超声辅助双氧水脱色苹果膳食纤维的研究

陈雪峰， 李蕊岑， 刘 宁， 麻佩佩， 杨 柳

(1.陕西科技大学 生命科学与工程学院， 陕西 西安 710021； 2.西安和生国际农副产品交易中心， 陕西 西安 710016)

0 引言

膳食纤维因具有防止便秘、改善糖尿病症状、预防结肠和直肠癌、降低血脂、利于减肥等营养作用和保健功能，而被称为除六大营养素以外的“第七大营养素”，近年来正引起越来越多的消费者的关注[1-4].苹果渣中含有丰富的膳食纤维，是膳食纤维的一个重要来源，但在提取过程中，苹果渣中的多酚类物质易被氧化呈深褐色，严重影响了产品的感官特性，因此，必须对膳食纤维进行脱色处理.

目前，通常使用的脱色方法有还原法和氧化法.氧化法可使有色物质氧化分解成低羧酸、二氧化碳、分子醛等物质，不易复色[5]；而还原法脱色后的产物易被氧化复色，脱色效果差.常用的氧化脱色剂有次氯酸盐、臭氧、双氧水、CO2及空气中的O2等，均能获得良好的脱色效果[6,7].

本实验将超声技术引入到双氧水脱色工艺中，一方面利用超声技术使双氧水均匀分散在溶液中，强化双氧水与膳食纤维的接触面积；另一方面通过超声波促进臭氧分解产生更多的活性物质HOO-，使膳食纤维中的呈色物质氧化分解，从而获得较好的脱色效果.

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

苹果渣，陕西海升果业发展股份有限公司乾县分公司提供；盐酸(分析纯)；氢氧化钠(分析纯)；35%H2O2.

1.2 实验仪器

HNE-20200-CT I超声波聚能处理系统，苏州工业园区海纳科技有限公司；BS323S电子天平，赛多利斯科学仪器有限公司；H-1850R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；TG-SI型通风柜控制器，中国杨凌天工实业有限公司；CM-5分光测色计，柯尼卡美能达有限公司.

1.3 实验方法

1.3.1 脱色工艺

苹果渣粉碎→碱液处理→超声辅助双氧水脱色→调pH至弱碱性→水洗至中性→离心→干燥→粉碎→成品.

1.3.2 白度的测定

利用CM-5分光测色计测得脱色后苹果膳食纤维的白度，结果用L、a、b值表示.其中，L表示亮度；a为红绿值，a+为偏红，a-为偏绿；b值为黄蓝值，b+为偏黄，b-为偏蓝.本实验用L值反映白度，L值越高表示白度越高.

1.3.3 持水力(WHC)的测定[8]

称取0.5 g样品于15 mL离心管中，加入10 mL蒸馏水，震荡摇匀，37 ℃静置1 h，3 500 r/min离心10 min后，弃去上清液，残留水分用滤纸吸干，称重.

1.3.4 膨胀力(SC)的测定[8]

称取0.5 g样品放入带有刻度的玻璃试管中，加入10 mL蒸馏水，在室温下放置过夜.观察膳食纤维样品在试管中自由膨胀体积.

1.3.5 持油力(OHC)的测定[8]

称取0.5 g样品，置于15 mL离心管中，加入10 mL大豆油，震荡摇匀，37 ℃静置1 h，5 000 r/min离心20 min后，弃去上层油，称量残渣质量.

2 结果与讨论

2.1 脱色时间对脱色效果的影响

控制碱液浓度1%，料液比1∶20，超声频率50 KHz，双氧水浓度1%，研究脱色时间对脱色效果的影响，实验结果如图1所示.随着脱色时间的增加，膳食纤维的L值逐渐增大，原因是随着时间的延长，H2O2分解产生更多的活性物质HOO-，通过亲核反应氧化分解有色物质；但当脱色时间大于60 min时，双氧水已彻底分解，再无活性物质产生，对提高L值无影响.因此，选择最佳脱色时间为60 min.

图1 脱色时间对脱色效果的影响

2.2 超声频率对脱色效果的影响

控制碱液浓度1%，料液比1∶20，双氧水浓度1.5%，脱色时间60 min，研究超声频率对脱色效果的影响，实验结果如图2所示.随着超声频率的增大，L值逐渐增大，原因是超声波的空化效应和化学效应使双氧水加速裂解产生活性物质HOO-，并且其热效应使反应介质温度升高，提高反应速率，将呈色物质彻底氧化分解[9-11]；但当超声频率增大到60 KHz时，由于有效物质已经裂解彻底，再无活性物质生成.因此，选择最佳超声频率为60 KHz.

