香菇柄纤维挤出低聚化作用及工艺优化

刘婷婷，戴 龙，王庆庆，王大为*

香菇柄纤维挤出低聚化作用及工艺优化

刘婷婷，戴 龙，王庆庆，王大为*

（吉林农业大学食品科学与工程学院，吉林 长春 130118）

利用单螺杆挤出对香菇柄纤维进行 低聚化处理。采用黏度法测定纤维的聚合度及平均 相对分子质量，以聚合度为响应值，通过响应面试验，分析挤出温度、物料粒度、液固质量比对低聚化效果的影响。结果表明：当挤出温度162 ℃、物料粒度0.147 mm（100 目）、液固质量比1.43∶1时，香菇柄纤维低聚化效果最佳，香菇柄纤维聚合度由1 278降低至2 02，平均相对分子质量由207 054降低至32 7 42。通过扫描 电子显微镜观察，挤出低聚化香菇柄纤维结构呈疏松多孔状。红外光谱研究结果表明挤出低聚化处理对香菇柄纤 维分子 结构无明显 破坏作用，但有少部分半纤维素发生降解。低聚化香菇柄纤维的持水力、 持油力、膨胀力均较未处理样明显提高。

香菇柄；纤维；挤出；低聚化

香菇是一种药食兼用的名贵真菌，是世界第二大食用菌，也是中国特产食用菌之一[1]。香菇柄约占香菇干质量的23%～25%，每100 g干香菇柄含糖类物质73 g、蛋白质6.8 g、脂溶性成分2.68 g、灰分6.1 g以及丰富的维生素、矿物质[2]，其中膳食纤维的含量远超过菇伞部分。商品香菇加工过程中大多数菇柄没有被充分地开发和利用，全国每年废弃的香菇柄达数万吨[3]，造成了极大的资源浪费。高品质的膳食纤维是具有预防 心血管疾病、癌症、糖尿病以及其他疾病的功能[4]，以及清洁肠道、稀释和加速食物中有毒有害物质的排泄等作用[5]。膳食纤维主要来自于植物的细胞壁，包含纤维素、半纤维素、树脂、果胶及木质素等[6]，是不能被人体利用的非淀粉多糖，即不能被人类消化酶所消化。多糖的生理活性与其聚合度及相对分子质量有关[7]，相对分子质量大于十万的多糖，其生物活性较低，甚至无生理活性。因而未经任何处理的膳食纤维中可溶性膳食纤维含量较少，则上述保健作用不明显。与传统的化学法、酶法进行纤维低聚化不同[8-9]，单螺杆高温高压挤出能大幅度降低纤维的聚合度及相对分子质量，使一部分不溶性膳食纤维转化为可溶性膳食纤维[10]，无化学试剂污染，为膳食纤维在食品生产中的应用提供前提和保证。香菇柄挤出低聚化处理后改善其粗韧难嚼的口感，增加食用价值，提升其加工品质，提高香菇柄的附加值。目前对香菇柄纤维挤出低聚化的研究还鲜有报道。因此，本研究采用单螺杆挤出技术对香菇柄粉进行高温高压挤出处理，使其聚合度降低、相对分子质量减少，并通过红外光谱、电子显微镜扫描对挤出后香菇柄纤维微观结构进行分析。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

干香菇柄为市售无虫蛀、无霉变、当年产干制品。

可溶性淀粉、硫氰酸铵 天津市北方天医化学试剂厂；氯化钡 天津市福辰化学试剂厂；硫酸铜 沈阳市东兴试剂厂；氨水、浓硫酸、氢氧化钠、无水乙二胺、碘化钾、冰醋酸、硫代硫酸钠 北京化工厂。以上试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

JC-60单螺杆挤出机 长春市盛达食品工业研究所；Q-250A3高速多功能粉碎机 上海冰都电器有限公司；GB1302型电子精密天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；DZF-6050型真空干燥箱 上海精宏实验设备有限公司；PHS-3TC微型数显酸度计 上海天达仪器有限公司；HZS-HA水浴振荡器 哈尔滨市东联电子技术开发有限公司；1835型乌氏黏度计 浙江台州椒江玻璃仪器厂；IR Prestige傅里叶变换红外光谱仪、SSX-550扫描电子显微镜 日本岛津公司。

1.3 方法

1.3.1 原料预处理

香菇柄用流动水反复进行漂洗除去原料中的泥沙、草屑等杂质，然后于40 ℃条件下烘干处理，至水分含量质量分数6%～8%为宜。然后粉碎、筛分，得到粒度分别为0.246（60 目）、0.175（80 目）、0.147（100 目）、0.125（120 目）、0.106 mm（140 目）的香菇柄纤维粉，冷藏备用。

