微生物发酵法改性苹果渣膳食纤维理化特性分析

朱 妞

(西安医学院 公共卫生学院，西安 710021)

我国苹果资源丰富，产量巨大，其中很大一部分用于果汁的加工。果汁加工产生的主要废弃物苹果渣的开发利用可以增加农产品附加值，实现苹果资源的高效利用[1,2]。陕西省是浓缩苹果汁加工和出口大省，产量和出口量均居全国首位[3,4]。而果汁加工的主要废弃物苹果渣的综合利用一直是困扰陕西省苹果深加工和持续发展的难题。陕西省作为苹果资源大省，农产品深加工和可持续发展对于提高农民收入、发展农村经济至关重要[5]。膳食纤维具有降低血清胆固醇、改善肠道健康、预防高血压和动脉粥样硬化、清除外源有毒物质等一系列独特功能特性，因此被广泛应用于食品行业，如主食、肉制品、乳制品、饮料、调味品、休闲食品、保健食品、婴幼儿食品、糖果等方面，改善食品风味质构和营养价值。在全民健康新时代背景下，膳食纤维的研究与应用具有广阔的开发和推广前景[6-9]。苹果渣中含有丰富的膳食纤维，开发高品质的可溶性苹果渣膳食纤维产品对于提高苹果加工利用率、增加苹果深加工附加值具有重要的意义。因此，膳食纤维的理化特性分析是后续应用的前提。

由于生产膳食纤维的原料大多是食品加工废弃物或下脚料，适当地改性，提高水溶性膳食纤维含量才能真正变废为宝，提高经济价值。前期我们选择绿色木霉对苹果渣膳食纤维进行微生物发酵改性，获得了水溶性含量较高的苹果渣膳食纤维[10,11]。本试验进一步对改性苹果渣膳食纤维的理化特性进行分析，探讨其理化性质，对有害物质NO2-和胆酸钠的吸附情况，为后续产品的开发及应用提供一定的依据和参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

绿色木霉发酵改性苹果渣膳食纤维；亚硝酸钠、盐酸萘乙二胺、对氨基苯磺酸、糠醛、浓硫酸：分析纯，西安化学试剂公司。

1.2 仪器与设备

玻璃仪器：烧杯、量筒、离心管、刻度试管、锥形瓶。

设备：pHS-3C型精密pH计 上海大中分析仪器有限公司；HH2型恒温水浴锅 北京化玻联医疗器械有限公司；RE-52A型旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂；JA5003型电子天平 上海精密科学仪器厂；UV-754紫外-可见分光光度计 上海精密科学仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 改性苹果渣膳食纤维理化性质分析[12]

1.3.1.1 膨胀力的测定

取100 mL量筒，加入准确称量的1.0 g膳食纤维粉和50 mL水，振摇，混合均匀后置于室温条件下静置24 h。采用公式(1)计算膳食纤维的膨胀力(mL/g)。

(1)

1.3.1.2 持水力的测定

取100 mL烧杯，加入准确称量的1.0 g膳食纤维粉和50 mL蒸馏水，混合摇匀后置于25 ℃水浴，使膳食纤维充分吸水1 h。过滤沥干，将充分结合水的膳食纤维转移到表面皿，称重，采用公式(2)计算膳食纤维的持水力(g/g)。

(2)

1.3.1.3 结合水力的测定

准确称量1.0 g膳食纤维，将其置于4 ℃的50 mL蒸馏水中，摇匀混合后离心分离1 h (8000 r/min)，取出，弃上清液。将残留物置于表面皿静置1 h，称重记录为m1。在120 ℃烘箱中干燥2 h，称重记录为m2，m1-m2即为膳食纤维结合水的重量。

1.3.1.4 吸油力的测定

准确称量3.0 g膳食纤维和24.0 g大豆油置于离心管中，振荡摇匀后置于37 ℃水浴静置1 h，离心20 min(4000 r/min)后，弃上层油，用滤纸吸除残渣中游离的大豆油，膳食纤维粉前后重量的差值即为结合油的重量。

1.3.1.5 阳离子交换能力的测定

准确称量1.0 g膳食纤维，加入0.1 mol/L HCl溶液50 mL，振荡摇匀后静置48 h。除酸，用10%的AgNO3溶液鉴定后不含氯离子，干燥得处理样品。采用5%食盐溶液100 mL溶解250 mg的干燥样品，同时用磁力搅拌器搅拌。用NaOH溶液(0.01 mol/L)滴定溶液，记录pH。

1.3.1.6 乳化性及乳化稳定性的测定

准确称量1.0 g改性苹果渣膳食纤维粉，加入50 mL蒸馏水，振荡摇匀制成液体体系。加入大豆油50 mL，均质2 min(1000 r/min)后平均分成两份。其中一份转移到离心管中，离心10 min(1500 r/min)，采用公式(3)计算膳食纤维的乳化性。

