雙螺桿擠壓對棗渣膳食纖維的改性研究

許真，靳學(xué)遠(yuǎn)，段君，縱偉

1.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 食品工程學(xué)院，河南 鶴壁 458030；2.海南科技職業(yè)大學(xué) 臨床醫(yī)藥學(xué)院，海南 ?？?571126；3.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450001

0 引言

棗(ZizyphusjujubaMill)為鼠李科棗屬植物，富含多糖、多酚、皂苷類等[1-3]具有生理活性的化合物. 近年來，棗加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展快速，但在棗汁、棗多糖等[4-5]加工過程中產(chǎn)生的大量棗渣未得到合理利用，大部分被作為垃圾丟棄，這不僅浪費(fèi)資源，還造成極大的環(huán)境污染.

棗渣中含有豐富的膳食纖維，但主要是不溶性膳食纖維(Insoluble Dietary Fibre，IDF)，可溶性膳食纖維(Soluble Dietary Fibre，SDF)含量較少[6]. SDF在持水率、防治便秘、降低血液膽固醇等方面較IDF具有更強(qiáng)的生理和藥理功能[7-8]，其用途也更廣泛. 目前，常采用物理法、化學(xué)法和生物法對果蔬殘?jiān)械纳攀忱w維進(jìn)行改性，以提高SDF含量[9-11]. 其中，物理法操作簡便，對環(huán)境污染小，但改性效果欠佳；化學(xué)法改性效果較好，但反應(yīng)條件劇烈，且使用的化學(xué)試劑容易對環(huán)境造成二次污染；生物法反應(yīng)條件溫和，但改性效果不好. 近年來，雙螺桿擠壓技術(shù)作為一種物理改性方法，在一些果蔬膳食纖維的改性方面得到廣泛應(yīng)用，其在改性過程中，集輸送、混合、加熱、加壓等多種單元操作于一體 ，利用溫壓的變化，在短時(shí)間內(nèi)可直接或間接實(shí)現(xiàn)膳食纖維素聚合物的結(jié)構(gòu)變化[12]. 皇圓圓等[13]采用雙螺桿擠壓技術(shù)對豌豆渣IDF進(jìn)行改性，提高了其膨脹性和持水性；張光等[14]采用雙螺桿擠壓技術(shù)對米糠膳食纖維進(jìn)行改性，提高了米糠中SDF含量，且米糠膳食纖維的功能性也隨結(jié)構(gòu)的變化發(fā)生了改變. 棗渣膳食纖維具有不同的組成和結(jié)構(gòu)，且目前采用雙螺桿擠壓技術(shù)對棗渣膳食纖維進(jìn)行改性的研究鮮見報(bào)道.

鑒于此，本研究以灰棗為原料，采用雙螺桿擠壓技術(shù)對棗渣膳食纖維進(jìn)行改性，通過響應(yīng)面法優(yōu)化雙螺桿擠壓工藝條件，以期提高棗渣中SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)，為棗渣膳食纖維的改性技術(shù)提供參考.

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

灰棗，好想你健康食品股份有限公司產(chǎn)；無水乙醇(分析純)，南京化學(xué)試劑公司產(chǎn)；蛋白酶(100 000 U/g)、糖化酶(50 000 U/g)、α-高溫淀粉酶(5000 000 U/g)，江蘇銳陽生物科技有限公司產(chǎn).

1.2 主要儀器與設(shè)備

DF-101S型集熱式磁力加熱攪拌器，金壇市醫(yī)療儀器廠產(chǎn)；PHS-3C型酸度計(jì)，上海雷磁公司產(chǎn)；HC-3618R型高速冷凍離心機(jī)，安徽中科中佳儀器股份有限公司產(chǎn)；Ⅶ型雙螺桿擠壓膨化機(jī)，濟(jì)南賽信科技有限公司產(chǎn)；TESCAN VEGA Ⅱ型掃描電子顯微鏡(SEM)，捷克TESCAN 公司產(chǎn)；CM-805型色差計(jì)，上海精密儀器儀表有限公司產(chǎn).

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 棗渣膳食纖維的制備將灰棗去核后，添加10倍質(zhì)量的水，于50 ℃條件下浸泡2 h后，打漿離心;采用壓濾機(jī)壓濾去除沉淀殘?jiān)械乃?，再采?0 ℃真空干燥將沉淀殘?jiān)兴值馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)降至5%以下，對其進(jìn)行粉碎,即制得棗渣膳食纖維. 按照國標(biāo)《食品中膳食纖維的測定》(GB/T 5009.88—2008)[15]檢測到此時(shí)棗渣膳食纖維中的SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.86%.

