高压均质和胶体磨改性对油橄榄果渣水不溶性膳食纤维性能的影响

丁莎莎 黄立新 张彩虹,5 谢普军 邓叶俊 王晓杰

(1. 中国林业科学研究院林产化学工业研究所，江苏 南京 210042；2. 生物质化学利用国家工程实验室，江苏 南京 210042；3. 国家林业局林产化学工程重点开放性实验室，江苏 南京 210042；4. 江苏省生物质能源与材料重点实验室，江苏 南京 210042；5. 中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京 100091)

高压均质和胶体磨改性对油橄榄果渣水不溶性膳食纤维性能的影响

丁莎莎1,2,3,4黄立新1,2,3,4张彩虹1,2,3,4,5谢普军1,2,3,4邓叶俊1,2,3,4王晓杰1,2,3,4

(1. 中国林业科学研究院林产化学工业研究所，江苏 南京 210042；2. 生物质化学利用国家工程实验室，江苏 南京 210042；3. 国家林业局林产化学工程重点开放性实验室，江苏 南京 210042；4. 江苏省生物质能源与材料重点实验室，江苏 南京 210042；5. 中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京 100091)

油橄榄果渣；水不溶性膳食纤维；高压均质；胶体磨；改性

Keywords： olive pomace; insoluble dietary fiber; high pressure homogenization; colloid mill; modification

膳食纤维作为七大营养素之一，又被称作“肠道清道夫”，具有预防肥胖、促进肠道蠕动、预防肠胃疾病和心血管疾病等生理功能[1]。水不溶性膳食纤维(Insoluble dietary fiber，IDF)是一类不溶于水的膳食纤维，主要有纤维素、部分半纤维素和木质素等[2]。通过适当改性手段处理膳食纤维，可以改变部分组成聚合物的化学结构与相对含量，有助于提高膳食纤维的生理功能[3]。对膳食纤维进行改性，提高膳食纤维的品质和生理功能已成为众多学者深入研究的重点，目前膳食纤维的改性方法主要有化学处理[4-5]、物理机械处理[6]和生物改性[7]等。

高压均质和胶体磨是2种较好的物理改性手段。在高压作用下，物料快速通过高压均质机的均质腔，受到高速剪切、高频振荡、空穴效应和对流撞击等机械力作用和相应的热效应，使物料大分子的物理、化学及结构性质发生变化[8]。胶体磨是一种超微湿粉碎加工设备，物料通过剪切、碾磨、高频振动而被粉碎。黄素雅等[9]采用高静压和高压均质对豆渣IDF进行改性，2种改性方式均能不同程度地改善膳食纤维的理化性质，提高产品品质。陶姝颖等[10]采用超微粉碎和挤压超微粉碎技术对葡萄皮渣膳食纤维进行改性处理，均显著地改变了其理化性质如持水力、膨胀力等。张根生等[11]通过胶体磨对马铃薯渣不溶性膳食纤维进行湿法超微粉碎改性，使其不再具有粗糙的颗粒感，提高其功能特性。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

油橄榄果渣IDF：主要成分为纤维素(50.23%)、半纤维素(13.37%)、木质素(24.46%)、蛋白质(2.18%)和水分(4.92%)，参照文献[13]的方法制备；

植物油：食用级，山东鲁花基团有限公司；

亚硝酸钠：分析纯，南京化学试剂有限公司；

盐酸奈乙二胺、对氨基苯磺酸：分析纯，阿拉丁(上海)有限公司；

硫酸镉：分析纯，成都市科龙化工试剂厂。

1.1.2 主要仪器设备

高压均质机：GYB60-6S型，上海东华高压均质机厂；

胶体磨：JMS-50型，廊坊市冠通机械有限公司；

扫描电子显微镜：3400-I型，日本日立公司；

激光粒度分析仪：MS2000E型，英国Malvern公司；

X射线衍射仪：D8FOCUS型，德国Bruker公司；

傅里叶变换红外光谱仪：MAGNA-IR550型，美国Thermo Electron公司；

电感耦合等离子体发射光谱：OPTIMA700型，美国PE公司。

1.2 试验方法

1.2.1 高压均质油橄榄果渣IDF的制备 将油橄榄果渣IDF按1∶30 (g/mL)的料液比加入水，搅拌均匀，经高压均质机在30 MPa压力下均质8次后，4 000 r/min离心过滤得滤渣，将滤渣在50 ℃下热风干燥至质量恒定，粉碎过60目筛，所得产品密封贮存于阴凉干燥处以备用。