乳化性(%)=(乳化层的高度/总高度)×100。

(3)

另一份转入50 mL刻度试管中，置于50 ℃水浴加热2.5 h。每间隔0.5 h测定乳状液体积，采用公式(4)计算乳化稳定性。

乳化稳定性(%)=(最终的乳状液体积/最初的乳状液体积)×100。

(4)

1.3.2 膳食纤维对亚硝酸盐的吸附

1.3.2.1 绘制标准曲线

亚硝酸钠标准曲线的绘制参照GB 5009.33-85的方法进行。

1.3.2.2 苹果渣膳食纤维吸附NO2-最大吸附浓度Cmax的确定

移取200 μmol/L亚硝酸钠溶液100 mL置于250 mL干燥锥形瓶中，加入准确称量的2.0 g改性苹果渣膳食纤维，置于37 ℃水浴中不断搅拌3 h。然后迅速过滤，取中间滤液1.00 mL，采用标准曲线法测定滤液中的NO2-含量，溶液中初始和残余的NO2-浓度差值，即为Cmax(最大吸附浓度)。

1.3.2.3 平衡浓度Cmin和吸附平衡时间tm的测定

移取200 μmol/L亚硝酸钠溶液100 mL，准确称量2.0 g改性苹果渣膳食纤维，均置于250 mL锥形瓶中，振荡摇匀后放入37 ℃恒温水浴，不断搅拌，一定时间间隔后取1 mL溶液测定其NO2-浓度，同时做空白试验进行对照，绘制NO2-浓度随时间的变化曲线。溶液中残余浓度(μmol/L)随时间延长呈现抛物线下降趋势，绘制其随时间变化的曲线图，可以建立残余浓度和时间在3 h内变化的拟合方程，通过求导求出浓度变化速率和最大变化速率。吸附达平衡时，浓度变化速率为0，此时为吸附平衡时间tm。将tm代入拟合方程，即改性苹果渣膳食纤维不产生作用的浓度，吸附平衡残余的NO2-浓度，即平衡浓度Cmin。

1.3.2.4 pH值对苹果渣膳食纤维吸附NO2-作用的影响

测定改性苹果渣膳食纤维分别在不同pH时对NO2-的吸附情况。同条件下，不加入膳食纤维，做空白对照试验。

1.3.3 膳食纤维对胆酸钠的吸附

1.3.3.1 标准曲线

胆酸钠标准曲线的绘制参考文献[12]中的方法。

1.3.3.2 改性苹果渣膳食纤维吸附胆酸钠

人体肠道中存在的胆酸钠会对健康产生一定的影响。膳食纤维对胆酸钠的吸附可以降低其浓度，对人体健康有益，降低血清胆固醇。试验选择在pH 6.0条件下进行，充分模拟肠道环境。移取0.15 mol/L的NaCl溶液100 mL于250 mL锥形瓶中，该溶液中含0.2 g胆酸钠，然后分别加入1～4 g改性苹果渣膳食纤维，将锥形瓶置于37 ℃水浴恒温加热。不断搅拌的条件下，每隔一段时间准确移取1 mL溶液，测定其中的胆酸钠浓度。同时，不加入膳食纤维，做空白对照。最大吸附浓度Cmax即为胆酸钠初始和残余浓度的差值。Vmax、Cmin和tm的测定方法同上。

2 结果与讨论

2.1 改性苹果渣膳食纤维理化性质分析

苹果渣膳食纤维理化性质测定结果见表1。

表1 苹果渣膳食纤维理化性质结果分析Table 1 Analysis of physical and chemical properties of apple pomace dietary fiber

由表1可知，采用绿色木霉发酵改性的苹果渣膳食纤维的膨胀力可以达到6.25 mL/g，持水力为4.53 g/g，性能指标高于西方国家相关标准(小麦麸皮膳食纤维膨胀力为4 mL/g，持水力为4 g/g)[13]。采用绿色木霉发酵对苹果渣膳食纤维进行改性后，其理化性质指标均优于原料。改性苹果渣膳食纤维的水溶性膳食纤维比例大大增加，显示出较好的膨胀力、持水力、结合水力、吸油力和阳离子交换能力，同时乳化性和乳化稳定性也有不同程度的上升。

2.2 改性苹果渣膳食纤维对亚硝酸盐的吸附

2.2.1 标准曲线的绘制

亚硝酸钠标准曲线见图1。

图1 亚硝酸钠标准曲线Fig.1 Standard curve of sodium nitrite

2.2.2 不同pH条件下改性苹果渣膳食纤维对亚硝酸盐的吸附

图2 pH值对改性苹果渣膳食纤维吸附NO2-的影响Fig.2 Effect of pH value on adsorption of NO2- by modified apple pomace dietary fiber

