吴海玉 龚林玲 杨万根

(吉首大学食品科学研究所，湖南 吉首 416000)

膳食纤维(dietary fiber，DF)是不能被人体消化的多糖类碳水化合物及木质素的总称。研究[1-2]发现，DF具有较强的持水力和持油力，可以吸收人体肠道中大量的水分，增加饱腹感，提高人体排便的速度，同时可以吸附脂肪并将其排出体外，减少机体对脂肪的吸收，具有降低人体胆固醇、血糖、血脂，预防心血管疾病，抗氧化，预防结肠癌、乳腺癌等生理功能，被称为“第七大营养素”。

中国是世界猕猴桃的起源地，种植面积和产量均居世界第一位[3]。在猕猴桃果汁、果脯、果酒、果酱等食品的加工过程中会产生大量的猕猴桃皮渣。有研究[4]表明，猕猴桃皮渣中含有丰富的单糖、双糖、低聚糖和淀粉、DF等多糖物质。然而，人们对猕猴桃皮渣的开发利用研究尚少，仅见皮渣果胶物质的提取[5]、果皮提取物中多酚的纯化[6]、果皮吸附剂的制备[7]、可溶性DF的酸法制备[8]等报道。课题组前期利用猕猴桃皮渣同步糖化发酵生产酒精，得到酒精和猕猴桃皮膳食纤维(kiwifruit peel dietary fiber，KPDF)两种产品，但所得KPDF颗粒粗，持水力、持油力等功能特性差，用途有限，因此需要对其开展以提高持水力和持油力为目标的改性，以扩大其在功能性食品中的应用。但尚未发现对猕猴桃皮膳食纤维进行改性的研究报道。目前，DF的改性方法主要有干法粉碎、湿法粉碎、超高压法、蒸汽爆破法、酶法和化学法等[9-10]。胶体磨法是工业改性方法中比较成熟的一种，其处理能力大，能耗较低，设备及操作方法简单，在油橄榄果渣[11]、西番莲果皮[12]等膳食纤维的改性中有良好的效果。试验拟以持水力、持油力为指标，采用胶体磨湿法粉碎方法对同步糖化发酵技术得到的KPDF进行改性，研究最优改性条件，并对所得产品的溶解度、膨胀力、阳离子交换能力(cation exchange capacity，CEC)、粒径等特性进行表征，以期为KPDF的综合开发利用提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

猕猴桃皮渣：米良1号，湘西老爹生物有限公司；

安琪白酒王干酵母：湖北安琪母股份有限公司；

耐高温α-淀粉酶：30 000 U/g，湖南新鸿鹰生物工程有限公司；

中性蛋白酶、糖化酶：50 000 U/g，湖南新鸿鹰生物工程有限公司；

NaOH、NaCl、HCl、AgNO3、(NH4)2SO4、丙酮等：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

玉米油：山东三星玉米产业科技有限公司。

1.2 仪器与设备

中草药粉碎机：Fw177型，天津市泰斯特仪器有限公司；

电热鼓风干燥箱：101-2AB型，天津泰斯特仪器有限公司；

台式多管自动平衡离心机：TDZ4型，长沙平凡仪器仪表；

恒温水浴锅：HH-S2型，金坛市成辉仪器厂；

胶体磨：JTM-L65型，转速2 880 r/min，上海立先机械工业有限公司；

激光粒度分析仪：BT-9300型，丹东百特仪器有限公司；

冷冻干燥机：FD5-2.5型，Gold SIM international Group Co., LTD。

1.3 方法

1.3.1 KPDF制备 称取猕猴桃皮渣，粉碎，用蒸馏水按4∶1 (mL/g)的液料比配成高浓度料液，将其在90 ℃下糊化30 min至均匀糊状溶液；调节pH值为5.0，加入300 U/g耐高温α-淀粉酶，90 ℃下液化30 min；将发酵料液冷却至60 ℃，加入1 075 U/g糖化酶和0.75%硫酸铵，在35 ℃时加入0.75%活化后的酵母，在38 ℃同步糖化发酵43 h。发酵料液过滤，滤渣清洗，60 ℃真空烘干。称取烘干的样品，按液料比20∶1 (mL/g)加入蒸馏水配成溶液，调节pH值为6.5，加入0.75%中性蛋白酶，55 ℃恒温振荡酶解4 h。过滤，滤渣于60 ℃真空烘干。滤渣干粉加入石油醚至完全浸没，静置12 h，过滤，晾干，制得KPDF。

