挤压对豌豆渣不溶性膳食纤维膨胀性和持水性影响

皇圆圆，吴淑华,2，李 飞，刘秉书，王雪源，马成业,2

(1.山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049；2.山东省高校农产品功能化技术重点实验室，山东 淄博 255049；3.山东健源生物工程股份有限公司，山东 烟台265400)

豌豆(Pisumsativum)，豆科(Leguminosae)豌豆属(Pisum)一年生攀缘草本植物，是世界上第二大食用豆类作物。中国是第二大豌豆生产国，其生产量仅次于加拿大[1]。豌豆的营养价值较高，其中淀粉含量为33.4%～47.5%，蛋白质含量为24.3%～30.4%，非淀粉多糖含量为14.4%～19.5%[2-3]。豌豆渣是豌豆淀粉生产和工业中粉丝生产的副产品，其膳食纤维含量超过80%，是膳食纤维的理想来源。然而，由于其口感较为粗糙且难以被消化, 加工利用率极低, 除少量作饲料外，大部分被作为废料丢弃，附加值低[4-5]。膳食纤维是指植物中碳水化合物的聚合物，天然存在于植物中，是对人体健康具有重大意义的物质[5]，被称为人体“第七大营养素”。膳食纤维根据溶解度可分为两大类：可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维[6]，其中，可溶性膳食纤维的生理功能为降低血清胆固醇和预防胆结石，减少糖尿病、高血压及心脏病的发病率等；而不溶性膳食纤维则在防止肥胖、便秘和肠癌等方面发挥着重要作用[7-9]。

挤压膨化加工技术是将混合、搅拌、破碎、加热、蒸煮、杀菌、膨化及成型等高新技术集成一体的技术[9]，其可使淀粉糊化、纤维素降解、蛋白质变性、酶变性失活[10-11]，还可以使纤维素微粒化，分子的极性发生改变，增加纤维素与水分子的亲和性，增大膳食纤维的水溶性并且改善其口感[12]。Yan等[13]研究发现挤压麦麸可以增加可溶性膳食纤维的含量，同时还可以提高膳食纤维的膨胀性和持水性。挤压加工也可改变膳食纤维分子质量，麦麸挤压后，其中的阿糖基木聚糖和β-葡聚糖的平均分子质量降低，这提高了二者的可提取性[14]。挤压对膳食纤维理化性质的影响因素主要取决于挤压时的物料水分、机筒温度和螺杆转速等，研究挤压工艺参数对豌豆渣不溶性膳食纤维理化性质的影响，可以生产高品质且具有高附加值的新型挤压产品。

实验通过挤压技术与酶水解法结合，研究挤压参数对豌豆渣中的不可溶性膳食纤维的膨胀性和持水性的影响，以期望为豌豆渣加工行业提供理论依据，提高豌豆渣的利用率。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂

豌豆渣(水分含量8.02%，木质素含量22.58%，纤维素含量25.43%，半纤维素含量20.14%，不溶性膳食纤维含量84.10%，淀粉含量3.07%，蛋白质含量3.95%，脂肪含量0.21%，纯度AR，山东健源生物工程股份有限公司)；耐高温α-淀粉酶(活力40 000 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)；碱性蛋白酶(活力200 U/mL，江苏锐阳生物科技有限公司)，其他化学试剂纯度AR。

1.2 仪器与设备

单螺杆挤压机：山东理工大学自制，由三段加热组合套筒和螺杆组成，长径比为17.4∶1，螺杆直径为77 mm，螺杆转速为0～1 200 r/min(无级可调)，套筒温度为0～300 ℃(连续可调)，配有温度数显仪表闭环自控系统；FD-1D-50冷冻干燥机：北京博医康实验仪器有限公司；DZKW-S-b 电热恒温水浴锅：北京市永光明医疗仪器有限公司；CWF300超微粉碎机：温州顶历医疗器械有限公司；HD-SYC恒温水浴振荡器：湖南昊德仪器设备有限公司；SHZ-DⅢ循环水式真空泵：巩义市予华仪器有限责任公司；TGL-16C高速离心机：上海安亭科学仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 单因素试验设计

在对豌豆渣挤压处理前，先将其进行干燥、粉碎、过20目筛，且调节水分含量，静置24 h后备用。测定在不同的条件下对豌豆渣中不溶性膳食纤维的影响，试验因素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 r/min、120 r/min、140 r/min、160 r/min、180 r/min，其中140 r/min为固定值。

