真空冷冻干燥与热风烘干对香蕉皮可溶性膳食纤维功能特性的影响

庄远红， 林娇芬， 刘静娜， 潘裕添*

(1.闽南师范大学 生物科学与技术学院，福建 漳州 363000；2. 闽南师范大学 菌物产业工程技术中心，福建 漳州 363000)

真空冷冻干燥与热风烘干对香蕉皮可溶性膳食纤维功能特性的影响

庄远红1,2， 林娇芬1,2， 刘静娜1,2， 潘裕添1,2*

(1.闽南师范大学 生物科学与技术学院，福建 漳州 363000；2. 闽南师范大学 菌物产业工程技术中心，福建 漳州 363000)

以香蕉皮为原料，经过烘干、提取、浓缩后分别采用真空冷冻干燥和热风烘干制得可溶性膳食纤维，比较两种干燥方式对香蕉皮可溶性膳食纤维持油力、阳离子交换量、胆固醇吸附特性的影响，进一步探究其在模拟胃、肠条件下对亚硝酸根、铅、镉的吸附效果.结果表明，真空冷冻干燥样品的持油力和对胆固醇、NO2-、重金属Pb2+、Cd2+的去除效果均好于热风烘干；添加量为5 g/L时胆固醇具有最大吸附效率；可溶性膳食纤维对NO2-的吸附主要集中在胃部；真空冷冻干燥样品的阳离子交换量略小于热风烘干.干燥方式对可溶性膳食纤维分子的空间结构产生影响，进而影响了可溶性膳食纤维的功能特性.

香蕉皮；可溶性膳食纤维；真空冷冻干燥；胆固醇；模拟胃肠环境

近年来，一些“富贵病”如高血压、冠心病、糖尿病等的发病率逐年攀升[1]，主要原因在于饮食上对“三高”(高热量、高蛋白、高脂肪)食物和精细食物的偏爱，膳食纤维摄入量远远不够，造成膳食营养不均衡[2].膳食纤维具有极其重要的生理功能[3]，其中可溶性膳食纤维能被肠道菌群发酵利用，在降低血糖和吸附胆固醇方面具有良好效果[4].膳食纤维来源丰富，可以从许多廉价的废弃物中提取.漳州“天宝”香蕉产量高，随着香蕉加工业的迅速发展，大量的香蕉皮亟待处理[5-6]，制备香蕉皮可溶性膳食纤维，发掘其药理价值，可为香蕉皮资源化利用开辟新的途径，用于对“富贵病”的预防.

真空冷冻干燥技术是将物料温度降至共晶点以下使水分冻结成冰，在低压下提供升华热使其直接升华，从而除去物料中水分的一种干燥方法[7-8]，这种方法可以完整保持产品的网络结构.以往针对膳食纤维的研究大多限于对提取物提取效率的影响和产品品质的研究，或者笼统研究总膳食纤维的某些功能特性，而很少单独针对真空冷冻干燥和热风烘干得到的可溶态膳食纤维在模拟胃、肠环境下进行药理价值的探索.本实验以香蕉皮为试验材料，分别采用真空冷冻干燥和热风烘干得到可溶性膳食纤维，研究不同干燥方式下可溶性膳食纤维对持油力、阳离子交换量、胆固醇吸附效果，以及在模拟胃、肠环境下对亚硝酸根及重金属铅、镉吸附效果等功能特性的影响，为真空冷冻干燥获得的香蕉皮可溶性膳食纤维药理价值的开发提供了理论依据.

1 材料与方法

1.1 材料和试剂

香蕉皮，由漳州香蕉果肉加工企业提供.

胆固醇(国药集团)、胃蛋白酶(猪胃黏膜)/胰蛋白酶(猪胰)(上海金穗公司)、硝酸铅/氯化镉(汕头西陇化工厂)，其他试剂均为分析纯.

1.2 仪器设备

AR124CN型电子天平(上海奥豪斯有限公司)、JC101型电热鼓风干燥箱(上海成顺仪器仪表有限公司)、高速万能粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司)、HH-2数显恒温水浴锅(金坛市科析仪器有限公司)、SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵/RE-301旋转蒸发仪(巩义市予华仪器有限责任公司)、DHG-9030电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)、LG-0.2型真空冷冻干燥机(沈阳航天新阳速冻设备制造有限公司)、85-2恒温磁力搅拌器(金坛市江南仪器厂)、EL20型pH计(上海梅特勒-托利多仪器有限公司)、HQY-C恒温振荡摇床(金坛市顺华仪器有限公司)、AA-7003A型原子吸收光谱仪(北京东西分析仪器有限公司).