表2不同pH条件下苹果渣膳食纤维对NO2-吸附能力的测定结果
Table2ResultsofadsorptionabilityofapplepomacedietaryfibertoNO2-underdifferentpHconditions

pH值Cmax(μmol/L) Vmax[μmol/(g·min)] tm(min) Cmin(μmol/L) 吸附率(%)2.0201.80.1631303.598.83.0194.70.1331337.3 92.94.0171.30.11813534.6 81.35.0143.10.10713662.2 67.66.0111.70.07513599.7 52.3

由图2和表2可知，改性苹果渣膳食纤维对NO2-的吸附能力随pH值增大而减弱，在pH 2.0时膳食纤维的吸附能力达到最大值，吸附率高达98.8%，Cmin降至3.5 μmol/L。膳食纤维中的糖蛋白和多糖物质可以与阿魏酸等酚酸结合生成复合物，这些物质可以与亚硝酸根离子反应，从而阻止其进一步转化成N-硝基化合物等致癌物[14]。人体胃液的正常pH为2.0左右，1～5 μmol/L 的NO2-浓度对人体基本不产生危害。由表2可知，改性苹果渣膳食纤维可以在pH 2.0的条件下，经过130 min的吸附将NO2-浓度降低至3.5 μmol/L。 结果表明，绿色木霉微生物发酵改性苹果渣膳食纤维可以有效降低NO2-浓度至安全水平。

2.3 改性苹果渣膳食纤维对胆酸钠的吸附

2.3.1 标准曲线的绘制

胆酸钠标准曲线见图3。

图3 胆酸钠标准曲线Fig.3 Standard curve of sodium cholate

2.3.2 不同膳食纤维用量吸附胆酸钠的结果

图4 改性苹果渣膳食纤维对胆酸钠的吸附Fig.4 Effect of the adsorption of apple pomace dietary fiber on sodium cholate

表3膳食纤维用量对胆酸钠吸附能力的影响
Table3Effectofdietaryfiberadditiveamountontheadsorptionabilityofsodiumcholate

膳食纤维用量(g) Cmax(g/L) Vmax[g/(g·min)] tm(h) 吸附率(%) 1 0.5890.03163.5529.62 0.967 0.02523.80 49.731.3960.0235 3.92 72.841.6980.0204 3.98 79.7

由图4和表3可知，改性苹果渣膳食纤维对胆酸钠的吸附呈现抛物线向下趋势，随着膳食纤维用量的增加，吸附胆酸钠的能力越强。分析原因是膳食纤维结构中的网络状可以产生类似交换树脂的交联作用，高分子量的膳食纤维可以有效吸附胆酸钠。水溶性膳食纤维在降低血清中胆固醇方面比不溶性膳食纤维体现出更好的性能。通过绿色木霉发酵改性，改善了原料的水溶性，与胆酸作用较好。比较发现，在膳食纤维用量为3 g时，对胆酸钠的吸附率上升幅度较大，4 g用量虽然吸附率继续增加，但是达到吸附平衡的时间有所延长，且吸附率上升比例不大。因此，认为在3 g改性苹果渣膳食纤维用量时达到较佳胆酸钠吸附效果，吸附率可以达到72.8%，对于降低血清胆固醇有积极作用。

3 小结

对绿色木霉改性苹果渣膳食纤维的理化性质进行测定分析，结果发现，改性后的苹果渣膳食纤维与原料相比，具有较好的膨胀力、持水力、结合水力、吸油力和阳离子交换能力，显示出很好的乳化性和乳化稳定性，改性苹果渣膳食纤维的理化性质达到相关标准。

改性苹果渣膳食纤维对NO2-的吸附能力较好，在接近胃酸pH 2.0条件下吸附能力最强，吸附率可达98.8%，可以降低NO2-浓度至3.5 μmol/L的安全水平。改性苹果渣膳食纤维吸附胆酸钠能力较强，膳食纤维用量为3.0 g时，对胆酸钠的吸附率可以达到72.8%。

选择农产品加工废弃物苹果渣为研究对象，采用绿色木霉发酵法进行改性，可以有效提高水溶性膳食纤维含量，改善膳食纤维的理化性质，有效吸附NO2-和胆酸钠等有害物质，对人体健康有益，该改性苹果渣膳食纤维可以进一步用于开发健康食品，促进全面健康的同时，提高了苹果产业的附加值。

膳食纤维在食品行业应用广，通过理化特性分析，符合标准要求的改性苹果渣膳食纤维可以用于主食、乳制品、饮料、调味品、婴幼儿食品等各类食品加工中，改善功能特性与营养价值。