苹果渣膳食纤维微波辅助脱色的工艺参数研究*

刘素稳，侍朋宝，李汉臣，李军，高海生

(河北科技师范学院食品科技学院，河北昌黎，066600)

苹果渣膳食纤维微波辅助脱色的工艺参数研究*

刘素稳，侍朋宝，李汉臣，李军，高海生

(河北科技师范学院食品科技学院，河北昌黎，066600)

对 苹果渣膳食纤维脱色工艺进行了研究，将微波加热技术应用于H2O2脱色工艺中，采用响应面法得出优化条件为:pH值12.5、微波作用时间48 s和H2O2浓度为9.17%，在料液比(g∶mL)1∶14、微波功率480 W条件下，用色差计测得脱色后的白度为57.34%，脱色前原料白度为27.54%，脱色效果显著。所得回归模型拟合情况良好，达到设计要求。扫描电镜和X射线衍射分析表明微波对苹果渣纤维表面的微结构有破坏作用。

微 波，脱色，苹果渣膳食纤维，响应面

膳食纤维作为一种功能性食品基料，受到越来越广泛关注。研究表明，膳食纤维有多种生理功能，它可以维持正常的血糖、血脂和蛋白质水平，并可控制体重、预防结肠癌、糖尿病、冠心病等［1］。中国是苹果汁生产大国，其生产过程中产生大量的苹果渣，苹果渣中含有丰富的膳食纤维，是制备膳食纤维的良好原料，合理利用苹果渣，变废为宝，不仅保护环境，也有利于提高苹果附加值［2－3］。

由于苹果渣含有丰富的多酚类物质，在空气中极易氧化褐变，以及在提取膳食纤维过程中，酸碱处理使果渣色泽加深，严重影响膳食纤维的感官效果和应用范围，所以必须对苹果渣进行脱色处理［4］。目前常用的脱色方法有还原法和氧化法，还原法脱色后在有氧或氧化剂存在时易复色，工业上常用的纤维氧化脱色剂是次氯酸盐、双氧水(H2O2)等，它们均能对膳食纤维进行氧化脱色。次氯酸盐由于在脱色反应中有氯的存在，使膳食纤维产品带有氯味，在膳食纤维脱色中不宜应用。用H2O2漂白脱色，即用氧化剂使有色物质氧化分解成低分子醛、羧酸、CO2等物质，且在脱色后不易复色［5］。近年来，微波技术以其促进反应的高效性和强选择性、操作简便、副产物少、产率高及产物易于提纯等优点已被广泛应用生化蛋白质水解、有机合成、酯化等反应中［6］。本研究以 H2O2为脱色剂，利用微波的特点，研究了苹果渣纤维的最佳脱色工艺参数，以期得到较好的利用。

1 材料与方法

1.1 主要材料与仪器设备

干苹果渣膳食纤维(蛋白质2.6%，总膳食纤维55.4%，粗脂肪2.7%，含水率10.1%，灰分1%)，由山东烟台北方安德利果汁股份有限公司提供。

PHS-3C型精密pH计，上海仪器仪表有限公司。FA2004型电子天平，上海良平仪器仪表有限公司。WSC－S测色色差计，上海精密科学仪器有限公司。WD750BS微波设备:频率2450 Hz，900 W，广东顺德。JFSD-70实验室粉碎磨，上海嘉定粮油有限公司。KYKY-2800SEM扫描电子显微镜，中国科学院北京科学仪器研究中心。D/max-2500PC型X射线衍射仪，日本理学。

1.2 实验方法

1.2.1 苹果膳食纤维的脱色

在进行工艺优化以前，在大量预实验的基础上，确定了影响实验的5个因素，结合单因素实验结果，根据Box-Behnken中心组合试验设计原理，选取影响纤维脱色的主要因素，以pH值(X1)、微波作用时间(X2)、H2O2浓度(X3)为输入变量，以脱色白度为指标Y，进行3因素3水平响应面分析试验，优化纤维脱色的工艺条件。将脱色后膳食纤维用去离子水漂洗2次，然后用色差仪测量相对白度。实验因素水平编码表见表1。

