雙螺桿擠出工藝對人參渣中SDF含量的影響

劉婷婷，樊紅秀，劉鴻鋮，王大為

（吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林長春130118）

雙螺桿擠出工藝對人參渣中SDF含量的影響

劉婷婷，樊紅秀，劉鴻鋮，王大為*

（吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林長春130118）

以人參加工廠廢棄的人參渣為原料，采用雙螺桿擠出技術對其進行低聚化處理，提高人參渣中可溶性成分的含量。采用單因素實驗考察了水分添加量、擠出溫度和物料粒度對可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）含量的影響，并在單因素實驗的基礎上，通過響應面實驗對工藝進行優化。采用凝膠色譜法測定擠出前后人參渣中SDF組分的分子量分布。結果表明，雙螺桿擠出的最佳工藝參數為：水分添加量142%，擠出溫度162℃，物料粒度目數80目，在最佳條件下SDF得率為24.94%。擠出后人參渣中SDF多糖的分子量分布在12915和5201，均達到了高品質膳食纖維的功能活性要求。

人參渣，雙螺桿擠出，可溶性膳食纖維（SDF），凝膠過濾色譜

人參是五加科人參屬植物，是我國傳統的名貴中藥，具有滋補養氣，活血化瘀，止咳平喘，延年益壽等功效[1-2]。雖然我國是人參產量大國，卻是人參產業弱國，多年來我國人參加工利用率低，人參產品加工中通常只提取人參皂苷、揮發油等少量活性成分，而將富含膳食纖維的人參渣丟棄，不僅浪費資源，同時又污染環境[3]。人參渣是人參活性成分提取過程中伴隨產生的副產物，無副作用，不僅含有大量的膳食纖維、淀粉等營養物質，還含有少量的氨基酸、皂苷等活性成分[4]，但目前有關對人參廢渣的利用僅僅限于飼料[5]，而對人參渣應用到食品中的相關研究尚未報道。

眾所周知，膳食纖維（Dietary Fiber，DF）對人體健康有著很重要的生理功能，其中的可溶性膳食纖維（Soluble Dietary Fiber，SDF）能更多地發揮代謝功能，如降低血清膽固醇、防治膽結石、糖尿病、高血壓及心臟病等[6-7]。天然人參渣中SDF含量僅為2%左右，對人體沒有顯著的保健作用。擠壓蒸煮技術不但可以明顯提高SDF含量，使得物料具有很高的膨脹力和持水性，同時淀粉糊化，蛋白質中部分硫鍵斷裂，易于消化，這種微粒化的膳食纖維適合于添加于食品中[8]。因此，本文以人參加工廠廢棄的人參渣為原料，采用擠壓蒸煮技術對其進行低聚化處理，提高其可溶性成分含量，增加其生理功能。為進一步開拓我國人參保健品和食品市場，促進高技術含量和高附加值人參新產品的研發開辟了一條新途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

人參渣 吉林省宏久生物科技股份有限公司；葡聚糖凝膠G-100（直徑40～120μm，分析純） 百奧生物技術有限公司；Dextran T-10、T-40、T-70、T-500、T-2000葡聚糖標準品 瑞典Pharmacia公司；耐高溫α-淀粉酶（酶活4萬U/mL） 棗莊市杰諾生物酶有限公司；Alcalase 2.4L FG堿性蛋白酶、糖化酶（酶活16萬U/mL） 諾維信生物技術有限責任公司。

DS-30B雙螺桿擠出實驗機 山東賽信膨化機械有限公司；BSZ-160F型自動收集器 上海精科實業有限公司；1.6cm×40cm層析柱 上海精密科學儀器有限公司；TV-1901雙光束紫外可見分光光度光度計 北京普析通用儀器有限公司；LJG-12冷凍干燥機 北京松源華興科技發展有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料預處理 人參渣清洗去雜后，置于攪拌機中，加入適量的水進行濕法破碎。目的是破壞人參的細胞壁，使淀粉顆粒最大限度的暴露出來，與纖維很好地分開。得到的漿液經120目（0.125mm）篩過濾后，用純凈水洗滌濾渣，得到初步脫淀粉的人參渣。參考GB/T 5009.88-2008中耐高溫α-淀粉酶、蛋白酶和糖化酶的水解條件，進一步水解人參渣中的淀粉和蛋白質，將酶解后的物料置于60℃烘箱中干燥2d后，得到脫淀粉和蛋白后的人參渣，作為雙螺桿擠出的原料。

