黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉制備及特性研究

羅 欣 周彥強(qiáng) 吳光斌 陳發(fā)河

(集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，福建 廈門 361000)

黃秋葵(AbelmoschusesculentusL. Moench)，又稱秋葵、羊角菜，起源于非洲，目前在中國(guó)被廣泛種植[1-2]。黃秋葵的嫩莢中含有大量的黏性多糖，其主要成分包括果膠多糖、阿拉伯聚糖、半乳聚糖及少量糖蛋白[3]；并富含酚類物質(zhì)，主要包括低聚兒茶酚和黃酮類衍生物[4]。近年來(lái)隨著黃秋葵加工技術(shù)研究的深入，出現(xiàn)了一些高附加值產(chǎn)品，如黃秋葵發(fā)酵酒等[5-6]。

膳食纖維(dietary fiber，DF)主要存在于糧谷、果蔬及菌菇類等食物中，按其水溶性分為可溶性膳食纖維(SDF)和不溶性膳食纖維(IDF)，分別具有不同生理功能[7-9]。SDF包括果蔬中的果膠、葡甘聚糖等，IDF包括纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等，主要存在于糧谷中。DF的防止排泄系統(tǒng)疾病、預(yù)防肥胖癥、降血壓、改善腸道菌群等功能已被廣泛研究[10-11]。研究[12-13]表明，IDF與SDF比例關(guān)系直接決定DF的生理功能，SDF含量占比超過(guò)膳食纖維總量(TDF)的30%、或SDF/IDF為0.43～1.00有利于充分發(fā)揮其生理功能。與糧谷類膳食纖維相比，果蔬類膳食纖維中除富含SDF外，還含有豐富的類黃酮、花色素等物質(zhì)，這些物質(zhì)具有抗氧化、消炎抑菌和調(diào)節(jié)免疫力等作用[14]。伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，膳食纖維的加工引入很多新型加工技術(shù)，如超高壓和超微[15-16]、動(dòng)態(tài)微流化[17]、蒸汽爆破[18]和空化微射流[19]技術(shù)等。

黃秋葵果莢中含有大量的膳食纖維，主要為可溶性的果膠多糖和不溶性的纖維素，在黃秋葵酒的釀造過(guò)程中膳食纖維不易被利用，這為黃秋葵發(fā)酵酒渣中膳食纖維粉的制作提供了可能。目前利用黃秋葵酒渣制備果膠多糖的研究較多[20-21]，但利用黃秋葵酒渣制備膳食纖維尚未見(jiàn)報(bào)道。文章擬以黃秋葵酒渣為原料，研究黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉制備工藝及其特性，以期為黃秋葵的綜合開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

黃秋葵發(fā)酵酒渣：將發(fā)酵后的酒渣曬干，磨粉，過(guò)40目篩后于冰箱貯藏，廈門市如意情有限公司；

甲醇、無(wú)水乙醇：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

氯仿、丙酮：分析純，西隴化工股份有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

膠體磨：SS1型，上海順儀實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

高壓均質(zhì)機(jī)：MA35型，上海順儀實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

噴霧干燥機(jī)：F1D-5型，上海順儀實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

分析天平：Me104型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；

激光粒度儀：ZSP300型，英國(guó)馬爾文公司；

掃描電子顯微鏡：P-Pro型，德國(guó)Phoenix公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理 將黃秋葵發(fā)酵酒渣用20倍70%的乙醇浸提兩次，使用5倍氯仿和甲醇混合溶劑(V氯仿∶V甲醇為1∶1)提取1 h除去色素等雜質(zhì)，使用丙酮洗滌后烘干，得到醇不溶固形物(AIS)，備用。

1.2.2 黃秋葵酒渣膳食纖維制備工藝 取一定量的AIS，加入適量水，膠體磨粉碎3次；使用高壓均質(zhì)機(jī)均質(zhì)，設(shè)定一級(jí)壓力5 MPa，二級(jí)壓力40 MPa，溫度25～30 ℃，均質(zhì)處理3次，噴霧干燥。

