花椒籽中水不溶性膳食纤维提取工艺及其特性

2018-05-28杨秀芳惠昱昱龙园园柳茜茜

陕西科技大学学报 2018年3期

杨秀芳，惠昱昱，龙园园, 柳茜茜

(陕西科技大学化学与化工学院教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室, 陕西西安 710021)

0 引言

膳食纤维作为一种功能性食品配料具有多种保健作用，能够促进肠道蠕动，降低高血压[1]、高血脂[2]及糖尿病等疾病的患病风险[3，4]，以及预防肠胃疾病和心血管疾病等生理功能[5]，对人体健康起着积极的作用，其提取和生物活性研究已成为现阶段的热点.花椒是一种富含纤维素、低糖、低脂肪、低热量的天然保健食品，具有极高的营养价值和广泛的药用价值[6].但目前花椒籽资源综合开发利用程度比较低，大部分作为废弃物被焚烧或深埋[7]，因此从花椒籽中提取膳食纤维具有十分重要的意义.

目前，膳食纤维的提取方法主要有碱法、酸法、酶法和机械法等，酸、碱对膳食纤维尤其是对水溶性膳食纤维的破坏性较大，产品品质变差，且对环境有一定的污染；而酶法具有相对安全、高效和低成本等优点被广泛使用[8，9].本实验采用超声波协同酶法以花椒籽为原料，提取水不溶性膳食纤维，旨在“变废为宝”，提高花椒籽的经济价值，为花椒籽的综合开发利用提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

(1)主要原料：花椒籽，韩城产大红袍，粉碎，过筛(60目)备用；胃蛋白酶，成都通德药业有限公司；糖化酶，湖南新鸿雁生物工程有限公司；NaOH、NaNO2、95%乙醇(分析纯)，国药集团化学试剂有限公司；胆酸钠(生化试剂)，上海化学试剂有限公司.

(2)主要仪器：BSA2202S电子天平(余姚市金诺天平仪器有限公司)；XT-A400多功能粉碎机(永康市红太阳机电有限公司)；CSF1A-超声波发生器(上海超声波仪器厂)；XMTD-4000电热恒温水浴锅(上海科恒实业发展有限公司)；101电热鼓风干燥箱( 上海科恒实业发展有限公司)，722型数显可见分光光度计(河北润联科技有限公司).

1.2 实验方法

1.2.1 花椒籽预处理

称取适量的花椒籽，在55 ℃以石油醚为溶剂脱脂处理2 h，50 ℃烘干，粉碎至60目备用.

1.2.2 水不溶性膳食纤维的提取工艺

花椒籽→干燥→粉碎→过筛→脱脂→称取样品→加纯水→调节pH→加入胃蛋白酶→超声波协同酶解→调节pH→加入糖化酶→超声波协同酶解→灭酶→抽滤→滤渣→干燥，即得不溶性膳食纤维(IDF).

1.2.3 提取方法

称取3 g脱脂花椒籽粉末，加75 mL纯水，搅拌，调节pH值，加入一定量的胃蛋白酶，超声波功率(100 W)协同酶解一定时间，灭酶，过滤，干燥得膳食纤维IDF1；再次调节pH，加入糖化酶，一定温度的水浴锅中超声(100 W)酶解，过滤，干燥，得膳食纤维IDF2.

1.2.4 提取率计算

IDF提取率(%)= IDF质量(g)/原料质量(g)×100%

1.3 超声波协同酶解最佳工艺的确定

1.3.1 超声波协同胃蛋白酶酶解工艺的确定

采用胃蛋白酶对脱脂处理后花椒籽进行超声波协同酶解处理，考察胃蛋白酶添加量、酶解pH、反应温度、时间对水不溶性膳食纤维提取率的影响.实验设计如下，胃蛋白酶添加量(相对花椒籽质量g/g，下同)分别为1%、2%、3%、4%、5%；酶解pH=1、2、3、4、5；反应温度分别为27 ℃、37 ℃、47 ℃、57 ℃、67 ℃；反应时间分别为20 min、40 min、60 min、80 min、100 min.确定超声波协同胃蛋白酶酶解的最佳提取工艺参数.

1.3.2 超声波协同糖化酶酶解工艺的确定

在1.3.1实验基础上，使用糖化酶对产品IDF1进行进一步的超声波辅助酶解处理，以水不溶性膳食纤维提取率为指标，研究糖化酶添加量、酶解pH、反应温度、时间、对花椒籽水不溶性膳食纤维提取率的影响.实验设计为，糖化酶添加量分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%；酶解pH为3、4、5、6、7；反应温度为30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃；反应时间为20 min、40 min、60 min、80 min、100 min.得到超声波协同糖化酶酶解的最佳提取工艺参数.

1.4 水不溶性膳食纤维性能测定

1.4.1 相关性能测定

溶胀力、持水力测定参照贾东升等[10]的测定方法，结合水力测定参照蓝海军等[11]的测定方法，结合脂肪能力、乳化能力参照马涛等[12]的测定方法.

1.4.2 对胆酸钠、NO2-的吸附能力

对胆酸钠及NO2-吸附能力的测定参照曹小红等[13]的测定方法.

2 结果与讨论

2.1 超声波协同胃蛋白酶酶解工艺

2.1.1 胃蛋白酶添加量

由图1可知，花椒籽水不溶性膳食纤维提取率随胃蛋白酶的添加量呈现先升后降的变化趋势，加酶量为2%时，提取率达到最大值(64.70%).说明酶与底物间的适宜比例尤为重要，在其他条件不变的情况下，胃蛋白酶的添加量确定为2%.

