金柚幼果膳食纖維提取優(yōu)化及其在蛋白棒中的應用

吳悅洲， 葉 霞， 黃妙如， 吳麗英， 王淑雯，馬路凱，4， 肖更生，4， 王 琴，3，4， 劉袆帆*，3，4

（1.仲愷農業(yè)工程學院 輕工食品學院，廣東 廣州 510225；2. 西樂健康科技股份有限公司，廣東 廣州 510000；3.仲愷廣梅研究院，廣東 梅州 514021；4. 仲愷農業(yè)工程學院 廣東省嶺南特色食品科學與技術重點實驗室，廣東 廣州 510225）

金柚是廣東省的特色農產品，生產地主要集中在廣東梅州。 金柚果實個大、汁多味甜，并富含營養(yǎng)和藥用價值。 但金柚種植生產過程中，僅生理落果、人工疏果以及殘次幼果估計便有10 萬噸以上[1]。 這些金柚幼果因失去了鮮食食用價值而被丟棄，浪費了其本身的營養(yǎng)物質的同時也降低了經濟效益。 金柚幼果的營養(yǎng)價值很高，在深加工方面有極大的應用前景，其中，膳食纖維（Total dietary fibre）因其特有的吸水性、膨脹力等作用，在預防人體腸胃疾病和維持腸胃健康方面功能突出。 有研究表明，宿主攝入膳食纖維后，會在大腸內發(fā)酵后產生短鏈脂肪酸，調節(jié)腸道微生物群，從而預防腸道疾病，因而有“腸道清道夫”的美稱[2]，膳食纖維在一定程度還可以預防代謝性疾病，例如肥胖、2 型糖尿病等。 由于目前膳食更加偏向于精細化，對膳食纖維的攝入量不足且種類單一，易引起膳食纖維缺乏，進而導致疾病[3]。 因此聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織建議人均每天膳食纖維攝入量應達到27 g，我國營養(yǎng)學會建議成人每天攝入量為30 g[4]。

蛋白棒是一類富含優(yōu)質蛋白質的產品，通過添加植物蛋白質（如大豆分離蛋白）和動物蛋白質（如濃縮乳清蛋白）等混合搭配，為人體補充優(yōu)質蛋白質、增強抵抗力、緩解疲勞[5]。 普通的蛋白棒通常以蛋白粉、奶粉等為主要原料，膳食纖維含量低。 目前已有研究表明，將膳食纖維添加到餅干、面包等食品中可以改善其口感及特性，并取得了良好的成果[6]。

因此，作者將通過單因素實驗和響應面實驗對金柚幼果膳食纖維的提取工藝進行優(yōu)化，得到金柚幼果膳食纖維，按照不同比例將幼果膳食纖維添加到蛋白棒中，通過測定蛋白棒的質構特性以及感官特性的變化，研究金柚幼果膳食纖維添加對蛋白棒的影響，為幼果膳食纖維的開發(fā)和綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

金柚幼果：購自梅州市場；無水乙醇：天津市永大化學試劑有限公司產品。

1.2 儀器與設備

LRH-250-HS 恒溫恒濕培養(yǎng)箱：廣東泰宏君科學儀器股份有限公司產品；FR-900 封口機：浙江鼎業(yè)機械設備有限公司產品；HY-200 型標準分樣篩：金源篩網(wǎng)有限公司產品；電子天平：常熟市雙杰測試廠制造；TA-XT2i 質構儀： 英國 Stable Micro Systems 公司產品。

1.3 實驗方法

1.3.1 金柚幼果膳食纖維提取生產工藝流程 新鮮幼果→清洗→切塊→熱風干燥→粉碎→過篩（80目）→稱質量→加水攪拌→超聲、 糊化、 水浴鍋振蕩→醇沉→抽濾→干燥→粉碎→獲得金柚幼果膳食纖維。

1.3.2 金柚幼果膳食纖維提取工藝優(yōu)化[7]

