花生殼膳食纖維化學改性工藝參數優化及品質分析

吳麗萍，朱 妞，陳雪峰

（黃山學院生命與環境科學學院，安徽黃山 245041）

花生殼膳食纖維化學改性工藝參數優化及品質分析

吳麗萍，朱 妞，陳雪峰

（黃山學院生命與環境科學學院，安徽黃山 245041）

為改善花生殼膳食纖維可溶性，以花生殼膳食纖維為原料，氫氧化鈉為催化劑，一氯乙酸為醚化劑，對花生殼膳食纖維的醚化改性進行了研究。通過單因素、正交實驗優化化學改性最佳工藝參數，通過SEM電鏡掃描觀察及物化特性研究對其品質進行分析。結果表明，花生殼膳食纖維化學改性最佳工藝參數為：NaOH濃度30%，堿化溫度30℃，一氯乙酸濃度30%，醚化溫度55℃，料液比1∶8g/mL。改性后的花生殼膳食纖維結構及物化特性得到改善，結構松散，組織均勻，分散性良好，膳食纖維含量為16.8%，品質良好。

花生殼，膳食纖維，化學改性，品質

我國花生資源豐富，花生殼作為花生加工的下腳料，纖維素含量達60%以上，是生產膳食纖維廉價易得的原料。膳食纖維作為“第七大營養素”，在降低血清膽固醇，改善腸道健康，預防高血壓、動脈硬化以及清除外源有害物質等一系列生理作用和保健功能方面具有積極作用[1]。然而膳食纖維中水性膳食纖維（SDF）的比例是影響膳食纖維生理功能的一個重要因素，其中SDF占膳食纖維總量10%以上才能成為高品質的膳食纖維[2]，其生理活性較強，具有明顯的保健作用，可以作為各種食品的添加劑以及用于保健食品[1]。而普通膳食纖維中SDF含量一般在3%以下[3]，只是一種無能量填充劑，不具備較好的生理活性和保健功能。因此，提高普通膳食纖維中SDF的含量是制備高品質膳食纖維的關鍵所在。

膳食纖維的主鏈和支鏈結構上存在許多羥基和其他的活潑官能團，可先后與NaOH分子及一氯乙酸發生堿化、醚化反應生成鈉鹽羧甲基多糖。羧甲基基團是一個親水基團，用它取代多糖中的部分羥基，可以起到提高持水性、增加生理活性的作用[4]。因此，本文為了提高花生殼中SDF含量，采用羧甲基化改性工藝，將不可溶性膳食纖維轉化成可溶性多糖[5]，改善其物化特性，旨在為高品質膳食纖維的開發利用提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

花生殼膳食纖維（堿法提?。?實驗室制備；氫氧化鈉、乙醇 西安化學試劑廠；一氯乙酸 天津福晨化學試劑廠。

800型離心分離機 北京醫用離心機廠；78HW-1型磁力攪拌器 江蘇省金壇市醫療儀器廠；JEM-200CX型高分辨透射電鏡 日本JEOL公司；HH-S4型電熱恒溫水浴鍋 天津泰斯特儀器有限公司；XMTA-608型電熱鼓風干燥箱 上海佳勝實驗設備有限公司；FW80型高速萬能試樣粉碎機 河北省黃驊市新興電器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 羧甲基膳食纖維的制備 稱取2.0g花生殼膳食纖維，加入NaOH濃度為30%的乙醇溶液（乙醇體積分數為70%）80mL，劇烈攪拌，在35℃水浴鍋中恒溫堿化1.5h，過濾烘干。將堿化后的花生殼膳食纖維按料液比1∶10（g/mL）加入一氯乙酸濃度為20%的乙醇溶液（乙醇體積分數為30%）進行醚化改性，醚化溫度為60℃，醚化時間2h；取出反應物，冷卻后用冰乙酸中和至pH7.0，離心分離，沉渣用無水乙醇抽濾洗滌至無多余試劑殘留，置于電熱鼓風干燥箱中60℃干燥12h，得到羧甲基花生殼膳食纖維產品。

1.2.2 化學改性單因素實驗

1.2.2.1 NaOH濃度的影響 稱取2.0g花生殼膳食纖維，控制反應條件為：堿化溫度35℃，堿化時間1.5h，一氯乙酸濃度20%，醚化溫度60℃，醚化時間2h，醚化料液比1∶10（g/mL），研究NaOH濃度對羧甲基膳食纖維取代度（DS）及SDF含量的影響。

