響應(yīng)面法優(yōu)化百香果殼膳食纖維的高壓微射流改性工藝

江文韜 林彤 陳燦輝 鄭亞鳳

摘?要：為克服傳統(tǒng)方法制備百香果殼膳食纖維粒度大的缺點(diǎn)，以百香果殼膳食纖維為原料，采用動(dòng)態(tài)高壓微射流技術(shù)（DHPM）對(duì)百香果殼膳食纖維進(jìn)行改性處理以降低其纖維粒度。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法對(duì)DHPM改性工藝進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：百香果殼膳食纖維的DHPM改性最佳工藝條件為料液比1.5%、壓力110 Mpa、處理7次，在此最佳工藝條件下可制得纖維二次粒度為（32.2±1.2）μm的微米級(jí)膳食纖維，其中纖維素比例為（77.75 ± 0.32）%。本研究能為改善百香果殼膳食纖維的理化性質(zhì)提供理論依據(jù)，促進(jìn)百香果殼的高值化利用。

關(guān)鍵詞：百香果殼;膳食纖維;動(dòng)態(tài)高壓微射流;工藝

中圖分類號(hào)：TS202.3?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號(hào)：0253-2301（2020）01-0011-06

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2020.01.003

Optimization on the DHPM Modification Technology of Dietary Fiber Prepared fromPassion Fruit Rind by Response Surface Method

JIANG Wen?tao， LIN Tong， CHENG Can?hui， ZHENG Ya?feng*

（College of Food Sciences， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002， China）

Abstract： In order to improve the disadvantages of large grain size existed in the dietary fiber of passion fruit rind prepared by the traditional method， by using the prepared dietary fiber of passion fruit rind as the raw material， the dietary fiber of passion fruit rind was modified by the dynamic high pressure microfluidization （DHPM） to reduce the grain size of fiber. On the basis of single factor experiment， the response surface method was used to optimize the modification technology of DHPM for dietarg fiber of passion fruit shell. The results showed that the optimal conditions of modification technology of DHPM for dietary fiber of passion fruit rind were that： the ratio of solid to liquid was 1.5%， the pressure was 110 Mpa， and the treatment was 7 times. Under the optimal technological conditions， the micron?sized dietary fiber could be obtained whose secondary grain size of fiber was （32.2±1.2）μm， and the proportion of cellulose was （77.75±0.32）%. This study could provide the theoretical basis for improving the physicochemical properties of dietary fiber of passion fruit rind and promote the high?value utilization of passion fruit rind.

Key words： Passion fruit rind; Dietary fiber; Dynamic high pressure microfluidization; Technology

膳食纖維是維持人類健康不可或缺的營養(yǎng)成分，具有調(diào)整腸道菌群、預(yù)防心臟病、降低血壓血糖、預(yù)防癌癥及幫助減輕體重等多種生理功能[1]。研究表明，許多農(nóng)產(chǎn)品廢棄物，例如稻殼、香蕉皮、菠蘿葉片、麥稈、花生殼、甘蔗渣和大豆渣等可作為生產(chǎn)膳食纖維素的生物資源[2-8]。百香果Passiflora edulis Sims，也稱西番蓮，在果汁飲料中具有“果汁之王”的稱號(hào)。然而，在百香果加工過程中，占全果質(zhì)量50%～55%的果殼被作為加工副產(chǎn)物拋棄，造成了大量資源浪費(fèi)及環(huán)境污染。Yapo等[9]對(duì)黃百香果殼膳食纖維的分析結(jié)果表明，總膳食纖維含量達(dá)到果殼干重的73%，且具有良好的持水力和持油力，可作為新型膳食纖維在功能食品中進(jìn)行應(yīng)用。但是，百香果殼總膳食纖維中主要為不可溶膳食纖維為主，由于其纖維粒度大且不溶于水，添加到食品中易對(duì)食品的質(zhì)地和口感產(chǎn)生不利的影響。目前，對(duì)膳食纖維進(jìn)行改性處理可降低其纖維粒徑，改善理化性質(zhì)。堿水解是一種常見的改性膳食纖維的化學(xué)方法，其可以破壞纖維素中的木質(zhì)素、半纖維素之間的化學(xué)鏈，從而使膳食纖維的粒徑減小[10]。動(dòng)態(tài)高壓微射流（DHPM）技術(shù)是可應(yīng)用于纖維改性的物理方法，利用其高速?zèng)_擊、高頻振動(dòng)、空化和超高壓剪切的組合力，可以用于制備低粒徑的膳食纖維[11-12]。本研究以紫百香果殼作為原料制備百香果殼膳食纖維，再采用DHPM方法對(duì)百香果殼膳食纖維進(jìn)行改性處理，并對(duì)料液比、DHPM處理壓力和處理次數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可為微米級(jí)的優(yōu)質(zhì)百香果殼膳食纖維的制備和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?材料與儀器