1）單因素實驗 料液質量體積比對膳食纖維提取的影響。 分別稱取10.00 g 樣品5 份置于500 mL錐形瓶中， 然后分別按照料液質量體積比為1 g∶10 mL、1 g∶12 mL、1 g∶14 mL、1 g∶16 mL、1 g∶18 mL 向錐形瓶加入蒸餾水進行攪拌并放入超聲振蕩55 min，在沸水浴中糊化15 min，再在50 ℃下振蕩30 min， 考查料液質量體積比對金柚幼果膳食纖維提取效果的影響。

超聲時間對膳食纖維提取的影響。 分別稱取5份10.00 g 樣品置于250 mL 錐形瓶中，按照料液質量體積比為1 g∶16 mL 加入蒸餾水進行攪拌并放入超聲振蕩，分別振蕩15、35、55、75、95 min，在沸水浴中糊化15 min，再在50 ℃下振蕩30 min，考查超聲時間對金柚幼果膳食纖維提取效果的影響。

振蕩溫度對膳食纖維提取的影響。 分別稱取5份10.00 g 樣品置于250 mL 錐形瓶中，按照料液質量體積比為1 g∶10 mL 比例加入蒸餾水進行攪拌，然后超聲振蕩55 min， 在沸水浴中糊化15 min，再分別在20、35、50、65、80 ℃下振蕩30 min， 考查振蕩溫度對金柚幼果膳食纖維提取效果的影響。

2）金柚幼果膳食纖維得率的測定 膳食纖維提取率，按下列式計算：

式中：Y 為膳食纖維提取率，%；M1為提取的膳食纖維質量，g；M2為金柚幼果樣品的質量，g。

3）響應面實驗 根據(jù)Box-Benhnken 實驗設計原理，在單因素實驗的基礎上，以料液質量體積比（A）、超聲時間（B）、振蕩溫度（C）為自變量，膳食纖維提取率（Y）作為實驗的響應值，實驗因素設計水平見表1，響應面實驗設計及結果詳見2.1.2。

表1 響應面實驗因素水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

4）驗證實驗 在響應面優(yōu)化實驗所得的最佳工藝條件下，進行3 次平行驗證實驗。

1.3.3 金柚幼果膳食纖維蛋白棒的制作及研究

1）工藝流程 稱料→配料→混料→壓模成型→冷卻→包裝。

2）金柚幼果膳食纖維蛋白棒配方設計 濃縮乳清蛋白13.73 g，大豆蛋白分離粉8.53 g，速溶豆粉8.53 g，抗性糊精6.67 g，圓苞車前子殼粉1.4 g，中鏈甘油三酯微囊粉1.8 g，全脂乳粉12.5 g，速溶咖啡粉1.6 g，堿化可可粉1 g，食品用香精1.5 g，赤蘚糖醇粉8 g，金柚幼果膳食纖維4 g，膨化藜麥球6.6 g，曲奇餅碎2.6 g，低聚異麥糖液12.45 g，山梨糖醇液12.45 g，椰子油6.6 g，甘油4.7 g，大豆磷脂0.17 g，黃原膠0.07 g，水2.4 g[8]。

3）金柚幼果膳食纖維蛋白棒感官評價 感官評價標準如表2 所示，由7 名經驗豐富的感觀評定員進行評定，感官評價分數(shù)以平均分計。

表2 感官評價標準Table 2 Sensory evaluation criteria

4）金柚幼果膳食纖維蛋白棒質構特性分析將完整無破損的蛋白棒放在質構儀測試臺上準備進行TPA 測試。 設置的測試條件為： 下壓速度60 mm/min，起始力0.5 N，量程500 N，高度15 mm，形變量25%，兩次壓縮速度之間停留5 s。 每次取3 根蛋白棒分別測試，取平均值。

