超声波处理对水不溶性膳食纤维膨胀力及持水力的影响

高宇萍，韩育梅，李周永，刘海金，贾 迪

（1.内蒙古农业大学食品科学与工程学院，内蒙古呼和浩特 010018；2.包头轻工职业技术学院生物工程系，内蒙古包头014035）

超声波处理对水不溶性膳食纤维膨胀力及持水力的影响

高宇萍1，2，韩育梅1，*，李周永1，刘海金1，贾 迪1

（1.内蒙古农业大学食品科学与工程学院，内蒙古呼和浩特 010018；2.包头轻工职业技术学院生物工程系，内蒙古包头014035）

采用超声波法对马铃薯渣中的水不溶性膳食纤维（PIDF）进行处理，研究超声功率、超声时间、超声温度及料液比对水不溶性膳食纤维基本性质的影响。通过单因素和正交实验，确定最佳处理条件：膨胀力的最佳工艺条件为料液比1∶10，超声时间50min，超声温度70℃，超声功率70W，膨胀力为20.50mL/g；持水力的最佳工艺条件为料液比1∶15，超声时间40min，超声温度80℃，超声功率70W，持水力为14.81g/g。

超声波，水不溶性膳食纤维，膨胀力，持水力

Abstract：The ultrasonic technology was used in insoluble dietary fiber（PIDF） of the potato residue.The effect of PIDF and ultrasonic power，time，temperature and solid-liquid ratio was investigated with single and orthogonal test.The optimum conditions of expansibility were solid-liquid ratio of 1∶10，ultrasonic time of 50min，ultrasonic temperature 70℃，ultrasonic power 70W.Under these conditions，the expansibility was 20.50mL/g.The optimum conditions of water-holding capacity were solid-liquid ratio of 1∶15，ultrasonic time of 40min，ultrasonic temperature 80℃，ultrasonic power 70W.Under these conditions，the water-holding capacity was 14.81g/g.

Key words：ultrasonic wave；water-insoluble dietary fiber；expansive force；water-holding capacity

有关研究证明，膳食纤维降解程度和生理功能与膳食纤维的持水力，膨胀力等性质有直接关系[1-2]。水不溶性膳食纤维的持水力、膨胀力除与原料的结构有直接关系，还与物料的颗粒粒度、颗粒形状等因素有关。所以，通过改变上述物化结构，可以在一定程度上影响水不溶性膳食纤维的持水力、膨胀力[1-2]。改性的方法目前常用的有超微粉碎法、高压爆破法、纤维素降解法等，而超声波作为一种新技术已经开始应用在物质改性方面。本实验主要研究超声波处理条件对马铃薯渣中水不溶性膳食纤维基本性质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

马铃薯渣 内蒙古呼和浩特市华欧淀粉厂；丙酮 分析纯；中温α-淀粉酶、木瓜蛋白酶 生物试剂，北京奥博星生物技术有限责任公司。

FA2104SN分析天平 上海精密科学仪器有限公司；HH-S数显恒温水浴锅 巩义市予化仪器有限责任公司；KQ-300DE型数控超声波清洗器 昆山市超声波仪器有限公司；KDC-1042低速离心机 科大创新股份有限公司中佳分公司；FW100万能破碎机天津市泰斯特仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 不溶性膳食纤维的制备[3]马铃薯渣→调料液比→调pH→α-淀粉酶→水解→灭酶→木瓜蛋白酶→水解→灭酶→离心后取滤渣→丙酮浸泡→离心后取滤渣→晾干→粉碎（水不溶性膳食纤维，PIDF）

1.2.2 超声波处理水不溶性膳食纤维的单因素实验称取水不溶性膳食纤维（1.2.1制备），调料液比，然后放入超声波清洗器中，在一定温度和超声功率的条件下处理一段时间，取出后离心、烘干、粉碎，测其膨胀力和持水力。

1.2.2.1 功率对水不溶性膳食纤维基本性质的影响在温度60℃、料液比1∶10、时间20min的条件下，选择60、70、80、90、100W五个条件进行实验，测其膨胀力和持水力。

