酶-化學(xué)法提取生姜渣中膳食纖維的工藝研究

宋榮珍，位雪蓮，李嘯晨，王蕓，唐曉珍，*

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安271018；2.伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校，美國伊利諾伊IL 61801）

酶-化學(xué)法提取生姜渣中膳食纖維的工藝研究

宋榮珍1，位雪蓮2，李嘯晨1，王蕓1，唐曉珍1，*

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安271018；2.伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校，美國伊利諾伊IL 61801）

以生姜渣為原料，對酶-化學(xué)法提取其中膳食纖維的工藝進(jìn)行探究?？疾歃?淀粉酶添加量與NaOH用量、水解時(shí)間、水解溫度對生姜渣中可溶性和不可溶性膳食纖維得率的影響，以可溶性膳食纖維得率為標(biāo)準(zhǔn)，通過單因素、正交試驗(yàn)優(yōu)化出提取的最優(yōu)工藝為：α-淀粉酶用量0.3%，NaOH用量2.0%，水解時(shí)間50 min，水解溫度70℃，在此工藝條件下，生姜渣中可溶性膳食纖維得率28.58%、不溶性膳食纖維得率66.21%。

生姜渣；膳食纖維；提?。幻?化學(xué)法

生姜又名地辛、百辣云，既可作為常用食品和調(diào)味品，又是臨床常用中藥[1]。中國是世界上種植生姜面積最大的國家，約占世界產(chǎn)量的45%[2]。生姜中含有姜辣素、姜烯酚、姜黃素等多種活性成分[3]，進(jìn)行功能成分提取后會產(chǎn)生大量生姜渣。除了部分被當(dāng)做動(dòng)物飼料外，大都被直接廢棄造成了環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。而生姜渣中含有大量膳食纖維，是一類非淀粉多糖[4]，主要包括水溶性和水不溶性兩大類。目前市場上銷售較多的是不溶性膳食纖維，其結(jié)構(gòu)緊密，能被腸道內(nèi)微生物所利用，促進(jìn)腸道蠕動(dòng)[5-6]，因其具有較強(qiáng)的吸水性、減少排泄物在腸道內(nèi)停留時(shí)間[7]，所以在控制人體體重方面也具有重要作用[8]。而水溶性膳食纖維應(yīng)用價(jià)值更高[9]，具有改善葡萄糖耐量[10]、阻礙脂質(zhì)運(yùn)輸[11]、預(yù)防結(jié)腸癌和降低心腦血管疾病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)等功能[12-14]。

我國生姜資源豐富，生姜膳食纖維來源廣。生姜中不溶性膳食纖維含有較高的纖維素，吸水膨脹后增加飽腹感。目前對生姜膳食纖維的研究程度并不深，相關(guān)報(bào)道較少。生姜膳食纖維提取方法有酶法[15]、化學(xué)法[16]、超聲輔助法[17-18]、膜分離法[19]和發(fā)酵法[20]。本試驗(yàn)采用酶-化學(xué)法，結(jié)合酶法作用條件溫和、產(chǎn)品純度高以及堿法操作簡單、效率高[21]等優(yōu)勢，能有效降低產(chǎn)業(yè)成本，減少環(huán)境污染。本試驗(yàn)可優(yōu)化出膳食纖維的最佳提取工藝，不僅為生姜渣的處理提供了有效的解決方案，更為生姜膳食纖維的功能性應(yīng)用拓寬了前景。

1 材料與方法

1.1 主要材料和試劑

生姜渣：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品實(shí)驗(yàn)室自制，利用提取多種生姜功能成分后的殘?jiān)^續(xù)提取姜淀粉后的剩余姜渣；檸檬酸（分析純）、NaOH（分析純）：天津市凱通化學(xué)試劑有限公司；磷酸氫二鈉（分析純）：天津益仁達(dá)化工有限公司；高峰α-淀粉酶：北京索萊寶。

1.2 主要儀器設(shè)備

DE-150 g紅景天萬能粉碎機(jī)：浙江紅景天工貿(mào)有限公司；202A-1電熱恒溫干燥箱：山東省龍口市電爐制造廠；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋：常州國華電器有限公司；TDL-5-A離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；RE53CS旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、B-220恒溫水浴鍋：上海亞榮生化儀器廠；SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水式真空泵：鞏義市予華儀器有限公司；PHS-3C pH計(jì)：上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；FA2004電子天平：上海上平儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 操作要點(diǎn)

將生姜渣干燥粉碎后備用。準(zhǔn)確稱取3.00 g生姜渣于100 mL錐形瓶中，加入45 mL pH6.0的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液，加入一定量耐高溫α-淀粉酶，95℃條件下水解40 min，冷卻后調(diào)pH值至中性，加入NaOH配制一定濃度的懸濁液，在一定溫度下水解一定時(shí)間，冷卻后調(diào)pH值至中性，離心。上清液調(diào)pH值至生姜蛋白等電點(diǎn)4.7左右，進(jìn)一步離心除去沉淀，上清液經(jīng)旋蒸濃縮后用4倍無水乙醇醇沉8 h，過濾、洗滌、干燥后即得水溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）；沉淀分別用水和無水乙醇洗滌3次，干燥后即得水不溶性膳食纖維（Insoluble Dietary Fiber，IDF）[22]。

