蘋果渣膳食纖維微波輔助脫色的工藝參數研究*

劉素穩，侍朋寶，李漢臣，李軍，高海生

(河北科技師范學院食品科技學院，河北昌黎，066600)

蘋果渣膳食纖維微波輔助脫色的工藝參數研究*

劉素穩，侍朋寶，李漢臣，李軍，高海生

(河北科技師范學院食品科技學院，河北昌黎，066600)

對 蘋果渣膳食纖維脫色工藝進行了研究，將微波加熱技術應用于H2O2脫色工藝中，采用響應面法得出優化條件為:pH值12.5、微波作用時間48 s和H2O2濃度為9.17%，在料液比(g∶mL)1∶14、微波功率480 W條件下，用色差計測得脫色后的白度為57.34%，脫色前原料白度為27.54%，脫色效果顯著。所得回歸模型擬合情況良好，達到設計要求。掃描電鏡和X射線衍射分析表明微波對蘋果渣纖維表面的微結構有破壞作用。

微 波，脫色，蘋果渣膳食纖維，響應面

膳食纖維作為一種功能性食品基料，受到越來越廣泛關注。研究表明，膳食纖維有多種生理功能，它可以維持正常的血糖、血脂和蛋白質水平，并可控制體重、預防結腸癌、糖尿病、冠心病等［1］。中國是蘋果汁生產大國，其生產過程中產生大量的蘋果渣，蘋果渣中含有豐富的膳食纖維，是制備膳食纖維的良好原料，合理利用蘋果渣，變廢為寶，不僅保護環境，也有利于提高蘋果附加值［2－3］。

由于蘋果渣含有豐富的多酚類物質，在空氣中極易氧化褐變，以及在提取膳食纖維過程中，酸堿處理使果渣色澤加深，嚴重影響膳食纖維的感官效果和應用范圍，所以必須對蘋果渣進行脫色處理［4］。目前常用的脫色方法有還原法和氧化法，還原法脫色后在有氧或氧化劑存在時易復色，工業上常用的纖維氧化脫色劑是次氯酸鹽、雙氧水(H2O2)等，它們均能對膳食纖維進行氧化脫色。次氯酸鹽由于在脫色反應中有氯的存在，使膳食纖維產品帶有氯味，在膳食纖維脫色中不宜應用。用H2O2漂白脫色，即用氧化劑使有色物質氧化分解成低分子醛、羧酸、CO2等物質，且在脫色后不易復色［5］。近年來，微波技術以其促進反應的高效性和強選擇性、操作簡便、副產物少、產率高及產物易于提純等優點已被廣泛應用生化蛋白質水解、有機合成、酯化等反應中［6］。本研究以 H2O2為脫色劑，利用微波的特點，研究了蘋果渣纖維的最佳脫色工藝參數，以期得到較好的利用。

1 材料與方法

1.1 主要材料與儀器設備

干蘋果渣膳食纖維(蛋白質2.6%，總膳食纖維55.4%，粗脂肪2.7%，含水率10.1%，灰分1%)，由山東煙臺北方安德利果汁股份有限公司提供。

PHS-3C型精密pH計，上海儀器儀表有限公司。FA2004型電子天平，上海良平儀器儀表有限公司。WSC－S測色色差計，上海精密科學儀器有限公司。WD750BS微波設備:頻率2450 Hz，900 W，廣東順德。JFSD-70實驗室粉碎磨，上海嘉定糧油有限公司。KYKY-2800SEM掃描電子顯微鏡，中國科學院北京科學儀器研究中心。D/max-2500PC型X射線衍射儀，日本理學。

1.2 實驗方法

1.2.1 蘋果膳食纖維的脫色

在進行工藝優化以前，在大量預實驗的基礎上，確定了影響實驗的5個因素，結合單因素實驗結果，根據Box-Behnken中心組合試驗設計原理，選取影響纖維脫色的主要因素，以pH值(X1)、微波作用時間(X2)、H2O2濃度(X3)為輸入變量，以脫色白度為指標Y，進行3因素3水平響應面分析試驗，優化纖維脫色的工藝條件。將脫色后膳食纖維用去離子水漂洗2次，然后用色差儀測量相對白度。實驗因素水平編碼表見表1。

