酶法處理馬鈴薯渣對其功能性質的影響

程 力,廖 瑾,顧正彪，*,洪 雁,李兆豐

(1.江南大學食品學院,江蘇無錫 214122;2.江南大學食品科學與技術國家重點實驗室,江蘇無錫 214122)

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酶法處理馬鈴薯渣對其功能性質的影響

程 力1,2,廖 瑾1,顧正彪1,2，*,洪 雁1,2,李兆豐1,2

(1.江南大學食品學院,江蘇無錫 214122;2.江南大學食品科學與技術國家重點實驗室,江蘇無錫 214122)

以馬鈴薯渣中的膳食纖維組分為研究對象,研究了纖維素酶單一處理及耐高溫α-淀粉酶結合纖維素酶復合處理馬鈴薯渣對其功能性質的影響。經過酶處理的馬鈴薯渣可溶性膳食纖維含量顯著提高,單獨使用纖維素酶水解馬鈴薯渣,可溶性膳食纖維(SDF)含量達14.38g/100g,比原漿提高了18.74%,采用耐高溫α-淀粉酶結合纖維素酶復合處理的馬鈴薯渣中SDF含量達15.00g/100g,與單獨使用纖維素酶水解相比提高了4.31%,與原漿相比提高了23.86%。掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)薯渣經過酶解后,結構變得松散,處理后馬鈴薯渣的陽離子交換能力、膨脹率、持水力及持油力明顯提高,且雙酶組效果最好,與市面上的麩皮相比性能更優(yōu),薯渣中殘余的淀粉更易消化,在飼料中有較好的應用潛力。

馬鈴薯渣,酶法處理,功能性質

馬鈴薯淀粉是馬鈴薯深加工最為主要的方向之一。我國具有極為豐富的馬鈴薯資源,面積和產量均位于世界首位,也是馬鈴薯淀粉加工的大國,2012年馬鈴薯淀粉產量達38.5萬噸。隨著馬鈴薯淀粉產業(yè)的發(fā)展,其副產物馬鈴薯渣的產量越來越大,一般每噸淀粉產生6～7噸廢渣(含水份在95%左右),如不加以回收利用,不僅造成資源浪費,而且造成嚴重的環(huán)境污染[1]。

目前,許多國家面臨著動物飼料緊缺的難題[2],馬鈴薯渣含有淀粉、纖維素、半纖維素和果膠等可利用組分,具有作為動物飼料的潛力。但是,馬鈴薯渣的含水量非常高[3],且脫水困難、不易儲藏,若直接作為飼料則營養(yǎng)價值過低,且烘干處理的成本較高。國內外的研究主要集中在從馬鈴薯渣中提取膳食纖維等有益物質或者生產發(fā)酵飼料[4],但操作工藝復雜,處理周期過長,成本高昂,開發(fā)利用率較低,尚未得到產業(yè)化的推廣和應用,馬鈴薯渣的綜合利用一直沒有得到較好的解決。有學者對發(fā)酵馬鈴薯渣作為飼料進行了研究,消化能僅有13MJ/kg[5],無法直接滿足動物對飼料的營養(yǎng)需求。馬鈴薯渣中含有豐富的膳食纖維資源,將薯渣加工后作為飼料中提供纖維素來源的組分,是薯渣深加工中具有發(fā)展?jié)摿Φ姆较?。馬鈴薯渣中的膳食纖維主要是不可溶性的,而大量研究證明可溶性膳食纖維具有更優(yōu)的生理功能。本研究利用纖維素酶及淀粉酶直接處理濕馬鈴薯渣,使部分不可溶膳食纖維(IDF)轉化為可溶性膳食纖維(SDF)以及可溶性小分子糖,可以起到改良和優(yōu)化膳食纖維組成和生理功能的作用[3]。此外,通過酶解還可以改善馬鈴薯渣的適口性,增加薯渣中淀粉等營養(yǎng)物質的吸收利用效率。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

