擠壓豌豆纖維粉制備的不可溶膳食纖維油脂吸附能力研究

劉秉書，吳淑華，孫諭瑩，李學梅，皇圓圓，王雪源，馬成業(yè)，*

（1.山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，山東淄博255000；2.山東省高校農(nóng)產(chǎn)品功能化技術重點實驗室，山東淄博255000；3.山東健源生物工程股份有限公司，山東招遠265400）

膳食纖維（dietary fiber，DF）是指植物中天然存在的碳水化合物的聚合物，不能夠被人體小腸消化吸收[1]。膳食纖維具有降低血液中膽固醇含量、促進腸胃蠕動、清除人體內(nèi)有害物的作用[2]。

由于國人的飲食結構，油脂的攝入量在日常生活中難以精確計算，一旦油脂攝入量過多會引起肥胖甚至疾病。經(jīng)過研究表明，膳食纖維結構中含有一些活性基團，可以對油脂等進行螯合吸附，從而有效抑制人體對其吸收或將其排出體外[3]，進而控制了油脂攝入量過多帶來的肥胖、疾病等問題。

豌豆（Pisum sativum Linn），又被稱作荷蘭豆等[4]。豌豆中含有豐富的膳食纖維[5]。近年來，對于豌豆中膳食纖維的提取大多采用酶解法，水解后即可得到豌豆不可溶膳食纖維[6]。邵娟娟等[7]使用纖維素酶和木聚糖酶分別對豌豆皮中的膳食纖維進行提取。

擠壓加工技術是新型加工技術[8]，屬于物理改性方法。食品擠壓成型是一個復雜的過程，具有多種性能如流變性、表面張力等的變化，物料在機腔內(nèi)移動時，因為承受擠壓設備產(chǎn)生的很高的壓力、溫度和剪切力，所含水分迅速汽化，物料大分子聚合物分子間和分子內(nèi)空間結構擴展變形，當被擠出模口的瞬間因失壓而產(chǎn)生劇烈的結構變化，形成疏松多孔的狀態(tài)[9]。趙鳳芹等[10]通過擠壓膨化試驗得出：擠壓后木質(zhì)素、纖維素、半纖維素發(fā)生高溫水解，增加了可溶性成分，故利用擠壓技術處理豌豆纖維有利于纖維粉的改性。

本試驗通過擠壓技術與酶水解結合，探究在最適擠壓參數(shù)條件下制備的不可溶性膳食纖維對動物油和植物油的吸附能力。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

豌豆纖維粉：山東健源生物工程股份有限公司；花生油：魯花集團；豬油：農(nóng)產(chǎn)品精深加工實驗室自制；耐高溫α-淀粉酶（活力40 000 U/mL）、堿性蛋白酶（活力 200 000 U/mL）、木聚糖酶（活力 50 000 U/mL）、纖維素酶（活力50 000 U/mL）：江蘇銳陽生物科技有限公司；糖化酶（活力100 000 U/mL）：上海源葉生物科技有限公司；其他化學試劑為分析純。

1.2 儀器與設備

單螺桿擠壓機：山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院農(nóng)產(chǎn)品精深加工中心；DZKW-S-b 電熱恒溫水浴鍋：北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；SHZ-DⅢ循環(huán)水真空泵：鞏義市英峪予華儀器廠；101-E 電熱鼓風干燥箱：北京市永光明醫(yī)療儀器廠；DL-5-B 低速大容量離心機：上海安亭科學儀器廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 單因素試驗設計及擠出物制備

測定不同條件對豌豆纖維中不可溶膳食纖維的影響，試驗分別設置物料水分為20%、30%、40%、50%、60%，其中40%的水分為固定值；擠壓機機筒溫度為120、130、140、150、160 ℃，其中 140 ℃為固定值；擠壓機的螺桿轉速為 100、120、140、160、180 r/min，其中140 r/min 為固定值。所得產(chǎn)物為豌豆纖維粉擠出物（extruding pea cellulose，EPC）。

1.3.2 擠壓后不可溶膳食纖維的制備

取適量豌豆纖維粉，加入蒸餾水充分攪拌后，用5 %NaOH 調(diào)節(jié)pH 值至6.2，再加入耐高溫α-淀粉酶，放置水浴鍋中95 ℃水浴30 min，待淀粉全部去除，冷卻至60 ℃，再用5%HCl 調(diào)節(jié)pH 值至4.4，再加入糖化酶，放置水浴鍋60 ℃水浴3 h，待糖化結束加熱至100 ℃沸水浴10 min 滅酶，冷卻后用5%NaOH 調(diào)節(jié)pH 值至7.8，再加入堿性蛋白酶，放置水浴鍋55 ℃水浴3 h，待蛋白質(zhì)全部除去后加熱至100 ℃沸水浴10 min滅酶。所得產(chǎn)物為不可溶膳食纖維（extruding removal pea cellulose，ERPC）。

