蘋果膳食纖維的超聲輔助臭氧脫色工藝*

李蕊岑，陳雪峰，武鳳玲

(陜西科技大學(xué)，生命科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安，710021)

從蘋果渣中提取膳食纖維，其色澤易受果渣中多酚物質(zhì)氧化作用的影響而呈現(xiàn)深褐色，嚴(yán)重影響了膳食纖維的感官特性和應(yīng)用范圍，因此，需對(duì)膳食纖維進(jìn)行脫色研究。目前對(duì)膳食纖維的脫色處理，普遍采用雙氧水氧化法［1］進(jìn)行，但雙氧水具有腐蝕性，若在食品中存在殘留，會(huì)損害人體健康，引起食品安全問題。臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，在水中極易分解，且隨著溶液堿性的增強(qiáng)而加速分解，其分解產(chǎn)物主要是氧氣，不存在殘留毒性和環(huán)境污染的問題［2］。本試驗(yàn)結(jié)合超聲波技術(shù)，研究了臭氧對(duì)蘋果膳食纖維適宜的脫色工藝，以期為蘋果渣膳食纖維的開發(fā)和應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

蘋果渣，由陜西海升果業(yè)發(fā)展股份有限公司乾縣分公司提供。HCl、NaOH 等試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

HNE-20200-CT I 型超聲波聚能處理系統(tǒng)，蘇州工業(yè)園區(qū)海納科技有限公司;HW-ET-30g 型可調(diào)式臭氧發(fā)生器，廣州市環(huán)偉環(huán)?？萍加邢薰?BS323S型電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司;BSA224SCW 型電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司;H-1850R 型離心機(jī)，長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司;101-1AB 型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司;高速萬能粉碎機(jī)，天津泰斯特儀器有限公司;TGSI 型通風(fēng)柜控制器，中國(guó)楊凌天工實(shí)業(yè)有限公司;CM-5 型色差分析儀，柯尼卡美能達(dá)有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 蘋果膳食纖維的制備方法蘋果渣粉碎(150 目)→超聲波輔助臭氧脫色→調(diào)節(jié)pH 至中性→離心→干燥→粉碎→成品

1.3.2 脫色工藝

取5.0 g 蘋果渣，按一定的料液比加入不同濃度的NaOH 溶液，控制超聲頻率、臭氧發(fā)生量，脫色一定時(shí)間后，用36%HCl 調(diào)節(jié)pH 至中性，再離心收集沉淀物，最后放入烘箱中烘干、粉碎，即得脫色后的蘋果膳食纖維。

1.3.3 白度的測(cè)定

利用CM-5 色差分析儀測(cè)定脫色后蘋果膳食纖維的白度，結(jié)果用L，a，b 值表示，L 表示亮度，L 值越高白度越高，a 為紅綠值，a+為偏紅，a-為偏綠，b 為黃藍(lán)值，b +為偏黃，b -為偏藍(lán)。本試驗(yàn)以L 值為指標(biāo)，L 值越高，脫色效果越好。

1.3.4 單因素試驗(yàn)

原料取5 g 蘋果渣，以脫色后膳食纖維的L 值為考察指標(biāo)，進(jìn)行蘋果膳食纖維脫色工藝的單因素試驗(yàn)研究，控制其他因素水平一致，改變其中一個(gè)因素，考察其對(duì)脫色效果的影響。具體選取各因素的水平如下:料液比(g∶mL)為1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40、1∶45，臭氧發(fā)生量為0、5、10、15、20、25、30 g/h，超聲頻率為30、40、50、60、70、80、90 kHz，堿液濃度為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%，脫色時(shí)間為1、2、3、4、5、6、7 h，測(cè)定脫色后膳食纖維的L 值。

1.3.5 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選用脫色時(shí)間(A)、料液比(B)、臭氧發(fā)生量(C)、超聲頻率(D)、堿液濃度(E)5 個(gè)因素，以脫色后膳食纖維的L 值為考察指標(biāo)，采用L16(45)正交設(shè)計(jì)，探討蘋果膳食纖維的最佳脫色工藝參數(shù)，具體的因素水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 L16(45)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 1 Orthogonal experiment design of L16(45)

