花生壳可溶性膳食纤维物化及功能特性的研究

单平阳 王磊 石可歆 孟哲 黄月 郑素荣

摘要 [目的]比较分析花生壳膳食纤维的提取方法、理化和功能特性。[方法]以花生壳为原料，分别采用直接水提法（W）、乳酸菌发酵法（F）和挤压膨化法（E）提取花生壳可溶性膳食纤维（SDF），详细比较它们的各种理化和功能特性。[结果]W-SDF、F-SDF和E-SDF的溶解性分别为2.07%、3.74%和4.72%，持水力分别为8.63、12.84和15.28 g/g，持油力分别为2.32、3.07和4.17 g/g，膨胀力分别为11.73、13.85和16.23 mL/g，乳化活性分别为408.3、 528.4和604.6 mL/L，乳化稳定性分别为428.7、489.3和563.8 mL/L，最小凝胶浓度分别为13.19%、 10.24%和8.92%；在肠道环境（pH 7.0）中，对重金属Pb吸附能力分别为178.6、243.6、308.1 μmol/g，對As的吸附能力分别为143.5、200.4、276.5 μmol/g，对Cu的吸附能力分别为49.3、103.8、169.3 μmol/g；在胃环境（pH 2.0）中，W-SDF、F-SDF、E-SDF对重金属Pb的吸附能力分别为52.9、106.3、178.5 μmol/g，对As的吸附能力分别为60.3、98.4、164.2 μmol/g，对Cu的吸附能力分别为32.7、50.2、89.7 μmol/g。[结论]研究结果可为花生壳膳食纤维的功能改性及综合利用提供理论依据。

关键词 花生壳；可溶性膳食纤维；提取方法；理化特性；功能特性

中图分类号 TS201.4 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）13-0089-03

Study on Physicochemical and Functional Properties of Soluble Dietary Fiber from Peanut Shell

SHAN Ping-yang1， WANG Lei1*， SHI Ke-xin2 et al

（1. Tangshan Food and Drug Administration， Tangshan， Hebei 063000； 2. College of Food Science and Engineering， Central South University of Forestry and Technology， Changsha， Hunan 410000）

Abstract [Objective] To study extraction methods， physicochemical and functional properties of soluble dietary fiber（SDF） from peanut shell.[Method] With peanut shell as raw material， SDF was extracted from peanut shell by water extraction（W）， lactic acid bacteria fermentation（F） and extrusion（E）， the physicochemical and functional properties were compared in detail.[Result] The result showed that the solubility， water holding capacity， oil holding capacity and swelling force of W-SDF， F-SDF and E-SDF were （2.07%， 3.74% and 4.72%）， （8.63， 12.84 and15.28 g/g）， （2.32， 3.07 and 4.17 g/g）， （11.73， 13.85 and 16.23 mL/g）， respectively； The emulsifying property， emulsifying stability and minimum gel concentration were （408.30， 528.40 and 604.60 mL/L）， （428.70， 489.30 and 563.80 mL/L）， （1319%， 10.24% and 8.92%）， respectively； The binding capacities for heavy metal ion Pb， As and Cu were （178.6， 243.6， 308.1 μmol/g）， （143.5， 200.4， 276.5 μmol/g）， （49.3， 103.8， 169.3 μmol/g） at pH 7.0 and （52.9， 106.3， 178.5 μmol/g）， （603， 98.4， 164.2 μmol/g）， （32.7， 50.2， 89.7 μmol/g） at pH 2.0， respectively.[Conclusion] The research can provide a reference for functional modifications and utilization of dietary fiber from peanut shell.

