淀粉酶法提高马铃薯渣不溶性膳食纤维质量分数

岳晓霞，张根生，葛英亮，常 虹

(1. 哈尔滨商业大学 食品工程学院，哈尔滨 150076；2. 哈尔滨学院 工学院，哈尔滨 150086)



淀粉酶法提高马铃薯渣不溶性膳食纤维质量分数

岳晓霞1，张根生1，葛英亮2，常 虹1

(1. 哈尔滨商业大学 食品工程学院，哈尔滨 150076；2. 哈尔滨学院 工学院，哈尔滨 150086)

以马铃薯渣为主要原料，采用淀粉酶酶解去除马铃薯渣中可酶解碳水化合物，提高马铃薯渣不溶性膳食纤维的质量分数.通过单因素和响应曲面优化试验，以不溶性膳食纤维质量分数为指标，确定了耐热α-淀粉酶去除马铃薯不溶性膳食纤维中淀粉的最佳条件.结果表明, 耐热α-淀粉酶解最佳条件为底物百分含量2.3%，酶添加量26.1 U/g，酶解时间70 min、酶解温度90 ℃、pH=6，在此条件下不溶性膳食纤维质量分数可达53.29%.

马铃薯渣；膳食纤维；α-淀粉酶；淀粉去除率

日益增加的人口在过去几十年已经极大影响了对食品产品的需求.土豆(马铃薯)是世界主要农作物，被用于多种用途，包括人类消费，工业加工(马铃薯淀粉，醇等)并重新开发[1-2].我国的马铃薯资源十分丰富，种植面积4.4×104km2，产量6 600多万吨，居世界第一位[3].由于马铃薯渣的水渣结合紧密，用机械方法难以分离，用烘干法能耗较大.国外对于马铃薯渣的开发方向主要有生产酶[4]、酒精[5]、饲料[6]和可降解塑料[7].而国内对于马铃薯渣的研究热点主要集中在制备膳食纤维[8]、果胶[9]等和作为发酵培养基[10].膳食纤维被称之为“第七大类营养素”[11].膳食纤维是指不易被人体消化吸收的，以多糖类为主的大分子物质的总称，是由纤维素、果胶类物质、半纤维素和糖蛋白等物质的聚合体[12].膳食纤维不仅可以缓解便秘[13]、改善腹泻[14]、防治冠心病[15]还可以治疗肥胖症[16]、抗癌作用[17].目前马铃薯膳食纤维开发的主要方法有：发酵法、酶法、化学法、混合法等.而酶法的反应条件温和，不需要高温和高压，不仅能够降低成本，节约能源，而且操作方便，可以省去部分工艺和设备，有利于环境保护，所以特别适合于原料中淀粉和蛋白质含量高的制备工艺[18].由于α-淀粉酶既作用于直链淀粉，亦作用于支链淀粉，都切断α-1,4糖苷键，而糖化酶能把淀粉从非还原性未端水解α-1,4糖苷键产生葡萄糖，也能缓慢水解α-1,6糖苷键，转化为葡萄糖,所以选用α-淀粉酶和糖化酶来酶解碳水化合物.因此可采用酶解法分离马铃薯渣中可酶解碳水化合物和蛋白质，制备马铃薯渣不溶性膳食纤维，并可对分离得到的碳水化合物和蛋白质进一步综合利用.本文以马铃薯渣为原料，采用淀粉酶酶解去除马铃薯渣中可酶解碳水化合物，大幅提高马铃薯渣不溶性膳食纤维的质量分数.为酶法生产马铃薯渣不溶性膳食纤维提供参考.

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

马铃薯渣 哈尔滨市哈达淀粉厂；耐热α-淀粉酶(6 780 U/g) 北京奥博星生物技术有限责任公司；硫酸钾、硼酸、硫酸铜、硫酸、盐酸、氢氧化钠、甲基红、溴甲酚绿、乙醚、碘、乙醇、亚铁氰化钾、酒石酸钾钠、乙酸锌、次甲基蓝、重铬酸钾、MES、TRIS、石油醚、丙酮、乙酸钠、磷酸氢二钠、柠檬酸、铁氰化钾、碘化钾、氯化钾、硫酸锌、可溶性淀粉、硫代硫酸钠、碳酸钠 天津市天新精细化工开发中心，以上试剂均为分析纯.