1.3.2 香菇柄纤维挤出低聚化工艺条件优化

1.3.2.1 单螺杆挤出单因素试验设计

采用等距单螺杆挤出机对香菇柄纤维进行低聚化处理，影响香菇柄纤维挤出低聚化效果的主要因素有挤出温度、物料粒度、液固质量比，以挤出物聚合度作为考核指标，考察各因素对低聚化效果的影响。

挤出温度对香菇柄纤维聚合度的影响：在液固质量比1.4∶1，物料粒度0.147 mm（100 目）条件下，考察挤出温度130、140、150、160、170 ℃对香菇柄纤维聚合度的影响。

物料粒度对香菇柄纤维聚合度的影响：在挤出温度160 ℃，液固质量比1.4∶1条件下，考察物料粒度0.246（60 目）、0.175（80 目）、0.147（100 目）、0.125（120 目）、0.106 mm（140 目）对香菇柄纤维聚合度的影响。

液固质量比对香菇柄纤维聚合度的影响：在挤出温度160 ℃，粒度0.147 mm（100 目）条件下，考察液固质量比1.2∶1、1.3∶1、1.4∶1、1.5∶1、1.6∶1对香菇柄纤维聚合度的影响。

1.3.2.2 响应面优化试验设计

在单因素试验基础上，采用三因素三水平Box-Behnken试验设计方法，以挤出温度（A）、物料粒度（B）、液固质量比（C）为变量，以挤出物聚合度为考核指标，确定最佳挤出低聚化条件。试验因素及编码水平见表1。

表1 香菇柄纤维响应面分析试验设计因素和水平Table 1 Factors and levels used for response surface analysis experimental design

1.3.3 香菇柄纤维聚合度的测定

1.3.3.1 香菇柄纤维-铜乙二胺溶液的制备

称取粒度0.147mm的香菇柄纤维2.00 g，105 ℃烘20 min后置于干燥器中冷却15 min，准确称取0.080 0 g，置于有盖容器中，加铜粒约20 颗（铜粒使用前依次用浓硝酸、无水乙二胺溶液浸泡，用蒸馏水反复洗涤）、20 mL蒸馏水、20 mL铜乙二胺溶液（1 mol/L），搅拌1 h，使试样全部溶解，配成质量浓度约0.002 g/mL的香菇柄纤维-铜乙二胺溶液[11]。

1.3.3.2 黏度计的校准

用质量分数65%的甘油水溶液、蒸馏水和稀释一倍的铜乙二胺溶液（0.5 mol/L），在（25±0.1）℃条件下，分别用校准用黏度计（直径（0.57±0.002）mm）及测定用黏度计（直径（0.8±0.05）mm）测其流出时间，按式（1）、（2）分别求出黏度计因子和黏度计常数。

式中：tkg为质量分数65%甘油在校准黏度计中流出时间/s；tng为质量分数65%甘油在测定黏度计中流出时间/s；tKCED为稀释一倍的铜乙二胺溶液在校准用黏度计中流出时间/s。

1.3.3.3 香菇柄纤维聚合度的测定及相对分子质量计算用移液管准确吸取10 mL香菇柄纤维-铜乙二胺溶液于经校正、洗净、干燥处理的黏度计中（直径（0.57±0.002） mm），置于25 ℃恒温水浴锅中，垂直固定，温度平衡后进行测定。取3 次测量值的平均值为最终结果，两次测量值之差不大于较小值的0.4%[13-14]。

非牛顿流体在黏度计内因重力作用而流出时，遵守Poiseuille定律[17]，即：

式中：ηr为相对黏度；hn校准时测得的测定用黏度计常数；tn为试样溶液流过测定用黏度计的流出时间/s。

根据相对黏度ηr，参考GB/T 5888—1986《苎麻纤维素聚合度测定方法》中的ηr与[η]×C换算表，查出ηr对应的[η]×C值（其中C和[η]分别为从换算表中查到的试样质量浓度值和特性黏度值），按公式（4）计算特性黏度[15-16]：