1.3 实验方法

1.3.1 可溶性膳食纤维提取工艺流程 香蕉皮→95 ℃灭酶3 min→粉碎→盐酸水浴回流提取(0.7 mol/L，料液比1 g∶10 mL，80 ℃，1.5 h)→过滤→浓缩→醇沉→抽滤→加水溶解→浓缩→真空冷冻干燥/热风烘干→粉碎，过180目筛→可溶性膳食纤维[6].

1.3.2 持油力测定 样品0.5 g与10 mL植物油混合浸泡1 h，期间每10 min振摇一次，离心去除多余油脂后称取残渣重量，以每克干物质所持油脂量表示[6].

1.3.3 阳离子交换量的测定 样品0.5 g与33 mL 1 mol/L乙酸钠混合，振摇，离心，残留的Na+用95%乙醇洗涤去除，用1 mol/L乙酸铵把与样品交换的Na+置换出来，火焰原子吸收光谱法测定Na+含量，计算阳离子交换量[9].

1.3.4 胆固醇吸附量的测定 样品添加量对胆固醇吸附效果的影响：样品以2.5、3.75、5、15、25 g/L添加量加入质量浓度为2 g/L的胆固醇溶液中(以冰乙酸为溶剂)，于37 ℃下以250 r/min恒温振荡5 h后，采用邻苯二甲醛法[10]测定胆固醇含量.

吸附时间对胆固醇吸附效果的影响：样品添加量为5 g/L，振荡平衡时间分别为1、2、3、4、5 h，其余操作同上.

1.3.5 模拟胃、肠环境下对NO2-吸附能力的测定 样品以0.25、0.5、1.5、3、5 g/L添加量加入含250 μmol/L NaNO2的人工胃液[11](模拟胃环境)或人工肠液[11](模拟肠环境)中，于37 ℃下以250 r/min恒温振荡4 h(人工胃液)或7 h(人工肠液)后，采用盐酸萘乙二胺法[12]测定吸附后溶液中残余NO2-的浓度，根据GB5009.33-2010方法求得每克样品的NO2-吸附量.

1.3.6 模拟胃、肠环境下对重金属Pb2+，Cd2+吸附能力的测定 样品以5 g/L添加量加入含100 mg/L Pb2+(或含28 mg/L Cd2+)的人工胃液(或人工肠液)中[11]，于37 ℃中以250 r/min恒温振荡，经过4 h(人工胃液)或7 h(人工肠液)的吸附平衡后，采用火焰原子吸收光谱法测定Pb2+、Cd2+含量，求出吸附量.

2 结果与分析

2.1 对持油力的影响

持油力的大小主要与膳食纤维粒度、表面特性、带电离子密度、水合性质有关[13].由图1可知，真空冷冻干燥与热风烘干的可溶性膳食纤维持油力均较高，且真空冷冻干燥可溶性膳食纤维持油力比热风烘干大，这可能是由于水溶性膳食纤维本身聚合度相对较低，分子小，比表面积大[14]，且真空冷冻干燥不仅较好地保持了膳食纤维的表面特性，而且其成品的水合性质较强，暴露出较多的亲水性基团，使表面电荷性质改变，持油能力增强[15].

2.2 对阳离子交换量的影响

膳食纤维中的侧链基团——羧基、羟基和氨基等在消化道可与金属阳离子进行可逆交换，改变消化道的pH、渗透压，并且影响氧化还原电位，形成一个更温和的环境，利于消化和吸收[6,16].图2表明，真空冷冻干燥与热风烘干可溶性膳食纤维对阳离子交换量的影响不大，且热风烘干阳离子交换量略大于真空冷冻干燥，可能是热风烘干使物料中更多的羧基与羟基的侧链基团外露的结果.

