挤压豌豆纤维粉制备的不可溶膳食纤维油脂吸附能力研究

刘秉书，吴淑华，孙谕莹，李学梅，皇圆圆，王雪源，马成业，*

（1.山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博255000；2.山东省高校农产品功能化技术重点实验室，山东淄博255000；3.山东健源生物工程股份有限公司，山东招远265400）

膳食纤维（dietary fiber，DF）是指植物中天然存在的碳水化合物的聚合物，不能够被人体小肠消化吸收[1]。膳食纤维具有降低血液中胆固醇含量、促进肠胃蠕动、清除人体内有害物的作用[2]。

由于国人的饮食结构，油脂的摄入量在日常生活中难以精确计算，一旦油脂摄入量过多会引起肥胖甚至疾病。经过研究表明，膳食纤维结构中含有一些活性基团，可以对油脂等进行螯合吸附，从而有效抑制人体对其吸收或将其排出体外[3]，进而控制了油脂摄入量过多带来的肥胖、疾病等问题。

豌豆（Pisum sativum Linn），又被称作荷兰豆等[4]。豌豆中含有丰富的膳食纤维[5]。近年来，对于豌豆中膳食纤维的提取大多采用酶解法，水解后即可得到豌豆不可溶膳食纤维[6]。邵娟娟等[7]使用纤维素酶和木聚糖酶分别对豌豆皮中的膳食纤维进行提取。

挤压加工技术是新型加工技术[8]，属于物理改性方法。食品挤压成型是一个复杂的过程，具有多种性能如流变性、表面张力等的变化，物料在机腔内移动时，因为承受挤压设备产生的很高的压力、温度和剪切力，所含水分迅速汽化，物料大分子聚合物分子间和分子内空间结构扩展变形，当被挤出模口的瞬间因失压而产生剧烈的结构变化，形成疏松多孔的状态[9]。赵凤芹等[10]通过挤压膨化试验得出：挤压后木质素、纤维素、半纤维素发生高温水解，增加了可溶性成分，故利用挤压技术处理豌豆纤维有利于纤维粉的改性。

本试验通过挤压技术与酶水解结合，探究在最适挤压参数条件下制备的不可溶性膳食纤维对动物油和植物油的吸附能力。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

豌豆纤维粉：山东健源生物工程股份有限公司；花生油：鲁花集团；猪油：农产品精深加工实验室自制；耐高温α-淀粉酶（活力40 000 U/mL）、碱性蛋白酶（活力 200 000 U/mL）、木聚糖酶（活力 50 000 U/mL）、纤维素酶（活力50 000 U/mL）：江苏锐阳生物科技有限公司；糖化酶（活力100 000 U/mL）：上海源叶生物科技有限公司；其他化学试剂为分析纯。

1.2 仪器与设备

单螺杆挤压机：山东理工大学农业工程与食品科学学院农产品精深加工中心；DZKW-S-b 电热恒温水浴锅：北京市永光明医疗仪器有限公司；SHZ-DⅢ循环水真空泵：巩义市英峪予华仪器厂；101-E 电热鼓风干燥箱：北京市永光明医疗仪器厂；DL-5-B 低速大容量离心机：上海安亭科学仪器厂。

1.3 试验方法

1.3.1 单因素试验设计及挤出物制备

测定不同条件对豌豆纤维中不可溶膳食纤维的影响，试验分别设置物料水分为20%、30%、40%、50%、60%，其中40%的水分为固定值；挤压机机筒温度为120、130、140、150、160 ℃，其中 140 ℃为固定值；挤压机的螺杆转速为 100、120、140、160、180 r/min，其中140 r/min 为固定值。所得产物为豌豆纤维粉挤出物（extruding pea cellulose，EPC）。

1.3.2 挤压后不可溶膳食纤维的制备

取适量豌豆纤维粉，加入蒸馏水充分搅拌后，用5 %NaOH 调节pH 值至6.2，再加入耐高温α-淀粉酶，放置水浴锅中95 ℃水浴30 min，待淀粉全部去除，冷却至60 ℃，再用5%HCl 调节pH 值至4.4，再加入糖化酶，放置水浴锅60 ℃水浴3 h，待糖化结束加热至100 ℃沸水浴10 min 灭酶，冷却后用5%NaOH 调节pH 值至7.8，再加入碱性蛋白酶，放置水浴锅55 ℃水浴3 h，待蛋白质全部除去后加热至100 ℃沸水浴10 min灭酶。所得产物为不可溶膳食纤维（extruding removal pea cellulose，ERPC）。

