螺杆挤压-超微粉碎联合改性对猕猴桃可溶性膳食纤维的影响

刘宁，林萍，陈雪峰，王平喜，贺人杰，霍宜辰

（1.陕西科技大学食品科学与工程学院，陕西 西安 710021；2.陕西农产品加工技术研究院，陕西 西安 710021；3.西安市亿慧食品有限责任公司，陕西 西安 710406）

猕猴桃（Kiwifruit）又名藤梨、奇异果，成熟的猕猴桃果实柔软多汁、酸甜适度[1]，果实中含有丰富的维生素C和膳食纤维[2-3]，同时兼具鲜食和可加工的优点，在世界各地栽培数量多、种类丰富。但猕猴桃具有含水量较高、不耐储藏、易受外界环境因素（温度、湿度、碰撞等）影响的特点，因此易使其腐败变质和损伤。因此，将新鲜猕猴桃加工成膳食纤维粉，可以大幅度降低水分含量、延长猕猴桃的贮藏期，还能在一定程度上保持猕猴桃中原有的营养成分，使其更易于人体的消化吸收，满足市场和特殊人群的需求[4]。

猕猴桃果实中天然来源的膳食纤维通常为不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF），因其颗粒大，难以被人体消化吸收。因此，提高其中的可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）含量具有较好的实用经济价值[5]。作为减肥食品，膳食纤维既可产生饱腹感，又能改善耐糖量，调节糖尿病人的血糖水平。目前，膳食纤维改性的方法主要包括：物理方法（挤压加工、超微粉碎、冷冻粉碎等）、化学方法（酸法和碱法）以及生物技术方法（酶法和发酵法）[6]。其中，挤压加工和超微粉碎技术都是果蔬中常用且经济的改性方法[7-8]。挤压加工技术是将物料在高温、高压和高剪切作用下进行处理，使物料分子发生裂解及极性变化，从而将IDF转化为SDF的一种方法。超微粉碎技术利用机械或流体产生的剪切力，显著降低物料颗粒粒度（10 μm～25 μm），增大物料的比表面积，从而暴露出更多的亲水性基团，提高物料的溶解性、改善其应用特性。

本试验以陕西徐香猕猴桃为原料，采用双螺杆挤压技术和气流式超微粉碎技术相结合的方法，研究联合处理对猕猴桃粉中SDF含量、颗粒粒径和膳食纤维加工特性的影响，以期为猕猴桃膳食纤维的制备和开发利用提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

徐香猕猴桃，采摘于陕西省眉县，1℃～3℃低温保存。乙酸镁（分析纯）、氢氧化钠（优级纯）、石油醚（分析纯）：上海源叶生物科技有限公司；乙醇（分析纯）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司。其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

MJ-WBL2521H型榨汁机：美的集团有限公司；LGJ-10型真空冷冻干燥机：北京松源华兴科技有限公司；RHP-400型高速万能粉碎机：浙江省永康市荣昊工贸有限公司；MA-50型水分测定仪：德国赛多利斯仪器有限公司；SYSLG30-IV型双螺杆挤压机：济南赛百诺科技开发有限公司；QLM-90K型流化床对撞式气流磨：浙江省绍兴上虞和力粉体有限公司；Mastersizer 2000激光粒度分析仪：英国马尔文仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 常规指标的测定

水分含量采用GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》测定；灰分含量采用GB5009.4—2016《食品安全国家标准食品中灰分的测定》测定；蛋白质含量采用GB 5009.5—2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》测定；脂肪含量采用GB 5009.6—2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》测定。

