螺桿擠壓-超微粉碎聯(lián)合改性對獼猴桃可溶性膳食纖維的影響

劉寧，林萍，陳雪峰，王平喜，賀人杰，霍宜辰

（1.陜西科技大學食品科學與工程學院，陜西 西安 710021；2.陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術研究院，陜西 西安 710021；3.西安市億慧食品有限責任公司，陜西 西安 710406）

獼猴桃（Kiwifruit）又名藤梨、奇異果，成熟的獼猴桃果實柔軟多汁、酸甜適度[1]，果實中含有豐富的維生素C和膳食纖維[2-3]，同時兼具鮮食和可加工的優(yōu)點，在世界各地栽培數(shù)量多、種類豐富。但獼猴桃具有含水量較高、不耐儲藏、易受外界環(huán)境因素（溫度、濕度、碰撞等）影響的特點，因此易使其腐敗變質和損傷。因此，將新鮮獼猴桃加工成膳食纖維粉，可以大幅度降低水分含量、延長獼猴桃的貯藏期，還能在一定程度上保持獼猴桃中原有的營養(yǎng)成分，使其更易于人體的消化吸收，滿足市場和特殊人群的需求[4]。

獼猴桃果實中天然來源的膳食纖維通常為不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF），因其顆粒大，難以被人體消化吸收。因此，提高其中的可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）含量具有較好的實用經(jīng)濟價值[5]。作為減肥食品，膳食纖維既可產(chǎn)生飽腹感，又能改善耐糖量，調(diào)節(jié)糖尿病人的血糖水平。目前，膳食纖維改性的方法主要包括：物理方法（擠壓加工、超微粉碎、冷凍粉碎等）、化學方法（酸法和堿法）以及生物技術方法（酶法和發(fā)酵法）[6]。其中，擠壓加工和超微粉碎技術都是果蔬中常用且經(jīng)濟的改性方法[7-8]。擠壓加工技術是將物料在高溫、高壓和高剪切作用下進行處理，使物料分子發(fā)生裂解及極性變化，從而將IDF轉化為SDF的一種方法。超微粉碎技術利用機械或流體產(chǎn)生的剪切力，顯著降低物料顆粒粒度（10 μm～25 μm），增大物料的比表面積，從而暴露出更多的親水性基團，提高物料的溶解性、改善其應用特性。

本試驗以陜西徐香獼猴桃為原料，采用雙螺桿擠壓技術和氣流式超微粉碎技術相結合的方法，研究聯(lián)合處理對獼猴桃粉中SDF含量、顆粒粒徑和膳食纖維加工特性的影響，以期為獼猴桃膳食纖維的制備和開發(fā)利用提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

徐香獼猴桃，采摘于陜西省眉縣，1℃～3℃低溫保存。乙酸鎂（分析純）、氫氧化鈉（優(yōu)級純）、石油醚（分析純）：上海源葉生物科技有限公司；乙醇（分析純）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司。其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

MJ-WBL2521H型榨汁機：美的集團有限公司；LGJ-10型真空冷凍干燥機：北京松源華興科技有限公司；RHP-400型高速萬能粉碎機：浙江省永康市榮昊工貿(mào)有限公司；MA-50型水分測定儀：德國賽多利斯儀器有限公司；SYSLG30-IV型雙螺桿擠壓機：濟南賽百諾科技開發(fā)有限公司；QLM-90K型流化床對撞式氣流磨：浙江省紹興上虞和力粉體有限公司；Mastersizer 2000激光粒度分析儀：英國馬爾文儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 常規(guī)指標的測定

水分含量采用GB 5009.3—2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》測定；灰分含量采用GB5009.4—2016《食品安全國家標準食品中灰分的測定》測定；蛋白質含量采用GB 5009.5—2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》測定；脂肪含量采用GB 5009.6—2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》測定。

