獼猴桃皮膳食纖維膠體磨濕法改性工藝優(yōu)化

吳海玉 龔林玲 楊萬根

(吉首大學(xué)食品科學(xué)研究所，湖南 吉首 416000)

膳食纖維(dietary fiber，DF)是不能被人體消化的多糖類碳水化合物及木質(zhì)素的總稱。研究[1-2]發(fā)現(xiàn)，DF具有較強(qiáng)的持水力和持油力，可以吸收人體腸道中大量的水分，增加飽腹感，提高人體排便的速度，同時可以吸附脂肪并將其排出體外，減少機(jī)體對脂肪的吸收，具有降低人體膽固醇、血糖、血脂，預(yù)防心血管疾病，抗氧化，預(yù)防結(jié)腸癌、乳腺癌等生理功能，被稱為“第七大營養(yǎng)素”。

中國是世界獼猴桃的起源地，種植面積和產(chǎn)量均居世界第一位[3]。在獼猴桃果汁、果脯、果酒、果醬等食品的加工過程中會產(chǎn)生大量的獼猴桃皮渣。有研究[4]表明，獼猴桃皮渣中含有豐富的單糖、雙糖、低聚糖和淀粉、DF等多糖物質(zhì)。然而，人們對獼猴桃皮渣的開發(fā)利用研究尚少，僅見皮渣果膠物質(zhì)的提取[5]、果皮提取物中多酚的純化[6]、果皮吸附劑的制備[7]、可溶性DF的酸法制備[8]等報道。課題組前期利用獼猴桃皮渣同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)酒精，得到酒精和獼猴桃皮膳食纖維(kiwifruit peel dietary fiber，KPDF)兩種產(chǎn)品，但所得KPDF顆粒粗，持水力、持油力等功能特性差，用途有限，因此需要對其開展以提高持水力和持油力為目標(biāo)的改性，以擴(kuò)大其在功能性食品中的應(yīng)用。但尚未發(fā)現(xiàn)對獼猴桃皮膳食纖維進(jìn)行改性的研究報道。目前，DF的改性方法主要有干法粉碎、濕法粉碎、超高壓法、蒸汽爆破法、酶法和化學(xué)法等[9-10]。膠體磨法是工業(yè)改性方法中比較成熟的一種，其處理能力大，能耗較低，設(shè)備及操作方法簡單，在油橄欖果渣[11]、西番蓮果皮[12]等膳食纖維的改性中有良好的效果。試驗擬以持水力、持油力為指標(biāo)，采用膠體磨濕法粉碎方法對同步糖化發(fā)酵技術(shù)得到的KPDF進(jìn)行改性，研究最優(yōu)改性條件，并對所得產(chǎn)品的溶解度、膨脹力、陽離子交換能力(cation exchange capacity，CEC)、粒徑等特性進(jìn)行表征，以期為KPDF的綜合開發(fā)利用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

獼猴桃皮渣：米良1號，湘西老爹生物有限公司；

安琪白酒王干酵母：湖北安琪母股份有限公司；

耐高溫α-淀粉酶：30 000 U/g，湖南新鴻鷹生物工程有限公司；

中性蛋白酶、糖化酶：50 000 U/g，湖南新鴻鷹生物工程有限公司；

NaOH、NaCl、HCl、AgNO3、(NH4)2SO4、丙酮等：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

玉米油：山東三星玉米產(chǎn)業(yè)科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

中草藥粉碎機(jī)：Fw177型，天津市泰斯特儀器有限公司；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：101-2AB型，天津泰斯特儀器有限公司；

