双螺杆挤压对枣渣膳食纤维的改性研究

许真，靳学远，段君，纵伟

1.鹤壁职业技术学院 食品工程学院，河南 鹤壁 458030；2.海南科技职业大学 临床医药学院，海南 海口 571126；3.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，河南 郑州 450001

0 引言

枣(ZizyphusjujubaMill)为鼠李科枣属植物，富含多糖、多酚、皂苷类等[1-3]具有生理活性的化合物. 近年来，枣加工产业发展快速，但在枣汁、枣多糖等[4-5]加工过程中产生的大量枣渣未得到合理利用，大部分被作为垃圾丢弃，这不仅浪费资源，还造成极大的环境污染.

枣渣中含有丰富的膳食纤维，但主要是不溶性膳食纤维(Insoluble Dietary Fibre，IDF)，可溶性膳食纤维(Soluble Dietary Fibre，SDF)含量较少[6]. SDF在持水率、防治便秘、降低血液胆固醇等方面较IDF具有更强的生理和药理功能[7-8]，其用途也更广泛. 目前，常采用物理法、化学法和生物法对果蔬残渣中的膳食纤维进行改性，以提高SDF含量[9-11]. 其中，物理法操作简便，对环境污染小，但改性效果欠佳；化学法改性效果较好，但反应条件剧烈，且使用的化学试剂容易对环境造成二次污染；生物法反应条件温和，但改性效果不好. 近年来，双螺杆挤压技术作为一种物理改性方法，在一些果蔬膳食纤维的改性方面得到广泛应用，其在改性过程中，集输送、混合、加热、加压等多种单元操作于一体 ，利用温压的变化，在短时间内可直接或间接实现膳食纤维素聚合物的结构变化[12]. 皇圆圆等[13]采用双螺杆挤压技术对豌豆渣IDF进行改性，提高了其膨胀性和持水性；张光等[14]采用双螺杆挤压技术对米糠膳食纤维进行改性，提高了米糠中SDF含量，且米糠膳食纤维的功能性也随结构的变化发生了改变. 枣渣膳食纤维具有不同的组成和结构，且目前采用双螺杆挤压技术对枣渣膳食纤维进行改性的研究鲜见报道.

鉴于此，本研究以灰枣为原料，采用双螺杆挤压技术对枣渣膳食纤维进行改性，通过响应面法优化双螺杆挤压工艺条件，以期提高枣渣中SDF质量分数，为枣渣膳食纤维的改性技术提供参考.

1 材料与方法

1.1 主要材料与试剂

灰枣，好想你健康食品股份有限公司产；无水乙醇(分析纯)，南京化学试剂公司产；蛋白酶(100 000 U/g)、糖化酶(50 000 U/g)、α-高温淀粉酶(5000 000 U/g)，江苏锐阳生物科技有限公司产.

1.2 主要仪器与设备

DF-101S型集热式磁力加热搅拌器，金坛市医疗仪器厂产；PHS-3C型酸度计，上海雷磁公司产；HC-3618R型高速冷冻离心机，安徽中科中佳仪器股份有限公司产；Ⅶ型双螺杆挤压膨化机，济南赛信科技有限公司产；TESCAN VEGA Ⅱ型扫描电子显微镜(SEM)，捷克TESCAN 公司产；CM-805型色差计，上海精密仪器仪表有限公司产.

1.3 实验方法

1.3.1 枣渣膳食纤维的制备将灰枣去核后，添加10倍质量的水，于50 ℃条件下浸泡2 h后，打浆离心;采用压滤机压滤去除沉淀残渣中的水分，再采用60 ℃真空干燥将沉淀残渣中水分的质量分数降至5%以下，对其进行粉碎,即制得枣渣膳食纤维. 按照国标《食品中膳食纤维的测定》(GB/T 5009.88—2008)[15]检测到此时枣渣膳食纤维中的SDF质量分数为9.86%.

1.3.2 单因素试验设计将粉碎后的枣渣膳食纤维过100目筛，称取筛后的膳食纤维300 g，以SDF质量分数为指标，选取对枣渣膳食纤维改性有显著影响的3个因素，即物料水分质量分数(15%、20%、25%、30%、35%)、主机频率(29 Hz、31 Hz、33 Hz、35 Hz、37 Hz)、挤压温度(140 ℃、150 ℃、160 ℃、170 ℃、180 ℃)，按照国标《食品中膳食纤维的测定》(GB/T 5009.88—2008)[15]测定枣渣膳食纤维中SDF的质量分数.