1.2.2 人參渣雙螺桿擠出單因素實驗

1.2.2.1 水分添加量的考察 在擠出溫度160℃，物料粒度80目的條件下，分別選擇120%、130%、140%、150、160%的水分添加量對人參渣進行擠出處理，考察水分添加量對擠出物SDF得率的影響。

1.2.2.2 擠出溫度的考察 在水分添加量140%，物料粒度80目條件下，分別選擇140、150、160、170、180℃的擠出溫度進行擠出處理，考察擠出溫度對擠出物SDF得率的影響。

1.2.2.3 物料粒度的考察 在水分添加量140%，擠出溫度160℃的條件下，選擇60、80、100、120目的物料進行擠出處理，考察物料粒度對擠出物SDF得率的影響。

1.2.3 人參渣擠出工藝優化實驗設計 采用Design Expert 7.0分析軟件及Box-Behnken中心設計原理，在單因素實驗的基礎上，選取物料水分添加量（X1，%）、擠出溫度（X2，℃）、物料粒度（X3，目）作為響應因素，以擠出物中SDF得率（Y，%）作為響應值，設計三因素三水平響應面實驗，實驗設計因素水平見表1。

表1 雙螺桿擠出響應面分析實驗設計因素水平Table.1 The levels of factors for response surface test of twin-screw extrusion

1.2.4 SDF得率的測定 按照GB/T 5009.88-2008《食品中膳食纖維的測定》中可溶性膳食纖維的測定方法，提取樣品中的SDF，并根據公式（1）計算樣品中SDF得率[9]。

式中：m1為樣品中SDF質量，g；m2為樣品質量，g；w1為SDF含水量，%；w2為樣品中的含水量，%。

1.2.5 SDF相對分子質量測定 凝膠過濾是一種簡便、廉價、經驗的分子量測定方法，這種技術操作條件溫和、分離效果好并且不易引起生物樣品變性失活[10]。本研究采用葡聚糖凝膠過濾法對樣品中可溶性膳食組分的相對分子質量進行測定。

分別稱取葡聚糖標準品Dextran T-10、T-40、T-70、T-500，用蒸餾水配成濃度為3mg/mL的標準溶液，上SephadexG-100層析柱（1.6cm×40cm），上樣體積為1mL。蒸餾水洗脫，洗脫流速為18s/滴，每10min收集一管，采用苯酚-硫酸法檢測洗脫液中的多糖含量，繪制洗脫曲線，求得各自的洗脫體積Ve；用分子量200萬的葡聚糖（Dextran T-2000）上柱，求得柱的外水體積Vo。以Ve/Vo為橫坐標，以分子量的對數值lgM為縱坐標，繪制標準曲線[11]。參考GB/T 5009.88-2008，從擠出前后的物料中提取SDF組分，真空冷凍干燥，制得供試樣品。樣品的層析條件控制與標準品一致，得到洗脫體積Ve，將Ve/Vo值代入回歸方程中即可求得樣品的分子量分布。

2 結果與分析

2.1 雙螺桿擠出單因素實驗結果

2.1.1 水分添加量對SDF得率的影響 從圖1可以看出，水分添加量是影響SDF得率的一個重要因素。當水分添加量低于140%時，SDF得率隨著水分添加量的提高而增大，說明物料含水量越大，產生的蒸汽量越大，膨化動力越強，對物料分子的切割力越強；而當水分添加量超過140%時，SDF得率開始降低，這是因為過量的水分大部分是自由態和表面吸附態的水，較易優先汽化，占有有效能量，使擠出溫度迅速降低，影響膨化效率[12]。因此最佳水分添加量選擇140%。

