荸荠皮膳食纤维酶化学法提取工艺研究

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赵力超， 毛 新， 黄利华， 严勇强 （ 1. 华南农业大学食品学院， 广东广州 510642； 2. 广州城市职业学院建筑环境与食品工程学院 ， 广东广州 510405 ）
摘 要： 研究了 α－淀粉酶与 NaOH 共同提取荸荠皮膳食纤维的工艺流程及要点。在确定了 α－ 淀粉酶酶解工艺的基

NaOH 用量、 础上， NaOH 浓度、 以 碱解时间

、 碱解温度为 4 个主要影响因素进行单因素及正交实验， 从而获得最佳工艺 NaOH 浓度为 2% 、 NaOH 用量 20mL、 条件。结果表明： 酶化学法在 α － 淀粉酶用量为 0.2mL / g、 酶解时间 1.5h、 碱解温 度 50℃ 、 碱解时间 1.5h 的条件下， 荸荠皮膳食纤维的得率为 29.45% ， 产品纯度为 93.30% ， 各项指标均优于化学法。 关键词： 荸荠， 膳食纤维， 提取， 酶化学法

Study on extraction of dietary fiber from water chestnut pericarp by zymochemistry method
ZHAO Li－chao， MAO Xin， HUANG Li－hua， YAN Yong－qiang （ 1.College of Food Science，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China； 2.School of Architecture，Environment and Food Engineering，Guangzhou City Polytechnic，Guangzhou 510405， China） Abstract： The process and elements of extraction of dietary fiber from water chestnut pericarp by zymochemistry method were studied in this paper. The optimum conditions of enzymolysis of α － amylase were determined by single factor test，then NaOH concentration，NaOH consumption，the affected time of NaOH，the affected temperature of NaOH as factors of single factor test and orthogonal test. Extraction of dietary fiber from water then 2% NaOH， 4mL / g NaOH， 50℃， and 1.5h lead to the highest chestnut with 0.2mL / g α － amylase and 1.5h， extraction yield， 29.45% dietary fiber， the purity was 93.30% .Compared with chemistry method， zymochemistry method must be better. Key words： water chestnut； dietary fiber； extraction； zymochemistry method 中图分类号： TS255.1 文献标识码： B 文 章 编 号： 1002－0306（ 2009） 11－0244－04 净、 干燥、 粉碎过 30 目筛后备用； 耐高温 α－ 淀粉酶 食品级； 高温淀粉酶制剂 苏宏牌； 十二烷基硫酸钠 化学纯； 无水乙醇、 丙酮、 乙二醇乙醚、 无水亚硫酸 钠、 四硼酸钠、 乙二胺四乙酸二钠、 无水磷酸氢二钠、 磷酸二氢钠 均为分析纯。 pHS － 3C 精 密 pH 计， 马福炉， 环 水 真 空 泵， 循 2200 自动蒸馏、 EH20 系列微控数显电热 定氮装置， 板， 电动植物粉碎机。

荸荠（ Eleocharis tuberosa） 原产我国， 属莎草科多 年生草本植物， 具有特殊的营养和保健价值， 可生吃 包括 亦可熟食。目前开发出的荸荠产品种类很多， 荸荠果 脯、 荠 清 水 罐 头、 荠 糕、 荠 糖、 荠 饮 荸 荸 荸 荸 ［ 1－5］ 。据不完全统计， 荸荠果酱等产品 我国 荸 荠 料、 而 年总 产 量 超 过 80 万 t， 荸 荠 皮 占 其 总 质 量 的 ［ 6］ 26% ， 预计每年产生的荸荠皮在 20 万 t 以上， 而弃 去的荸荠皮会造成极大的资源浪费和环境污染。研 究表明， 荠 皮 富 含 人 体 健 康 不 可 缺 少 的 食 物 成 荸 ［ 7－9］ — 。本研究选用酶化学法提取荸荠 分——膳食纤维 膳食纤维， 有别于传统的化学法。这种新的提取荸 荠膳食纤维的方法不仅提高了荸荠产品加工的综合 利用率和产品附加值， 而且对保护环境及提高企业 经济效益均有重大意义。