1.2.2.2 堿化溫度的影響 稱取2.0g花生殼膳食纖維，控制反應條件為：NaOH濃度30%，堿化時間1.5h，一氯乙酸濃度20%，醚化料液比1∶10（g/mL），醚化溫度60℃，醚化時間2h，研究堿化溫度對羧甲基膳食纖維DS及SDF含量的影響。

1.2.2.3 一氯乙酸濃度的影響 稱取2.0g花生殼膳食纖維，控制反應條件為：NaOH濃度30%，堿化溫度35℃、堿化時間1.5h，醚化料液比1∶10（g/mL），醚化溫度60℃，醚化時間2h，研究一氯乙酸濃度對羧甲基膳食纖維DS及SDF含量的影響。

1.2.2.4 醚化溫度的影響 稱取2.0g花生殼膳食纖維，控制反應條件為NaOH濃度30%，堿化溫度35℃、堿化時間1.5h，一氯乙酸濃度20%，醚化料液比1∶10（g/mL），醚化時間2h，研究醚化溫度對羧甲基膳食纖維DS及SDF含量的影響。

1.2.2.5 醚化料液比的影響 稱取2.0g花生殼膳食纖維，控制反應條件為NaOH濃度30%，堿化溫度35℃，堿化時間1.5h，將堿化后的DF-ONa按不同料液比加入一氯乙酸濃度為20%的乙醇溶液（乙醇體積分數30%），于60℃條件下醚化2h，研究不同醚化料液比對羧甲基膳食纖維DS及SDF含量的影響。

1.2.3 化學改性工藝參數的選擇 本文按照1.2.1中所介紹的制備方法，以羧甲基膳食纖維取代度（DS）和水溶性膳食纖維（SDF）含量為考察指標進行單因素實驗分析，得出適宜條件范圍。在單因素實驗的基礎上進行正交實驗，優化改性工藝參數，正交實驗因素及水平見表1。

1.2.4 DS及SDF含量的測定 DS按趙國華[6]中介紹的方法進行測定，SDF按任平國[7]中進行測定。

表1 正交實驗因素與水平Table 1 Factors and levels table of orthogonal test

1.2.5 掃描電鏡 分別取經粉碎至100目以上的花生殼膳食纖維和羧甲基花生殼膳食纖維，在100℃烘干水分至恒重后，均勻分散到清洗好并貼上雙面膠的載樣臺上，進行鍍金處理。把鍍好金的樣品及載樣臺放到掃描電鏡的樣品室進行電鏡觀察，束流80μA，加速電壓20kV，放大倍率×5000倍，拍攝電鏡照片。

1.3 數據處理

采用Excell、SPSS13.0數據分析軟件分別對單因素實驗、正交實驗結果進行誤差分析以及極差、方差分析。

2 結果與分析

2.1 NaOH濃度對羧甲基膳食纖維DS及SDF含量的影響

圖1 NaOH濃度對羧甲基膳食纖維DS及SDF含量的影響Fig.1 Effect of NaOH concentration on DS and SDF content of Carboxymethyl dietary fiber

實驗結果如圖1所示。由圖1可以看出，NaOH濃度為5%～30%時，DS以及SDF含量呈增加趨勢，而當NaOH濃度大于30%時，DS及SDF含量隨NaOH濃度的增加而降低。相對高濃度堿液可加快對纖維素由外向內的滲透動力，可增加原料顆粒的溶脹性，促進纖維素鈉的生成，從而提高花生殼膳食纖維羧甲基化改性的取代度（DS）[8]。此外，堿具有降解糖苷鍵的作用，隨著堿液濃度的增加，纖維高聚物連接鍵的斷裂作用加劇，故SDF含量明顯提高[8]，但堿液濃度過高將使纖維素降解，從而DS及SDF含量下降。因此，適宜的NaOH濃度為20%～35%。