1.3.2 猕猴桃粉的制备

新鲜猕猴桃→去皮→榨汁机打浆→皮籽分离取果肉→-18℃预冻24 h→真空冷冻干燥48 h→猕猴桃冻干粉。

1.3.3 猕猴桃粉制备

利用高速万能粉碎机对猕猴桃冻干粉进行粗粉碎，控制粉碎时间为20 s，将粉碎后猕猴桃粉分别过20、40、60、80、100 目筛，收集各组分筛分备用。

1.3.4 猕猴桃粉的挤压处理

向不同过筛目数的猕猴桃粉中加入适量的去离子水，静置12 h。在挤压温度120℃的条件下对猕猴桃粉进行双螺杆挤压处理，完成后平铺于烘箱中烘干粉末。挤压温度110℃、挤压时间5 min，以SDF含量作为评价指标，分别考察原料目数（20、40、60、80、100 目）、加水量（20%、30%、40%、50%、60%）、螺杆转速（100、300、500、700、900 r/min）对 SDF 含量的影响。

1.3.5 猕猴桃粉的超微粉碎处理

称取挤压处理后的猕猴桃粉300 g，经粗粉碎并过80目筛，加入气流磨内进行超微粉碎处理，固定其他条件，分别考察粉碎频率（10、20、30、40、50 Hz）、研磨压力（0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 MPa）、粉碎时间（10、15、20、25、30 min）对中位粒径（D50）的影响。

1.3.6 SDF含量测定

称取2.0 g猕猴桃粉于150 mL烧杯中，加入20 mL去离子水溶解，调节pH值至7.0，60℃水浴1 h，加入4倍体积的95%乙醇（预先加热至60℃），收集上清液，25℃下静置24 h，25℃下5 000 r/min离心15 min，收集沉淀烘干至恒重[9]。SDF含量计算公式如下。

式中：m1表示沉淀干重，g；m0表示样品干重，g。

1.3.7 中位粒径（D50）测定

称取1.0 g猕猴桃粉于100 mL烧杯中，加入50 mL去离子水分散，搅拌均匀，将得到的悬浮液缓慢加入Mastersizer2000激光粒度仪中分散，测量中位粒径（D50），设置折射率为1.5，遮光比为10%～15%，分散剂为去离子水。

1.3.8 加工特性测定

1.3.8.1 持水力的测定

称取改性处理后的猕猴桃粉0.5 g于玻璃试管中，加入10 mL～15 mL去离子水，涡旋混匀，25℃下静置24 h，4 000 r/min离心10 min后收集下层沉淀，滤纸吸干多余水分，称质量[10]。持水力计算公式如下。

式中：m1表示样品加水分散后的质量，g；m0表示样品加水分散前的质量，g。

1.3.8.2 膨胀力的测定

称取改性处理后的猕猴桃粉0.5 g于有刻度的玻璃试管中，记录猕猴桃干粉的体积，加入10 mL去离子水，混合均匀，25℃下静置24 h，记录样品在试管中的自由膨胀体积[11]。膨胀力计算公式如下。

式中：V表示样品膨胀后的体积，mL；V0表示样品干样的体积，mL；m表示改性处理后的样品干重，g。

1.3.8.3 分散性的测定

称取10 g改性处理后的猕猴桃粉于烧杯中，加入100 mL沸水分散，搅拌均匀，静置 10 min～15 min，取40目筛网过滤，清水冲洗筛网残留的结块物，沥干水分，称取结块物的质量（g），过滤截留物越多，则分散性越差[12]。

1.4 数据分析

每组试验平行3次，数据取平均值，采用Origin 8.5软件绘图，并使用SPSS 23.0对数据进行显著性分析，差异显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 猕猴桃原料基本成分

试验测定了徐香猕猴桃冻干粉的基本成分含量，结果如表1所示。

表1 猕猴桃冻干粉基本成分Table 1 Basic components of kiwifruit lyophilized powder

由表1可知，猕猴桃粉的膳食纤维以IDF为主，占比达76.53%，而SDF含量仅为6.27%。

2.2 挤压改性条件对猕猴桃粉SDF含量的影响

2.2.1 原料目数对SDF含量的影响

以不同过筛目数的猕猴桃粉为原料，经双螺杆挤压处理后产品中SDF含量结果见图1。

图1 猕猴桃粉原料目数对SDF含量的影响Fig.1 Effect of raw material mesh of kiwifruit powder on SDF content

