黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉制備及特性研究

羅 欣 周彥強 吳光斌 陳發河

(集美大學食品與生物工程學院，福建 廈門 361000)

黃秋葵(AbelmoschusesculentusL. Moench)，又稱秋葵、羊角菜，起源于非洲，目前在中國被廣泛種植[1-2]。黃秋葵的嫩莢中含有大量的黏性多糖，其主要成分包括果膠多糖、阿拉伯聚糖、半乳聚糖及少量糖蛋白[3]；并富含酚類物質，主要包括低聚兒茶酚和黃酮類衍生物[4]。近年來隨著黃秋葵加工技術研究的深入，出現了一些高附加值產品，如黃秋葵發酵酒等[5-6]。

膳食纖維(dietary fiber，DF)主要存在于糧谷、果蔬及菌菇類等食物中，按其水溶性分為可溶性膳食纖維(SDF)和不溶性膳食纖維(IDF)，分別具有不同生理功能[7-9]。SDF包括果蔬中的果膠、葡甘聚糖等，IDF包括纖維素、木質素、半纖維素等，主要存在于糧谷中。DF的防止排泄系統疾病、預防肥胖癥、降血壓、改善腸道菌群等功能已被廣泛研究[10-11]。研究[12-13]表明，IDF與SDF比例關系直接決定DF的生理功能，SDF含量占比超過膳食纖維總量(TDF)的30%、或SDF/IDF為0.43～1.00有利于充分發揮其生理功能。與糧谷類膳食纖維相比，果蔬類膳食纖維中除富含SDF外，還含有豐富的類黃酮、花色素等物質，這些物質具有抗氧化、消炎抑菌和調節免疫力等作用[14]。伴隨著現代科學技術的發展，膳食纖維的加工引入很多新型加工技術，如超高壓和超微[15-16]、動態微流化[17]、蒸汽爆破[18]和空化微射流[19]技術等。

黃秋葵果莢中含有大量的膳食纖維，主要為可溶性的果膠多糖和不溶性的纖維素，在黃秋葵酒的釀造過程中膳食纖維不易被利用，這為黃秋葵發酵酒渣中膳食纖維粉的制作提供了可能。目前利用黃秋葵酒渣制備果膠多糖的研究較多[20-21]，但利用黃秋葵酒渣制備膳食纖維尚未見報道。文章擬以黃秋葵酒渣為原料，研究黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉制備工藝及其特性，以期為黃秋葵的綜合開發利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

黃秋葵發酵酒渣：將發酵后的酒渣曬干，磨粉，過40目篩后于冰箱貯藏，廈門市如意情有限公司；

甲醇、無水乙醇：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

氯仿、丙酮：分析純，西隴化工股份有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

膠體磨：SS1型，上海順儀實驗設備有限公司；

高壓均質機：MA35型，上海順儀實驗設備有限公司；

噴霧干燥機：F1D-5型，上海順儀實驗設備有限公司；

分析天平：Me104型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；

激光粒度儀：ZSP300型，英國馬爾文公司；

掃描電子顯微鏡：P-Pro型，德國Phoenix公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理 將黃秋葵發酵酒渣用20倍70%的乙醇浸提兩次，使用5倍氯仿和甲醇混合溶劑(V氯仿∶V甲醇為1∶1)提取1 h除去色素等雜質，使用丙酮洗滌后烘干，得到醇不溶固形物(AIS)，備用。

1.2.2 黃秋葵酒渣膳食纖維制備工藝 取一定量的AIS，加入適量水，膠體磨粉碎3次；使用高壓均質機均質，設定一級壓力5 MPa，二級壓力40 MPa，溫度25～30 ℃，均質處理3次，噴霧干燥。

1.2.3 噴霧干燥工藝優化

(1) 進樣口溫度對噴霧干燥效果的影響：調整風機頻率使出口溫度控制在80～90 ℃，蠕動泵進料速度800 mL/h，考察進樣口溫度(170，190，210，230，250 ℃)對樣品漿液噴霧干燥效果的影響。