1.2.2 胶体磨油橄榄果渣IDF的制备 将油橄榄果渣IDF按1∶30 (g/mL)的料液比加入水，搅拌均匀，经胶体磨粉碎2 h后，4 000 r/min离心过滤得滤渣，将滤渣在50 ℃下热风干燥至质量恒定，粉碎过60目筛，所得产品密封贮存于阴凉干燥处备用。

1.2.3 微观形态观察 将IDF、高压均质IDF和胶体磨IDF分别经黏台、喷金等步骤后直接于扫描电子显微镜下观察。

1.2.4 粒度分析 以水为分散剂，将IDF、高压均质IDF和胶体磨IDF分别配制成溶液，采用激光粒度分析仪测定3种样品的粒度分布状况及比表面积。

1.2.5 X射线衍射分析 参照文献[13]对IDF样品进行X射线衍射分析。采用Segal 法[14]计算IDF、高压均质IDF和胶体磨IDF的结晶度指数。

1.2.6 红外光谱分析 分别取2 mg干燥IDF、高压均质IDF和胶体磨IDF，各与200 mg干燥KBr粉末研磨均匀后压片。扫描波长范围为4 000～400 cm-1。

1.2.7 持水力、膨胀力及持油力测定 参照文献[15]。

(1)

式中：

V——NaNO2溶液体积，mL；

m——样品质量，g。

1.2.9 体外吸附重金属Cd2+的测定 根据文献[17]修改如下：分别取3个250 mL锥形瓶，各加入100 mg/L CdSO4溶液100 mL，调节体系pH为7，取1 mL上清液，测定其Cd2+浓度(C0)，分别加入IDF、高压均质IDF和胶体磨IDF各0.50 g，置于37 ℃、转速120 r/min的摇床中振荡，于2 h后各取1 mL上清液，并测定上清液中Cd2+浓度(C1)。采用电感耦合等离子体发射光谱法测定Cd2+浓度。并按式(2)计算IDF对Cd2+的吸附量。

(2)

式中：

Q——Cd2+吸附量，mg/g；

C0——初始上清液Cd2+浓度，mg/L；

C1——吸附后上清液Cd2+浓度，mg/L；

V——加入CdSO4溶液体积，L；

m——IDF质量，g。

2 结果与分析

2.1 粒度与微观形态分析

由图1、2和表1可知，未经改性处理的IDF表面粗糙，有少许裂缝和空腔。经高压均质改性处理后IDF的结构更加疏松，出现较多的裂缝和空腔，其粒度分布比IDF更窄，且平均粒径显著减小，比表面积增大。IDF在高压均质过程中，受到挤压、剪切和高压释放等机械力作用，使其微观结构发生变化，粒径较小，推测其具有更好的持水力、膨胀力和持油力等理化性质。经过胶体磨改性处理后IDF的结构也更加疏松，且部分出现断裂和破碎，其粒度分布也比IDF更窄，平均粒径减小，比表面积增大，与IDF在胶体磨中受到的高速剪切和高频振动等机械力有关。

2.2 红外光谱分析

由图3可知，IDF、高压均质IDF和胶体磨IDF都具有纤维素类多糖的特征吸收峰。3种IDF都在3 330 cm-1处出现O—H伸缩振动峰；2 898 cm-1处是C—H的伸缩振动峰[18]；1 157 cm-1和1 027 cm-1处是纤维素和半纤维素结构中2种C—O伸缩振动峰[19]；896 cm-1处是由β-型糖苷键引起的吸收峰[20]；1 592 cm-1和1 506 cm-12处是苯环的骨架伸缩振动峰，1 506 cm-1处为木质素结构中芳香环的特征振动峰[21]。IDF、高压均质IDF和胶体磨IDF的红外光谱峰型位置基本相同，说明高压均质和胶体磨改性处理均对IDF的官能团没有影响，IDF没有产生新的化学基团，仍保持原有的基本化学结构。