1.3.3 物料對植物油的吸附能力的測定

稱取物料3.0 g，放置干燥箱中干燥至恒重，取50 mL離心管，加入3.0 g 物料和25 g 花生油，振蕩均勻，放置在37 ℃水浴鍋中靜置1 h，離心機離心（4 000 r/min，20 min），去除上層花生油，用濾紙吸干物料上游離的花生油，稱重[2]。

吸附花生油計算如下：

1.3.4 物料對動物油的吸附能力的測定

稱取物料3.0 g，放置干燥箱中干燥至恒重，取50 mL離心管，加入3.0 g 物料和25 g 豬油，振蕩均勻，放置在37 ℃水浴鍋中靜置1 h，離心機離心（4 000 r/min，20 min），去除上層豬油，用濾紙吸干物料上游離的豬油，稱重[2]。

吸附豬油計算如下：

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用origin9.1 處理EPC 與ERPC 的吸附性試驗數(shù)據(jù)，作出柱狀圖。運用SPSS9.4 處理EPC 及ERPC 的吸附性試驗數(shù)據(jù)，用Duncan 法進行多重比較，做顯著性及誤差分析。

2 結果與分析

2.1 單因素對物料吸附植物油能力的影響

2.1.1 物料水分對EPC 與ERPC 油脂吸附能力影響

物料水分對物料吸附植物油能力影響見圖1。

圖1 物料水分對吸附植物油能力影響Fig.1 Effect of material moisture on adsorption capacity of vegetable oil

從圖1 中可以看到物料水分從20%～60%的變化過程中，對植物油的吸附能力先增加后減少，整體ERPC 高于EPC。當物料水分為40%時，豌豆膳食纖維吸附植物油最多，EPC 吸油量為0.69 g/g，ERPC 吸油量為0.99 g/g。這是因為水分在擠壓膨化過程中起到塑化劑的作用[11]，水分為40%的物料黏性較高，擠壓機模頭壓力增高，從而使因擠壓而降解的纖維增加，并且使膳食纖維膨脹，顆粒增大，變得疏松。

由于豌豆纖維粉（nature pea cellulose，NPC）NPC中仍存在少量淀粉和蛋白質(zhì)，經(jīng)擠壓后發(fā)生變性。EPC中水溶性成分增加，對油脂的吸附能力減弱。ERPC 由于去除淀粉、蛋白質(zhì)以及一些水溶性成分，一方面使纖維緊實的結構變得松散，產(chǎn)生更多的毛細孔，有益于更多的油進入纖維的疏水區(qū)[12]，另一方面使纖維的親油能力占主導，從而使ERPC 表現(xiàn)出更高的持油力。

2.1.2 機筒溫度對EPC 與ERPC 油脂吸附能力影響

機筒溫度對物料吸附植物油能力影響見圖2。

從圖2 中可以看到機筒溫度從120 ℃～160 ℃的變化過程中，對植物油的吸附能力先增加后減少，整體ERPC 高于EPC。當機筒溫度為150 ℃時，豌豆膳食纖維吸附植物油最多，EPC 吸油量為0.64 g/g，ERPC 吸油量為1.00 g/g。根據(jù)李艾霖等[13]的研究表明豆渣在擠壓過程中的膨化度會隨著溫度的升高而逐漸增大，擠壓過程中，不僅有機械外力的剪切作用，也有熱量作用。溫度的升高可以使物料中的化學鍵斷裂、發(fā)生膨脹，影響其粘度并且使纖維分子發(fā)生熱降解。當溫度超過150 ℃時，水分從物料內(nèi)部蒸發(fā)到機筒外壁，附著在外壁形成一層水膜，使物料堆積成塊，摩擦力增大，進而無法順利擠出而遭到高溫破壞。

圖2 機筒溫度對吸附植物油能力影響Fig.2 Effect of barrel temperature on adsorption capacity of vegetable oil

擠壓后蛋白質(zhì)和淀粉一部分降解成可溶性的小分子，制備ERPC 時將這部分小分子以及淀粉、蛋白質(zhì)去除，使其主要成分為不溶性膳食纖維，這部分纖維擠壓后其結晶區(qū)和非結晶區(qū)都遭到了不同程度的破壞，一些非極性的基團暴露出來，增加了對油的吸附能力。

2.1.3 螺桿轉速對EPC 與ERPC 油脂吸附能力影響

螺桿轉速對物料吸附植物油能力影響見圖3。

圖3 螺桿轉速對吸附植物油能力影響Fig.3 Effect of screw speed on adsorption capacity of vegetable oil