濕馬鈴薯渣 黑龍江北大荒馬鈴薯產業(yè)有限公司;耐高溫α-淀粉酶(酶活:18000U/mL),無錫杰能科生物工程有限公司;纖維素酶(酶活:1500U/mL)無錫杰能科生物工程有限公司;麩皮,市場購入。

RJ-LD-ⅡB大型離心機 江蘇無錫瑞江離心機廠;DSHZ-300多用水浴恒溫振蕩器 江蘇太倉實驗設備廠;RW20 IKA 攪拌器 德國IKA公司;QUANTA-200型掃描電子顯微鏡 英國馬爾文公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 馬鈴薯渣成分的測定方法 水分測定:干燥恒重法(GB5009.3-85);灰分測定:直接灰化法(GB5009.4-2003);蛋白質測定:微量凱氏定氮法(GB5009.5-85);淀粉含量測定:蒽酮比色法(GB6194-86);纖維素、半纖維素、木質素:重量法;可溶性膳食纖維(SDF):AACC32-06;不可溶膳食纖維(SDF):AACC32-06。

1.2.2 馬鈴薯渣處理的工藝流程

1.2.2.1 原漿處理工藝流程 為了排除溫度和其他操作的影響,原漿組采用和酶解組完全相同的工藝,只是不加入相應的酶。此后提到的原漿均代表經過以上操作處理的馬鈴薯渣。

1.2.2.2 單酶處理工藝流程 濕馬鈴薯渣→分散于緩沖溶液中成均一體系→90℃水浴保溫30min→調pH4.5,加入纖維素酶22.5U/g→50℃,1h→沸水浴滅酶10min→水解產物

具體操作流程:以濕馬鈴薯渣為原料,按1∶15的料液比加入pH6.0檸檬酸-檸檬酸緩沖液,調節(jié)pH,并在90℃水浴下攪拌30min進行酶解,并在沸水浴中滅酶10min,得到水解產物。根據測試需要可制成凍干樣品,并粉碎,過100目篩制成粉末樣品。

1.2.2.3 雙酶復合處理工藝流程 濕馬鈴薯渣→分散于緩沖溶液中成均一體系→加入耐高溫α-淀粉酶60U/g,90℃水浴保溫30min→調pH4.5,加入纖維素酶22.5U/g→50℃,1h→沸水浴滅酶10min→水解產物

具體操作流程:以濕馬鈴薯渣為原料,按1∶15的料液比加入pH6.0檸檬酸-檸檬酸緩沖液,加入60U/g的耐高溫α-淀粉酶,在90℃水浴下攪拌30min進行酶解,立即調節(jié)pH至4.5滅酶。待薯渣冷卻至50℃,加入一定量的纖維素酶,并在50℃下攪拌1h進行酶解,然后采用高溫滅酶的方法,在沸水浴中滅酶10min,得到水解產物。根據測試需要可制成凍干樣品,并粉碎,過100目篩制成粉末樣品。

1.2.3 表面微觀結構的觀察 將經過不同處理的馬鈴薯渣冷凍后放置于冷凍干燥機中干燥脫水,將干燥后的樣品分散在鋁棒上后在表面噴涂鉑/鈀合金,使用掃描電鏡,放大倍數(shù)為150倍下觀察樣品微觀結構。

1.2.4 酶解處理對馬鈴薯渣生理性質的影響

1.2.4.1 陽離子交換能力的測定 樣品浸入0.1mol/L的HCl完全浸沒24h后,倒入鋪有濾紙的玻璃漏斗中過濾,用蒸餾水去除多余的酸,用10%(w/v)的AgNO3檢測至濾液不含Cl-為止,然后微熱風干燥濾渣,準確稱取0.25g 干樣品溶解于100mL 15%(w/v)NaCl溶液中,磁力攪拌均勻,再用0.1mol/L NaOH溶液滴定,記錄pH變化,作VNaOH-pH關系圖表示不同樣品隨著NaOH的滴定pH變化的過程[6]。