由图1可知，当猕猴桃粉目数为20目～60目时，SDF含量随着目数增大而增加；当猕猴桃粉为80目时，SDF含量达到14.58%，与60目无显著性差异（P＞0.05）。100目时，SDF含量为13.96%，变化不大。分析这主要是由于猕猴桃粉在螺杆挤压的过程中，较大的纤维素聚集体在挤压力和剪切力的作用下发生断裂。目数越大，对应的物料粒度越小，物料的比表面积越大，在其他参数一定的条件下，适宜粒度的颗粒受到的挤压力和剪切力越大，SDF含量随之增大[13]。但随着颗粒粒度进一步减小（如100目），也会增加猕猴桃粉颗粒重新聚集的可能性[10]。因此选择挤压改性猕猴桃粉的最适原料过筛目数为80目。

2.2.2 加水量对SDF含量的影响

在挤压过程中，物料的润湿性与其水分含量有关，当其他参数一定时，增大加水量可以提高猕猴桃粉的润湿性，使其便于输送和挤压。不同加水量的猕猴桃粉经挤压处理后SDF含量见图2。

图2 原料加水量对SDF含量的影响Fig.2 Effect of water addition of raw material on SDF content

由图2可知，当加水量为20%时，SDF含量较低，这可能是其润湿效果不足，试验中也发现，20%加水量会造成双螺杆挤压机一定程度的堵塞[14]。加水量为30%～60%时，随着加水量的增加，猕猴桃粉中SDF含量反而降低（P＜0.05），这可能是因为加水量过高，物料的流动性持续增大，使得挤压时受到的剪切力和摩擦力变小，导致猕猴桃粉中的SDF含量反而降低。因此，挤压改性猕猴桃粉选择原料加水量为30%。

2.2.3 螺杆转速对SDF含量的影响

以不同螺杆转速处理猕猴桃粉，产品中SDF含量见图3。

图3 螺杆转速对SDF含量的影响Fig.3 Effect of screw speed on SDF content

由图3可知，当螺杆转速为100 r/min～900 r/min时，SDF含量呈先上升后下降的趋势。螺杆转速为700 r/min时，挤压处理后的猕猴桃粉SDF含量最高。在适当的螺杆转速范围内，随着转速增大，剪切力也随之增大，更利于纤维素高聚物的裂解，使SDF含量增大。但当螺杆转速过大（900 r/min）时，猕猴桃粉在机筒内受挤压的时间缩短，物料未能完全被挤压断裂就运送出来，导致物料受到足够的挤压力不足，而使其中的SDF含量一定程度下降（P＞0.05）。因此，选择螺杆转速为700 r/min进行挤压改性猕猴桃粉试验，此时所得SDF含量为15.79%。

2.3 挤压-超微粉碎对猕猴桃粉中位粒径（D50）的影响

试验测定了经粗粉碎及挤压改性后再次粉碎过筛猕猴桃粉的 D50，为（165.05±2.26）μm。经超微粉碎预试验发现，猕猴桃膳食纤维的D50越小，其SDF含量越高。因此，挤压-超微粉碎联合改性试验中，仅以D50作为考察指标，研究联合改性工艺条件。

2.3.1 粉碎频率对D50的影响

粉碎频率对D50的影响见图4。

图4 粉碎频率对D50的影响Fig.4 Effect of grinding frequency on D50

由图4可知，随着粉碎频率从10 Hz增至30 Hz，猕猴桃粉的D50显著降低（P＜0.05）；但当粉碎频率为30 Hz～50 Hz时，物料 D50无显著性差异（P＞0.05）。这是由于猕猴桃粉在超微粉碎过程中，通过粉碎机的分级叶轮，随着气流进入粉体颗粒的收集系统，粉碎频率越大，分级叶轮转速越快，形成的离心力越大，物料在仪器内的碰撞次数就越多，猕猴桃粉的粒径变小[15-16]。另一方面，物料颗粒间碰撞产生的能量也随之增大，破坏了猕猴桃粉的纤维结构，使大分子断裂成为可溶性的小分子物质[17]。但当粉碎频率过大时，颗粒总表面积可能增大，物料颗粒间的摩擦力和表面静电作用增加，粉体间吸附作用增强，出现重新聚集的现象，可能导致粒径反而变大[18]。因此，挤压-超微粉碎联合改性猕猴桃粉时选取粉碎频率为30 Hz。