表1 因素水平编码表

1.2.2 与其他脱色方法的对比试验

采用已报道的其他脱色方法对苹果渣膳食纤维脱色，测量相对白度，试验重复3次取平均值。具体的试验条件如下:(1)以乙醇为浸提剂，料液比(g∶mL)1∶20，浸提时间 40 min，浸提级数 2 级［7］;(2)H2O2水浴脱色，pH值12，H2O2质量分数8%，温度100℃，处理时间 2 h［4］。

1.2.3 白度的测定

取脱色后的苹果膳食纤维，均匀的平铺于色差计比色杯内，采用Hunter L*a*b*表色系统，其中L*为表色系统中的亮度值(即白度)［8］。

1.2.4 脱色苹果膳食纤维的电镜扫描

微波脱色后的苹果膳食纤维，利用离子镀膜仪镀金，然后在扫描电镜下观察［9］。

1.2.5 脱色苹果膳食纤维的X射线衍射

利用D/max-2500PC型X射线衍射仪进行X射线衍射分析［9－10］。

1.3 数据分析

所有试验均进行3次重复，数据分析用design expert 7.0分析。

2 结果与讨论

2.1 主要影响因素

2.1.1 pH值对脱色效果的影响

在H2O2质量分数为10%，脱色时间50 s，微波作用功率480 W，料液比(g∶mL)1∶14条件下，采用不同pH值对H2O2脱色效果进行比较，结果如图1。

图1 pH值对脱色效果的影响

由图1可见，随pH值的增加，苹果膳食纤维白度逐渐增大，pH值为12时脱色效果最好。当pH值大于12时，脱色白度不再明显增强。增大pH值HO2－增大，脱色效果增强，所以H2O2脱色试验在碱性条件下进行。如果 pH值超过一定值，会造成H2O2无效分解(H2O2→1/2O2+H2O)，使反应液中H2O2质量分数下降，分解产物O2与木质素中的某些活性部位反应形成可与金属离子螯合显色的邻酚结构，从而导致深色化效果。因此pH值应严格控制在适宜范围内［4，11－12］。

2.1.2 微波作用时间对脱色效果的影响

在H2O2浓度为10%，pH值12，微波作用功率480 W，料液比1∶14条件下，微波作用不同时间对H2O2脱色效果进行比较，如图2所示。

图2 微波作用时间对脱色效果的影响

由图2可见，随微波作用时间的延长，苹果膳食纤维白度逐渐增大，时间为50 s时脱色效果最好。大于50 s后，脱色白度不再增加，可能由于时间过长造成H2O2部分分解，反而效果变差。

2.1.3 H2O2浓度对脱色效果的影响在pH值12，脱色时间50 s，微波作用功率480 W，料液比1∶14条件下，H2O2不同浓度对脱色效果进行比较，结果如图3。

图3 H2O2浓度对脱色效果的影响

如图3所示，随H2O2质量分数的增大，苹果膳食纤维白度逐渐先增大后减小，H2O2质量分数为10%时脱色效果最好。大于10%后，脱色效果降低。H2O2的质量分数对脱色白度也有较大影响，质量分数高，产生的HO2－就多，脱色效果就好，但质量分数达到一定时，效果反而变差。

2.2 模型建立与显著性检验

在单因素实验基础上，进行响应面分析试验，结果见表2。利用Design Expert软件对表2数据进行多元回归拟合，获得响应值——白度(Y)对影响白度的关键因子——pH值(X1)、微波作用时间(X2)和H2O2浓度(X3)的二次多项式回归模型为:

表2 试验设计与结果

对模型进行方差分析及回归系数显著性检验，结果见表3。

表3 回归模型及方差分析

进一步对回归方程进行分析，其系数显著性结果见表3。此模型的P＜0.01，响应面回归模型达到极显著水平。相关系数R2=0.9368，说明此方程在本试验中有意义，模型能够反应响应值变化，试验误差小，可以用此模型对苹果纤维脱色进行分析和预测。方差分析结果表明，本试验建立的模型中X1、X32对苹果纤维脱色白度的影响极为显著(P＜0.01)X3对苹果纤维脱色白度的影响为显著(P＜0.05)，各项数据分析表明该模型失拟不显著，说明残差由随机误差引起，因此该二次方程能够较好地拟合真实的响应面［13－15］。