1.1.1?試驗(yàn)材料?紫百香果殼由福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，洗凈后烘干粉碎，過100目篩，得到百香果殼粉末。氫氧化鈉、無水乙醇以及其他藥品試劑（均為分析純） 購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2?試驗(yàn)儀器設(shè)備?ARA520電子天平（OhausCorp.Pine Brook，N J，USA）;DGG9140BD電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，HH4數(shù)顯恒溫水浴鍋（上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）;Allegra x30R臺(tái)式離心機(jī)（Beckman coulter儀器有限公司）;FW177中草藥粉碎機(jī)（天津泰斯儀器有限公司）;恒溫水浴搖床（江蘇省金壇市友聯(lián)儀器研究所）;MS3000+LV型馬爾文激光粒度儀（馬爾文有限公司）;FPG12805型納米高壓微射流均質(zhì)機(jī)（STANSTED 公司）。

1.2?試驗(yàn)方法

1.2.1?百香果殼膳食纖維的制備?稱取20 g百香果殼粉末，按1∶20加入5%的NaOH溶液，在50℃下反應(yīng)4 h。離心（4000 r·min-1、5 min）3次后收集沉淀，再按1∶25加入NaCl溶液（0.5 mol·L-1），調(diào)pH為11，在40℃下攪拌3 h以脫去蛋白。再次離心后，將沉淀按1∶20加入10% H2O2，在45℃下攪拌12 h以脫色。最后將經(jīng)過超聲處理30 min的沉淀用蒸餾水沖洗至pH值為中性，干燥后即為百香果殼膳食纖維，備用。

1.2.2?DHPM改性處理的單因素試驗(yàn)?稱取百香果殼膳食纖維1 g，在設(shè)計(jì)條件下進(jìn)行DHPM處理，單因素設(shè)定為：料液比分別采用0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%;DHPM處理壓力分別采用60、80、100、120、140 Mpa;DHPM處理次數(shù)分別采用3、5、7、9、11次。將DHPM改性處理后的百香果殼膳食纖維溶液進(jìn)行二次粒度測定，剩余溶液干燥后得到DHPM改性的百香果殼膳食纖維。

1.2.3?響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)?在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取處理次數(shù)（A）、壓力（B）、料液比 （C） 3個(gè)因素為自變量，以纖維二次粒度（R）為因變量。根據(jù)Box?Behnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用三因素三水平的響應(yīng)曲面分析法，各因子編碼值見表1。

1.2.4?纖維二次粒度測定?二次粒度指的是顆粒的團(tuán)聚體粒徑，如圖1所示。一次粒徑指的是單個(gè)顆粒的粒徑，一般通過透射電鏡、掃描電鏡、原子力顯微鏡等方法觀測得到。然而由于微納米顆粒間的強(qiáng)自吸附性，容易發(fā)生團(tuán)聚。由于一次粒度的測量耗費(fèi)高，且二次粒徑可以評(píng)估顆粒的分散性，因此二次粒度的測量對(duì)于微納米材料具有一定意義[13]。試驗(yàn)采用馬爾文激光粒度儀測量納米纖維二次粒度作為響應(yīng)面工藝優(yōu)化的指標(biāo)。將1.2.2所得DHPM改性處理后的百香果殼膳食纖維溶液攪拌均勻后放入馬爾文激光粒度儀中，設(shè)置折射率為1.47，遮光度6%～12%，分散劑為水，檢測3次取平均值。