1.2
1.2.1

实验方法
工艺流程

荸荠皮→脱色素→过滤→滤渣→溶解

→酶解→碱解→过滤→滤渣→洗涤→干燥→产品 1.2.2 操作要点
1.2.2.1 1.2.2.2 1.2.2.3 脱色素 溶解 酶解 称取 5g 荸荠皮， 按料液比 1 ∶10 加 按料液比 1∶10 加入 pH 6.0 的磷酸盐 加入适量的耐高温 α－ 淀粉酶（ 苏宏 无水乙醇， 在室温下浸泡 8h 后过滤， 洗涤滤渣。 缓冲溶液溶解。 牌高温淀粉酶液体制剂， 酶活力单位为 35000cu / mL，

1
1.1

材料与方法
材料与仪器
荸荠皮 采集于华南农业大学菜市场， 将其洗

收稿日期： 2009－02－27 作者简介： 赵力超（ 1979－ ） ， 硕士， 男， 讲师， 研究方向： 食品化学与功 能食品。

pH6.0 条 一个酶活力单位定义为 1mL 酶液在 75℃ ， 1min 液化可溶性淀粉 1mg） ， 件下， 在温度为 90℃ 、 pH 6.0 的条件下酶解一定时间。

244

1.2.2.4

碱解

加入一定浓度适量的 NaOH 溶液， 于

所示。 从表 1 可以看出， 酶解反应前 30min， 各组的酶 60min 时不同酶用量 解程度都比较低， 无明显区别， 0.24、 0.28mL / g 酶用量为 0.20、 的颜色反应变化明显， 60min 后淀粉的水解 的反应液在 α－ 淀粉酶作用下， 90min 时已基本水解完全， 样品液中 程度明显增高， 颜色接近无色， 且随后 50min 都不再发生变化。因 最适酶解 此确定 α－ 淀粉酶的最适用量为 0.2mL / g， 时间为 1.5h。另外， 通过荸荠皮淀粉与碘酒的颜色 反应呈紫色可知， 荸荠皮中支链淀粉的含量比直链 淀粉高。

以去除蛋白质和脂肪。 一定温度下水解一定时间， 1.2.3 酶解工艺 酶制剂产品说明书显示， 该酶的 最适反应温度为 90℃ ， 所以仅对 最适 pH 条件为 6.0， 酶用量及酶解时间进行单因素实验， 进而确定酶解 工艺条件。 准确称取 7 份已脱色素的荸荠皮样品于锥形瓶 每份样品 5g， 各加入 50mL pH 6.0 的磷酸盐缓冲 中， 1 ～ 7 顺 序 分 别 加 入 α － 淀 粉 酶 0.04、 溶液， 编 号 按 0.08、 0.12、 0.16、 0.20、 0.24、 0.28mL / g 荸荠皮样品， 在 90℃ 条件下进行酶解， 在酶解初期， 每隔 30min 分别 取少量反应液于小玻璃皿中， 1 滴 I2 － KI 溶液， 滴 并 观察反应液的变色情况； 酶解 90min 后， 10min 取 每 样检测一次。 1.2.4 碱解工艺 在碱解工艺中， 影响荸荠膳食纤

2.2
2.2.1

碱解工艺的确定
单因素实验 称取 5g 荸荠皮粉末， 固定耐高

温 α － 淀 粉 酶 的 用 量 为 1mL， 料 液 比 1 ∶ 10 （ 即 按 50mL） 加入 pH6.0 的缓冲溶液溶解样品， 在酶解时间 1.5h， 酶解温度为 90℃ 的条件下得到的酶解样品， 再 用该样品进行碱用量、 碱浓度、 碱解时间和碱解温度 的单因素实验。 2.2.1.1 碱用量的最佳因素水平的确定 选取碱用 40、 80、 量为 20、 60、 100mL， 在碱浓度 6% 、 碱解温度 平， 结果见表 2。

维得率和纯度的因素很多， 经过前期研究和实验， 确 定 4 个 影 响 较 大 的 因 素 为 主 要 因 素： NaOH 用 量、 NaOH 浓度、 碱解时间、 碱解温度。本研究分别对四 种主要影响因素进行单因素以及正交实验， 确定出 最佳工艺条件。 1.2.5 膳食纤维提取率、 纯度及综合得分 通过对

