超声波辅助提取马铃薯全粉加工副产物中膳食纤维

马铃薯全粉是马铃薯加工产品之一，由于其能较长时间的保存，且能基本保持新鲜马铃薯的营养和风味，便于制作加工各种食品，是马铃薯食品加工的天然添加剂和优质原料[1]。因此，马铃薯全粉作为马铃薯深加工产品，在食品工业上得到了快速地应用与发展。据统计，每加工得到1 t马铃薯全粉会产出0.2 t～0.5 t的马铃薯废渣，加工全粉后得到的薯渣不仅含水率高，而且松散、不易储运，废弃腐败后对环境污染较大，因此，妥善处理这些薯渣，对降低加工成本、防止生态环境恶化具有重要意义。

新鲜薯渣水分含量高达70%～85%，其内部的干物质中残留约53.9%的淀粉、18%的膳食纤维、11%的蛋白质、2.3%的灰分、3.6%的果胶、1.9%的还原糖及其它成分，具有较高的再利用价值。膳食纤维是一种多糖，被营养界补充认定为第七类营养素，包括纤维素、半纤维素、果胶及其它单体成分等[2]。按照其在水中的溶解性，可将膳食纤维分为可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）两大类。可溶性膳食纤维主要包括细胞壁内的储存物质和分泌物及合成类多糖等，不溶性膳食纤维主要是植物的细胞壁成分，包括木质素、纤维素和部分半纤维素等[3]。众多研究表明：膳食纤维具有增加饱腹感[4]、促排便[5]、调节肠道菌群动态平衡[6]等作用，可以起到减肥[7]、降血糖[8]、抗癌抗肿瘤[9]、降低胆固醇[10]等功效。马铃薯渣含纤维量较高，是廉价而安全的膳食纤维资源。本研究以马铃薯全粉加工副产物为原材料，采用超声波辅助酶、碱结合的方法提取马铃薯膳食纤维，进行有效成分的资源化利用，不仅有利于保护环境，更有利于提高马铃薯全粉加工的附加值。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

马铃薯全粉加工副产物（含薯皮薯渣）：张家口弘基农业科技开发有限责任公司；α-淀粉酶（酶活力≥600 000 U/g）、纤维素酶（酶活力≥10 000 U/g）、木聚糖酶（酶活力≥50 000 U/g）：北京索莱宝科技有限公司；氢氧化钠、盐酸：均为分析纯，上海沃凯生物技术有限公司。

1.1.2 仪器与设备

1114W50176S高速冷冻离心机：上海砾弞科学仪器有限公司；SK5200H超声波清洗器：广州科导仪器设备有限公司；H.SWX-600BS恒温水浴箱：常州朗博仪器制造有限公司；DHG-9143BS-Ⅲ电热恒温鼓风干燥箱：上海新苗医疗制造有限公司；LG1.0型真空冷冻干燥机：沈阳航天新阳速冻设备制造有限公司；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵：上海天星科学仪器有限公司；AR423CN电子天平：奥豪斯（上海）仪器有限公司。

1.2 试验方法

样品前处理：马铃薯全粉加工副产物（含薯皮薯渣）真空冷冻干燥→粉碎过筛（40目）。

工艺流程：称量→加水溶解→调pH6→煮沸3 min→加α-淀粉酶→超声（酶解）→灭酶→离心→弃去上清液→沉淀加NaOH碱解→离心分离滤液滤渣。

滤渣：蒸馏水洗涤至中性→干燥→不溶性膳食纤维（IDF）。

滤液：3%HCl洗涤至中性→离心→吸取上清液用3倍体积乙醇醇沉1 h→干燥→可溶性膳食纤维（SDF）。

总马铃薯膳食纤维（totaldietaryfiber，TDF）=不溶性膳食纤维（IDF）+可溶性膳食纤维（SDF）。

1.2.2.1 单因素试验

1）在固定超声温度50℃，α-淀粉酶添加量1.5%，酶解时间30 min，NaOH浓度3%，碱解时间30 min的条件下，选择不同超声波功率150、180、210、240、270 W进行试验，根据总马铃薯膳食纤维提取率确定超声波功率。

