超臨界CO2處理對苦杏仁皮不溶性膳食纖維部分特性的影響

張清安，范學(xué)輝′2，牟朝麗，宋 云，唐榮楨

（1.陜西師范大學(xué)食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710062；2.陜西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710062；3.陜西師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710062）

超臨界CO2處理對苦杏仁皮不溶性膳食纖維部分特性的影響

張清安1，范學(xué)輝1′2，牟朝麗3，宋 云1，唐榮楨1

（1.陜西師范大學(xué)食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710062；2.陜西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710062；3.陜西師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710062）

研究超臨界CO2處理對苦杏仁皮不溶性膳食纖維部分特性的影響，以不溶性膳食纖維的持水力和膨脹力為響應(yīng)值，超臨界CO2處理的壓力、時間和溫度為變量，采用響應(yīng)面優(yōu)化法對超臨界處理參數(shù)進行了優(yōu)化。結(jié)果表明：在本研究實驗條件下，經(jīng)超臨界CO2處理后不溶性膳食纖維的持水力和膨脹力分別有5.6%～44.13%和5.3%～38.5%的提高幅度；而且顏色變淺、顆粒更細，內(nèi)部螺旋結(jié)構(gòu)遭到一定程度破壞。表明超臨界CO2處理可以作為對不溶性膳食纖維進行適當(dāng)改性的有效方法。

苦杏仁皮；膳食纖維；超臨界CO2；持水力；膨脹力

膳食纖維被稱為人類第七大營養(yǎng)素，對促進人體健康起著重要作用，是一類比較理想的功能性食品原料[1-2]。膳食纖維按溶解性可分為水不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）和水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）兩大類；前者主要作用于腸道產(chǎn)生機械蠕動作用，而后者則更多發(fā)揮代謝功能且在持水力、膨脹力、持油力等特性方面均優(yōu)于前者，具有理想的食品加工特性[3-4]。因此，SDF含量成了影響膳食纖維生理功能的一個重要因素。

鑒于天然膳食纖維中SDF含量較低，近年來有很多學(xué)者一直致力于膳食纖維改性研究，目的是使IDF中致密的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槭杷傻目臻g網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增加其持水力、膨脹力等并提高其生物活性[5-7]。目前已報道的膳食纖維改性方法主要有擠壓蒸煮處理[8-13]、超微粉碎處理[14]、高壓處理[15-17]和超臨界二氧化碳處理[12′18]等物理方法以及酸堿化學(xué)處理法[19-20]、微生物發(fā)酵法[21-22]和酶法[23-25]或者幾種方法相結(jié)合處理法[26]。以上處理膳食纖維改性的方法各有利弊，相比較而言超臨界CO2處理不但可以明顯增加膨脹力、持水力，不引起膳食纖維過度降解或破壞，并且省時、綠色環(huán)保，因此引起了科研人員的關(guān)注[18]。

苦杏仁皮為杏仁加工過程的副產(chǎn)物，含量占杏仁總量的2%～5%左右，目前主要作為輔料添加在飼料中，不僅價格低（1 元/kg左右），而且很難找到買家，所以杏仁加工廠往往將杏仁皮隨意處置，既污染環(huán)境又浪費資源；苦杏仁皮除含有少量黃酮類、苦杏仁苷、多糖等成分外，還含有豐富的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等膳食纖維，因此對其開發(fā)利用具有重要的實際應(yīng)用價值。

本實驗以苦杏仁皮中IDF為研究對象，采用超臨界CO2對其進行改性處理，通過比較處理前后IDF膨脹力、持水力和微觀結(jié)構(gòu)等的變化，研究超臨界CO2處理對苦杏仁皮IDF特性的影響，為提高杏仁資源的綜合利用程度及價值提供有益參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