表1 因素水平編碼表

1.2.2 與其他脫色方法的對比試驗

采用已報道的其他脫色方法對蘋果渣膳食纖維脫色，測量相對白度，試驗重復3次取平均值。具體的試驗條件如下:(1)以乙醇為浸提劑，料液比(g∶mL)1∶20，浸提時間 40 min，浸提級數 2 級［7］;(2)H2O2水浴脫色，pH值12，H2O2質量分數8%，溫度100℃，處理時間 2 h［4］。

1.2.3 白度的測定

取脫色后的蘋果膳食纖維，均勻的平鋪于色差計比色杯內，采用Hunter L*a*b*表色系統，其中L*為表色系統中的亮度值(即白度)［8］。

1.2.4 脫色蘋果膳食纖維的電鏡掃描

微波脫色后的蘋果膳食纖維，利用離子鍍膜儀鍍金，然后在掃描電鏡下觀察［9］。

1.2.5 脫色蘋果膳食纖維的X射線衍射

利用D/max-2500PC型X射線衍射儀進行X射線衍射分析［9－10］。

1.3 數據分析

所有試驗均進行3次重復，數據分析用design expert 7.0分析。

2 結果與討論

2.1 主要影響因素

2.1.1 pH值對脫色效果的影響

在H2O2質量分數為10%，脫色時間50 s，微波作用功率480 W，料液比(g∶mL)1∶14條件下，采用不同pH值對H2O2脫色效果進行比較，結果如圖1。

圖1 pH值對脫色效果的影響

由圖1可見，隨pH值的增加，蘋果膳食纖維白度逐漸增大，pH值為12時脫色效果最好。當pH值大于12時，脫色白度不再明顯增強。增大pH值HO2－增大，脫色效果增強，所以H2O2脫色試驗在堿性條件下進行。如果 pH值超過一定值，會造成H2O2無效分解(H2O2→1/2O2+H2O)，使反應液中H2O2質量分數下降，分解產物O2與木質素中的某些活性部位反應形成可與金屬離子螯合顯色的鄰酚結構，從而導致深色化效果。因此pH值應嚴格控制在適宜范圍內［4，11－12］。

2.1.2 微波作用時間對脫色效果的影響

在H2O2濃度為10%，pH值12，微波作用功率480 W，料液比1∶14條件下，微波作用不同時間對H2O2脫色效果進行比較，如圖2所示。

圖2 微波作用時間對脫色效果的影響

由圖2可見，隨微波作用時間的延長，蘋果膳食纖維白度逐漸增大，時間為50 s時脫色效果最好。大于50 s后，脫色白度不再增加，可能由于時間過長造成H2O2部分分解，反而效果變差。

2.1.3 H2O2濃度對脫色效果的影響在pH值12，脫色時間50 s，微波作用功率480 W，料液比1∶14條件下，H2O2不同濃度對脫色效果進行比較，結果如圖3。

圖3 H2O2濃度對脫色效果的影響

如圖3所示，隨H2O2質量分數的增大，蘋果膳食纖維白度逐漸先增大后減小，H2O2質量分數為10%時脫色效果最好。大于10%后，脫色效果降低。H2O2的質量分數對脫色白度也有較大影響，質量分數高，產生的HO2－就多，脫色效果就好，但質量分數達到一定時，效果反而變差。

2.2 模型建立與顯著性檢驗

在單因素實驗基礎上，進行響應面分析試驗，結果見表2。利用Design Expert軟件對表2數據進行多元回歸擬合，獲得響應值——白度(Y)對影響白度的關鍵因子——pH值(X1)、微波作用時間(X2)和H2O2濃度(X3)的二次多項式回歸模型為:

表2 試驗設計與結果

對模型進行方差分析及回歸系數顯著性檢驗，結果見表3。

表3 回歸模型及方差分析

進一步對回歸方程進行分析，其系數顯著性結果見表3。此模型的P＜0.01，響應面回歸模型達到極顯著水平。相關系數R2=0.9368，說明此方程在本試驗中有意義，模型能夠反應響應值變化，試驗誤差小，可以用此模型對蘋果纖維脫色進行分析和預測。方差分析結果表明，本試驗建立的模型中X1、X32對蘋果纖維脫色白度的影響極為顯著(P＜0.01)X3對蘋果纖維脫色白度的影響為顯著(P＜0.05)，各項數據分析表明該模型失擬不顯著，說明殘差由隨機誤差引起，因此該二次方程能夠較好地擬合真實的響應面［13－15］。