2.3.2 研磨压力对D50的影响

研磨压力对D50的影响见图5。

图5 研磨压力对D50的影响Fig.5 Effect of grinding pressure on D50

由图5可知，研磨压力为0.5 MPa～0.8 MPa时，猕猴桃粉的D50随着研磨压力的增加而减小（P＜0.05）。这是由于随着研磨压力增大，超微粉碎机喷嘴出口处的气流速度也逐渐变大，赋予猕猴桃粉更高的动能。物料与物料间、物料与设备内部发生碰撞的能量更大，使其被充分破碎，明显降低了颗粒粒径[19]。当压力为0.9 MPa时，与0.8 MPa处理时猕猴桃粉D50相比无显著性差异（P＞0.05），这可能是由于研磨压力过大导致喷嘴前后压力相差较大，使气流速度下降，影响粉碎效果[20]。因此，挤压-超微粉碎联合改性猕猴桃粉时选择研磨压力为0.8 MPa。

2.3.3 粉碎时间对D50的影响

粉碎时间对猕猴桃粉D50的影响如图6所示。

图6 粉碎时间对D50的影响Fig.6 Effect of grinding time on D50

由图6可知，随着粉碎时间的延长，猕猴桃粉的D50呈下降趋势，0～20 min时，下降趋势明显；而当粉碎时间为 20 min～30 min 时，D50无显著性差异（P＞0.05），粉碎处理的改善效果降低。因此，试验选取超微粉碎的处理时间为20 min，此时所得膳食纤维粉的D50为15.86 μm。

2.4 改性猕猴桃膳食纤维的加工特性测定

不同处理方式对猕猴桃膳食纤维加工特性的影响如表2所示。

表2 不同处理方式对猕猴桃膳食纤维性质的影响Table 2 Effects of different treatments on properties of kiwifruit dietary fiber

由表2可知，与对照相比，经过螺杆挤压-超微粉碎联合处理后，猕猴桃膳食纤维的SDF含量、持水力、膨胀力和分散性均有显著变化（P＜0.05），其中SDF含量达到19.06%；持水力为10.85 g/g，膨胀力为8.64 mL/g，分散性（截留物质）减少至3.57 g。这是由于在改性过程中，受到高温、高压、高剪切力和摩擦力的联合作用，猕猴桃粉中较长的纤维素发生断裂，膳食纤维颗粒经超微粉碎后更加细小，较大程度上增加了水溶性成分的析出[21-22]。颗粒D50降低，比表面积增大，与水结合的面积增大，持水力增强。此外，猕猴桃粉的膨胀力显著增加（P＜0.05），这可能是因为联合处理致使颗粒内部结构破坏，暴露出更多的亲水基团，在水中更易结合水充分膨胀，均匀分散。

3 结论

采用螺杆挤压和超微粉碎联合改性方法对猕猴桃粉进行处理，以提高其SDF含量和产品的加工特性。试验所得较佳的螺杆挤压工艺条件为物料过筛目数80目、加水量30%、螺杆转速700 r/min，SDF含量可从6.27%增至15.79%。经螺杆挤压-超微粉碎联合改性处理后，猕猴桃粉的D50为15.86 μm，SDF含量可达19.06%，其持水力、膨胀力和分散性等加工特性均有改善，表明该联合处理对猕猴桃粉膳食纤维具有显著的改性效果。本研究为猕猴桃的深加工及以猕猴桃膳食纤维作为功能食品的原辅料综合利用提供了理论基础和技术支持。