式中：[η]’为特性黏数；C’为香菇柄纤维-铜乙二胺的实际质量浓度/（g/mL）。

[η]’与高聚物平均聚合度DP之间的经验关系可用Mark方程表示为：

根据纤维素、聚合度与特性黏度的关系式，求得聚合度，再根据公式（6）求出样品的相对分子质量。

式中：M为相对分子质量；162为纤维素结构单元分子式缩写为（C6H10O5）n，相对分子质量为162n；18为纤维素两端葡萄糖基相对分子质量增值之和。

1.3.4 香菇柄纤维物性分析

1.3.4.1 持水力的测定

准确称取105 ℃条件下干燥至恒质量的物料0.50 g（m0），置于50mL烧杯中，向其中加入20mL蒸馏水，密封后室温条件下浸泡12 h，然后用滤纸除去水分，称量样品的质量（m1）。按公式（7）计算持水力。

1.3.4.2 持油力的测定

准确称取105 ℃条件下干燥至恒质量的物料0.20 g（m0），放入50 mL离心管中，加入豆油10 mL，使之混合均匀，密封后37 ℃条件下静置1 h，3 800 r/min条件下离心20 min，弃去上层油脂，称量剩余残渣的湿质量（m1）。按式（8）计算持油力。

1.3.4.3 膨胀力的测定

准确称取105 ℃条件下干燥至恒质量的物料0.50 g（m），置于10 mL量筒中，记录样品在自然堆积情况下的体积（V0），加入蒸馏水至10 mL刻度，摇匀后用薄膜密封，室温条件下放置24 h，然后测定并记录膳食纤维膨胀体积（V1）。按式（9）计算膨胀力。

1.3.5 香菇柄纤维扫描电镜观察

将样品置于105 ℃烘箱中干燥至恒质量，挑取适量样品黏于观察台上，采用离子溅射法对样品进行表面镀金，将其置于SSX-550扫描电子显微镜下观察、拍照。采用加速电压为15 kV，放大倍数分别为500 倍和1 000 倍，相应的标尺分别为20、10 μm。

1.3.6 香菇柄纤维红外光谱分析

采用傅里叶红外光谱法对香菇柄纤维中的官能团类型进行分析。分别称取干燥后样品2 mg，与200 mg干燥的溴化钾粉末混合充分研磨均匀，然后压制成直径13 mm、厚度0.5 mm的薄片，在400～4 000 cm-1中红外区扫描。

2 结果与分析

2.1 挤出单因素试验

2.1.1 挤出温度对聚合度的影响

图1 挤出温度对聚合度的影响Fig.1 Effect of extrusion temperature on the degree of polymerization

由图1可知，当温度范围在140～160 ℃时，香菇柄纤维的聚合度随着温度的升高而降低；当温度高于160 ℃以后，其聚合度逐渐升高。适当高温处理可加快不溶性的纤维裂解为可溶性小分子的速率，可溶性成分增加[17-18]，当挤出温度为160 ℃时香菇柄纤维聚合度降至最低。但当温度高于180 ℃时，部分挤出物发生焦糊现象。

2.1.2 粒度对聚合度的影响

由图2可知，粒度0.147 mm（100 目）时挤出物聚合度最低。较大粒度的香菇柄纤维在挤出腔内不易输送，甚至发生倒流，且物料中心升温缓慢，在较短的挤出过程中，降解反应不完全；粒度过小时，物料在挤出腔内打滑，输送困难，导致物料在挤出腔内时间过长而焦糊。

图2 粒度对聚合度的影响Fig.2 Effect of material particle size on the degree of polymerization

2.1.3 液固质量比对聚合度的影响

图3 液固质量比对聚合度的影响Fig.3 Effect of solid to liquid ratio on the degree of polymerization

单螺杆挤出过程是高温高压的反应过程，对高纤维物料含水量的要求较严格，适当的液固质量比可使物料得到充分的润湿、膨松，增大水蒸气的切割力，更好的对物料进行改性处理[19]，有助于在外力作用下纤维束的打开和断裂。过高的液固质量比，物料水分含量过大导致挤出温度大幅度降低，剪切力减弱，不利于降低膳食纤维的聚合度。液固质量比较低，物料含水量过低，挤出机机筒内水蒸气的含量过少，造成温度快速升高，发生焦糊。由图3可知，当液固质量比在1.2∶1～1.4∶1之间时，聚合度下降得较为明显，当液固质量比是1.4∶1时低聚化效果最好，当液料比大于1.5∶1时，物料伴随着水蒸气一起喷出，无法正常操作。