50℃ 条件下碱解 1.5h， 研究样品碱解的最佳用量水

发现荸荠皮中可溶性膳食 荸荠皮各成分进行测定， 而不溶性膳食纤维的含量却高 纤维的含量约为 1% ， 达 33% ， 考虑到经济性和可操作性， 仅提取荸荠不溶 性膳食纤维， 并以不溶性膳食纤维的得率、 纯度以及 两者的综合情况为评价指标。两者的综合情况用综 合得分计算， 利用 SPSS15.0 统计软件对综合得分的 两因子得率和纯度进行方差分析， 得出得率∶ 纯度 = 2∶1。 综合得分采取 100 分制， 产品得率、 纯度均以干 基计算： 得率（ % ） = 产品的质量 × 100% 荸荠皮原料的质量

表2 碱用量（ mL） 20 40 60 80 100

碱用量对荸荠中膳食纤维提取的影响 提取率（ % ） 22.4 18.9 18.4 18.2 17.4 纯度（ % ） 70.3 78.3 79.0 79.2 80.0 综合得分 38.4 38.7 38.6 38.5 38.3

由表 2 可知， 随着氢氧化钠用量的增加， 提取率 纯度则随着碱用量的增加呈上升 总体呈下降趋势， 提取率下 趋势。在碱的添加量为 20 ～40mL 范围内， 降速度比较快， 最后趋向于平缓； 对应的纯度也迅速 上升， 用量大于 40mL 后纯度平缓上升。这是由于原 料中的蛋白质在碱性条件下溶解， 同时皂化水解原 料中的少量脂肪， 杂质不断减少。在过量的氢氧化 钠溶液中， 果胶中的果胶酯酸组分会完全被脱去甲 基而溶解， 半纤维素也能溶于碱溶液中， 不溶性膳食 纤维有所损失所致。但是不溶性膳食纤维与氢氧化 钠的反应速度比其它物质要慢， 因此随着碱用量的 增加， 提取率下降及纯度提高得比较慢。碱用量在

产品中不溶性膳食纤维的质量 × 100% 纯度（ % ） = 产品的质量 综合得分 = 得率 × 2 + 纯度 × 1 3 ×%

荸荠样品及最终产品中不溶性膳食纤维的测定 （ 均采用《食 品 中 不 溶 性 膳 食 纤 维 的 测 定 》 GB / T 5009.88－2003） 的酶水解法。

2
2.1

结果与讨论
酶解工艺的确定
酶解反应过程中反应液的颜色实验结果如表 1

表1

酶解反应过程中反应液的颜色实验结果

反应时间（ min） 酶用量 （ mL / g） 30 60 90 100 110 120 130 140 0.04 ++++ ++++ +++ +++ ++ ++ ++ ++ 0.08 ++++ +++ +++ +++ ++ ++ ++ + 0.12 +++ +++ +++ ++ ++ ++ + + 0.16 +++ +++ ++ ++ ++ + + + 0.20 +++ ++ － － － － － － 0.24 +++ ++ － － － － － － 0.28 +++ ++ － － － － － － 注： + + + + ： 紫黑色（ + 越多， 代表颜色越深， 淀粉酶解不完全的程度越高） ； － ： 接近无色（ 淀粉酶解几乎完全） ； － － ： 无色 （ 酶解彻底） 。

245

40mL 时综合得分最高。 2.2.1.2 碱浓度的最佳因素水平的确定

降趋势， 纯度则随着碱浸温度的升高而呈上升趋势。 这是因为碱浸温度的升高使蛋白质、 脂肪等成分逐渐 被溶解， 故不溶性膳食纤维含量增加； 还有一个原因是 果皮中不溶性膳食纤维比其它物质与氢氧化钠的反应 因此随着温度继续上升， 纯度曲线上升 增加速度要慢， 得比较平缓。碱解温度在 40℃ 时为最佳水平。 2.2.2 正交实验 通过单因素实验， 确定了 NaOH 用 NaOH 浓度、 量、 碱解时间和碱解温度 4 个因素的最 适范围， 每个因素各取 3 个水平（ 见表 6） 。根据正交 4 实验设计原则， 采用四因素三水平即 L9 （ 3 ） 正交实 以综合得分为考察指标， 结果见表 7。 验，