苦杏仁皮由陜西天壽杏仁食品有限責(zé)任公司提供。

氫氧化鈉、鹽酸、雙氧水（均為分析純） 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

JA2003N電子天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司；101型電熱鼓風(fēng)干燥箱、FW400A高速萬能粉碎機 北京科偉永興儀器有限公司；KQ3200B超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；SFE-2超臨界CO2萃取裝置 美國應(yīng)用分離公司；Quanta200環(huán)境掃描電鏡 荷蘭Philips-FEI公司。

1.3 方法

1.3.1 苦杏仁皮IDF的制備

取60 目的苦杏仁皮粉25 g于燒杯中，加入濃度為0.20 mol/L NaOH溶液500 mL，在50 ℃條件下，超聲處理60 min后過濾并向濾渣中加入100 mL蒸餾水，用鹽酸調(diào)節(jié)懸浮液至中性后，加入雙氧水75 mL，在75 ℃條件下脫色1 h；懸浮液經(jīng)過濾得濾餅，濾餅再經(jīng)洗滌、干燥即得苦杏仁皮IDF。

1.3.2 超臨界CO2處理對苦杏仁皮IDF理化性質(zhì)的影響

1.3.2.1 超臨界CO2處理參數(shù)的設(shè)計及優(yōu)化

經(jīng)過前期單因素試驗，研究者發(fā)現(xiàn)超臨界壓力、時間和溫度對苦杏仁皮IDF的性質(zhì)有較大影響，因此確定用以上3 個參數(shù)為因素，分別以30、40、50 MPa，50、70、90 min和30、40、50 ℃為其對應(yīng)的3 個水平，并以持水力和膨脹力為響應(yīng)值，選用響應(yīng)面法中Box-Behnken設(shè)計優(yōu)化超臨界處理工藝參數(shù)。

1.3.2.2 超臨界CO2處理對苦杏仁皮IDF持水力和膨脹力的影響

苦杏仁皮IDF持水力和膨脹力的測定參考文獻[15′18]中所述相關(guān)方法。

1.3.2.3 超臨界CO2處理對苦杏仁皮IDF顏色及形貌特征的影響

用數(shù)碼相機對苦杏仁皮IDF進行拍照，以觀察不同超臨界CO2處理方式對其顏色的影響。為研究超臨界CO2作用對苦杏仁皮IDF微觀結(jié)構(gòu)的影響，采用環(huán)境掃描電鏡對其進行了形貌觀察。取適量膳食纖維樣品，將其平鋪在已經(jīng)貼好靜電紙的座臺上，保證每座臺上平鋪較薄一層樣品，后用環(huán)境掃描電鏡在15 Pa低真空模式和20 kV操作電壓條件下掃描觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 Box-Behnken試驗設(shè)計結(jié)果分析

為優(yōu)化超臨界CO2對苦杏仁皮IDF處理工藝參數(shù)，以持水力和膨脹力為響應(yīng)值，以超臨界CO2處理壓力、時間和溫度3 個參數(shù)為變量，其響應(yīng)面設(shè)計與結(jié)果如表1所示。

表1 響應(yīng)面分析方案設(shè)計及結(jié)果Table1 Response surface analysis design and results

2.2 響應(yīng)面二次回歸模型建立及分析

由表2可看出，X1、X2、X3和分別在P＜0.01或P＜0.05水平上有（極）顯著差異，表明在擬合模型中它們所對應(yīng)的變量起重要作用，而其他因素影響不顯著（P＞0.05）。模型P值為0.000 2，相關(guān)系數(shù)R2為0.969 4，校正R2為0.930 0，表明所建立模型能充分代表所優(yōu)化變量之間的關(guān)系，測定值和模型預(yù)測值間有良好的相關(guān)性。2.67%的變異系數(shù)說明模型的重現(xiàn)性很好，可以用該模型優(yōu)化超臨界CO2處理苦杏仁皮IDF的持水力。

表2 持水力回歸模型方差分析和顯著性檢驗Table2 Estimated regression coefficients and analysis of variance (ANOVA for the water-holding capacity mmooddeell