1.2 仪器与设备

精密天平 上海梅特勒-拖利多仪器有限公司；Ps-25酸度计 上海雷磁仪器厂；HH-4数显电子恒温水浴锅 国华电器有限公司；磁力搅拌器 上海梅特勒-拖利多仪器有限公司；马弗炉 沈阳长白电炉厂；101-1A型电热鼓风干燥箱；凯氏定氮装置，天津市实验仪器厂；721-E可见分光光度计 上海光谱仪器有限公司.

1.3 方 法

1.3.1 淀粉酶法提高马铃薯渣中不溶性膳食纤维质量分数的工艺

1) 工艺流程

MES-TRIS缓冲溶液 加α-淀粉酶

↓ ↓

称取薯渣 →调pH→搅拌水浴→蒸馏水洗涤、抽滤(三次)→丙酮洗涤、抽滤(两次)→烘干→粉碎→成品.

2) 操作要点

准确称取马铃薯渣1.000 8 g，加入pH=8.2的MES-TRIS缓冲溶液40 mL用铝箔盖住，用磁力搅拌直至试样完全分解；加入热稳定α-淀粉酶，调节pH=6，置于80 ℃的恒温水浴锅中持续震荡60 min，去除反应后液体的上清液，沉淀物用布氏漏斗抽干水分后，用70 ℃蒸馏水洗涤2次，再用78%乙醇、95%乙醇和丙酮15 mL各洗涤2次，抽滤去除洗涤液，烘干粉碎，得到成品，记录成品质量.

1.3.2 检测方法

加耐热α-淀粉酶活力的测定，参照GB8275-2009.

水分的测定采用直接干燥法，参照GB/T5009.3-2010.

灰分的测定采用灼烧称重法，参照GB/T5009.4-2010.

蛋白质的测定采用凯氏定氮法，参照GB/T5009.5-2010.

淀粉的测定采用酶水解法，参照GB/T5009.9-2008.

不溶性膳食纤维的测定采用AOAC法(酶-重量法)，参照GB/T5009.88-2008.

1.3.3 不溶性膳食纤维质量分数的计算

1.3.4 耐热α-淀粉酶提高马铃薯渣不溶性膳食纤维质量分数的研究

1) 单因素试验

以不溶性膳食纤维质量分数为指标，基础酶解条件为底物百分含量为3%、加酶量为12 U/g底物、pH=6、酶解时间为60 min、酶解温度为90 ℃.每次取一个变量，控制其他因素不变，分别考察底物百分含量、加酶量、酶解温度、pH和酶解时间对膳食纤维和淀粉去除率的影响，以确定最佳酶解条件.各因素水平取值见表1.

表1 单因素试验设计

2) 响应曲面法优化水解条件

根据单因素实验结果，选择底物百分含量、酶添加量、酶解时间、这3个主要因素，选择底物百分含量2%、3%、4%三个水平，酶添加量为12、20、28U/g三个水平，酶解时间为50、60、70 min三个水平，pH值为6，酶解温度90℃，以不溶性膳食纤维质量分数(X)指标，进行响应面实验设计(见表2).

表2 响应面设计因素与水平

注：编码值与真实值之间的关系为：x1=(X1-3)/1，x2=(X2-20)/8，x3=(X3-60)/10.

2 结果与分析

2.1 马铃薯渣成分测定结果

见表3.

表3 马铃薯渣营养成分

2.2 耐热α-淀粉酶提高马铃薯渣不溶性膳食纤维质量分数的研究

2.2.1 耐热α-淀粉酶底物百分含量对不溶性膳食纤维质量分数的影响

从图1中可以看出，α-淀粉酶不同底物百分含量对不溶性膳食纤维质量分数影响显著(P<0.05).在1%～3%的范围内，不溶性膳食纤维质量分数显著提高(P<0.05)，而在3%～5%的范围内，不溶性膳食纤维质量分数显著降低(P<0.05).底物百分含量对酶解反应影响较大，刚开始随着底物百分含量的升高，酶与底物的接触机会增大，不溶性膳食纤维质量分数逐渐上升；随着底物百分含量的升高，由于体系中的淀粉黏度增大，溶液呈胶体状，酶与底物碰撞机会又逐渐减小，从而导致不溶性膳食纤维质量分数降低.综合考虑，选择底物百分含量3%做为最佳制备条件.