2.2 单螺杆挤出香菇柄纤维工艺优化

2.2.1 数学模型的建立与显著性检验

Box-Behnken响应面试验结果见表2，方差分析结果见表3，可信度分析结果见表4。

对结果进行多元回归拟合、方差分析及显著性检验，得到以聚合度为目标函数，进行方差分析及显著性检验，得到各条件编码值的二元回归方程：

Y=212.20-26.12A-7.75B-79.88C＋4.00AB-10.97AC＋14.00BC＋91.03A2＋11.27B2＋118.53C2

对响应面结果进行回归分析，各因素对试验的影响是否显著可以通过P值确定。由上述表中结果可知，回归模型（P＜0.000 1）达到极显著水平，而失拟项大于0.05不显著，说明回归方程与实际情况拟合程度较好，试验误差小。因此可用该回归方程代替试验真实点对试验结果进行分析，R2=99.74%，预测值与实测值之间具有高度的相关性，说明方程可靠性较高[20]。在回归模型中，一次项A、B、C，交互项AB、AC，二次项A2、B2、C2均表现出了显著水平。根据各变量显著性检验P值的大小，可以按照各因素对香菇柄纤维聚合度影响程度由强到弱依次为液固质量比＞挤出温度＞物料粒度。

表2 响应面试验设计及结果Table 2 Response surface analysis experimental design and results

表3 回归模型的方差分析Table 3 Variance analysis for the developed regression model

表4 回归模型的可信度分析Table 4 Reliability analysis of the regression model

2.2.2 各因素的交互作用对香菇柄纤维的响应面分析

响应面图可直观反应各因素的交互作用[21]，在其他因素条件固定不变的情况下，对模型进行降维分析，考察各因素间的交互作用对响应值的影响。等高线直观反映出各因素交互作用对响应值的影响，椭圆形等高线表示两因素交互作用显著，圆形等高线则相反。由图4可知，挤出温度（A）与物料粒度（B）之间以及物料粒度（B）与液固质量比（C）之间的交互作用显著；挤出温度（A）与液固质量比（C）之间的交互作用不显著。

图4 各两因素交互作用响应面及等高线图Fig.4 Response surfaces and contour plots showing the interactive effects of three factors on the degree of polymerization

2.2.3 挤出低聚化对香菇柄膳食纤维作用及工艺优化

求回归方程3 个变量的一阶偏导数，并设其值为0，得到三元一次方程组，求出最佳点的编码值：

解得A=0.161、B=0.103、C=0.339，即挤出温度161.61 ℃、物料粒度102.06 目、液固质量比1.43∶1。挤出后香菇柄纤维聚合度理论值196.186。为方便实际操作，将参数修正为挤出温度162 ℃、物料粒度100 目、液固质量比1.43∶1，进行3 次平行实验，得到香菇柄纤维聚合度平均值为202，与理论预测值接近，表明数学模型可行。各因素对香菇柄纤维聚合度影响程度由强到弱依次为液固质量比＞挤出温度＞物料粒度。

通过黏度法计算出挤出前香菇柄纤维及最佳条件挤出后的香菇柄纤维聚合度（表5），可以得出挤出处理能大幅度降低香菇柄纤维的聚合度和平均相对分子质量，使聚合度由原来的1 278降到202，平均相对分子质量由207054降到32742。由表6、7可以看出挤出低聚化后香菇柄纤维的可溶性膳食纤维含量大幅度增加，持油力、膨胀力及持水力得到较大改善，实现了香菇柄纤维低聚化及功能化效果。

表5 聚合度和平均相对分子质量的测定结果Table 5 Results of molecular weight and DP

表7 香菇柄纤维物性测定结果Table 7 Physical properties of Lentinula edodes handle fiber

2.2.4 扫描电镜观察的结果

图5 香菇柄膳食纤维扫描电镜图Fig.5 SEM images of Lentinula edodes handle dietary fiber before and after extrusion

图5 是放大500 倍和1 000 倍的香菇柄纤维挤出前后电镜图。香菇柄纤维低聚化处理后，微观结构发生了显著的变化，平滑致密的形态变成了立体多孔型蜂窝状结构。香菇柄纤维挤出过程中受高温、高压、剪切以及熔融等作用，紧密纤维结构被打开，结构断裂、重组，降低了纤维的聚合度。这种多孔沟壑结构预示着纤维表面积大幅增加，导致持油力、膨胀力和吸附力得到较显著的提高[22]。

