CO2辅助挤压对马铃薯渣可溶性膳食纤维的影响

邹妍，王力，王梅，雷尊国，董楠，*

（1.贵州轻工职业技术学院，贵州贵阳550025；2.贵州省农业科学院生物技术研究所，贵州贵阳550025）

马铃薯渣是马铃薯在生产淀粉过程中的主要副产物，而按照推算每吨马铃薯淀粉会带来6 倍～7 倍的鲜马铃薯渣。由于薯渣中残留了大量蛋白质，加之水分含量高，便成了滋生微生物的温床，不及时处理会给环境带来非常严重的危害。薯渣中含有大量的膳食纤维，目前主要用于饲料工业加工，在食品领域的应用仍较少。随着公众对健康的需求提升，含有膳食纤维的食物越发受到欢迎。而对于肠道健康有益的可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）更是受到热捧。姚琦等[1]利用联合酶法将马铃薯渣中膳食纤维的比例提高到76.92%。程力等[2]采用纤维素酶处理湿马铃薯渣，制备可溶性膳食纤维，对其理化性质及功能性质进行研究研。

挤压能够影响物料中膳食纤维的含量与组成并提高SDF 含量的这一事实受到了极大的关注。大量研究表明，挤压改性可提高物料中可溶性膳食纤维的含量[3-8]。而CO2辅助挤压作为一种新型挤压技术，由于CO2产生的压力，比传统挤压改性效果好，能更大程度地提高物料中可溶性膳食纤维的含量。研究发现，CO2辅助挤压技术可大大提高豆渣产品可溶性膳食纤维含量[由2.6%（质量分数）提高到30.1%（质量分数）]，明显改善豆渣的物化性质[9]。马铃薯渣含有丰富的淀粉、纤维素、半纤维素、果胶、蛋白质、多酚等物质[10-11]，在我国，平均每年产生近百万吨马铃薯渣[12]，若不加以利用，既造成资源浪费又造成环境污染[13]。目前，对马铃薯渣膳食纤维制备方法的研究较多[14-16]，但大多为酶解法，而CO2辅助挤压对马铃薯渣膳食纤维的影响还未见报道。试验采用CO2辅助挤压技术对马铃薯渣进行挤压，旨在优化马铃薯渣挤压工艺，提高马铃薯渣中可溶性膳食纤维含量，以提高马铃薯综合利用率，为马铃薯渣膳食纤维的改性研究及加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

马铃薯：市售；柠檬酸、碳酸氢钠（分析纯）：成都市科龙化工试剂厂；丙酮（分析纯）：重庆北碚化学试剂厂；胃蛋白酶 P7000（800 U/mg～2 500 U/mg）、胰酶P7545（8×USP）、耐热 α-淀粉酶 A3306（＞10 000 U/mL）：美国Sigma 公司；其他试剂均为国产分析纯。

1.1.2 仪器与设备

SYSLG30-LV 双螺杆挤压膨化机：济南赛百诺科技有限公司；DHG-9140 电热恒温鼓风干燥箱：上海精宏实验设备有限公司；85-2 数显恒温磁力搅拌器、HH-2 数显恒温水浴锅：东莞友联仪器设备有限公司；RE-5296 旋转蒸发器：上海亚荣生化仪器厂；SHZ-ⅢD型循环水真空泵：上海圣科仪器设备有限公司；BS-223S 电子天平：德国赛多利斯公司；5810 型台式高速离心机：德国艾本德股份公司；HunterLab 色差仪：美国亨特立公司；SX-4-10 马弗炉：北京京创仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 马铃薯渣制备

将马铃薯清洗去皮后切块、磨碎。用清水洗涤及两层纱布过滤，除去其中的淀粉。得到的马铃薯渣平铺在物料架上，放于热风干燥室，60 ℃干燥24 h。干燥后的马铃薯渣粉碎过100 目筛，封袋保存备用。