选取氢氧 2% 4% 6% 8% 10% ， 化钠浓度为 1% 、 、 、 、 、 在碱用量 50mL、 碱解温度 50℃ 条件下碱解 1.5h， 研究碱浓度对 结果见表 3。 样品碱解的最佳用量水平， 表 3 氢氧化钠浓度对荸荠中膳食纤维提取的影响

氢氧化钠浓度 提取率 纯度 综合得分 （ %） （ %） （ %） 1 29.7 73.5 44.3 2 28.5 76.2 44.4 4 25.2 76.4 42.3 6 24.1 77.4 41.9 8 23.2 78.5 41.6 10 22.8 78.9 41.5 由表 3 可知， 随着氢氧化钠浓度的升高， 提取率
呈下降趋势， 纯度则随着氢氧化钠浓度的升高呈上 升趋势。高浓度的碱不仅去除了蛋白质的脂肪等杂 质， 还会导致不溶性膳食纤维发生溶解， 这是因为饱 和 NaOH 溶液会除去部分半纤维素 （ 属于不溶性膳 食纤维） ， 但是荸荠皮中不溶性膳食纤维与氢氧化钠 的反应速度 比 其 它 物 质 要 慢。在 氢 氧 化 钠 浓 度 为 2% 时综合得分最高。 2.2.1.3 碱解时间的最佳因素水平的确定 选取碱 1、 2h，， 解时间 0.5、 1.5、 在碱用量 50mL、 碱浓度 6% 、 碱

表6

正交实验因素水平表

因素 C 碱解时间 D 碱解温度 水平 A NaOH 用量 B NaOH （ mL） （ h） （ ℃） 浓度（ % ） 1 20 1 0.5 30 2 40 2 1 40 3 60 3 1.5 50 表 7 正交实验结果 实验号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 K1 K2 K3 k1 k2 k3 R A 1 1 1 2 2 2 3 3 3 147.93 145.21 143.11 49.31 48.40 47.70 1.61 B 1 2 3 1 2 3 1 2 3 145.39 146.68 144.18 48.46 48.89 48.06 0.83 C 1 2 3 2 3 1 3 1 2 143.16 144.27 148.82 47.72 48.09 49.61 1.89 D 1 2 3 3 1 2 2 3 1 145.00 145.36 145.89 48.33 48.45 48.63 0.30 得率 （ %） 29.8 29.2 28.2 29.2 29.4 28.0 29.0 28.4 27.4 纯度 （ %） 85.62 89.60 94.18 86.16 90.66 85.66 88.44 85.78 85.50 综合 得分 48.41 49.33 50.19 48.17 49.82 47.22 48.81 47.53 46.77

解温度 50℃ 条件下， 确定碱解时间的最佳水平， 结果 见表 4。

表4

碱解时间对荸荠中膳食纤维提取的影响 提取率（ % ） 26.8 24.8 23.8 23.4 纯度（ % ） 76.8 88.3 88.7 89.2 综合得分 43.5 46.0 45.4 45.3

碱解时间（ h） 0.5 1.0 1.5 2.0

由表 4 可知， 随着提取时间增加， 提取率呈下降 趋势， 纯度 随 着 提 取 时 间 的 增 加 呈 上 升 趋 势， 在 并 0.5～1.0h 时纯度迅速上升， 当反应时间大于 1.0h 时 则转为平缓上升。这是因为随着提取时间的增加， NaOH 溶液的浸泡不但可除去蛋白 反应一直在进行， 质， 也可使膳食纤维溶解损失（ NaOH 水解了一部分 浸泡时间越长， 膳食纤维损失越 纤维和半纤维素） ， 多， 但是荸荠果皮中不溶性膳食纤维与氢氧化钠的 故其成品纯度随着提取 反应速度比其它物质要慢， 时间增加而缓慢上升。碱解时间在 1.0h 时综合得分 最高。 2.2.1.4 碱解温度的最佳因素水平的确定 选取碱 40、 60、 解温度 30、 50、 70℃ ， 在碱用量 50mL、 碱浓度 6% 条件下碱解 1.5h， 确定碱解温度的最佳水平， 结 果见表 5。