Key words Peanut shell；Soluble dietary fiber；Extraction method；Physicochemical property；Functional property

近年来，膳食纤维在食品营养和临床医学上的重要作用越来越受到人们的关注，被称为人类“第七大营养元素”[1-3]。膳食纤维虽不具营养价值，但其具有的物化特性使之具有独特的生理功能和营养保健作用。按其溶解性的不同大致分为可溶性膳食纤维（SDF）和不溶性膳食纤维（IDF）两类[4-8]。可溶性膳食纤维较不溶性膳食纤维在生理功能方面更能发挥其代谢作用，在促进肠道益生菌的生长，预防糖尿病、肥胖病、冠心病、动脉硬化、高血脂等方面具有特殊的功效[9-15]。

我国是世界花生生产、消费和出口大国，种植面积和年产量均居世界前列。花生产业每年会产生大量的副产品，如花生粕、花生渣、花生壳、花生茎叶等，它们是潜在的膳食纤维资源。如果这部分资源不能被充分利用，就会造成严重的资源浪费，也会对环境造成污染。因此，将花生产业的这些副产品加工成天然的膳食纤维，不仅可以提高花生产业的附加值，还会带来巨大的社会和经济效益[16]。笔者对花生膳食纤维的提取方法、理化和功能特性做了详细的比较分析，提出花生膳食纤维作为一种功能食品在我国具有广泛的开发应用前景。

1 材料与方法

1.1 材料

供试花生壳由唐山润泽粮油食品有限公司提供。

可溶性膳食纤维产品：

①W-SDF。花生壳经过耐高温α-淀粉酶除淀粉和中性蛋白酶除蛋白后，直接用水浸提，上清液醇沉，离心得到SDF，干燥粉碎后过80目筛，为白色粉末。

②F-SDF。花生壳经过耐高温α-淀粉酶除淀粉和中性蛋白酶除蛋白后，与水以1∶15（V/V）调配，经胶体磨磨浆2次，灭菌后接种保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌，于42 ℃发酵至pH 4.0，调pH为中性，上清液醇沉离心，冻干得到发酵SDF。

③E-SDF：花生壳经过耐高温α-淀粉酶除淀粉和中性蛋白酶除蛋白后，在温度110 ℃、物料水分15%、螺杆转速90 r/min条件下经双螺杆挤压机处理，用水浸提，上清液醇沉离心，干燥得到SDF。

1.2 方法

1.2.1 持水力（WHC）的测定。

持水力是指不受外力（除重力和大气压力）作用下，一定量的样品所结合的水量。具体操作如下：准确称取1.0 g样品于50 mL离心管中，加入20 mL去离子水，混合均匀后置于4 ℃条件下放置24 h后在4 200 r/min离心15 min，称重。

1.2.2 持油力（OHC）的测定。

持油力是指一定量的样品所能结合的橄榄油量。具体操作如下：准确称取1.0 g样品于50 mL离心管中，加入10 mL橄榄油，混合均匀后置于4 ℃条件下放置1 h后在4 200 r/min离心15 min，称重。

1.2.3 膨胀力（SC）的测定。

膨胀力是指一定量的样品浸没在过量水中，达到平衡时所占的体积与其实际所占体积的差值。具体操作如下：准确称取0.2 g样品置于带刻度试管中并记录其体积，加入5.0 mL蒸馏水，混合均匀后在4 ℃条件下放置18 h，记录样品吸水后的体积。

1.2.4 可溶解性（WS）的测定。

具体操作如下：称取1 g 左右样品于离心管，按1∶10的比例加入蒸馏水，混合均匀后，室温下静置1 h后，在3 000 r/min的条件下离心10 min，收集上清液和残渣，分别干燥，称重。

1.2.5 乳化特性（EA）的测定。

具体操作如下：准确称取20 g 样品溶解于1 L去离子水中，在2 000 r/min高速剪切2 min，然后加入100 mL玉米油，再高速剪切1 min。所得乳状液放入15 mL带刻度试管中，3 000 r/min离心分离10 min。记录乳状液体积。

1.2.6 乳化稳定性（ES）的测定。

具有操作如下：准确称取2.0 g 样品溶解于1 L去离子水中，在2 000 r/min高速剪切2min，然后加入100 mL玉米油，再高速剪切1 min。所得乳状液在80 ℃下加热30 min，冷却至室温，3 000 r/min离心分离10 min。记录乳状液体积。