1.3.2 单因素试验设计

(1) 液料比：称取KPDF若干份，以液料比30∶1，60∶1，90∶1，120∶1，150∶1 (mL/g)加入蒸馏水，调节齿间距为8 μm，连续粉碎5 min，分析液料比对KPDF持水力和持油力的影响。

(2) 齿间距：称取KPDF若干份，按最佳液料比加入蒸馏水，调节齿间距为6，8，10，12，14 μm，连续粉碎5 min，分析齿间距对KPDF持水力和持油力的影响。

(3) 粉碎时间：称取KPDF若干份，按最佳液料比和最佳齿间距，粉碎1，3，5，7，9 min，分析粉碎时间对KPDF持水力和持油力的影响。

1.3.3 Box-Behnken试验设计 以持油力和持水力为指标，采用Box-Behnken设计开展三因素三水平响应面试验。

1.3.4 改性前后KPDF理化特性表征 测定改性前后KPDF的持水力、持油力、膨胀力、溶解度、CEC，比较其变化。

(1) 持水力测定：参照文献[13]，按式(1)计算持水力。

(1)

式中：

cw——持水力或持油力，g/g；

m1——样品湿重，g；

m2——样品干重，g。

(2) 持油力测定：参照文献[14]，按式(1)计算持油力。

(3) 膨胀力测定：参照文献[15]，按式(2)计算膨胀力。

(2)

式中：

ce——膨胀力，mL/g；

v1——膨胀后体积，mL；

v2——干品体积，mL；

m——样品干重，g。

(4) 溶解度测定：参照文献[16]，按式(3)计算溶解度。

(3)

式中：

S——溶解度，%；

m1——样品质量，g；

m2——剩余不溶物质量，g。

(5) CEC测定：参照文献[17]，按式(4)计算CEC，结果以每克样品中酸化形式样品的毫摩尔量计。

(4)

式中：

α——阳离子交换能力，mmol/g；

0.01——滴定用NaOH浓度，mol/L；

v1——滴定所消耗的NaOH体积，mL；

v2——空白所消耗的NaOH体积，mL；

m——酸化样品的质量，g。

1.3.5 粒径分布 以水为分散剂，将样品配制成溶液，采用BT-9300激光粒度分析仪测定样品的粒度分布状况，结果以平均粒径D50表示。

1.3.6 数据处理与统计 所有试验均重复3次，结果用Origin 2019b作图，用Design expert 8.0.6软件对Box-Behnken试验结果进行分析。

2 结果与讨论

2.1 液料比对持水力、持油力的影响

由图1可知，随着液料比的增大，样品的持水力呈现先增加后减小的变化，而持油力逐渐增加，液料比达到90∶1 (mL/g)后趋于稳定。原因是随着液料比的增大，样品黏度减小，被粉碎得更细，比表面积增加，与水、油的接触面积更大；当液料比增加到90∶1 (mL/g)时，表现出最大持水力和持油力。但液料比继续增大，粉碎过度，样品的纤维结构遭到严重破坏，对水的滞留能力下降，所以持水力急剧下降[18]。但油的流动性较水的差，当样品纤维空间被破坏时，对油的滞留比较水的大，所以持水力下降明显而持油力变化不大。

图1 液料比对KPDF持水力、持油力的影响

Figure 1 Effects of liquid to solid ratio on water retention capacity and oil-binding capacity of KPDF