(2) 總固形物含量對噴霧干燥效果的影響：進樣口溫度210 ℃，調整風機頻率使出口溫度控制在80～90 ℃，進料流速800 mL/h，考察總固形物含量(3%，5%，7%，9%，11%)對樣品漿液噴霧干燥效果的影響。

(3) 蠕動泵進料速度對噴霧干燥效果的影響：進樣口溫度210 ℃，調整風機頻率使出口溫度控制在80～90 ℃，考察蠕動泵進料速度(600，800，1 000，1 200，1 400 mL/h)對樣品漿液噴霧干燥效果的影響。

1.2.4 產品得率計算 按式(1)計算產品得率。

(1)

式中：

Y——產品得率，%；

m1——噴霧干燥后黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉質量，g；

m——噴霧干燥前黃秋葵酒渣總質量，g。

1.2.5 水分含量 采用快速水分測定儀測定。

1.2.6 灰分 在已知恒重的瓷坩堝中稱取0.5～1.0 g試樣，用小火緩緩加熱至完全炭化，于馬弗爐中 550 ℃灼燒灰化至恒重。按式(2)計算灰分。

(2)

式中：

X——試樣中灰分的含量，%；

m0——試樣質量，g；

m1——坩堝質量，g；

m2——坩堝和灰分質量，g。

1.2.7 粉體特性

(1) 堆積密度：將顆粒自由填充于某一容器后測得的單位體積質量，反映孔徑和顆粒間空隙的密度。按式(3)計算黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉的堆積密度。

(3)

式中：

B——堆積密度，g/mL；

M1——量筒質量，g；

M2——黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉和量筒的總質量，g。

(2) 振實密度：規定條件下容器中的粉末經振實后所測得的單位容積質量，按式(4)計算振實密度。

(4)

式中：

T——振實密度，g/mL；

M——黃秋葵發酵酒渣粉末總質量，g；

V0——粉末不穩定的表觀體積，mL；

V1——粉末振實后的體積，mL。

(3) 壓縮度：按式(5)進行計算。

(5)

式中：

W——壓縮度，%；

T——振實密度，g/mL；

B——堆積密度，g/mL。

(4) 休止角：將漏斗垂直固定于水平放置的玻璃板上方，漏斗下口距離玻璃板高度H為1 cm。黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉適量緩慢倒入漏斗，直到漏斗的出口與離玻璃板粉末圓錐體的尖端接觸；量取粉末圓錐體的直徑2R，反復測定3次。按式(6)計算休止角。

(6)

式中：

α——休止角，°；

H——漏斗下口距離玻璃板高度，cm；

R——圓錐體的半徑，cm。

1.2.8 吸濕特性

(1) 吸濕速率與吸濕百分率：在已恒重的稱量盤底部分別放入厚約3 mm已干燥恒重的粉體，準確稱重后置于恒溫恒濕箱(溫度25 ℃，相對濕度75%)，每隔一定時間稱重，直至吸濕平衡為止，按式(7)計算吸濕百分率。

(7)

式中：

R——吸濕率，%；

M1——吸濕前的質量，g；

M2——吸濕后的質量，g。

以相對濕度75%吸濕平衡時的吸濕百分率表示粉體的吸濕性，計算吸濕速率。

(2) 臨界相對濕度：在已恒重的稱量盤底部分別放入厚約3 mm已干燥恒重的粉體，準確稱重后置于恒溫恒濕箱，于25 ℃放至恒重，計算吸濕百分率。以吸濕率(%)為縱坐標，環境的相對濕度(%)為橫坐標繪制曲線。每個樣品重復3次。

1.2.9 色差分析 使用L*、a*、b*和ΔE表示黃秋葵酒渣果膠多糖的色差，其中L*代表明度；a*代表紅綠色度，a*>0為紅色，a*<0 為綠色；b*代表黃藍色度，b*>0為黃色，b*<0為藍色；ΔE表示色差。

1.2.10 粒度分析 使用無水乙醇作為溶液分散劑，設定折光指數為1.096，介電常數為25.7，黏度為1.103 mPa·s。將樣品直接懸浮于無水乙醇，超聲分散30 s，顆粒折射率為1.52。