1.2.3 噴霧干燥工藝優(yōu)化

(1) 進(jìn)樣口溫度對(duì)噴霧干燥效果的影響：調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率使出口溫度控制在80～90 ℃，蠕動(dòng)泵進(jìn)料速度800 mL/h，考察進(jìn)樣口溫度(170，190，210，230，250 ℃)對(duì)樣品漿液噴霧干燥效果的影響。

(2) 總固形物含量對(duì)噴霧干燥效果的影響：進(jìn)樣口溫度210 ℃，調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率使出口溫度控制在80～90 ℃，進(jìn)料流速800 mL/h，考察總固形物含量(3%，5%，7%，9%，11%)對(duì)樣品漿液噴霧干燥效果的影響。

(3) 蠕動(dòng)泵進(jìn)料速度對(duì)噴霧干燥效果的影響：進(jìn)樣口溫度210 ℃，調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率使出口溫度控制在80～90 ℃，考察蠕動(dòng)泵進(jìn)料速度(600，800，1 000，1 200，1 400 mL/h)對(duì)樣品漿液噴霧干燥效果的影響。

1.2.4 產(chǎn)品得率計(jì)算 按式(1)計(jì)算產(chǎn)品得率。

(1)

式中：

Y——產(chǎn)品得率，%；

m1——噴霧干燥后黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉質(zhì)量，g；

m——噴霧干燥前黃秋葵酒渣總質(zhì)量，g。

1.2.5 水分含量 采用快速水分測(cè)定儀測(cè)定。

1.2.6 灰分 在已知恒重的瓷坩堝中稱取0.5～1.0 g試樣，用小火緩緩加熱至完全炭化，于馬弗爐中 550 ℃灼燒灰化至恒重。按式(2)計(jì)算灰分。

(2)

式中：

X——試樣中灰分的含量，%；

m0——試樣質(zhì)量，g；

m1——坩堝質(zhì)量，g；

m2——坩堝和灰分質(zhì)量，g。

1.2.7 粉體特性

(1) 堆積密度：將顆粒自由填充于某一容器后測(cè)得的單位體積質(zhì)量，反映孔徑和顆粒間空隙的密度。按式(3)計(jì)算黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉的堆積密度。

(3)

式中：

B——堆積密度，g/mL；

M1——量筒質(zhì)量，g；

M2——黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉和量筒的總質(zhì)量，g。

(2) 振實(shí)密度：規(guī)定條件下容器中的粉末經(jīng)振實(shí)后所測(cè)得的單位容積質(zhì)量，按式(4)計(jì)算振實(shí)密度。

(4)

式中：

T——振實(shí)密度，g/mL；

M——黃秋葵發(fā)酵酒渣粉末總質(zhì)量，g；

V0——粉末不穩(wěn)定的表觀體積，mL；

V1——粉末振實(shí)后的體積，mL。

(3) 壓縮度：按式(5)進(jìn)行計(jì)算。

(5)

式中：

W——壓縮度，%；

T——振實(shí)密度，g/mL；

B——堆積密度，g/mL。

(4) 休止角：將漏斗垂直固定于水平放置的玻璃板上方，漏斗下口距離玻璃板高度H為1 cm。黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉適量緩慢倒入漏斗，直到漏斗的出口與離玻璃板粉末圓錐體的尖端接觸；量取粉末圓錐體的直徑2R，反復(fù)測(cè)定3次。按式(6)計(jì)算休止角。

(6)

式中：

α——休止角，°；

H——漏斗下口距離玻璃板高度，cm；

R——圓錐體的半徑，cm。

1.2.8 吸濕特性

(1) 吸濕速率與吸濕百分率：在已恒重的稱量盤底部分別放入厚約3 mm已干燥恒重的粉體，準(zhǔn)確稱重后置于恒溫恒濕箱(溫度25 ℃，相對(duì)濕度75%)，每隔一定時(shí)間稱重，直至吸濕平衡為止，按式(7)計(jì)算吸濕百分率。

(7)

