金柚幼果膳食纤维提取优化及其在蛋白棒中的应用

吴悦洲， 叶 霞， 黄妙如， 吴丽英， 王淑雯，马路凯，4， 肖更生，4， 王 琴，3，4， 刘袆帆*，3，4

（1.仲恺农业工程学院 轻工食品学院，广东 广州 510225；2. 西乐健康科技股份有限公司，广东 广州 510000；3.仲恺广梅研究院，广东 梅州 514021；4. 仲恺农业工程学院 广东省岭南特色食品科学与技术重点实验室，广东 广州 510225）

金柚是广东省的特色农产品，生产地主要集中在广东梅州。 金柚果实个大、汁多味甜，并富含营养和药用价值。 但金柚种植生产过程中，仅生理落果、人工疏果以及残次幼果估计便有10 万吨以上[1]。 这些金柚幼果因失去了鲜食食用价值而被丢弃，浪费了其本身的营养物质的同时也降低了经济效益。 金柚幼果的营养价值很高，在深加工方面有极大的应用前景，其中，膳食纤维（Total dietary fibre）因其特有的吸水性、膨胀力等作用，在预防人体肠胃疾病和维持肠胃健康方面功能突出。 有研究表明，宿主摄入膳食纤维后，会在大肠内发酵后产生短链脂肪酸，调节肠道微生物群，从而预防肠道疾病，因而有“肠道清道夫”的美称[2]，膳食纤维在一定程度还可以预防代谢性疾病，例如肥胖、2 型糖尿病等。 由于目前膳食更加偏向于精细化，对膳食纤维的摄入量不足且种类单一，易引起膳食纤维缺乏，进而导致疾病[3]。 因此联合国粮食及农业组织建议人均每天膳食纤维摄入量应达到27 g，我国营养学会建议成人每天摄入量为30 g[4]。

蛋白棒是一类富含优质蛋白质的产品，通过添加植物蛋白质（如大豆分离蛋白）和动物蛋白质（如浓缩乳清蛋白）等混合搭配，为人体补充优质蛋白质、增强抵抗力、缓解疲劳[5]。 普通的蛋白棒通常以蛋白粉、奶粉等为主要原料，膳食纤维含量低。 目前已有研究表明，将膳食纤维添加到饼干、面包等食品中可以改善其口感及特性，并取得了良好的成果[6]。

因此，作者将通过单因素实验和响应面实验对金柚幼果膳食纤维的提取工艺进行优化，得到金柚幼果膳食纤维，按照不同比例将幼果膳食纤维添加到蛋白棒中，通过测定蛋白棒的质构特性以及感官特性的变化，研究金柚幼果膳食纤维添加对蛋白棒的影响，为幼果膳食纤维的开发和综合利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

金柚幼果：购自梅州市场；无水乙醇：天津市永大化学试剂有限公司产品。

1.2 仪器与设备

LRH-250-HS 恒温恒湿培养箱：广东泰宏君科学仪器股份有限公司产品；FR-900 封口机：浙江鼎业机械设备有限公司产品；HY-200 型标准分样筛：金源筛网有限公司产品；电子天平：常熟市双杰测试厂制造；TA-XT2i 质构仪： 英国 Stable Micro Systems 公司产品。

1.3 实验方法

1.3.1 金柚幼果膳食纤维提取生产工艺流程 新鲜幼果→清洗→切块→热风干燥→粉碎→过筛（80目）→称质量→加水搅拌→超声、 糊化、 水浴锅振荡→醇沉→抽滤→干燥→粉碎→获得金柚幼果膳食纤维。

1.3.2 金柚幼果膳食纤维提取工艺优化[7]

1）单因素实验 料液质量体积比对膳食纤维提取的影响。 分别称取10.00 g 样品5 份置于500 mL锥形瓶中， 然后分别按照料液质量体积比为1 g∶10 mL、1 g∶12 mL、1 g∶14 mL、1 g∶16 mL、1 g∶18 mL 向锥形瓶加入蒸馏水进行搅拌并放入超声振荡55 min，在沸水浴中糊化15 min，再在50 ℃下振荡30 min， 考查料液质量体积比对金柚幼果膳食纤维提取效果的影响。

超声时间对膳食纤维提取的影响。 分别称取5份10.00 g 样品置于250 mL 锥形瓶中，按照料液质量体积比为1 g∶16 mL 加入蒸馏水进行搅拌并放入超声振荡，分别振荡15、35、55、75、95 min，在沸水浴中糊化15 min，再在50 ℃下振荡30 min，考查超声时间对金柚幼果膳食纤维提取效果的影响。

