程 力,廖 瑾,顾正彪，*,洪 雁,李兆丰

(1.江南大学食品学院,江苏无锡 214122;2.江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡 214122)



酶法处理马铃薯渣对其功能性质的影响

程 力1,2,廖 瑾1,顾正彪1,2，*,洪 雁1,2,李兆丰1,2

(1.江南大学食品学院,江苏无锡 214122;2.江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡 214122)

以马铃薯渣中的膳食纤维组分为研究对象,研究了纤维素酶单一处理及耐高温α-淀粉酶结合纤维素酶复合处理马铃薯渣对其功能性质的影响。经过酶处理的马铃薯渣可溶性膳食纤维含量显著提高,单独使用纤维素酶水解马铃薯渣,可溶性膳食纤维(SDF)含量达14.38g/100g,比原浆提高了18.74%,采用耐高温α-淀粉酶结合纤维素酶复合处理的马铃薯渣中SDF含量达15.00g/100g,与单独使用纤维素酶水解相比提高了4.31%,与原浆相比提高了23.86%。扫描电镜分析发现薯渣经过酶解后,结构变得松散,处理后马铃薯渣的阳离子交换能力、膨胀率、持水力及持油力明显提高,且双酶组效果最好,与市面上的麸皮相比性能更优,薯渣中残余的淀粉更易消化,在饲料中有较好的应用潜力。

马铃薯渣,酶法处理,功能性质

马铃薯淀粉是马铃薯深加工最为主要的方向之一。我国具有极为丰富的马铃薯资源,面积和产量均位于世界首位,也是马铃薯淀粉加工的大国,2012年马铃薯淀粉产量达38.5万吨。随着马铃薯淀粉产业的发展,其副产物马铃薯渣的产量越来越大,一般每吨淀粉产生6～7吨废渣(含水份在95%左右),如不加以回收利用,不仅造成资源浪费,而且造成严重的环境污染[1]。

目前,许多国家面临着动物饲料紧缺的难题[2],马铃薯渣含有淀粉、纤维素、半纤维素和果胶等可利用组分,具有作为动物饲料的潜力。但是,马铃薯渣的含水量非常高[3],且脱水困难、不易储藏,若直接作为饲料则营养价值过低,且烘干处理的成本较高。国内外的研究主要集中在从马铃薯渣中提取膳食纤维等有益物质或者生产发酵饲料[4],但操作工艺复杂,处理周期过长,成本高昂,开发利用率较低,尚未得到产业化的推广和应用,马铃薯渣的综合利用一直没有得到较好的解决。有学者对发酵马铃薯渣作为饲料进行了研究,消化能仅有13MJ/kg[5],无法直接满足动物对饲料的营养需求。马铃薯渣中含有丰富的膳食纤维资源,将薯渣加工后作为饲料中提供纤维素来源的组分,是薯渣深加工中具有发展潜力的方向。马铃薯渣中的膳食纤维主要是不可溶性的,而大量研究证明可溶性膳食纤维具有更优的生理功能。本研究利用纤维素酶及淀粉酶直接处理湿马铃薯渣,使部分不可溶膳食纤维(IDF)转化为可溶性膳食纤维(SDF)以及可溶性小分子糖,可以起到改良和优化膳食纤维组成和生理功能的作用[3]。此外,通过酶解还可以改善马铃薯渣的适口性,增加薯渣中淀粉等营养物质的吸收利用效率。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

湿马铃薯渣 黑龙江北大荒马铃薯产业有限公司;耐高温α-淀粉酶(酶活:18000U/mL),无锡杰能科生物工程有限公司;纤维素酶(酶活:1500U/mL)无锡杰能科生物工程有限公司;麸皮,市场购入。

RJ-LD-ⅡB大型离心机 江苏无锡瑞江离心机厂;DSHZ-300多用水浴恒温振荡器 江苏太仓实验设备厂;RW20 IKA 搅拌器 德国IKA公司;QUANTA-200型扫描电子显微镜 英国马尔文公司。

1.2 实验方法

1.2.1 马铃薯渣成分的测定方法 水分测定:干燥恒重法(GB5009.3-85);灰分测定:直接灰化法(GB5009.4-2003);蛋白质测定:微量凯氏定氮法(GB5009.5-85);淀粉含量测定:蒽酮比色法(GB6194-86);纤维素、半纤维素、木质素:重量法;可溶性膳食纤维(SDF):AACC32-06;不可溶膳食纤维(SDF):AACC32-06。

