蒸汽爆破與酶解耦合制備花生殼膳食纖維

王磊 ，董李學(xué) ，王建華 ，劉志軍 ，王穎 *，張寧 *

1.唐山市食品藥品綜合檢驗(yàn)檢測(cè)中心（唐山 063000）；2.河北省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)技術(shù)創(chuàng)新中心（唐山 063000）；3.唐山市功能性農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院（唐山 063000）；4.唐山潤(rùn)澤糧油食品有限公司（唐山 063000）；5.河北省花生產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院（唐山 063000）

膳食纖維是人類健康飲食中不可缺少的，在保持消化系統(tǒng)健康上扮演著重要的角色，同時(shí)攝取足夠的膳食纖維也可以預(yù)防心血管疾病、癌癥、糖尿病以及其它疾病，可以清潔消化壁和增強(qiáng)消化功能，可稀釋和加速食物中的致癌物質(zhì)和有毒物質(zhì)的移除，保護(hù)脆弱的消化道和預(yù)防結(jié)腸癌，可減緩消化速度和最快速排泄膽固醇，可讓血液中的血糖和膽固醇控制在最理想的水平[1-6]。

農(nóng)產(chǎn)品加工的各種副產(chǎn)品是膳食纖維的良好來(lái)源，花生殼是花生深加工后得到的副產(chǎn)品，在河北省花生殼年產(chǎn)量高達(dá)50多萬(wàn) t，大約占小麥的30%，但80%以上的花生殼作為肥料、飼料等生產(chǎn)的廉價(jià)原料，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益很低，存在綜合利用程度低、深度開(kāi)發(fā)不足和精深加工產(chǎn)品少等技術(shù)難題。而利用剩余花生殼制備膳食纖維產(chǎn)品，有利于提高花生的資源利用率，提升花生的產(chǎn)品附加值，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

蒸汽爆破技術(shù)其原理主要是物料在瞬間由高溫、高壓突然降到常溫、常壓，原料內(nèi)部的水分突然汽化，氣體突然膨脹，發(fā)生噴爆，產(chǎn)生爆破效果。蒸汽爆破預(yù)處理能夠使物料組織呈海綿狀，體積增大，一些結(jié)構(gòu)組織如纖維束等被破壞，內(nèi)含物暴露，有利于目標(biāo)物的溶出，有助于提高原料酶水解的效果[7]。

試驗(yàn)對(duì)蒸汽爆破與酶解耦合提取花生殼膳食纖維的工藝、功能和結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了深入研究。改性花生殼膳食纖維作為一種功能食品配料，將在我國(guó)具有廣泛的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

花生殼（唐山潤(rùn)澤糧油食品有限公司）；過(guò)氧化氫、DPPH、水楊酸等（分析純，北京化學(xué)試劑公司）。

JK1002電子分析天平（上海奧豪斯國(guó)際貿(mào)易有限公司）；TD5B臺(tái)式離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠）；XD-3000BDQ旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（江蘇太倉(cāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠）；DR889-1電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科技有限公司）；HH-1水浴恒溫振蕩器（江蘇國(guó)華電器有限公司）；JM-65膠體磨（上海多源機(jī)械制造有限公司）；蒸汽爆破設(shè)備（北京化工大學(xué)自制）；S-4800掃描電子顯微鏡（日本日立公司）；Dmax-MSAL 12 kW高功率粉末衍射儀（北京北達(dá)燕園微構(gòu)有限公司）。

Control-SDF：稱取200 g花生殼，按料液比1∶7（g/mL）添加去離子水，攪拌均勻，用膠體研磨機(jī)處理2次，離心分離（轉(zhuǎn)速4 200 r/min，時(shí)間20 min），上清液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至原體積的1/10，用4倍體積的75%乙醇沉淀20 min，真空抽濾，將所得濾渣在40 ℃干燥箱中低溫干燥，得到SDF。

SEE-SDF：稱取200 g花生殼，按料液比1∶7（g/mL）添加去離子水，攪拌均勻，用膠體研磨機(jī)處理2次，選擇在一定壓力下利用蒸汽爆破設(shè)備處理一定時(shí)間，加入纖維素酶水解，離心分離（轉(zhuǎn)速4 200 r/min，時(shí)間20 min），上清液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至原體積的1/10，用60 ℃的4倍體積的75%乙醇沉淀20 min，真空抽濾，將所得濾渣40 ℃在干燥箱中低溫干燥，得到SDF。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 SEE制備花生殼SDF工藝條件的選擇

