超微粉碎纖維素酶法改性竹筍膳食纖維的工藝評價(jià)

王娜 柯軼 魏瑜

摘 要：以竹筍為原料，評價(jià)超微粉碎纖維素酶法對膳食纖維（DF）改性的影響。通過檢測竹筍可溶性膳食纖維（SDF）的得率、持水力以及膨脹力，分析超微粉碎法粉碎時(shí)間（0～25 s）、纖維素酶濃度（0.1%～0.5%）、酶解時(shí)間（30～150 s）、酶解溫度（30～55℃）、pH值（4.5～5.5）對竹筍膳食纖維改性的影響;通過Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，將酶濃度、酶解溫度、酶解時(shí)間以及樣品pH值因素作為自變量，并以樣本SDF得率作為響應(yīng)值，構(gòu)建四因素三水平Box-Behnken模型，分析竹筍DF改性工藝。結(jié)果表明：經(jīng)超微粉碎竹筍DF的性質(zhì)與未改性相比顯著更優(yōu)（P<0.05），粉碎時(shí)間0～10 s內(nèi)，隨超微粉碎時(shí)間的延長，竹筍SDF得率、持水力與膨脹性升高。經(jīng)超微粉碎處理10 s 后SDF得率（8.60±0.142）%、持水力（5.11±0.050） g·g-1、膨脹性（11.06±0.067）mL·g-1。隨超微粉碎的時(shí)間進(jìn)一步延長，竹筍SDF得率、持水力與膨脹性開始下降;在纖維素酶0.1%～0.3%濃度范圍內(nèi)，隨著纖維素酶的濃度升高，竹筍SDF得率、持水力及膨脹力均逐漸增大，當(dāng)纖維素酶的濃度>0.3%，隨著纖維素酶的濃度升高，竹筍SDF得率、持水力及膨脹力均逐漸下降;酶解時(shí)間60 min，竹筍SDF得率、持水力及膨脹力最佳;當(dāng)pH達(dá)到4.5，竹筍SDF得率、持水力及膨脹力最佳;對竹筍SDF得率影響中最顯著因素為纖維素酶濃度（F=28.76），其次為pH（F=18.05）、酶解時(shí)間（F=11.43）、酶解溫度（F=10.93）;Design-Expert回歸模型分析顯示，酶濃度0.32%、酶解時(shí)間85.03 min、酶解溫度為50℃，pH值4.81，竹筍SDF得率預(yù)測值達(dá)到15.89%。

關(guān)鍵詞：超微粉碎纖維素酶法;改性;竹筍膳食纖維;工藝優(yōu)化

中圖分類號：TS 201.4?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號：0253-2301（2021）05-0006-05

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2021.05.002

Process Evaluation of the Modification of Dietary Fiber in Bamboo Shoots byUltra-fine Pulverization-Cellulase Method

WANG Na， KE Yi， WEI Yu

（Fujian Vocational College of Bioengineering， Fuzhou， Fujian 350008， China）

Abstract： By taking the bamboo shoots as raw materials， the effect of ultra-fine pulverization-cellulase method on the modification of dietary fiber （DF） was evaluated. By detecting the yield， water-holding power and expansive force of soluble dietary fiber （SDF） in bamboo shoots， the effects of ultra-fine pulverization time （0-25 s）， cellulase concentration （0.1%-0.5%）， enzymolysis time （30-150 s）， enzymolysis temperature （30-55℃） and pH value （4.5-5.5） on the modification of dietary fiber in bamboo shoots were analyzed. By taking the enzymolysis concentration， enzymolysis temperature， enzymolysis time and pH value of samples as the independent variables， and the yield of SDF in the samples as the response value， the Box-Behnken central composite design method was used to construct a Box-Behnken model with 4 factors and 3 levels， thus to analyze the DF modification technology of bamboo shoots. The results showed that the properties of DF in bamboo shoots after ultra-fine pulverization were significantly better than those without modification （P<0.05）. The yield， water-holding power and expansibility of SDF in bamboo shoots increased with the extension of ultra-fine pulverization time within 0-10 s. The yield of SDF was （8.60±0.142） %， the water-holding power was （5.11±0.050） g·g-1， and the expansibility was （11.06±0.067） mL·g-1 after ultra-fine pulverization for 10 s. The yield， water-holding power and expansibility of SDF in bamboo shoots began to decrease with the further extension of ultra-fine pulverization time. In the range of cellulase concentration from 0.1% to 0.3%， the yield， water-holding power and expansive force increased with the increase of cellulase concentration. When the cellulase concentration was greater than 0.3%， the yield， water-holding power and expansive force of SDF in bamboo shoots decreased with the increase of the cellulase concentration. The best yield， water-holding power and expansive force of SDF in bamboo shoots were obtained after enzymatic hydrolysis for 60 min. When the pH reached 4.5， the yield， water-holding power and expansive force of SDF in bamboo shoots were the best. The most significant factor affecting the yield of SDF in bamboo shoots was the cellulase concentration （F=28.76）， followed by the pH （F=18.05）， enzymolysis time （F=11.43） and enzymolysis temperature （F=10.93）. The Design Expert regression model analysis showed that the predicted yield of SDF in bamboo shoots reached 15.89% with the cellulase concentration being 0.32%， enzymolysis time being 85.03 min， enzymolysis temperature being 50℃， and pH value being 4.81.