1.2.2.2 料液比对水不溶性膳食纤维基本性质的影响 在温度40℃、时间20min、超声功率100W的条件下，选择料液比1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50五个条件进行实验，测其膨胀力和持水力。

1.2.2.3 时间对水不溶性膳食纤维基本性质的影响 在温度40℃、料液比1∶30、超声功率100W的条件下，选择20、30、40、50、60min五个条件进行实验，测其膨胀力和持水力。

1.2.2.4 温度对水不溶性膳食纤维基本性质的影响 在超声功率100W、时间20min、料液比1∶10的条件下，选择40、50、60、70、80℃五个条件进行实验，测其膨胀力和持水力。

1.2.3 超声波处理水不溶性膳食纤维的正交实验

根据上述单因素实验选择适当条件设计一个4因素3水平正交实验。

表1 正交实验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.4 验证实验 为进一步确定最佳条件，根据正交实验结果对水不溶性膳食纤维进行超声波处理，测其膨胀力和持水力。

1.2.5 测定指标与方法

1.2.5.1 膨胀力的测定[4]称取样品0.100g，放入10mL量筒中，添加水至10mL，摇匀，放置24h后测定纤维的自由膨胀体积。

膨胀力（mL/mg）=V/M

式中：M—所称取样品的质量（g）；V—样品膨胀后体积（mL）。

1.2.5.2 持水力的测定[4]称取0.100g样品，放入10mL离心管中，摇匀，静置24h，在4000r/min，离心20min，去除上清液，称沉淀质量G。

持水力（g/g）=（G-m）/m

式中：m—所称取样品质量（g）；G—离心后沉淀质量（g）。

1.2.5.3 数据处理方法 每个指标平行测定3次，取其平均值。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果[5-8]

2.1.1 超声功率对水不溶性膳食纤维基本性质的影响 由图1可知，持水力在60～80W，膨胀力在60～90W时，随着超声功率的增加而降低，这主要由于超声波的“空化”效应可形成超过1000个气压的瞬间高压，连续不断产生的高压不断地冲击物体，使物体破碎成小颗粒，粒度小可以使水分更易进入，持水力和膨胀力会升高；超声波功率在90～100W，持水力和膨胀力又随着超声功率的升高而升高，这可能是由于超声功率的升高使物质粒度更小，破坏了膳食纤维的网状结构，持水力和膨胀力因而升高。

图1 超声功率对水不溶性膳食纤维性质的影响Fig.1 Effect of ultrasonic power and insoluble dietary fiber

2.1.2 料液比对水不溶性膳食纤维基本性质的影响 由图2可知，持水力随着料液比的增加而略有增大，膳食纤维经超声波处理后颗粒会变小，颗粒的表面积就会变大，与水接触能力增强，水分更易与颗粒接触，同时，料液比越大，颗粒间的间隙越大，小颗粒物质与水接触的越多，持水性就越好。膨胀力随着料液比的增加而降低，可能由于料液比的增大会增加超声波处理强度，所以使颗粒网状结构破坏的力度增加，从而降低其膨胀力。

图2 料液比对水不溶性膳食纤维性质的影响Fig.2 Effect of solid-liquid ratio and insoluble dietary fiber

2.1.3 超声时间对水不溶性膳食纤维基本性质的影响 颗粒在超声波下作用的时间越长，颗粒破碎的力度越大，颗粒就会变得越小。膨胀力会随着颗粒的减小而增加，但粒度太小会破坏网状结构而使膨胀力减弱，所以在20～30min时，随着颗粒的减小膨胀力增大，而从30～60min，由于颗粒破坏度太大而使膨胀力减弱。持水力因超声波时间的延长，颗粒粒度变小，亲水基团暴露增加而变大。