2 結果與分析

2.1 金柚幼果膳食纖維提取工藝優(yōu)化

2.1.1 單因素實驗

1）料液質量體積比對膳食纖維提取的影響如圖1 可知，隨著料液質量體積比增大，金柚幼果膳食纖維的提取率逐漸減小，尤其是在料液質量體積比為1 g∶10 mL 到料液質量體積比1 g∶14 mL 是急劇下降，然后料液質量體積比增加，提取率下降的幅度變小。 在料液質量體積比1 g∶10 mL 時，膳食纖維提取率達到最大值，能提取55.5%。在料液質量體積比1 g∶10 mL～1 g∶16 mL 過程中，膳食纖維的提取率不斷下降，出現(xiàn)這種情況可能的原因是加入的去離子水越多，單位體積的提取溶液受到超聲的熱效應、機械作用、穿透力等強度均減弱[9]，導致金柚幼果膳食纖維的提取率下降。 故選擇料液質量體積比的實驗優(yōu)化條件為1 g∶10 mL。

圖1 料液質量體積比對金柚幼果膳食纖維提取效果的影響Fig. 1 Effect of solid-liquid ratio on extraction of dietary fiber from golden pomelo juvenile fruit

2）超聲時間對膳食纖維提取的影響 由圖2可知，超聲時間的不斷增加，金柚幼果膳食纖維提取率呈先增加后下降的趨勢。 在超聲處理時間為55 min 時，提取率達到最大47.3%，然后超聲處理時間超過55 min 后，膳食纖維的提取率急劇下降。 可能的原因是超聲波能在物料內部產生強烈振動，加速度和空化效應對植物細胞和分子間產生強大作用[10]，能將膳食纖維更多的提取出來，但是當超聲時間太長，金柚幼果中膳食纖維結構會被破壞，從而導致提取率下降。

圖2 超聲時間對金柚幼果膳食纖維提取效果的影響Fig. 2 Effect of ultrasonic time on extraction of dietary fiber from golden pomelo juvenile fruit

3）振蕩溫度對膳食纖維提取的影響 由圖3可知，在開始時，金柚幼果膳食纖維提取率隨時間的增加呈先升高后降低的趨勢。 可能的原因是溫度升高能增加不同分子間的布朗運動[11]， 細胞內部分子運動劇烈，加速細胞壁破裂，使得膳食纖維被提取出來，提取率增大；但隨著溫度的繼續(xù)上升，膳食纖維的提取率逐漸變小。 產生這一趨勢的原因可能是高溫下使得細胞壁破裂后進一步分解，膳食纖維提取率下降。 所以選擇35 ℃為實驗優(yōu)化條件。

圖3 振蕩溫度對金柚幼果膳食纖維提取效果的影響Fig. 3 Effect of oscillating temperature on extraction of dietary fiber from golden pomelo juvenile fruit

2.1.2 響應面實驗 根據(jù)Box-Benhnken 實驗設計原理，在單因素實驗的基礎上，以料液質量體積比（A）、超聲時間（B）、振蕩溫度（C）為自變量，膳食纖維提取率（Y）作為實驗的響應值，響應面實驗設計及結果見表3。

表3 響應面實驗設計與結果Table 3 Response surface test design and results

由表4 可知回歸模型P （P=0.0698）＞0.05，在α=0.05 水平下為不顯著； 失擬項P=0.0010， 在α=0.05 水平下為顯著。 從表可知A2呈極顯著 （P＜0.01），A、B、C、AB、AC、BC、B2、C2均 不 顯 著 （P ＞0.05），說明A、B、C 這3 個因素對實驗的影響很小。通過觀察表可知，3 個實驗因素料液質量體積比（A）、超聲時間（B）、振蕩溫度（C）對金柚幼果膳食纖維提取率的影響主次關系順序為：C＞A＞B，3 個因素之間相互影響的主次關系順序為：BC＞AB＞AC。 因此， 優(yōu)化金柚幼果膳食纖維的提取率可以從環(huán)保、成本、操作方便等方面考慮，但這些方面對于本實驗中的工藝條件差別不大，所以選擇能提取最多膳食纖維的單因素條件，此時的最優(yōu)工藝條件是料液質量體積比1 g∶10 mL，超聲時間55 min，振蕩溫度35 ℃。