1.2.2 马铃薯渣处理的工艺流程

1.2.2.1 原浆处理工艺流程 为了排除温度和其他操作的影响,原浆组采用和酶解组完全相同的工艺,只是不加入相应的酶。此后提到的原浆均代表经过以上操作处理的马铃薯渣。

1.2.2.2 单酶处理工艺流程 湿马铃薯渣→分散于缓冲溶液中成均一体系→90℃水浴保温30min→调pH4.5,加入纤维素酶22.5U/g→50℃,1h→沸水浴灭酶10min→水解产物

具体操作流程:以湿马铃薯渣为原料,按1∶15的料液比加入pH6.0柠檬酸-柠檬酸缓冲液,调节pH,并在90℃水浴下搅拌30min进行酶解,并在沸水浴中灭酶10min,得到水解产物。根据测试需要可制成冻干样品,并粉碎,过100目筛制成粉末样品。

1.2.2.3 双酶复合处理工艺流程 湿马铃薯渣→分散于缓冲溶液中成均一体系→加入耐高温α-淀粉酶60U/g,90℃水浴保温30min→调pH4.5,加入纤维素酶22.5U/g→50℃,1h→沸水浴灭酶10min→水解产物

具体操作流程:以湿马铃薯渣为原料,按1∶15的料液比加入pH6.0柠檬酸-柠檬酸缓冲液,加入60U/g的耐高温α-淀粉酶,在90℃水浴下搅拌30min进行酶解,立即调节pH至4.5灭酶。待薯渣冷却至50℃,加入一定量的纤维素酶,并在50℃下搅拌1h进行酶解,然后采用高温灭酶的方法,在沸水浴中灭酶10min,得到水解产物。根据测试需要可制成冻干样品,并粉碎,过100目筛制成粉末样品。

1.2.3 表面微观结构的观察 将经过不同处理的马铃薯渣冷冻后放置于冷冻干燥机中干燥脱水,将干燥后的样品分散在铝棒上后在表面喷涂铂/钯合金,使用扫描电镜,放大倍数为150倍下观察样品微观结构。

1.2.4 酶解处理对马铃薯渣生理性质的影响

1.2.4.1 阳离子交换能力的测定 样品浸入0.1mol/L的HCl完全浸没24h后,倒入铺有滤纸的玻璃漏斗中过滤,用蒸馏水去除多余的酸,用10%(w/v)的AgNO3检测至滤液不含Cl-为止,然后微热风干燥滤渣,准确称取0.25g 干样品溶解于100mL 15%(w/v)NaCl溶液中,磁力搅拌均匀,再用0.1mol/L NaOH溶液滴定,记录pH变化,作VNaOH-pH关系图表示不同样品随着NaOH的滴定pH变化的过程[6]。

1.2.4.2 膨胀率的测定 准确称取1.00g干燥样品于量筒中,添加去离子水50mL,震荡均匀,测定其在室温下放置24h后样品膨胀后的体积V。

式中:m-所称取样品的质量,g;V-样品膨胀后的体积,mL。

1.2.4.3 持水力的测定 准确称取1.00g干燥样品于离心管里,室温下静置24h,将样品置于离心机中4000r/min离心20min,倾去管内上清液,称取沉淀质量m1。

式中:m0-所称取样品的质量,g;m1-离心后沉淀的质量,g。

1.2.4.4 持油力的测定 准确称取3.0g(m1)待测样品于离心管(m0)中,加入豆油30mL,混合均匀后于37℃静置1h,在4000r/min条件下离心15min,去掉上层油,擦干离心管里里外壁所附着的油脂和水分,称重得m2[7]。

式中：m0-离心管质量,g;m1-所称取样品的质量,g;m2-去掉上层油后离心管的质量,g。

1.2.4.5 淀粉组分体外消化性的测定 准确称取0.5g样品置于测试管中(预先测定样品中的淀粉含量a),加入15mLpH5.2的0.2mol/L醋酸钠缓冲液,混匀后加入10mL混酶液,含猪胰α-淀粉酶(290U/mL)和糖化酶(15U/mL),置于37℃恒温水浴锅下震荡,在水解0、10、20、30、50、80、120min时分别取样20μL于1.5mL离心管中,加入180μL蒸馏水在10000r/min下离心10min,取50μL上清液用葡萄糖试剂盒在510nm波长下比色测出葡萄糖含量m1,并计算出淀粉的水解率[8]。