式中：

R——吸濕率，%；

M1——吸濕前的質(zhì)量，g；

M2——吸濕后的質(zhì)量，g。

以相對(duì)濕度75%吸濕平衡時(shí)的吸濕百分率表示粉體的吸濕性，計(jì)算吸濕速率。

(2) 臨界相對(duì)濕度：在已恒重的稱量盤底部分別放入厚約3 mm已干燥恒重的粉體，準(zhǔn)確稱重后置于恒溫恒濕箱，于25 ℃放至恒重，計(jì)算吸濕百分率。以吸濕率(%)為縱坐標(biāo)，環(huán)境的相對(duì)濕度(%)為橫坐標(biāo)繪制曲線。每個(gè)樣品重復(fù)3次。

1.2.9 色差分析 使用L*、a*、b*和ΔE表示黃秋葵酒渣果膠多糖的色差，其中L*代表明度；a*代表紅綠色度，a*>0為紅色，a*<0 為綠色；b*代表黃藍(lán)色度，b*>0為黃色，b*<0為藍(lán)色；ΔE表示色差。

1.2.10 粒度分析 使用無(wú)水乙醇作為溶液分散劑，設(shè)定折光指數(shù)為1.096，介電常數(shù)為25.7，黏度為1.103 mPa·s。將樣品直接懸浮于無(wú)水乙醇，超聲分散30 s，顆粒折射率為1.52。

1.2.11 掃描電子顯微鏡 取各樣品少許，粘臺(tái)噴金，于掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉制備工藝優(yōu)化

2.1.1 均質(zhì)次數(shù) 溶液中溶質(zhì)粒徑減小，內(nèi)相和外相的密度差增加，以及外相溶劑黏度的增高都有助于降低顆粒的沉降速度并提高漿液的穩(wěn)定性[22]。由表1可知，隨著均質(zhì)次數(shù)的增多，黃秋葵發(fā)酵酒渣顆粒粒徑減小，同時(shí)Zeta電位的絕對(duì)值增大。當(dāng)均質(zhì)次數(shù)超過(guò)3次時(shí)，粒度和Zeta電位點(diǎn)變化不再明顯。所以，最適宜均質(zhì)次數(shù)為3次。通過(guò)高壓均質(zhì)作用可以大大降低溶液粒徑大小，使粒徑分布變窄，同時(shí)大大提高溶液的穩(wěn)定性。但是，物料在高壓均質(zhì)機(jī)處理過(guò)程中，除粒徑變小外，往往還伴有其他性質(zhì)的變化。由于物料表面的破碎，更多的活性基團(tuán)暴露，微小粒子之間的自吸附性，或者范德華力的吸引，也使得微粒之間很容易形成團(tuán)聚作用。

表1 均質(zhì)次數(shù)對(duì)粒徑和Zeta電位的影響

2.1.2 進(jìn)樣口溫度 由表2可知，隨著進(jìn)風(fēng)溫度的上升，含水率遞減。根據(jù)固體飲料國(guó)標(biāo)[23]的規(guī)定，固體飲料的含水率應(yīng)低于5%。當(dāng)進(jìn)樣口溫度為190 ℃時(shí)，含水率已約等于5%。進(jìn)樣口溫度為190～230 ℃時(shí)產(chǎn)品得率均高于37%，并高于其他溫度下的產(chǎn)品得率。進(jìn)樣口溫度過(guò)低，顆粒中的水分無(wú)法在干燥室內(nèi)及時(shí)轉(zhuǎn)化為氣體，產(chǎn)品仍含有較多水分，同時(shí)部分未完全干燥的顆粒會(huì)發(fā)生黏壁現(xiàn)象，產(chǎn)品得率較低。此外，過(guò)高的進(jìn)樣口溫度可能會(huì)使已干燥的物料溫度升高至其黏流溫度，發(fā)生熱黏壁現(xiàn)象。當(dāng)進(jìn)樣口溫度高于210 ℃時(shí)，可觀察到干燥室內(nèi)壁上的黏壁物料，同時(shí)黏壁物料有輕微的焦化。所以，進(jìn)樣口溫度設(shè)定為210 ℃為宜。