1) 蒸汽爆破壓力分別為0.2，0.4，0.6，0.8和1.0 MPa，保壓時(shí)間為4 min，考察處理壓力對(duì)SDF提取率的影響。

2) 保壓時(shí)間分別為1，2，3，4，5和6 min，處理壓力為0.6 MPa，考察保壓時(shí)間對(duì)SDF提取率的影響。

3) 加酶量分別為0.5%，1.0%，2.0%，3.0%，4.0%，5.0%和6.0%，酶解溫度為50 ℃，酶解pH為4.0，酶解時(shí)間為8 min，考察加酶量對(duì)SDF提取率的影響。

4) 酶解溫度分別為30，35，40，45，50，55和60 ℃，加酶量4.0%，酶解pH為4.0，酶解時(shí)間為8 min，考察酶解溫度對(duì)SDF提取率的影響。

5) 酶解時(shí)間分別為2，4，6，8，10，12和14 min，酶解溫度為50 ℃，加酶量為4.0%，酶解pH為4.0，考察酶解時(shí)間對(duì)SDF提取率的影響。

6) pH分別為1，2，3，4，5和6，酶解溫度為50 ℃，加酶量為4.0%，酶解時(shí)間為8 min，考察pH對(duì)SDF提取率的影響。

1.2.2 可溶解性（WS）、持油力（OHC）的測(cè)定

參照唐曉青[8]的方法。

1.2.3 膨脹力（SC）、持水力（WHC）的測(cè)定

參照李倫[9]的方法。

1.2.4 DPPH、ABTS、·OH、O2-·清除率的測(cè)定

參照曹慧慧等[10]的方法。

1.2.5 X-射線衍射

取1～2 g樣品，將其裝填在玻璃制的特定樣品版的凹槽內(nèi)，用平整光滑的玻璃板適當(dāng)壓緊，然后將高出樣品板表面的多余粉末刮去，如此重復(fù)1～2次，然后放入衍射儀，進(jìn)行連續(xù)掃描。X-射線衍射條件特征射線CuKα，衍射波長(zhǎng)λ=0.154 mm，電壓40 kV，電流50 mA，掃描速率15 deg/min，發(fā)散狹縫1°，接受狹縫0.3 mm，防發(fā)散狹縫1°，測(cè)量范圍2θ=5°～60°。數(shù)據(jù)用Originlab軟件進(jìn)行分析處理。

1.2.6 電鏡掃描

用雙面膠布將經(jīng)過(guò)粉碎的膳食纖維粘牢在鍍金臺(tái)上，鍍膜后，在加速電壓12 kV的條件下用S-4800冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用Design-Expert 7.0進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸汽爆破-酶解耦合對(duì)SDF提取率的影響

蒸汽爆破壓力對(duì)SDF提取率的影響如圖1（a）所示。結(jié)果表明，前期隨著壓力的升高，SDF提取率也隨之提高，在壓力為0.6 MPa時(shí)提取率最高，為16.2%，而后開(kāi)始下降，可以看出壓力對(duì)SDF提取率影響較大。壓力低于0.2 MPa時(shí)，由于壓力過(guò)低，蒸汽爆破效果不明顯；而當(dāng)壓力高于0.8 MPa時(shí)，花生殼變色嚴(yán)重并造成了有效成分的破壞，纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)降解嚴(yán)重，成為小分子，不能以醇沉法分離，降低了SDF的提取率[11]。所以試驗(yàn)選取的蒸汽爆破壓力為0.6 MPa。

保壓時(shí)間對(duì)SDF提取率的影響如圖1（b）所示。結(jié)果表明，前期隨著保壓時(shí)間的增加，SDF提取率也隨之上升，在4 min時(shí)提取率最高，為18.0%，而后開(kāi)始緩慢降低，可以看出保壓時(shí)間并不是越長(zhǎng)越好。保壓時(shí)間較短，花生殼得不到充分的爆破和膨化，SDF提取率較低；保壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，增加了能耗，更重要的是會(huì)使纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)降解嚴(yán)重，成為小分子，不能以醇沉法分離，降低了SDF的提取率。所以試驗(yàn)選取的保壓時(shí)間為4 min。