2）在固定超声功率300W，α-淀粉酶添加量1.5%，酶解时间30 min，NaOH浓度3%，碱解时间30 min的条件下，选择不同超声温度 40、50、60、70、80 ℃进行试验，根据总马铃薯膳食纤维提取率确定超声温度。

3）在固定超声波功率300 W，超声温度50℃，酶解时间30 min，NaOH浓度3%，碱解时间30 min的条件下，选择不同α-淀粉酶添加量0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%进行试验，根据总马铃薯膳食纤维提取率确定α-淀粉酶添加量。

4）在固定超声波功率300 W，超声温度50℃、α-淀粉酶添加量1.5%，NaOH浓度3%，碱解时间30 min的条件下，选择不同酶解时间 10、20、30、40、50 min 进行试验，根据总马铃薯膳食纤维提取率确定酶解时间。

5）在固定超声波功率300 W，超声温度50℃，α-淀粉酶添加量1.5%，酶解时间30 min，碱解时间30 min的条件下，选择不同NaOH浓度2%、3%、4%、5%、6%进行试验，根据总马铃薯膳食纤维提取率确定NaOH浓度。

6）在固定超声波功率300 W，超声温度50℃，α-淀粉酶添加量1.5%，酶解时间30 min，NaOH浓度3%的条件下，选择不同碱解时间 10、20、30、40、50 min进行试验，根据总马铃薯膳食纤维提取率确定碱解时间。

1.2.2.2 响应面试验

根据单因素试验结果，选取影响显著的试验因子及其较优水平进行响应面优化试验。试验的设计方案如表1所示。

1.2.2.3 理化特性测定

持水力测定参考易甜等[11]的方法，略作修改，准确称取0.4 g样品于离心管中，加蒸馏水至40 mL，振荡24 h，4 000 r/min离心30 min，弃去上清液，使离心管壁干燥，称重并计算持水力。

式中：m0为离心前离心管与样品的质量，g；M为离心后离心管与沉淀物的质量，g；m为样品质量，g。

溶胀力测定参考易甜等[11]的方法，略作修改，准确称取1.0 g样品于有刻度的试管中，读取体积，加10 mL蒸馏水，摇匀后静置24 h，读取膨胀的体积并计算溶胀力。

式中：m0为样品质量，g；V0为样品体积，mL；V1为膨胀后体积，mL。

持油力测定参考Robertson等[12]的方法，略作修改，准确称取0.5 g样品于离心管中，称重，加30 mL植物油，振荡混合10 min，4 000 r/min离心30 min，弃去上清液，擦干管壁附着的油，称重并计算持油力。

式中：m0为离心前离心管与样品质量，g；m1为离心后离心管与沉淀物质量，g；m为样品质量，g。

1.2.2.4 膳食纤维功能特性的测定

阳离子交换能力参考陆红佳等[13]的方法。葡萄糖吸附能力参考周笑犁等[14]的方法。亚硝酸根离子吸附能力参考杨晓宽等[15]的方法，依据标准曲线，计算膳食纤维对亚硝酸根离子的吸附能力。胆固醇吸附能力参考高荫榆等[16]的方法，依据标准曲线，计算不同pH值下膳食纤维对胆固醇的吸附性。

1.3 数据处理

试验重复3次，测定平均值，试验数据采用SPSS 23.0软件进行Duncan多重比较分析，不同小写字母表示在P＜0.05水平上差异显著，图表用origin 8.1绘制。

2 结果与分析

2.1 提取工艺优化

2.1.1 单因素试验结果

2.1.1.1 超声波功率对总马铃薯膳食纤维提取率的影响超声波功率对总马铃薯膳食纤维提取率的影响见图1。

由图1可以看出，随着超声波功率的增大，总马铃薯膳食纤维提取率呈现先上升后下降并趋于平缓的趋势，这可能是由于超声波的机械作用和空化效应，使细胞破裂，粒子运动加快，使酶易于与蛋白质网络包裹的淀粉接触，使淀粉水解更加完全[17]。当超声波功率达到180 W时，总马铃薯膳食纤维提取率达到最大值，当功率超过180 W时，提取率下降，可能是由于过高的提取功率会使目标物质分解，造成提取率的降低。因此，从能耗及提取率变化方面考虑，确定超声波的最佳功率为180 W。