2.3 模型驗證

基于Design Expert軟件的優化功能獲得最優脫色條件，蘋果膳食纖維白度最大預測值為57.94%，此時3個關鍵因子的取值為:pH值編碼1，微波作用時間編碼－0.55，H2O2濃度編碼0.17。為了驗證模型的有效性，取響應值為57.94%進行了模型驗證試驗，其結果為57.34%(n=3)，與原料27.54%相比，有顯著性差異，如圖4所示(左側樣本為脫色后，右側為脫色前)。蘋果膳食纖維白度預測值與實測值相近，相對誤差在1%左右，證明應用響應面法優化蘋果膳食纖維微波脫色的關鍵因子是可行的。

圖4 微波作用H2O2脫色前后

2.4 不同脫色方法的對比試驗

分別采用乙醇浸提、H2O2水浴及H2O2微波脫色對蘋果渣膳食纖維脫色，比較了不同方法的脫色時間及脫色后產品的脫色效果，結果見表4。

表4 不同脫色方法對蘋果渣膳食纖維的脫色效果

表4顯示，將蘋果渣膳食纖維脫色至各方法的最優效果所需時間有很大差異，H2O2微波所需時間最短，脫色效果最好，其他方法如乙醇浸提、H2O2水浴脫色時間較長，脫色效果稍差。

2.5 微波作用H2O2脫色對蘋果膳食纖維顯微結構影響

圖5為處理前后蘋果膳食纖維在放大500倍時的掃描電鏡照片，由于實驗選取的蘋果膳食纖維是經過壓榨取汁后的蘋果膳食纖維，所以蘋果膳食纖維沒有完整的細胞組織，其細胞已經遭到破壞。由圖5中可以看出，蘋果膳食纖維在微波作用前已經有明顯的裂痕，經微波作用后裂痕條數增多，其組織裂痕更嚴重。通過與其他方法對比發現，乙醇浸提、H2O2水浴等作用后，對蘋果渣膳食纖維的結構沒有明顯影響，而隨著微波功率的增大，其破碎程度也增大。表明微波作用對蘋果膳食纖維的組織結構有直接影響，使組織出現裂痕、破碎。主要是由于微波加熱速度較快，物料溫度迅速升高，而蘋果膳食纖維組織不是均勻介質，微波處理導致蘋果膳食纖維局部過熱，使局部過熱組織結構破壞，出現裂痕［16－17］。

2.6 微波作用H2O2脫色前后蘋果膳食纖維的X射線衍射分析

有研究表明，纖維素類物質是由70%有序結晶纖維區和30%無序非晶態纖維素、半纖維素區組成，高度有序的纖維素區具有結晶性［18－19］。由圖6可以看出，微波作用H2O2脫色前后蘋果膳食纖維的X射線衍射圖譜明顯不同，蘋果膳食纖維纖維素結晶性發生改變。右側較大尖細峰為脫色產生的溶劑殘留，產生了溶劑峰。另外，由電鏡觀察到的纖維素表面裂紋，可能是由于纖維素的結晶性遭到破壞，產生晶間裂紋。

圖5 脫色處理前后蘋果膳食纖維掃描電鏡照片

圖6 處理前后蘋果膳食纖維X射線衍射曲線

3 結論

利用響應面法對微波輔助雙氧水脫色的關鍵因子進行了優化。建立了脫色白度與3個關鍵因子(pH值、H2O2濃度及微波作用時間)的二次多項式回歸模型，同時利用模型的響應面及其等高線對蘋果膳食纖維脫色的關鍵因子進行了分析，在料液比1∶14，功率480 W的條件下，得出了微波作用膳食纖維脫色的關鍵因子的優化條件為:pH值12.5、微波作用時間48s和H2O2濃度為9.17%，用色差計測得脫色后的白度為57.34%，脫色前原料白度為27.54%。脫色效果顯著，明顯優于其他傳統方法，效率大大提高。在節能方面，若在生產中考慮微波加熱的功率合理匹配，微波處理的能耗可以進一步降低。掃描電鏡和X射線衍射分析表明微波對蘋果膳食纖維纖維表面的微結構有破壞作用。但纖維素斷裂表面微結構的變化及其對物性的影響有待進一步研究。

［1］ GrigelmoM N，Gorinstein S.Characterisation of peach dietary fiber concentrate as a food ingredient［J］.Food Chemistry，1999，65(2):175－181.

［2］ 彭凱，張燕，王似錦，等.微波干燥預處理對蘋果渣提取果膠的影響［J］.農業工程學報，2008，24(7):222－226.