從圖3 中可以看到螺桿轉速從100 r/min～180 r/min的變化過程中，對植物油的吸附能力先增加后減少，整體ERPC 高于EPC。當螺桿轉速為120 r/min 時，豌豆膳食纖維吸附植物油最多，EPC 吸油量為0.70 g/g，ERPC 吸油量為 1.22 g/g。Yalegama 等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，膳食纖維的吸油量與其表面孔隙率有關[15]，轉速在低于120 r/min 時，物料的剪切作用不夠，受到高溫作用時間過長；轉速高于120 r/min 后，物料在機筒停留時間過短，無法獲得足夠的擠壓和加熱效果，試驗中以上兩種情況均會降低豌豆膳食纖維表面孔隙，進而降低豌豆膳食纖維對植物油的吸附能力。當螺桿轉速為120 r/min 時，物料在機筒中停留時間較長，擠壓剪切破壞纖維晶體結構，產(chǎn)物具有多孔性。除去淀粉和蛋白質(zhì)使其結構上更加疏松，孔隙率更多，有利于對油脂吸附能力的提高。

2.2 單因素對物料吸附動物油能力的影響

2.2.1 物料水分對EPC 與ERPC 油脂吸附能力影響

物料水分對物料吸附動物油能力影響見圖4。

圖4 物料水分對吸附動物油能力影響Fig.4 Effect of material moisture on adsorption capacity of animal oil

從圖4 中可以看到物料水分從20%～60%的變化過程中，豌豆膳食纖維對動物油的吸附能力先增加后減少，整體ERPC 高于EPC。當物料水分為30%時，豌豆膳食纖維吸收動物油最多，EPC 吸油量為0.64 g/g。而去除淀粉和蛋白質(zhì)后，物料水分為40%時，豌豆膳食纖維吸收動物油最多，ERPC 吸油量為1.26 g/g。

隨著物料水分的增加，物料的黏度增加，使得物料與機筒的摩擦力增大，物料在機筒內(nèi)停留的時間增加[16]，加大對纖維素、木質(zhì)素晶體的破壞效果，更有利于擠壓后達到膨脹、疏松的效果，從而使豌豆膳食纖維對動物油的吸附能力逐漸增加。但當水分過高時，會使物料與機筒摩擦力減小，膨脹度逐漸降低，孔隙率減少，從而使豌豆膳食纖維對動物油的吸附能力逐漸下降。ERPC 主要為不溶性膳食纖維，相比于EPC 結構更加松散，非極性基團的暴露更多，增加了對動物油的吸附能力。

2.2.2 機筒溫度對EPC 與ERPC 油脂吸附能力影響

機筒溫度對物料吸附動物油能力影響見圖5。

圖5 機筒溫度對吸附動物油能力影響Fig.5 Effect of barrel temperature on adsorption capacity of animal oil

從圖5 中可以看到機筒溫度從120 ℃～160 ℃的變化過程中，豌豆膳食纖維對動物油的吸附能力先增加后減少，整體ERPC 高于EPC。當機筒溫度為140 ℃時，豌豆膳食纖維吸收動物油最多，EPC 吸油量為0.72 g/g，ERPC 吸油量為1.26 g/g。擠壓機筒溫度越高，傳遞給物料的熱量越多，物料升溫幅度越大，有利于膳食纖維的化學鍵斷裂，親水性增加[17]。但有研究認為，擠壓溫度過高，豆渣在機筒中堆積成塊，可溶性膳食纖維含量急劇下降[18]。所以對于動物油的吸附溫度以控制在140 ℃更佳，過高過低會使在擠壓過程中纖維的晶體結構不能形成良好的膨脹、疏松狀態(tài)，不利于吸附動物油。ERPC 的纖維之間的緊密結構變得松散，對油脂的吸附能力也得到了相應改善。

2.2.3 螺桿轉速對EPC 與ERPC 油脂吸附能力影響

螺桿轉速對物料吸附動物油能力影響見圖6。

從圖6 中可以看到螺桿轉速從100 r/min～180 r/min的變化過程中，豌豆膳食纖維對動物油的吸附能力先增加后減少，整體ERPC 高于EPC。當螺桿轉速為140 r/min 時，豌豆膳食纖維吸收動物油最多，EPC 吸油量為0.72 g/g，ERPC 吸油量為1.26 g/g。在該轉速下，物料在機筒中停留時間較長，能獲得足夠的擠壓剪切和加熱效果，纖維物料被微粒化，促使膳食纖維的化學鍵斷裂，達到不溶性膳食纖維向水溶性膳食纖維轉化[19]。隨著螺桿轉速的不斷增加，物料在擠壓機腔內(nèi)停留的時間越來越短，所受的擠壓、剪切、摩擦和熔融作用也越來越不充分[20]，所以對油脂的吸附能力呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。