2.3 模型验证

基于Design Expert软件的优化功能获得最优脱色条件，苹果膳食纤维白度最大预测值为57.94%，此时3个关键因子的取值为:pH值编码1，微波作用时间编码－0.55，H2O2浓度编码0.17。为了验证模型的有效性，取响应值为57.94%进行了模型验证试验，其结果为57.34%(n=3)，与原料27.54%相比，有显著性差异，如图4所示(左侧样本为脱色后，右侧为脱色前)。苹果膳食纤维白度预测值与实测值相近，相对误差在1%左右，证明应用响应面法优化苹果膳食纤维微波脱色的关键因子是可行的。

图4 微波作用H2O2脱色前后

2.4 不同脱色方法的对比试验

分别采用乙醇浸提、H2O2水浴及H2O2微波脱色对苹果渣膳食纤维脱色，比较了不同方法的脱色时间及脱色后产品的脱色效果，结果见表4。

表4 不同脱色方法对苹果渣膳食纤维的脱色效果

表4显示，将苹果渣膳食纤维脱色至各方法的最优效果所需时间有很大差异，H2O2微波所需时间最短，脱色效果最好，其他方法如乙醇浸提、H2O2水浴脱色时间较长，脱色效果稍差。

2.5 微波作用H2O2脱色对苹果膳食纤维显微结构影响

图5为处理前后苹果膳食纤维在放大500倍时的扫描电镜照片，由于实验选取的苹果膳食纤维是经过压榨取汁后的苹果膳食纤维，所以苹果膳食纤维没有完整的细胞组织，其细胞已经遭到破坏。由图5中可以看出，苹果膳食纤维在微波作用前已经有明显的裂痕，经微波作用后裂痕条数增多，其组织裂痕更严重。通过与其他方法对比发现，乙醇浸提、H2O2水浴等作用后，对苹果渣膳食纤维的结构没有明显影响，而随着微波功率的增大，其破碎程度也增大。表明微波作用对苹果膳食纤维的组织结构有直接影响，使组织出现裂痕、破碎。主要是由于微波加热速度较快，物料温度迅速升高，而苹果膳食纤维组织不是均匀介质，微波处理导致苹果膳食纤维局部过热，使局部过热组织结构破坏，出现裂痕［16－17］。

2.6 微波作用H2O2脱色前后苹果膳食纤维的X射线衍射分析

有研究表明，纤维素类物质是由70%有序结晶纤维区和30%无序非晶态纤维素、半纤维素区组成，高度有序的纤维素区具有结晶性［18－19］。由图6可以看出，微波作用H2O2脱色前后苹果膳食纤维的X射线衍射图谱明显不同，苹果膳食纤维纤维素结晶性发生改变。右侧较大尖细峰为脱色产生的溶剂残留，产生了溶剂峰。另外，由电镜观察到的纤维素表面裂纹，可能是由于纤维素的结晶性遭到破坏，产生晶间裂纹。

图5 脱色处理前后苹果膳食纤维扫描电镜照片

图6 处理前后苹果膳食纤维X射线衍射曲线

3 结论

利用响应面法对微波辅助双氧水脱色的关键因子进行了优化。建立了脱色白度与3个关键因子(pH值、H2O2浓度及微波作用时间)的二次多项式回归模型，同时利用模型的响应面及其等高线对苹果膳食纤维脱色的关键因子进行了分析，在料液比1∶14，功率480 W的条件下，得出了微波作用膳食纤维脱色的关键因子的优化条件为:pH值12.5、微波作用时间48s和H2O2浓度为9.17%，用色差计测得脱色后的白度为57.34%，脱色前原料白度为27.54%。脱色效果显著，明显优于其他传统方法，效率大大提高。在节能方面，若在生产中考虑微波加热的功率合理匹配，微波处理的能耗可以进一步降低。扫描电镜和X射线衍射分析表明微波对苹果膳食纤维纤维表面的微结构有破坏作用。但纤维素断裂表面微结构的变化及其对物性的影响有待进一步研究。

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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

硕士，讲师(李军教授为通讯作者)。

*“十一五”支撑计划课题——苹果果胶系列产品优质苹果汁开发及产业化示范(2006BAD05A13)

2010－08－10，改回日期:2010－12－03