2.3 对胆固醇吸附能力的影响

2.3.1 样品添加量对胆固醇吸附效果的影响 由图3可知，两种干燥方式获得的可溶性膳食纤维对胆固醇的吸附量表现为相同的趋势，且真空冷冻干燥样品的吸附量稍大于热风烘干.当样品添加量为2.5～5 g/L时，随着添加量的增加，吸附量逐渐增大；添加量为5 g/L时，可溶性膳食纤维对胆固醇的吸附量最高，真空冷冻干燥为51.9 mg/g，热风烘干为39.4 mg/g；继续增大可溶性膳食纤维的添加量，对胆固醇的吸附量反而降低，且真空冷冻干燥的下降趋势大于热风烘干.当样品添加量大于15 g/L时，两种样品对胆固醇的吸附量差异不大.两种干燥方式获得的可溶性膳食纤维的最佳样品添加量均为5 g/L，此时具有最大的吸附效率.

2.3.2 吸附时间对胆固醇吸附效果的影响 由图4可以看出，真空冷冻干燥获得的可溶性膳食纤维对胆固醇的吸附量显著大于热风烘干，在3 h时，吸附量的差值达到最大，5 h时，吸附量差值仅为10 mg/g.苏珏等[17]认为，膳食纤维对胆固醇的吸附是表面单分子层吸附和分子间引力的多分子层吸附结合的物理吸附.真空冷冻干燥获得的水溶性膳食纤维网络结构好，表面极性基团多，吸附空间障碍小，对胆固醇的吸附效果更佳.同时有研究表明[18]，可溶性膳食纤维具有强胶粘性，会阻断体内消化酶、胆汁酸微团、肠黏膜对胆固醇的吸收，从而使体内胆固醇含量降低.

2.4 对NO2-吸附能力的影响

由图5可知，模拟胃环境下，可溶性膳食纤维对NO2-的吸附量与样品添加量大致呈反函数关系，真空冷冻干燥样品的吸附量大于热风烘干的吸附量，样品添加量为0.25～1.5 g/L时，两种干燥方式获得的可溶性膳食纤维均能大幅度减少人工胃液中的NO2-含量，当样品添加量为1.5～5 g/L，可溶性膳食纤维对NO2-的吸附量趋于稳定.

由图6可以看出，模拟肠环境下，两种干燥方式获得的可溶性膳食纤维对NO2-的吸附量与样品添加量呈先增大后减小的趋势.在样品添加量为0.25～0.5 g/L时，随着添加量的增加，NO2-吸附量大幅升高.当添加量为0.5 g/L时，吸附量接近最大值.继续增大样品添加量，NO2-吸附量呈下降趋势.当添加量≤ 3 g/L时，真空冷冻干燥的可溶性膳食纤维对NO2-的吸附量明显大于热风烘干；当添加量≥3 g/L时，真空冷冻干燥与热风烘干的吸附量大致相当.

通过比较两种干燥方式香蕉皮可溶性膳食纤维在模拟胃、肠两种体系中对NO2-的吸附，发现可溶性膳食纤维对NO2-的吸附效果与pH有关.模拟胃环境下可溶性膳食纤维对NO2-的吸附量高于模拟肠环境，说明可溶性膳食纤维对NO2-的吸附主要集中在胃部.原因可以归结为以下两点：(1) 可溶性纤维在溶液中呈胶溶状态，比表面积大，物理吸附优势强，且水溶性膳食纤维在肠液中极易分解，在胃中吸附的NO2-会随其在大肠中分解而释放[19-20].(2) 膳食纤维对NO2-的吸附一方面可能是由于细胞壁中的酚酸与NO2-反应而阻断亚硝胺类物质的生成，另一方面可能是膳食纤维分子上的—OH和NO2-形成膳食纤维—NO2--络合物来去除NO2-.酸性条件下，酚酸类物质起辅助作用，而碱性条件下部分络合物离解，减少了NO2-的吸附，但对酚酸结合影响不大[17].

2.5 对Pb2+，Cd2+吸附能力的影响

FAO/WHO暂定铅、镉日允许摄入量分别为0.003 6 mg/kg BW和0.001 mg/kg BW[21]，以此为标准，以成人体重60 kg计，将摄入总量作为此实验的重金属添加量，配制100 mg/L的Pb2+和28 mg/L的Cd2+，探究在体外模拟胃、肠环境下两种处理的可溶性膳食纤维对Pb2+、Cd2+的吸附效果.由图7可知，真空冷冻干燥样品对Pb2+、Cd2+的吸附效果好于热风烘干样品，这是因为可溶性膳食纤维对溶液中重金属的吸附主要是物理吸附，即取决于原料结构疏松性和表面积大小.热风烘干使可溶性膳食纤维表面颜色加深，形成硬块，破坏了可溶性膳食纤维的空间结构，致使其吸附重金属能力有所下降.真空冷冻干燥可溶性膳食纤维在模拟肠环境下(pH为7)对Pb2+、Cd2+的吸附要好于胃环境(pH为2).