1.2.11 掃描電子顯微鏡 取各樣品少許，粘臺噴金，于掃描電子顯微鏡下進行觀察。

2 結果與分析

2.1 黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉制備工藝優化

2.1.1 均質次數 溶液中溶質粒徑減小，內相和外相的密度差增加，以及外相溶劑黏度的增高都有助于降低顆粒的沉降速度并提高漿液的穩定性[22]。由表1可知，隨著均質次數的增多，黃秋葵發酵酒渣顆粒粒徑減小，同時Zeta電位的絕對值增大。當均質次數超過3次時，粒度和Zeta電位點變化不再明顯。所以，最適宜均質次數為3次。通過高壓均質作用可以大大降低溶液粒徑大小，使粒徑分布變窄，同時大大提高溶液的穩定性。但是，物料在高壓均質機處理過程中，除粒徑變小外，往往還伴有其他性質的變化。由于物料表面的破碎，更多的活性基團暴露，微小粒子之間的自吸附性，或者范德華力的吸引，也使得微粒之間很容易形成團聚作用。

表1 均質次數對粒徑和Zeta電位的影響

2.1.2 進樣口溫度 由表2可知，隨著進風溫度的上升，含水率遞減。根據固體飲料國標[23]的規定，固體飲料的含水率應低于5%。當進樣口溫度為190 ℃時，含水率已約等于5%。進樣口溫度為190～230 ℃時產品得率均高于37%，并高于其他溫度下的產品得率。進樣口溫度過低，顆粒中的水分無法在干燥室內及時轉化為氣體，產品仍含有較多水分，同時部分未完全干燥的顆粒會發生黏壁現象，產品得率較低。此外，過高的進樣口溫度可能會使已干燥的物料溫度升高至其黏流溫度，發生熱黏壁現象。當進樣口溫度高于210 ℃時，可觀察到干燥室內壁上的黏壁物料，同時黏壁物料有輕微的焦化。所以，進樣口溫度設定為210 ℃為宜。

表2 進風溫度對噴霧干燥效果的影響

2.1.3 總固形物含量 提高漿液中固形物含量，降低其含水量，可以節約時間和成本。但總固形物含量的上限受限于兩個方面：噴霧干燥體系能干燥的最大量和物料輸送系統所能承受的最高漿料的流動性或黏度。針對漿液中固形物含量影響的研究結果表明，當固形物含量>7%時，物料的流動性變差，黏度變大，輸送開始變得較為困難。所以選擇總固形物含量為7%作為最佳的條件，其值顯著低于甘薯噴霧干燥的最佳固形物含量(25%)[24]、速溶豆粉(15%)[25]、龍眼粉(25%)[26]。這可能是由于試驗漿料固形物中絕大部分為不溶性膳食纖維，果膠多糖類可溶性物質已被大部分除去，所以固形物含量的提高會顯著影響漿料的流動性和黏度。

2.1.4 進料速度 由表3可知，當進料速度較低時，漿液在噴霧過程中可以被充分霧化成粒徑較小的液滴，造成更大的比表面積在熱交換過程中更快地被干燥，從而減少黏壁現象并降低產品含水量；當進料速度增大時，霧化形成的液滴粒徑變大，熱交換過程中傳熱和傳質效率降低，未充分干燥的物料使得黏壁現象和物料中水分含量上升[20]。當進料速度≤1 000 mL/h時，噴霧干燥的效果較好，此時產品得率高，含水量低。綜合考慮，選擇進料速度為800 mL/h。

表3 進料速度對噴霧干燥效果的影響

綜上，較為適宜的噴霧干燥工藝條件為進樣口溫度210 ℃，風機頻率40 Hz，撞針間隔4 s，撞針時間1 s，漿料固形物含量7%，進料速度800 mL/h。收集噴霧干燥的粉末，即可得到黃秋葵膳食纖維粉。