正交实验结果以综合得分为最终分析标准。由 表 7 可知， 实验号 3 （ A1 B3 C3 D3 ） 的成品综合得分最 高， 即碱用量 20mL、 碱浓度 3% 、 碱解时间 1.5h、 碱解 成品综合得分为 50.19， 可能是最优碱 温度 50℃ 时， 提取工艺； 但根据正交实验极差分析得出， 荸荠皮膳 食纤 维 碱 解 提 取 工 艺 最 佳 因 素 水 平 理 论 值 为 A1 B2 C3 D3 ， 碱 用 量 20mL、 浓 度 2% 、 解 时 间 即 碱 碱 1.5h、 碱解温度 50℃ 。各因素对综合得分影响的主 次顺序为 C > A > B > D， 即碱解时间 > 碱用量 > 碱浓 度 > 碱解温度。 在最适 酶 解 工 艺， α － 淀 粉 酶 最 适 反 应 温 度 即 90℃ 、 pH6.0， 酶用量 0.2mL / g 和酶解时间 1.5h 的条 件下， 对正交实验进行验证实验， 结果见表 8。 A 由表 8 得知， 1 B2 C3 D3 为实际的碱解最优工艺 即碱用量 20mL、 碱浓度 2% 、 碱解时间 1.5h、 碱 水平， 解温 度 50℃ ， 此 条 件 下 膳 食 纤 维 的 提 取 率 为 在 29.45% 、 纯度为 93.30% 、 综合得分为 50.73。 （ 下转第 250 页）

表5

碱解温度对荸荠中膳食纤维提取的影响 提取率（ % ） 22.4 21.9 20.2 19.0 18.2 纯度（ % ） 78.4 80.9 81.5 82.9 82.9 综合得分 41.1 41.6 40.6 40.3 39.8

碱解温度（ ℃ ） 30 40 50 60 70

由表 5 可知， 随着碱浸温度的升高， 提取率呈下

246

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（ 上接第 246 页）

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檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾
表8 实验号 A1 B3 C3 D3 A1 B2 C3 D3 NaOH 用量（ mL） 20 20 浓度（ % ） 3 2 验证实验结果 温度（ ℃ ） 50 50 提取率（ % ） 28.25 29.45 纯度（ % ） 94.16 93.30 综合得分 50.22 50.73

碱解时间（ h） 1.5 1.5

2.3

酶化学法与化学法对比

50℃ ， 碱解时间 1.5h。在此条件下， 不溶性膳食纤维 纯度 93.30% 。与纯化学法相比， 的得率为 29.45% ， 酶化学法在成品的得率、 纯度及感官评价上都较好。 这种荸荠膳食纤维的新提取方法已经显示了其突出 具有潜在的实际应用价值和意义。 的特点，

酶化学法包括酶解和碱解工艺两部分， 而纯化 ［ 10］ 学法包括碱解和酸解工艺两部分 。本课题组前期 研究确定了荸荠不溶性膳食纤维纯化学法提取最优 NaOH 用量 5mL / g， 工艺： NaOH 浓度 4% ， 碱解温度 50℃ ， 解 时 间 50min， HCl 浓 度 1mol / L， HCl 用 量 碱 20mL / g， 70℃ ， 90min。将该纯化 酸解温度 酸解时间 学法与酶化学法的最优工艺进行对比研究， 结果如 图 1 所示。

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图1

酶化学法和化学法提取荸荠皮膳食纤维的比较

纯化学 法 提 取 荸 荠 不 溶 性 膳 食 纤 维 的 得 率 为 12.96% ， 度 为 84.32% ， 品 的 组 织 较 硬， 深 褐 纯 成 为 色； 酶化学法的得率为 29.45% ， 纯度为 93.30% ， 成品 为黄褐色。酶化学法无论是在产品的得 组织疏松， 率、 纯度， 是 在 产 品 的 感 官 评 价 方 面 都 优 于 纯 化 还 学法。

3

结论
通过酶解单因素实验， 碱解单因素及正交实验，

确定了酶化学法提取荸荠不溶性膳食纤维的最佳工 艺： 耐 高 温 α － 淀 粉 酶 的 用 量 0.2mL / g， 解 时 间 酶 1.5h， NaOH 浓度 2% ， NaOH 用量 20 mL， 碱解温度为

250



  本文关键词：荸荠皮膳食纤维酶化学法提取工艺研究，由笔耕文化传播整理发布。