式中：m1-葡萄糖含量,mg;a-样品中的淀粉含量,%；500-样品质量，mg。

1.2.4.6 数据处理 实验数据用平均数±标准差表示,采用SPSS软件,组间差异显著性以t检验方法进行统计学处理。p<0.05有显著性统计学意义。

2 结果与讨论

2.1 马铃薯渣组成分析

马铃薯渣的组成分析结果如表1所示,从表中可以看出,除了水之外,马铃薯渣的主要成分是残余的淀粉和纤维素,薯渣中淀粉的含量根据来源不同而略有差异,在淀粉的生产过程中纤维与淀粉分离次数越多淀粉含量越少。一般而言,随着淀粉含量的减少则纤维的含量就相应的增加,这有助于提高马铃薯渣作为饲料组分中提供纤维素来源的功能特性[6]。此外,薯渣中还含有少量的蛋白质和其他成分,如脂肪、小分子糖类和酚类物质等。

对薯渣中的膳食纤维成分进行测定的结果表明(表2),马铃薯渣膳食纤维主要为不溶性成分,可溶性膳食纤维仅占总膳食纤维的34.9%,而有报道指出可溶性膳食纤维具有更优的生理性质[9],因而本研究通过酶法改性马铃薯渣来提高可溶性膳食纤维含量,优化马铃薯渣的膳食纤维组成,提高其作为饲料组分的应用效果。

表1 马铃薯渣的组分分析Table 1 Components of conventional potato pulp

表2 马铃薯渣中膳食纤维的成分分析Table 2 Components of dietary fiber

2.2 不同酶解处理条件对马铃薯渣主要成分的影响

从表3可以看出,经过酶法处理后马铃薯渣的可溶性膳食纤维含量显著提高。单独使用纤维素酶水解马铃薯渣,SDF含量达到14.38g·100g-1,比原浆提高了18.74%。利用纤维素酶处理马铃薯渣,纤维素酶可以降解不溶性膳食纤维中的纤维成分,使纤维素链断裂,产生可溶性成分,从而增加了可溶性膳食纤维的含量。由于薯渣细胞结构致密,淀粉与纤维结构紧紧啮合在一起,因此考虑采用淀粉酶对马铃薯渣进行预处理,使薯渣结构变得松散,纤维素酶更容易进入纤维内部结构进行降解,提高了水解效率。采用淀粉酶预处理的马铃薯渣中SDF含量达到15.00g·100g-1,与单独使用纤维素酶水解相比提高了4.31%，与原浆相比提高了23.86%。

表3 不同处理条件对马铃薯渣主要成分的影响Table 3 Components with different treating

注:不同字母表示差异显著,相同字母表示差异不显著。

膳食纤维分为IDF和SDF,研究表明,SDF在生理功能方面更优于IDF,并且口感较好,并认为SDF的组成比例是影响膳食纤维生理功能的重要因素[10]。使用纤维素酶处理马铃薯渣,部分不可溶膳食纤维转化为可溶成分,SDF/IDF的比例达到0.6720,较原浆提高了25.19%。而使用淀粉酶预处理后SDF/IDF的比例达到了0.7198,比原浆提高了34.10%。

2.3 不同酶解处理条件对马铃薯渣表面微观结构的影响

图1 不同处理马铃薯渣的扫描电镜图Fig.1 Scanning electron microscope of potato pulp with different sample

注:a:未经处理的马铃薯原渣,b:经过热处理的马铃薯渣, c:纤维素酶水解的马铃薯渣, d:淀粉酶结合纤维素酶水解的马铃薯渣:×150。

图1a～图1d为马铃薯渣原浆和不同处理后的马铃薯渣扫描电镜图。图1a为未经任何处理的马铃薯渣原浆,从图中可以明显看到马铃薯淀粉颗粒,呈现典型的椭圆形,说明在马铃薯淀粉工业生产中还残余部分未糊化的马铃薯淀粉存在于薯渣中,纤维素则呈片状结构,与已糊化的淀粉紧紧啮合在一起。图1b经过高温热处理后,淀粉颗粒完全糊化,附着在纤维素表面,结构紧致。图1c为经过纤维素酶水解后的马铃薯渣,纤维素酶慢慢渗入,纤维素酶分子吸附在纤维素表面,导致分子内的氢键断裂和单一基元纤维的分离,样品表面形成致密的三维空间网状结构。由于糊化的淀粉与纤维素紧紧啮合在一起,阻碍了纤维素酶吸附到纤维素表面,影响了纤维素酶的水解效率,因此采用淀粉酶对样品进行预处理。图1d为经过淀粉酶预处理后进行纤维素酶水解的马铃薯渣样品,从图中可以明显看出样品出现更大空洞,与图1c致密的空间网络结构相比较结构变得更加松散。

