水浴和超声法制备苹果渣可溶性膳食纤维及其性能的研究

高 悦，张 莹，路 祺，项凤影，陈晓强，张 军

（东北林业大学森林植物生态学教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨150040）

我国是世界苹果生产第一大国，2010年我国苹果产量为3326万t，占世界的一半以上。目前71%的苹果以鲜食形式消费，大约20%被用于生产加工成浓缩苹果汁、苹果酒和果酱等产品[1]。苹果渣是苹果榨汁后的废料，占苹果总重的25%[2]。果渣除部分用作燃料和饲料外，果汁厂都将果渣当作废物抛弃。抛弃的果渣会在短时间内腐烂，变酸变臭，造成了环境的极大污染和资源的巨大浪费[3-5]。开发利用苹果渣制取膳食纤维不仅可以解决苹果加工企业的难题，而且还能变废为宝，解决环境污染问题。对环境保护、资源合理利用都有着重要的作用。苹果膳食纤维的分离制备方法大致可分为四类：粗分离法、化学分离法、膜分离法及微生物与酶分离法。

超声波提取是一种利用超声波在液体中产生的空化效应以及其对作用物产生的机械作用从而使大分子达到机械性断键效果的技术，因为能够增大溶剂向原料细胞的渗透量并破坏细胞壁，强化传质，有效加速溶质的提取过程，与传统提取工艺相比较，具有提取时间短、提取效率高等优点[6]，常用于生物活性成分提取。当前，有关超声辅助法提取苹果渣可溶膳食纤维的工作未见报道。因此本文以苹果渣为原料，研究水浴和超声法制备苹果渣可溶性膳食纤维及其性能，为提高苹果加工产品的附加值，使其变废为宝提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

苹果渣 山东绿维果蔬汁生产有限公司提供；95%乙醇，冰醋酸，无水乙酸钠，DPPH 均为分析纯。

MAGNA-IR560 E.S.P傅立叶红外光谱仪 美国Nicolet公司；KQ-250DB数控超声波清器 昆明是超声仪器有限公司；MX2600FE扫描电子显微镜 英国Camscan公司；D/MAX 2200X光衍射仪日本Rigaku公司。

1.2 实验方法

1.2.1 单因素实验

1.2.1.1 水浴法 在温度80℃，水浴时间90m in，水浴料液比1∶20g/m L和pH3条件下，固定其中一个因素的取值，探讨温度（30、40、50、60、70、80、90℃）、时间（15、30、45、60、90、120m in）、料液比（1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶60和1∶80g/m L）和pH（2、3、4、5、6、7）对苹果渣SDF得率的影响。

1.2.1.2 超声法 在超声时间45m in，超声料液比1∶20g/m L，超声功率225W，超声温度60℃和pH 3条件下，固定其中一个因素的取值，探讨超声温度（30、40、50、60、70、80℃）、超声时间（15、30、45、60、90、120m in）、超声料液比（1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶60、1∶80g/m L）、pH（2、3、4、5、6、7）和超声功率（125、150、175、200、225、250W）对苹果渣SDF得率的影响。

1.2.2 苹果可溶性膳食纤维制备工艺流程

苹果渣→烘干→粉碎→清洗→提取可溶膳食纤维→离心浓缩→醇沉→烘干、粉碎→可溶性膳食纤维

取10g苹果渣（绝干），用水浸泡约30min，温水洗涤去掉其中的可溶性糖分，加入乙酸-乙酸钠缓冲液，在预定条件下提取可溶性膳食纤维，离心分离后对清液进行减压浓缩，直至成粘稠状液体。冷却后用95%的乙醇进行沉析，再用乙醇洗涤，真空干燥、粉碎，即得苹果可溶性膳食纤维（SDF）。

1.2.3 可溶性膳食纤维得率 按照下面公式计算苹果渣SDF得率，每个样品测定三次取平均值。

式中，A为可溶性膳食纤维得率（%）；m为得到的可溶性膳食纤维质量（g）；M为原料质量（g）。

1.2.4 傅里叶红外光谱分析 将2.0mg试样与200mg溴化钾（KBr）经玛瑙研钵研磨后压片，采用美国Nicolet公司的MAGNA-IR560 E.S.P型红外光谱仪（扫描范围4000～400cm-1）测定。

1.2.5 X-射线衍射（XRD）分析 实验样品在日本Rigaku D/MAX 2200型X光衍射仪上进行主要晶相结构分析。测定条件：Cu靶，管压：50kV；管流：30mA；2θ扫描范围：10°～60°；扫描速度：4°/m in。每个样品分两次测量，取平均值。

1.2.6 电镜扫描 将样品烘干、粉碎过80目筛，镀金处理，置扫描电镜下观察[8]。

1.2.7 抗氧化能力测定 依据Blois方法，采用DPPH自由基清除能力来评价可溶性膳食纤维抗氧能力，取一定量的样品溶液，取0.1m L样品水溶液加入3.9m L的DPPH乙醇溶液（浓度25mg/L），同时做空白实验，室温避光反应30min，反应结束在517nm处测定吸光值。按照下面公式计算抗氧化能力，每个样品测定三次取平均值。

