苹果膳食纤维的挤压改性

陈雪峰， 武凤玲， 杨 阳

(陕西科技大学 生命科学与工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

膳食纤维[1,2]是指具有十个或十个以上单体链节的碳水化合物、不能被人体消化的可食碳水化合物及其类似物.根据溶解性差异，膳食纤维可分为水溶性膳食纤维(SDF)和水不溶性膳食纤维

(IDF)[3].膳食纤维具有降低胆固醇、降血糖、预防便秘和减肥等生理功能[4,5].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，利用苹果渣生产膳食纤维可以增加产品附加值，提高经济效益.膳食纤维的生理活性与其SDF含量高低有很大关系[6].但一般来说，苹果渣中SDF含量只有3%～5%，但是高品质膳食纤维要求其中SDF的含量达10%以上[7]，因此通过改性手段提高膳食纤维中SDF的含量具有重要的应用价值.

挤压改性是一种物理改性方法[8]，在挤压改性过程中，由于物料受到高温、高压和高剪切作用，分子发生裂解及极性变化，促使IDF向SDF转化[9].本试验采用单螺杆挤压技术对苹果膳食纤维进行改性处理，旨在提供一种较优的挤压工艺条件，为苹果渣膳食纤维的生产利用提供一定的参考依据和理论指导.

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

苹果渣：陕西海升果业发展有限公司乾县分公司；氢氧化钠：天津市恒兴化学试剂制造有限公司；浓盐酸：天津化学试剂二厂；95%乙醇：天津化学试剂二厂.以上试剂皆为分析纯.

1.2 仪器与设备

单螺杆挤压机：温岭市犬溪东海机械厂；ACS550-01高性能矢量控制变频器：北京ABB电气传动系统有限公司；HT-8862红外测温仪：广州市宏诚集业电子科技有限公司；BS323S电子天平：赛多利斯科学仪器有限公司；BSA224S-CW分析天平：赛多利斯科学仪器有限公司；PB-10试验室pH计：赛多利斯科学仪器有限公司；HH-4数显恒温水浴锅：国华电器有限公司；H-1850R离心机：长沙湘仪离心机仪器有限公司；101-1AB型电热鼓风干燥箱：天津泰斯特仪器有限公司；高速万能粉碎机：天津泰斯特仪器有限公司.

1.3 实验方法

1.3.1 苹果渣基本成分含量测定

(1)水分测定：GB5009.3-2010；灰分测定：GB 5009.4-2010；蛋白质测定：GB5009.5-2010；脂肪测定GB5009.6-2003.

(2)SDF测定[10]：准确称取1 g样品于100 mL的烧杯中，加入25 mL水，60 ℃下水浴1 h，抽滤，滤液转移到250 mL烧杯中，加入4倍体积的预热到60 ℃的95%的乙醇溶液，室温下静置24 h，离心，弃去上清液，残渣干燥至恒重.

式中,m1表示残渣干重，g；m0表示样品干重，g.

1.3.2 单因素实验

考察各因素不同水平对挤压改性效果的影响，采用Origin 8.0进行绘图.由于挤压改性是一种短时操作，温度很难控制，挤压机内的物料温度受到物料组分、水分和转速等因素的影响[11]，所以本实验中不对温度加以控制，只在实验中给出相应的温度监控数值范围.物料粒度设置20、40、60、80和100目五个水平；加水量是指相对于挤压物料质量所加水分的百分比，设置30%、35%、40%、45%和50%五个水平；螺杆转速采用510、600、690、780和870 r/min五个水平；静置时间设置30、60、90、120和150 min五个水平.四组单因素实验均以单位质量物料中SDF含量为考察指标.

1.3.3 正交试验

在单因素实验的基础上设计三因素三水平正交试验,其因素及水平见表1.

表1 L9(34)正交试验设计

1.3.4 苹果膳食纤维水合性质的测定

试验考察了挤压前后苹果膳食纤维的持水力、结合水力和膨胀力的变化情况.具体测定方法如下.

(1)持水力(WHC)的测定[12]：样品粉碎过80目筛，准确称取0.5 g样品于15 mL离心管中，加入10 mL蒸馏水，震荡摇匀，37 ℃下静置1 h，然后以3 500 r/min离心10 min，弃去上清液，残留水分用滤纸吸干，称重.

式中,m1表示样品湿重，g；m0表示样品干重，g.

(2)结合水力(WBC)的测定[12]：样品粉碎过80目筛，准确称取0.5 g样品，置于50 mL的烧杯中，加入25 mL水，震荡摇匀，40 ℃下保温1 h，用恒重的定量滤纸过滤，沥干水分，测定残留湿样的重量，将滤纸和残留物在105 ℃的烘箱中恒重.

式中,m1表示样品湿重，g；m0表示样品干重，g.

(3)膨胀力(SC)的测定[13]：样品粉碎过80目筛，准确称取0.5 g样品放入带有刻度的玻璃试管中，加入10 mL蒸馏水，震荡均匀，在室温下放置过夜.观察膳食纤维样品在试管中自由膨胀体积.

式中,V表示样品膨胀后体积，mL；m表示样品干重，g.

2 结果与讨论

2.1 苹果渣的基本成分分析

试验测定了苹果渣原料基本成分含量，结果如表2所示.

