擠壓膨化改性花生殼可溶性膳食纖維及功能結(jié)構(gòu)特性

王巖，王磊，杜瑞煥，張立田，段曉然，李彤

1.唐山市食品藥品綜合檢驗檢測中心（唐山 063000）；2.河北省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測技術(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）

近年來，膳食纖維在食品營養(yǎng)和臨床醫(yī)學(xué)上的重要作用越來越受到關(guān)注，被稱為人類“第七大營養(yǎng)元素”[1-3]。膳食纖維雖不具營養(yǎng)價值，但其具有的物化特性使之具有獨特的生理功能和營養(yǎng)保健作用。按其溶解性的不同大致分為可溶性膳食纖維（SDF）和不溶性膳食纖維（IDF）兩類[4-8]?？扇苄陨攀忱w維較不溶性膳食纖維在生理功能方面更能發(fā)揮其代謝作用，在促進腸道益生菌的生長，預(yù)防糖尿病、肥胖病、冠心病、動脈硬化、高血脂等方面具有特殊的功效[9-15]。

中國是世界花生生產(chǎn)、消費和出口大國，種植面積和年產(chǎn)量均居世界前列?；ㄉa(chǎn)業(yè)每年會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品，如花生粕、花生渣、花生殼、花生莖葉等，它們是潛在的膳食纖維資源。如果這部分資源不被充分利用，就會造成嚴(yán)重的資源浪費，也會對環(huán)境造成污染。因此，將花生產(chǎn)業(yè)的這些副產(chǎn)品加工成天然的膳食纖維，不僅可以提高花生產(chǎn)業(yè)的附加值，還會帶來巨大社會和經(jīng)濟效益[16]。

擠壓膨化技術(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)部的水分汽化，氣體突然膨脹，發(fā)生噴爆，產(chǎn)生爆破效果。擠壓膨化預(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，有利于目的物的溶出，改善酶對底物的作用，有助于提高原料酶水解的效果[17-18]。

對改性花生膳食纖維的抗氧化能力、重金屬吸附能力和結(jié)構(gòu)特性進行比較分析，提出改性花生膳食纖維作為一種功能食品配料，具有廣泛開發(fā)應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

花生殼（唐山潤澤糧油食品有限公司）。

亞硝酸鈉、Pb(NO3)2，CuSO4，NaAsO2等（均為分析純，北京化學(xué)試劑公司）。

電子分析天平（AR1140，上海奧豪斯國際貿(mào)易有限公司）；電子天平（ARC120，上海奧豪斯國際貿(mào)易有限公司）；恒溫水浴鍋（HWS-26，江蘇太倉實驗設(shè)備廠）；水浴恒溫振蕩器（DSHZ-300，江蘇太倉實驗設(shè)備廠）；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9140A，上海一恒科技有限公司）；原子熒光光度計（AFS-230E，北京海光公司）；等離子體發(fā)射光譜儀（Optima-5300DV，美國PE公司）；掃描電子顯微鏡（UV-180，日本島津公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝參數(shù)優(yōu)化

花生殼經(jīng)過耐高溫α-淀粉酶除淀粉和中性蛋白酶除蛋白后，在螺桿轉(zhuǎn)速（160，180，200，220和240 r/min），溫度（110，120，130，140和150 ℃），物料水分（10%，15%，20%，25%和30%）條件下經(jīng)雙螺桿擠壓機處理，用水浸提，上清液醇沉離心，干燥得到SDF。

1.2.2 抗氧化能力能力評價

1.2.2.1 ·OH清除率的測定

參考Fenton反應(yīng)體系模型，在反應(yīng)體系中（水楊酸-乙醇溶液9 mmol/L，F(xiàn)e2+9 mmol/L，H2O28.8 mmol/L）加入具有清除·OH能力的物質(zhì)，便會與水楊酸競爭·OH，而使有色物質(zhì)生成量減少。采用固定反應(yīng)時間法，在相同體積的反應(yīng)體系中加入不同濃度的DF，并用蒸餾水作空白對照，在波長510 nm處測量加入不同濃度SDF后的吸光度，代入清除率計算公式可計算不同濃度SDF清除·OH自由基能力。