圖1 水分添加量對SDF得率的影響Fig.1 The effect of water feed rate on the SDF yield

2.1.2 擠出溫度對SDF得率的影響 由圖2可以看出，擠出溫度也是影響SDF得率的一個重要因素。當擠出溫度小于160℃時，SDF得率隨著擠出溫度的升高而增大，表明擠出過程中適當提高溫度可以提高反應自由能，促進改性作用的進行；而當擠出溫度超過160℃時，SDF得率開始下降，這是因為當擠出溫度過高時，物料會發生焦糊，結成硬塊而堵住擠出腔。故最適宜的擠出溫度為160℃。

圖2 擠出溫度對SDF得率的影響Fig.2 The effect of extrution temperature on the SDF yield

2.1.3 物料粒度對SDF得率的影響 由圖3可知，在60～80目的粒度范圍內，擠出物中SDF得率隨著粒度的增加而增加，而當粒度超過80目時，SDF得率開始下降。這是因為粒度過大時，物料與螺桿之間摩擦力的增大，使得在擠出腔內不易輸送，易發生逆流，并且粒度過大的物料其中心升溫緩慢，在較短的擠出過程中也不能被完全降解[13]；而物料粒度繼續減小時，物料與機筒間的摩擦力減弱，擠出腔內物料易打滑，輸送困難。故本實驗條件下80目人參渣的擠出效果最佳。

圖3 物料粒度對SDF得率的影響Fig.3 The effect of particle size of material on the SDF yield

2.2 擠出工藝參數的優化

2.2.1 模型的建立及其顯著性檢驗 Box-Behnken實驗設計安排以及實驗結果如表2所示，采用Design Expert 7.0軟件對實驗數據進行回歸分析，經多元回歸擬合分析得到SDF得率與各因素變量的編碼二次方程模型為：Y=24.01+1.774X1+3.159X2+0.601X3+ 1.615X1X2-1.228X1X3+0.4725X2X3-2.804X12-4.429X22-1.462X32二次多項式回歸系數的方差分析結果及模型系數顯著性檢驗結果如表3所示，可以看出回歸模型的p值＜0.0001，表明該模型方程高度顯著，回歸模型與實測值能很好的擬合；模型的校正決定系數R2Adj= 0.9437，預測值與實測值之間具有高度的相關性，說明方程可靠性較高。模型方程中的一次項的X1、X2以及二次項X12、X22對SDF得率（Y）的影響極顯著，交互項X1X2和X1X3以及二次項X32影響顯著。擠出過程中對SDF得率影響程度由強到弱的因素為：擠出溫度＞水分添加量＞物料粒度。

表2 Box-Benhnken實驗設計矩陣及結果Table.2 Box-Behnken design matrix and corresponding results

表3 響應面二次方程模型的方差分析Table.3 Analysis of variance for quadratic model of response surface

2.2.2 SDF提取率響應面分析與最優工藝條件的確定 由回歸方程所作的響應面圖如圖4所示。由三組圖對比可知，水分添加量（X1）和擠出溫度（X2）交互作用、水分添加量（X1）和物料粒度（X3）交互作用對擠出物中SDF得率的影響最為顯著，表現為圖4（a）和圖4（b）響應面的曲面較陡；物料粒度（X3）和擠出溫度（X2）交互作用的影響最弱，表現為圖4（c）響應面圖的曲面坡度較緩。

2.2.3 擠出工藝條件優化及驗證 采用Design Expert7.0軟件對回歸方程進行模擬優化，得到最優條件的理論參數值為水分添加量142.10%，擠出溫度162.2℃，物料粒度81.97目，在此最佳工藝條件下SDF得率的理論值為25.09%，考慮實際條件及可操作性，確定最優擠出條件為物料水分添加量142%，擠出溫度162℃、物料粒度目數80目，將上述最優條件參數換算成編碼值后代入回歸方程，得到SDF得率的理論值為25.08%。采用上述優化出的工藝參數對人參渣進行擠出處理3次，實際測得SDF得率為24.94%，與理論值較為接近，表明采用該數學模型對擠出工藝進行優化是可行的。

圖4 各交互因素作用的響應面圖Fig.4 Response surface plots for the interactive effects of independent variables