2.1.1.2 超声温度对总马铃薯膳食纤维提取率的影响

超声温度对总马铃薯膳食纤维提取率的影响见图2。

从图2可以看出，随着超声温度的升高，总马铃薯膳食纤维提取率呈现先上升后下降的趋势，这可能是由于超声的温度与酶的活性相关，在一定温度范围内，α-淀粉酶的活性随温度的升高而增加，提取率也随之上升，当提取温度超过60℃后，随着温度的升高，易导致酶的活性降低，且较高的温度也可能引起纤维物质的降解，影响总马铃薯膳食纤维提取率。因此，提取总马铃薯膳食纤维的最适超声温度为50℃。

2.1.1.3 α-淀粉酶添加量对总马铃薯膳食纤维提取率的影响

α-淀粉酶添加量对总马铃薯膳食纤维提取率的影响见图3。

从图3可以看出，随着α-淀粉酶添加量的增加，总马铃薯膳食纤维提取率呈现先上升后下降的趋势，这可能是由于随着α-淀粉酶添加量的增加，淀粉被充分酶解，提高了总马铃薯膳食纤维提取率，当α-淀粉酶添加量为1.5%时，总马铃薯膳食纤维含量达到最高，淀粉水解率也达到最大值，当α-淀粉酶添加量超过1.5%时趋于平缓下降，说明底物被酶饱和。因此，提取总马铃薯膳食纤维的α-淀粉酶添加量为1.5%。

2.1.1.4 酶解时间对总马铃薯膳食纤维提取率的影响

酶解时间对总马铃薯膳食纤维提取率的影响见图4。

从图4可以看出，随着酶解时间的增加，总马铃薯膳食纤维提取率呈现先上升后下降的趋势，这可能是由于在超声波的剪切振动作用下，粒子运动加速，暴露出更多的酶活性基团，随着酶解时间的增加，提取率提高，继续延长酶解时间，半纤维素等活性物质发生降解使提取率降低。因此，提取总马铃薯膳食纤维适宜的酶解时间为30 min。

2.1.1.5 NaOH浓度对总马铃薯膳食纤维提取率的影响

NaOH浓度对总马铃薯膳食纤维提取率的影响见图5。

从图5可以看出，随着NaOH浓度的增加，总马铃薯膳食纤维提取率呈现先上升后下降的趋势。这可能是由于随着氢氧化钠溶液浓度的增加，蛋白质水解率逐渐提高，其中的半纤维素溶出，使半纤维素与纤维素分离的较彻底，使得膳食纤维提取率增加，而氢氧化钠溶液浓度过高时，会破坏部分纤维素，从而降低膳食纤维含量[18]。因此，提取总马铃薯膳食纤维适宜的NaOH浓度为4%。

2.1.1.6 碱解时间对总马铃薯膳食纤维提取率的影响

碱解时间对总马铃薯膳食纤维提取率的影响见图6。

从图6可以看出，随着碱解时间的增加，总马铃薯膳食纤维提取率呈现先上升后下降的趋势。这可能是由于碱解时间过短时，蛋白质水解不完全，而碱解时间过长，纤维软化，容易造成纤维素发生水解，导致膳食纤维总体含量降低[19]。因此，提取总马铃薯膳食纤维适宜的碱解时间为20 min。

2.1.2 响应面试验结果

2.1.2.1 马铃薯膳食纤维提取的响应面试验结果分析

采用Box-Behnken原理设计以α-淀粉酶添加量、酶解时间、NaOH浓度和碱解时间为自变量的四因素三水平共29个试验点的试验，以总马铃薯膳食纤维提取率为响应值，试验的设计方案和结果如表2所示。对回归模型进行方差分析，结果如表3所示。

模型因子为P＜0.000 1，表明该回归模型因子有极显著差异（P＜0.01）；且失拟项P=0.412 9差异不显著，表明该模型稳定，残差由随机误差引起，这个模型能够很好地预测不同工艺条件对总马铃薯膳食纤维提取率的影响。由F值大小可知，影响总马铃薯膳食纤维提取率的主要因素主次顺序为C＞D＞A＞B，即NaOH浓度＞碱解时间＞酶添加量＞酶解时间。

