、2.80 mPa.s；NaCl質量分數(shù)為0、1.0%和3.0%時，對應的馬鈴薯渣DF的WHC、SWC和黏度達到最大，分別為8.30 g/g、8.10 mL/g、2.80 mPa.s；隨著溫度的升高，馬鈴薯渣DF的WHC、OHC、SWC和黏度均明顯上升，100 ℃下，馬鈴薯渣DF的WHC、OHC、SWC和黏度分別為11.64 g/g、2.81 g/g、8.20 mL/g、3.00 mPa.s。

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2.4 不同因素對馬鈴薯渣吸水膨脹性的影響

馬鈴薯渣DF的SWC隨pH、NaCl質量分數(shù)以及溫度的變化情況如圖3所示，結果表明，隨著pH的升高，薯渣和DF的SWC變化趨勢相同，均呈先上升后下降的變化趨勢；pH為5時，薯渣SWC最大為2.83 mL/g，而DF的SWC達到最大（8.07 mL/g）時pH為6。隨著NaCl質量分數(shù)的增大，薯渣和DF的SWC均呈先上升后下降的變化趨勢，且不同NaCl質量分數(shù)下的SWC存在顯著差異，NaCl質量分數(shù)為1.0%和3.0%時，DF和薯渣的SWC先后出現(xiàn)最大值8.10 mL/g和3.33 mL/g。隨著溫度的升高，薯渣和DF的SWC呈明顯的上升趨勢，這與薯渣和DF中淀粉糊化有關，薯渣中淀粉含量高，SWC上升幅度大，100 ℃時薯渣和DF的SWC分別為7.07、8.20 mL/g。相同pH、NaCl質量分數(shù)以及溫度條件下，DF的SWC明顯高于薯渣的SWC。

2.5 不同因素對馬鈴薯渣膳食纖維黏度的影響

不同pH、NaCl質量分數(shù)以及溫度對馬鈴薯渣DF黏度的影響如圖4所示，結果表明，隨著pH的升高，薯渣黏度先上升后下降，但不同pH下黏度無顯著差異；而DF黏度則呈“Z”字型變化趨勢，pH 3和9時分別出現(xiàn)最大值（2.80 mPa.s）和最小值（1.80 mPa.s），在pH從3到9變化范圍內，各pH下DF的黏度值無顯著差異。隨著NaCl質量分數(shù)的增大，薯渣和DF的黏度上升，其上升幅度分別為0.60 mPa.s和1.20 mPa.s；NaCl質量分數(shù)3.0%時，薯渣和DF黏度值均最大，分別為2.90 mPa.s和2.80 mPa.s。隨著溫度的升高，薯渣和DF黏度上升，20 ℃時，兩者黏度相同均為2.50 mPa.s，而100 ℃時，薯渣黏度達到5.70 mPa.s，DF粘黏僅上升到3.00 mPa.s。相同NaCl質量分數(shù)、溫度以及pH介于4.0至10.0之間時，薯渣黏度明顯高于DF黏度。

3 結論

馬鈴薯渣是馬鈴薯淀粉及淀粉制品生產過程中的副產物，以馬鈴薯渣作為原料生產DF具有來源廣泛、附加值高、生產成本低等優(yōu)點。目前，DF已經作為食品原料或輔料用于焙烤食品、主食食品、膨化食品、乳制品、肉制品、飲料、保健品等[17，18]中。膳食纖維作為食品成分具有很多優(yōu)點，可影響產品顏色、風味、持油性和持水性，可作為穩(wěn)定劑，對食品結構、凝膠和粗度起改善作用，可作為增稠劑，控制糖的結晶，且對產品貨架期有一定的提高[19]。

膳食纖維作為食品體系的一部分，其持水性、持油性、吸水膨脹性等物化特性可受到食品加工和生產過程中pH、NaCl質量分數(shù)和溫度等的影響，進而影響產品質構、品質。本研究結果表明，在酸性條件下，馬鈴薯渣DF的WHC、SWC和黏度較高，pH為2、6和3時，對應的馬鈴薯渣DF的WHC、SWC和黏度達到最大，分別為8.59 g/g、8.07 mL/g、2.80 mPa.s；NaCl質量分數(shù)為0、1.0%和3.0%時，對應的馬鈴薯渣DF的WHC、SWC和黏度達到最大，分別為8.30 g/g、8.10 mL/g、2.80 mPa.s；隨著溫度的升高，馬鈴薯渣DF的WHC、OHC、SWC和黏度均明顯上升，100 ℃下，馬鈴薯渣DF的WHC、OHC、SWC和黏度分別為11.64 g/g、2.81 g/g、8.20 mL/g、3.00 mPa.s。