表2 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)噴霧干燥效果的影響

2.1.3 總固形物含量 提高漿液中固形物含量，降低其含水量，可以節(jié)約時(shí)間和成本。但總固形物含量的上限受限于兩個(gè)方面：噴霧干燥體系能干燥的最大量和物料輸送系統(tǒng)所能承受的最高漿料的流動(dòng)性或黏度。針對(duì)漿液中固形物含量影響的研究結(jié)果表明，當(dāng)固形物含量>7%時(shí)，物料的流動(dòng)性變差，黏度變大，輸送開始變得較為困難。所以選擇總固形物含量為7%作為最佳的條件，其值顯著低于甘薯噴霧干燥的最佳固形物含量(25%)[24]、速溶豆粉(15%)[25]、龍眼粉(25%)[26]。這可能是由于試驗(yàn)漿料固形物中絕大部分為不溶性膳食纖維，果膠多糖類可溶性物質(zhì)已被大部分除去，所以固形物含量的提高會(huì)顯著影響漿料的流動(dòng)性和黏度。

2.1.4 進(jìn)料速度 由表3可知，當(dāng)進(jìn)料速度較低時(shí)，漿液在噴霧過(guò)程中可以被充分霧化成粒徑較小的液滴，造成更大的比表面積在熱交換過(guò)程中更快地被干燥，從而減少黏壁現(xiàn)象并降低產(chǎn)品含水量；當(dāng)進(jìn)料速度增大時(shí)，霧化形成的液滴粒徑變大，熱交換過(guò)程中傳熱和傳質(zhì)效率降低，未充分干燥的物料使得黏壁現(xiàn)象和物料中水分含量上升[20]。當(dāng)進(jìn)料速度≤1 000 mL/h時(shí)，噴霧干燥的效果較好，此時(shí)產(chǎn)品得率高，含水量低。綜合考慮，選擇進(jìn)料速度為800 mL/h。

表3 進(jìn)料速度對(duì)噴霧干燥效果的影響

綜上，較為適宜的噴霧干燥工藝條件為進(jìn)樣口溫度210 ℃，風(fēng)機(jī)頻率40 Hz，撞針間隔4 s，撞針時(shí)間1 s，漿料固形物含量7%，進(jìn)料速度800 mL/h。收集噴霧干燥的粉末，即可得到黃秋葵膳食纖維粉。

2.2 黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉粉體的基本特性

黃秋葵發(fā)酵酒渣超微粉碎后的粒徑變小、顆粒形態(tài)的變化、比表面積的增加會(huì)影響粉體的松散特性以及流動(dòng)特性。由表4可知，黃秋葵發(fā)酵酒渣的持水率由8.2%增加至10.5%，水分含量由14.8%增加至16.5%，持水率和水分含量的增加可能是由于粒徑的減小導(dǎo)致比表面積增加和表面性質(zhì)的變化，如纖維基質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞和更多親水基團(tuán)的暴露，水分子與羥基結(jié)合機(jī)會(huì)增多[23]，從而導(dǎo)致其親水能力增強(qiáng)，持水率和水分含量增加。堆積密度由0.12 g/mL增加至0.24 g/mL，振實(shí)密度由0.16 g/mL增加至0.33 g/mL，休止角由40.4°增加至52.8°。堆積密度、振實(shí)密度、休止角等粉體特性對(duì)其加工、運(yùn)輸、包裝、存儲(chǔ)等具有重要意義。超微粉碎后的產(chǎn)品流動(dòng)性較差，可能是隨著粒度的減小，表面能增加，粒子之間相互吸附作用力變得明顯。同時(shí)，酒渣中的蛋白質(zhì)、脂類物質(zhì)也被釋放并分散，一定程度上促進(jìn)了粉體之間的相互作用，降低了超微粉的流動(dòng)性。

表4 黃秋葵酒渣超微粉體和普通粉體的基本性質(zhì)