表1 粒径和比表面积对比

图1 扫描电镜微观形态对比

图2 粒径分布对比

1. IDF 2. 高压均质IDF 3. 胶体磨IDF

2.3 X射线衍射分析

由图4可知，IDF、高压均质IDF和胶体磨IDF都表现出纤维素I型的特征衍射峰，均在同一位置出现1个主衍射峰(2θ=15.7°)和2个次衍射峰(2θ=15.7°和2θ=34.7°)。采用Segal法计算IDF、高压均质IDF和胶体磨IDF的结晶度指数分别为41.23%，45.35%，43.08%。说明高压均质和胶体磨粉碎改性处理对IDF的结晶结构和结晶度并无影响，可能是高压均质和胶体磨改性产生的机械力还不足以对纤维素的晶间连接关系产生明显的影响[10]。

1. IDF 2. 高压均质IDF 3. 胶体磨IDF

2.4 改性前后油橄榄果渣IDF的功能特性

由表2可知，高压均质改性处理对IDF的水合性能影响较大，其持水力、膨胀力和持油力分别提高了31.70%，78.87%，38.92%，可能是高压均质处理使IDF原本紧密的结构变得疏松，滞留水分能力增强，也使IDF的比表面积增加，暴露更多的亲水基团。胶体磨改性处理的IDF的水合性能也有所提高，其持水力、膨胀力和持油力分别提高了19.93%，47.94%，32.97%，可能是胶体磨处理使IDF粒径减小，比表面积增大，其水合性能增强。油橄榄果渣IDF持水力的提高，可以增加人体摄入IDF后的排便体积和速度，减轻直肠内的压力，使肠道内的外源有毒物质随粪便快速排出体外，从而预防肠道疾病；油橄榄果渣IDF膨胀力的提高，可以增加它在肠道产生的容积作用，使人体产生饱腹感，对预防肥胖症十分有利[22]。

表2 油橄榄果渣IDF的功能特性†

† 不同字母表示差异显著(P<0.05)，相同字母表示差异不显著(P>0.05)。

3 结论

(1) 高压均质改性处理后IDF的结构更加疏松，出现较多的裂缝和空腔，其粒度分布比IDF更窄，且平均粒径显著减小(为66.97 μm)，比表面积增大。经过胶体磨改性处理后IDF的结构也更加疏松，且部分出现断裂和破碎，其粒度分布也比IDF更窄，平均粒径减小(为79.52 μm)，比表面积增大。

(2) 高压均质和胶体磨改性处理均对IDF的官能团没有影响，仍保持原有的基本化学结构。高压均质和胶体磨改性处理对IDF的结晶结构和结晶度并无影响，都表现出纤维素I型的特征衍射峰，

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Effect of high pressure homogenization and colloid mill modification on the physicochemical properties of insoluble dietary fiber from olive pomace

DING Sha-sha1,2,3,4HUANGLi-xin1,2,3,4ZHANGCai-hong1,2,3,4,5XIEPu-jun1,2,3,4DENGYe-jun1,2,3,4WANGXiao-jie1,2,3,4

(1.InstituteofChemicalIndustryofForestProducts,ChineseAcademyofForestry,Nanjing,Jiangsu210042,China; 2.NationalEngineeringLab.forBiomassChemicalUtilization,Nanjing,Jiangsu210042,China; 3.KeyandOpenLab.ofForestChemicalEngineering,StateForestryAdministration,Nanjing,Jiangsu210042,China; 4.KeyLab.ofBiomassEnergyandMaterial,JiangsuProvince,Nanjing,Jiangsu210042,China;5.ResearchInstituteofForestryNewTechnology,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China)

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.08.003

国家重点研发计划(编号：2016YFD0600800)

丁莎莎，女，中国林业科学研究院林产化学工业研究所在读硕士研究生。

黄立新(1967—)，男，中国林业科学研究院林产化学工业研究所研究员，博士。E-mail：l_x_huang@163.com

2017—05—22