臺式多管自動平衡離心機(jī)：TDZ4型，長沙平凡儀器儀表；

恒溫水浴鍋：HH-S2型，金壇市成輝儀器廠；

膠體磨：JTM-L65型，轉(zhuǎn)速2 880 r/min，上海立先機(jī)械工業(yè)有限公司；

激光粒度分析儀：BT-9300型，丹東百特儀器有限公司；

冷凍干燥機(jī)：FD5-2.5型，Gold SIM international Group Co., LTD。

1.3 方法

1.3.1 KPDF制備 稱取獼猴桃皮渣，粉碎，用蒸餾水按4∶1 (mL/g)的液料比配成高濃度料液，將其在90 ℃下糊化30 min至均勻糊狀溶液；調(diào)節(jié)pH值為5.0，加入300 U/g耐高溫α-淀粉酶，90 ℃下液化30 min；將發(fā)酵料液冷卻至60 ℃，加入1 075 U/g糖化酶和0.75%硫酸銨，在35 ℃時加入0.75%活化后的酵母，在38 ℃同步糖化發(fā)酵43 h。發(fā)酵料液過濾，濾渣清洗，60 ℃真空烘干。稱取烘干的樣品，按液料比20∶1 (mL/g)加入蒸餾水配成溶液，調(diào)節(jié)pH值為6.5，加入0.75%中性蛋白酶，55 ℃恒溫振蕩酶解4 h。過濾，濾渣于60 ℃真空烘干。濾渣干粉加入石油醚至完全浸沒，靜置12 h，過濾，晾干，制得KPDF。

1.3.2 單因素試驗設(shè)計

(1) 液料比：稱取KPDF若干份，以液料比30∶1，60∶1，90∶1，120∶1，150∶1 (mL/g)加入蒸餾水，調(diào)節(jié)齒間距為8 μm，連續(xù)粉碎5 min，分析液料比對KPDF持水力和持油力的影響。

(2) 齒間距：稱取KPDF若干份，按最佳液料比加入蒸餾水，調(diào)節(jié)齒間距為6，8，10，12，14 μm，連續(xù)粉碎5 min，分析齒間距對KPDF持水力和持油力的影響。

(3) 粉碎時間：稱取KPDF若干份，按最佳液料比和最佳齒間距，粉碎1，3，5，7，9 min，分析粉碎時間對KPDF持水力和持油力的影響。

1.3.3 Box-Behnken試驗設(shè)計 以持油力和持水力為指標(biāo)，采用Box-Behnken設(shè)計開展三因素三水平響應(yīng)面試驗。

1.3.4 改性前后KPDF理化特性表征 測定改性前后KPDF的持水力、持油力、膨脹力、溶解度、CEC，比較其變化。

(1) 持水力測定：參照文獻(xiàn)[13]，按式(1)計算持水力。

(1)

式中：

cw——持水力或持油力，g/g；

m1——樣品濕重，g；

m2——樣品干重，g。

(2) 持油力測定：參照文獻(xiàn)[14]，按式(1)計算持油力。

(3) 膨脹力測定：參照文獻(xiàn)[15]，按式(2)計算膨脹力。

(2)

式中：

ce——膨脹力，mL/g；

v1——膨脹后體積，mL；

v2——干品體積，mL；

m——樣品干重，g。

(4) 溶解度測定：參照文獻(xiàn)[16]，按式(3)計算溶解度。

(3)

式中：

S——溶解度，%；

m1——樣品質(zhì)量，g；

m2——剩余不溶物質(zhì)量，g。

(5) CEC測定：參照文獻(xiàn)[17]，按式(4)計算CEC，結(jié)果以每克樣品中酸化形式樣品的毫摩爾量計。

(4)

式中：

α——陽離子交換能力，mmol/g；

0.01——滴定用NaOH濃度，mol/L；

v1——滴定所消耗的NaOH體積，mL；

v2——空白所消耗的NaOH體積，mL；

m——酸化樣品的質(zhì)量，g。

1.3.5 粒徑分布 以水為分散劑，將樣品配制成溶液，采用BT-9300激光粒度分析儀測定樣品的粒度分布狀況，結(jié)果以平均粒徑D50表示。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計 所有試驗均重復(fù)3次，結(jié)果用Origin 2019b作圖，用Design expert 8.0.6軟件對Box-Behnken試驗結(jié)果進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 液料比對持水力、持油力的影響

由圖1可知，隨著液料比的增大，樣品的持水力呈現(xiàn)先增加后減小的變化，而持油力逐漸增加，液料比達(dá)到90∶1 (mL/g)后趨于穩(wěn)定。原因是隨著液料比的增大，樣品黏度減小，被粉碎得更細(xì)，比表面積增加，與水、油的接觸面積更大；當(dāng)液料比增加到90∶1 (mL/g)時，表現(xiàn)出最大持水力和持油力。但液料比繼續(xù)增大，粉碎過度，樣品的纖維結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，對水的滯留能力下降，所以持水力急劇下降[18]。但油的流動性較水的差，當(dāng)樣品纖維空間被破壞時，對油的滯留比較水的大，所以持水力下降明顯而持油力變化不大。

圖1 液料比對KPDF持水力、持油力的影響

Figure 1 Effects of liquid to solid ratio on water retention capacity and oil-binding capacity of KPDF