1.3.2 獼猴桃粉的制備

新鮮獼猴桃→去皮→榨汁機打漿→皮籽分離取果肉→-18℃預凍24 h→真空冷凍干燥48 h→獼猴桃凍干粉。

1.3.3 獼猴桃粉制備

利用高速萬能粉碎機對獼猴桃凍干粉進行粗粉碎，控制粉碎時間為20 s，將粉碎后獼猴桃粉分別過20、40、60、80、100 目篩，收集各組分篩分備用。

1.3.4 獼猴桃粉的擠壓處理

向不同過篩目數(shù)的獼猴桃粉中加入適量的去離子水，靜置12 h。在擠壓溫度120℃的條件下對獼猴桃粉進行雙螺桿擠壓處理，完成后平鋪于烘箱中烘干粉末。擠壓溫度110℃、擠壓時間5 min，以SDF含量作為評價指標，分別考察原料目數(shù)（20、40、60、80、100 目）、加水量（20%、30%、40%、50%、60%）、螺桿轉速（100、300、500、700、900 r/min）對 SDF 含量的影響。

1.3.5 獼猴桃粉的超微粉碎處理

稱取擠壓處理后的獼猴桃粉300 g，經(jīng)粗粉碎并過80目篩，加入氣流磨內(nèi)進行超微粉碎處理，固定其他條件，分別考察粉碎頻率（10、20、30、40、50 Hz）、研磨壓力（0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 MPa）、粉碎時間（10、15、20、25、30 min）對中位粒徑（D50）的影響。

1.3.6 SDF含量測定

稱取2.0 g獼猴桃粉于150 mL燒杯中，加入20 mL去離子水溶解，調(diào)節(jié)pH值至7.0，60℃水浴1 h，加入4倍體積的95%乙醇（預先加熱至60℃），收集上清液，25℃下靜置24 h，25℃下5 000 r/min離心15 min，收集沉淀烘干至恒重[9]。SDF含量計算公式如下。

式中：m1表示沉淀干重，g；m0表示樣品干重，g。

1.3.7 中位粒徑（D50）測定

稱取1.0 g獼猴桃粉于100 mL燒杯中，加入50 mL去離子水分散，攪拌均勻，將得到的懸浮液緩慢加入Mastersizer2000激光粒度儀中分散，測量中位粒徑（D50），設置折射率為1.5，遮光比為10%～15%，分散劑為去離子水。

1.3.8 加工特性測定

1.3.8.1 持水力的測定

稱取改性處理后的獼猴桃粉0.5 g于玻璃試管中，加入10 mL～15 mL去離子水，渦旋混勻，25℃下靜置24 h，4 000 r/min離心10 min后收集下層沉淀，濾紙吸干多余水分，稱質量[10]。持水力計算公式如下。

式中：m1表示樣品加水分散后的質量，g；m0表示樣品加水分散前的質量，g。

1.3.8.2 膨脹力的測定

稱取改性處理后的獼猴桃粉0.5 g于有刻度的玻璃試管中，記錄獼猴桃干粉的體積，加入10 mL去離子水，混合均勻，25℃下靜置24 h，記錄樣品在試管中的自由膨脹體積[11]。膨脹力計算公式如下。

式中：V表示樣品膨脹后的體積，mL；V0表示樣品干樣的體積，mL；m表示改性處理后的樣品干重，g。

1.3.8.3 分散性的測定

稱取10 g改性處理后的獼猴桃粉于燒杯中，加入100 mL沸水分散，攪拌均勻，靜置 10 min～15 min，取40目篩網(wǎng)過濾，清水沖洗篩網(wǎng)殘留的結塊物，瀝干水分，稱取結塊物的質量（g），過濾截留物越多，則分散性越差[12]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

每組試驗平行3次，數(shù)據(jù)取平均值，采用Origin 8.5軟件繪圖，并使用SPSS 23.0對數(shù)據(jù)進行顯著性分析，差異顯著水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 獼猴桃原料基本成分

試驗測定了徐香獼猴桃凍干粉的基本成分含量，結果如表1所示。

表1 獼猴桃凍干粉基本成分Table 1 Basic components of kiwifruit lyophilized powder

由表1可知，獼猴桃粉的膳食纖維以IDF為主，占比達76.53%，而SDF含量僅為6.27%。

2.2 擠壓改性條件對獼猴桃粉SDF含量的影響

2.2.1 原料目數(shù)對SDF含量的影響

以不同過篩目數(shù)的獼猴桃粉為原料，經(jīng)雙螺桿擠壓處理后產(chǎn)品中SDF含量結果見圖1。

圖1 獼猴桃粉原料目數(shù)對SDF含量的影響Fig.1 Effect of raw material mesh of kiwifruit powder on SDF content

