纤维素酶水解蓝莓果渣工艺条件的研究

纤维素酶水解蓝莓果渣工艺条件的研究
程旺开;彭常安;杨靖东;汤强;洪伟
【摘要】采用纤维素酶对蓝莓果渣进行糖化水解,以增加料液中还原糖和花青素的含量,进而提高原料的利用率.试验研究了酶添加量、酶解初始pH、酶解温度及时间4个因素对水解效果的影响,先后采用单因素试验和正交设计试验对水解工艺条件进行优化,并经验证得出最佳工艺条件为:纤维素酶添加量40FPU/g果渣、初始pH4.8、酶解温度50℃、酶解时间持续24h,此条件下蓝莓果渣酶解液中的还原糖含量达14.21 g/L,花青素浓度为0.35g/L.
【期刊名称】《安徽科技学院学报》
【年(卷),期】2013(027)002
【总页数】5页(P34-38)
【关键词】蓝莓果渣;纤维素酶;酶解;工艺条件
【作者】程旺开;彭常安;杨靖东;汤强;洪伟
【作者单位】芜湖职业技术学院,安徽芜湖241000;芜湖职业技术学院,安徽芜湖241000;芜湖职业技术学院,安徽芜湖241000;芜湖职业技术学院,安徽芜湖241000;芜湖职业技术学院,安徽芜湖241000
【正文语种】中文
【中图分类】TS201.1
蓝莓（Blueberry），学名越桔，为杜鹃花科（Ericaceae）越桔属（Vaccinium
spp.），多年生落叶或常绿果树，呈灌木［1］。

蓝莓原产北美洲，是地球上少有的真正蓝色食物之一。

蓝莓果实集营养保健于一身，果皮中富含的活性物质花青素，具有很强的增强心脑血功能、抗氧化、抗肿瘤和保护视力等作用［2－3］。

如经
常饮用蓝莓制成的果酒，还可以抵抗泌尿系统感染、心脏疾病，并能延缓衰老［4］，FAO将蓝莓列为世界五大健康食品之一，誉其为“黄金浆果”。

目前，以蓝莓果实为原料相继生产出果酒、果汁，以及蓝莓粉、果冻、果酱等产品［5］，满足了不同消费者的需求。

但是，在蓝莓的果酒加工生产过程中会产生大量蓝莓果渣，还没得到充分合理有效的利用，关于这方面研究也较少［6－7］。

蓝莓果渣富含木质纤维素，且木质纤维素内包围着果品中大约40%的花青素［8］，可通过添加纤维素酶，破坏细胞壁，将大量的花青素溶解出来［9］。

本文以蓝莓果酒酿造的下脚料果渣为原料，采用纤维素酶对果渣进行酶解，在获得还原糖的同时，还能溶出部分花青素，获得的酶解液可添加到果汁中进行发酵，提高发酵原料利用率，为蓝莓果酒酿造中资源的充分利用提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 材料与仪器
蓝莓果渣:本实验室蓝莓果酒酿造所剩果渣;纤维素酶:无锡酶制剂厂;3，5－二硝基
水杨酸、NaOH、HCl等:国产分析纯。

TU－1800PC型紫外可见分光光度计:北京普析通用仪器有限公司;JXL－011电热
恒温鼓风干燥箱:金坛市金祥龙电子有限公司;PTX－JA510电子天平:广州市晶博电子有限公司;DG120中草药粉碎机:浙江省瑞安市春海药材器械厂;HHS型恒温水浴锅上海博迅实业有限公司。

1.2 方法
1.2.1 蓝莓果渣粉的制备蓝莓果渣经60℃真空干燥至恒重，置于粉碎机中粉碎后，过40目筛获得干燥粉末，备用。

1.2.2 酶解料液比的确定取渣粉10g，置于250 mL三角瓶中，加pH 4.8的水调成不同的料液比（1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25），再加纤维素酶
（20FPU/g 果渣），置于50℃、150r/min 的振荡培养箱中酶解 24h，酶解结束后离心（3500r/min、5min），分离上清液测酶解液中还原糖和花青素含量。