1.2.4.2 膨脹率的測定 準確稱取1.00g干燥樣品于量筒中,添加去離子水50mL,震蕩均勻,測定其在室溫下放置24h后樣品膨脹后的體積V。

式中:m-所稱取樣品的質量,g;V-樣品膨脹后的體積,mL。

1.2.4.3 持水力的測定 準確稱取1.00g干燥樣品于離心管里,室溫下靜置24h,將樣品置于離心機中4000r/min離心20min,傾去管內上清液,稱取沉淀質量m1。

式中:m0-所稱取樣品的質量,g;m1-離心后沉淀的質量,g。

1.2.4.4 持油力的測定 準確稱取3.0g(m1)待測樣品于離心管(m0)中,加入豆油30mL,混合均勻后于37℃靜置1h,在4000r/min條件下離心15min,去掉上層油,擦干離心管里里外壁所附著的油脂和水分,稱重得m2[7]。

式中：m0-離心管質量,g;m1-所稱取樣品的質量,g;m2-去掉上層油后離心管的質量,g。

1.2.4.5 淀粉組分體外消化性的測定 準確稱取0.5g樣品置于測試管中(預先測定樣品中的淀粉含量a),加入15mLpH5.2的0.2mol/L醋酸鈉緩沖液,混勻后加入10mL混酶液,含豬胰α-淀粉酶(290U/mL)和糖化酶(15U/mL),置于37℃恒溫水浴鍋下震蕩,在水解0、10、20、30、50、80、120min時分別取樣20μL于1.5mL離心管中,加入180μL蒸餾水在10000r/min下離心10min,取50μL上清液用葡萄糖試劑盒在510nm波長下比色測出葡萄糖含量m1,并計算出淀粉的水解率[8]。

式中：m1-葡萄糖含量,mg;a-樣品中的淀粉含量,%；500-樣品質量，mg。

1.2.4.6 數(shù)據處理 實驗數(shù)據用平均數(shù)±標準差表示,采用SPSS軟件,組間差異顯著性以t檢驗方法進行統(tǒng)計學處理。p<0.05有顯著性統(tǒng)計學意義。

2 結果與討論

2.1 馬鈴薯渣組成分析

馬鈴薯渣的組成分析結果如表1所示,從表中可以看出,除了水之外,馬鈴薯渣的主要成分是殘余的淀粉和纖維素,薯渣中淀粉的含量根據來源不同而略有差異,在淀粉的生產過程中纖維與淀粉分離次數(shù)越多淀粉含量越少。一般而言,隨著淀粉含量的減少則纖維的含量就相應的增加,這有助于提高馬鈴薯渣作為飼料組分中提供纖維素來源的功能特性[6]。此外,薯渣中還含有少量的蛋白質和其他成分,如脂肪、小分子糖類和酚類物質等。

對薯渣中的膳食纖維成分進行測定的結果表明(表2),馬鈴薯渣膳食纖維主要為不溶性成分,可溶性膳食纖維僅占總膳食纖維的34.9%,而有報道指出可溶性膳食纖維具有更優(yōu)的生理性質[9],因而本研究通過酶法改性馬鈴薯渣來提高可溶性膳食纖維含量,優(yōu)化馬鈴薯渣的膳食纖維組成,提高其作為飼料組分的應用效果。