1.3.3 响应面试验设计在单因素试验结果的基础上，根据Box-Behnken中心组合设计原则，以双螺杆挤压后的SDF质量分数为响应值(Y)，选取物料水分质量分数(A)、主机频率(B)和挤压温度(C)为自变量进行三因素三水平试验设计. 响应面试验的因素和水平见表1.

表1 响应面试验的因素与水平表Table 1 Response surface test factors and levelTable

1.3.4 微观结构的测定将样品在105 ℃条件下干燥至衡重，粉碎后，取适量样品粘于观察台，采用离子溅射方法表面喷金，在SEM下观察. SEM测试条件为：电压10 kV，电子束5×10-9mA，距离20 mm.

1.3.5 色泽的检测采用色差计，选择日光作为光源，每个样品读数8次，取平均值；仪器用标准白瓦片外部校准，使用三色协调系统L*、a*、b*表示颜色.

1.4 数据处理

所有数据均进行3次重复实验，结果取平均值. 采用SPSS 18.0进行数据显著性分析，P<0.05为差异显著.

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 物料水分质量分数固定双螺杆挤压膨化机的主机频率为33 Hz，挤压温度为160 ℃，物料水分质量分数对枣渣膳食纤维中SDF质量分数的影响如图1所示. 由图1可以看出，当物料水分质量分数为15%～25%时，SDF质量分数随物料水分质量分数的增加呈上升趋势(P<0.05)，并在物料水分质量分数为25%时达到最大值17.51%. 这是因为物料水分质量分数偏小时，水分无法在挤压机套筒内沸腾蒸发并充满套筒，套筒腔内的压力无法使物料充分膨胀，因而SDF的质量分数较低[16]. 当物料水分质量分数大于25%时，SDF质量分数呈下降趋势(P<0.05). 这是因为水分质量分数过高时，物料中的水分起到润滑剂的作用，物料在机腔内受到的挤压和剪切作用力减小，纤维高聚物不易发生断裂，因而挤压产品的SDF质量分数降低[17]. 因此，选择物料水分质量分数为25%进行下一步试验.

图1 物料水分质量分数对枣渣 膳食纤维中SDF质量分数的影响Fig.1 Effect of moisture mass fraction on SDF mass fraction of jujube pomace

2.1.2 主机频率固定物料水分质量分数为25%，挤压温度为160 ℃，主机频率对枣渣膳食纤维中SDF质量分数的影响如图2所示. 由图2可以看出，当主机频率为29～33 Hz时，随着主机频率的增大，SDF质量分数呈上升趋势(P<0.05)，并在主机频率为33 Hz时达到最大值17.51% ；当主机频率大于33 Hz时，随着主机频率的增大，SDF质量分数下降，但变化不显著(P>0.05). 这可能是由于在较低的主机频率范围内，物料在螺杆内受到的剪切力随主机频率的增大而增大，这有利于大分子的降解，从而使产品中SDF质量分数升高；当主机频率超过一定范围时，物料在机筒内停留的时间缩短，纤维高聚物的糖苷键尚未断裂就被挤出，使产品中SDF质量分数下降. 因此，选择主机频率为33 Hz进行下一步试验.

图2 主机频率对枣渣膳食纤维中 SDF质量分数的影响Fig.2 Effect of host frequency on SDF mass fraction of jujube pomace

2.1.3 挤压温度固定物料水分质量分数为25%，双螺杆挤压膨化机的主机频率为33 Hz，挤压温度对枣渣膳食纤维中SDF质量分数的影响如图3所示. 由图3可以看出，当挤压温度为140～160 ℃时，随着挤压温度的升高，SDF质量分数呈上升趋势(P<0.05)，并在挤压温度为160 ℃时达到最大值17.51% ；当温度超过160 ℃时，SDF质量分数随温度的升高呈下降趋势. 这是因为在挤压机筒内，温度越高，越容易导致物料中纤维高聚物的糖苷键发生断裂，进而使得挤压后产品中SDF质量分数升高；但温度过高会导致物料焦糊，在表面形成保护膜. 因此，选择挤压温度为160 ℃进行下一步试验.