1.2.5?化學(xué)成分分析?蛋白質(zhì)測定按照《GB/T5009.5-2010食品中蛋白質(zhì)的測定》進(jìn)行;脂肪測定按照《GB/T5009.6-2016食品中脂肪的測定》;膳食纖維測定按照《GB 5009.88-2014食品中膳食纖維的測定》進(jìn)行。

1.2.6?數(shù)據(jù)處理?所有試驗(yàn)重復(fù)3次，數(shù)據(jù)結(jié)果以平均值±SD表示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用DPS軟件（version 16.0， Chicago， United States）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。Duncan檢驗(yàn)認(rèn)為P值<0.05代表顯著性差異。

2?結(jié)果與分析

2.1?DHPM改性工藝單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1?DHPM處理次數(shù)對(duì)百香果殼膳食纖維二次粒度的影響?試驗(yàn)條件設(shè)定料液比 1.5 %，DHPM壓力100 Mpa，研究DHPM處理次數(shù)對(duì)纖維二次粒度的影響。從圖2可以看出，百香果殼膳食纖維的平均粒度隨DHPM處理次數(shù)的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，處理7次后所得到的平均粒度最小。這可能是因?yàn)殡S著處理次數(shù)的增加，纖維的破碎程度越大，顆粒尺寸越小，但是當(dāng)顆粒小到一定程度時(shí)，分子間的吸引力越來越強(qiáng)，從而導(dǎo)致顆粒間的團(tuán)聚作用增大，所以得到的纖維顆粒的粒徑反而增大。

2.1.2?DHPM處理壓力對(duì)百香果殼膳食纖維二次粒度的影響?試驗(yàn)條件設(shè)定料液比 1.5%，DHPM處理次數(shù)7次，研究DHPM壓力對(duì)百香果殼膳食纖維二次粒度的影響。圖3 顯示，在其他條件不變時(shí)，百香果殼膳食纖維的平均粒度隨DHPM處理壓力的升高呈先下降后再稍微上升的趨勢(shì)，在100 Mpa和120 Mpa時(shí)，得到的纖維二次粒度最小。這可能是由于壓力的增大，作用于百香果殼膳食纖維的剪切力和碰撞力增強(qiáng)，纖維的斷裂程度也隨之增大，進(jìn)而導(dǎo)致纖維二次粒度逐漸減小。但隨著壓力持續(xù)增大，盡管百香果殼膳食纖維的粒度減小，纖維之間由于范德華力和羥基作用容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，使百香果殼膳食纖維二次粒度的測量結(jié)果增大。同時(shí)考慮到節(jié)約能源，因此，選擇100 Mpa為最佳壓力條件。

2.1.3?料液比對(duì)百香果殼膳食纖維二次粒度的影響?試驗(yàn)條件設(shè)定壓力100 Mpa，處理次數(shù)7次，研究料液比對(duì)百香果殼膳食纖維二次粒度的影響。圖4是不同料液比的百香果殼膳食纖維溶液通過DHPM處理7次得到的纖維二次粒度的平均值。

從圖4可知，隨著料液比的增加，百香果殼膳食纖維二次粒度先下降后上升，料液比為1.5%時(shí)，粒徑最小。其原因可能是由于濃度越高的纖維顆粒之間碰撞的概率越大，導(dǎo)致顆粒更容易團(tuán)聚凝結(jié)，致使纖維二次粒度上升。

2.2?響應(yīng)面法優(yōu)化動(dòng)態(tài)高壓微射流改性百香果殼膳食纖維

2.2.1?模型的建立及參數(shù)分析結(jié)果?為進(jìn)一步優(yōu)化工藝條件，采用Design?Expert 軟件進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化分析。DHPM改性的響應(yīng)面分析試驗(yàn)方法及結(jié)果見表2。以纖維二次粒度為響應(yīng)值，進(jìn)行多元回歸擬合，得到關(guān)于處理次數(shù)、壓力、料液比對(duì)纖維二次粒度的二次多元回歸式：