表2 苹果渣的基本成分含量

2.2 物料粒度对苹果膳食纤维挤压改性效果的影响

试验考察物料粒度对挤压改性的影响，试验温度范围为120 ℃～155 ℃，结果如图1所示.由图1可知，当物料粒度为20目时，挤压改性所得SDF含量最高，粒度40目时SDF含量达到最低，然后又逐渐增高.造成这一现象有两方面的原因：一方面，当粒度适宜时，物料在挤压过程中受到的剪切力、摩擦力、挤压力都最大化；另一方面，经测定，当物料粒度为20～80目时，原料中SDF含量为8.4%～9.4%，当物料粒度为100目时，原料中SDF含量高达12.0%.由此可见，不同粒度的脱色后物料SDF含量有一定差异，二者呈负相关.考虑到20目的原料较易获得，本试验选择物料粒度20目对物料进行挤压改性处理.

图1 物料粒度对苹果膳食纤 维挤压改性效果的影响

2.3 加水量对苹果膳食纤维挤压改性效果的影响

考察加水量对挤压效果的影响，试验温度范围为120 ℃～150 ℃，结果如图2所示.由图2可知，加水量与挤压后苹果膳食纤维中的SDF含量呈负相关性.这是由于物料中的水分含量决定物料润湿程度，含水量越高，物料的可塑性、流动性越好，但是物料在机筒中受到的剪切力、摩擦力、挤压力也随之降低，导致改性后物料中SDF含量降低.当加水量低于30%时，物料含水量过低，在挤压时容易出现焦化、堵塞现象，不宜使用.故本试验选择加水量35%对物料进行挤压改性处理.

图2 加水量对苹果膳食纤维 挤压改性效果的影响

2.4 螺杆转速对苹果膳食纤维的挤压改性效果的影响

考察螺杆转速对挤压效果的影响，试验温度范围为110 ℃～160 ℃，结果如图3所示.由图3可知，随着螺杆转速增大，挤压后苹果膳食纤维中SDF含量也随之增加，当螺杆转速为780 r/min时，SDF含量达到最高.若进一步增大螺杆转速，SDF含量则有所降低.这是由于物料受到的剪切力、挤压力以及挤压温度与挤压机的螺杆转速呈正相关性，因此，低转速条件下，苹果膳食纤维的改性效果较差；但转速若过高，物料在机筒的停留时间太短，挤压效果也不理想.因此，本试验选择螺杆转速为780 r/min对物料进行挤压处理.

图3 螺杆转速对苹果膳食纤维 挤压改性效果的影响

2.5 静置时间对苹果膳食纤维的挤压改性效果的影响

静置时间是指苹果膳食纤维粉加水调粉后的放置时间，试验温度范围为110 ℃～140 ℃，结果如图4所示.由图4可知，随着静置时间的增长，挤压后苹果膳食纤维中SDF的含量也有所增加，当静置时间为60 min时，挤压后得到的SDF含量最高，若进一步延长静置时间，SDF含量有所降低.这是由于干苹果膳食纤维粉与水混合调粉后，需要静置一定的时间，使得干粉将水充分吸收，达到一种合适均匀的物料状态；静置时间过长，物料充分润湿，导致挤压时物料受到的摩擦力降低，SDF含量也有所降低.因此，本试验选择静置时间60 min对物料进行挤压处理.

图4 静置时间对苹果膳食纤维 挤压改性效果的影响

2.6 正交试验结果与分析

根据单因素试验结果，进行三因素三水平正交试验，正交设计试验中温度变化范围为110 ℃～145 ℃.结果如表3所示.由表3可知，最佳的挤压改性工艺条件为A1B2C1，即物料粒度20目，加水量40%，螺杆转速780 r/min.由R值可以看出，各因素对挤压后物料中SDF增加量影响高低顺序为C(螺杆转速)>A(物料粒度)>B(加水量).对正交试验结果进行方差分析，螺杆转速的F比值>F0.05临界值，有显著性差异.在此条件下进行验证试验，挤压机自热温度约为125 ℃，所得物料中SDF含量为24.0%.

表3 正交试验设计及结果分析

2.7 苹果膳食纤维水合性质测定结果与分析

试验测定了原料和经挤压改性后的苹果膳食纤维的水合性质，并利用SPSS 20统计分析软件对试验结果进行方差分析，结果如表4所示.可以发现，经挤压改性后，原料的水合性质得到了明显提高，WHC、WBC和SC分别增加了24%、88%和220%.这是由于挤压产生的高剪切力使纤维素连接键发生断裂，部分大分子裂解成小分子，分子表面积增大，水合性质增大[14].

表4 改性前后的苹果膳食纤维的水合性质

注：同一列的不同字母表示差异显著(p<0.05).

3 结束语

挤压改性可显著提高苹果膳食纤维中SDF的含量，经正交试验优化，获得的最佳挤压工艺条件为物料粒度20目，物料加水量40%，螺杆转速780 r/min.在此工艺条件下，改性后苹果膳食纤维中SDF含量可达到24.0%，符合高品质膳食纤维的要求.同时，挤压改性后的苹果膳食纤维持水力、结合水力和膨胀力都显著增加.

陈存社等[15]探讨了热处理、酸碱处理和挤压处理对苹果渣中SDF含量的影响，试验表明挤压处理的改性效果最好.并且挤压改性处理是一种物理改性方法，避免了化学试剂等物质的残留，操作简单，成本低，易于工业化生产使用，有实际的生产意义.

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