Key words： Ultra-fine pulverization-cellulase method;Modification;Dietary fiber of bamboo shoots;Process optimization

膳食纖維（DF）又被稱之為“第七大營養(yǎng)素”，屬于不可被人體消化的一類多糖物質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，人體攝入足量的膳食纖維有助于降低血清膽固醇、血糖及血脂等指標(biāo)，并緩解便秘癥狀，膳食纖維的攝入有助于減肥、預(yù)防發(fā)生結(jié)腸癌等[1-2]。DF依據(jù)溶解性的不同可分成不溶性膳食纖維（IDF）與可溶性膳食纖維（SDF），IDF能起到增大食糜的體積、促進(jìn)腸蠕動(dòng)作用，從而可有效緩解便秘癥狀，SDF相比IDF在人體內(nèi)具更高的生理功能，進(jìn)而可有效改善人體腸道內(nèi)菌群，延緩對葡萄糖的吸收，并具有降低膽固醇指標(biāo)水平，降低心血管疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)等作用[3-6]。竹筍屬于一類常食用的綠色蔬菜，其富含膳食纖維、蛋白質(zhì)、氨基酸、礦物質(zhì)以及無機(jī)鹽等營養(yǎng)成分，但SDF的含量占比相對較低，改性竹筍膳食纖維以提高SDF含量是當(dāng)前研究的重點(diǎn)[7]。既往針對竹筍膳食纖維改性的研究發(fā)現(xiàn)，纖維素酶有助于改性竹筍DF，但對于超微粉碎纖維素酶法工藝鮮有報(bào)道[8-10]。本研究以超微粉碎纖維素酶法為切入點(diǎn)，分析超微粉碎和纖維素酶法對竹筍膳食纖維改性的影響，總結(jié)超微粉碎纖維素酶法改性竹筍膳食纖維的優(yōu)化工藝。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試劑

麻竹筍，選用X菜市場采購樣本;纖維素酶（10萬U·g-1，山東隆科特酶制劑有限公司）、食品級α-淀粉酶（2000 U·g-1，山東隆科特酶制劑有限公司）;脫氧膽酸鈉（天津市凱通化學(xué)試劑有限公司）;分析純級硫酸、糠醛;食品級檸檬酸、Na2CO3、山梨酸鉀、果凍粉及白砂糖。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

高速連續(xù)式超微粉碎機(jī)（XL30C，廣州市旭朗機(jī)械設(shè)備有限公司）;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（RE52，上海亞榮生化儀器廠）;紫外可見分光光度儀（UV2000，上海尤尼柯儀器有限公司）;高速離心機(jī);真空干燥箱;TA-XT plus型質(zhì)構(gòu)分析儀（StableMicroSystems公司，英國）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 制備竹筍膳食纖維 取新鮮的麻竹筍作為檢測樣品，麻竹筍洗凈切片后取筍肉，使用沸水漂燙處理8 min，置于60℃下烘干，通過粉碎機(jī)粉碎處理并經(jīng)過100目篩，獲取竹筍粉，添加800 U·g-1木瓜蛋白酶，控制料液比在1∶20 （g/mL），置于55℃下酶解2 h，將樣本取出置于沸水滅酶處理15 min，處理后樣本置于3000 r·min-1轉(zhuǎn)速離心機(jī)進(jìn)行離心處理15 min獲取沉淀物，經(jīng)冷凍、干燥及粉碎獲得竹筍DF粉。

1.3.2 超微粉碎-纖維素酶法改性竹筍膳食纖維 竹筍DF粉置于超微粉碎機(jī)進(jìn)行超微粉碎處理，并按料液比1∶8加入纖維素酶（10萬U·g-1），后調(diào)控pH，置于一定溫度下酶解，并測定竹筍粉SDF得率、持水力以及吸附膽酸鈉能力，分析超微粉碎-纖維素酶法的具體改性條件。

