水浴和超聲法制備蘋果渣可溶性膳食纖維及其性能的研究

高 悅，張 瑩，路 祺，項鳳影，陳曉強，張 軍

（東北林業大學森林植物生態學教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱150040）

我國是世界蘋果生產第一大國，2010年我國蘋果產量為3326萬t，占世界的一半以上。目前71%的蘋果以鮮食形式消費，大約20%被用于生產加工成濃縮蘋果汁、蘋果酒和果醬等產品[1]。蘋果渣是蘋果榨汁后的廢料，占蘋果總重的25%[2]。果渣除部分用作燃料和飼料外，果汁廠都將果渣當作廢物拋棄。拋棄的果渣會在短時間內腐爛，變酸變臭，造成了環境的極大污染和資源的巨大浪費[3-5]。開發利用蘋果渣制取膳食纖維不僅可以解決蘋果加工企業的難題，而且還能變廢為寶，解決環境污染問題。對環境保護、資源合理利用都有著重要的作用。蘋果膳食纖維的分離制備方法大致可分為四類：粗分離法、化學分離法、膜分離法及微生物與酶分離法。

超聲波提取是一種利用超聲波在液體中產生的空化效應以及其對作用物產生的機械作用從而使大分子達到機械性斷鍵效果的技術，因為能夠增大溶劑向原料細胞的滲透量并破壞細胞壁，強化傳質，有效加速溶質的提取過程，與傳統提取工藝相比較，具有提取時間短、提取效率高等優點[6]，常用于生物活性成分提取。當前，有關超聲輔助法提取蘋果渣可溶膳食纖維的工作未見報道。因此本文以蘋果渣為原料，研究水浴和超聲法制備蘋果渣可溶性膳食纖維及其性能，為提高蘋果加工產品的附加值，使其變廢為寶提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蘋果渣 山東綠維果蔬汁生產有限公司提供；95%乙醇，冰醋酸，無水乙酸鈉，DPPH 均為分析純。

MAGNA-IR560 E.S.P傅立葉紅外光譜儀 美國Nicolet公司；KQ-250DB數控超聲波清器 昆明是超聲儀器有限公司；MX2600FE掃描電子顯微鏡 英國Camscan公司；D/MAX 2200X光衍射儀日本Rigaku公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 單因素實驗

1.2.1.1 水浴法 在溫度80℃，水浴時間90m in，水浴料液比1∶20g/m L和pH3條件下，固定其中一個因素的取值，探討溫度（30、40、50、60、70、80、90℃）、時間（15、30、45、60、90、120m in）、料液比（1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶60和1∶80g/m L）和pH（2、3、4、5、6、7）對蘋果渣SDF得率的影響。

1.2.1.2 超聲法 在超聲時間45m in，超聲料液比1∶20g/m L，超聲功率225W，超聲溫度60℃和pH 3條件下，固定其中一個因素的取值，探討超聲溫度（30、40、50、60、70、80℃）、超聲時間（15、30、45、60、90、120m in）、超聲料液比（1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶60、1∶80g/m L）、pH（2、3、4、5、6、7）和超聲功率（125、150、175、200、225、250W）對蘋果渣SDF得率的影響。

1.2.2 蘋果可溶性膳食纖維制備工藝流程

蘋果渣→烘干→粉碎→清洗→提取可溶膳食纖維→離心濃縮→醇沉→烘干、粉碎→可溶性膳食纖維

取10g蘋果渣（絕干），用水浸泡約30min，溫水洗滌去掉其中的可溶性糖分，加入乙酸-乙酸鈉緩沖液，在預定條件下提取可溶性膳食纖維，離心分離后對清液進行減壓濃縮，直至成粘稠狀液體。冷卻后用95%的乙醇進行沉析，再用乙醇洗滌，真空干燥、粉碎，即得蘋果可溶性膳食纖維（SDF）。

1.2.3 可溶性膳食纖維得率 按照下面公式計算蘋果渣SDF得率，每個樣品測定三次取平均值。

式中，A為可溶性膳食纖維得率（%）；m為得到的可溶性膳食纖維質量（g）；M為原料質量（g）。

1.2.4 傅里葉紅外光譜分析 將2.0mg試樣與200mg溴化鉀（KBr）經瑪瑙研缽研磨后壓片，采用美國Nicolet公司的MAGNA-IR560 E.S.P型紅外光譜儀（掃描范圍4000～400cm-1）測定。

1.2.5 X-射線衍射（XRD）分析 實驗樣品在日本Rigaku D/MAX 2200型X光衍射儀上進行主要晶相結構分析。測定條件：Cu靶，管壓：50kV；管流：30mA；2θ掃描范圍：10°～60°；掃描速度：4°/m in。每個樣品分兩次測量，取平均值。

1.2.6 電鏡掃描 將樣品烘干、粉碎過80目篩，鍍金處理，置掃描電鏡下觀察[8]。

1.2.7 抗氧化能力測定 依據Blois方法，采用DPPH自由基清除能力來評價可溶性膳食纖維抗氧能力，取一定量的樣品溶液，取0.1m L樣品水溶液加入3.9m L的DPPH乙醇溶液（濃度25mg/L），同時做空白實驗，室溫避光反應30min，反應結束在517nm處測定吸光值。按照下面公式計算抗氧化能力，每個樣品測定三次取平均值。