2.3 凝膠過濾法測定SDF多糖分子量分布的測定結果

由T-2000標準品測得柱的外水體積Vo=15.5mL，葡聚糖標準品Dextran T-10、T-40、T-70和T-500的洗脫結果如表4所示，以分子量的對數值lgM對Ve/Vo值進行線性回歸，得到的相對分子質量的回歸方程如圖5所示。從線性回歸結果中可以看出，在10000～500000的分子量范圍內呈良好的線性關系。擠出前人參渣SDF的洗脫體積分別為36.3、39.3mL，擠出后SDF的洗脫體積為46.3、52.3mL，代入回歸方程y＝－1.0202x＋7.1586，得到的擠出前后人參渣相對分子量分布如圖6所示。

表4 葡聚糖標準品的SephadexG-100凝膠層析結果Table.4 Results of SephadexG-100 gel chromatography for standard glucans

圖5 葡聚糖標準品的Ve/Vo-lgM標準曲線Fig.5 Calibration curve of Ve/Vo-lgM for standard glucans

圖6 擠出前后人參渣SDF的分子量分布圖Fig.6 Molecular weight distribution diagrams for unextruded and extruded ginseng residue

由圖6可以看出，經SephadexG-100柱洗脫后均出現了兩個較大的洗脫峰，表明擠出前后人參渣中的SDF多糖都是不均一的高聚物，分子量分布較寬。擠出前人參渣中SDF多糖的分子量分布在59047和37308上；而在擠出后SDF多糖的分子量分布圖中，5萬和3萬左右的大分子量峰消失，取而代之是12915和5201的分子量分布。1萬和5000分子量多糖的來源有兩種可能，一種是本身就含有，另一種可能是從分子量大的高聚物上裂解下來的，而后者的可能性較大。說明在擠壓蒸煮的各種強作用力下，某些不溶性及可溶性高聚物的結構發生一定的降解，最終生成分子量較小的多糖碎片。而對于特定的膳食纖維種類，其分子量在很大程度上決定了該種膳食纖維能被腸內有益菌群發酵的難易程度，是影響其生理活性發揮一個重要因素[14]。因此擠出物中SDF分子量分布的這些變化將有助于提高其溶解性，更好地發揮生理功能。

3 結論

采用擠出技術對人參渣進行處理，在單因素實驗基礎上，采用響應面分析方法優化脫淀粉和蛋白人參渣的擠出工藝條件，結果表明：各因素對SDF得率的影響大小順序依次為：擠出溫度＞水分添加量＞物料粒度；最佳工藝參數為物料水分添加量142%，擠出溫度162℃、物料粒度目數80目。在此條件下SDF得率為24.94%，達到了高品質膳食纖維的品質要求，可以作為富含膳食纖維型功能性保健食品的基料。

經凝膠色譜法測定，擠出前人參渣SDF多糖的分子量分布在59047和37308上，而擠出后人參渣SDF多糖的分子量分布在12915和5201上，可見擠出處理使人參渣的SDF組分進一步降解成小分子量的多糖碎片，進一步提高了其生理活性。

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Effect of twin-screw extrusion technique on the content of SDF in ginseng residue

LIU Ting-ting，FAN Hong-xiu，LIU Hong-cheng，WANG Da-wei*
（College of Food Science and Engineering，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，China）

Ginseng residue discarded by ginseng processing factory was used as raw material and exposed to depolymerization treatment by twin-screw extrusion technique.The effects of water feed rate，extrusion temperature，and particle size of material on the content of soluble dietary fiber（SDF）were investigated by single factor experiments and the process was optimized by response surface test based on single factor experiments.The molecular weight distributions of SDF fraction in unextruded and extruded ginseng residue were determined by gel filtration chromatography.The results showed that the optimum technological parameters of twin-screw extrusion were achieved with 142%of water feed rate，162℃of extrusion temperature，80-mesh of particle size of material，under which the yield of SDF was 24.94%.Molecular weight distributions of SDF fraction in extruded ginseng residue was found to be at 12915 and 5201，which reached the requirement of functional activity of high-quality dietary fiber.

ginseng residue；twin-screw extrusion；soluble dietary fiber（SDF）；gel filtration chromatography

TS209

B

1002-0306（2014）06-0216-05

2013－07－16 *通訊聯系人

劉婷婷（1984-），女，博士，講師，研究方向：糧食、油脂與植物蛋白工程。

國家“863”計劃項目（2011AA100805）；長春市科技計劃項目（長科技合2013183，13NK12）。