表4 回歸方程方差分析表Table 4 Regression equation analysis of variance table

2.1.3 驗證實驗 通過對確定的最優(yōu)搭配料液質量體積比1 g∶10 mL、 超聲時間55 min、 振蕩溫度35 ℃進行實驗驗證， 金柚幼果膳食纖維提取率為（56.3±1.0）%， 與上述優(yōu)化的17 個實驗在相同條件下的提取率相近，則認為本實驗中的最優(yōu)的水平搭配是料液質量體積比1 g∶10 mL、超聲時間55 min、振蕩溫度35 ℃。

2.2 不同金柚幼果膳食纖維添加量（質量分數(shù)）對蛋白棒的影響

2.2.1 感官評價結果 感覺指標是能最直觀地描述和判斷飲食質量的指標，通過看、嗅、嘗、聽4 個感官來判斷食品的各項指標。 食品的感官指標，如外觀、色澤、風味、香氣、組織密度等是判別產品質量好壞的最直觀的指標[12]。

金柚幼果膳食纖維添加量為0～5%的感官評價結果見表5。 由表可得，6 種不同金柚幼果膳食纖維添加量在形態(tài)上的得分均為滿分20.00， 但金柚幼果膳食纖維添加量為4%的蛋白棒的色澤、 組織與硬度、 風味的評分分別為28.20、23.50、24.50， 這3項的指標得分均超過其他金柚幼果膳食纖維添加量，由此看出，添加量為4%的蛋白棒色澤更明亮，有良好的光澤度，口感松軟不粘牙，有良好的咀嚼性且相比其他不同膳食纖維添加量的蛋白棒咖啡味濃郁、苦甜度適宜。 所以金柚幼果膳食纖維添加量在4%時，比其他添加量感官評價較高。

表5 不同膳食纖維添加量的蛋白棒感官評價結果Table 5 Sensory evaluation results of protein bars with different dietary fiber supplemental levels

2.2.2 質構特性的變化結果 評價質構組成變化的兩種分析方法分別是通過感覺器官的評價以及質構的分析法。 感官評價法的反復性差且主觀性強，不利于蛋白棒的客觀評價，所以以下采用的是質構分析方法模擬人的牙齒咀嚼的過程，來分析蛋白棒的質構特性[13]。

分析金柚幼果膳食纖維添加量為0～5%的蛋白棒的質構特性中，硬度、膠黏性、彈性、咀嚼性的總體變化趨勢都相似（見表6）。 添加量為0 的蛋白棒硬度、彈性、膠黏性、咀嚼性都比較高，當金柚幼果膳食纖維添加量為1%時， 這幾項指標數(shù)據(jù)明顯下降，但繼續(xù)添加膳食纖維，其硬度、彈性、膠黏性、咀嚼性都增大。 可能的原因是膳食纖維的增加，其持水性增強，使得蛋白棒中保留了較多的水分，以至于硬度減小[20]。 向蛋白棒繼續(xù)添加膳食纖維，蛋白棒內部的空隙變大，硬度、咀嚼性、彈性增加[14]。金柚幼果膳食纖維添加量為4%的蛋白棒在硬度、 膠黏性、 咀嚼性方面的感官得分比其他添加量要高，故以添加量為4%的蛋白棒測出的質構數(shù)據(jù)為最佳口感， 即該蛋白棒硬度在230 左右、 膠黏性在48 左右、彈性在1.50 左右、咀嚼性在70 左右的口感最好。

表6 不同膳食纖維添加量的蛋白棒質構數(shù)據(jù)Table 6 Structure data of protein bars with different dietary fiber supplemental levels