式中，Y为DPPH去除率（%），其中A0为空白样品在517nm处吸光值，A1为样品在517nm处吸光值[7]。

2 结果与讨论

2.1 各个因素对苹果渣SDF得率的影响

2.1.1 pH的影响 由图1可知，随着提取液pH的增加苹果渣SDF得率随之增加，在提取液pH等于5时达到最大值，水浴法苹果渣SDF得率为12.76%；超声法苹果渣SDF得率为14.14%。之后，随着提取液pH的进一步增加苹果渣SDF得率开始降低。这是因为当pH较低的时候，提取液酸性较强，导致苹果渣SDF大量水解，苹果渣SDF得率低。随着提取液pH的升高，提取液酸性降低，苹果渣SDF水解作用减弱，得率逐渐增加。当提取液pH大于5时，苹果渣中纤维水解缓慢或者不发生反应，导致苹果渣SDF得率降低。另外，从图1中可以明显看出，超声法苹果渣SDF得率高于水浴法苹果渣SDF得率。

图1 pH对苹果渣SDF得率的影响Fig.1 Effect of pH on the SDF yield of apple pomace

2.1.2 时间的影响 提取时间对苹果渣SDF的得率有明显的影响见图2。当超声时间45m in时，苹果渣SDF得率达到最大值，继续延长超声时间苹果渣SDF得率略有降低，这是因为时间过短苹果渣SDF提取不完全，时间过长导致苹果渣SDF过度水解也影响得率；水浴时间与苹果渣SDF得率关系与超声相似，也呈现随着提取时间延长，苹果渣SDF得率开始增加，当水浴时间超过90m in时，苹果渣SDF得率平缓的趋势。

图2 时间对苹果渣SDF提取率的影响Fig.2 Effectof time on the SDF yield of apple pomace

2.1.3 料液比的影响 从图3可以看出，不论超声法还是水浴法，苹果渣SDF得率都随着料液比的增大而增加，在1∶20时苹果渣SDF得率达到最大值，再进一步提高料液比，苹果渣SDF得率增加不明显并趋于平缓。这是由于料液比较小时，苹果渣中纤维素水解反应不完全，苹果渣SDF得率较低，当料液比增加到一定值后，苹果渣中纤维素水解反应彻底，苹果渣SDF得率也不再增加。

图3 料液比对苹果渣SDF提取率的影响Fig.3 Effectof solid-liquid ratio on the SDF yield of apple pomace

2.1.4 温度的影响 从图4可以看出，随着提取温度的升高，水浴和超声两种方法的苹果渣SDF得率分别以80℃和60℃为转折点，呈现先增加后降低的趋势。这是因为过高的温度会造成苹果渣SDF过度水解，收率降低。由于超声起到促进苹果渣SDF水解的作用，因而其转折点温度低于水浴。

图4 温度对苹果渣SDF提取率的影响Fig.4 Effectof temperature on the SDF yield of apple pomace

图5 超声功率对苹果渣SDF提取率的影响Fig.5 Effectof ultrasonic power on the SDF yield of apple pomace

2.1.5 超声功率的影响 苹果渣SDF得率随着超声功率增加，呈先逐渐增的加趋势，当超声功率超过225W时，苹果渣SDF得率开始降低。这主要是由于随着超声功率增加纤维水解作用增强，苹果渣SDF得率增加。但超声功率过高时苹果渣SDF水解加剧，得率反而降低。

2.2 红外光谱分析

图6 苹果渣、苹果渣提取剩余物以及苹果渣SDF红外光谱Fig.6 FTIR of apple pomace，the extraction residues of apple pomace and SDF of apple pomace

对红外光谱进行分析可知（见图6），在3402cm-1附近出现的峰是O-H的伸缩振动，2923cm-1和2852cm-1附近处是糖类甲基和亚甲基的C-H伸缩振动峰，1200～1400cm-1附近是C-H变角振动峰，这些吸收峰都为糖类的特征吸收峰。苹果渣、苹果渣提取剩余物（超声法）和苹果渣SDF样品（超声法）的红外图谱中均有此类特征吸收峰[9]。

从图6可以明显看出，苹果渣SDF的红外光谱图在3402cm-1附近出现强圆底峰，表明超声苹果渣SDF存在较强分子间和分子内的氢键；1620cm-1附近较强的峰是C=O的伸缩振动峰；1415cm-1附近是C-H弯曲振动峰，为木聚糖的特征峰[10]；1102cm-1附近是C-OH的弯曲振动峰。