加酶量對(duì)SDF提取率的影響如圖1（c）所示。當(dāng)加酶量為0.5%～4.0%時(shí)，隨著加酶量的增加，花生殼SDF提取率明顯增加；當(dāng)酶添加量為4.0%時(shí)，花生殼SDF提取率最高，為33.7%；當(dāng)加酶量高于4.0%時(shí)，SDF提取率的增加不顯著。其原因可能是隨著酶添加量的增加，IDF降解成較低分子量的多糖、低聚糖或單糖，在用乙醇沉淀時(shí)，因?yàn)榉肿恿枯^小而不能被沉淀下來(lái)，從而使SDF提取率降低。綜合分析，試驗(yàn)選取的加酶量為4.0%。

酶解時(shí)間對(duì)SDF提取率的影響如圖1（d）所示。當(dāng)酶解時(shí)間在2～8 min之間時(shí)，花生殼SDF提取率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而明顯提高。但當(dāng)酶解時(shí)間超過(guò)8 min時(shí)，SDF的提取率有所下降。其原因可能是在酶解初期，底物即花生殼濃度較高，水溶性多糖濃度較低，對(duì)酶反應(yīng)的抑制作用小，酶促反應(yīng)迅速進(jìn)行，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，酶的作用充分，花生殼SDF提取率迅速提高。但當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，底物濃度的不斷降低和部分酶在提取過(guò)程中的失活以及水溶性多糖的不斷積累，產(chǎn)物的反饋抑制效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，酶促反應(yīng)速率逐漸降低，并且纖維素酶繼續(xù)作用于SDF，將其分解為分子量更小的單糖或低聚糖，所以SDF提取率有顯著的降低。所以試驗(yàn)選取的酶解時(shí)間為8 min。

酶解溫度對(duì)SDF提取率的影響如圖1（e）所示。當(dāng)溫度為30～50 ℃時(shí)，花生殼SDF提取率隨溫度的升高逐漸增大，溫度達(dá)到50 ℃時(shí)，花生殼SDF提取率最大，為34.5%。當(dāng)溫度為50～60 ℃時(shí)，花生殼SDF提取率隨溫度的升高而降低。說(shuō)明在30～50 ℃時(shí)，IDF在纖維素酶的作用下轉(zhuǎn)化為SDF，但超過(guò)50 ℃后，纖維素酶的活力受溫度影響而下降。所以試驗(yàn)選取的酶解溫度為50 ℃。

pH對(duì)SDF提取率的影響如圖1（f）所示。當(dāng)溶液pH為1～4時(shí)，花生殼SDF的提取率隨著pH的增大而提高；pH為4時(shí)，花生殼SDF提取率最大，為33.9%；當(dāng)pH在4～6之間時(shí)，花生殼SDF提取率逐漸降低。其原因是pH會(huì)影響底物分子和酶分子的解離狀態(tài)，最適pH與酶活力中心結(jié)合底物的基團(tuán)以及參與催化基團(tuán)有關(guān)，往往只有一種解離狀態(tài)，最有利于酶與底物結(jié)合，此時(shí)酶活力最高。所以試驗(yàn)選取的酶解pH為4。

2.2 花生殼SDF功能特性分析

從表1可以看出，花生殼SDF經(jīng)蒸汽爆破-酶解處理后其功能特性有所提高。Control-SDF的溶解性、持水力、持油力和膨脹力分別為82.14%，1.89 g/g，1.19 g/g和2.98 mL/g，SEE-SDF的溶解性、持水力、持油力、膨脹力分別提高到96.45%，3.47 g/g，2.31 g/g和5.17 mL/g，增加了17.42%，83.60%，94.12%和73.49%。經(jīng)蒸汽爆破處理，物料組織呈海綿狀，體積增大，一些結(jié)構(gòu)組織如纖維素等被破壞，內(nèi)含物暴露，有利于目標(biāo)物的溶出，改善酶對(duì)底物的作用，有助于提高原料酶水解的效果，使得果膠類可溶性膳食纖維的含量增加，結(jié)合水分子的能力提高，溶于水后顆粒膨脹，伸展產(chǎn)生更大的容積，從而導(dǎo)致改性后SDF的溶解性、持水力、持油力和膨脹力增大[12]。