表3 膨脹力回歸模型方差分析和顯著性檢驗Table3 Estimated regression coefficients and ANOVA for the swelling capacity mmooddeell

就IDF的膨脹力來說，表3結(jié)果顯示X1在P＜0.05水平上有顯著差異，表明在擬合模型壓力因素起重要作用，而其他因素對苦杏仁皮膨脹力的影響均不顯著（P＞0.05）。模型P值為0.044 1，相關(guān)系數(shù)R2等于0.832 6，表明可以用該模型很好解釋數(shù)據(jù)的變異性，而且測定值和模型預(yù)測值間有良好的相關(guān)性。4.21%的變異系數(shù)說明模型的重現(xiàn)性很好，可以用該模型優(yōu)化超臨界CO2處理苦杏仁皮IDF的膨脹力。

利用軟件將表1中相關(guān)數(shù)據(jù)進行擬合，所得持水力、膨脹力的二次回歸模型為：

Y持水力=5.72＋0.63X1＋0.41X2＋0.21X3—0.07X1X2＋

與未經(jīng)處理的苦杏仁皮IDF相比，經(jīng)超臨界CO2處理后，其持水力從4.94 g/g提升到5.22～7.12 g/g，持水力提升率為5.6%～44.13%；膨脹力從3.01 mL/g提升到3.17～4.17 mL/g，膨脹力提升率為5.3%～38.5%。表明超臨界CO2處理確實能促進苦杏仁皮IDF持水力和膨脹力的提高，而且不同處理參數(shù)對苦杏仁皮IDF的持水力和膨脹力的影響有較大差異。因此，對其處理工藝參數(shù)進行優(yōu)化是必要的。

對上述回歸方程求偏導(dǎo)數(shù)，解各自對應(yīng)的三元一次方程組，得出持水力對應(yīng)的3 個變量最優(yōu)試驗點（X1、X2、X3）的水平代碼值分別為—0.68、—0.75、—1.68，其超臨界CO2壓力、時間和溫度的最優(yōu)工藝參數(shù)分別為：32.5 MPa、56.4 min和23.2 ℃；對膨脹力其水平代碼值分別為0、0、1，實際對應(yīng)值分別為40 MPa、70 min和50 ℃。由以上結(jié)果可以看出，超臨界CO2處理溫度對苦杏仁皮IDF的持水力和膨脹力的影響不存在一致性，而壓力和時間對其影響基本一致。因此，在實際生產(chǎn)工作中有必要對這些參數(shù)做進一步的優(yōu)化。

2.3 各因素交互影響響應(yīng)面分析

響應(yīng)面法不僅能描述各因素對響應(yīng)值的影響，還能很好描述各因素間的相互關(guān)系。為研究變量間的交互作用及其對響應(yīng)值（持水力和膨脹力）的影響，保持3個變量中的一個變量為0水平，而另外兩個變量在[—1，1]水平間變化，用上述擬合方程做出如圖1所示三維圖。

圖1 超臨界COCO2處理各因素相互作用響應(yīng)面圖Fig.1 Response surface plots for the effects of variables on water-holding capacity and swelling capacity

由圖1中各變量與響應(yīng)值間的相互作用可知，無論對持水力還是膨脹力，超臨界CO2壓力條件對其影響最大，其次分別為超臨界CO2溫度和時間。溫度與時間、溫度與壓力、時間與壓力對響應(yīng)值的影響有一定交互作用，但效果不明顯，這與表2、3中相關(guān)統(tǒng)計分析結(jié)果基本一致。

2.4 超臨界CO2處理對苦杏仁皮IDF顏色及形貌特征影響

圖2 苦杏仁皮IDF照片IDFFig.2 Pictures of insoluble dietary fiber from apricot kernel skins