式中：A1為0.5 mL水楊酸-乙醇+1.0 mL DF+0.5 mL Fe2++5.0 mL H2O2的吸光度；A2為0.5 mL水楊酸-乙醇+1.0 mL DF+0.5 mL蒸餾水+5.0 mL H2O2的吸光度；A3為0.5 mL水楊酸-乙醇+1.0 mL蒸餾水+0.5 mL Fe2++5.0 mL H2O2的吸光度。

1.2.2.2 O2-·清除率的測定

采用鄰苯三酚自氧化法生成O2-·，取0.05 mol/L Tris-HCl緩沖液（pH 8.2）4.0 mL，置于25 ℃水浴中預(yù)熱20 min，分別加入1 mL待測液和1 mL 25 mmol/L鄰苯三酚溶液，混勻后于25 ℃水浴中反應(yīng)5 min，加入8% HCl溶液100 μL終止反應(yīng)，波長320 nm處測定吸光度（A）。以1 mL蒸餾水代替待測液做空白試驗。

式中：A1為4 mL Tris-HCl+1.0 mL DF+2 mL鄰苯三酚的吸光度；A2為4 mL Tris-HCl+1.0 mL DF+2 mL蒸餾水的吸光度；A3為4 mL Tris-HCl+1.0 mL蒸餾水+2 mL鄰苯三酚的吸光度。

1.2.2.3 DPPH自由基清除率的測定

DPPH自由基在95%乙醇溶液中是一種穩(wěn)定的自由基，在波長517 nm處有吸收峰，呈紫色。自由基清除劑存在時，DPPH的孤對電子被配對，顏色變淺，在最大吸收波長處吸收度變小，且顏色變化與配對電子數(shù)成化學(xué)計量關(guān)系，因此，可用來評價自由基的清除情況。將4 mL待測液加入2 mL 0.2 mmol/L DPPH自由基溶液，于25 ℃水浴中反應(yīng)20 min后于517 nm處測定吸光度（Ai）。以蒸餾水代替待測液作空白試驗。

式中：A1為4 mL DF+2.0 mL DPPH自由基的吸光度；A2為4 mL DF+2.0 mL 95%乙醇的吸光度；A3為4 mL蒸餾水+2.0 mL DPPH自由基的吸光度。

1.2.3 重金屬吸附能力評價

測定最大束縛濃度（CBmax）時，250 mL三角瓶中分別加入10 mmol/L的重金屬溶液（Pb(NO3)2，CuSO4，NaAsO2）和1.0 g膳食纖維樣品，為體外模擬胃和腸道的環(huán)境，pH分別調(diào)至2.0和7.0，于37 ℃，120 r/min振蕩3 h，在吸附結(jié)束后，為沉淀SDF，向2 mL樣品收集液中加入8 mL無水乙醇，以4 000 r/min離心10 min，上清液采用原子吸收法測定殘留重金屬離子濃度。

測定最小束縛濃度（CBmin）時，250 mL三角瓶中分別加入500 μmol/L的重金屬溶液（Pb(NO3)2，CuSO4，NaAsO2）和2.5 g膳食纖維樣品，其他條件與測定CBmax相同。

1.2.4 可溶性膳食纖維電鏡觀察

將擠壓膨化改性得到的SDF粉碎后，過0.5 mm篩網(wǎng)，采用離子濺射方法鍍金，通過掃描電子顯微鏡對制備好的樣品進行分析、觀察，得到相應(yīng)的掃描電鏡照片。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用Design-Expert 7.0進行試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓膨化改性花生殼SDF工藝條件

擠壓膨化技術(shù)集輸送、混合、加熱和加壓等多種單元操作于一體，物料在擠壓機筒內(nèi)受到高溫、高剪切作用，在短時間內(nèi)實現(xiàn)部分大分子聚合物直接或間接轉(zhuǎn)化為可溶性纖維。如圖1所示，SDF提取率隨螺桿轉(zhuǎn)速和擠壓溫度增加呈先升高后下降趨勢；隨物料含水量增加呈先升高后平緩趨勢。螺桿轉(zhuǎn)速200 r/min、溫度130 ℃和物料含水量20%時，SDF提取率最高（22.3%）。