2.2 黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉粉體的基本特性

黃秋葵發酵酒渣超微粉碎后的粒徑變小、顆粒形態的變化、比表面積的增加會影響粉體的松散特性以及流動特性。由表4可知，黃秋葵發酵酒渣的持水率由8.2%增加至10.5%，水分含量由14.8%增加至16.5%，持水率和水分含量的增加可能是由于粒徑的減小導致比表面積增加和表面性質的變化，如纖維基質結構的破壞和更多親水基團的暴露，水分子與羥基結合機會增多[23]，從而導致其親水能力增強，持水率和水分含量增加。堆積密度由0.12 g/mL增加至0.24 g/mL，振實密度由0.16 g/mL增加至0.33 g/mL，休止角由40.4°增加至52.8°。堆積密度、振實密度、休止角等粉體特性對其加工、運輸、包裝、存儲等具有重要意義。超微粉碎后的產品流動性較差，可能是隨著粒度的減小，表面能增加，粒子之間相互吸附作用力變得明顯。同時，酒渣中的蛋白質、脂類物質也被釋放并分散，一定程度上促進了粉體之間的相互作用，降低了超微粉的流動性。

表4 黃秋葵酒渣超微粉體和普通粉體的基本性質

2.3 黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉粉體的色差

由表5可知，超微粉碎后黃秋葵酒渣的明度大于未經超微粉碎的，而紅綠色調、黃藍色調的值均小于未經超微粉碎的。這可能是粒徑的減小、粉體形態的變化和比表面積的增大會使粉體表面更加平整，粉體內部結構暴露，從而導致光的反射更加集中，使得明度增加或造成色澤的改變[27]。此外，噴霧干燥過程中需要將物料經過高溫處理，可能會使黃秋葵酒渣粉末的明度加強、顏色下降，致使其脫離本色。而未經超微粉碎，直接冷凍干燥得到的粉末具有較大的色差，其紅色和黃色的程度較高，更加符合黃秋葵酒渣本來的顏色，這也從側面說明了冷凍干燥能更好地保持物料本身的特性。

表5 黃秋葵粉體色差

2.4 黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉粉體的吸濕特性

2.4.1 吸濕速率與吸濕百分率 由圖1可知，未經超微粉碎的黃秋葵酒渣的吸濕速度大于超微粉碎后的，同時達到吸濕平衡后，超微粉碎后的黃秋葵酒渣的吸濕率大于未經超微粉碎的。未經超微粉碎的黃秋葵酒渣在120 min時達到吸濕平衡，此時的吸水率為21.5%；而黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉在190 min時達到吸濕平衡，此時的吸水率為23.2%。超微粉碎后粒徑的降低和親水基團的暴露，導致最終的吸濕性變大。但是，超微粉碎的黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉的吸濕速度反而降低，可能是噴霧干燥過程中的高溫導致其顆粒收縮和褶皺，顆粒表面堅硬的外殼不利于傳質，故吸濕速度不升反降。

圖1 樣品的吸濕速率

2.4.2 臨界相對濕度 由圖2可知，相同的環境濕度下，超微粉粉碎后的黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉的吸濕性更高，與水分含量結果相符。由圖2、圖3可知，黃秋葵發酵酒渣超微粉碎前后的臨界相對濕度差別不大，分別為70%， 72%，說明當環境濕度>70%時，兩種粉體的相對濕度迅速增加。為了保證粉體在加工、包裝、運輸、貯藏過程中的品質穩定，需要控制環境的相對濕度在70%以下。

圖2 黃秋葵發酵酒渣超微粉和普通粉的吸濕平衡曲線

圖3 黃秋葵發酵酒渣超微粉的吸濕平衡曲線

2.5 黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉粉體的粒度

由圖4可知，黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉的粒度分布集中在 2 000 nm 附近。試驗測定的多擴散系數(PDI)為 0.5，說明其粒度分布跨度較小，粒徑均一。其Z-平均值為 (2 321±245) nm，遠低于超微粉的10～25 μm標準，說明產品粉碎效果良好。

圖4 黃秋葵超微粉的粒徑

3 結論

研究得到的黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉制備工藝，相對于傳統的酶處理或堿處理可有效提高膳食纖維含量，所得產品的色差、持水率、臨界相對濕度、堆積密度、振實密度、壓縮度、休止角、粒徑等理化性質差異顯著，膳食纖維超微粉更易被人體吸收，符合高質量膳食纖維的要求。后續可研究黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉對腸道微生物種群影響。