由圖1可知，當獼猴桃粉目數(shù)為20目～60目時，SDF含量隨著目數(shù)增大而增加；當獼猴桃粉為80目時，SDF含量達到14.58%，與60目無顯著性差異（P＞0.05）。100目時，SDF含量為13.96%，變化不大。分析這主要是由于獼猴桃粉在螺桿擠壓的過程中，較大的纖維素聚集體在擠壓力和剪切力的作用下發(fā)生斷裂。目數(shù)越大，對應的物料粒度越小，物料的比表面積越大，在其他參數(shù)一定的條件下，適宜粒度的顆粒受到的擠壓力和剪切力越大，SDF含量隨之增大[13]。但隨著顆粒粒度進一步減?。ㄈ?00目），也會增加獼猴桃粉顆粒重新聚集的可能性[10]。因此選擇擠壓改性獼猴桃粉的最適原料過篩目數(shù)為80目。

2.2.2 加水量對SDF含量的影響

在擠壓過程中，物料的潤濕性與其水分含量有關，當其他參數(shù)一定時，增大加水量可以提高獼猴桃粉的潤濕性，使其便于輸送和擠壓。不同加水量的獼猴桃粉經(jīng)擠壓處理后SDF含量見圖2。

圖2 原料加水量對SDF含量的影響Fig.2 Effect of water addition of raw material on SDF content

由圖2可知，當加水量為20%時，SDF含量較低，這可能是其潤濕效果不足，試驗中也發(fā)現(xiàn)，20%加水量會造成雙螺桿擠壓機一定程度的堵塞[14]。加水量為30%～60%時，隨著加水量的增加，獼猴桃粉中SDF含量反而降低（P＜0.05），這可能是因為加水量過高，物料的流動性持續(xù)增大，使得擠壓時受到的剪切力和摩擦力變小，導致獼猴桃粉中的SDF含量反而降低。因此，擠壓改性獼猴桃粉選擇原料加水量為30%。

2.2.3 螺桿轉速對SDF含量的影響

以不同螺桿轉速處理獼猴桃粉，產(chǎn)品中SDF含量見圖3。

圖3 螺桿轉速對SDF含量的影響Fig.3 Effect of screw speed on SDF content

由圖3可知，當螺桿轉速為100 r/min～900 r/min時，SDF含量呈先上升后下降的趨勢。螺桿轉速為700 r/min時，擠壓處理后的獼猴桃粉SDF含量最高。在適當?shù)穆輻U轉速范圍內(nèi)，隨著轉速增大，剪切力也隨之增大，更利于纖維素高聚物的裂解，使SDF含量增大。但當螺桿轉速過大（900 r/min）時，獼猴桃粉在機筒內(nèi)受擠壓的時間縮短，物料未能完全被擠壓斷裂就運送出來，導致物料受到足夠的擠壓力不足，而使其中的SDF含量一定程度下降（P＞0.05）。因此，選擇螺桿轉速為700 r/min進行擠壓改性獼猴桃粉試驗，此時所得SDF含量為15.79%。

2.3 擠壓-超微粉碎對獼猴桃粉中位粒徑（D50）的影響

試驗測定了經(jīng)粗粉碎及擠壓改性后再次粉碎過篩獼猴桃粉的 D50，為（165.05±2.26）μm。經(jīng)超微粉碎預試驗發(fā)現(xiàn)，獼猴桃膳食纖維的D50越小，其SDF含量越高。因此，擠壓-超微粉碎聯(lián)合改性試驗中，僅以D50作為考察指標，研究聯(lián)合改性工藝條件。

2.3.1 粉碎頻率對D50的影響

粉碎頻率對D50的影響見圖4。

圖4 粉碎頻率對D50的影響Fig.4 Effect of grinding frequency on D50

由圖4可知，隨著粉碎頻率從10 Hz增至30 Hz，獼猴桃粉的D50顯著降低（P＜0.05）；但當粉碎頻率為30 Hz～50 Hz時，物料 D50無顯著性差異（P＞0.05）。這是由于獼猴桃粉在超微粉碎過程中，通過粉碎機的分級葉輪，隨著氣流進入粉體顆粒的收集系統(tǒng)，粉碎頻率越大，分級葉輪轉速越快，形成的離心力越大，物料在儀器內(nèi)的碰撞次數(shù)就越多，獼猴桃粉的粒徑變小[15-16]。另一方面，物料顆粒間碰撞產(chǎn)生的能量也隨之增大，破壞了獼猴桃粉的纖維結構，使大分子斷裂成為可溶性的小分子物質[17]。但當粉碎頻率過大時，顆?？偙砻娣e可能增大，物料顆粒間的摩擦力和表面靜電作用增加，粉體間吸附作用增強，出現(xiàn)重新聚集的現(xiàn)象，可能導致粒徑反而變大[18]。因此，擠壓-超微粉碎聯(lián)合改性獼猴桃粉時選取粉碎頻率為30 Hz。