1.3.3 物料对植物油的吸附能力的测定

称取物料3.0 g，放置干燥箱中干燥至恒重，取50 mL离心管，加入3.0 g 物料和25 g 花生油，振荡均匀，放置在37 ℃水浴锅中静置1 h，离心机离心（4 000 r/min，20 min），去除上层花生油，用滤纸吸干物料上游离的花生油，称重[2]。

吸附花生油计算如下：

1.3.4 物料对动物油的吸附能力的测定

称取物料3.0 g，放置干燥箱中干燥至恒重，取50 mL离心管，加入3.0 g 物料和25 g 猪油，振荡均匀，放置在37 ℃水浴锅中静置1 h，离心机离心（4 000 r/min，20 min），去除上层猪油，用滤纸吸干物料上游离的猪油，称重[2]。

吸附猪油计算如下：

1.4 数据处理

运用origin9.1 处理EPC 与ERPC 的吸附性试验数据，作出柱状图。运用SPSS9.4 处理EPC 及ERPC 的吸附性试验数据，用Duncan 法进行多重比较，做显著性及误差分析。

2 结果与分析

2.1 单因素对物料吸附植物油能力的影响

2.1.1 物料水分对EPC 与ERPC 油脂吸附能力影响

物料水分对物料吸附植物油能力影响见图1。

图1 物料水分对吸附植物油能力影响Fig.1 Effect of material moisture on adsorption capacity of vegetable oil

从图1 中可以看到物料水分从20%～60%的变化过程中，对植物油的吸附能力先增加后减少，整体ERPC 高于EPC。当物料水分为40%时，豌豆膳食纤维吸附植物油最多，EPC 吸油量为0.69 g/g，ERPC 吸油量为0.99 g/g。这是因为水分在挤压膨化过程中起到塑化剂的作用[11]，水分为40%的物料黏性较高，挤压机模头压力增高，从而使因挤压而降解的纤维增加，并且使膳食纤维膨胀，颗粒增大，变得疏松。

由于豌豆纤维粉（nature pea cellulose，NPC）NPC中仍存在少量淀粉和蛋白质，经挤压后发生变性。EPC中水溶性成分增加，对油脂的吸附能力减弱。ERPC 由于去除淀粉、蛋白质以及一些水溶性成分，一方面使纤维紧实的结构变得松散，产生更多的毛细孔，有益于更多的油进入纤维的疏水区[12]，另一方面使纤维的亲油能力占主导，从而使ERPC 表现出更高的持油力。

2.1.2 机筒温度对EPC 与ERPC 油脂吸附能力影响

机筒温度对物料吸附植物油能力影响见图2。

从图2 中可以看到机筒温度从120 ℃～160 ℃的变化过程中，对植物油的吸附能力先增加后减少，整体ERPC 高于EPC。当机筒温度为150 ℃时，豌豆膳食纤维吸附植物油最多，EPC 吸油量为0.64 g/g，ERPC 吸油量为1.00 g/g。根据李艾霖等[13]的研究表明豆渣在挤压过程中的膨化度会随着温度的升高而逐渐增大，挤压过程中，不仅有机械外力的剪切作用，也有热量作用。温度的升高可以使物料中的化学键断裂、发生膨胀，影响其粘度并且使纤维分子发生热降解。当温度超过150 ℃时，水分从物料内部蒸发到机筒外壁，附着在外壁形成一层水膜，使物料堆积成块，摩擦力增大，进而无法顺利挤出而遭到高温破坏。

图2 机筒温度对吸附植物油能力影响Fig.2 Effect of barrel temperature on adsorption capacity of vegetable oil

挤压后蛋白质和淀粉一部分降解成可溶性的小分子，制备ERPC 时将这部分小分子以及淀粉、蛋白质去除，使其主要成分为不溶性膳食纤维，这部分纤维挤压后其结晶区和非结晶区都遭到了不同程度的破坏，一些非极性的基团暴露出来，增加了对油的吸附能力。

2.1.3 螺杆转速对EPC 与ERPC 油脂吸附能力影响

螺杆转速对物料吸附植物油能力影响见图3。

图3 螺杆转速对吸附植物油能力影响Fig.3 Effect of screw speed on adsorption capacity of vegetable oil