2.2 齒間距對持水力、持油力的影響

由圖2可知，隨著齒間距的減小，樣品的持水力、持油力先增加后減小。這是因為隨著齒間距的減小，膠體磨對樣品的剪切力、摩擦力增大，粉碎力度增大，樣品顆粒更細(xì)，與水、油的接觸面積增大；當(dāng)齒間距為12 μm時，持水力和持油力達(dá)到最大。齒間距繼續(xù)減小，膠體磨對樣品的粉碎力度加大，使樣品的纖維結(jié)構(gòu)被破壞得更嚴(yán)重，對水、油的束縛減小，所以持水力、持油力下降。但持水力在齒間距<10 μm后，不再下降，可能是因為樣品中的親水基團(tuán)暴露，在親水基團(tuán)的作用下，持水力不再下降[19]。

圖2 齒間距對KPDF持水力、持油力的影響

Figure 2 Effects of insert spacing on water retention capacity and oil-binding capacity of KPDF

2.3 粉碎時間對持水力、持油力的影響

由圖3可知，樣品的持水力隨粉碎時間的增加先增加后減小，持油力先增加后趨于穩(wěn)定。這是因為隨著粉碎時間的增加，樣品被粉碎得更徹底，顆粒更細(xì)，比表面積增大，持水力、持油力增加，當(dāng)粉碎時間為7 min時，持水力、持油力最大。隨著粉碎時間的進(jìn)一步延長，粉碎過度，樣品的纖維結(jié)構(gòu)遭到破壞，對水的滯留能力下降，所以持水力急劇下降。

圖3 粉碎時間對KPDF持水力、持油力的影響

Figure 3 Effects of milling time on water retention capacity and oil-binding capacity of KPDF

2.4 Box-Behnken試驗結(jié)果及分析

Box-Behnken試驗因素水平見表1，試驗結(jié)果見表2。

表1 Box-Behnken試驗因素水平

表2 Box-Behnken試驗結(jié)果

對表2中結(jié)果進(jìn)行多項擬合回歸，得持水力、持油力對液料比、粉碎時間和齒間距的多元二次回歸方程：

Y水=12.28+0.13A+0.18B+0.66C-1.04AB+0.060AC+1.00BC-2.16A2-1.29B2-0.68C2，

(5)

Y油=5.51+0.069A+0.16B+0.14C-0.28AB+0.16AC+0.25BC-0.83A2-0.55B2-0.32C2。

(6)

對回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3、4。

表3 KPDF持水力回歸方程方差分析?

Table 3 Variance analysis of regression equation on water retention capacity of KPDF

方差來源平方和自由度均方F值P值顯著性模型43.2794.8149.42<0.000 1**A0.1410.141.440.268 6B0.2510.252.550.154 0C3.4513.4535.410.000 6*AB4.2814.2844.040.000 3*AC0.0110.010.150.711 9BC3.9813.9840.910.000 4*A219.64119.64201.86<0.000 1**B26.9816.9871.71<0.000 1**C21.9611.9620.140.002 8*殘差0.6870.097 失擬項0.3730.1201.590.323 8純誤差0.3140.078總誤差43.9516

?R2=0.984 5，RAdj2=0.964 6，CV=3.02%，信噪比20.026。

表4 KPDF持油力回歸方程方差分析?

Table 4 Variance analysis of regression equation on oil-binding capacity of KPDF

方差來源平方和自由度均方F值P值顯著性模型6.1090.6817.340.000 5*A0.0410.040.970.358 0B0.2010.205.000.060 5C0.1510.153.870.089 8AB0.3110.318.030.025 3*AC0.1010.102.540.155 1BC0.2610.266.530.037 8*A22.9012.9074.23<0.000 1**B21.2711.2732.600.000 7*C20.4210.4210.860.013 2*殘差0.2770.039 失擬項0.05530.0180.340.800 2純誤差0.2240.055總誤差6.3716

?R2=0.957 1，RAdj2=0.901 9，CV=4.20%，信噪比12.433。

表3顯示，模型P<0.000 1，失擬項P=0.323 8>0.05，說明該模型顯著。R2=0.984 5，RAdj2=0.964 6，說明該擬合方程與實際情況相符，且誤差較小，能充分反映各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系。變異系數(shù)CV=3.02%，說明模型的重現(xiàn)性很好[20]。模型A2、B2項極顯著(P<0.000 1)，C、AB、BC、C2項顯著(P<0.05)，A、B、AC項不顯著(P>0.05)。由F值大小可推斷持水力影響因素的主次順序為齒間距>粉碎時間>液料比。