1.3.3 單因素試驗(yàn) 分析超微粉碎法（粉碎時(shí)間0～25 s）、纖維素酶的濃度（0.1%～0.5%）、酶解時(shí)間（30～150 s）、酶解溫度（30～55℃）、pH值（4.5～5.5）對竹筍DF改性影響;通過響應(yīng)面法分析并驗(yàn)證竹筍DF改性工藝的優(yōu)化作用。

1.3.4 Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法 通過Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，將酶濃度、酶解溫度、酶解時(shí)間以及樣品pH值4個(gè)因素作為自變量，并以樣本SDF得率作為響應(yīng)值，構(gòu)建四因素三水平Box-Behnken模型，分析竹筍DF改性工藝。試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平見表1。

1.3.5 SDF的得率檢測 樣品SDF 得率檢測采取改性竹筍DF 1.0 g，添加20 mL水混勻處理，并置于3000 r·min-1轉(zhuǎn)速離心機(jī)進(jìn)行離心處理5 min，采集上清液進(jìn)行蒸發(fā)濃縮處理至5 mL，添加20 mL濃度95%乙醇沉淀處理12 h后離心處理，以收集沉淀60℃干燥至恒重狀態(tài)下。檢測SDF得率。SDF得率=SDF質(zhì)量/原料總質(zhì)量×100.0%。

1.3.6 持水力測試 準(zhǔn)確稱取1.0 g的改性竹筍DF，添加10 mL蒸餾水并進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁芊夂蠓胖?4 h，樣本經(jīng)4000 r·min-1高速離心處理25 min后棄去上清液，樣本置于濾紙上以瀝干濾渣中水分，將其轉(zhuǎn)入表面皿進(jìn)行稱量，計(jì)算樣本持水力。

1.3.7 膨脹力測試 準(zhǔn)確稱取0.2 g樣品，置于10 mL量筒中，并讀取、記錄樣本體積為V1，準(zhǔn)確添加8 mL純水后振蕩均勻，置于室溫下24 h，記錄改性竹筍DF吸水后體積膨脹性（swelling capality，SC）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件分析并處理研究數(shù)據(jù)，該試驗(yàn)檢測結(jié)果中，針對計(jì)量數(shù)據(jù)均以（平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差）描述數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)差異采用單因素分析，并以P<0.05表示數(shù)據(jù)差異存在統(tǒng)計(jì)意義。響應(yīng)面試驗(yàn)通過Design-Expert 11軟件分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 超微粉碎法粉碎時(shí)間對竹筍DF改性影響分析

從表2可知，經(jīng)超微粉碎竹筍DF的性質(zhì)與未改性相比顯著更優(yōu)（P<0.05），粉碎時(shí)間0～10 s內(nèi)，隨超微粉碎的時(shí)間延長，竹筍SDF得率、持水力與膨脹性升高。經(jīng)超微粉碎處理10 s后SDF得率（8.60±0.142）%、持水力（5.11±0.050） g·g-1、膨脹性（11.06±0.067）mL·g-1。隨超微粉碎的時(shí)間進(jìn)一步延長（>10 s），竹筍SDF得率、持水力與膨脹性開始下降。竹筍DF通過超微粉碎處理后的粒徑會(huì)減小且呈現(xiàn)均勻分布，使其與水分子的接觸面積逐漸增多，持水力增加。但超微粉碎的時(shí)間過長則會(huì)導(dǎo)致多糖分子中的部分化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，顆粒粒徑小則聚集力更強(qiáng)，從而阻礙水分子的進(jìn)入使竹筍的持水力、膨脹性下降。經(jīng)超微粉碎處理后的SDF含量增加，可能是受機(jī)械剪切的作用導(dǎo)致竹筍DF的部分鍵發(fā)生斷裂進(jìn)而轉(zhuǎn)化為水溶性聚合物。故經(jīng)超微粉碎竹筍DF性質(zhì)得到顯著改善，但超微粉碎時(shí)間不宜過久，可選擇進(jìn)行超微粉碎10 s。