从图3 中可以看到螺杆转速从100 r/min～180 r/min的变化过程中，对植物油的吸附能力先增加后减少，整体ERPC 高于EPC。当螺杆转速为120 r/min 时，豌豆膳食纤维吸附植物油最多，EPC 吸油量为0.70 g/g，ERPC 吸油量为 1.22 g/g。Yalegama 等[14]的研究发现，膳食纤维的吸油量与其表面孔隙率有关[15]，转速在低于120 r/min 时，物料的剪切作用不够，受到高温作用时间过长；转速高于120 r/min 后，物料在机筒停留时间过短，无法获得足够的挤压和加热效果，试验中以上两种情况均会降低豌豆膳食纤维表面孔隙，进而降低豌豆膳食纤维对植物油的吸附能力。当螺杆转速为120 r/min 时，物料在机筒中停留时间较长，挤压剪切破坏纤维晶体结构，产物具有多孔性。除去淀粉和蛋白质使其结构上更加疏松，孔隙率更多，有利于对油脂吸附能力的提高。

2.2 单因素对物料吸附动物油能力的影响

2.2.1 物料水分对EPC 与ERPC 油脂吸附能力影响

物料水分对物料吸附动物油能力影响见图4。

图4 物料水分对吸附动物油能力影响Fig.4 Effect of material moisture on adsorption capacity of animal oil

从图4 中可以看到物料水分从20%～60%的变化过程中，豌豆膳食纤维对动物油的吸附能力先增加后减少，整体ERPC 高于EPC。当物料水分为30%时，豌豆膳食纤维吸收动物油最多，EPC 吸油量为0.64 g/g。而去除淀粉和蛋白质后，物料水分为40%时，豌豆膳食纤维吸收动物油最多，ERPC 吸油量为1.26 g/g。

随着物料水分的增加，物料的黏度增加，使得物料与机筒的摩擦力增大，物料在机筒内停留的时间增加[16]，加大对纤维素、木质素晶体的破坏效果，更有利于挤压后达到膨胀、疏松的效果，从而使豌豆膳食纤维对动物油的吸附能力逐渐增加。但当水分过高时，会使物料与机筒摩擦力减小，膨胀度逐渐降低，孔隙率减少，从而使豌豆膳食纤维对动物油的吸附能力逐渐下降。ERPC 主要为不溶性膳食纤维，相比于EPC 结构更加松散，非极性基团的暴露更多，增加了对动物油的吸附能力。

2.2.2 机筒温度对EPC 与ERPC 油脂吸附能力影响

机筒温度对物料吸附动物油能力影响见图5。

图5 机筒温度对吸附动物油能力影响Fig.5 Effect of barrel temperature on adsorption capacity of animal oil

从图5 中可以看到机筒温度从120 ℃～160 ℃的变化过程中，豌豆膳食纤维对动物油的吸附能力先增加后减少，整体ERPC 高于EPC。当机筒温度为140 ℃时，豌豆膳食纤维吸收动物油最多，EPC 吸油量为0.72 g/g，ERPC 吸油量为1.26 g/g。挤压机筒温度越高，传递给物料的热量越多，物料升温幅度越大，有利于膳食纤维的化学键断裂，亲水性增加[17]。但有研究认为，挤压温度过高，豆渣在机筒中堆积成块，可溶性膳食纤维含量急剧下降[18]。所以对于动物油的吸附温度以控制在140 ℃更佳，过高过低会使在挤压过程中纤维的晶体结构不能形成良好的膨胀、疏松状态，不利于吸附动物油。ERPC 的纤维之间的紧密结构变得松散，对油脂的吸附能力也得到了相应改善。

2.2.3 螺杆转速对EPC 与ERPC 油脂吸附能力影响

螺杆转速对物料吸附动物油能力影响见图6。

从图6 中可以看到螺杆转速从100 r/min～180 r/min的变化过程中，豌豆膳食纤维对动物油的吸附能力先增加后减少，整体ERPC 高于EPC。当螺杆转速为140 r/min 时，豌豆膳食纤维吸收动物油最多，EPC 吸油量为0.72 g/g，ERPC 吸油量为1.26 g/g。在该转速下，物料在机筒中停留时间较长，能获得足够的挤压剪切和加热效果，纤维物料被微粒化，促使膳食纤维的化学键断裂，达到不溶性膳食纤维向水溶性膳食纤维转化[19]。随着螺杆转速的不断增加，物料在挤压机腔内停留的时间越来越短，所受的挤压、剪切、摩擦和熔融作用也越来越不充分[20]，所以对油脂的吸附能力呈现先增加后减少的趋势。