2.1.2.2 响应面模型方程的建立

对试验数据进行多项拟合回归，得到二次多项式回归模型，以总马铃薯膳食纤维提取率（Y）为因变量，α-淀粉酶添加量（A）、酶解时间（B）、NaOH 浓度（C）、碱解时间（D）为自变量，建立的二次回归模型，方程为Y=61.41+1.60A-0.13B-4.69C-1.99D+0.88AB-2.42AC+0.66AD-0.28BC-0.20BD+0.97CD-1.96A2-1.15B2-2.40C2-2.41D2。

2.1.2.3 响应面试验结果分析

根据回归分析结果，利用Design-Expert8.1.0软件对表2中的数据进行二次多元回归拟合，得到总马铃薯膳食纤维提取率的三维响应面，如图7所示。

由图7三维响应曲面图可知4个因素变量对总马铃薯膳食纤维提取率的影响，响应曲面的坡度缓陡说明相应条件的改变对响应值影响的高低，倘若坡度越陡峻，则说明响应值对于操作条件的改变越灵敏[20]。

由二次多项式回归模型和响应面分析结果可知：该组回归模型存在稳定点（即响应值综合最高点）为在超声波功率为180 W、超声温度为50℃时，添加2%的α-淀粉酶、酶解时间35.17 min、NaOH浓度3%、碱解时间为14.03 min时达到总马铃薯膳食纤维提取率的最大值66.71%。

2.1.2.4 回归模型的验证

为便于试验操作，在α-淀粉酶添加量为2.0%、酶解时间35 min、NaOH浓度3.0%、碱解时间14 min的条件下，进行3组重复验证试验，所得膳食纤维提取率为（66.56±0.029）%、而理论预测值为66.71%，与预测值基本一致。说明该回归模型可以较真实地反应各因素对响应值的影响，用该模型可以可靠地预测马铃薯全粉加工副产物中总膳食纤维的提取率。

2.2 马铃薯膳食纤维的品质特性试验

2.2.1 马铃薯膳食纤维理化特性

马铃薯膳食纤维理化特性见图8。

由图8可知，不溶性膳食纤维（IDF）的持水力7.39 g/g、持油力1.46 g/g及膨胀力7.25 mL/g，均明显高于可溶性膳食纤维（SDF）；可溶性膳食纤维的持水力、持油力及膨胀力明显低于不溶性膳食纤维和总马铃薯膳食纤维（TDF），总马铃薯膳食纤维的持水力达9.02g/g，显著高于不溶性膳食纤维和可溶性膳食纤维。

2.2.2 马铃薯膳食纤维功能特性

马铃薯膳食纤维功能特性见表4。

由表4可知，总马铃薯膳食纤维的葡萄糖吸附能力为137.2 mg/g、阳离子交换能力为0.72 mmol/kg、亚硝酸根离子清除能力为7.31 mg/g、胆固醇吸附能力在pH2时为 9.54 mg/g、pH7时为 16.82 mg/g，均显著高于不溶性膳食纤维以及可溶性膳食纤维，其中由胆固醇吸附能力在pH2以及pH7的值不同，可知膳食纤维对胆固醇的吸附作用主要发生在小肠中，在胃中的吸附能力较差。

3 结论

采用响应面优化超声波辅助酶碱结合法提取马铃薯全粉加工副产物中膳食纤维，结果表明：总马铃薯膳食纤维提取的最佳工艺为超声波功率180W、超声温度50℃、α-淀粉酶添加量2%、酶解时间35 min、NaOH浓度3%、碱解时间14 min时，此时膳食纤维提取率为66.56%。

经试验测定：不溶性、可溶性、总马铃薯膳食纤维的持水力分别为7.39、2.52、9.02 g/g，膨胀力分别为7.25、0.75、3.5 mL/g、持油力分别为 1.46、1.02、1.3 g/g。总膳食纤维的阳离子交换能力0.72 mmol/kg、葡萄糖吸附能力137.2 mg/g，亚硝酸根离子吸附能力7.31 mg/g，胆固醇吸附能力在pH2时为9.54 mg/g，在pH7时为16.82 mg/g，均显著高于其不溶性膳食纤维和可溶性膳食纤维，具有良好的功能特性，适用于后期在食品加工中的应用。

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