振荡温度对膳食纤维提取的影响。 分别称取5份10.00 g 样品置于250 mL 锥形瓶中，按照料液质量体积比为1 g∶10 mL 比例加入蒸馏水进行搅拌，然后超声振荡55 min， 在沸水浴中糊化15 min，再分别在20、35、50、65、80 ℃下振荡30 min， 考查振荡温度对金柚幼果膳食纤维提取效果的影响。

2）金柚幼果膳食纤维得率的测定 膳食纤维提取率，按下列式计算：

式中：Y 为膳食纤维提取率，%；M1为提取的膳食纤维质量，g；M2为金柚幼果样品的质量，g。

3）响应面实验 根据Box-Benhnken 实验设计原理，在单因素实验的基础上，以料液质量体积比（A）、超声时间（B）、振荡温度（C）为自变量，膳食纤维提取率（Y）作为实验的响应值，实验因素设计水平见表1，响应面实验设计及结果详见2.1.2。

表1 响应面实验因素水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

4）验证实验 在响应面优化实验所得的最佳工艺条件下，进行3 次平行验证实验。

1.3.3 金柚幼果膳食纤维蛋白棒的制作及研究

1）工艺流程 称料→配料→混料→压模成型→冷却→包装。

2）金柚幼果膳食纤维蛋白棒配方设计 浓缩乳清蛋白13.73 g，大豆蛋白分离粉8.53 g，速溶豆粉8.53 g，抗性糊精6.67 g，圆苞车前子壳粉1.4 g，中链甘油三酯微囊粉1.8 g，全脂乳粉12.5 g，速溶咖啡粉1.6 g，碱化可可粉1 g，食品用香精1.5 g，赤藓糖醇粉8 g，金柚幼果膳食纤维4 g，膨化藜麦球6.6 g，曲奇饼碎2.6 g，低聚异麦糖液12.45 g，山梨糖醇液12.45 g，椰子油6.6 g，甘油4.7 g，大豆磷脂0.17 g，黄原胶0.07 g，水2.4 g[8]。

3）金柚幼果膳食纤维蛋白棒感官评价 感官评价标准如表2 所示，由7 名经验丰富的感观评定员进行评定，感官评价分数以平均分计。

表2 感官评价标准Table 2 Sensory evaluation criteria

4）金柚幼果膳食纤维蛋白棒质构特性分析将完整无破损的蛋白棒放在质构仪测试台上准备进行TPA 测试。 设置的测试条件为： 下压速度60 mm/min，起始力0.5 N，量程500 N，高度15 mm，形变量25%，两次压缩速度之间停留5 s。 每次取3 根蛋白棒分别测试，取平均值。

2 结果与分析

2.1 金柚幼果膳食纤维提取工艺优化

2.1.1 单因素实验

1）料液质量体积比对膳食纤维提取的影响如图1 可知，随着料液质量体积比增大，金柚幼果膳食纤维的提取率逐渐减小，尤其是在料液质量体积比为1 g∶10 mL 到料液质量体积比1 g∶14 mL 是急剧下降，然后料液质量体积比增加，提取率下降的幅度变小。 在料液质量体积比1 g∶10 mL 时，膳食纤维提取率达到最大值，能提取55.5%。在料液质量体积比1 g∶10 mL～1 g∶16 mL 过程中，膳食纤维的提取率不断下降，出现这种情况可能的原因是加入的去离子水越多，单位体积的提取溶液受到超声的热效应、机械作用、穿透力等强度均减弱[9]，导致金柚幼果膳食纤维的提取率下降。 故选择料液质量体积比的实验优化条件为1 g∶10 mL。

图1 料液质量体积比对金柚幼果膳食纤维提取效果的影响Fig. 1 Effect of solid-liquid ratio on extraction of dietary fiber from golden pomelo juvenile fruit

2）超声时间对膳食纤维提取的影响 由图2可知，超声时间的不断增加，金柚幼果膳食纤维提取率呈先增加后下降的趋势。 在超声处理时间为55 min 时，提取率达到最大47.3%，然后超声处理时间超过55 min 后，膳食纤维的提取率急剧下降。 可能的原因是超声波能在物料内部产生强烈振动，加速度和空化效应对植物细胞和分子间产生强大作用[10]，能将膳食纤维更多的提取出来，但是当超声时间太长，金柚幼果中膳食纤维结构会被破坏，从而导致提取率下降。

图2 超声时间对金柚幼果膳食纤维提取效果的影响Fig. 2 Effect of ultrasonic time on extraction of dietary fiber from golden pomelo juvenile fruit