2.3.2 研磨壓力對D50的影響

研磨壓力對D50的影響見圖5。

圖5 研磨壓力對D50的影響Fig.5 Effect of grinding pressure on D50

由圖5可知，研磨壓力為0.5 MPa～0.8 MPa時，獼猴桃粉的D50隨著研磨壓力的增加而減小（P＜0.05）。這是由于隨著研磨壓力增大，超微粉碎機噴嘴出口處的氣流速度也逐漸變大，賦予獼猴桃粉更高的動能。物料與物料間、物料與設備內(nèi)部發(fā)生碰撞的能量更大，使其被充分破碎，明顯降低了顆粒粒徑[19]。當壓力為0.9 MPa時，與0.8 MPa處理時獼猴桃粉D50相比無顯著性差異（P＞0.05），這可能是由于研磨壓力過大導致噴嘴前后壓力相差較大，使氣流速度下降，影響粉碎效果[20]。因此，擠壓-超微粉碎聯(lián)合改性獼猴桃粉時選擇研磨壓力為0.8 MPa。

2.3.3 粉碎時間對D50的影響

粉碎時間對獼猴桃粉D50的影響如圖6所示。

圖6 粉碎時間對D50的影響Fig.6 Effect of grinding time on D50

由圖6可知，隨著粉碎時間的延長，獼猴桃粉的D50呈下降趨勢，0～20 min時，下降趨勢明顯；而當粉碎時間為 20 min～30 min 時，D50無顯著性差異（P＞0.05），粉碎處理的改善效果降低。因此，試驗選取超微粉碎的處理時間為20 min，此時所得膳食纖維粉的D50為15.86 μm。

2.4 改性獼猴桃膳食纖維的加工特性測定

不同處理方式對獼猴桃膳食纖維加工特性的影響如表2所示。

表2 不同處理方式對獼猴桃膳食纖維性質的影響Table 2 Effects of different treatments on properties of kiwifruit dietary fiber

由表2可知，與對照相比，經(jīng)過螺桿擠壓-超微粉碎聯(lián)合處理后，獼猴桃膳食纖維的SDF含量、持水力、膨脹力和分散性均有顯著變化（P＜0.05），其中SDF含量達到19.06%；持水力為10.85 g/g，膨脹力為8.64 mL/g，分散性（截留物質）減少至3.57 g。這是由于在改性過程中，受到高溫、高壓、高剪切力和摩擦力的聯(lián)合作用，獼猴桃粉中較長的纖維素發(fā)生斷裂，膳食纖維顆粒經(jīng)超微粉碎后更加細小，較大程度上增加了水溶性成分的析出[21-22]。顆粒D50降低，比表面積增大，與水結合的面積增大，持水力增強。此外，獼猴桃粉的膨脹力顯著增加（P＜0.05），這可能是因為聯(lián)合處理致使顆粒內(nèi)部結構破壞，暴露出更多的親水基團，在水中更易結合水充分膨脹，均勻分散。

3 結論

采用螺桿擠壓和超微粉碎聯(lián)合改性方法對獼猴桃粉進行處理，以提高其SDF含量和產(chǎn)品的加工特性。試驗所得較佳的螺桿擠壓工藝條件為物料過篩目數(shù)80目、加水量30%、螺桿轉速700 r/min，SDF含量可從6.27%增至15.79%。經(jīng)螺桿擠壓-超微粉碎聯(lián)合改性處理后，獼猴桃粉的D50為15.86 μm，SDF含量可達19.06%，其持水力、膨脹力和分散性等加工特性均有改善，表明該聯(lián)合處理對獼猴桃粉膳食纖維具有顯著的改性效果。本研究為獼猴桃的深加工及以獼猴桃膳食纖維作為功能食品的原輔料綜合利用提供了理論基礎和技術支持。