2 結(jié)果分析

2.1 脫色時(shí)間對(duì)脫色效果的影響

控制臭氧發(fā)生量25 g/h，堿液濃度6%，料液比(g∶mL)1:30，溫度為25 ℃，超聲頻率35 kHz，研究脫色時(shí)間對(duì)脫色效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著脫色時(shí)間的增加，膳食纖維的L 值逐漸增大，其原因可能是反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，臭氧的反應(yīng)量越大，有色物質(zhì)的氧化分解率越大;而當(dāng)脫色時(shí)間大于5 h 時(shí)，隨著脫色時(shí)間的增加，脫色效果增加不明顯，因此選擇脫色時(shí)間為5 h。

圖1 脫色時(shí)間對(duì)脫色效果的影響Fig.1 Effect of reaction time on the discoloration

2.2 料液比對(duì)脫色效果的影響

控制臭氧發(fā)生量15 g/h，堿液濃度6%，溫度25℃，超聲頻率40 kHz，脫色時(shí)間6 h，研究料液比對(duì)脫色效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。隨著料液比的增加，膳食纖維的L 值越大，但當(dāng)料液比(g∶mL)增大到1∶30 時(shí)，膳食纖維的L 值卻逐漸減小。造成這一現(xiàn)象的原因是，當(dāng)料液比過大時(shí)，單位體積溶液內(nèi)臭氧的有效作用濃度降低，脫色效果差;而料液比過小時(shí)，由于臭氧分子受到體系中較大的阻力影響，只能在一個(gè)較小的范圍內(nèi)流動(dòng)，與膳食纖維的接觸面積較小，脫色效果較差［3］。因此，選擇料液比(g∶mL)為1∶30。

圖2 料液比對(duì)脫色效果的影響Fig.2 Effect of ratio of material to liquid on the discoloration

2.3 堿液濃度對(duì)脫色效果的影響

控制臭氧發(fā)生量20 g/h，料液比(g∶mL)為1∶30，溫度25 ℃，超聲頻率45 kHz，脫色時(shí)間6 h，研究堿液濃度對(duì)脫色效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。隨著堿液濃度的增加，膳食纖維的L 值逐漸增大。這是因?yàn)?，隨著pH 值的增高，臭氧在溶液中分解生成的·OH 自由基增多，增加了單位時(shí)間內(nèi)參與氧化作用的分子數(shù)目。同時(shí)，·OH 自由基的氧化能力隨pH值的增高而增強(qiáng)，將有色物質(zhì)進(jìn)一步氧化分解［7-8］，提高了膳食纖維的L 值。但當(dāng)堿液濃度增加到6%時(shí)，L 值隨著堿液濃度的增加而無明顯變化。因此，選擇堿液濃度為6%。

圖3 堿液濃度對(duì)脫色效果的影響Fig.3 Effect of sodium hydroxide concentration on the discoloration

2.4 臭氧發(fā)生量對(duì)脫色效果的影響

控制堿液濃度6%，料液比1∶30(g∶mL)，超聲頻率35 kHz，溫度25 ℃，脫色時(shí)間6 h，研究臭氧發(fā)生量對(duì)脫色效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著臭氧發(fā)生量的增加，膳食纖維的L 值逐漸增大，當(dāng)臭氧發(fā)生量大于15 g/h 時(shí)，膳食纖維的L 值增加不明顯，其原因是當(dāng)臭氧發(fā)生量達(dá)到一定水平后，臭氧在溶液中的溶解度達(dá)到飽和，不能產(chǎn)生更多的OH·，故增大臭氧發(fā)生量對(duì)提高脫色效果未產(chǎn)生顯著影響［6］。因此，選擇臭氧發(fā)生量為15 g/h。

圖4 臭氧發(fā)生量對(duì)脫色效果的影響Fig.4 Effect of ozone generation on the discoloration

2.5 超聲頻率對(duì)脫色效果的影響

控制堿液濃度6%，臭氧發(fā)生量15 g/h，料液比(g∶mL)1∶30，溫度25 ℃，脫色時(shí)間6 h，研究超聲頻率對(duì)脫色效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。隨著超聲頻率從30 kHz 增大到70 kHz 時(shí)，膳食纖維的L 值逐漸增大，這是因?yàn)槌暡ǖ目栈?yīng)和化學(xué)效應(yīng)加強(qiáng)了O3的分解效率和產(chǎn)生·OH 的速率，同時(shí)其熱效應(yīng)可使反應(yīng)介質(zhì)的溫度升高，增加分子間熱運(yùn)動(dòng)，從而提高膳食纖維的脫色效果［10］。當(dāng)超聲頻率增大到70 kHz 時(shí)，L 值隨超聲頻率的增加無明顯變化。因此，選擇超聲頻率為70 kHz。

