马铃薯渣膳食纤维物化特性的研究

摘要：以马铃薯渣为原料，采用酶法制备马铃薯渣膳食纤维，以马铃薯渣为对照，分析了pH、NaCl浓度和温度变化对马铃薯渣膳食纤维持水性、持油性、吸水膨胀性和黏度等物化特性的影响。结果表明，在相同条件下，马铃薯渣膳食纤维持水性、持油性和吸水膨胀性明显高于马铃薯渣，而黏度低于马铃薯渣，随着pH的升高，膳食纤维持水性降低、吸水膨胀性升高、黏度呈“Z”字型变化；随着NaCl质量分数的升高，膳食纤维持水性降低、吸水膨胀性先上升后降低、黏度升高；随着温度的升高，膳食纤维持水性、持油性、吸水膨胀性和黏度均呈上升趋势。

关键词：马铃薯渣；膳食纤维；物化特性

中图分类号：TS210.9 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）19-4666-04

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2014.19.042

Physical-Chemical Properties of Dietary Fiber from Potato Residues

MEI Xin， CHEN Xue-ling， GUAN Jian， SHI Jian-bin， HE Jian-jun

（Institute of Agro-Products Processing and Nuclear-Agricultural Technolgoy， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan 430064， China）

Abstract： Potato dietary fiber（DF） was isolated from potato residues by enzymatic method. The effects of variation of pH value， NaCl concentration and temperature on water holding capacity （WHC）， oil holding capacity （OHC）， swelling capacity （SWC） and viscosity of potato DF were investigated. The results showed that potato DF was obviously higher than potato residues in WHC， OHC and SWC， but lower in viscosity. With the increase of pH value， the WHC of DF decreased and SWC increased. Viscosity exhibited the variation trend of shape of“Z” letter. With the increase of NaCl concentration， the WHC of DF decreased， SWC increased firstly and then decreased， viscosity increased. With the increase of temperature， the WHC， OHC， SWC and viscosity had the increasing trend.

Key words： potato residues；dietary fiber；physico-chemical properties

我国是世界上最大的马铃薯生产国和消费国，据世界粮农组织（FAO）统计，2012年世界马铃薯种植面积为1.92×107 hm2，产量3.65×108 t，其中我国马铃薯种植面积和产量分别为5.43×106 hm2，8.59×107 t，分别占世界马铃薯种植面积和产量的28.28%和23.53%。2009―2011年统计数据表明，我国马铃薯总产量61%用于鲜食，16%左右用于淀粉、淀粉类产品、薯片和薯条等加工，12%左右用于种薯，此外，贮藏、浪费等损失大概10%以上，出口约占0.4%。

据不完全统计，我国马铃薯淀粉年加工量在5×105 t左右。加工企业大部分规模小，技术装备水平较差，产品附加值低，废渣废液污染严重等问题制约了马铃薯淀粉加工产业的发展。马铃薯渣是马铃薯淀粉生产过程中的副产物，生产1 t马铃薯淀粉约产生2～3 t薯渣，薯渣含水量约80%以上，干物质主要成分为膳食纤维（Dietary fiber，DF）、残余淀粉，因其蛋白含量低，粗纤维含量高，作为饲料使用营养价值低。此外，马铃薯淀粉受原料供应影响，生产季节集中，通常情况下，废渣被作为废弃物丢弃，既污染环境，又浪费了废渣中的DF和淀粉资源。

Hipsley于1953年首次提出DF概念，将不能被人体肠道消化吸收的植物细胞壁组成部分定义为DF，其中包括纤维素、半纤维素和木质素等[1]。目前，研究表明DF中还包括寡聚糖、果胶、树胶及蜡质等物质[2]。膳食纤维在保障人体健康方面扮演着重要角色，很多疾病如便秘、肥胖、心血管系统疾病等都与DF摄入量不足有关[3]。

马铃薯渣DF主要由纤维素、半纤维素、木质素和果胶等物质组成[4]。在前人报道中，对马铃薯DF研究主要集中于DF的制备[5-7]，改性提高可溶性DF得率[8，9]，马铃薯DF结构特征[10，11]、持水性（Water holding capacity，WHC）、持油性（Oil holding capacity，OHC）、吸水膨胀性（Swelling capacity，SWC）等物化特性分析[4，5，9，11]和吸附胆固醇能力[12]等方面，并探讨了粒度对马铃薯DF物化特性的影响[13]，而有关食品体系中外在条件（pH、温度及盐离子浓度）对马铃薯DF物化特性的影响报道较少。本研究以酶解法制备马铃薯渣DF为原料，围绕pH、温度、NaCl浓度等外在条件对马铃薯渣DF物化特性的影响进行探讨，以期为马铃薯渣DF在食品体系中广泛应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜马铃薯购自超市，洗净晾干后4 ℃下贮藏备用。

