酶法改性苹果渣：通过优化工艺提升膳食纤维功能特性与营养价值的新策略

本研究针对苹果渣中不溶性膳食纤维(IDF)含量高、功能特性受限的问题，通过响应面法优化碳水化合物酶复合物(Viscozyme?)处理工艺，成功将部分IDF转化为可溶性膳食纤维(SDF)，显著提高了可溶性尿苷酸(SUA)和可溶性中性糖(SNS)含量。该研究为果蔬加工副产物的高值化利用提供了绿色高效的解决方案，对开发新型功能性食品配料具有重要意义。

　　

在全球苹果年产量达5300万吨的背景下，约75%的苹果被鲜食，其余用于加工果汁、苹果酒和果酱等产品。苹果汁生产过程中产生的大量苹果渣(AP)通常被用作动物饲料、堆肥或直接丢弃。随着食品废弃物的不断增加和可持续加工需求的日益迫切，开发这些未充分利用副产物的增值利用方法变得至关重要。苹果渣富含膳食纤维(DF)和酚类化合物等促进健康的成分，但其中高度不溶性的特性限制了其在食品配方中的应用功能。

膳食纤维由寡糖、多糖和结合的非碳水化合物化合物组成，能够抵抗消化且不能被小肠吸收。适量摄入膳食纤维对促进胃肠道健康、支持有益肠道微生物群定植、增强营养吸收和降低疾病风险具有重要作用。根据溶解性，膳食纤维可分为水溶性膳食纤维(SDF)(如果胶)和水不溶性膳食纤维(IDF)(如半纤维素、纤维素和木质素)。果胶作为SDF的重要组成部分，在食品工业中被广泛用作增稠剂、乳化剂、稳定剂和脂肪替代品。研究表明，SDF consumption能够降低胆固醇水平，减少高血压、心血管问题、糖尿病、癌症等疾病风险，且比IDF具有更高的抗氧化活性、凝胶能力、粘度和发酵性。

尽管果蔬渣中的膳食纤维比传统谷物或豆类来源含有更高的SDF含量(6-28%)，但仍不足以提供作为食品配料所需的适当技术功能特性。研究表明，达到2:1的不溶性与可溶性膳食纤维比例是实现良好技术功能特性和可接受感官品质的必要条件。为此，研究人员提出了物理、化学或生物等多种策略来平衡这种比例。然而，化学方法导致SDF转化率低且可能引入有害化学品，而某些物理方法主要通过减小粒径而非增加SDF含量来改变DF的理化和技术特性。虽然一些物理方法可以改善DF的功能特性(如保水和保油能力)，但需要高能耗和昂贵设备，降低了成本效益。

为克服物理和化学改性方法的局限性，酶处理(ET)作为一种有前景的技术被提出，用于改性食品配料并通过改善其物理、化学和功能特性来生产高质量SDF。酶处理作为一种环境友好型技术，具有高特异性、高纯度化合物产率、高质量回收产物和易于失活等众多优势。使用碳水化合物酶(β-葡聚糖酶、木聚糖酶、纤维素酶、半纤维素酶)进行酶处理可以促进构成DF的不溶性多糖(如木质素、纤维素和半纤维素)的部分水解，通过破坏β-1,4糖苷键改变DF的分子结构并增强溶解性。这导致更多氢键和偶极形式的出现，从而改变DF的功能和结构特性。

食品级多酶复合物由各种碳水化合物酶(纤维素酶、半纤维素酶和木聚糖酶)组成，常用于工业规模的果胶提取和果汁澄清。最近的研究报道，用纤维素酶进行酶处理后，米糠DF的技术功能和生理特性得到改善。此外，研究人员通过结合纤维素酶和木聚糖酶的酶处理提高了可可豆壳的SDF含量。张等人研究了Viscozyme?对豆渣DF的结构、生理和技术功能特性的影响，发现酶水解导致部分IDF转化为SDF。鉴于木质纤维素生物质的多样化组成和化学复杂性，为每种生物质优化酶处理至关重要，可以减少加工时间并提高过程的成本效益，从而改善效率。

虽然碳水化合物酶已被研究用于改性水果副产物，但本研究首次专注于优化酶浓度、温度和水解时间，使用果汁工业常用的碳水化合物酶复合物对苹果渣进行改性。优化的酶处理可以显著减少生产改良苹果渣所需的能量和时间，并建立最大化产量和改善营养价值的条件。因此，本研究旨在通过响应面方法优化苹果渣的碳水化合物酶复合物处理，以改变其技术功能特性并增加其溶解性，从而将通常被丢弃的废弃物转化为有价值的产品，为大规模应用提供更实用的方法，进而贡献于环境可持续性发展。