式中，Y為DPPH去除率（%），其中A0為空白樣品在517nm處吸光值，A1為樣品在517nm處吸光值[7]。

2 結果與討論

2.1 各個因素對蘋果渣SDF得率的影響

2.1.1 pH的影響 由圖1可知，隨著提取液pH的增加蘋果渣SDF得率隨之增加，在提取液pH等于5時達到最大值，水浴法蘋果渣SDF得率為12.76%；超聲法蘋果渣SDF得率為14.14%。之后，隨著提取液pH的進一步增加蘋果渣SDF得率開始降低。這是因為當pH較低的時候，提取液酸性較強，導致蘋果渣SDF大量水解，蘋果渣SDF得率低。隨著提取液pH的升高，提取液酸性降低，蘋果渣SDF水解作用減弱，得率逐漸增加。當提取液pH大于5時，蘋果渣中纖維水解緩慢或者不發生反應，導致蘋果渣SDF得率降低。另外，從圖1中可以明顯看出，超聲法蘋果渣SDF得率高于水浴法蘋果渣SDF得率。

圖1 pH對蘋果渣SDF得率的影響Fig.1 Effect of pH on the SDF yield of apple pomace

2.1.2 時間的影響 提取時間對蘋果渣SDF的得率有明顯的影響見圖2。當超聲時間45m in時，蘋果渣SDF得率達到最大值，繼續延長超聲時間蘋果渣SDF得率略有降低，這是因為時間過短蘋果渣SDF提取不完全，時間過長導致蘋果渣SDF過度水解也影響得率；水浴時間與蘋果渣SDF得率關系與超聲相似，也呈現隨著提取時間延長，蘋果渣SDF得率開始增加，當水浴時間超過90m in時，蘋果渣SDF得率平緩的趨勢。

圖2 時間對蘋果渣SDF提取率的影響Fig.2 Effectof time on the SDF yield of apple pomace

2.1.3 料液比的影響 從圖3可以看出，不論超聲法還是水浴法，蘋果渣SDF得率都隨著料液比的增大而增加，在1∶20時蘋果渣SDF得率達到最大值，再進一步提高料液比，蘋果渣SDF得率增加不明顯并趨于平緩。這是由于料液比較小時，蘋果渣中纖維素水解反應不完全，蘋果渣SDF得率較低，當料液比增加到一定值后，蘋果渣中纖維素水解反應徹底，蘋果渣SDF得率也不再增加。

圖3 料液比對蘋果渣SDF提取率的影響Fig.3 Effectof solid-liquid ratio on the SDF yield of apple pomace

2.1.4 溫度的影響 從圖4可以看出，隨著提取溫度的升高，水浴和超聲兩種方法的蘋果渣SDF得率分別以80℃和60℃為轉折點，呈現先增加后降低的趨勢。這是因為過高的溫度會造成蘋果渣SDF過度水解，收率降低。由于超聲起到促進蘋果渣SDF水解的作用，因而其轉折點溫度低于水浴。

圖4 溫度對蘋果渣SDF提取率的影響Fig.4 Effectof temperature on the SDF yield of apple pomace

圖5 超聲功率對蘋果渣SDF提取率的影響Fig.5 Effectof ultrasonic power on the SDF yield of apple pomace

2.1.5 超聲功率的影響 蘋果渣SDF得率隨著超聲功率增加，呈先逐漸增的加趨勢，當超聲功率超過225W時，蘋果渣SDF得率開始降低。這主要是由于隨著超聲功率增加纖維水解作用增強，蘋果渣SDF得率增加。但超聲功率過高時蘋果渣SDF水解加劇，得率反而降低。

2.2 紅外光譜分析

圖6 蘋果渣、蘋果渣提取剩余物以及蘋果渣SDF紅外光譜Fig.6 FTIR of apple pomace，the extraction residues of apple pomace and SDF of apple pomace

對紅外光譜進行分析可知（見圖6），在3402cm-1附近出現的峰是O-H的伸縮振動，2923cm-1和2852cm-1附近處是糖類甲基和亞甲基的C-H伸縮振動峰，1200～1400cm-1附近是C-H變角振動峰，這些吸收峰都為糖類的特征吸收峰。蘋果渣、蘋果渣提取剩余物（超聲法）和蘋果渣SDF樣品（超聲法）的紅外圖譜中均有此類特征吸收峰[9]。

從圖6可以明顯看出，蘋果渣SDF的紅外光譜圖在3402cm-1附近出現強圓底峰，表明超聲蘋果渣SDF存在較強分子間和分子內的氫鍵；1620cm-1附近較強的峰是C=O的伸縮振動峰；1415cm-1附近是C-H彎曲振動峰，為木聚糖的特征峰[10]；1102cm-1附近是C-OH的彎曲振動峰。