2.3 XRD分析

由图7XRD谱图可以看出，苹果渣和苹果渣提取剩余物样品（超声法）在2θ为21.22°处有明显的结晶衍射峰，在15.78°和34.80°处也出现了衍射峰，说明是纤维素Ⅰ的特征X-射线衍射曲线。这表明苹果渣和苹果渣提取剩余物的晶体类型属于纤维Ⅰ型，为结晶区与非结晶区两相共存的状态[11]。苹果渣和苹果渣提取剩余物样品的峰形和峰强度略有变化，说明苹果渣提取剩余物结晶区更多，结晶度更高。图7（c），可以看出苹果渣SDF（超声法）具有高纯度和高结晶度。

2.4 SEM分析

图8为苹果渣、苹果渣提取剩余物（超声法）和苹果渣SDF（超声法）放大3000倍的扫描电镜照片。从图8（a）中可以明显看出苹果渣表面相对光滑没有明显裂痕，而图8（b）是经过超声处理的苹果渣提取剩余物表面有明显的裂痕。说明超声处理促使苹果渣的组织结构破坏，有利于纤维素进一步水解。图8（c）苹果渣SDF（超声法）呈现规整的片层结构，这与XRD结果相一致。

图7 苹果渣（a）、苹果渣提取剩余物（b）和苹果渣SDF（c）的X射线衍射图Fig.7 XRD of apple pomace（a），the extraction residues of apple pomace（b）and SDF of apple pomace（c）

图8 苹果渣（a）、苹果渣提取剩余物（b）和苹果渣SDF（c）的扫描电镜图（3000×）Fig.8 SEM of apple pomace（a），the extraction residues of apple pomace（b）and SDF of apple（c）（3000×）

2.5 抗氧化能力

图9 苹果渣和苹果渣SDF抗氧化能力Fig.9 Antioxidant capacity of apple pomace and SDF of apple pomace

苹果渣和苹果渣SDF（超声法）抗氧化能力见图9。从图9可以看出，苹果渣和苹果渣SDF抗氧化能力都与浓度有关，随着样品浓度的提高，抗氧化能力也随之增加。在相同浓度下，苹果渣SDF抗氧化活性比苹果渣抗氧化活性高很多，但都远低于商业合成抗氧化BHA。

3 结论

3.1 单因素条件下水浴法提取苹果渣SDF适合工艺条件为：水浴温度80℃，水浴pH 5，水浴料液比1∶20和水浴时间90m in。在此条件下苹果渣SDF得率为12.76%。

3.2 单因素条件下超声法提取苹果渣SDF适合工艺条件为：超声温度60℃，超声pH5，超声料液比1∶20，超声时间45m in和超声功率225W。在此条件下苹果渣SDF得率为14.14%。

3.3 本实验水浴法苹果渣SDF得率与陈存社等[12]酸法苹果渣SDF（11.4%）得率相当，超声法提取苹果渣SDF得率略低于其碱法提取苹果渣SDF（16.1%）得率，这表明超声波只能在一定程度上增加苹果渣SDF得率。

3.4 苹果渣和苹果渣SDF（超声法）抗氧化能力都与浓度有关，在相同浓度下，苹果渣SDF抗氧化活性比苹果渣抗氧化活性高很多，但都远低于商业合成抗氧化BHA。

[1]Kaushal N K，Joshi V K，Sharma R C.Effect of stages of apple pomace collection and treatment on physio-chemical and sensory qualities of pomace leather[J].Journal of Food Science and Technology，2002，39（4）：388-393.

[2]Francielo V，Patrcia M A，Fernanda S，et al.Apple pomace：a versati1e substrate for biotechnological applications[J].Critical Reviews in Biotechnology，2008，28（1）：1-12.

[3]籍宝平，尤希风，张博润.苹果渣发酵生产饲料蛋白的工艺条件[J].生物工程进展，1999，19（5）：30-32.

[4]孔祥浩，郭金双.葡萄渣饲用研究概况[J].中国饲料，1997（6）：37-38.

[5]张玉臻，林学致，刘宏.苹果渣皮固态发酵的研究[J].食品与发酵工业，1996（3）：29-32.

[6]Patist A，Bates D.Ultrasonic innovations in the food industry：From the laboratory to commercial production[J].Innovative Food Science and Emerging Technologies，2008，9（2）：147-154.

[7]郭爽.四种抗氧化剂的活性研究及测定总抗氧化能新法初探[D].郑州：河南农业大学，2005.

[8]乐胜锋.苹果渣膳食纤维的制备及其性能表征[D].北京：北京工商大学，2011.

[9]陈宗其.胶体化学[M].北京：高等教育出版社，1985.

[10]张艳华，凡启光，何建新.木棉纤维的结构与热性能[J].山东纺织科技，2009（1）：48-52.

[11]高洁，汤烈贵.纤维素科学[M].北京：科学出版社，1999：41-60.

[12]陈存社，董银卯，赵华，等.苹果膳食纤维改性实验研究[J].食品工业科技，2003，24（6）：34-35.