Y=33.00-2.90A-8.64B-1.54C-1.73AB+1.32AC-0.55BC+7.65A2+10.92B2+6.88C2

對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。結(jié)果顯示F值為120.05，而且P值<0.0001，模型的負(fù)相關(guān)系數(shù)R2=99.35%，大于90%，表明此模型的效果極顯著。失擬項(xiàng)值不顯著說明該模型能和實(shí)際值較好地?cái)M合。從表3中A、B、C的P值可以看出，三因素對(duì)纖維二次粒度的影響順序?yàn)椋築>A>C。從表3還可看出A2、B2和C2對(duì)纖維二次粒度都有極顯著的影響。而處理次數(shù)與DHPM壓力（A、B）對(duì)纖維二次粒度（Y值）有顯著影響，說明試驗(yàn)因素對(duì)Y值的影響不是單一線性關(guān)系，交互因素也能影響纖維的粒度。

2.2.2?響應(yīng)面分析結(jié)果?固定其他因素不變，考察交互項(xiàng)對(duì)纖維二次粒度的影響。從圖5可知，纖維二次粒度隨著每個(gè)因素的增大而減小，當(dāng)大于一定條件時(shí)又趨于上升，可能是由于濃度過高，且經(jīng)高壓剪切后粒徑變小，容易團(tuán)聚使得粒徑增大。響應(yīng)面交互項(xiàng)不同，纖維二次粒度的升降趨勢(shì)也略有所不同。在交互項(xiàng)對(duì)纖維二次粒度的影響中，只有處理次數(shù)與DHPM壓力（A、B）對(duì)纖維二次粒度的影響較顯著。對(duì)二次多元回歸模型進(jìn)行分析求解，得到百香果殼膳食纖維DHPM改性最佳工藝參數(shù)為：料液比1.55%、壓力108.31 Mpa、處理7次，在此最佳工藝條件下百香果殼膳食纖維二次粒度為30.79 μm。按照最佳工藝并結(jié)合實(shí)際操作條件，對(duì)最佳工藝條件進(jìn)行調(diào)整，即料液比1.5%、壓力110 Mpa、處理7次。利用最佳工藝條件進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，得到百香果殼膳食纖維二次粒度為（32.2±1.2）μm，與理論值較為接近，表明該數(shù)學(xué)模型具有應(yīng)用價(jià)值。

2.3?化學(xué)成分分析

從表4可以看出，百香果殼膳食纖維經(jīng)DHPM改性處理后，纖維樣品中的雜質(zhì)（蛋白質(zhì)和脂肪）進(jìn)一步清除，半纖維素和木質(zhì)素的比例顯著降低，纖維素比例顯著提高（P<0.05）?？赡苁怯捎诎傧愎麣ど攀忱w維樣品經(jīng)過DHPM的高速?zèng)_擊，高頻振動(dòng)，空化和超高壓剪切等作用，位于纖維表面的半纖維素和木質(zhì)素被破壞分解，而穩(wěn)定性和結(jié)晶度更高的纖維素受到的破壞程度較小，使得其比例上升。

3?結(jié)論

膳食纖維能幫助促進(jìn)胃腸道消化吸收、具有較強(qiáng)的吸附性能，而這些功能與纖維的粒徑大小密切相關(guān)。百香果殼中含有大量不可溶膳食纖維，是制備膳食纖維的優(yōu)良來源。對(duì)百香果殼纖維進(jìn)行加工利用不僅可以提高其生物利用率，而且還能降低對(duì)環(huán)境的污染。本試驗(yàn)以百香果殼為原料，對(duì)DHPM方法改性百香果殼膳食纖維的工藝進(jìn)行研究，通過單因素和響應(yīng)面法優(yōu)化得到百香果殼膳食纖維DHPM改性工藝條件為：料液比1.5%、壓力110 Mpa、處理7次，纖維二次粒度為（32.2±1.2）μm?；瘜W(xué)成分分析結(jié)果表明，DHPM改性處理后的百香果殼膳食纖維中半纖維素和木質(zhì)素比例顯著下降，而纖維素比例顯著提高（P<0.05）。綜上所述，經(jīng)過優(yōu)化后的DHPM改性工藝能顯著降低百香果殼膳食纖維二次粒度，達(dá)到了微米級(jí)水平，能夠?yàn)榘傧愎麣さ母咧祷瘧?yīng)用提供理論依據(jù)。

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（責(zé)任編輯：林玲娜）