2.3 黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉粉體的色差

由表5可知，超微粉碎后黃秋葵酒渣的明度大于未經(jīng)超微粉碎的，而紅綠色調(diào)、黃藍(lán)色調(diào)的值均小于未經(jīng)超微粉碎的。這可能是粒徑的減小、粉體形態(tài)的變化和比表面積的增大會(huì)使粉體表面更加平整，粉體內(nèi)部結(jié)構(gòu)暴露，從而導(dǎo)致光的反射更加集中，使得明度增加或造成色澤的改變[27]。此外，噴霧干燥過(guò)程中需要將物料經(jīng)過(guò)高溫處理，可能會(huì)使黃秋葵酒渣粉末的明度加強(qiáng)、顏色下降，致使其脫離本色。而未經(jīng)超微粉碎，直接冷凍干燥得到的粉末具有較大的色差，其紅色和黃色的程度較高，更加符合黃秋葵酒渣本來(lái)的顏色，這也從側(cè)面說(shuō)明了冷凍干燥能更好地保持物料本身的特性。

表5 黃秋葵粉體色差

2.4 黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉粉體的吸濕特性

2.4.1 吸濕速率與吸濕百分率 由圖1可知，未經(jīng)超微粉碎的黃秋葵酒渣的吸濕速度大于超微粉碎后的，同時(shí)達(dá)到吸濕平衡后，超微粉碎后的黃秋葵酒渣的吸濕率大于未經(jīng)超微粉碎的。未經(jīng)超微粉碎的黃秋葵酒渣在120 min時(shí)達(dá)到吸濕平衡，此時(shí)的吸水率為21.5%；而黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉在190 min時(shí)達(dá)到吸濕平衡，此時(shí)的吸水率為23.2%。超微粉碎后粒徑的降低和親水基團(tuán)的暴露，導(dǎo)致最終的吸濕性變大。但是，超微粉碎的黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉的吸濕速度反而降低，可能是噴霧干燥過(guò)程中的高溫導(dǎo)致其顆粒收縮和褶皺，顆粒表面堅(jiān)硬的外殼不利于傳質(zhì)，故吸濕速度不升反降。

圖1 樣品的吸濕速率

2.4.2 臨界相對(duì)濕度 由圖2可知，相同的環(huán)境濕度下，超微粉粉碎后的黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉的吸濕性更高，與水分含量結(jié)果相符。由圖2、圖3可知，黃秋葵發(fā)酵酒渣超微粉碎前后的臨界相對(duì)濕度差別不大，分別為70%， 72%，說(shuō)明當(dāng)環(huán)境濕度>70%時(shí)，兩種粉體的相對(duì)濕度迅速增加。為了保證粉體在加工、包裝、運(yùn)輸、貯藏過(guò)程中的品質(zhì)穩(wěn)定，需要控制環(huán)境的相對(duì)濕度在70%以下。

圖2 黃秋葵發(fā)酵酒渣超微粉和普通粉的吸濕平衡曲線

圖3 黃秋葵發(fā)酵酒渣超微粉的吸濕平衡曲線

2.5 黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉粉體的粒度

由圖4可知，黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉的粒度分布集中在 2 000 nm 附近。試驗(yàn)測(cè)定的多擴(kuò)散系數(shù)(PDI)為 0.5，說(shuō)明其粒度分布跨度較小，粒徑均一。其Z-平均值為 (2 321±245) nm，遠(yuǎn)低于超微粉的10～25 μm標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明產(chǎn)品粉碎效果良好。

圖4 黃秋葵超微粉的粒徑

3 結(jié)論

研究得到的黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉制備工藝，相對(duì)于傳統(tǒng)的酶處理或堿處理可有效提高膳食纖維含量，所得產(chǎn)品的色差、持水率、臨界相對(duì)濕度、堆積密度、振實(shí)密度、壓縮度、休止角、粒徑等理化性質(zhì)差異顯著，膳食纖維超微粉更易被人體吸收，符合高質(zhì)量膳食纖維的要求。后續(xù)可研究黃秋葵酒渣膳食纖維超微粉對(duì)腸道微生物種群影響。