圖1 蒸汽爆破-酶解耦合技術(shù)對(duì)花生殼SDF提取率的影響

表1 蒸汽爆破-酶解處理對(duì)花生殼SDF功能特性的影響

蒸汽爆破-酶解處理后花生殼SDF對(duì)DPPH、ABTS、O2-·和·OH清除率如表2所示。蒸汽爆破-酶解處理后的花生殼SDF對(duì)DPPH、ABTS、O2-·和·OH清除率明顯高于未處理樣品，這可能是由于物料經(jīng)蒸汽爆破處理，SDF的平均粒徑明顯減小，樣品的均勻性增加，表面積增大，在抗氧化物質(zhì)提取的過(guò)程中，SDF中抗氧化成分與提取劑接觸表面積增大、接觸更充分，且經(jīng)過(guò)蒸汽爆破處理的物料細(xì)胞壁被破壞，活性成分較易溶出，很多不溶性活性成分變成小分子可溶性物質(zhì)，其提取率相應(yīng)增加[13]。

表2 蒸汽爆破-酶解處理對(duì)花生殼SDF抗氧化能力的影響

2.3 花生殼SDF結(jié)構(gòu)特性表征

從圖2可以看出，SDF的衍射峰不是很突出，但是在SDF的結(jié)構(gòu)中存在一定的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。SEE基本未改變SDF的結(jié)晶結(jié)構(gòu)屬性，纖維晶區(qū)基本未受影響。SEE改性膳食纖維特征衍射峰結(jié)晶面積更小，說(shuō)明改性處理降低了膳食纖維的結(jié)晶度，使部分不溶性成分溶出或轉(zhuǎn)化為水溶性成分，達(dá)到高品質(zhì)膳食纖維的要求。

圖2 蒸汽爆破-酶解耦合改性花生殼SDF的X-射線衍射圖

由圖3（a）可以看出，起初SDF的顆粒較大，大小均勻，呈棒狀且表面平整。從圖3（b）可以看出，經(jīng)SEE處理的SDF結(jié)構(gòu)遭到較為嚴(yán)重的破壞，呈顆粒狀，表面結(jié)構(gòu)則變得粗糙且疏松。其原因可能是SDF受到高速相撞被擊碎，同時(shí)由于瞬時(shí)失壓，產(chǎn)生一種類似膨化作用的結(jié)構(gòu)崩潰，使棒狀顆粒變小、表面結(jié)構(gòu)變粗糙，使纖維顆粒的表面結(jié)構(gòu)被破壞，出現(xiàn)多層不規(guī)則片狀甚至孔狀結(jié)構(gòu)。

圖3 花生殼SDF的掃描電鏡觀察結(jié)果

3 結(jié)論

1) SEE改性提取花生殼SDF，其提取最佳條件為蒸汽爆破壓力0.6 MPa，保壓時(shí)間4 min，加酶量4.0%，酶解時(shí)間8 min，溫度50 ℃，pH 4.0。在此條件下SDF提取率達(dá)到34.5%

2) Control-SDF的溶解性、持水力、持油力和膨脹力分別為82.14%，1.89 g/g，1.19 g/g和2.98 mL/g，SEE-SDF的溶解性、持水力、持油力和膨脹力分別為96.45%，3.47 g/g，2.31 g/g和5.17 mL/g；經(jīng)SEE處理，花生殼SDF對(duì)DPPH、ABTS、O2-·和·OH清除率明顯高于未處理樣品，其對(duì)自由基清除能力有所增強(qiáng)。

3) X-射線衍射圖譜表明：SEE處理基本未改變SDF的結(jié)晶結(jié)構(gòu)屬性，但降低了SDF的結(jié)晶度。掃描電鏡觀察表明：SEE處理可以使長(zhǎng)條細(xì)桿狀纖維卷曲斷裂，膨化成絮狀結(jié)構(gòu)，且表面具有凹陷的小孔，從根本上改變了SDF的形貌特征。