由圖2可以看出，未經(jīng)處理的苦杏仁皮IDF為淡黃色顆粒，而經(jīng)過超臨界CO2處理后的IDF顏色變淺，顆粒更細、粒徑分布更均勻。其可能原因為：一方面超臨界CO2提取了苦杏仁皮IDF中的部分色素類物質(zhì)，從而使其顏色變淡；另一方面超臨界壓力作用條件下，部分膳食纖維的聚合度下降、分子鏈被切斷或降解，微觀結(jié)構(gòu)改變，最終顆粒大小也隨之變化[18]。

由圖3可以看出，未經(jīng)處理的苦杏仁皮水IDF內(nèi)部呈規(guī)則的螺旋結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)稍顯緊密；但經(jīng)過超臨界CO2處理后其內(nèi)部螺旋結(jié)構(gòu)變得較為松散、不規(guī)則，甚至有部分螺旋結(jié)構(gòu)明顯消失或破壞。說明超臨界CO2處理對苦杏仁皮水IDF持水力和膨脹力的影響可能是通過改變其微觀結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)的。

3 結(jié) 論

膳食纖維作為對人類健康有重要作用的第七大營養(yǎng)素，其持水力、膨脹力等指標(biāo)是衡量該膳食纖維生物活性功能的重要指標(biāo)。本研究利用苦杏仁加工副產(chǎn)物苦杏仁皮為原料制備了IDF，并用超臨界CO2對苦杏仁皮IDF進行了改性研究。結(jié)果表明，在實驗條件下經(jīng)超臨界CO2處理后其持水力從4.94 g/g提升到5.22～7.12 g/g，提升率范圍為5.6%～44.13%，膨脹力從3.01 mL/g提升到3.17～4.17 mL/g，提升率范圍為5.3%～38.5%。這些結(jié)果表明，超臨界CO2處理確實能促進苦杏仁皮IDF持水力和膨脹力的提高。形貌觀察表明，超臨界CO2處理對苦杏仁皮水IDF持水力和膨脹力的影響可能是通過改變其微觀結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)的。超臨界CO2處理可以作為膳食纖維改性的一種有效方法。

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Effect of Supercritical CO2Treatment on Properties of Insoluble Dietary Fiber from Apricot Kernel Skins

ZHANG Qing’an1′FAN Xuehui1′2′MOU Zhaoli3′SONG Yun1′TANG Rongzhen1
(1. School of Food Engineering and Nutritional Science Shaanxi Normal University Xi’an 710062′China; 2. School of Life Sciences Shaanxi Normal University Xi’an 710062′China; 3. School of Chemistry and Chemical Engineering Shaanxi Normal University Xi’an 710062′China)

This study aimed to examine the effect of supercritical CO2treatment on some properties of insoluble dietary fiber from apricot kernel skins The main parameters including pressure time and temperature were optimized using response surface methodology according to a three-variable three-level Box-Behnken design with the water-holding capacity and swelling capacity as the responses The results suggest that under the experimental conditions established in this study the water-holding capacity and swelling capacity of insoluble dietary fibers treated with supercritical CO2were increased by 5.6%-44.13% and 5.3%-38.5%′respectively On the other hand observations conducted on the color and morphology with scanning electron microscope demonstrated that the color became lighter the particle size decreased and the microstructure changed obviously after supercritical CO2treatment which contributed to the improvement of water-holding capacity and swelling capacity In summary supercritical CO2treatment could be used as an efficient technique to improve some properties of insoluble dietary from apricot kernel skins.

apricot kernel skin dietary fiber supercritical CO2; water-holding capacity swelling capacity

TS255.6

A

1002-6630（2015）06-0001-05

10.7506/spkx1002-6630-201506001

2014-10-24

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（31101324）；陜西省自然科學(xué)基金項目（2011JQ2003）；西安市科技局技術(shù)轉(zhuǎn)移促進工程項目（CXY1434（5））；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項（GK201302039；GK201404006）

張清安（1976—），男，副教授，博士，主要從事功能食品開發(fā)和食品加工過程控制研究。E-mail：qinganzhang@snnu.edu.cn