苹果膳食纤维的超声辅助臭氧脱色工艺*

李蕊岑，陈雪峰，武凤玲

(陕西科技大学，生命科学与工程学院，陕西 西安，710021)

从苹果渣中提取膳食纤维，其色泽易受果渣中多酚物质氧化作用的影响而呈现深褐色，严重影响了膳食纤维的感官特性和应用范围，因此，需对膳食纤维进行脱色研究。目前对膳食纤维的脱色处理，普遍采用双氧水氧化法［1］进行，但双氧水具有腐蚀性，若在食品中存在残留，会损害人体健康，引起食品安全问题。臭氧是一种强氧化剂，在水中极易分解，且随着溶液碱性的增强而加速分解，其分解产物主要是氧气，不存在残留毒性和环境污染的问题［2］。本试验结合超声波技术，研究了臭氧对苹果膳食纤维适宜的脱色工艺，以期为苹果渣膳食纤维的开发和应用提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

苹果渣，由陕西海升果业发展股份有限公司乾县分公司提供。HCl、NaOH 等试剂均为分析纯。

1.2 实验仪器

HNE-20200-CT I 型超声波聚能处理系统，苏州工业园区海纳科技有限公司;HW-ET-30g 型可调式臭氧发生器，广州市环伟环保科技有限公司;BS323S型电子天平，赛多利斯科学仪器有限公司;BSA224SCW 型电子天平，赛多利斯科学仪器有限公司;H-1850R 型离心机，长沙湘仪离心机仪器有限公司;101-1AB 型电热鼓风干燥箱，天津泰斯特仪器有限公司;高速万能粉碎机，天津泰斯特仪器有限公司;TGSI 型通风柜控制器，中国杨凌天工实业有限公司;CM-5 型色差分析仪，柯尼卡美能达有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 苹果膳食纤维的制备方法苹果渣粉碎(150 目)→超声波辅助臭氧脱色→调节pH 至中性→离心→干燥→粉碎→成品

1.3.2 脱色工艺

取5.0 g 苹果渣，按一定的料液比加入不同浓度的NaOH 溶液，控制超声频率、臭氧发生量，脱色一定时间后，用36%HCl 调节pH 至中性，再离心收集沉淀物，最后放入烘箱中烘干、粉碎，即得脱色后的苹果膳食纤维。

1.3.3 白度的测定

利用CM-5 色差分析仪测定脱色后苹果膳食纤维的白度，结果用L，a，b 值表示，L 表示亮度，L 值越高白度越高，a 为红绿值，a+为偏红，a-为偏绿，b 为黄蓝值，b +为偏黄，b -为偏蓝。本试验以L 值为指标，L 值越高，脱色效果越好。

1.3.4 单因素试验

原料取5 g 苹果渣，以脱色后膳食纤维的L 值为考察指标，进行苹果膳食纤维脱色工艺的单因素试验研究，控制其他因素水平一致，改变其中一个因素，考察其对脱色效果的影响。具体选取各因素的水平如下:料液比(g∶mL)为1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40、1∶45，臭氧发生量为0、5、10、15、20、25、30 g/h，超声频率为30、40、50、60、70、80、90 kHz，碱液浓度为1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%，脱色时间为1、2、3、4、5、6、7 h，测定脱色后膳食纤维的L 值。

1.3.5 正交试验

在单因素试验的基础上，选用脱色时间(A)、料液比(B)、臭氧发生量(C)、超声频率(D)、碱液浓度(E)5 个因素，以脱色后膳食纤维的L 值为考察指标，采用L16(45)正交设计，探讨苹果膳食纤维的最佳脱色工艺参数，具体的因素水平设计见表1。

表1 L16(45)正交试验设计表Table 1 Orthogonal experiment design of L16(45)

2 结果分析

2.1 脱色时间对脱色效果的影响

控制臭氧发生量25 g/h，碱液浓度6%，料液比(g∶mL)1:30，温度为25 ℃，超声频率35 kHz，研究脱色时间对脱色效果的影响，试验结果如图1 所示。可以发现，随着脱色时间的增加，膳食纤维的L 值逐渐增大，其原因可能是反应时间越长，臭氧的反应量越大，有色物质的氧化分解率越大;而当脱色时间大于5 h 时，随着脱色时间的增加，脱色效果增加不明显，因此选择脱色时间为5 h。

图1 脱色时间对脱色效果的影响Fig.1 Effect of reaction time on the discoloration

2.2 料液比对脱色效果的影响

控制臭氧发生量15 g/h，碱液浓度6%，温度25℃，超声频率40 kHz，脱色时间6 h，研究料液比对脱色效果的影响，试验结果如图2 所示。随着料液比的增加，膳食纤维的L 值越大，但当料液比(g∶mL)增大到1∶30 时，膳食纤维的L 值却逐渐减小。造成这一现象的原因是，当料液比过大时，单位体积溶液内臭氧的有效作用浓度降低，脱色效果差;而料液比过小时，由于臭氧分子受到体系中较大的阻力影响，只能在一个较小的范围内流动，与膳食纤维的接触面积较小，脱色效果较差［3］。因此，选择料液比(g∶mL)为1∶30。