图3 超声时间对水不溶性膳食纤维性质的影响Fig.3 Effect of ultrasonic time and insoluble dietary fiber

2.1.4 超声温度对水不溶性膳食纤维基本性质的影响 温度越高，物质运动越激烈，颗粒在高温下经剧烈的碰撞而变小，颗粒表面积增大，颗粒亲水基团增多，颗粒的持水力、膨胀力也随之增大。在70～80℃，膨胀力有所降低，可能是因为温度的升高破坏了颗粒的网状结构，导致膨胀力下降。

图4 超声温度对水不溶性膳食纤维性质的影响Fig.4 Effect of ultrasonic temperature and insoluble dietary fiber

2.2 正交实验结果

表2 正交实验结果表Table 2 The results of orthogonal test

由表2可知，用超声波法处理马铃薯渣中水不溶性膳食纤维，膨胀力的最佳条件是A1B3C2D3，即料液比1∶10，超声时间50min，超声温度70℃，超声功率70W。由极差R可以得出影响水不溶性膳食纤维膨胀力的因素依次是超声温度＞超声功率＞料液比＞超声时间，即超声温度对膨胀力的影响最大。

由表2还能够看出，用超声波法处理马铃薯渣中水不溶性膳食纤维，持水力的最佳条件是A2B2C3D3，即料液比1∶15，超声时间40min，超声温度80℃，超声功率70W。由极差R可以得出影响水不溶性膳食纤维持水力的因素依次是超声功率＞超声时间＞料液比＞超声温度，即超声功率对持水力的影响最大。

2.3 验证实验结果

根据表2选择的最佳膨胀力工艺条件测得的膨胀力为20.50mL/g，持水力为14.53g/g；选择的最佳持水力工艺条件测得的膨胀力为19.00mL/g，持水力为14.81g/g。由此可以看出，两种条件下的膨胀力和持水力值都较高，但是因为两者的影响因素不同，很难同时达到最大值。

3 结论

本实验选择持水力和膨胀力为指标，研究超声波处理对马铃薯渣中水不溶性膳食纤维基本性质的影响。影响膨胀力的主要因素是超声温度，最佳工艺条件为料液比1∶10，超声时间50min，超声温度70℃，超声功率70W，膨胀力为20.50mL/g；影响持水力的主要因素是超声功率，最佳工艺条件为料液比1∶15，超声时间40min，超声温度80℃，超声功率70W，持水力为14.81g/g。由此也可以看出影响膨胀力和持水力的条件不一样，所以生产中可以根据具体的要求选择适当的条件。

[1]郑建仙.功能性食品学[M].第二版.北京：中国轻工业出版社，2006.

[2]胡春.膳食纤维的种类及功能[J].山西粮油科技，1992（3）：49-52.

[3]陈菲菲，许永安.膳食纤维的生理功能及其提取方法的研究进展[J].福建水产，2008（6）：51-54.

[4]谢苗，高薇薇，邓海燕，等.不同品种海带膳食纤维的形态观察及物理性质[J].广东化工，2005，32（2）：21-24.

[5]谭惠子，万婕.膳食纤维的生理功能与改性[J].江西食品工业，2007（4）：41-44.

[6]盖春慧，林炜创，钟振声.粒度对马铃薯渣膳食纤维功能特性的影响[J].现代食品科技，2009（8）：896-899.

[7]吕金顺，韦长梅，徐继明，等.马铃薯膳食纤维的结构特征分析[J].分析化学研究简报，2007（3）：443-446.

[8]金茂国，孙伟.挤压对豆渣膳食纤维理化性质影响[J].粮食与饲料工业，1996（11）：35-38.

Effect of ultrasonic treatment on expansive force and water-holding capacity of insoluble dietary fiber

GAO Yu-ping1，2，HAN Yu-mei1，*，LI Zhou-yong1，LIU Hai-jin1，JIA Di1
（1.College of Food Science and Technology，Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot 010018，China；2.Biology Department，Baotou Industry Technical College，Baotou 014035，China）

TS201.2+3

B

1002-0306（2012）16-0299-03

2012－01－09 *通讯联系人

高宇萍（1977-），女，硕士，讲师，研究方向：农产品加工及贮藏。