1.2.3 果渣酶解单因素试验取蓝莓渣粉 10 g，置于 250 mL 三角瓶中，加入不同pH（4.0、4.4、4.8、5.2、5.6、6.0）的水溶液配制成1∶10 的料液比，再添加
不同质量的纤维素酶（10、20、30、40、50FPU/g 果渣），置于振荡培养箱中
在不同的温度（40、45、50、55、60、65℃）下恒温酶解一定时间（6、12、18、24、30h），酶解结束后离心（3500r/min、5min），分离上清液测还原糖和花
青素含量。

1.2.4 果渣酶解工艺的优化根据单因素试验确定的酶解工艺参数范围，采取正交设计进一步研究酶解时间、酶量、酶解温度及酶解pH对蓝莓果渣酶解效果的影响。

因素水平设计见表1。

表1 正交设计因素与水平考察表Table 1 The orthogonal design factors and level of inspection table水平（A）时间（h）（B）酶量（FPU/g果渣）（C）温度（℃）（D）pH 118 20 45 4.4224 30 50 4.830 40 55 5.23
1.3 测定分析
1.3.1 还原糖浓度测定［10］采用3，5－二硝基水杨酸法（DNS法）。

1.3.2 酶活定义纤维素酶活力单位FPU的定义:酶于50℃ pH4.8条件下，每min
水解0.5g滤纸生成1μmol葡萄糖所需的酶量定义为一个纤维素滤纸酶活单位FPU。

1.3.3 花青素含量测定［11］酶解液经离心后定容，取酶解液1 mL，分别加入
pH1.0和pH 4.5缓冲体系，定容至10 mL，分别于530和700 nm测定吸光度A，酶解液中花青素含量按下式计算（结果以矢车菊－3－葡萄糖苷计）:
式中:A=（A510 nm－A700nm）pH1.0－（A510nm－A700nm）pH4.5;MW 为矢车菊3－葡萄糖苷的相对分子质量449.2;DF为稀释倍数10;ε为矢车菊3－葡萄糖苷的摩尔消光系数29600;1为比色皿的光程长度。

2 结果与分析
2.1 果渣酶解料液比的确定
取果渣粉10g，加入20FPU/g果渣的纤维素酶，置于50℃、150r/min的振荡培养箱中酶解24h，考察不同的料水比对花青素溶出量和酶解液中还原糖浓度的影响，试验结果见图1。

由图1可以看出，在酶解液中还原糖浓度和花青素浓度曲线变化趋势相似，均随着液料比的增大而提高。

在实际生产中，为能获得较高浓度的还原糖量以利于后续发酵，同时又有一定浓度的花青素，合适的料液比应选择为1∶10。

2.2 单因素对果渣酶解效果的影响
2.2.1 时间对果渣酶解效果的影响在料液比为1∶10、pH 4.8和温度为50℃的条件下，添加20FPU/g果渣的纤维素酶进行果渣的水解，考察不同的酶解时间对果渣酶解效果的影响，试验结果如图2所示。

在酶解前6h，还原糖浓度和花青素浓度增加较快，而后随着酶解时间的延长，酶解液中花青素浓度几乎不再增长，还原糖浓度的增长速度也放缓，当酶解时间达24h后，还原糖浓度增长速度几乎不明显，因此合适的酶解时间为24h。

图1 料液比对果渣酶解的影响Fig.1 Effect of solid to liqiud ratio on enzymolysis of blueberry pomace
图2 酶解时间对果渣酶解的影响Fig.2 Effect of hydrolysis time on enzymolysis of blueberry pomace
2.2.2 酶添加量对果渣酶解效果的影响在料液比为1∶10、pH 4.8和温度为50℃
的条件下酶解24h，考察不同的纤维素酶添加量对酶解液糖浓度和花青素浓度的
影响，结果如图3所示。

从还原糖浓度曲线看，随着纤维素酶量的增加，溶液中
还原糖浓度提高，纤维素降解程度加大，当纤维素酶量增加到30FUP/g果渣后，还原糖浓度增速放缓;从花青素浓度变化曲线看，在酶量不足时，底物相对过量，
酶解不充分，花青素溶出较少，当酶量达到一定量时（20FUP/g果渣），花青素
溶出量达最大值，如果再继续增加酶量，对花青素的溶出没多大影响。