圖6 螺桿轉速對吸附動物油能力影響Fig.6 Effect of screw speed on adsorption capacity of animal oil

擠壓使膳食纖維的晶體結構遭到破壞，表面的孔隙率增加，同時也產(chǎn)生了一部分水溶性成分。ERPC 的纖維結構經(jīng)去除淀粉和蛋白質(zhì)后以及水溶性成分后，結構變得更加疏松，孔隙率在原基礎上進一步增加，所以在此條件下，對于動物油的吸附能力更佳。

2.3 不同工藝下豌豆纖維粉對不同油脂的吸附能力

不同條件下處理的物料對兩種油脂吸附能力的影響見圖7。

圖7 不同條件下處理的物料之間對吸附不同油脂能力的影響Fig.7 Effect of treated materials under different conditions on the ability of adsorbing different oils and oils

從圖7 中可以看出，未經(jīng)擠壓的不可溶膳食纖維（removal pea cellulose，RPC）相比于 NPC，在去除淀粉和蛋白質(zhì)后對植物油和動物油的吸油量分別由1.70、2.01 g/g 降低到了0.63、0.69 g/g。淀粉和蛋白質(zhì)本身具有吸附脂肪的能力，因此RPC 相比于NPC 對油脂的吸附能力有所減弱。

EPC 相比于NPC，對于植物油及動物油的吸油量分別由 1.70、2.01 g/g 降低到了 0.50、0.56 g/g。不可溶膳食纖維對油脂的吸附能力與其結構、顆粒表面性質(zhì)、總電荷密度、和組成多糖的親水性有關[21]。物料在擠壓機的高剪切和高溫的作用下改變纖維的結構，使纖維素、半纖維素降解成可溶性膳食纖維[22]，從而使擠壓后物料的親水性增強，而對油脂的吸附能力降低。

ERPC 相比于EPC，對于植物油和動物油的吸油量分別由 0.50、0.56 g/g 提高到了 1.27、1.75 g/g。物料在瞬時高溫、高壓下發(fā)生膨化，蛋白質(zhì)、淀粉被轉化為氨基酸、麥芽糖和糊精等小分子的水溶性物質(zhì)，物料的組織結構轉變成多孔狀[23]。ERPC 相比于EPC 去除了水溶性成分及淀粉和蛋白質(zhì)，孔隙率提高，結構更加疏松，非極性基團暴露增多，從而增加了對油脂的吸附能力。

ERPC 相比于RPC，對植物油和動物油的吸油量分別由 0.63、0.69 g/g 提高到了 1.27、1.75 g/g。RPC 和ERPC 均為不可溶膳食纖維，ERPC 由于經(jīng)過擠壓處理，其中的不可溶膳食纖維降解為可溶性膳食纖維[24]。在制備ERPC 過程中，這部分可溶性膳食纖維隨淀粉、蛋白質(zhì)一起除去，使ERPC 孔隙率高于RPC。此外，ERPC 的表面布滿大量突起物，主要是由于擠壓力和剪切力撕裂了纖維表面的大分子，使得物料比表面積增加，功能基團裸露，進而增強了膳食纖維吸附作用[25]。

4 種物料對于動物油的吸附能力明顯高于植物油，這是因為植物油中主要為不飽和脂肪，其具有雙鍵電子云空間位阻的效果[26]，而動物油中主要為飽和脂肪，導致植物油的吸附能力低于動物油。該結果與郭增旺[27]等結論相符。

3 結論

隨著物料水分、機筒溫度、螺桿轉速的升高，EPC和ERPC 對于植物油和動物油的吸油量皆為先升高再降低，整體的吸油量ERPC 高于EPC。

物料在物料水分為40%，機筒溫度為150 ℃，螺桿轉速為120 r/min 條件下，經(jīng)擠壓后對于植物油吸附能力由未去除淀粉、蛋白質(zhì)的0.50 g/g 提高到了去除淀粉、蛋白質(zhì)后的1.27 g/g；在物料水分為40%，機筒溫度為140 ℃，螺桿轉速為140 r/min 條件下，經(jīng)擠壓后對于動物油的吸附能力由未去除淀粉、蛋白質(zhì)的0.56 g/g 提高到了去除淀粉、蛋白質(zhì)后的1.75 g/g。物料在去除淀粉、蛋白質(zhì)條件下，對于植物油吸附能力，由未擠壓的0.63 g/g 提高到了擠壓后的1.27 g/g；對于動物油的吸附能力由未擠壓的0.69 g/g 提高到了擠壓后的1.75 g/g。

結果表明擠壓后，豌豆纖維粉制備的不溶性膳食纖維對動物油和植物油的吸附能力均得到了明顯的改善；且對動物油的吸附能力高于對于植物油的吸附能力。