1.2.7 最小凝胶浓度（LGC）的测定。

具体操作如下：分别用去离子水配成浓度为2%、4%、6%、8%、10%、12%和14%的样品溶液，取5 mL样品溶液放入试管中，100 ℃水浴1 h，然后冰浴1 h。LGC以试管反转时样品溶液不发生滑落为准。

1.2.8 重金属吸附能力（BC）评价。

具体操作如下：250 mL三角瓶中分别加入10 mmol/L的重金属溶液[Pb（NO3）2、CuSO4、NaAsO2]和1.0 g 膳食纤维样品，为了体外模拟胃和肠道的环境，pH分别调至2.0和7.0，于37 ℃，120 r/min振荡3 h，在吸附结束后，为了沉淀样品，向2 mL样品收集液中加入8 mL无水乙醇，4 000 r/min离心10 min，上清液采用原子吸收法测定残留重金属离子浓度。

1.3 数据处理

数据分析采用Design-Expert 7.0 進行试验设计和数据处理。

2 结果与分析

2.1 不同提取方法对SDF的WHC、OHC、SC和WS的影响

从表1可以看出，花生壳SDF经乳酸菌发酵和挤压膨化处理后其理化特性均有所提高。W-SDF的WS、WHC、DHC、SC为2.07%、8.63 g/g、2.32 g/g、11.73 mL/g；F-SDF的这几个指标分别提高到3.74%、12.84 g/g、3.07 g/g、13.85 mL/g；E-SDF提高到4.72%、15.28 g/g、4.17 g/g、1623 mL/g。研究结果表明，E-SDF样品在WS、WHC、DHC、SC方面都显著高于W-SDF和F-SDF样品。其原因是由于挤压膨化处理时，物料组织呈海绵状，体积增大，一些结构组织如纤维束等被破坏，内含物暴露，有利于目的物的溶出，使得果胶类可溶性膳食纤维的含量增加，结合水分子的能力提高。同时，纤维素、半纤维素等大分子物质被截断，产生了各种小分子片段，可能使膳食纤维的一些亲水性活性位点暴露出来，有利于水分子的结合，膳食纤维颗粒的数量增加，溶于水后颗粒膨胀、伸展产生更大的容积，从而导致改性后SDF的WS、WHC、SC增大。

2.2 不同提取方法对SDF的EA、ES、LGC的影响

EA是表示某种物质能够促进2种不相混溶的液体溶解或分散能力的大小。ES是指限制乳液发生破裂的能力[17]。表2可知，W-SDF的EA和ES分别为408.3和428.7 mL/L；F-SDF的EA和ES增加到528.4和489.3 mL/L；E-SDF的EA和ES增加到604.6和563.8 mL/L，均达到显著差异水平（P<0.05）。与处理前SDF相比，挤压膨化处理后的SDF可作为一种良好的乳化剂，用于保持理化稳定性和较长货架期的功能食品[18]。而且拥有较高乳化活性的SDF对维持人体健康非常有利，由于胆汁酸是合成胆固醇的前体物质，通过对小肠中胆汁酸的吸附可减少血液中胆固醇的含量[17，19]。LGC是判断物质胶凝化能力大小的指标。从表2可以看出，乳酸菌发酵和挤压膨化处理显著降低了LGC，从未处理的13.19%减小到10.24%和8.92%，说明乳酸菌发酵和挤压膨化处理增加了花生壳SDF的黏度。