1.2 方法

1.2.1 马铃薯渣中膳食纤维的提取 将马铃薯打浆，分离淀粉后的残渣，自来水冲洗3～5次，60 ℃下烘干，粉碎后过100目筛备用。取干燥后马铃薯渣按料液比1∶10（m/V），加水悬浮，100 ℃下糊化10 min，冷却至室温，调节pH至5，加入α-淀粉酶，60 ℃下酶解30 min，100 ℃下灭酶，酶解液4 500 r/min离心30 min，弃上清，沉淀加水至原体积，调节pH至4.5，加入糖化酶60 ℃下酶解30 min，100 ℃下灭活，酶解液4 500 r/min离心30 min，去上清液收集沉淀，60 ℃下干燥得到马铃薯渣DF，DF粉碎过100目筛备用。α-淀粉酶和糖化酶质量分数均为1.0%（m/V），酶液用量为每克薯渣0.5 mL。

1.2.2 膳食纤维基本成分分析 采用国标中规定的方法分析马铃薯渣和马铃薯渣DF中的水分（GB/T 5009.3―2003）、灰分（GB/T 5009.4―2003）、蛋白质（GB/T 5009.5―2003）、脂肪（GB/T 5009.6―2003）、淀粉（GB/T 5009.9―2003）、DF（GB/T 22224―2008）含量。

1.2.3 膳食纤维物化特性分析

1）持水性（WHC）的测定。持水性测定参照Lecumberri等[14]的方法，取一定量样品（g）记为W1，按1∶100（m/V）比例加入NaCl溶液，充分混匀，调节pH，一定温度下放置1 h，后于3 000 r/min下离心15 min，弃上清液，记录沉淀重量为W2（g），WHC的计算公式为：

WHC（g/g）=（W2-W1）/W1

2）吸水膨胀性（SWC）的测定。吸水膨胀性测定参照Lecumberri等[14]的方法，取一定量样品（g）记为W3，置于带刻度的试管中，记录样品体积为V1，按1∶50（m/V）加入NaCl溶液，调节pH，充分混匀，于一定温度下放置18 h，记录样品体积为V2，SWC计算的公式为：

SWC=（V2-V1）/W3

采用单因素试验分别探讨pH（2、3、4、5、6、7、8、9、10、11）、NaCl质量分数（0、1%、3%、5%、7%、10%）、温度（20、30、40、50、60、70、80、90、100 ℃）对样品WHC和SWC的影响。在探讨某一单因素时，pH、NaCl质量分数和温度分别定为7.0、0和30 ℃。

3）持油性（OHC）的测定。持油性测定参照Elleuch等[15]的方法，取一定量样品（g）即为W4，按1∶100（m/V）比例加入玉米油，充分混匀，置于一定温度下（20、30、40、50、60、70、80、90、100 ℃）放置1 h，后于1 500 r/min下离心30 min，记录沉淀重量为W5（g），OHC的计算公式为：

OHC（g/g）=（W4-W5）/W4

4）黏度的测定。取一定量样品按1∶100（m/V）加入NaCl溶液，调节pH，1 000 r/min均质1 min，一定温度下保温30 min，测定溶液表观黏度。黏度计转子转速300 r/min。

采用单因素试验分别考察pH（2、3、4、5、6、7、8、9、10、11）、NaCl质量分数（0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%）、温度（20、40、60、80、100 ℃）对样品黏度的影响，在探讨某一单因素时，pH、NaCl质量分数和温度分别定为7.0、0和30 ℃。

各处理均以马铃薯渣为对照。

1.3 数据分析

所有试验均重复3次，试验数据用平均值±标准差表示，用DPS 7.55统计软件进行方差分析，用Duncan′s新复极差法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 马铃薯渣和马铃薯膳食纤维基本成分的比较

从表1结果看出，马铃薯渣主要由淀粉和DF组成，其含量分别为49.94%和31.83%，其次为蛋白质4.02%，脂肪含量较少，仅为0.42%。酶解法制备马铃薯渣DF中淀粉含量仅为3.01%，DF含量高达80.17%，这高于吴海燕等[7]同样采用酶法制备的马铃薯DF含量75.58%，略低于酶法制备的甘薯DF含量81.43%[16]。

2.2 不同因素对马铃薯渣膳食纤维持水性的影响

马铃薯渣DF的WHC随pH、NaCl质量分数以及温度的变化情况如图1所示。结果表明，随着pH的升高，薯渣WHC呈“M”型变化趋势，pH为9时WHC最大，达到4.89 g/g，而pH为11时最小，仅为4.04 g/g；随着pH的升高，DF的WHC呈下降趋势，pH为2.0时，WHC最大达到8.59 g/g，酸性条件下，不同pH下薯渣DF的WHC无显著差异。