表4顯示，模型P=0.000 5<0.05，相關(guān)系數(shù)R2=0.957 1，模型修正系數(shù)RAdj2=0.901 9，失擬項P=0.800 2>0.05不顯著，表明模型擬合程度較好，回歸方程能很好地描述各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系。模型A2項極顯著，AB、BC、B2、C2項顯著，但A、B、C、AC項不顯著。由F值大小可推斷3個因素對持油力影響的主次順序為粉碎時間>齒間距>液料比。

對二次多項式回歸方程進(jìn)行計算，得到最佳持水力、最佳持油力和兩者兼顧時的最優(yōu)工藝條件，結(jié)果見表5。其中，兩指標(biāo)兼顧時的最佳工藝條件為：液料比90.27∶1 (mL/g)，粉碎時間7.51 min，齒間距12.97 μm。考慮到實際操作的便利性，將其條件修正為：液料比90∶1 (mL/g)，粉碎時間7.50 min，齒間距13 μm。該條件下，持水力和持油力的預(yù)測值為12.52 g/g和5.54 g/g。驗證實驗測得KPDF持水力為12.47 g/g，持油力為5.45 g/g，與預(yù)測值差異在5%范圍內(nèi)，表明該模型優(yōu)化所得的工藝條件可靠。

表5響應(yīng)面試驗得到的不同指標(biāo)的理論最佳工藝條件和預(yù)測值

Table 5 Theoretically optimal conditions and predicted values for various indices obtained from Box-Behnken experiments

指標(biāo)液料比(mL/g)粉碎時間/min齒間距/μm預(yù)測值/(g·g-1)持水力88.487.7713.5212.56持油力91.087.4112.615.55持水力+持油力90.277.5112.9712.52+5.54

2.5 改性前后KPDF理化特性

表6顯示，KPDF平均粒徑(D50)由改性前的1 040 μm減小到58 μm，改性后平均粒徑降低了94.42%。因KPDF顆粒減小，比表面積增大，與水、油的接觸面積增加，其持水力、持油力、膨脹力達(dá)到12.47 g/g、5.45 g/g和11.56 mL/g，比改性前分別增長了136.09%，63.34%，157.46%；其溶解度、CEC達(dá)到15.70%和23.10 mmol/g，比改性前增長了80.46%，31.62%，是因為改性后部分不溶性KPDF轉(zhuǎn)變成可溶性KPDF，且KPDF的側(cè)鏈基團(tuán)得以暴露所致。潘曼[21]采用酶解法從榨汁后的獼猴桃果渣中制備到DF，其持水力、持油力、膨脹力分別為5.24 g/g、1.06 g/g、7.05 mL/g，與表6中改性前產(chǎn)品相比，其持油力較低，但持水力和膨脹力較高；楊遠(yuǎn)通[22]將獼猴桃果渣DF改性，所得產(chǎn)品的持水力、持油力、膨脹力分別為9.97 g/g、7.06 g/g、13.6 mL/g，與表6中改性后產(chǎn)品相比，其持水力較低，但持油力和膨脹力較高。產(chǎn)生差異的原因可能與皮渣和果渣的物質(zhì)組成不同有關(guān)。

表6 KPDF改性前后的理化特性

3 結(jié)論

試驗考察了膠體磨濕法改性工藝中齒間距、液料比、粉碎時間對獼猴桃皮膳食纖維持水性和持油性的影響。得到最佳粉碎改性工藝條件為液料比90∶1 (mL/g)，粉碎時間7.50 min，齒間距13 μm，此條件下的改性獼猴桃皮膳食纖維平均粒徑為58 μm，持水力為12.47 g/g，持油力為5.45 g/g，膨脹力為11.56 mL/g，溶解度為15.70%，陽離子交換能力為23.10 mmol/g，較改性前的指標(biāo)均有顯著提高。說明膠體磨濕法改性方法對獼猴桃皮膳食纖維有顯著的改性效果。膳食纖維改性的目的是為了能在食品中產(chǎn)生更好的感官體驗和更高的營養(yǎng)價值，所以此試驗得到的改性獼猴桃皮膳食纖維在如肉制品、焙烤制品、飲料等各類食品中應(yīng)用時對食品的感官品質(zhì)、營養(yǎng)價值有何影響還有待進(jìn)一步的研究。