1.3.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)將粉碎后的棗渣膳食纖維過100目篩，稱取篩后的膳食纖維300 g，以SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為指標(biāo)，選取對棗渣膳食纖維改性有顯著影響的3個(gè)因素，即物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(15%、20%、25%、30%、35%)、主機(jī)頻率(29 Hz、31 Hz、33 Hz、35 Hz、37 Hz)、擠壓溫度(140 ℃、150 ℃、160 ℃、170 ℃、180 ℃)，按照國標(biāo)《食品中膳食纖維的測定》(GB/T 5009.88—2008)[15]測定棗渣膳食纖維中SDF的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

1.3.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原則，以雙螺桿擠壓后的SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為響應(yīng)值(Y)，選取物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(A)、主機(jī)頻率(B)和擠壓溫度(C)為自變量進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn)設(shè)計(jì). 響應(yīng)面試驗(yàn)的因素和水平見表1.

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)的因素與水平表Table 1 Response surface test factors and levelTable

1.3.4 微觀結(jié)構(gòu)的測定將樣品在105 ℃條件下干燥至衡重，粉碎后，取適量樣品粘于觀察臺，采用離子濺射方法表面噴金，在SEM下觀察. SEM測試條件為：電壓10 kV，電子束5×10-9mA，距離20 mm.

1.3.5 色澤的檢測采用色差計(jì)，選擇日光作為光源，每個(gè)樣品讀數(shù)8次，取平均值；儀器用標(biāo)準(zhǔn)白瓦片外部校準(zhǔn)，使用三色協(xié)調(diào)系統(tǒng)L*、a*、b*表示顏色.

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果取平均值. 采用SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性分析，P<0.05為差異顯著.

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定雙螺桿擠壓膨化機(jī)的主機(jī)頻率為33 Hz，擠壓溫度為160 ℃，物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對棗渣膳食纖維中SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如圖1所示. 由圖1可以看出，當(dāng)物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～25%時(shí)，SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈上升趨勢(P<0.05)，并在物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)達(dá)到最大值17.51%. 這是因?yàn)槲锪纤仲|(zhì)量分?jǐn)?shù)偏小時(shí)，水分無法在擠壓機(jī)套筒內(nèi)沸騰蒸發(fā)并充滿套筒，套筒腔內(nèi)的壓力無法使物料充分膨脹，因而SDF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低[16]. 當(dāng)物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于25%時(shí)，SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(P<0.05). 這是因?yàn)樗仲|(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)，物料中的水分起到潤滑劑的作用，物料在機(jī)腔內(nèi)受到的擠壓和剪切作用力減小，纖維高聚物不易發(fā)生斷裂，因而擠壓產(chǎn)品的SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低[17]. 因此，選擇物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%進(jìn)行下一步試驗(yàn).

圖1 物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對棗渣 膳食纖維中SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.1 Effect of moisture mass fraction on SDF mass fraction of jujube pomace

2.1.2 主機(jī)頻率固定物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，擠壓溫度為160 ℃，主機(jī)頻率對棗渣膳食纖維中SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如圖2所示. 由圖2可以看出，當(dāng)主機(jī)頻率為29～33 Hz時(shí)，隨著主機(jī)頻率的增大，SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈上升趨勢(P<0.05)，并在主機(jī)頻率為33 Hz時(shí)達(dá)到最大值17.51% ；當(dāng)主機(jī)頻率大于33 Hz時(shí)，隨著主機(jī)頻率的增大，SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，但變化不顯著(P>0.05). 這可能是由于在較低的主機(jī)頻率范圍內(nèi)，物料在螺桿內(nèi)受到的剪切力隨主機(jī)頻率的增大而增大，這有利于大分子的降解，從而使產(chǎn)品中SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高；當(dāng)主機(jī)頻率超過一定范圍時(shí)，物料在機(jī)筒內(nèi)停留的時(shí)間縮短，纖維高聚物的糖苷鍵尚未斷裂就被擠出，使產(chǎn)品中SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降. 因此，選擇主機(jī)頻率為33 Hz進(jìn)行下一步試驗(yàn).

圖2 主機(jī)頻率對棗渣膳食纖維中 SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.2 Effect of host frequency on SDF mass fraction of jujube pomace

2.1.3 擠壓溫度固定物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，雙螺桿擠壓膨化機(jī)的主機(jī)頻率為33 Hz，擠壓溫度對棗渣膳食纖維中SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如圖3所示. 由圖3可以看出，當(dāng)擠壓溫度為140～160 ℃時(shí)，隨著擠壓溫度的升高，SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈上升趨勢(P<0.05)，并在擠壓溫度為160 ℃時(shí)達(dá)到最大值17.51% ；當(dāng)溫度超過160 ℃時(shí)，SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度的升高呈下降趨勢. 這是因?yàn)樵跀D壓機(jī)筒內(nèi)，溫度越高，越容易導(dǎo)致物料中纖維高聚物的糖苷鍵發(fā)生斷裂，進(jìn)而使得擠壓后產(chǎn)品中SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高；但溫度過高會導(dǎo)致物料焦糊，在表面形成保護(hù)膜. 因此，選擇擠壓溫度為160 ℃進(jìn)行下一步試驗(yàn).