图1 耐热α-淀粉酶底物百分含量对不溶性膳食纤维质量分数的影响

2.2.2 耐热α-淀粉酶加酶量对不溶性膳食纤维质量分数的影响

从图2中可以看出，α-淀粉酶不同加酶量对不溶性膳食纤维质量分数影响显著(P<0.05).在4～12 U/g底物的范围内，不溶性膳食纤维质量分数显著提高(P<0.05)，而在底物12～36 U/g底物的范围内，不溶性膳食纤维质量分数变化显著降低(P<0.05).因为酶解的底物是有限的，所以当加酶量达到一定程度就可以将大部分的底物反应掉.由于大部分底物已经被水解，这时再增加酶量，膳食纤维质量分数和淀粉去除率也无法继续提高，反而降低，而且过多的加酶量还会增加成本.

图2 耐热α-淀粉酶加酶量对不溶性膳食纤维质量分数的影响

综合考虑，选择加酶量12 U/g底物做为最佳制备条件.

2.2.3 耐热α-淀粉酶pH对不溶性膳食纤维质量分数的影响

从图3中可以看出，α-淀粉酶不同pH值对不溶性膳食纤维质量分数影响显著(P<0.05).在pH=4～6的范围内，不溶性膳食纤维质量分数显著提高(P<0.05)，而在pH=6～8的范围内，不溶性膳食纤维质量分数显著降低(P<0.05).其原因应该是酶分子的活化中心的基团对pH值变化较敏感，只有在一定的pH值条件下，活化中心才能发挥最佳的催化作用，而当pH值超过这个范围时，酶的活化中心不能发挥催化作用，因而不溶性膳食纤维质量分数降低.综合考虑，选择pH=6做为最佳制备条件.

图3 耐热α-淀粉酶pH对不溶性膳食纤维质量分数的影响

2.2.4 耐热α-淀粉酶酶解时间对不溶性膳食纤维质量分数的影响

从图4中可以看出，α-淀粉酶不同酶解时间对不溶性膳食纤维质量分数影响显著(P<0.05).在40～60 min的范围内，不溶性膳食纤维质量分数显著提高(P<0.05)，而在60～80 min的范围内，不溶性膳食纤维质量分数变化显著降低(P<0.05).因为随着反应的进行，淀粉底物逐渐减少，而产物的不断积累对酶产生抑制作用，同时，温度使酶变性是随时间累加的，随着时间的延长，部分酶发生失活也是导致不溶性膳食纤维质量分数不再增加反而降低的一个原因.综合考虑，选择酶解时间60 min做为最佳制备条件.

图4 耐热α-淀粉酶酶解时间对不溶性膳食纤维质量分数的影响

2.2.5 耐热α-淀粉酶酶解温度对不溶性膳食纤维质量分数的影响

从图5中可以看出，α-淀粉酶不同酶解温度对不溶性膳食纤维质量分数影响显著(P<0.05).在70～90 ℃的范围内，不溶性膳食纤维质量分数显著提高(P<0.05)，而在90～110 ℃的范围内，不溶性膳食纤维质量分数显著降低(P<0.05).其原因应该是耐热α-淀粉酶的最适宜酶解温度为90 ℃左右，超过90 ℃之后，酶受到高温变性失活，因而不溶性膳食纤维质量分数都降低.综合考虑，选择酶解温度90 ℃做为最佳制备条件.

图5 耐热α-淀粉酶酶解温度对不溶性膳食纤维质量分数的影响

2.3 响应曲面法优化提取不溶性膳食纤维工艺条件的确定

2.3.1 响应值结果及其拟合模型

实验结果见表4.利用Design Expert软件对表4实验数据进行回归分析，得关于蛋白脱除率的二次多元回归模型：

注：X为不溶性膳食纤维质量分数；X1为底物百分含量；X2为酶添加量；X3为酶解时间.

表4 试验结果表

续表4

101014207048．73110003206035．771210-14205052．63130003206047．39140-1-13125049．07150003206048．22160-113127048．73170113287048．10

表5 方差分析

表6 回归方程系数显著性检验

从表6回归方程系数显著性检验可知，模型中一次项B(P<0.000 1)，二次项B2(P<0.000 1)差异极显著；一次项A(P<0.05)，表明酶添加量以及底物百分含量的交互作用对不溶性膳食纤维提取有显著影响.