1.2.2 马铃薯渣挤压改性

配制柠檬酸溶液，其中柠檬酸质量与马铃薯渣质量比为20 g/10 g，溶液中水分添加量与马铃薯渣质量分数为15%～35%。将柠檬酸溶液与马铃薯渣混合均匀后25 ℃下平衡20 min。上料前与马铃薯渣质量分数为20%的碳酸氢钠快速混匀，碳酸氢钠与柠檬酸之间的质量比例为1 ∶1～1.5 ∶1。将已制备的物料混合均匀后，倒入挤压机物料口，固定进料速率为200 g/min。调节挤压机螺杆转速为130 r/min～210 r/min，前三段螺桶温度固定为 65 ℃-105 ℃-135 ℃，终桶温度为 155 ℃～195 ℃。持续进料1 min 后收集出料，25℃下冷却10 min后于60 ℃烘箱干燥，待其水分含量在5%（质量分数）左右即可封袋保存。

1.2.3 试验方案设计

1.2.3.1 CO2发生剂添加比例和添加量对马铃薯渣SDF 的影响

考察柠檬酸与碳酸氢钠质量比分别为 1 ∶1、1 ∶1.1、1 ∶1.2、1 ∶1.3、1 ∶1.4、1 ∶1.5 时，对马铃薯渣 SDF 的影响。其他参数为：CO2气体发生剂添加量为30%（质量分数），物料含水量为30%（质量分数），螺桶温度为65 ℃-105 ℃-135 ℃-165 ℃，螺杆转速为 170 r/min。考察气体发生剂添加量为 0、10、15、20、25、30、35、40/100 g时对马铃薯渣SDF 的影响，以普通挤压为空白对照（CK）。其他参数为：柠檬酸与碳酸氢钠质量比为1 ∶1，物料含水量为30%（质量分数），螺桶温度为65 ℃-105 ℃-135 ℃-165 ℃，螺杆转速为 170 r/min。

1.2.3.2 挤压终桶温度对对马铃薯渣SDF 和理化特性的影响

考察终桶温度为 155、165、175、185、195 ℃时，对马铃薯渣 SDF、持水性（water hold capacity，WHC）、持油性（oil hold capacity，OHC）、膨胀力（swelling capacity，SC）和外观的影响。其他参数为：气体发生剂添加量为30%（质量分数），柠檬酸与碳酸氢钠质量比为1 ∶1，物料含水量为30%（质量分数），螺桶温度前三段为65 ℃-105 ℃-135 ℃，螺杆转速为 170 r/min。

1.2.3.3 物料含水量对马铃薯渣SDF 和理化特性的影响

考察物料含水量为 15、20、25、30、35/100 g 时，对马铃薯渣SDF、WHC、OHC、SC 和外观的影响。其他参数为：气体发生剂添加量为30%（质量分数），柠檬酸与碳酸氢钠质量比为1 ∶1，螺桶温度为65 ℃-105 ℃-135 ℃-165 ℃，螺杆转速为 170 r/min。

1.2.3.4 螺杆转速对马铃薯渣SDF 和理化特性的影响

考察螺杆转速为 130、150、170、190、210 r/min 时，对马铃薯渣SDF、WHC、OHC、SC 和外观的影响。其他参数为：气体发生剂添加量为30%（质量分数），柠檬酸与碳酸氢钠质量比为1 ∶1，物料含水量30%（质量分数），螺桶温度为 65 ℃-105 ℃-135 ℃-165 ℃。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 马铃薯渣水溶性膳食纤维含量的测定

水溶性膳食纤维含量的测定参考Asp 等[17]的酶重量法。SDF（真实值）=SDF（测定值）/总质量-气体发生质量。

1.3.2 马铃薯渣持水力和持油力的测定

参考Robertson 等[18]的方法。取10 mL 离心管称重，再称取125 mg 样品于离心管中，加入7.5 mL 蒸馏水，混合均匀后在室温（25 ℃）下放置1 h，离心20 min（3 000×g），倒掉上清液后称质量。

式中：m1为样品吸水后质量，g；m 为干样质量，g。

注：CO2辅助挤压样品需用透析袋（截留分子质量为1 000 D）透析去盐后干燥研磨再称量以进行后续测定。

持油力方法与持水力相同，加入的蒸馏水换为菜籽油。

1.3.3 马铃薯渣膨胀力的测定

参考Robertson 等[18]的方法。称取250 mg 样品置于10 mL 量筒中，读取干样体积。移液管准确移取5.00 mL 蒸馏水（含0.02%叠氮化钠，1 mg）加入其中。振荡均匀后25 ℃放置过夜，读取液体中膳食纤维的体积。