本研究采用的主要技术方法包括：使用Viscozyme?碳水化合物酶复合物(具有100 FBG/g β-葡聚糖酶(内切-1,3(4)-)活性以及木聚糖酶、纤维素酶和半纤维素酶活性)对苹果渣进行酶处理；通过中心复合设计的响应面方法优化酶浓度(0.5-5 mL/kg干重)、水解时间(1-4 h)和温度(40-60°C)三个关键参数；采用标准方法测定可溶性膳食纤维(SDF)和不溶性膳食纤维(IDF)含量；使用分光光度法测量可溶性尿苷酸(SUA)和可溶性中性糖(SNS)含量；评估技术功能特性包括保水能力(WRC)、保油能力(ORC)、溶胀能力(SWC)和溶解度；通过激光衍射分析颗粒尺寸分布。

可溶性尿苷酸(SUA)和可溶性中性糖(SNS)含量的影响

酶处理显著提高了苹果渣中SUA和SNS的含量。通过响应面分析建立了二次模型，显示酶浓度对SUA含量有显著线性影响，而水解时间和酶浓度的二次项对SNS含量影响显著。在最佳条件下(4.1 mL/kg DW酶浓度，3.31 h水解时间，48°C)，SUA和SNS含量分别比未处理苹果渣提高了3.60倍和2.48倍。

研究表明，尿苷酸比中性糖更容易从多糖中释放，中性糖更稳定。酶浓度超过2.8 mL/kg DW时，SNS含量显著增加，表明该阈值允许足够的活性将复杂糖分解为简单糖。温度对SUA含量没有显著影响，这可能是因为这些化合物具有更高的稳定性。

相关性分析显示，SDF含量与SUA和SNS含量之间存在强正相关关系(Pearson r=0.8751和0.9749，p<0.0001)，表明SUA和SNS浓度是酶处理过程中SDF含量变化的可靠指标。酶活性可以破坏不溶性多糖中葡萄糖分子之间的β(1-4)连接，导致可溶性成分增加，从而提高SDF。

技术功能特性的影响

酶处理对苹果渣膳食纤维浓缩物(AP-DFC)的技术功能特性产生了显著影响。保水能力(WRC)受水解时间线性项和酶浓度二次项的显著影响，在2.5 h时达到峰值13.78±1.04 g/g，但总体比未处理苹果渣(21.25±0.94 g/g)降低了23-49%。

保油能力(ORC)受酶浓度线性项及其与水解时间交互作用的显著负面影响。在0.5 mL/kg DW酶浓度处理4 h时达到最高ORC(7.05±0.48 g/g)，比未处理果渣(6.09±1.34 g/g)有所提高。

溶胀能力(SWC)受水解时间和酶浓度的线性效应以及温度与水解时间交互作用的显著影响。在40°C处理4 h时达到最大SWC(3.72±0.78 mL/g)，但仍显著低于未处理果渣(4.95±0.02 mL/g)。溶解度受酶浓度二次项及其与水解时间交互作用的显著影响，在酶浓度3.9 mL/kg DW时达到最大溶解度66.32±2.22%。

颗粒尺寸分析

Spearman相关性分析显示，SWC与D[3,4]和D[2,3]直径呈强正相关(p<0.0001)，而溶解度与这些直径参数呈中等负相关。这表明颗粒尺寸的减小 due to 不溶性多糖的解聚可能导致溶解度增加。

工艺优化与验证

通过期望函数方法确定最佳酶处理参数为：酶浓度4.1 mL/kg DW，水解时间3.31 h，温度48°C。验证实验显示，所有响应的残差标准误差(RSE)值均低于5%，表明模型有效。在最佳条件下，SNS和SUA含量分别比未处理苹果渣提高了3.60倍和2.48倍。SDF含量增加了35%(从17.54±1.96%到23.77±1.17%)，而IDF含量降低了39%(从59.47±0.38%到35.82±1.47%)。

本研究提出了一种利用碳水化合物酶复合物(CEC)增值未充分利用生物质的新方法，符合循环生物经济原则。通过响应面方法成功优化了苹果渣的酶处理工艺，最大化提高了保水能力、保油能力、溶胀能力、溶解度、SUA和SNS含量。研究确定了最佳条件——4.1 mL/kg DW酶浓度、3.31 h水解时间、48°C温度——能够显著提高溶解度、SUA、SNS和SDF含量，表明改性苹果渣有潜力作为功能性添加配料使用。未来研究需要进一步了解最佳条件下改性苹果渣的分子结构和健康相关功能特性。

该研究的重要意义在于为果蔬加工副产物的高值化利用提供了绿色高效的解决方案，通过酶法改性成功将苹果渣中的不溶性膳食纤维转化为可溶性膳食纤维，显著改善了其技术功能特性。这不仅有助于减少食品废弃物对环境的影响，还为开发新型功能性食品配料提供了科学依据和技术支持，对推动食品工业的可持续发展和循环经济模式具有重要贡献。