圖1 擠壓膨化對花生殼SDF提取率的影響

2.2 可溶性膳食纖維抗氧化能力分析

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)證明，脂質(zhì)氧化所產(chǎn)生的自由基在癌癥腫瘤形成的起始和促成階段都起重要作用。機體在代謝過程中產(chǎn)生的自由基有超氧陰離子自由基、羥自由基、氫過氧自由基。其中，羥自由基是最危險的自由基，而膳食纖維中的多酚、多糖類物質(zhì)具有清除超氧陰離子自由基和羥自由基的能力被證實，在治療心血管病和老年性癡呆癥方面獨具療效。

如圖2可知，在質(zhì)量濃度2.0～12.0 mg/mL內(nèi)，·OH清除率與SDF濃度呈線性關(guān)系，control-SDF和EE-SDF線性方程分別為y=10.029x+8.266 7（R2=0.999 6）和y=12.689x+7.84（R2=0.999 1），根據(jù)線性方程得IC50（清除50%自由基時SDF的質(zhì)量濃度）分別為4.16和3.32 mg/mL。

如圖3可知，在質(zhì)量濃度2.0～12.0 mg/mL內(nèi)，O2-·清除率與SDF濃度呈線性關(guān)系，control-SDF和EE-SDF線性方程分別為y=10.206x+8.28（R2=0.999 1）和y=12.729x+9.433 3（R2=0.999 7），根據(jù)線性方程得IC50（清除50%自由基時DF的質(zhì)量濃度）分別為4.09和3.19 mg/mL。

如圖4可知，在質(zhì)量濃度2.0～12.0 mg/mL，DPPH清除率與SDF濃度呈線性關(guān)系，control-SDF和EE-SDF線性方程分別為y=5.048 6x+10.113（R2=0.999 3）和y=13.037x+9.686 7（R2=0.999 2），根據(jù)線性方程得IC50（清除50%自由基時DF的質(zhì)量濃度）分別為7.90和3.09 mg/mL。

圖2 control-SDF和EE-SDF對·OH清除能力

圖3 control-SDF和EE-SDF對O2-·清除能力

圖4 control-SDF和EE-SDF對DPPH清除能力

2.3 可溶性膳食纖維重金屬吸附能力分析

鉛、砷和銅是一類危害人體健康的化學(xué)物質(zhì)，由于環(huán)境的污染，很多食物中都能檢測到這些重金屬元素，它們不易排出，都有在生物體內(nèi)富集的潛在危機，其量達到一定程度可導(dǎo)致中毒及癌癥。膳食纖維對重金屬離子的束縛主要依靠化學(xué)吸附，同時也存在物理吸附。化學(xué)吸附主要依靠纖維中來自糖醛酸的羧基和木質(zhì)素的酚酸等基團與重金屬離子結(jié)合，因此受pH的影響較大，pH升高，這些基團解離增多，可以和帶正電的重金屬陽離子以離子鍵結(jié)合；反之，羧基解離減少，可能降低了吸附效果，即酸性環(huán)境不利于膳食纖維對重金屬離子的吸附；物理吸附則是范德華力作用的結(jié)果，受溫度影響，反應(yīng)速率一般很快[19]。

擠壓膨化處理對花生殼SDF重金屬最大束縛能力和最小束縛濃度的影響如表1所示。由表1可知，對同一種重金屬離子的吸附過程中，pH 7.0條件下比pH 2.0條件下吸附效果好，說明小腸環(huán)境更適合膳食纖維對重金屬離子的吸附。Cara等[20]研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)膳食纖維在pH 6.8時對重金屬的束縛能力最強，pH 0.65時則會進行解吸釋放。

