挤压改性对苹果渣可溶性膳食纤维含量的影响

陈雪峰, 麻佩佩, 李 睿

(陕西科技大学 生命科学与工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

膳食纤维是人类第七大营养素，按溶解性可以分为可溶性膳食纤维(soluble dietary, SDF)和不溶性膳食纤维(insoluble dietary, IDF)，其中SDF的比例是影响膳食纤维生理功能的一个重要因素[1].但天然来源的膳食纤维中大多数为IDF，而SDF含量较低，因此，提高天然膳食纤维中的SDF含量就具有一定的经济价值[2].

目前应用于膳食纤维改性的方法主要有三种：物理方法(主要有挤压加工技术、超微粉碎技术、冷冻粉碎技术等)、化学方法(主要有酸法和碱法)以及生物技术方法(主要有酶法和发酵法)[3-6].挤压加工技术是现代食品工程的新技术之一，在膳食纤维改性中可以有效提高SDF含量.本研究以苹果渣为原料，采用单螺杆挤压技术，研究挤压条件对苹果渣可溶性膳食纤维含量的影响，这为苹果渣膳食纤维的开发利用提供了理论依据.

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

苹果渣由陕西海升果业发展股份有限公司乾县分公司提供；其他试剂均为分析纯.

1.2 实验仪器

单螺杆挤压机：实验室自行组装；BS323S电子天平：赛多利斯科学仪器有限公司；BSA224S-CW电子天平：赛多利斯科学仪器有限公司；HH-4数显恒温水浴锅：国华电器有限公司；H-1850R离心机：长沙湘仪离心机仪器有限公司；101-1AB型电热鼓风干燥箱：天津泰斯特仪器有限公司；高速万能粉碎机：天津泰斯特仪器有限公司.

1.3 试验方法

1.3.1 样品的制备

利用高速万能粉碎机对苹果干渣进行粉碎，控制粉碎时间为20 s，然后将粉碎的干渣依次过100目、80目、60目、40目、20目筛，收集各个筛分进行备用.

1.3.2 挤压参数对SDF含量影响的单因素试验

(1)物料粒度对SDF含量的影响

在加水量为60%(以物料的干物质为基准，以下的加水量都一样)，螺杆转速为600 r/min，物料粒度分别为20目、40目、60目、80目、100目的条件下进行挤压.研究不同物料粒度对SDF含量的影响.每组试验重复3次，取平均值.

(2)螺杆转速对SDF含量的影响

在物料粒度为40目，加水量为50%，螺杆转速分别为360 r/min、480 r/min、600 r/min、720 r/min、840 r/min的条件下进行挤压.研究不同螺杆转速对SDF含量的影响.每组试验重复3次，取平均值.

(3)加水量对SDF含量的影响

在物料粒度为40目，螺杆转速为600 r/min，加水量分别为30%、40%、50%、60%、70%的条件下进行挤压.研究不同加水量对SDF含量的影响.每组试验重复3次，取平均值.

1.3.3 挤压参数对SDF含量影响的正交试验

在单因素试验的基础上，选用物料粒度、加水量、螺杆转速3个因素，以SDF增量为挤压效果的考察指标，采用L9(33)正交设计，进行三因素三水平的正交试验，探讨挤压改性的最优工艺参数，具体因素水平的设计如表1所示.每组试验重复3次，取平均值.

1.3.4 SDF增量的计算方法

SDF增量按下面的公式计算：

式中：M1为挤压前SDF的含量(%)，M2为挤压后SDF的含量(%).

表1 正交试验因素水平

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 物料粒度对SDF含量的影响

从图1可以看出，在物料粒度为20～40目范围内，SDF的增量随着物料粒度的增加而升高，当物料粒度为40目时，SDF的增量达到最大值，但当物料粒度超过40目时，SDF的增量又开始下降.这主要是由于粒度决定物料的比表面积[7]，同时苹果渣在粉碎过程中纤维高聚物在机械力的作用下也会发生部分断裂，而纤维高聚物发生断裂的作用力主要来自挤腔内的挤压力和剪切力[8].在螺杆转速和加水量一定的条件下，当物料粒度适宜时，纤维高聚物所受的挤压力和剪切力越大，越易发生断裂，SDF的增量也就越多.因此，在本试验条件下最适宜的物料粒度为40目.

图1 物料粒度对SDF含量的影响

2.1.2 螺杆转速对SDF含量的影响

从图2可以看出，当螺杆转速为600 r/min 时，SDF的增量最多，其原因在于苹果渣在机筒中停留时间足够长，使物料充分得到剪切、摩擦以及高温的作用[9]；在此作用下，膳食纤维被微粒化,纤维分子的化学键断裂,分子的极性发生变化,增加了膳食纤维的亲水性,使不溶性膳食纤维向可溶性膳食纤维转化[10]，从而提高了SDF的含量；而当螺杆转速高于600 r/min 时，SDF的增量随着转速的增高而下降，这主要是因为物料在机筒内的挤压时间过短，未获得足够的挤压力和剪切力使纤维高聚物糖苷健断裂，因而SDF的增量逐渐减少.因此，在本试验条件下最适宜的螺杆转速为600 r/min.

图2 螺杆转速对SDF含量的影响

2.1.3 加水量对SDF含量的影响

在挤压改性的过程中，加水量是影响挤压效果的重要因素之一，对于单螺杆挤压设备[11]，为实现挤压操作，加水量应控制在10%～40%，经大量预实验发现，20%以下的加水量会造成机器堵塞，很难实现挤压操作，故试验中只研究加水量在30%以上的挤压效果.

由图3可以看出，SDF的增量随加水量的提高而减少，当加水量在30%时SDF 的增量最多.这是因为加水量一方面可以调节物料的湿润程度，使得物料便于输送和挤压；另一方面，在挤压过程中，由于剪切力、压力和摩擦力大小受水分含量高低的影响，因此SDF增量的多少也会受水分含量高低的影响.加水量高，物料润滑，机腔内挤压和剪切作用力就小，纤维高聚物就不易发生断裂[12]，从而不利于不溶性膳食纤维向可溶性膳食纤维转化，因此SDF含量就少，增加量相应的也就少.故在本试验条件下最适宜的加水量为30%.

图3 加水量对SDF含量的影响

2.2 正交试验结果

挤压改性的正交试验方案与结果如表2 所示.结果表明，SDF增量最多的挤压工艺组合为A1B1C2，即物料粒度20目，加水量30%，螺杆转速600 r/min.采用直观分析方法，比较极差分析表中三个因素的极差R值，从R值的大小可以看出，各因素对SDF增量多少的影响顺序为A(物料粒度)>B(加水量)>C(螺杆转速).由此可以看出，物料粒度是影响挤压改性的关键因素，在此条件下进行验证实验，可以得到苹果渣中SDF的含量从3.47%提高到16.96%，其增量为388.76%.

表2 正交试验设计及结果

3 结束语

通过挤压处理，可以显著提高苹果渣中SDF含量.这主要是由于在挤压的过程中，膳食纤维在高温条件下受到强烈的剪切、碾磨和摩擦作用,其中的纤维素与半纤维素降解为小颗粒物质，部分键断裂提高了纤维的溶解性.正交试验结果显示，影响苹果渣膳食纤维挤压改性的因素强弱次序为：物料粒度>加水量>螺杆转速.其最佳工艺条件为：物料粒度20目，加水量30%，螺杆转速600 r/min，在此条件下，苹果渣中SDF的含量从3.47%提高到16.96%，其增量为388.76%.

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