图2 料液比对脱色效果的影响Fig.2 Effect of ratio of material to liquid on the discoloration

2.3 碱液浓度对脱色效果的影响

控制臭氧发生量20 g/h，料液比(g∶mL)为1∶30，温度25 ℃，超声频率45 kHz，脱色时间6 h，研究碱液浓度对脱色效果的影响，试验结果如图3 所示。随着碱液浓度的增加，膳食纤维的L 值逐渐增大。这是因为，随着pH 值的增高，臭氧在溶液中分解生成的·OH 自由基增多，增加了单位时间内参与氧化作用的分子数目。同时，·OH 自由基的氧化能力随pH值的增高而增强，将有色物质进一步氧化分解［7-8］，提高了膳食纤维的L 值。但当碱液浓度增加到6%时，L 值随着碱液浓度的增加而无明显变化。因此，选择碱液浓度为6%。

图3 碱液浓度对脱色效果的影响Fig.3 Effect of sodium hydroxide concentration on the discoloration

2.4 臭氧发生量对脱色效果的影响

控制碱液浓度6%，料液比1∶30(g∶mL)，超声频率35 kHz，温度25 ℃，脱色时间6 h，研究臭氧发生量对脱色效果的影响，试验结果如图4 所示。可以发现，随着臭氧发生量的增加，膳食纤维的L 值逐渐增大，当臭氧发生量大于15 g/h 时，膳食纤维的L 值增加不明显，其原因是当臭氧发生量达到一定水平后，臭氧在溶液中的溶解度达到饱和，不能产生更多的OH·，故增大臭氧发生量对提高脱色效果未产生显著影响［6］。因此，选择臭氧发生量为15 g/h。

图4 臭氧发生量对脱色效果的影响Fig.4 Effect of ozone generation on the discoloration

2.5 超声频率对脱色效果的影响

控制碱液浓度6%，臭氧发生量15 g/h，料液比(g∶mL)1∶30，温度25 ℃，脱色时间6 h，研究超声频率对脱色效果的影响，试验结果如图5 所示。随着超声频率从30 kHz 增大到70 kHz 时，膳食纤维的L 值逐渐增大，这是因为超声波的空化效应和化学效应加强了O3的分解效率和产生·OH 的速率，同时其热效应可使反应介质的温度升高，增加分子间热运动，从而提高膳食纤维的脱色效果［10］。当超声频率增大到70 kHz 时，L 值随超声频率的增加无明显变化。因此，选择超声频率为70 kHz。

图5 超声波频率对脱色效果的影响Fig.5 Effect of ultrasonic frequency on the discoloration

2.6 正交试验结果及方差分析

根据单因素试验，设计正交试验，其因素和水平如表1 所示，试验结果如表2 所示。由表2 中极差值的大小可得出，影响膳食纤维脱色效果的主次顺序为:碱液浓度＞脱色时间＞超声频率＞臭氧发出量＞料液比，正交试验数据表明，苹果膳食纤维的最佳脱色工艺组合是A2B2C2D3E4，即脱色时间5 h，料液比(g∶mL)1∶25，臭氧发生量15 g/h，超声频率70 kHz，碱液浓度6%，经验证试验，得该条件下脱色后膳食纤维L 值可达80.11。

表2 正交试验设计及结果分析Table 2 Experimental results and analysis of the orthogonal test design matrix

用SPSS 软件进行分析，结果发现，在差齐性检验中，显著性水平P =0.016 ＞0.01，因此方差齐性成立，可以进行方差分析，结果如表3 所示，F(15，32)=160.088，P ＜0.001，达到极其显著水平，因此脱色时间、料液比、臭氧发生量、超声频率、碱液浓度5 个因素中至少有一个对L 值有影响，继续查看各个因素的分析结果。由表3 可知5 个因素的主效应F(3，32)分别为80.670、15.372、56.293、62.284、585.82，P 值均小于0.001，达到极其显著水平。从以上结果可得，脱色时间、料液比、臭氧发生量、超声频率、碱液浓度均对L 值有显著影响。

表3 主体间效应检验Table 3 Main effects test

3 讨论

臭氧是一种强氧化剂，在造纸行业及印染行业中作为漂白脱色剂广泛应用。杨玲［8］研究了臭氧对硫酸盐竹浆的漂白工艺，结果表明在最佳工艺条件下，漂白浆的白度可达68.7%(SBD);龚宜［9］等研究了活性嫩黄染料废水的臭氧降解，在20 min 内臭氧对活性嫩黄染料废水的脱色率可达96.7%。虽然臭氧脱色技术在化工行业中已广泛使用，但由于臭氧在水溶液中的溶解度较小，无法与膳食纤维充分接触，因而限制了其在膳食纤维脱色领域中的应用。本试验将超声技术引入臭氧脱色中，一方面利用超声使臭氧均匀分散在溶液中，强化臭氧与膳食纤维的接触;另一方面通过超声促进臭氧分解产生更多的·OH 自由基，使膳食纤维中的呈色物质氧化分解，从而达到脱色的目的。本试验得到最佳脱色工艺为:料液比(g:mL)1:25，臭氧发生量15 g/h，超声波频率70 kHz，碱液浓度6%，脱色时间5 h，脱色后产品的L 值可达到80.11，与李睿［10］等利用超声波辅助双氧水对苹果渣膳食纤维脱色的研究相比，二者脱色后产品的L 值均可达80 以上，脱色效果显著。通过超声辅助臭氧脱色的方法，解决了其他脱色方法存在溶剂残留等问题，是一种环境友好型脱色途径，在工业膳食纤维脱色领域中有较大的应用前景。

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［10］ 李睿，陈雪峰，麻佩佩. 苹果渣膳食纤维超声波辅助脱色的工艺参数研究［J］. 食品工业，2013，34(3):28-131.