1.3.2 不溶性膳食纤维的提取方法

采用耐高温α-淀粉酶和碱性蛋白酶结合的方法将豌豆渣中的淀粉和蛋白质去除。称取适量的豌豆渣样品，加入蒸馏水，搅匀。将pH调至6.0～6.2，然后加入耐高温α-淀粉酶，放置于水浴锅中进行95 ℃水浴30 min，碘液检测不变蓝则停止反应。冷却至60 ℃，调节pH 至4.3～4.5之间，添加一定量的糖化酶，放置于60 ℃水浴锅中进行水浴3 h。糖化完成后，将其在沸水浴中加热灭酶10 min。冷却后，将pH调节至7.6～7.8后，添加碱性蛋白酶(添加量为原料含量的0.2%)。置于水浴锅中进行55 ℃水浴3 h，待蛋白质完全除去后再沸水浴10 min灭酶[15]。

1.3.3 膨胀性的测定

称取 1.0 g 干燥样品置于 100 mL 量筒中，再添加 50 mL 蒸馏水，振荡均匀后于室温下静置 24 h，对样品溶胀前和溶胀后的体积进行目测读取。膨胀性按式(1)计算[16]：

(1)

式中:X为样品的膨胀性，mL/g；m为样品吸水前质量，g；V1为样品吸水前体积，mL；V2为样品吸水后体积，mL。

1.3.4 持水性的测定

称取 1.0 g 干燥样品置于 100 mL 锥形瓶中，再添加 75 mL 的蒸馏水，在 25 ℃下用恒温水浴振荡器振荡24 h。振荡结束后将样品转移至离心管中，于 4 000 r/min 条件下离心 0.5 h，倾去上清液并称重。持水性按式(2)计算[17]：

(2)

式中:X为样品的持水性/(g/g)；m1为样品吸水后质量，g；m2为样品吸水前质量，g。

1.3.5 数据处理

运用Origin 9.1对挤出物与不溶性膳食纤维的物理性质(膨胀性、持水性)进行试验数据处理，并制备直方图。运用SPSS 9.3对挤出物与不溶性膳食纤维的物理性质进行实验数据处理，作出显著性及误差分析。

2 结果与分析

2.1 挤压单因素对不溶性膳食纤维膨胀性的影响

膳食纤维的重要的性质之一是吸水膨胀，挤压技术可改变膳食纤维的结构从而改变其膨胀性，而膨胀性的增大能使膳食纤维更好地发挥其生理功能。如膳食纤维进入消化道后，在胃中吸水膨胀体积增大，从而刺激人体胃肠道的蠕动，增加排便的速度和次数，降低了肠内压，从而产生通便作用。同时也减轻了泌尿系统所承受的压力，缓解泌尿系统疾病的症状，诸如膀胱炎、膀胱结石和肾结石等，并能使人体迅速排出有毒物质。对于治疗某些肠道疾病，如便秘、横膈膜症及痔疮等具有一定的好处[18-20]。

2.1.1 物料水分对不溶性膳食纤维膨胀性的影响

由图1可知，当物料水分为40%时，原料挤出物与不溶性膳食纤维的膨胀性均为最大，挤出物膨胀性为2.69 mL/g，不溶性膳食纤维的膨胀性为1.15 mL/g。随物料水分的增加，原料挤出物的膨胀性和不溶性膳食纤维的膨胀性均先增加后降低，并且不溶性膳食纤维的膨胀性比挤出物的膨胀性显著低。先增大后减小的原因可能是适当水分会导致物料发生玻璃化转变，这使得物料易于膨胀；但当水分太高时，物料的表观黏度降低，物料在机筒内所受摩擦力以及剪切力降低，使在机头处的物料所受的压力显著降低，导致膨胀性降低[21]。不溶性膳食纤维的膨胀性比挤出物的膨胀性显著低，原因可能是豌豆渣中含有淀粉和蛋白质，随物料水分的增加，适当的水分会导致物料内部的有序分子的氢键断裂，而变成无序分子，原晶体结构被破坏，膨胀性增加[22]，而去除淀粉、蛋白质的过程中，物料长时间浸泡于水中，物料空隙缩小，因此不溶性膳食纤维的膨胀性减小。

2.1.2 机筒温度对不溶性膳食纤维膨胀性的影响

由图2可知，随着机筒温度的增加，原料挤出物与不溶性膳食纤维的膨胀性均先增大后减小，整体变化趋势差异性显著。当机筒温度为130 ℃时，不溶性膳食纤维的膨胀性最大为1.98 mL/g；在温度为140 ℃时，原料挤出物的膨胀性最大为2.69 mL/g，且高于不溶性膳食纤维的最大膨胀性。其原因可能是随挤压温度的升高，机腔内压力增大，使物料在被挤出时所受到的内外压差增大，从而使膨胀性增大；而挤压温度过高时，高温导致物料黏度下降，物料所受到的剪切作用减弱，膨胀性降低[23]。原料挤出物膨胀性高于不溶性膳食纤维，由于原料中含有淀粉和蛋白质，挤压温度过高，淀粉糊化，蛋白质变性，变成疏松的网状结构，而去除淀粉、蛋白质后，物料孔径减小，因此原料挤出物膨胀性较高。