因此，酶量选择为30FUP/g果渣。

结合图2和图3中糖浓度和花青素浓度的变化曲线可以看出，在果渣酶解较好的
条件下，花青素溶出也较好，这表明纤维素酶在降解木质纤维素的同时，破坏了细胞的结构，促进花青素的溶出，以下将以还原糖浓度为目标考察酶解过程中温度、pH对果渣降解的影响。

2.2.3 温度对果渣酶解效果的影响纤维素酶添加量为30FUP/g果渣，在料液比为1:10、pH 4.8的情况下进行不同温度的酶解试验，试验结果如图4。

从图4可以
看出，当纤维素酶水解温度小于50℃时，随着水解温度的升高，酶解液中还原糖
浓度逐渐增大。

当温度超过50℃，酶解液中还原糖含量开始降低，这是因为高温
影响化学键的稳定，酶结构可能发生改变，使纤维酶的活性部分丧失，因此纤维素酶的反应最适温度为50℃。

图3 纤维素酶添加量对果渣酶解的影响Fig.3 Effect of enzyme addition on enzymolysis of blueberry pomace
图4 酶解温度对果渣酶解的影响Fig.4 Effect of hydrolysis temperature on enzymolysis of blueberry pomace
2.2.4 pH对果渣酶解效果的影响在料液比为1∶10、酶解温度50℃，纤维素酶
30FUP/g果渣的条件下，考察酶解液中初始pH对酶解的影响，试验结果见图5。

不同的pH对酶解效果影响较大，随着pH的提高，还原糖浓度逐渐增大，达到最
高值后逐渐降低。

当pH低于4.4或高于5.2，酶解效率均下降得很快。

为维持纤
维素酶良好的酶解效果，酶解环境pH为4.8较好。

2.3 果渣酶解工艺的优化
在单因素试验的基础上，按照尽量减少试验次数和寻求设计最优的原则，选择酶解时间（A）、酶量（B）、酶解温度（C）、酶解初始pH（D）进行条件优化，采
用L9（34）正交表，以确定最佳的工艺条件，结果见表2。

图5 pH对果渣酶解的影响Fig.5 Effect of pH on enzymolysis of blueberry pomace
表2 正交试验结果表Table 2 Orthogonal experimental results tables水平因
素A B C D还原糖浓度（g/L）1 1 1 1 1 11.842 1 2 2 2 13.323 1 3 3 3 13.124
2 1 2
3 12.565 2 3 2 1 12.736 2 3 1 2 13.897 3 1 3 2 11.188 3 2 1 3 12.029 3
3 2 1 12.43 K1 12.760 11.860 12.583 12.333 K2 13.060 12.690 12.770
12.797 K3 11.877 13.147 12.343 12.567 R 1.183 1.287 0.427 0.464
由表2极差分析结果可知，各因素对蓝莓果渣酶解的影响顺序为B＞A＞D＞C，
即加酶量＞酶解时间＞pH＞温度;因纤维素酶解时间K2最大，酶添加量K3最大，酶解温度K2最大，酶解初始pH的K2最大，故最佳纤维素酶水解条件为
A2B3C2D2，即在pH4.8的果渣液中加40 FPU/g果渣，于50℃的温度下酶解
24h。

以正交试验得出的最佳条件进行蓝莓果渣酶解验证试验，即pH4.8的果渣液中加40 FPU/g果渣，于50℃的温度下酶解24h，测得酶解液中还原糖含量为14.21
g/L，花青素浓度为0.35g/L。

3 结论
蓝莓果渣经纤维素酶水解，在获得还原糖的同时还促进了果渣中花青素的溶出，通过单因素试验和正交试验，最终确定蓝莓果渣的最佳水解条件为:纤维素酶添加量
40 FPU/g果渣、初始pH4.8、酶解温度50℃、酶解时间24h，此条件下蓝莓果
渣酶解液中的还原糖含量可达14.21 g/L，花青素浓度为0.35g/L。

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