图1 酶添加量对提取率的影响

2.1.2 pH值

由图2看出，花椒籽水不溶性膳食纤维提取率随 pH 值的增大先升后降，pH值为2时达到最高(67.52%).因为只有在酶的最适pH范围内，酶才具有较好的催化活性.而当反应条件远离最适pH范围，酶的活性降低，酶解不充分，从而使花椒籽中IDF提取率降低.因此选择胃蛋白酶适宜的pH值为2.

图2 pH值对提取率的影响

2.1.3 酶解温度

由图3可知，水不溶性膳食纤维提取率随温度的升高而升高，37 ℃时提取率达到最大(70.80%)，之后随温度的升高而降低.这是因为酶解温度过高或过低都会影响胃蛋白酶的活性，表明胃蛋白酶的适宜酶解温度为37 ℃.

图3 酶解温度对提取率的影响

2.1.4 酶解时间

由图4可知，提取率先随胃蛋白酶提取时间的延续而缓慢上升，80 min时达到最大(65.22%)，而后提取率呈下降趋势.这可能源于超声波作用影响，花椒籽中分子分解加快，极大地促进胃蛋白酶酶解反应速度；随着反应时间的延长，反应底物减少，产物积累对酶活性有反馈抑制作用[14，15]，从而导致提取率下降.因此，超声协同胃蛋白酶的提取时间选择80 min为宜.

图4 酶解时间对提取率的影响

综上所述，超声波协同胃蛋白酶酶解工艺条件是：花椒籽按料液比1∶25(g/mL)，pH=2，加入2%的胃蛋白酶，37 ℃水浴，超声波(100 W)协同处理80 min.

2.2 超声波协同糖化酶酶解提取花椒籽水不溶性膳食纤维工艺参数

按1.3.2设计考察糖化酶添加量、pH值、酶解温度、酶解时间对花椒籽水不溶性膳食纤维的影响，结果如图5～8所示.

图5 酶添加量对提取率的影响

图6 pH值对提取率的影响

图7 酶解温度对提取率的影响

图8 酶解时间对提取率的影响

由此可知，超声协同糖化酶提取花椒籽水不溶性膳食纤维的工艺参数为：pH值为5，加入2%糖化酶，50 ℃水浴，超声(100 W)处理40 min.

2.3 验证实验

采用超声-双酶协同提取花椒籽水不溶性膳食纤维的工艺条件为：pH值2，胃蛋白酶添加量为2%，反应温度37 ℃，超声处理80 min； pH值5，糖化酶添加量为2%，反应温度50 ℃，超声处理40 min；过滤、干燥得花椒籽水不溶性膳食纤维.在此条件下进行3次平行实验，结果依次为68.10%、68.16%、68.20%，平均提取率为68.15%.

2.4 花椒籽水不溶性膳食纤维特性结果与分析

2.4.1 不溶性膳食纤维的基本特性

花椒籽水不溶性膳食纤维的溶胀力、持水力、结合水力测定结果如表1所示.

表1 花椒籽膳食纤维特性测定结果

注：p<0.05

结合脂肪能力测定值为1.46 mL/g，说明花椒籽水不溶性膳食纤维对油脂的物理吸附能力较弱.

乳化能力其值仅为6.4%，因为其稳定性指数小于50%，显示花椒籽水不溶性膳食纤维不是很好的乳化剂[12].

膳食纤维中含有羟基、羧基等亲水基，能吸收数倍自身质量的水分，膨胀力和持水力越大，说明膳食纤维比表面和吸收能力越强，生物作用越好，所以溶胀力和持水力是膳食纤维品质好坏的重要指标.由表1 可知，IDF1和IDF2的膨胀力、持水力、结合水力均明显高于原料花椒籽，并且IDF2的持水力、溶胀力及结合水力较IDF1均高.由此可知通过糖化酶可增加花椒籽水不溶性膳食纤维的溶胀力、持水力和结合水力.同时测试结果表明,花椒籽水不溶性膳食纤维无明显的乳化能力,对脂肪不表现出吸附作用.

2.4.2 对胆酸钠、NO2-的吸附能力

由图9可知，花椒籽水不溶性膳食纤维对NO2-吸附作用在80 min后达到平衡.当pH=2时，吸附量为18.42μg/g；pH=3时为14.32μg/g；pH=4时为11.31μg/g；pH=5时为8.53μg/g.随着pH的增加对NO2-吸附作用呈现下降的趋势，表明在酸性中具有一定的吸附能力，而人体胃液中的pH正常情况下维持在2左右，因此通过摄入花椒籽膳食纤维降低胃液中NO2-含量是有效的.

图9 水不溶性膳食纤维对吸附NO2-曲线

从图10可看出，花椒籽不溶性膳食纤维对胆酸钠有吸附作用且用量越大吸附作用越明显.如pH=6，用量为1.0 g、2.0 g、3.0 g、4.0 g时，体系最终吸附率为19%、27%、57%、66%；体系达到平衡的时间依次为1.3 h、2.5 h、3.5 h、4.2 h，这也恰好符合高浓度下各种膳食纤维对胆酸钠的吸附能力均高于低浓度下的吸附能力这一膳食纤维对胆酸钠的吸附规律[16].