3）振荡温度对膳食纤维提取的影响 由图3可知，在开始时，金柚幼果膳食纤维提取率随时间的增加呈先升高后降低的趋势。 可能的原因是温度升高能增加不同分子间的布朗运动[11]， 细胞内部分子运动剧烈，加速细胞壁破裂，使得膳食纤维被提取出来，提取率增大；但随着温度的继续上升，膳食纤维的提取率逐渐变小。 产生这一趋势的原因可能是高温下使得细胞壁破裂后进一步分解，膳食纤维提取率下降。 所以选择35 ℃为实验优化条件。

图3 振荡温度对金柚幼果膳食纤维提取效果的影响Fig. 3 Effect of oscillating temperature on extraction of dietary fiber from golden pomelo juvenile fruit

2.1.2 响应面实验 根据Box-Benhnken 实验设计原理，在单因素实验的基础上，以料液质量体积比（A）、超声时间（B）、振荡温度（C）为自变量，膳食纤维提取率（Y）作为实验的响应值，响应面实验设计及结果见表3。

表3 响应面实验设计与结果Table 3 Response surface test design and results

由表4 可知回归模型P （P=0.0698）＞0.05，在α=0.05 水平下为不显著； 失拟项P=0.0010， 在α=0.05 水平下为显著。 从表可知A2呈极显著 （P＜0.01），A、B、C、AB、AC、BC、B2、C2均 不 显 著 （P ＞0.05），说明A、B、C 这3 个因素对实验的影响很小。通过观察表可知，3 个实验因素料液质量体积比（A）、超声时间（B）、振荡温度（C）对金柚幼果膳食纤维提取率的影响主次关系顺序为：C＞A＞B，3 个因素之间相互影响的主次关系顺序为：BC＞AB＞AC。 因此， 优化金柚幼果膳食纤维的提取率可以从环保、成本、操作方便等方面考虑，但这些方面对于本实验中的工艺条件差别不大，所以选择能提取最多膳食纤维的单因素条件，此时的最优工艺条件是料液质量体积比1 g∶10 mL，超声时间55 min，振荡温度35 ℃。

表4 回归方程方差分析表Table 4 Regression equation analysis of variance table

2.1.3 验证实验 通过对确定的最优搭配料液质量体积比1 g∶10 mL、 超声时间55 min、 振荡温度35 ℃进行实验验证， 金柚幼果膳食纤维提取率为（56.3±1.0）%， 与上述优化的17 个实验在相同条件下的提取率相近，则认为本实验中的最优的水平搭配是料液质量体积比1 g∶10 mL、超声时间55 min、振荡温度35 ℃。

2.2 不同金柚幼果膳食纤维添加量（质量分数）对蛋白棒的影响

2.2.1 感官评价结果 感觉指标是能最直观地描述和判断饮食质量的指标，通过看、嗅、尝、听4 个感官来判断食品的各项指标。 食品的感官指标，如外观、色泽、风味、香气、组织密度等是判别产品质量好坏的最直观的指标[12]。

金柚幼果膳食纤维添加量为0～5%的感官评价结果见表5。 由表可得，6 种不同金柚幼果膳食纤维添加量在形态上的得分均为满分20.00， 但金柚幼果膳食纤维添加量为4%的蛋白棒的色泽、 组织与硬度、 风味的评分分别为28.20、23.50、24.50， 这3项的指标得分均超过其他金柚幼果膳食纤维添加量，由此看出，添加量为4%的蛋白棒色泽更明亮，有良好的光泽度，口感松软不粘牙，有良好的咀嚼性且相比其他不同膳食纤维添加量的蛋白棒咖啡味浓郁、苦甜度适宜。 所以金柚幼果膳食纤维添加量在4%时，比其他添加量感官评价较高。

表5 不同膳食纤维添加量的蛋白棒感官评价结果Table 5 Sensory evaluation results of protein bars with different dietary fiber supplemental levels

2.2.2 质构特性的变化结果 评价质构组成变化的两种分析方法分别是通过感觉器官的评价以及质构的分析法。 感官评价法的反复性差且主观性强，不利于蛋白棒的客观评价，所以以下采用的是质构分析方法模拟人的牙齿咀嚼的过程，来分析蛋白棒的质构特性[13]。