2.3 金柚幼果膳食纖維添加量為4%時蛋白棒在不同溫度下的感官評價和特性變化結果

2.3.1 不同溫度下的感官評價結果 根據(jù)表7 可知， 蛋白棒在第1 天對比30 天后感官評價得分是下降的。 總體上感官得分呈下降趨勢。 相同貯存時間不同溫度的蛋白棒比較，溫度越高，感官評價得分越低。 主要是因為溫度高，蛋白棒容易發(fā)生美拉德褐變，顏色暗沉發(fā)黑[15-16]；其次溫度遞增，蛋白棒的風味會減弱。 同一恒溫箱放置的蛋白棒比較，隨著時間的增加，感官評價的分值越低，5 ℃貯藏的蛋白棒相比較第1 天在色澤上會變淺， 光澤度會降低，然后口感會更松軟，咀嚼時間會變短。25 ℃貯藏的蛋白棒隨著時間的放置風味減弱， 光澤度降低，剖面更加緊密，黏度增大，咀嚼時間變長。37 ℃貯藏的蛋白棒隨著時間的放置，風味減弱明顯，變得更硬，黏度也增大，顏色加深，表面幾乎沒有光澤。

表7 蛋白棒在3 個恒溫箱的感官評價結果Table 7 Sensory evaluation results of protein bars in the three incubators

2.3.2 不同溫度下質構特性變化的結果 由表8可知，5 ℃貯藏的蛋白棒在硬度、膠黏性、咀嚼性的數(shù)值上呈現(xiàn)波動，但整體上是比第1 天測得的數(shù)值要低，也就是說在5 ℃貯藏的蛋白棒隨著時間的增加，在硬度、膠黏性、咀嚼性會下降。 25 ℃貯藏的蛋白棒在硬度、膠黏性、咀嚼性總體上呈波動趨勢，但30 d 貯藏后硬度比第1 天有所下降，膠黏性、彈性、咀嚼性都比第1 天的數(shù)值要高。 37 ℃貯藏30 d 后的蛋白棒硬度呈先降低后升高的趨勢，彈性、膠黏性、咀嚼性都比第1 天的數(shù)值顯著升高，可能的原因是蛋白棒在貯藏過程中變硬過程一般分為前期和后期兩個階段[17]，前期階段是蛋白棒做好之后的幾周或1 個月內，不同組分之間的物理變化對硬度的降低起主要作用[18]。后期階段是儲藏幾個月之后，受到美拉德反應和儲藏條件的影響引起的蛋白質聚集導致硬度的大幅度增加[19-20]。

表8 蛋白棒不同溫度下的質構特性變化結果Table 8 Structural changes of protein bars at different temperatures

3 結語

金柚幼果膳食纖維在料液質量體積比為1 g∶10 mL、超聲時間為55 min、水浴鍋35 ℃、振蕩30 min的條件下，平行提取3 次，所得金柚幼果膳食纖維的提取率最高，為（56.3±1.0）%。 金柚幼果膳食纖維添加到蛋白棒中能改善蛋白棒的色澤、口感與硬度等。 綜合考慮蛋白棒的色度、質構特性以及感官評價等因素，金柚幼果膳食纖維在蛋白棒的添加量為4%時最適合，其硬度適中、接受度較好、感官評分最高。 金柚幼果膳食纖維添加量為4%的蛋白棒在不同溫度下貯藏，會隨著時間的增加，在顏色、風味、硬度和膠黏性都有明顯的變化，溫度越高，硬度和咀嚼性越大，顏色加深，膠黏性也會增加，但風味會減弱，不良風味增加，感官評價得分下降。 金柚幼果的經濟效益低，但有豐富的膳食纖維，充分利用能降低資源損耗，提高經濟效益。 金柚幼果膳食纖維結合新型代餐食品蛋白棒，可以起到提供人體膳食纖維和蛋白質的作用， 并且有降血糖降血脂的功效，為金柚幼果膳食纖維的開發(fā)和綜合利用提供技術支持。