表1 馬鈴薯渣的組分分析Table 1 Components of conventional potato pulp

表2 馬鈴薯渣中膳食纖維的成分分析Table 2 Components of dietary fiber

2.2 不同酶解處理條件對馬鈴薯渣主要成分的影響

從表3可以看出,經過酶法處理后馬鈴薯渣的可溶性膳食纖維含量顯著提高。單獨使用纖維素酶水解馬鈴薯渣,SDF含量達到14.38g·100g-1,比原漿提高了18.74%。利用纖維素酶處理馬鈴薯渣,纖維素酶可以降解不溶性膳食纖維中的纖維成分,使纖維素鏈斷裂,產生可溶性成分,從而增加了可溶性膳食纖維的含量。由于薯渣細胞結構致密,淀粉與纖維結構緊緊嚙合在一起,因此考慮采用淀粉酶對馬鈴薯渣進行預處理,使薯渣結構變得松散,纖維素酶更容易進入纖維內部結構進行降解,提高了水解效率。采用淀粉酶預處理的馬鈴薯渣中SDF含量達到15.00g·100g-1,與單獨使用纖維素酶水解相比提高了4.31%，與原漿相比提高了23.86%。

表3 不同處理條件對馬鈴薯渣主要成分的影響Table 3 Components with different treating

注:不同字母表示差異顯著,相同字母表示差異不顯著。

膳食纖維分為IDF和SDF,研究表明,SDF在生理功能方面更優(yōu)于IDF,并且口感較好,并認為SDF的組成比例是影響膳食纖維生理功能的重要因素[10]。使用纖維素酶處理馬鈴薯渣,部分不可溶膳食纖維轉化為可溶成分,SDF/IDF的比例達到0.6720,較原漿提高了25.19%。而使用淀粉酶預處理后SDF/IDF的比例達到了0.7198,比原漿提高了34.10%。

2.3 不同酶解處理條件對馬鈴薯渣表面微觀結構的影響

圖1 不同處理馬鈴薯渣的掃描電鏡圖Fig.1 Scanning electron microscope of potato pulp with different sample

注:a:未經處理的馬鈴薯原渣,b:經過熱處理的馬鈴薯渣, c:纖維素酶水解的馬鈴薯渣, d:淀粉酶結合纖維素酶水解的馬鈴薯渣:×150。

圖1a～圖1d為馬鈴薯渣原漿和不同處理后的馬鈴薯渣掃描電鏡圖。圖1a為未經任何處理的馬鈴薯渣原漿,從圖中可以明顯看到馬鈴薯淀粉顆粒,呈現(xiàn)典型的橢圓形,說明在馬鈴薯淀粉工業(yè)生產中還殘余部分未糊化的馬鈴薯淀粉存在于薯渣中,纖維素則呈片狀結構,與已糊化的淀粉緊緊嚙合在一起。圖1b經過高溫熱處理后,淀粉顆粒完全糊化,附著在纖維素表面,結構緊致。圖1c為經過纖維素酶水解后的馬鈴薯渣,纖維素酶慢慢滲入,纖維素酶分子吸附在纖維素表面,導致分子內的氫鍵斷裂和單一基元纖維的分離,樣品表面形成致密的三維空間網狀結構。由于糊化的淀粉與纖維素緊緊嚙合在一起,阻礙了纖維素酶吸附到纖維素表面,影響了纖維素酶的水解效率,因此采用淀粉酶對樣品進行預處理。圖1d為經過淀粉酶預處理后進行纖維素酶水解的馬鈴薯渣樣品,從圖中可以明顯看出樣品出現(xiàn)更大空洞,與圖1c致密的空間網絡結構相比較結構變得更加松散。