式中：V0为干样体积，mL；V1为膨胀后体积，mL；m 为干样质量，g。

注：CO2辅助挤压样品需用透析袋（截留分子质量为1 000 D）透析去盐后干燥研磨再称量以进行后续测定。

1.3.4 马铃薯渣颜色特性的测定

参考Altan 等[19]的方法，使用美国HunterLab（亨特立）色差仪，以原料马铃薯渣粉为对照，记录挤压样品的亮度值（L）、红值（a）和黄值（b），色差值 ΔE 的计算公式如下：

式中：ΔE 为色差；L 为亮度；b 为黄度；a 为红度。L0、b0、a0为对照值，试验以原料马铃薯渣各初始值为标准对照。

1.4 数据分析

数据分析采用SPSS 软件（Version 22.0）。方差分析使用LSD 检验，显著性差异值为p＜0.05。每个样品重复测定3 次，结果表示为平均值±标准偏差。

2 结果与分析

2.1 CO2发生剂添加比例对马铃薯渣可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）含量的影响

气体发生剂比例对马铃薯渣可溶性膳食纤维含量的影响见图1。

图1 柠檬酸与碳酸氢钠比例对马铃薯渣SDF 含量的影响Fig.1 Effect of the ratio of citric acid and sodium bicarbonate on SDF fraction in potato pulp

如图1 所示，改变CO2发生剂柠檬酸与碳酸氢钠的添加比例，马铃薯渣中SDF 含量并未发生显著变化，各处理组所得马铃薯渣中SDF 含量相差不大。即使是刚好达到柠檬酸与碳酸氢钠完全反应的比例1 ∶1.3，所得马铃薯渣中SDF 含量也不是最突出。其原因可能是手动混料不是很彻底，存在一定的局限性，或者柠檬酸与碳酸氢钠添加比例达到一定点后，过量的添加并不能产生更多的气体，体系压力变化不大，导致挤压所得马铃薯渣中SDF 含量差异不大。考虑到成本和操作的方便性，试验选取柠檬酸与碳酸氢钠添加比例1 ∶1 进行后续试验。

2.2 CO2发生剂添加量对马铃薯渣的可溶性膳食纤维（SDF）含量的影响

当柠檬酸与碳酸氢钠质量比为1 ∶1，物料含水量为 30%（质量分数），螺桶温度为65 ℃-105 ℃-135 ℃-165 ℃，螺杆转速为170 r/min 时，考察气体发生剂的添加量对马铃薯渣SDF 含量的影响，结果见图2。

由图可知，CO2辅助挤压所得马铃薯渣SDF 含量显著高于普通挤压。随着气体发生剂添加量的增加，马铃薯渣SDF 含量逐渐增加，以添加量15%（质量分数）和30%（质量分数）为明显上升点。添加量在15%～25%（质量分数）时，马铃薯渣中SDF 含量变化幅度不大，同样，添加量在30%～40%（质量分数）时，马铃薯渣中SDF 含量变化也不大，但添加量30%（质量分数）效果显著优于15%（质量分数）。综合以上，气体发生剂添加量选择30%（质量分数）较为合适。

图2 气体发生剂添加量对马铃薯渣SDF 含量的影响Fig.2 Effect of addition amount of carbon dioxide producing on SDF fraction in potato pulp

2.3 挤压温度对马铃薯渣的影响

当温度较高时，纤维高聚物的糖苷键发生断裂，导致不溶性膳食纤维向可溶性膳食纤维发生变化[20-21]。马铃薯渣SDF 含量及挤压后马铃薯渣的色度、持水力、持油力和膨胀力随着挤压温度的变化情况见表1。

由表1 可知，终桶温度不同，马铃薯渣SDF 含量差异较大，同时，持水力、持油力和膨胀力等物化特性随温度的变化也较大。随着挤压温度的升高，马铃薯渣SDF 含量逐渐上升，当温度上升到185 ℃时，SDF 含量达到13.83%（质量分数），是普通挤压的2.19 倍，与普通挤压相比差异极显著（P＜0.01）。当温度继续升高至195 ℃，马铃薯渣中SDF 含量反而有所下降，可能是温度过高导致SDF 发生美拉德反应或SDF 发生碳化反应[22]，使其含量有所下降。挤压温度对马铃薯渣的颜色影响也较为显著，随着温度的升高，颜色变化增大，白度降低，红黄色加深，主要是受美拉德反应和碳化反应的影响，试验中，温度达到195 ℃时，甚至出现了焦糊现象。随着挤压温度的升高，马铃薯渣的持水力、持油力和膨胀力均有所增加，物化特性得到改善。综合以上，升高挤压温度有利于提高马铃薯渣SDF 含量，但温度达到185 ℃为峰值，不宜再升高，且温度过高可能会引起马铃薯渣焦糊，不利于马铃薯渣物化特性的保持。综合考虑马铃薯渣的SDF 含量、颜色及水合特性，马铃薯渣挤压温度选185 ℃较合适。