試驗在體外模擬腸道環(huán)境（pH 7.0）條件下，control-SDF對Pb、As和Cu都有較強的吸附作用，CBmax分別為（239.5±2.5），（198.5±2.9）和（100.4± 3.1）μmol/g，CBmin分別為（90.5±1.6），（126.4± 4.1）和（155.3±4.2）μmol/L，其中對Pb的吸附作用最強，對As的吸附作用次之，對Cu的吸附作用較弱。SDF經(jīng)過擠壓膨化改性后，吸附重金屬離子作用都有所增強，CBmax分別為（378.5±5.3），（278.3±3.2）和（167.2±2.5）μmol/g，CBmin分別為（30.4±1.3），（63.4±3.7）和（71.3±4.2）μmol/L；在胃環(huán)境（pH 2.0）條件下，SDF對Cu的吸附作用較弱，但對Pb和As的吸附作用卻顯著高于對Cu的吸附作用。在pH 2.0條件下，擠壓膨化會增強對重金屬的吸附?；ㄉ鷼DF經(jīng)擠壓膨化處理后，可能會導(dǎo)致樣品顆粒高度破碎，比表面積增加，組織松散，使SDF與重金屬離子接觸的更充分，從而增強對重金屬離子的吸附作用[21]。

表1 擠壓膨化對花生殼SDF重金屬最大束縛能力和最小束縛濃度的影響

2.4 可溶性膳食纖維電鏡觀察

掃描電子顯微鏡（SEM）是近30年迅速發(fā)展起來的一種新型電子光學(xué)儀器，其特點是圖像富有立體感和真實感，能觀察到顆粒的形狀及大小，對樣品的適應(yīng)性強，非常適合用于對膳食纖維顆粒的直觀研究，可拍攝到其有代表性的顆粒形貌的照片。

圖5為2種膳食纖維的掃描電鏡結(jié)果，掃描倍數(shù)3 000倍。2種膳食纖維的顆粒微小，表面略有褶皺，結(jié)構(gòu)疏松，帶有明顯片狀結(jié)構(gòu)，但擠壓膨化改性后的花生殼SDF顆粒更細(xì)，且表面具有明顯的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，分布均勻。其原因可能是花生殼SDF經(jīng)過改性后，大分子物質(zhì)發(fā)生降解，分子鏈被切斷，分子量相對較低，使得聚合度下降，顆粒變小，微觀結(jié)構(gòu)和分子大小發(fā)生了變化，而SDF的微觀結(jié)構(gòu)與其功能特性密切相關(guān)，因此，推測其應(yīng)該具有良好的膽固醇、膽酸鈉、亞硝酸鹽吸附能力[22]。

圖5 花生殼可溶性膳食纖維的掃描電鏡圖

3 結(jié)論

擠壓膨化改性花生殼SDF最佳工藝條件為螺桿轉(zhuǎn)速200 r/min、擠壓溫度130 ℃、物料含水量20%。在此條件下，SDF提取率達到22.3%。

control-SDF和EE-SDF對·OH、O2-·和DPPH的清除能力IC50分別為4.16，4.09，7.90 mg/mL和3.32，3.19，3.09 mg/mL。擠壓膨化處理提高膳食纖維的抗氧化活性。

結(jié)果表明，對同一種重金屬離子的吸附過程中，pH 7.0條件下比pH 2.0條件下吸附效果更好。在腸道環(huán)境下control-SDF和EE-SDF對3種重金屬離子（Pb、As和Cu）吸附作用，CBmax分別為（239.5±2.5），（198.5±2.9），（100.4±3.1）μmol/g和（378.5± 5.3），（278.3±3.2），（167.2±2.5）μmol/g，CBmin分別為（90.5±1.6），（126.4±4.1），（155.3±4.2）μmol/L和（30.4±1.3），（63.4±3.7），（1.3±4.2）μmol/L。經(jīng)擠壓膨化改性后，在pH 7.0和pH 2.0條件下，EE-SDF對重金屬離子的吸附能力均有所提高。

通過掃描電鏡觀察，control-SDF和EE-SDF的顆粒微小，表面略有褶皺，結(jié)構(gòu)疏松，帶有明顯的片狀結(jié)構(gòu)，具有吸附其他物質(zhì)的孔隙，但擠壓膨化改性后的花生殼SDF顆粒更致密，空隙更小，且表面具有明顯的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，分布均勻。