3 讨论与结论

本实验模拟了胃、肠环境中可溶性膳食纤维对胆固醇、NO2-和重金属铅、镉的吸附性能，但实验过程中发现，NO2-测定过程中，检测试剂盐酸萘乙二胺的加入会使溶液pH降低，导致根据国家药典方法配制的人工肠液中胰蛋白酶重新溶出(胰蛋白酶的最适pH为7.8～8.5)，产生浑浊，干扰了比色法的测定，因此，NO2-吸附性能测定中的模拟人工肠液仅调节pH为7，没有加入胰蛋白酶；此外，由于胆固醇难溶于水，易溶于醋酸中，实验前先将胆固醇完全溶解于冰乙酸中再添加到人工胃、肠液中，但是溶液环境中冰乙酸浓度降低，胆固醇重新析出，无法保持溶液的稳定状态，因此本实验对胆固醇吸附性能的研究无法在模拟胃肠环境下进行.可溶性膳食纤维是香蕉皮中的重要组成成分，干燥过程中可溶性膳食纤维的损失和功能结构的破坏，可以作为衡量干燥方法优劣的一个重要指标.本实验结果表明：采用真空冷冻干燥法所得的可溶性膳食纤维的功能特性好于传统热风烘干法，可以从以下角度分析其原因：①从玻璃态聚合物[7]的角度：玻璃态转变温度(Tg)是无定形组分从类似玻璃态向橡胶态转变的温度，当干燥时物料温度超过Tg时，物料品质变化较大；在热风烘干的过程中，由于加工温度一直大于Tg，导致加工后的可溶性膳食纤维的品质降低，而冷冻干燥温度一般低于Tg，且湿度和Tg的相应降低使得对样品的损害较小.②从干燥过程和成品性状角度[22]：可溶性膳食纤维经预冻后，内部水分呈冰晶形态存在于固体骨架之间，伴随着真空干燥过程水分的升华，骨架结构完整保留，避免了热风干燥过程产生的样品表面硬化现象，并且真空冷冻干燥与热风烘干分别是在真空、低温与较高的温度下进行，前者中的挥发性成分与受热变性的营养成分损失较热风烘干小，生物活性物质得到了有效保护；真空冷冻干燥后成品颜色均匀，体积、形状基本不变，孔隙致密，呈海绵团状多孔性结构，表面和内部不会产生裂隙，微结构也不会发生变化，因此表现出来的吸附效果大于热风烘干.

实验结果表明:真空冷冻干燥获得的香蕉皮可溶性膳食纤维的持油力，对胆固醇、亚硝酸根、铅、镉的吸附效果均好于热风烘干；添加量为5 g/L时对胆固醇具有最大吸附量；在模拟胃环境(pH为2)下可溶性膳食纤维对NO2-的吸附量明显高于模拟肠环境(pH为7)，而真空冷冻干燥获得的可溶性膳食纤维在模拟肠环境下对Pb2+、Cd2+的吸附要好于模拟胃环境.食用真空冷冻干燥的可溶性膳食纤维对去除体内油脂、胆固醇、NO2-残留、重金属Pb2+、Cd2+残留效果更佳.此研究为真空冷冻干燥制备可溶性膳食纤维在保健产品上的应用提供了理论依据.

[1] 张南南.功能性低聚糖的分离纯化和生理功能的研究[D].南京：南京林业大学,2012.

[2] 蒋志勤.大豆膳食纤维咀嚼片的研制[J].食品研究与开发,2014,35(13):59-61.

[3] 李静.黑曲霉发酵制备香蕉皮可溶性膳食纤维研究[J].中国食品添加剂,2015(5):137-141.

[4] 杨晓宽,常学东,李云朋.均匀设计法优化芦笋复合膳食纤维制备工艺[J].中国食品学报,2015 (3):89-96.

[5] 任雪峰,董星,王永生,等.香蕉皮单宁的提取工艺及其缓蚀作用[J].河西学院学报,2014,30(5):41-48.