图2 机筒温度对膨胀性的影响

2.1.3 螺杆转速对不溶性膳食纤维膨胀性的影响

由图3可知，随螺杆转速的增加，原料挤出物与不溶性膳食纤维的膨胀性均先增大后减小，整体变化趋势差异性显著。在螺杆转速为140 r/min时，原料挤出物膨胀性达到最大值，转速为160 r/min时不溶性膳食纤维膨胀性达到最大值。其原因可能是转速会直接影响机腔内剪切力和压力，随着转速的增加，产生的剪切力就会增大，机头处产生的压力增大，物料在机头处被挤出时所受到的内外压差就会增大，从而使挤出物膨胀性增大；而转速过高时，物料在机腔内滞留时间变短，大分子物质还未完全降解即被挤出，导致其膨胀性降低[24]。挤出物膨胀性高于不溶性膳食纤维的，原因可能是未经酶解的挤出物内部空间结构比较疏松，易于吸水膨胀。

图3 螺杆转速对膨胀性的影响

2.2 挤压单因素对不溶性膳食纤维持水性的影响

食品体系水分的分布受所含膳食纤维持水性的影响，对食品外观、风味、质构及商品价值影响都较大[25]。Chen等[26]发现挤压膨化可使大豆膳食纤维中可溶性膳食纤维的含量增加，且膳食纤维的持水性、溶解性也都有显著提高。

2.2.1 物料水分对不溶性膳食纤维持水性的影响

由图4可知，随物料水分的增加，原料挤出物与不溶性膳食纤维的持水性先增加，后略有下降。在物料水分增大到40%时，持水性达到最大。原因可能是适当的水分使物料内部的有序分子中的氢键发生断裂，变成无序状态，导致原晶体结构被破坏，物质的结构发生变化，使物料易糊化[27]，因此持水性明显增加；而物料水分过高时，物料的流动性增大，剪切力降低，物料的降解程度降低，从而降低了持水性[28]。而不溶性膳食纤维的持水性明显高于挤出物的持水性，因为在挤压过程中水具有增加聚合物分子的增塑性、运动性、降低扭矩等作用[29-30]，原料中含有淀粉和蛋白质，水的增塑性和增加分子运动性的作用提高了蛋白质分子的溶胀程度和形成网络分子的能力，从而增加了不溶性膳食纤维的持水性。

图4 物料水分对持水性的影响

2.2.2 机筒温度对不溶性膳食纤维持水性的影响

由图5可知，随机筒温度的增加，原料挤出物与不溶性膳食纤维的持水性均先增大后减小。当机筒温度为150 ℃时，原料挤出物和不溶性膳食纤维的持水性均最高，整体变化差异性不明显，原因可能是随着温度的升高，机腔内压力增加，物料所受到的剪切力、摩擦力就增大，纤维素、淀粉等大分子物质降解程度增大[31]，水溶性成分增多，持水性增加；而温度过高时，物料在机筒内易焦糊和结成硬块[32]，影响其从机筒中挤出，使持水性下降。不溶性膳食纤维的持水性明显高于原料挤出物的持水性，原因是高温及耐高温α-淀粉酶等对淀粉的降解，促进了淀粉的熔融和糊精化，导致不溶性膳食纤维暴露出更多的亲水基团，从而使其持水性显著增加。

图5 机筒温度对持水性的影响

2.2.3 螺杆转速对不溶性膳食纤维持水性的影响

由图6可知，随螺杆转速的增加，原料挤出物的持水性先减小后增大，但整体变化趋势差异性不显著，原因可能是随转速增加，机腔内温度增加，压力增加，使原料挤出物焦糊并结成硬块，持水性下降，但转速过高，缩短了物料在机筒内的停留时间，混合不均匀，物料不能充分反应，因此持水性会有所升高；不溶性膳食纤维持水性先增大后减小，在转速为180 r/min时持水性最大，且不溶性膳食纤维持水性高于原料挤出物，原因可能是挤出物经高温和耐高温α-淀粉酶等对淀粉的降解，使膳食纤维中某些大分子组分的连接键断裂变成小分子组分，导致膳食纤维的网状结构由致密转变得相对疏松，体积和比表面积也随之增大，可溶性物质增多，从而导致不溶性膳食纤维的持水性提高。

图6 螺杆转速对持水性的影响

3 结论

研究结果表明物料水分、挤压机筒温度和螺杆转速均能显著影响豌豆渣及其不溶性膳食纤维挤压膨化的膨胀性和持水性。挤压膨化过程中，随物料水分、机筒温度的增大，挤出物及不溶性膳食纤维的膨胀性、持水性均先增大后减小；随螺杆转速的增加，挤出物与不溶性膳食纤维的膨胀性先增大后减小，而挤出物的持水性先减小后增大，不溶性膳食纤维与之相反。在加工过程中可以通过控制适宜的挤压条件得到膨胀性、持水性较好的豌豆产品，提高豆渣利用率。