1.3.2 膳食纖維得率的計(jì)算[23]

SDF、IDF 得率分別按照（1）、（2）公式計(jì)算：

1.4 單因素試驗(yàn)

本試驗(yàn)主要考查α-淀粉酶用量，NaOH用量、水解時(shí)間、水解溫度對SDF和IDF得率的影響。

1.5 正交試驗(yàn)

通過單因素試驗(yàn)，以SDF得率為指標(biāo)確定的α-淀粉酶用量，NaOH用量、水解時(shí)間、水解溫度等4個(gè)因素的最適范圍，每個(gè)因素取3個(gè)水平。采用L9（34）正交試驗(yàn)研究這4個(gè)因素的相互作用，以SDF得率為指標(biāo)，確定最佳提取工藝。

2 結(jié)果與分析

2.1 耐高溫α-淀粉酶用量對生姜渣中膳食纖維提取率的影響

按照1.3.1分別加入0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%耐高溫α-淀粉酶，加入NaOH配制成2.0%的懸濁液，60℃堿解30 min，α-淀粉酶用量對生姜渣中SDF和IDF得率的影響見圖1。

圖1 α-淀粉酶用量對生姜渣中SDF和IDF得率的影響Fig.1 Effects of thermostable α-amylase dosage on the yield of SDF and IDF

由圖1可以看出，隨著α-淀粉酶添加量的增加，SDF呈現(xiàn)先上升后下降最后平穩(wěn)的趨勢，并在添加量為0.3%時(shí)得率達(dá)到最高；IDF呈現(xiàn)先下降后趨于平穩(wěn)的趨勢，這是因?yàn)殡S著α-淀粉酶添加量的增加，淀粉逐漸被水解，SDF溶出增多，得率增加；IDF純度提高，得率降低。隨著α-淀粉酶添加量進(jìn)一步增加，部分SDF被降解為小分子低聚糖，造成SDF得率降低；隨著淀粉逐漸被水解完全，IDF得率逐漸趨于穩(wěn)定。所以耐高溫α-淀粉酶添加量選擇0.3%。

2.2 NaOH用量對生姜渣中膳食纖維提取率的影響

按照1.3.1加入0.3%耐高溫α-淀粉酶，加入NaOH分別配制成0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%的懸濁液，60℃下堿解30 min，NaOH用量對生姜渣中SDF和IDF得率的影響見圖2。

圖2 NaOH用量對生姜渣中SDF和IDF得率的影響Fig.2 Effects of NaOH concentration on the yield of SDF and IDF

由圖2可以看出，隨著NaOH用量的增加，SDF呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并在堿用量為2.0%時(shí)得率達(dá)到最高；IDF得率逐漸降低是因?yàn)閴A液具有一定的改性作用，可以將部分IDF改性為SDF，此外，因?yàn)閴A液的強(qiáng)水解作用可增加不溶性物質(zhì)的溶解，SDF得率增加；在堿性條件下，生姜蛋白溶出，IDF純度提高，IDF得率降低。當(dāng)NaOH用量進(jìn)一步增加時(shí)，部分低聚糖被水解，SDF得率降低；IDF部分改性，IDF得率進(jìn)一步降低。所以NaOH懸濁液的濃度選擇2.0%。

2.3 NaOH水解時(shí)間對生姜渣中膳食纖維提取率的影響

按照1.3.1加入0.3%耐高溫α-淀粉酶，加入NaOH 配制成 2.0%的懸濁液，60℃堿解 20、30、40、50、60 min，NaOH水解時(shí)間對生姜渣中SDF和IDF得率的影響見圖3。

圖3 NaOH水解時(shí)間對生姜渣中SDF和IDF得率的影響Fig.3 Effects of NaOH treatment time on the yield of SDF and IDF

由圖3可以看出，隨著NaOH水解時(shí)間增加，SDF呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并在NaOH水解時(shí)間為40 min時(shí)，得率達(dá)到最高；IDF得率呈現(xiàn)先降低后趨于平穩(wěn)，再降低的趨勢，這是因?yàn)閴A液的水解作用，使SDF溶出增多，得率增加；大分子物質(zhì)被水解，IDF純度提高，得率降低。隨著NaOH水解時(shí)間進(jìn)一步增加，部分SDF水解，SDF得率降低；部分IDF被水解成小分子可溶性物質(zhì)，IDF得率進(jìn)一步降低。所以NaOH水解時(shí)間選擇40 min。