[6] 庄远红,林娇芬,刘静娜.微粉碎对香蕉皮可溶性膳食纤维功能特性的影响[J].四川农业大学学报,2015,33(3):289-293.

[7] 乔晓玲,闫祝炜,张原飞.食品真空冷冻干燥技术研究进展[J].食品科学,2008,29(5):469-474.

[8] 安可婧.生姜不同前处理联合热风间歇微波耦合干燥的研究[D].北京：中国农业大学,2014.

[9] 葛顺峰,彭玲,任饴华,等.秸秆和生物质炭对苹果园土壤容重、阳离子交换量和氮素利用的影响[J].中国农业科学,2014,47(2):366-373.

[10] 李琳.豆渣膳食纤维的加工工艺条件及其物化特性研究[D].广州:华南理工大学,2007.

[11] 国家药典委员会.中华人民共和国药典[M].北京:化学工业出版社,2005.

[12] 王启军.食品分析实验[M].北京:化学工业出版社，2011.

[13] 金晖,孟怡璠,陈萍,等.不同颗粒度南瓜不溶性膳食纤维的功能性质研究[J].中国食品学报,2013(9):15-21.

[14] 席路,任妍娜,苏珏,等.玉米皮膳食纤维性质的研究[J].粮油与饲料工业,2011(7):20-22.

[15] 孟怡璠,金晖,郑鸯鸯,等.不同工艺南瓜膳食纤维的理化特性研究[J].中国食品添加剂,2012(4):122-126.

[16] 杨健,王立东,包国凤.超微粉碎对小米麸皮膳食纤维物理特性的影响[J].食品工业科技,2013,34(13):128-131.

[17] 苏珏,席路,杨武,等.四种玉米皮膳食纤维的组分对其吸附等功能性质影响的研究[J].食品工业,2012,33(7):81-84.

[18] 黄小惠,叶静,肖美添.江蓠膳食纤维体外功能特性[J].农业机械,2011(17):139-141.

[20] 陈琬盈,李江,郑育桃,等.三种膳食纤维的抗氧化活性及主要吸附能力的比较研究[J].中国酿造,2015, 34(1):99-104.

[21] 高俊全,李筱薇,赵京玲. 2000年中国总膳食研究——膳食铅,镉摄入量[J].卫生研究,2006,35(6):750-754.

[22] 雍武,赵寅生,顾月华.不同干燥方法对天麻质量影响的比较研究[J].中成药,2005, 27(6): 673-675.

责任编辑：罗 联

The Effects of Vacuum Freeze Drying and Hot Air Drying on the Functional Characteristics of Soluble Dietary Fiber from Banana Peel

ZHUANGYuan-hong1,2,LINJiao-fen1,2,LIUJing-na1,2,PANYu-tian1,2*

(1. College of Biology Science and Technology, Minnan Normal University, Zhangzhou 363000; 2. Engineering Technological Center of Mushroom Industry, Minnan Normal University, Zhangzhou 363000 China)

The soluble dietary fiber was extracted, concentrated, and then dried by vacuum freeze or hot air from banana peel. The differences of oil holding capacity, cationic exchange capacity, cholesterol absorptivity of soluble dietary fiber dried by vacuum freezing and hot air were compared. Furthermore, their absorptivity of NO2-, Pb2+, Cd2+in imitative gastroenteric environments was studied. These results showed that oil holding capacity, absorptivity of cholesterol, nitrite, Pb2+, Cd2+of the peel dried by vacuum freeze were higher than that by hot air. The soluble dietary fiber achieved maximum adsorption efficiency at the dose of 5 g/L. The NO2-absorption of soluble dietary fiber was occurred mainly in the gastric environment. The cationic exchange capacity of vacuum freeze dried sample was slightly less than that of by hot air drying. These results indicated that the drying methods make impact on molecular space structure of soluble dietary fiber, leading to the functional characteristics difference of the soluble dietary fiber.

banana peel;soluble dietary fiber; vacuum freeze drying;cholesterol;imitative gastroenteric environments

2016-06-20

福建省中青年教师教育科研项目(JA15312)；福建省自然科学基金青年创新项目(2015J05071)

潘裕添(1969—)，男，福建 东山人，教授.E-mail: xmpyt@sina.com

TS201.4；TS209

A

1000-5900(2016)04-0043-06