圖5 超聲波頻率對(duì)脫色效果的影響Fig.5 Effect of ultrasonic frequency on the discoloration

2.6 正交試驗(yàn)結(jié)果及方差分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，其因素和水平如表1 所示，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。由表2 中極差值的大小可得出，影響膳食纖維脫色效果的主次順序?yàn)?堿液濃度＞脫色時(shí)間＞超聲頻率＞臭氧發(fā)出量＞料液比，正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，蘋果膳食纖維的最佳脫色工藝組合是A2B2C2D3E4，即脫色時(shí)間5 h，料液比(g∶mL)1∶25，臭氧發(fā)生量15 g/h，超聲頻率70 kHz，堿液濃度6%，經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)，得該條件下脫色后膳食纖維L 值可達(dá)80.11。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析Table 2 Experimental results and analysis of the orthogonal test design matrix

用SPSS 軟件進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在差齊性檢驗(yàn)中，顯著性水平P =0.016 ＞0.01，因此方差齊性成立，可以進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3 所示，F(xiàn)(15，32)=160.088，P ＜0.001，達(dá)到極其顯著水平，因此脫色時(shí)間、料液比、臭氧發(fā)生量、超聲頻率、堿液濃度5 個(gè)因素中至少有一個(gè)對(duì)L 值有影響，繼續(xù)查看各個(gè)因素的分析結(jié)果。由表3 可知5 個(gè)因素的主效應(yīng)F(3，32)分別為80.670、15.372、56.293、62.284、585.82，P 值均小于0.001，達(dá)到極其顯著水平。從以上結(jié)果可得，脫色時(shí)間、料液比、臭氧發(fā)生量、超聲頻率、堿液濃度均對(duì)L 值有顯著影響。

表3 主體間效應(yīng)檢驗(yàn)Table 3 Main effects test

3 討論

臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，在造紙行業(yè)及印染行業(yè)中作為漂白脫色劑廣泛應(yīng)用。楊玲［8］研究了臭氧對(duì)硫酸鹽竹漿的漂白工藝，結(jié)果表明在最佳工藝條件下，漂白漿的白度可達(dá)68.7%(SBD);龔宜［9］等研究了活性嫩黃染料廢水的臭氧降解，在20 min 內(nèi)臭氧對(duì)活性嫩黃染料廢水的脫色率可達(dá)96.7%。雖然臭氧脫色技術(shù)在化工行業(yè)中已廣泛使用，但由于臭氧在水溶液中的溶解度較小，無法與膳食纖維充分接觸，因而限制了其在膳食纖維脫色領(lǐng)域中的應(yīng)用。本試驗(yàn)將超聲技術(shù)引入臭氧脫色中，一方面利用超聲使臭氧均勻分散在溶液中，強(qiáng)化臭氧與膳食纖維的接觸;另一方面通過超聲促進(jìn)臭氧分解產(chǎn)生更多的·OH 自由基，使膳食纖維中的呈色物質(zhì)氧化分解，從而達(dá)到脫色的目的。本試驗(yàn)得到最佳脫色工藝為:料液比(g:mL)1:25，臭氧發(fā)生量15 g/h，超聲波頻率70 kHz，堿液濃度6%，脫色時(shí)間5 h，脫色后產(chǎn)品的L 值可達(dá)到80.11，與李睿［10］等利用超聲波輔助雙氧水對(duì)蘋果渣膳食纖維脫色的研究相比，二者脫色后產(chǎn)品的L 值均可達(dá)80 以上，脫色效果顯著。通過超聲輔助臭氧脫色的方法，解決了其他脫色方法存在溶劑殘留等問題，是一種環(huán)境友好型脫色途徑，在工業(yè)膳食纖維脫色領(lǐng)域中有較大的應(yīng)用前景。

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