2.2 齿间距对持水力、持油力的影响

由图2可知，随着齿间距的减小，样品的持水力、持油力先增加后减小。这是因为随着齿间距的减小，胶体磨对样品的剪切力、摩擦力增大，粉碎力度增大，样品颗粒更细，与水、油的接触面积增大；当齿间距为12 μm时，持水力和持油力达到最大。齿间距继续减小，胶体磨对样品的粉碎力度加大，使样品的纤维结构被破坏得更严重，对水、油的束缚减小，所以持水力、持油力下降。但持水力在齿间距<10 μm后，不再下降，可能是因为样品中的亲水基团暴露，在亲水基团的作用下，持水力不再下降[19]。

图2 齿间距对KPDF持水力、持油力的影响

Figure 2 Effects of insert spacing on water retention capacity and oil-binding capacity of KPDF

2.3 粉碎时间对持水力、持油力的影响

由图3可知，样品的持水力随粉碎时间的增加先增加后减小，持油力先增加后趋于稳定。这是因为随着粉碎时间的增加，样品被粉碎得更彻底，颗粒更细，比表面积增大，持水力、持油力增加，当粉碎时间为7 min时，持水力、持油力最大。随着粉碎时间的进一步延长，粉碎过度，样品的纤维结构遭到破坏，对水的滞留能力下降，所以持水力急剧下降。

图3 粉碎时间对KPDF持水力、持油力的影响

Figure 3 Effects of milling time on water retention capacity and oil-binding capacity of KPDF

2.4 Box-Behnken试验结果及分析

Box-Behnken试验因素水平见表1，试验结果见表2。

表1 Box-Behnken试验因素水平

表2 Box-Behnken试验结果

对表2中结果进行多项拟合回归，得持水力、持油力对液料比、粉碎时间和齿间距的多元二次回归方程：

Y水=12.28+0.13A+0.18B+0.66C-1.04AB+0.060AC+1.00BC-2.16A2-1.29B2-0.68C2，

(5)

Y油=5.51+0.069A+0.16B+0.14C-0.28AB+0.16AC+0.25BC-0.83A2-0.55B2-0.32C2。

(6)

对回归方程进行方差分析，结果见表3、4。

表3 KPDF持水力回归方程方差分析†

Table 3 Variance analysis of regression equation on water retention capacity of KPDF

方差来源平方和自由度均方F值P值显著性模型43.2794.8149.42<0.000 1**A0.1410.141.440.268 6B0.2510.252.550.154 0C3.4513.4535.410.000 6*AB4.2814.2844.040.000 3*AC0.0110.010.150.711 9BC3.9813.9840.910.000 4*A219.64119.64201.86<0.000 1**B26.9816.9871.71<0.000 1**C21.9611.9620.140.002 8*残差0.6870.097 失拟项0.3730.1201.590.323 8纯误差0.3140.078总误差43.9516

†R2=0.984 5，RAdj2=0.964 6，CV=3.02%，信噪比20.026。

表4 KPDF持油力回归方程方差分析†

Table 4 Variance analysis of regression equation on oil-binding capacity of KPDF

方差来源平方和自由度均方F值P值显著性模型6.1090.6817.340.000 5*A0.0410.040.970.358 0B0.2010.205.000.060 5C0.1510.153.870.089 8AB0.3110.318.030.025 3*AC0.1010.102.540.155 1BC0.2610.266.530.037 8*A22.9012.9074.23<0.000 1**B21.2711.2732.600.000 7*C20.4210.4210.860.013 2*残差0.2770.039 失拟项0.05530.0180.340.800 2纯误差0.2240.055总误差6.3716

†R2=0.957 1，RAdj2=0.901 9，CV=4.20%，信噪比12.433。

表3显示，模型P<0.000 1，失拟项P=0.323 8>0.05，说明该模型显著。R2=0.984 5，RAdj2=0.964 6，说明该拟合方程与实际情况相符，且误差较小，能充分反映各因素与响应值之间的关系。变异系数CV=3.02%，说明模型的重现性很好[20]。模型A2、B2项极显著(P<0.000 1)，C、AB、BC、C2项显著(P<0.05)，A、B、AC项不显著(P>0.05)。由F值大小可推断持水力影响因素的主次顺序为齿间距>粉碎时间>液料比。