2.4 不同酶解處理條件對馬鈴薯渣中淀粉消化性的影響

本實驗采用Englyst改良法,基于在體外模擬的條件下,測定120min內不同時間段酶消化的淀粉的量。從圖2可以看出,不同處理的馬鈴薯渣體外消化的水解曲線趨勢相同但是經過酶處理的薯渣水解率高于原漿,雙酶水解又高于單酶水解,即按水解率大小來看,雙酶水解組>單酶水解組>原漿組,由此可見,酶解處理能夠提高馬鈴薯渣中殘余淀粉的消化率。這是由于馬鈴薯渣中淀粉與纖維以及蛋白質等緊緊纏繞在一起,形成一種天然的結合狀態(tài),細胞壁阻礙了淀粉與酶的接觸,減少了淀粉的水解,使得馬鈴薯渣中的淀粉難于消化[11]。而經過纖維素酶水解后,薯渣原本的致密的結構變得松散,這種天然的結合狀態(tài)被打破,淀粉和纖維不能牢固的結合在一起或者分離開,因而淀粉糊更容易釋放出來,即提高了淀粉的消化性。而經過淀粉酶預處理的薯渣,產生更多的小分子糖,進入人體后被快速消化,并且雙酶處理使得薯渣結構變得更加松散,淀粉糊更易溢出與體內的消化酶反應,因而經過雙酶處理的薯渣淀粉消化性最好,作為飼料組分時更有利于實現(xiàn)對各成分的充分利用。

圖2 不同處理薯渣體外消化的水解率曲線Fig.2 In vitro starch hydrolysis rate of potato pulp with different treating

2.5 不同酶解處理條件對馬鈴薯渣生理功能性質的影響

2.5.1 不同酶解處理條件對馬鈴薯渣陽離子交換能力的影響 膳食纖維的陽離子交換能力可以作為其降血壓功能的表征之一。膳食纖維化學結構中包含一些羧基與羥基之類的側鏈基團,呈現(xiàn)一種弱的陽離子交換樹脂作用,可與Ca2+、Zn2+、Cu2+、Pb2+等陽離子,特別是有機陽離子進行可逆交換,它不是通過單純結合而減少機體對離子的吸收,而是通過改變離子的瞬間濃度,從而對消化道的pH、滲透區(qū),以及氧化還原電位產生影響,造成一種更緩沖的環(huán)境,以利于消化吸收[12]。同時由于膳食纖維與Na+、K+的交換,促進了Na+、K+的排出,并由此降低血液中的Na+/K+比值,產生降血壓作用[13]。

圖3 不同處理的馬鈴薯渣陽離子交換能力Fig.3 Cation exchange capacity of potato pulp with different treating

如圖3所示,為不同處理的薯渣用NaOH溶液滴定過程中pH的變化過程。對于薯渣纖維而言,其滴定曲線越陡,表明薯渣的陽離子交換能力越強[14]。從圖中看出,麩皮的曲線斜率最緩,說明其陽離子交換能力最弱。然而,經過酶處理的薯渣滴定曲線較原漿的比較陡,說明酶處理增強了薯渣的陽離子交換能力,這是由于用酶處理薯渣,使其膳食纖維結構中的更多的表面積及部分羧基和羥基基團暴露出來,而使其更容易與溶液中陽離子結合,從而導致其陽離子交換能力增加,因而用酶處理薯渣對于動物體內的消化吸收系統(tǒng)有一定幫助,并且?guī)椭鷦游餀C體有毒離子排出體外,提高免疫力,促進動物健康成長。

2.5.2 不同處理方式對馬鈴薯渣膨脹率、持水力的影響 膨脹率和持水力是薯渣纖維重要的性質,決定了其應用在飼料中的最佳用量,以得到期望的生理功能性質。薯渣纖維吸水膨脹,容易使腸道推動食物殘渣,將營養(yǎng)吸收完全后的廢物移走,從而清除了腸道,達到排便通暢的功效,促進了機體腸道健康。

圖4所示為不同處理方式下樣品的膨脹率及持水力變化情況。研究表明,馬鈴薯渣經過酶解后,膨脹率和持水力均顯著提高。用纖維素處理的薯渣膨脹率達到6.02mL·g-1,較原漿提高了9.06%,雙酶水解的薯渣膨脹率增加更明顯,較原漿提高了29.52%。這是因為經過酶解后,薯渣緊致的結構變得疏松,比表面積增大,同時薯渣纖維中更多的親水基團暴露出來,使其與水的接觸面積增大,分散性增強,因而經過酶解的薯渣的持水力及膨脹率均有明顯提高,并且雙酶水解的效果更佳明顯。