2.3.2 响应值结果及其拟合模型

从表6回归方程系数显著性检验可知，模型中一次项B(P<0.000 1)，二次项B2(P<0.000 1)差异极显著；一次项A(P<0.05)，表明酶添加量以及底物百分含量对不溶性膳食纤维质量分数有显著影响.

2.3.3 等高线图和响应面图分析

多元回归方程的响应曲面及其等高线图解见图6～8.通过该组动态图即可对任何两因素交互影响耐热α-淀粉酶酶解马铃薯渣提取不溶性膳食纤维的工艺进行分析与评价，并从中确定最佳因素水平范围.

1) 底物百分含量和酶添加量交互作用的分析与优化

由图6可知，在酶解时间是60 min，酶解温度是90 ℃时，底物百分含量与酶添加量对不溶性膳食纤维质量分数的交互影响效应.从其等高线图可以直观地看出两因素的交互作用不显著，随着底物百分含量的增加，不溶性膳食纤维质量分数小幅度增加.当酶添加量增加时，不溶性膳食纤维质量分数逐渐升高.在试验水平范围内，底物百分含量与酶添加量分别在3%和20 U/g时，不溶性膳食纤维质量分数可以达到试验中的最大值.

2) 酶添加量和酶解时间交互作用的分析与优化

由图7可知，在底物百分含量3%，酶解温度是90 ℃时，酶添加量和酶解时间对不溶性膳食纤维质量分数的交互影响效应.从其等高线图可以直观地看出两因素的交互作用不显著，随着酶添加量的增加，不溶性膳食纤维质量分数先增加后减小.当酶解时间增加时，不溶性膳食纤维质量分数逐渐减小.在试验水平范围内，酶添加量和酶解时间分别在20～28 U/g和50～60 min时，不溶性膳食纤维质量分数可以达到试验中的最大值.

图7 酶添加量和酶解时间的响应曲面分析

3) 底物百分含量和酶解时间交互作用的分析与优化

由图8可知，酶解温度是90 ℃时，底物百分含量和酶解时间对不溶性膳食纤维质量分数的交互影响效应.从其等高线图可以直观地看出两因素的交互作用不显著，随着底物百分含量的增加，不溶性膳食纤维质量分数逐渐增加.当酶解时间增加时，不溶性膳食纤维质量分数逐渐减小.在试验水平范围内，底物百分含量和酶解时间分别在3%～4%和50～60 min时，不溶性膳食纤维质量分数可以达到试验中的最大值.

图8 底物百分含量和酶解时间的响应曲面分析

3 结 论

以马铃薯渣为原料，使用耐热α-淀粉酶酶解法提取不溶性膳食纤维，通过单因素实验及相应曲面优化提取条件得到以下结论：

1) 通过耐热α-淀粉酶提高马铃薯渣不溶性膳食纤维质量分数单因素实验得到的最佳条件，即：耐热α-淀粉酶：底物百分含量4%，加酶量28 U/g底物，酶解温度80 ℃，pH=6，酶解时间60 min.在此条件下，在此条件下不溶性膳食纤维质量分数可达64.23%.

2) 通过响应曲面法优化不溶性膳食纤维质量分数的最佳工艺条件：底物百分含量2.3%，酶添加量26.1 U/g，酶解时间70 min.

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Optimization of enzymatic removal insoluble dietary fiber of potato starch

YUE Xiao-xia1, ZHANG Gen-sheng1, GE Ying-liang2, CHANG Hong1

(1. School of Food Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150076, China; 2. School of Technology, Harbin University, Harbin 150086, China)

Potato pulp was used as the main raw material, and the enzymatic hydrolysis of potato was used to remove the carbohydrate and to improve the purity of insoluble dietary fiber of potato pulp. The single factors test and the response surface optimization experiment were performed and the purity of insoluble dietary fiber was chosen as the indicators. The optimum formula was carried out according to the heat resistance of alpha amylase to remove the purity of insoluble dietary fiber of potato pulp. The results showed that the optimum conditions were as follows: the heat resistance of alpha amylase: substrate concentration 2.3%, enzyme concentration 26.1 U/g, enzymatic temperature 90 ℃, pH=6, enzymatic time 60 min. Purity of insoluble dietary fiber was 53.29% under the conditions.

potato pulp; dietary fiber; heat resistance of alpha amylase; removal rate of starch

2016-10-20.

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12531158)

岳晓霞(1964-)，女，硕士，高级工程师，研究方向：食品科学.

TS251

A

1672-0946(2017)03-0307-07