2.4 不同酶解处理条件对马铃薯渣中淀粉消化性的影响

本实验采用Englyst改良法,基于在体外模拟的条件下,测定120min内不同时间段酶消化的淀粉的量。从图2可以看出,不同处理的马铃薯渣体外消化的水解曲线趋势相同但是经过酶处理的薯渣水解率高于原浆,双酶水解又高于单酶水解,即按水解率大小来看,双酶水解组>单酶水解组>原浆组,由此可见,酶解处理能够提高马铃薯渣中残余淀粉的消化率。这是由于马铃薯渣中淀粉与纤维以及蛋白质等紧紧缠绕在一起,形成一种天然的结合状态,细胞壁阻碍了淀粉与酶的接触,减少了淀粉的水解,使得马铃薯渣中的淀粉难于消化[11]。而经过纤维素酶水解后,薯渣原本的致密的结构变得松散,这种天然的结合状态被打破,淀粉和纤维不能牢固的结合在一起或者分离开,因而淀粉糊更容易释放出来,即提高了淀粉的消化性。而经过淀粉酶预处理的薯渣,产生更多的小分子糖,进入人体后被快速消化,并且双酶处理使得薯渣结构变得更加松散,淀粉糊更易溢出与体内的消化酶反应,因而经过双酶处理的薯渣淀粉消化性最好,作为饲料组分时更有利于实现对各成分的充分利用。

图2 不同处理薯渣体外消化的水解率曲线Fig.2 In vitro starch hydrolysis rate of potato pulp with different treating

2.5 不同酶解处理条件对马铃薯渣生理功能性质的影响

2.5.1 不同酶解处理条件对马铃薯渣阳离子交换能力的影响 膳食纤维的阳离子交换能力可以作为其降血压功能的表征之一。膳食纤维化学结构中包含一些羧基与羟基之类的侧链基团,呈现一种弱的阳离子交换树脂作用,可与Ca2+、Zn2+、Cu2+、Pb2+等阳离子,特别是有机阳离子进行可逆交换,它不是通过单纯结合而减少机体对离子的吸收,而是通过改变离子的瞬间浓度,从而对消化道的pH、渗透区,以及氧化还原电位产生影响,造成一种更缓冲的环境,以利于消化吸收[12]。同时由于膳食纤维与Na+、K+的交换,促进了Na+、K+的排出,并由此降低血液中的Na+/K+比值,产生降血压作用[13]。

图3 不同处理的马铃薯渣阳离子交换能力Fig.3 Cation exchange capacity of potato pulp with different treating

如图3所示,为不同处理的薯渣用NaOH溶液滴定过程中pH的变化过程。对于薯渣纤维而言,其滴定曲线越陡,表明薯渣的阳离子交换能力越强[14]。从图中看出,麸皮的曲线斜率最缓,说明其阳离子交换能力最弱。然而,经过酶处理的薯渣滴定曲线较原浆的比较陡,说明酶处理增强了薯渣的阳离子交换能力,这是由于用酶处理薯渣,使其膳食纤维结构中的更多的表面积及部分羧基和羟基基团暴露出来,而使其更容易与溶液中阳离子结合,从而导致其阳离子交换能力增加,因而用酶处理薯渣对于动物体内的消化吸收系统有一定帮助,并且帮助动物机体有毒离子排出体外,提高免疫力,促进动物健康成长。

2.5.2 不同处理方式对马铃薯渣膨胀率、持水力的影响 膨胀率和持水力是薯渣纤维重要的性质,决定了其应用在饲料中的最佳用量,以得到期望的生理功能性质。薯渣纤维吸水膨胀,容易使肠道推动食物残渣,将营养吸收完全后的废物移走,从而清除了肠道,达到排便通畅的功效,促进了机体肠道健康。

图4所示为不同处理方式下样品的膨胀率及持水力变化情况。研究表明,马铃薯渣经过酶解后,膨胀率和持水力均显著提高。用纤维素处理的薯渣膨胀率达到6.02mL·g-1,较原浆提高了9.06%,双酶水解的薯渣膨胀率增加更明显,较原浆提高了29.52%。这是因为经过酶解后,薯渣紧致的结构变得疏松,比表面积增大,同时薯渣纤维中更多的亲水基团暴露出来,使其与水的接触面积增大,分散性增强,因而经过酶解的薯渣的持水力及膨胀率均有明显提高,并且双酶水解的效果更佳明显。