［3］ Sudha M L，Baskaran V，Leelavathi V.Apple pomace as a source of dietary fiber and polyphenols and its effect on the rheological characteristics and cake making［J］.Food Chemistry，2007，104:686－692.

［4］ 陳雪峰，吳麗萍.蘋果渣膳食纖維脫色工藝的研究［J］.食品與發酵業，2005(31)6:137 －139.

［5］ 陳季旺，劉英，孫勤，等.燕麥麩膳食纖維脫色工藝及對產品特性的影響［J］.農業工程學報，2008，24(11):247－250.

［6］ 李建穎，邵青，鄧宇.微波技術在植物纖維漂白中的應用研究［J］.中國造紙，2004，23(7):1－3.

［7］ 艾志錄，王育紅，任娜，等.蘋果渣脫色工藝研究［J］.食品研究與開發，2006，27(9):77－80.

［8］ Berardini N，Knodler M，Schieber A，et al.Utilization of mango peels as source of pectin and polyphenolics［J］.Innovative Food Science ＆ Emerging Technologies，2005，6:442－452.

［9］ 洪杰，張紹英.濕法超微粉碎對大豆膳食纖維素微粒結構及物性的影響［J］.中國農業大學學報，2005，10(3):90－94.

［10］ 李安平，謝碧霞，鐘秋平，等.不同粒度竹筍膳食纖維功能特性研究［J］.食品工業科技，2008，29(3):83－85.

［11］ 李友明，陳中豪，陳銘烈.H2O2在漂白體系中的無效分解特性［J］.中國造紙，1995，14(1):10－15.

［12］ Renard C M G C，Rohou Y，Hubert C，et al.Bleaching of apple pomace by hydrogen peroxide in alkaline conditions:optimisation and characterisation of the products［J］.Academic Press，1997，30(4):398 －405.

［13］ 張軍偉，傅大放，彭奇均，等.響應面法優化酸水解稻稈制木糖的工藝參數［J］.農業工程學報，2009，25(11):253－257.

［14］ 李國強，陳海華.響應面優化微波膨化花生蛋白粉脆片的工藝研究［J］.糧油加工，2009(6):116－120.

［15］ 畢金峰，方蕾，丁媛媛，等.菠蘿變溫壓差膨化干燥工藝優化［J］. 農業工程學報，2009，25(10):334－339.

［16］ Liu Zhongdong，Wei Guohua，Guo Yunchang，et al.Image study of pectin extraction from orange skin assisted by microwave［J］.Crabohydra Polymers，2006，64:548 －552.

［17］ Krodida M K，Maroulis Z B.Effects of microwave drying on some quality properties of dehydrated products［J］.Drying Technology，1999，17:449－466.

［18］ Ang J F.Water retentioin capacity and viscosity effect of powdered cellulose ［J］.Journal of Food Sci，1991，56(6):1 682－1 684.

［19］ Sangnark A，Noomhorm A.Effect of particle sizes on functional properties of dietary fiber prepared from sugar cane bagasse［J］.Food Chemistry，2003，80:221 －229.

Study on the Technical Parameters for Decolorization of Apple Dietary Fiber by Microwave

Liu Su-wen，Shi Peng-bao，Li Han-chen，Li Jun，Gao Hai-sheng
(Department of Food Engineering，Hebei Normal University of Science and Technology，Changli 066600，China)

The conditions for decolorization of apple dietary fiber were established for laboratory study.The microwave method was applied to the optimal conditions for decolorization of apple dietary fiber.In this study，the optimal conditions determined by response surface methodology(RSM)were:pH 12.5、microwave time 47.75s and H2O2concentration 9.17%，material-solution ratio 1∶14 and microwave power 480W.Under the above conditions，the Whiteness was 57.34%(mean value)in the final product，while 27.54%before the decolorization.The effect was significant.The empirical model developed by response surface methodology(RSM)is adequate to describe the relationships between the factors and response value.The results of the curve by scanning electron and X-ray diffraction analysis showed that microstructure of the apple dietary fiber surface was changed by microwave.

microwave，decolorization，apple dietary fiber，response surface methodology

碩士，講師(李軍教授為通訊作者)。

*“十一五”支撐計劃課題——蘋果果膠系列產品優質蘋果汁開發及產業化示范(2006BAD05A13)

2010－08－10，改回日期:2010－12－03