2.4 NaOH處理溫度對生姜渣中膳食纖維提取率的影響

按照1.3.1加入0.3%耐高溫α-淀粉酶，加入NaOH配制成2.0%的懸濁液，分別在40、50、60、70、80℃條件下水解40 min，NaOH水解溫度對生姜渣中SDF和IDF得率的影響見圖4。

圖4 NaOH水解溫度對生姜渣中SDF和IDF得率的影響Fig.4 Effects of NaOH treatment temperature on the yield of SDF and IDF

由圖4可以看出，隨著NaOH水解溫度的增加，SDF出現(xiàn)先上升后降低的趨勢，并在NaOH水解溫度為60℃時(shí)得率達(dá)到最高；IDF得率出現(xiàn)逐漸下降的趨勢，這是因?yàn)闇囟壬?，溶液中水分子運(yùn)動(dòng)速率加快，加速了SDF的溶解，同時(shí)，部分IDF的溶解也增大了SDF的含量；IDF純度提高，得率下降。隨著水解溫度的進(jìn)一步升高，SDF又是熱敏性物質(zhì)，SDF結(jié)構(gòu)變性，得率下降；部分IDF被降解為可溶性物質(zhì)，IDF得率進(jìn)一步下降。所以NaOH水解溫度選擇60℃。

2.5 酶-化學(xué)法提取生姜渣中膳食纖維的工藝優(yōu)化

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇α-淀粉酶添加量、NaOH用量、水解時(shí)間、水解溫度4個(gè)因素為考察對象，以SDF得率為考察指標(biāo)，采用L9（34）正交試驗(yàn)對提取工藝進(jìn)行進(jìn)一步研究，正交試驗(yàn)因素水平表見1，正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 因素水平表Table 1 Factors and level

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal experiment

由表2可以看出，各因素對SDF得率影響的主次順序?yàn)椋篈＞C＞D＞B，通過比較各水平的K值，得出最佳因素水平組合為A2C3D3B1。各因素對IDF得率影響的主次順序?yàn)椋篈＞D＞C＞B，通過比較各水平 K值，得出最佳因素水平組合為A1D1C2B1。綜合考慮生姜SDF的功能性高于IDF，所以應(yīng)盡可能提高SDF得率，因此，酶-化學(xué)法提取生姜渣中膳食纖維的最佳工藝組合為A2C3D3B1，即α-淀粉酶用量0.3%，NaOH水解時(shí)間50 min、水解溫度70℃、NaOH用量2.0%。

2.6 驗(yàn)證試驗(yàn)

在α-淀粉酶用量0.3%，NaOH用量2.0%、水解時(shí)間50 min，水解溫度70℃的條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of proven experiment

由表3可以看出，酶-化學(xué)法提取生姜渣中的膳食纖維在α-淀粉酶用量0.3%，NaOH用量2.0%、水解時(shí)間50 min、水解溫度70℃條件下，SDF得率28.58%，IDF得率66.21%，3組平行試驗(yàn)的重復(fù)性較好，說明此工藝可行，結(jié)果可靠。

3 結(jié)論

以SDF得率為標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化出酶-化學(xué)法制備生姜渣中膳食纖維的最佳提取條件為：α-淀粉酶用量0.3%，NaOH用量2.0%、水解時(shí)間50 min、水解溫度70℃。此條件下，SDF得率28.58%、IDF得率66.21%。

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Extraction Technology of Dietary Fiber from Ginger Residue by Enzymatic-chemical Method

SONG Rong-zhen1，WEI Xue-lian2，LI Xiao-chen1，WANG Yun1，TANG Xiao-zhen1，*
（1.College of Food Science and Engineering，Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，Shandong，China；2.University of Illinois at Urbana-Champaign，Illinois IL61801，USA）

The extracted technology of ginger dietary fiber from ginger residue.Study on the extraction technology of ginger dietary fiber from ginger residue by enzymatic-alkaline hydrolysis.The effects of α-amylase concentration，NaOH concentration，NaOH hydrolyzing time，NaOH hydrolyzing temperature on the extraction rate of soluble dietary fiber and insoluble dietary fiber were investigated．The extraction conditions were optimized by orthogonal and single factor experiment.The optimum extraction condition was that：α-amylase concentration 0.3%，NaOH concentration 2.0%，NaOH hydrolyzing time 50 min，NaOH hydrolyzing temperature 70 ℃.The extraction yield of soluble dietary fiber was 28.58%.insoluble dietary fiber was 66.21%.

ginger residue；dietary fiber；extraction；enzymatic-alkal

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.24.005

山東省自然科學(xué)基金（ZR2014CM035）；山東省2016年度農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（2130106）；國家科技支撐計(jì)劃子課題（2012BAD33B07）；泰安市科技發(fā)展項(xiàng)目（20113075）

宋榮珍（1993—），女（漢），碩士，研究方向：功能因子的提純與功能食品開發(fā)。

*通信作者：唐曉珍（1969—），女（漢），教授，博士，研究方向：功能因子的提純與功能食品開發(fā)。

2017-04-28