表1 终桶温度对马铃薯渣SDF 含量及物化特性的影响Table 1 Effect of the finale temperature on SDF fraction and physicochemical properties of potato pulp

2.4 物料含水量对马铃薯渣的影响

物料含水量对马铃薯渣SDF 含量及物化特性的影响见表2。

物料含水量越高越有利于物料在挤压机桶内的运转[23]，但马铃薯渣SDF 含量与物料含水量并不是简单的正相关关系。由表2 可知，随着物料含水量的增加，马铃薯渣SDF 含量呈先升高后降低的变化趋势，当物料含水量增加至25%（质量分数）时，马铃薯渣SDF 含量达到峰值12.97%（质量分数），继续增加含水量，SDF 含量降低。物料含水量的多少会影响挤压机桶内的压力和剪切力，水分含量过高会缩短物料在机筒内相互作用的时间，不利于SDF 含量的提高[18-19]。随着物料含水量的增加，马铃薯渣颜色变化值逐渐降低，物料含水量太低，挤压过程中马铃薯渣色差变化大，在运送过程中速度过慢还可能会出现焦糊现象，从颜色变化值来看，物料含水量不宜太高。随着物料含水量的增加，马铃薯渣持水力、持油力和膨胀力逐渐增大，说明提高物料含水量有利于改善马铃薯渣的水合特性。综合以上，物料含水量为25%（质量分数）较合适。2.5 螺杆转速对马铃薯渣的影响

表2 物料含水量对马铃薯渣SDF 含量及物化特性的影响Table 2 Effect of the moisture content on SDF fraction and physicochemical properties of potato pulp

螺杆转速对马铃薯渣SDF 含量及物化特性的影响见表3。

表3 螺杆转速对马铃薯渣SDF 含量及物化特性的影响Table 3 Effect of the screw speed on SDF fraction and physicochemical properties of potato pulp

由表3 可知，螺杆转速对马铃薯渣SDF 含量和物化特性的影响与物料含水量对马铃薯渣SDF 含量和物化特性的影响相似。随着螺杆转速的提高，马铃薯渣SDF 含量呈现先增大后降低的变化趋势，当螺杆转速为170 r/min 时，SDF 含量最高12.44%（质量分数），随后略有降低。螺杆转速对SDF 含量的影响主要是由于转速提高，机筒内的压力升高，有利于不溶性物料和纤维大分子降解为水溶性成分[24]，从而使得SDF 含量增加。但螺杆转速过高，物料与物料之间的相互作用反而降低，物料在机筒内停留时间变短，不利于不溶性纤维的降解[8]。随着螺杆转速的增大，颜色变化（ΔE）减小，主要是因为转速越快，物料在机筒内停留的时间越短，美拉德反应或碳化反应不彻底，不至于产生焦糊现象。转速增加，马铃薯渣的持水力、持油力和膨胀力均有所提高，水合特性得以改善。综合以上，螺杆转速选择170 r/min。

3 结论

CO2辅助挤压技术作为一种新兴的挤压技术，在挤压膨化、粉碎、物料降解等行业应用前景广阔。试验以马铃薯渣SDF 含量为主要考察指标，对挤压工艺参数CO2发生剂添加比例、添加量及挤压温度、物料含水量和螺杆转速进行了优化。综合考虑物料颜色、持水力、持油力和膨胀力的变化，得出最佳工艺条件为：CO2发生剂柠檬酸与碳酸氢钠添加比例1 ∶1、添加量30%（质量分数）、挤压温度185 ℃、物料含水量25%（质量分数）、螺杆转速170 r/min。在此工艺条件下，挤压所得马铃薯渣SDF 含量较高，色泽较好，且水合特性得到较好地保持，可为马铃薯渣膳食纤维的改性提供参考，提高马铃薯的综合利用价值。