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2.4 不同因素對馬鈴薯渣吸水膨脹性的影響

馬鈴薯渣DF的SWC隨pH、NaCl質量分數(shù)以及溫度的變化情況如圖3所示，結果表明，隨著pH的升高，薯渣和DF的SWC變化趨勢相同，均呈先上升后下降的變化趨勢；pH為5時，薯渣SWC最大為2.83 mL/g，而DF的SWC達到最大（8.07 mL/g）時pH為6。隨著NaCl質量分數(shù)的增大，薯渣和DF的SWC均呈先上升后下降的變化趨勢，且不同NaCl質量分數(shù)下的SWC存在顯著差異，NaCl質量分數(shù)為1.0%和3.0%時，DF和薯渣的SWC先后出現(xiàn)最大值8.10 mL/g和3.33 mL/g。隨著溫度的升高，薯渣和DF的SWC呈明顯的上升趨勢，這與薯渣和DF中淀粉糊化有關，薯渣中淀粉含量高，SWC上升幅度大，100 ℃時薯渣和DF的SWC分別為7.07、8.20 mL/g。相同pH、NaCl質量分數(shù)以及溫度條件下，DF的SWC明顯高于薯渣的SWC。

2.5 不同因素對馬鈴薯渣膳食纖維黏度的影響

不同pH、NaCl質量分數(shù)以及溫度對馬鈴薯渣DF黏度的影響如圖4所示，結果表明，隨著pH的升高，薯渣黏度先上升后下降，但不同pH下黏度無顯著差異；而DF黏度則呈“Z”字型變化趨勢，pH 3和9時分別出現(xiàn)最大值（2.80 mPa.s）和最小值（1.80 mPa.s），在pH從3到9變化范圍內，各pH下DF的黏度值無顯著差異。隨著NaCl質量分數(shù)的增大，薯渣和DF的黏度上升，其上升幅度分別為0.60 mPa.s和1.20 mPa.s；NaCl質量分數(shù)3.0%時，薯渣和DF黏度值均最大，分別為2.90 mPa.s和2.80 mPa.s。隨著溫度的升高，薯渣和DF黏度上升，20 ℃時，兩者黏度相同均為2.50 mPa.s，而100 ℃時，薯渣黏度達到5.70 mPa.s，DF粘黏僅上升到3.00 mPa.s。相同NaCl質量分數(shù)、溫度以及pH介于4.0至10.0之間時，薯渣黏度明顯高于DF黏度。

3 結論

馬鈴薯渣是馬鈴薯淀粉及淀粉制品生產過程中的副產物，以馬鈴薯渣作為原料生產DF具有來源廣泛、附加值高、生產成本低等優(yōu)點。目前，DF已經作為食品原料或輔料用于焙烤食品、主食食品、膨化食品、乳制品、肉制品、飲料、保健品等[17，18]中。膳食纖維作為食品成分具有很多優(yōu)點，可影響產品顏色、風味、持油性和持水性，可作為穩(wěn)定劑，對食品結構、凝膠和粗度起改善作用，可作為增稠劑，控制糖的結晶，且對產品貨架期有一定的提高[19]。

膳食纖維作為食品體系的一部分，其持水性、持油性、吸水膨脹性等物化特性可受到食品加工和生產過程中pH、NaCl質量分數(shù)和溫度等的影響，進而影響產品質構、品質。本研究結果表明，在酸性條件下，馬鈴薯渣DF的WHC、SWC和黏度較高，pH為2、6和3時，對應的馬鈴薯渣DF的WHC、SWC和黏度達到最大，分別為8.59 g/g、8.07 mL/g、2.80 mPa.s；NaCl質量分數(shù)為0、1.0%和3.0%時，對應的馬鈴薯渣DF的WHC、SWC和黏度達到最大，分別為8.30 g/g、8.10 mL/g、2.80 mPa.s；隨著溫度的升高，馬鈴薯渣DF的WHC、OHC、SWC和黏度均明顯上升，100 ℃下，馬鈴薯渣DF的WHC、OHC、SWC和黏度分別為11.64 g/g、2.81 g/g、8.20 mL/g、3.00 mPa.s。

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