图4 不同处理方式下马铃薯渣的膨胀率、持水力Fig.4 The awelling and water retention ability of potato pulp with different treating

注:1-麸皮;2-原浆;3-单酶处理薯渣; 4-双酶处理薯渣,图5同。

2.5.3 不同酶解处理条件对马铃薯渣持油力的影响 持油力是膳食纤维调节血脂功能的机理之一。经过不同处理的马铃薯渣和麸皮的持油力如图5所示,原浆的持油力最低为3.63g/g,经过纤维素酶处理后,马铃薯渣的持油力显著提高,达到了4.63g/g,而经过双酶水解的薯渣持油力最高,达到5.23g/g。从前面SEM电镜图可知,在经过酶处理后,薯渣纤维由原本致密的结构变成较为疏松的空间网络结构,提高了薯渣对油脂的吸附能力,此外麸皮的持油能力也较高,与单酶处理的薯渣相近。

图5 不同处理马铃薯渣的持油力Fig.5 The oil retention rate of potato pulp with different treating

3 结论

马铃薯渣经过酶法处理后,可溶性膳食纤维含量显著增加,其中经过耐高温α-淀粉酶与纤维素酶双酶处理的薯渣中可溶性膳食纤维含量最多。从SEM扫描电镜图中可以看出,原本薯渣结构较为致密,淀粉与纤维紧紧啮合在一起,经过酶处理的马铃薯渣出现空洞,原本致密的结构变得松散。经过酶处理后,马铃薯渣的阳离子交换能力、α-淀粉酶活力抑制力及持油力明显提高,且双酶组最好,与市面上的麸皮相比也更优。此外,经过酶法处理后,薯渣中残余的淀粉更易消化。综上所述,马铃薯渣经过酶处理后有更好的功能性质,可以为肠道提供了一个有助于消化吸收的环境,更加有利于作为饲料添加组分。

[1]刘玮,李兰红,孙丽华. 马铃薯渣综合利用研究[J]. 粮油食品科技,2010,18(4):17-19.

[2]Pirmohammadi R,Rouzbehan Y,Rezayazdi K,et al. Chemical composition,digestibility and in situ degradability of dried and ensiled apple pomace and maize silage[J]. Small ruminant research,2006,66(1):150-155.

[3]Saito K,Noda T,Tsuda S,et al. Effect of the dates of extraction on the quality of potato pulp[J]. Bioresource technology,2006,97(18):2470-2473.

[4]王拓一,张杰,吴耘红,等. 马铃薯渣的综合利用研究[J]. 农产品加工,2008,7(142):104-105.

[5]Okine A,Hanada M,Aibibula Y,et al. Ensiling of potato pulp with or without bacterial inoculants and its effect on fermentation quality,nutrient composition and nutritive value[J]. Animal feed science and technology,2005,121(3):329-343.

[6]陈菊红. 湿法超微粉碎对马铃薯渣的改性及其功能特性和应用研究[D]. 无锡:江南大学,2008.

[7]Gan C Y,Latiff A A. Antioxidantpod powder as potential functional flour in food application:Physicochemical properties’ characterization[J]. Food Hydrocolloids,2011,25(5):1174-1180.

[8]缪铭,江波,张涛. 淀粉的慢消化性能与酶水解速率研究[J]. 食品与发酵工业,2008,34(8):25-27.

[10]李想,程建军,江连洲. 豆渣水溶性膳食纤维的研究现状与展望[J]. 食品工业科技,2008,29(4):305-307.

[11]刘芳,曾悦,刘波,等. 加工方法对红小豆碳水化合物消化速度的影响[J]. 食品与发酵工业,2005,31(10):89-92.

[12]Chau C F,Cheung P C K. Effects of the physico-chemical properties of three legume fibers on cholesterol absorption in hamsters[J]. Nutrition Research,1999,19(2):257-265.

[13]郑健仙.功能性膳食纤维[M]. 北京:化学工业出版社,2005.

[14]李伦,张晖,王兴国,等. 超微粉碎对脱脂米糠膳食纤维理化特性及组成成分的影响[J]. 中国油脂,2009,34(2):56-58.

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，硕士，实验师，研究方向：淀粉资源的开发与利用。

*通讯作者:顾正彪(1965-)，男，博士，教授，研究方向：碳水化合物资源的开发与利用。

广东省专业镇中小微企业服务平台——安全食品精深加工科技创新平台建设(2012B091400030)。

TS239

A

1002-0306(2015)05-0118-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.05.016