图6 螺杆转速对吸附动物油能力影响Fig.6 Effect of screw speed on adsorption capacity of animal oil

挤压使膳食纤维的晶体结构遭到破坏，表面的孔隙率增加，同时也产生了一部分水溶性成分。ERPC 的纤维结构经去除淀粉和蛋白质后以及水溶性成分后，结构变得更加疏松，孔隙率在原基础上进一步增加，所以在此条件下，对于动物油的吸附能力更佳。

2.3 不同工艺下豌豆纤维粉对不同油脂的吸附能力

不同条件下处理的物料对两种油脂吸附能力的影响见图7。

图7 不同条件下处理的物料之间对吸附不同油脂能力的影响Fig.7 Effect of treated materials under different conditions on the ability of adsorbing different oils and oils

从图7 中可以看出，未经挤压的不可溶膳食纤维（removal pea cellulose，RPC）相比于 NPC，在去除淀粉和蛋白质后对植物油和动物油的吸油量分别由1.70、2.01 g/g 降低到了0.63、0.69 g/g。淀粉和蛋白质本身具有吸附脂肪的能力，因此RPC 相比于NPC 对油脂的吸附能力有所减弱。

EPC 相比于NPC，对于植物油及动物油的吸油量分别由 1.70、2.01 g/g 降低到了 0.50、0.56 g/g。不可溶膳食纤维对油脂的吸附能力与其结构、颗粒表面性质、总电荷密度、和组成多糖的亲水性有关[21]。物料在挤压机的高剪切和高温的作用下改变纤维的结构，使纤维素、半纤维素降解成可溶性膳食纤维[22]，从而使挤压后物料的亲水性增强，而对油脂的吸附能力降低。

ERPC 相比于EPC，对于植物油和动物油的吸油量分别由 0.50、0.56 g/g 提高到了 1.27、1.75 g/g。物料在瞬时高温、高压下发生膨化，蛋白质、淀粉被转化为氨基酸、麦芽糖和糊精等小分子的水溶性物质，物料的组织结构转变成多孔状[23]。ERPC 相比于EPC 去除了水溶性成分及淀粉和蛋白质，孔隙率提高，结构更加疏松，非极性基团暴露增多，从而增加了对油脂的吸附能力。

ERPC 相比于RPC，对植物油和动物油的吸油量分别由 0.63、0.69 g/g 提高到了 1.27、1.75 g/g。RPC 和ERPC 均为不可溶膳食纤维，ERPC 由于经过挤压处理，其中的不可溶膳食纤维降解为可溶性膳食纤维[24]。在制备ERPC 过程中，这部分可溶性膳食纤维随淀粉、蛋白质一起除去，使ERPC 孔隙率高于RPC。此外，ERPC 的表面布满大量突起物，主要是由于挤压力和剪切力撕裂了纤维表面的大分子，使得物料比表面积增加，功能基团裸露，进而增强了膳食纤维吸附作用[25]。

4 种物料对于动物油的吸附能力明显高于植物油，这是因为植物油中主要为不饱和脂肪，其具有双键电子云空间位阻的效果[26]，而动物油中主要为饱和脂肪，导致植物油的吸附能力低于动物油。该结果与郭增旺[27]等结论相符。

3 结论

随着物料水分、机筒温度、螺杆转速的升高，EPC和ERPC 对于植物油和动物油的吸油量皆为先升高再降低，整体的吸油量ERPC 高于EPC。

物料在物料水分为40%，机筒温度为150 ℃，螺杆转速为120 r/min 条件下，经挤压后对于植物油吸附能力由未去除淀粉、蛋白质的0.50 g/g 提高到了去除淀粉、蛋白质后的1.27 g/g；在物料水分为40%，机筒温度为140 ℃，螺杆转速为140 r/min 条件下，经挤压后对于动物油的吸附能力由未去除淀粉、蛋白质的0.56 g/g 提高到了去除淀粉、蛋白质后的1.75 g/g。物料在去除淀粉、蛋白质条件下，对于植物油吸附能力，由未挤压的0.63 g/g 提高到了挤压后的1.27 g/g；对于动物油的吸附能力由未挤压的0.69 g/g 提高到了挤压后的1.75 g/g。

结果表明挤压后，豌豆纤维粉制备的不溶性膳食纤维对动物油和植物油的吸附能力均得到了明显的改善；且对动物油的吸附能力高于对于植物油的吸附能力。