图3 挤压温度对膳食纤维中 SDF质量分数的影响Fig.3 Effect of extrusion temperature on SDF mass fraction of jujube pomace

2.2 响应面优化试验结果分析

响应面试验结果见表2.通过Design Expet 7.1.3软件对表2的试验数据进行多元回归拟合，得到双螺杆挤压改性枣渣膳食纤维的二次多项回归模型方程为

表2 响应面试验结果Table 2 Response surface experimental results

Y=16.89+0.69A+0.63B+0.23C+

0.25AB+0.07AC+0.28BC-

0.68A2-0.69B2-0.59C2

采用SPSS软件对回归方程进行一阶求导，得到响应值Y处于最大值时A、B、C的编码值分别为：A=27.5，B=34，C=164，即双螺杆挤压改性枣渣膳食纤维的最佳工艺条件为物料水分质量分数27.5%，主机频率34 Hz，挤压温度164 ℃，此时由回归方程预测SDF质量分数的理论值为17.67%.

对该模型进行显著性检验，结果见表3. 由表3可知，F值为466.07，P<0.000 1，说明模型显著；失拟项P值为0.087 3(P>0.05)，说明失拟项不显著，模型与实际实验拟合良好，误差较小，自变量A、B、C与响应值Y之间的线性关系显著. 因此，该回归模型可用于双螺杆挤压改性红枣渣膳食纤维的理论预测.

表3 回归方程系数显著性检验Table 3 Test of coefficient significance of regression equation

为进一步研究自变量之间的交互作用，对多元回归方程的响应面曲线进行可视分析，物料水分质量分数、主机频率和挤压温度的交互作用对SDF质量分数的响应曲面图和等高线图如图4所示. 由图4可以看出，物料水分质量分数、主机频率和挤压温度两两之间的响应曲面图呈椭圆形且存在中心点，SDF质量分数在中心点附近达到最大值. 结合由回归模型数学分析得到的双螺杆挤压改性枣渣膳食纤维的最佳工艺条件，在修正条件下，经3次验证实验，得到SDF的实际质量分数17.76%，与理论预测值17.67%基本吻合. 因此，利用响应面优化得到的双螺杆挤压改性枣渣膳食纤维的工艺参数可靠，具有较好的实用价值.

图4 各因素交互作用的响应曲面图和等高线图Fig.4 Response surface plot and contour plot for the interaction of various factors

2.3 双螺杆挤压改性后枣渣膳食纤维的特性分析

2.3.1 微观结构分析枣渣膳食纤维的微观结构与其粉碎后的粉体流动特性密切相关，枣渣膳食纤维改性前后的SEM图见图5. 由图5可以看出，改性前，枣渣膳食纤维的表面形貌不均匀，聚集体结构不规整且疏松，隐约可见其表面的鳞片状结构，这可能是由于冷冻干燥过程中水分直接升华，影响其保持原有结构. 改性后，枣渣膳食纤维的表面形貌较为均匀，聚集体结构致密，分子间交联作用增强，也可见其表面的蜂窝状多孔结构，表明其粉碎后的粉体流动性增强.

图5 枣渣膳食纤维改性前后的SEM 图(200×)Fig.5 SEM of jujube dietary fiber before and after modification (200×)

2.3.2 色泽分析改性前后枣渣膳食纤维的色泽见表4. 由表4可知，枣渣膳食纤维改性前的L*、a*、b*均比改性后高，即膳食纤维改性后亮度变低，且色泽中的红色和黄色成分也降低，表明改性后膳食纤维的色泽变淡、变暗.

表4 枣渣膳食纤维改性前后的色泽变化Table 4 Color difference before and after modification of dietary of jujube pomace

3 结论

本文以灰枣为原料，通过单因素试验及响应面优化后的双螺杆挤压改性枣渣膳食纤维的最佳工艺条件为物料水分质量分数27.5%，主机频率34 Hz，挤压温度164 ℃，在此工艺条件下，枣渣膳食纤维改性后的SDF质量分数增加，为17.76%. 物料水分质量分数、主机频率、挤压温度均对响应值SDF质量分数具有显著影响. 进一步研究发现，双螺杆挤压可改善枣渣膳食纤维的表面形貌和色泽，使其粉体流动性增强，色泽变淡、变暗. 本研究表明双螺杆挤压技术是枣渣膳食纤维改性的一种适宜方法，对枣渣膳食纤维的开发和利用具有一定的促进作用.