表4显示，模型P=0.000 5<0.05，相关系数R2=0.957 1，模型修正系数RAdj2=0.901 9，失拟项P=0.800 2>0.05不显著，表明模型拟合程度较好，回归方程能很好地描述各因素与响应值之间的关系。模型A2项极显著，AB、BC、B2、C2项显著，但A、B、C、AC项不显著。由F值大小可推断3个因素对持油力影响的主次顺序为粉碎时间>齿间距>液料比。

对二次多项式回归方程进行计算，得到最佳持水力、最佳持油力和两者兼顾时的最优工艺条件，结果见表5。其中，两指标兼顾时的最佳工艺条件为：液料比90.27∶1 (mL/g)，粉碎时间7.51 min，齿间距12.97 μm。考虑到实际操作的便利性，将其条件修正为：液料比90∶1 (mL/g)，粉碎时间7.50 min，齿间距13 μm。该条件下，持水力和持油力的预测值为12.52 g/g和5.54 g/g。验证实验测得KPDF持水力为12.47 g/g，持油力为5.45 g/g，与预测值差异在5%范围内，表明该模型优化所得的工艺条件可靠。

表5响应面试验得到的不同指标的理论最佳工艺条件和预测值

Table 5 Theoretically optimal conditions and predicted values for various indices obtained from Box-Behnken experiments

指标液料比(mL/g)粉碎时间/min齿间距/μm预测值/(g·g-1)持水力88.487.7713.5212.56持油力91.087.4112.615.55持水力+持油力90.277.5112.9712.52+5.54

2.5 改性前后KPDF理化特性

表6显示，KPDF平均粒径(D50)由改性前的1 040 μm减小到58 μm，改性后平均粒径降低了94.42%。因KPDF颗粒减小，比表面积增大，与水、油的接触面积增加，其持水力、持油力、膨胀力达到12.47 g/g、5.45 g/g和11.56 mL/g，比改性前分别增长了136.09%，63.34%，157.46%；其溶解度、CEC达到15.70%和23.10 mmol/g，比改性前增长了80.46%，31.62%，是因为改性后部分不溶性KPDF转变成可溶性KPDF，且KPDF的侧链基团得以暴露所致。潘曼[21]采用酶解法从榨汁后的猕猴桃果渣中制备到DF，其持水力、持油力、膨胀力分别为5.24 g/g、1.06 g/g、7.05 mL/g，与表6中改性前产品相比，其持油力较低，但持水力和膨胀力较高；杨远通[22]将猕猴桃果渣DF改性，所得产品的持水力、持油力、膨胀力分别为9.97 g/g、7.06 g/g、13.6 mL/g，与表6中改性后产品相比，其持水力较低，但持油力和膨胀力较高。产生差异的原因可能与皮渣和果渣的物质组成不同有关。

表6 KPDF改性前后的理化特性

3 结论

试验考察了胶体磨湿法改性工艺中齿间距、液料比、粉碎时间对猕猴桃皮膳食纤维持水性和持油性的影响。得到最佳粉碎改性工艺条件为液料比90∶1 (mL/g)，粉碎时间7.50 min，齿间距13 μm，此条件下的改性猕猴桃皮膳食纤维平均粒径为58 μm，持水力为12.47 g/g，持油力为5.45 g/g，膨胀力为11.56 mL/g，溶解度为15.70%，阳离子交换能力为23.10 mmol/g，较改性前的指标均有显著提高。说明胶体磨湿法改性方法对猕猴桃皮膳食纤维有显著的改性效果。膳食纤维改性的目的是为了能在食品中产生更好的感官体验和更高的营养价值，所以此试验得到的改性猕猴桃皮膳食纤维在如肉制品、焙烤制品、饮料等各类食品中应用时对食品的感官品质、营养价值有何影响还有待进一步的研究。