2.3 不同提取方法对SDF重金属吸附能力的影响

Pb、As和Cu是一类危害人体健康的化学物质，由于环境的污染，很多食物中都能检测到这些重金属元素，它们不易排出，都有在生物体内富集的潜在危机，其量达到一定程度可导致中毒甚至癌症。膳食纤维对重金属离子的束缚主要依靠化学吸附，同时也存在物理吸附。化学吸附主要依靠纤维中来自糖醛酸的羧基和木质素的酚酸等基团与重金属离子结合，因此受pH的影响较大，pH升高，这些基团解离增多，可以和带正电的重金属阳离子以离子键结合；反之，羧基解离减少，可能降低了吸附效果，即酸性环境不利于膳食纤维对重金属离子的吸附；物理吸附则是范德华力作用的结果，受温度影响，反应速率一般很快[20]。

由表3可见，对同一种重金属离子的吸附过程中，pH 70条件下比pH 2.0条件下吸附效果好，说明小肠环境更适合膳食纤维对重金属离子的吸附。

该试验在体外模拟肠道环境条件下（pH 7.0），W-SDF对Pb、As和Cu的吸附能力分别为178.6、143.5和49.3 μmol/g，其中对Pb的吸附作用最强，对As的吸附作用次之，对Cu的吸附作用较弱。SDF经过乳酸菌发酵和挤压膨化处理后，吸附重金属离子作用都有所增强，F-SDF对Pb、As和Cu的吸附能力分别为243.6、200.4和103.8 μmol/g，E-SDF对Pb、As和Cu的吸附能力分别为308.1、276.5和1693 μmol/g。在胃环境条件下（pH 2.0），SDF对Cu的吸附作用较弱，但对Pb和As的吸附作用却远远强于对Cu的吸附作用。在pH 2.0条件下，E-SDF对重金属的吸附能力均高于W-SDF和F-SDF。该研究结果表明，花生壳SDF经挤压膨化处理后，样品颗粒高度破碎，比表面积增加，组织松散，使SDF与重金属离子接触更充分从而增强对重金属离子的吸附作用。Agnieszka等[21]研究发现，膳食纤维对金属离子的吸附能力与它的化学成分以及特殊成分的比例有关，同一膳食纤维对不同金属离子的吸附能力也不同。Sangnark等[22]研究表明，纤维素和木质素具有束缚重金属离子的能力，它们的这种能力与它们的来源以及粒度大小有关。

3 结论

该试验得出，3种提取方法得到的花生壳水溶性膳食纤维W-SDF、F-SDF和E-SDF的溶解性分别为2.07%、374%和4.72%，持水力分别为8.63、12.84和15.28 g/g，持油力分别为2.32、3.07和4.17 g/g，膨胀力分别为11.73、1385和16.23 mL/g。乳酸菌发酵和挤压膨化处理提高了花生壳SDF的溶解性、持水力、持油力和膨胀力。

3种提取方法得到的花生壳水溶性膳食纤维W-SDF、F-SDF和E-SDF的乳化活性分别为408.3、 528.4和604.6 mL/L，乳化稳定性分别为428.7、489.3和563.8 mL/L，最小凝胶浓度分别为13.19%、 10.24%和892%。乳酸菌发酵和挤压膨化处理后，增强了花生壳SDF的乳化活性和乳化稳定性，降低了最小凝胶浓度。

试验结果表明，对同一种重金属离子的吸附过程中，pH 7.0条件下比pH 2.0条件下吸附效果更好。在肠道环境（pH 7.0）中，3种提取方法得到的花生壳水溶性膳食纤维W-SDF、F-SDF和E-SDF对重金属Pb的吸附能力分别为178.6、243.6、308.1 μmol/g，对As的吸附能力分别为1435、200.4、276.5 μmol/g，对Cu的吸附能力分别为49.3、103.8、169.3 μmol/g。在胃环境（pH 2.0）中，W-SDF、F-SDF、E-SDF對重金属Pb的吸附能力分别为52.9、106.3、178.5 μmol/g，对As的吸附能力分别为60.3、98.4、1642 μmol/g，对Cu的吸附能力分别为32.7、50.2、89.7 μmol/g。乳酸菌发酵和挤压膨化处理后，花生壳SDF对重金属离子的吸附能力有所提高。

参考文献

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