2.3 XRD分析

由圖7XRD譜圖可以看出，蘋果渣和蘋果渣提取剩余物樣品（超聲法）在2θ為21.22°處有明顯的結晶衍射峰，在15.78°和34.80°處也出現了衍射峰，說明是纖維素Ⅰ的特征X-射線衍射曲線。這表明蘋果渣和蘋果渣提取剩余物的晶體類型屬于纖維Ⅰ型，為結晶區與非結晶區兩相共存的狀態[11]。蘋果渣和蘋果渣提取剩余物樣品的峰形和峰強度略有變化，說明蘋果渣提取剩余物結晶區更多，結晶度更高。圖7（c），可以看出蘋果渣SDF（超聲法）具有高純度和高結晶度。

2.4 SEM分析

圖8為蘋果渣、蘋果渣提取剩余物（超聲法）和蘋果渣SDF（超聲法）放大3000倍的掃描電鏡照片。從圖8（a）中可以明顯看出蘋果渣表面相對光滑沒有明顯裂痕，而圖8（b）是經過超聲處理的蘋果渣提取剩余物表面有明顯的裂痕。說明超聲處理促使蘋果渣的組織結構破壞，有利于纖維素進一步水解。圖8（c）蘋果渣SDF（超聲法）呈現規整的片層結構，這與XRD結果相一致。

圖7 蘋果渣（a）、蘋果渣提取剩余物（b）和蘋果渣SDF（c）的X射線衍射圖Fig.7 XRD of apple pomace（a），the extraction residues of apple pomace（b）and SDF of apple pomace（c）

圖8 蘋果渣（a）、蘋果渣提取剩余物（b）和蘋果渣SDF（c）的掃描電鏡圖（3000×）Fig.8 SEM of apple pomace（a），the extraction residues of apple pomace（b）and SDF of apple（c）（3000×）

2.5 抗氧化能力

圖9 蘋果渣和蘋果渣SDF抗氧化能力Fig.9 Antioxidant capacity of apple pomace and SDF of apple pomace

蘋果渣和蘋果渣SDF（超聲法）抗氧化能力見圖9。從圖9可以看出，蘋果渣和蘋果渣SDF抗氧化能力都與濃度有關，隨著樣品濃度的提高，抗氧化能力也隨之增加。在相同濃度下，蘋果渣SDF抗氧化活性比蘋果渣抗氧化活性高很多，但都遠低于商業合成抗氧化BHA。

3 結論

3.1 單因素條件下水浴法提取蘋果渣SDF適合工藝條件為：水浴溫度80℃，水浴pH 5，水浴料液比1∶20和水浴時間90m in。在此條件下蘋果渣SDF得率為12.76%。

3.2 單因素條件下超聲法提取蘋果渣SDF適合工藝條件為：超聲溫度60℃，超聲pH5，超聲料液比1∶20，超聲時間45m in和超聲功率225W。在此條件下蘋果渣SDF得率為14.14%。

3.3 本實驗水浴法蘋果渣SDF得率與陳存社等[12]酸法蘋果渣SDF（11.4%）得率相當，超聲法提取蘋果渣SDF得率略低于其堿法提取蘋果渣SDF（16.1%）得率，這表明超聲波只能在一定程度上增加蘋果渣SDF得率。

3.4 蘋果渣和蘋果渣SDF（超聲法）抗氧化能力都與濃度有關，在相同濃度下，蘋果渣SDF抗氧化活性比蘋果渣抗氧化活性高很多，但都遠低于商業合成抗氧化BHA。

[1]Kaushal N K，Joshi V K，Sharma R C.Effect of stages of apple pomace collection and treatment on physio-chemical and sensory qualities of pomace leather[J].Journal of Food Science and Technology，2002，39（4）：388-393.

[2]Francielo V，Patrcia M A，Fernanda S，et al.Apple pomace：a versati1e substrate for biotechnological applications[J].Critical Reviews in Biotechnology，2008，28（1）：1-12.

[3]籍寶平，尤希風，張博潤.蘋果渣發酵生產飼料蛋白的工藝條件[J].生物工程進展，1999，19（5）：30-32.

[4]孔祥浩，郭金雙.葡萄渣飼用研究概況[J].中國飼料，1997（6）：37-38.

[5]張玉臻，林學致，劉宏.蘋果渣皮固態發酵的研究[J].食品與發酵工業，1996（3）：29-32.

[6]Patist A，Bates D.Ultrasonic innovations in the food industry：From the laboratory to commercial production[J].Innovative Food Science and Emerging Technologies，2008，9（2）：147-154.

[7]郭爽.四種抗氧化劑的活性研究及測定總抗氧化能新法初探[D].鄭州：河南農業大學，2005.

[8]樂勝鋒.蘋果渣膳食纖維的制備及其性能表征[D].北京：北京工商大學，2011.

[9]陳宗其.膠體化學[M].北京：高等教育出版社，1985.

[10]張艷華，凡啟光，何建新.木棉纖維的結構與熱性能[J].山東紡織科技，2009（1）：48-52.

[11]高潔，湯烈貴.纖維素科學[M].北京：科學出版社，1999：41-60.

[12]陳存社，董銀卯，趙華，等.蘋果膳食纖維改性實驗研究[J].食品工業科技，2003，24（6）：34-35.