图2 超声频率对脱色效果的影响

2.3 碱液浓度对脱色效果的影响

控制料液比1∶20，超声频率60 KHz，脱色时间60 min，双氧水浓度1%，研究碱液浓度对脱色效果的影响，实验结果如图3所示.随着碱液浓度的增加，L值逐渐增大.原因是H2O2在碱性条件下可发生如下反应：H2O2+OH-= H2O+HOO-.随着碱液浓度增大，OH-增多，使反应向右进行，加速活性物质HOO-的生成；但当碱液浓度增大一定值时，由于碱液浓度过高，超出了活性物质HOO-的最佳氧化活性范围[11]，并且增大了H2O2的无效分解(2H2O2=O2+2H2O)，对提高脱色效果无益[12].因此，选择最佳碱液浓度为1.2%.

图3 碱液浓度对脱色效果的影响

2.4 料液比对脱色效果的影响

控制碱液浓度为1.2%，超声频率60 KHz，双氧水浓度1%，脱色时间60 min，研究料液比对脱色效果的影响，实验结果如图4所示.随着料液比的增加，L值越大，但当料液比增大到1∶14时，膳食纤维的L值却减小，原因是当料液比过小时，溶液的流动性差，不能将双氧水均匀分散到溶液中，脱色效果差[13]；而当料液比过大时，单位体积内双氧水的有效作用浓度降低，且与膳食纤维的接触面积也减小，脱色效果较差.因此，选择最佳料液比为1∶14.

图4 料液比对脱色效果的影响

2.5 双氧水浓度对脱色效果的影响

控制碱液浓度为1.2%，料液比1∶14，温度25 ℃，超声频率60 KHz，脱色时间60 min，研究双氧水浓度对脱色效果的影响，实验结果如图5所示.随着双氧水浓度的增加，苹果膳食纤维脱色效果显著，当双氧水浓度超过1.2%后，L值增加趋于缓慢.双氧水的脱色作用主要是其分解产生的活性物质HOO-氧化分解苹果渣中的呈色物质，H2O2浓度越高，产生的HOO-越多，氧化分解速率越大.但双氧水具有强腐蚀性，浓度过大时产生残留量问题，需要大量水洗涤，造成食品安全和资源浪费等问题.因此，选择最佳双氧水浓度为1.2%.

2.6 正交设计及结果

在单因素实验的基础上，选用A(脱色时间)、B(料液比)、C(双氧水浓度)、D(超声频率)、E(碱液浓度)5个因素，以脱色后的L值作为考察指标，采用L16(45)正交设计，优化双氧水对苹果膳食纤维脱色的工艺条件.具体的因素水平设计见表1所示.

图5 双氧水浓度对脱色效果的影响

水平因素ABCDE1451∶121.0501.02501∶131.1551.13551∶141.2601.24601∶151.3651.3

表2为正交试验结果表.从表2中极差值的大小可得，双氧水对苹果膳食纤维脱色各影响因素的主次顺序为：碱液浓度>脱色时间>双氧水浓度>料液比>超声频率.

正交试验结果表明:超声波结合双氧水对苹果膳食纤维脱色的最佳工艺条件组合为A1B4C4D3E4，即脱色时间为45 min，料液比为1∶15，双氧水浓度为1.3%,超声频率为60 KHz，碱液浓度为1.3%.验证试验得该条件下脱色后膳食纤维L值可达80.79.

表2 正交试验结果

方差分析结果如表3所示.F(15,32)=25.980，P<0.001，达到极其显著水平，因此，脱色时间、料液比、双氧水浓度、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31.471、17.108、21.975、8.044、51.301，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、双氧水浓度、超声频率、碱液浓度均对L值有显著影响.

表3 主体间效应检查

注：显著水平a=0.001

2.7 脱色后膳食纤维物理性质的测定

实验测定了脱色前后的苹果膳食纤维物理性质，结果如表4所示.可以发现，利用超声辅助双氧水对苹果膳食纤维进行脱色处理，膳食纤维的持水力、持油力、膨胀力都有显著增大，提高了膳食纤维的功能特性.

表4 物理性质测定结果

3 结论

以苹果渣综合利用为目的，从苹果渣中提取膳食纤维，采用超声波结合双氧水技术对苹果膳食纤维进行脱色，由单因素实验和正交试验得到最佳脱色工艺条件：料液比1∶15，双氧水浓度为1.3%，超声频率60 KHz，碱液浓度1.3%，脱色时间45 min.测得脱色后膳食纤维的L值可达到80.79，比脱色前提高了37.95，脱色效果显著.

与朱妞[14]等利用双氧水对花生壳膳食纤维脱色的研究相比较，双氧水浓度由6%降低到1.3%，脱色时间由2.5 h降低到45 min，可节约资源.同李睿[15]等利用双氧水对苹果渣膳食纤维脱色工艺的研究相比较，脱色时间有所缩短，且超声波的热效应可使溶液的温度升高到脱色所需要的温度，无需加热装置，节省资源.

本文同时对脱色后膳食纤维的持水力、持油力、膨胀力等进行测定，与脱色前的膳食纤维相比，有了明显地提高.因此，利用超声辅助双氧水脱色技术对苹果膳食纤维进行处理，不仅可以改善膳食纤维的感官品质，还能提高其功能特性.

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