圖4 不同處理方式下馬鈴薯渣的膨脹率、持水力Fig.4 The awelling and water retention ability of potato pulp with different treating

注:1-麩皮;2-原漿;3-單酶處理薯渣; 4-雙酶處理薯渣,圖5同。

2.5.3 不同酶解處理條件對馬鈴薯渣持油力的影響 持油力是膳食纖維調節(jié)血脂功能的機理之一。經過不同處理的馬鈴薯渣和麩皮的持油力如圖5所示,原漿的持油力最低為3.63g/g,經過纖維素酶處理后,馬鈴薯渣的持油力顯著提高,達到了4.63g/g,而經過雙酶水解的薯渣持油力最高,達到5.23g/g。從前面SEM電鏡圖可知,在經過酶處理后,薯渣纖維由原本致密的結構變成較為疏松的空間網絡結構,提高了薯渣對油脂的吸附能力,此外麩皮的持油能力也較高,與單酶處理的薯渣相近。

圖5 不同處理馬鈴薯渣的持油力Fig.5 The oil retention rate of potato pulp with different treating

3 結論

馬鈴薯渣經過酶法處理后,可溶性膳食纖維含量顯著增加,其中經過耐高溫α-淀粉酶與纖維素酶雙酶處理的薯渣中可溶性膳食纖維含量最多。從SEM掃描電鏡圖中可以看出,原本薯渣結構較為致密,淀粉與纖維緊緊嚙合在一起,經過酶處理的馬鈴薯渣出現(xiàn)空洞,原本致密的結構變得松散。經過酶處理后,馬鈴薯渣的陽離子交換能力、α-淀粉酶活力抑制力及持油力明顯提高,且雙酶組最好,與市面上的麩皮相比也更優(yōu)。此外,經過酶法處理后,薯渣中殘余的淀粉更易消化。綜上所述,馬鈴薯渣經過酶處理后有更好的功能性質,可以為腸道提供了一個有助于消化吸收的環(huán)境,更加有利于作為飼料添加組分。

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Study on the functional properties of potato pulpby enzymatic treatment

CHENG Li1,2,LIAO Jin1,GU Zheng-biao1,2，*,HONG Yan1,2,LI Zhao-feng1,2

(1.School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2.State Key Laboratory of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

The objective of this research was to evaluate the effect of potato pulp under cellulose-hydrolysis and the composite process of α-amylase and cellulase on functional properties. The soluble dietary fiber(SDF)content increased significantly under enzyme treatment. The soluble dietary fiber content reached 14.38g·100g-1with cellulose-hydrolysis,18.74% higher than that control. The soluble dietary fiber content reaches 15.00g·100g-1with the treatment of the composite process,which was 4.31% higher than that of potato pulp with single enzymatic hydrolysis,and 23.86% higher than that control of potato pulp without treating. Scanning electron microscope showed that enzymatic hydrolysis made the structure looser. Therefore,different functional properties were improved. Higher values of ion exchange capacity,oil and water retention rate and inflation properties were found to be enhanced in potato pulp after treatment by enzyme. The group treated by double enzyme hydrolysis showed the best properties and was also superior to common products in the market. In addition,the residual starch of potato pulp could become easier to digest after enzymatic treatment.

potato pulp;enzymatic treatment;functional properties

2014-05-05

程力(1984-)，男，碩士，實驗師，研究方向：淀粉資源的開發(fā)與利用。

*通訊作者:顧正彪(1965-)，男，博士，教授，研究方向：碳水化合物資源的開發(fā)與利用。

廣東省專業(yè)鎮(zhèn)中小微企業(yè)服務平臺——安全食品精深加工科技創(chuàng)新平臺建設(2012B091400030)。

TS239

A

1002-0306(2015)05-0118-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.05.016