2.2.5 香菇柄纤维红外光谱分析结果

由图6和图7可知，香菇柄纤维均具有多糖的特征吸收峰，在3 200～3 600 cm-1处附近出现了由许多小尖峰组成的强宽峰，这是羟基（O-H）的特征峰，说明纤维中存在着处于缔合状态的分子间氢键，在高温、高压挤出作用下，香菇柄纤维中多糖糖苷键断裂，生成的游离羟基增多，从而使其羟基的吸收峰增强。在2 929.87 cm-1处是碳水化合物和木质素中-CH2的C-H反对称伸缩振动吸收峰[24]。图6和图7中1 647.21 cm-1及1 643.35 cm-1处的吸收峰是羰基的吸收峰，说明香菇柄纤维中有多糖吸收峰特征[25]。图6中1 041.56～1 203.58 cm-1和图7中1 041.28～1 153.43 cm-1处的吸收峰是由纤维素半纤维素的C-O伸缩振动吸收[23]。郑建仙等[24]认为挤出处理后，纤维内部组成成分可以调整与重组，部分不溶性阿拉伯木聚糖会溶解或断裂某些连续键转变成可溶性阿拉伯木聚糖，但纤维聚合物的化学结构不发生变化[25]。对比挤出前后的红外图谱，相对应吸收峰波数峰形基本相似，说明挤出前后膳食纤维化学组分基本相同，符合上述观点。所以挤出低聚化处理并没有破坏分子内的官能团，仍较好地保护了纤维内部大部分的亲水基团以及其他活性基团，这些活性基团对提高香菇柄纤维的持水力、膨胀力、吸附力具有重要作用。

图6 挤出前香菇柄纤维红外谱图Fig.6 Infrared spectrum of Lentinula edodes handle fiber before extrusion

图7 挤出后香菇柄纤维红外谱图Fig.7 Infrared spectrum of Lentinula edodes handle fiber after extrusion

3 讨 论

3.1 以香菇柄为原料，利用单螺杆挤出技术降低香菇柄膳食纤维聚合度，通过响应面试验，筛选最佳挤出条件为挤出温度162 ℃、物料粒度0.147 mm（100 目）、液固质量比1.43∶1。挤出后香菇柄纤维聚合度由1 278降低至202，平均相对分子质量由207054降低至32 742，香菇柄纤维的可溶性膳食纤维含量大幅增加。

3.2 对香菇柄纤维微观结构进行观察，表明挤出前香菇柄纤维的结构较紧密、表面较平整，挤出后香菇柄纤维结构疏松多孔、有褶皱，预示其有利于水分渗入，提高其对水的束缚能力，因此挤出低聚化香菇柄纤维的持水力、膨胀力和持油力都有了较显著的提高。

3.3 对香菇柄纤维官能团红外光谱分析，结果表明香菇柄纤维具有羟基、醛基等糖类的特征吸收峰。挤出低聚化处理没有破坏纤维分子结构及化学组成，仍然含有对提高膳食纤维的持水力、持油力、膨胀力具有重要作用的活性基团。

3.4 单螺杆挤出机的输送能力低于双螺杆挤出机，且不具备自洁能力，但剪切能力优于双螺杆挤出机，可有效降低膳食纤维聚合度。本实验目前只研究香菇柄纤维理化特性，还未进行功能性实验，所以还需要进一步研究。

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Optimization of Extrusion Parameters for Improved Oligomerization of Lentinula edodes Handle Fiber

LIU Ting-ting, DAI Long, WANG Qing-qing, WANG Da-wei*
(College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

The oligomerization of Lentinula edodes handle fi ber was conducted through single-screw extrusion. Viscosity method was used to measure the degree of polymerization (DP) and molecular weight (MW) of extruded products. By using response surface methodology, the oligomerization efficiency of extrude Lentinula edodes handle fiber was investig ated as a function of e xtrusion temperature, raw material particle size and liquid to solid ratio. The results showed the best oligomerization effi ciency was achieved when the fi ber powder with particle size 0.147 mm (100 mesh) was extruded at 162 ℃ with a liquid to solid ratio of 1.43:1. It turned out that the DP dropped from 1 278 to 202, and the MW from 207 054 to 32 742. Scanning electron microscopy (SEM) observation showed the loose and porous structure of the extruded material, and the original molecular structure was not signifi cantly damaged as indicated by infrared spectroscopy, but a small part of hemicellulose was degraded. Water-holding capacity, oil-holding capacity and expansive force of oligomerized Lentinula edodes handle fi ber were improved obviously compared with the untreated samples.

Lentinula edodes handle; fiber; extrusion; oligomerization

TS201.1

A

1002-6630（2014）16-0011-07

10.7506/spkx1002-6630-201416003

2014-01-24

“十二五”国家科技支撑计划项目（2013BAD16B08）；国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2011AA100805）

刘婷婷（1984—），女，讲师，博士，研究方向为粮油植物蛋白工程与功能食品。E-mail：ltt1984@163.com

*通信作者：王大为（1960—），男，教授，博士，研究方向为粮油植物蛋白工程与功能食品。E-mail：xcpyfzx@163.com