分析金柚幼果膳食纤维添加量为0～5%的蛋白棒的质构特性中，硬度、胶黏性、弹性、咀嚼性的总体变化趋势都相似（见表6）。 添加量为0 的蛋白棒硬度、弹性、胶黏性、咀嚼性都比较高，当金柚幼果膳食纤维添加量为1%时， 这几项指标数据明显下降，但继续添加膳食纤维，其硬度、弹性、胶黏性、咀嚼性都增大。 可能的原因是膳食纤维的增加，其持水性增强，使得蛋白棒中保留了较多的水分，以至于硬度减小[20]。 向蛋白棒继续添加膳食纤维，蛋白棒内部的空隙变大，硬度、咀嚼性、弹性增加[14]。金柚幼果膳食纤维添加量为4%的蛋白棒在硬度、 胶黏性、 咀嚼性方面的感官得分比其他添加量要高，故以添加量为4%的蛋白棒测出的质构数据为最佳口感， 即该蛋白棒硬度在230 左右、 胶黏性在48 左右、弹性在1.50 左右、咀嚼性在70 左右的口感最好。

表6 不同膳食纤维添加量的蛋白棒质构数据Table 6 Structure data of protein bars with different dietary fiber supplemental levels

2.3 金柚幼果膳食纤维添加量为4%时蛋白棒在不同温度下的感官评价和特性变化结果

2.3.1 不同温度下的感官评价结果 根据表7 可知， 蛋白棒在第1 天对比30 天后感官评价得分是下降的。 总体上感官得分呈下降趋势。 相同贮存时间不同温度的蛋白棒比较，温度越高，感官评价得分越低。 主要是因为温度高，蛋白棒容易发生美拉德褐变，颜色暗沉发黑[15-16]；其次温度递增，蛋白棒的风味会减弱。 同一恒温箱放置的蛋白棒比较，随着时间的增加，感官评价的分值越低，5 ℃贮藏的蛋白棒相比较第1 天在色泽上会变浅， 光泽度会降低，然后口感会更松软，咀嚼时间会变短。25 ℃贮藏的蛋白棒随着时间的放置风味减弱， 光泽度降低，剖面更加紧密，黏度增大，咀嚼时间变长。37 ℃贮藏的蛋白棒随着时间的放置，风味减弱明显，变得更硬，黏度也增大，颜色加深，表面几乎没有光泽。

表7 蛋白棒在3 个恒温箱的感官评价结果Table 7 Sensory evaluation results of protein bars in the three incubators

2.3.2 不同温度下质构特性变化的结果 由表8可知，5 ℃贮藏的蛋白棒在硬度、胶黏性、咀嚼性的数值上呈现波动，但整体上是比第1 天测得的数值要低，也就是说在5 ℃贮藏的蛋白棒随着时间的增加，在硬度、胶黏性、咀嚼性会下降。 25 ℃贮藏的蛋白棒在硬度、胶黏性、咀嚼性总体上呈波动趋势，但30 d 贮藏后硬度比第1 天有所下降，胶黏性、弹性、咀嚼性都比第1 天的数值要高。 37 ℃贮藏30 d 后的蛋白棒硬度呈先降低后升高的趋势，弹性、胶黏性、咀嚼性都比第1 天的数值显著升高，可能的原因是蛋白棒在贮藏过程中变硬过程一般分为前期和后期两个阶段[17]，前期阶段是蛋白棒做好之后的几周或1 个月内，不同组分之间的物理变化对硬度的降低起主要作用[18]。后期阶段是储藏几个月之后，受到美拉德反应和储藏条件的影响引起的蛋白质聚集导致硬度的大幅度增加[19-20]。

表8 蛋白棒不同温度下的质构特性变化结果Table 8 Structural changes of protein bars at different temperatures

3 结语

金柚幼果膳食纤维在料液质量体积比为1 g∶10 mL、超声时间为55 min、水浴锅35 ℃、振荡30 min的条件下，平行提取3 次，所得金柚幼果膳食纤维的提取率最高，为（56.3±1.0）%。 金柚幼果膳食纤维添加到蛋白棒中能改善蛋白棒的色泽、口感与硬度等。 综合考虑蛋白棒的色度、质构特性以及感官评价等因素，金柚幼果膳食纤维在蛋白棒的添加量为4%时最适合，其硬度适中、接受度较好、感官评分最高。 金柚幼果膳食纤维添加量为4%的蛋白棒在不同温度下贮藏，会随着时间的增加，在颜色、风味、硬度和胶黏性都有明显的变化，温度越高，硬度和咀嚼性越大，颜色加深，胶黏性也会增加，但风味会减弱，不良风味增加，感官评价得分下降。 金柚幼果的经济效益低，但有丰富的膳食纤维，充分利用能降低资源损耗，提高经济效益。 金柚幼果膳食纤维结合新型代餐食品蛋白棒，可以起到提供人体膳食纤维和蛋白质的作用， 并且有降血糖降血脂的功效，为金柚幼果膳食纤维的开发和综合利用提供技术支持。