圖3 擠壓溫度對膳食纖維中 SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.3 Effect of extrusion temperature on SDF mass fraction of jujube pomace

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析

響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果見表2.通過Design Expet 7.1.3軟件對表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到雙螺桿擠壓改性棗渣膳食纖維的二次多項(xiàng)回歸模型方程為

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Response surface experimental results

Y=16.89+0.69A+0.63B+0.23C+

0.25AB+0.07AC+0.28BC-

0.68A2-0.69B2-0.59C2

采用SPSS軟件對回歸方程進(jìn)行一階求導(dǎo)，得到響應(yīng)值Y處于最大值時(shí)A、B、C的編碼值分別為：A=27.5，B=34，C=164，即雙螺桿擠壓改性棗渣膳食纖維的最佳工藝條件為物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)27.5%，主機(jī)頻率34 Hz，擠壓溫度164 ℃，此時(shí)由回歸方程預(yù)測SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的理論值為17.67%.

對該模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表3. 由表3可知，F(xiàn)值為466.07，P<0.000 1，說明模型顯著；失擬項(xiàng)P值為0.087 3(P>0.05)，說明失擬項(xiàng)不顯著，模型與實(shí)際實(shí)驗(yàn)擬合良好，誤差較小，自變量A、B、C與響應(yīng)值Y之間的線性關(guān)系顯著. 因此，該回歸模型可用于雙螺桿擠壓改性紅棗渣膳食纖維的理論預(yù)測.

表3 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table 3 Test of coefficient significance of regression equation

為進(jìn)一步研究自變量之間的交互作用，對多元回歸方程的響應(yīng)面曲線進(jìn)行可視分析，物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、主機(jī)頻率和擠壓溫度的交互作用對SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的響應(yīng)曲面圖和等高線圖如圖4所示. 由圖4可以看出，物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、主機(jī)頻率和擠壓溫度兩兩之間的響應(yīng)曲面圖呈橢圓形且存在中心點(diǎn)，SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)在中心點(diǎn)附近達(dá)到最大值. 結(jié)合由回歸模型數(shù)學(xué)分析得到的雙螺桿擠壓改性棗渣膳食纖維的最佳工藝條件，在修正條件下，經(jīng)3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到SDF的實(shí)際質(zhì)量分?jǐn)?shù)17.76%，與理論預(yù)測值17.67%基本吻合. 因此，利用響應(yīng)面優(yōu)化得到的雙螺桿擠壓改性棗渣膳食纖維的工藝參數(shù)可靠，具有較好的實(shí)用價(jià)值.

圖4 各因素交互作用的響應(yīng)曲面圖和等高線圖Fig.4 Response surface plot and contour plot for the interaction of various factors

2.3 雙螺桿擠壓改性后棗渣膳食纖維的特性分析

2.3.1 微觀結(jié)構(gòu)分析棗渣膳食纖維的微觀結(jié)構(gòu)與其粉碎后的粉體流動特性密切相關(guān)，棗渣膳食纖維改性前后的SEM圖見圖5. 由圖5可以看出，改性前，棗渣膳食纖維的表面形貌不均勻，聚集體結(jié)構(gòu)不規(guī)整且疏松，隱約可見其表面的鱗片狀結(jié)構(gòu)，這可能是由于冷凍干燥過程中水分直接升華，影響其保持原有結(jié)構(gòu). 改性后，棗渣膳食纖維的表面形貌較為均勻，聚集體結(jié)構(gòu)致密，分子間交聯(lián)作用增強(qiáng)，也可見其表面的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，表明其粉碎后的粉體流動性增強(qiáng).

圖5 棗渣膳食纖維改性前后的SEM 圖(200×)Fig.5 SEM of jujube dietary fiber before and after modification (200×)

2.3.2 色澤分析改性前后棗渣膳食纖維的色澤見表4. 由表4可知，棗渣膳食纖維改性前的L*、a*、b*均比改性后高，即膳食纖維改性后亮度變低，且色澤中的紅色和黃色成分也降低，表明改性后膳食纖維的色澤變淡、變暗.

表4 棗渣膳食纖維改性前后的色澤變化Table 4 Color difference before and after modification of dietary of jujube pomace

3 結(jié)論

本文以灰棗為原料，通過單因素試驗(yàn)及響應(yīng)面優(yōu)化后的雙螺桿擠壓改性棗渣膳食纖維的最佳工藝條件為物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)27.5%，主機(jī)頻率34 Hz，擠壓溫度164 ℃，在此工藝條件下，棗渣膳食纖維改性后的SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，為17.76%. 物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、主機(jī)頻率、擠壓溫度均對響應(yīng)值SDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有顯著影響. 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，雙螺桿擠壓可改善棗渣膳食纖維的表面形貌和色澤，使其粉體流動性增強(qiáng)，色澤變淡、變暗. 本研究表明雙螺桿擠壓技術(shù)是棗渣膳食纖維改性的一種適宜方法，對棗渣膳食纖維的開發(fā)和利用具有一定的促進(jìn)作用.