随着NaCl质量分数的增大，薯渣和DF的WHC变化趋势不同，NaCl质量分数为5.0%时，薯渣的WHC最大为5.84%，而NaCl质量分数为0时，DF的WHC最大达到8.30%。在相同pH和NaCl质量分数下，DF的WHC明显高于薯渣。随着温度的升高，薯渣和DF的WHC均明显升高，当温度高于60 ℃时，薯渣WHC急剧增大，这是由于薯渣中淀粉糊化所致，温度高于80 ℃时，薯渣的WHC高于DF的WHC，100 ℃下薯渣和DF的WHC分别为14.70、11.64 g/g。

2.3 温度对马铃薯渣膳食纤维持油性的影响

温度对马铃薯渣DF的OHC影响如图2所示，结果表明随着温度的升高，薯渣和DF的OHC均呈明显的上升趋势，相同温度条件下，DF的OHC明显高于薯渣的OHC。温度从60 ℃上升到90 ℃的过程中，不同温度下薯渣的OHC无显著差异；而温度从30 ℃上升到90 ℃的过程中，不同温度下DF的OHC无显著差异。20 ℃下薯渣和DF的OHC分别为1.03、1.52 g/g，100 ℃下薯渣和DF的OHC分别为1.95、2.81 g/g。

2.4 不同因素对马铃薯渣吸水膨胀性的影响

马铃薯渣DF的SWC随pH、NaCl质量分数以及温度的变化情况如图3所示，结果表明，随着pH的升高，薯渣和DF的SWC变化趋势相同，均呈先上升后下降的变化趋势；pH为5时，薯渣SWC最大为2.83 mL/g，而DF的SWC达到最大（8.07 mL/g）时pH为6。随着NaCl质量分数的增大，薯渣和DF的SWC均呈先上升后下降的变化趋势，且不同NaCl质量分数下的SWC存在显著差异，NaCl质量分数为1.0%和3.0%时，DF和薯渣的SWC先后出现最大值8.10 mL/g和3.33 mL/g。随着温度的升高，薯渣和DF的SWC呈明显的上升趋势，这与薯渣和DF中淀粉糊化有关，薯渣中淀粉含量高，SWC上升幅度大，100 ℃时薯渣和DF的SWC分别为7.07、8.20 mL/g。相同pH、NaCl质量分数以及温度条件下，DF的SWC明显高于薯渣的SWC。

2.5 不同因素对马铃薯渣膳食纤维黏度的影响

不同pH、NaCl质量分数以及温度对马铃薯渣DF黏度的影响如图4所示，结果表明，随着pH的升高，薯渣黏度先上升后下降，但不同pH下黏度无显著差异；而DF黏度则呈“Z”字型变化趋势，pH 3和9时分别出现最大值（2.80 mPa.s）和最小值（1.80 mPa.s），在pH从3到9变化范围内，各pH下DF的黏度值无显著差异。随着NaCl质量分数的增大，薯渣和DF的黏度上升，其上升幅度分别为0.60 mPa.s和1.20 mPa.s；NaCl质量分数3.0%时，薯渣和DF黏度值均最大，分别为2.90 mPa.s和2.80 mPa.s。随着温度的升高，薯渣和DF黏度上升，20 ℃时，两者黏度相同均为2.50 mPa.s，而100 ℃时，薯渣黏度达到5.70 mPa.s，DF粘黏仅上升到3.00 mPa.s。相同NaCl质量分数、温度以及pH介于4.0至10.0之间时，薯渣黏度明显高于DF黏度。

3 结论

马铃薯渣是马铃薯淀粉及淀粉制品生产过程中的副产物，以马铃薯渣作为原料生产DF具有来源广泛、附加值高、生产成本低等优点。目前，DF已经作为食品原料或辅料用于焙烤食品、主食食品、膨化食品、乳制品、肉制品、饮料、保健品等[17，18]中。膳食纤维作为食品成分具有很多优点，可影响产品颜色、风味、持油性和持水性，可作为稳定剂，对食品结构、凝胶和粗度起改善作用，可作为增稠剂，控制糖的结晶，且对产品货架期有一定的提高[19]。

膳食纤维作为食品体系的一部分，其持水性、持油性、吸水膨胀性等物化特性可受到食品加工和生产过程中pH、NaCl质量分数和温度等的影响，进而影响产品质构、品质。本研究结果表明，在酸性条件下，马铃薯渣DF的WHC、SWC和黏度较高，pH为2、6和3时，对应的马铃薯渣DF的WHC、SWC和黏度达到最大，分别为8.59 g/g、8.07 mL/g、2.80 mPa.s；NaCl质量分数为0、1.0%和3.0%时，对应的马铃薯渣DF的WHC、SWC和黏度达到最大，分别为8.30 g/g、8.10 mL/g、2.80 mPa.s；随着温度的升高，马铃薯渣DF的WHC、OHC、SWC和黏度均明显上升，100 ℃下，马铃薯渣DF的WHC、OHC、SWC和黏度分别为11.64 g/g、2.81 g/g、8.20 mL/g、3.00 mPa.s。

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