2.2 纖維素酶濃度對竹筍DF改性影響分析

由表3可知，在纖維素酶0.1%～0.3%濃度范圍內(nèi)，隨著纖維素酶的濃度升高，竹筍SDF得率、持水力及膨脹力均逐漸增大，當(dāng)纖維素酶的濃度>0.3%，隨著纖維素酶的濃度升高，竹筍SDF得率、持水力及膨脹力均逐漸下降。纖維素酶能分解竹筍DF當(dāng)中纖維素組分，并生成可溶性膳食纖維等活性成分，竹筍DF經(jīng)纖維素酶處理后，其結(jié)構(gòu)變疏松，DF與水相互作用得到改善，充分酶解并使竹筍SDF得率升高，持水力、膨脹性提高。但當(dāng)酶的濃度過高時(shí)，可能因酶與底物已完全結(jié)合而導(dǎo)致不再生成新的SDF，因此，竹筍SDF得率、持水力及膨脹力會(huì)趨于平緩或開始降低，故試驗(yàn)選擇0.3%的纖維素酶濃度進(jìn)行竹筍DF改性。

2.3 酶解時(shí)間對竹筍DF改性影響分析

從表4可知，在酶解初期（30～60 min），隨著酶解時(shí)間的延長，竹筍SDF得率、持水力及膨脹力隨之升高;當(dāng)酶解時(shí)間>60 min，竹筍SDF得率、持水力及膨脹力開始下降。酶解時(shí)間短，竹筍DF的酶解不完全，當(dāng)酶解時(shí)間過長時(shí)可導(dǎo)致SDF降解成親水小分子等，因此，酶解時(shí)間選擇60 min。

2.4 酶解溫度對竹筍DF改性影響分析

從表5可知，當(dāng)酶解溫度<45℃，隨著酶解溫度升高，竹筍SDF得率、持水力及膨脹力呈升高趨勢。但當(dāng)酶解溫度>45℃，酶因高于最適溫度導(dǎo)致發(fā)生變性失活，SDF的含量降低，持水力及膨脹力下降。酶解溫度控制在45℃時(shí)，竹筍SDF得率、持水力及膨脹力最佳。由此，控制酶解溫度在45℃最合適。

2.5 pH值對竹筍DF改性影響分析

從表6可知，當(dāng)pH達(dá)到4.5，竹筍SDF得率、持水力及膨脹力最佳。隨著pH的增大、減小，竹筍DF的性質(zhì)都發(fā)生改變。研究以pH值4.5作為纖維素酶酶解的最佳pH值。

2.6 響應(yīng)面法在竹筍DF改性工藝的優(yōu)化作用

從表7可知， Design-Expert 11對竹筍DF改性工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析顯示，回歸方程二階效應(yīng)具有顯著性（P<0.01），失擬項(xiàng)不具有顯著（P>0.05），回歸決定系數(shù)R2=0.9313，提示響應(yīng)值SDF得率變化來自影響因素變化，回歸模型對試驗(yàn)擬合度較好。分析F值發(fā)現(xiàn)，對竹筍SDF得率影響中最顯著因素為纖維素酶濃度（F=28.76），其次為pH（F=18.05）、酶解時(shí)間（F=11.43）、酶解溫度（F=10.93）。

2.7 改性條件模型的驗(yàn)證及應(yīng)用

Design-Expert回歸模型分析顯示，酶濃度0.32%、酶解時(shí)間85.03 min、酶解溫度為50℃，pH值4.81，竹筍SDF得率預(yù)測值達(dá)到15.89%。針對優(yōu)化條件重復(fù)3次試驗(yàn)顯示，SDF得率為（15.41±0.31）%。

3 結(jié)論

在纖維素酶的作用下，大分子纖維素可降解成為低分子的多糖、寡糖、單糖，使部分的IDF轉(zhuǎn)化成SDF，從而增加SDF的含量[11-12]。以水溶性膳食纖維SDF得率為指標(biāo)，采用纖維素酶法可提高筍渣水溶性膳食纖維的得率[13-15]。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，分別對影響纖維素酶加入量、酶解pH、酶解溫度以及酶解時(shí)間幾個(gè)因素進(jìn)行分析顯示。對竹筍SDF得率影響中最顯著因素為纖維素酶濃度，其次為pH、酶解時(shí)間、酶解溫度。Design-Expert回歸模型分析顯示，酶濃度0.32%、酶解時(shí)間85.03 min、酶解溫度為50℃，pH值4.81，竹筍SDF得率預(yù)測值達(dá)到15.89%。依據(jù)上述試驗(yàn)可確定竹筍DF改性的最佳工藝條件，從而制備優(yōu)質(zhì)的竹筍改性膳食纖維。

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（責(zé)任編輯：柯文輝）

收稿日期：2021-04-18

作者簡介：王娜，女，1988年生，助教，主要從事微生物、分子生物學(xué)應(yīng)用研究。

基金項(xiàng)目：福建生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院項(xiàng)目（Kj201501）。