2.2 堿化溫度對羧甲基膳食纖維DS及SDF含量的影響

實驗結果如圖2所示。由圖2可知，堿化溫度從20℃增至35℃時，DS及SDF含量呈上升趨勢。而當堿化溫度大于35℃時，DS及SDF含量又呈下降趨勢。這說明隨著溫度的增加，纖維素不斷溶漲，生成的纖維素鈉數量增加，從而DS及SDF含量增加；但溫度過高，纖維素分子鏈在堿性條件下發生熱裂解，從而DS減小，SDF含量偏低。因此，適宜的堿化溫度為30～45℃。

2.3 一氯乙酸濃度對羧甲基膳食纖維DS及SDF含量的影響

圖2 堿化溫度對羧甲基膳食纖維DS及SDF含量的影響Fig.2 Effect of alkaline temperature on DS and SDF content of Carboxymethyl dietary fiber

圖3 一氯乙酸濃度對羧甲基膳食纖維DS及SDF含量的影響Fig.3 Effect of monochloroacetic acid dose on DS and SDF content of Carboxymethyl dietary fiber

如圖3所示，一氯乙酸濃度為5%～30%時，DS及SDF含量呈增加趨勢；而當一氯乙酸用量大于30%時，DS及SDF含量隨一氯乙酸用量增大而呈明顯下降趨勢。這是因為增加一氯乙酸的用量，可加快對堿性纖維素由外向內的滲透，尤其是對結晶區的滲透，有利于堿性纖維素無定形區和結晶區的醚化反應趨于一致，反應更均勻，從而促進膳食纖維羧甲基化改性的生成[9]。但過量的一氯乙酸形成的酸性環境對堿性纖維素有一定的分解，從而羧甲基膳食纖維的DS值及SDF含量下降。因此，綜合考慮，適宜的一氯乙酸用量為20%～35%。

2.4 醚化溫度對羧甲基膳食纖維DS及SDF含量的影響

實驗結果如圖4所示。由圖4可以看出，醚化溫度為30～50℃溫度范圍內，DS值及SDF含量增長幅度較大；當溫度大于55℃時，羧甲基膳食纖維的DS值呈下降趨勢，SDF含量亦略微下降。這是因為隨著溫度的升高可增大溶液滲透動力，有利于纖維素無定形區和結晶區的溶脹性趨于一致，從而利于羧甲基化改性的進行。但過高的醚化溫度會造成堿性纖維的降解，從而DS值及SDF含量下降。因此，適宜的醚化溫度為45～60℃。

2.5 料液比對羧甲基膳食纖維DS及SDF含量的影響

圖4 醚化溫度對羧甲基膳食纖維DS及SDF含量的影響Fig.4 Effect of etherification temperature on DS and SDF content of carboxymethyl dietary fiber

圖5 料液比對羧甲基膳食纖維DS及SDF含量的影響Fig.5 Effect of material/liquid ratio on DS and SDF content of carboxymethyl dietary fiber

實驗結果如圖5所示。由圖5可以看出，在一定范圍內羧甲基膳食纖維的DS及SDF含量隨改性試劑溶液用量的增加而增大。當料液比達到1∶10（g/mL）時，DS及SDF含量最大，而后隨改性試劑溶液用量的增加呈現下降趨勢。這可能是因為料液比較高時，反應物碰撞概率下降，纖維分子、NaOH和一氯乙酸反應物結合量降低，DS降低，SDF含量下降。因此，適宜料液比為1∶8～1∶12。

2.6 正交實驗及方差分析

通過單因素實驗分析，在適宜的實驗范圍內羧甲基膳食纖維的取代度DS變化幅度較小，因此，為了突出考察化學改性對SDF含量的影響，在正交實驗結果分析中僅以SDF含量作為考察指標進行結果分析，結果如表2所示。

由表2可看出，以SDF含量為考察指標，最佳工藝組合為A3B3C3D3E2，各因素影響主次順序為A＞C＞D＞E＞B，即NaOH濃度＞一氯乙酸濃度＞醚化溫度＞料液比＞堿化溫度。從表3可以看出，A、C、D均對本實驗有顯著性影響，而B和E對本實驗沒有顯著性影響，這與極差分析結果相一致，故從節能角度考慮選用B1和E1比較適宜。因此，綜合以上分析確定花生殼膳食纖維化學改性的最佳工藝條件為：A3B1C3D3E1，即NaOH濃度為30%，堿化溫度為30℃，一氯乙酸濃度為30%，醚化溫度為55℃，料液比為1∶8（g/L）。在最佳工藝條件下進行驗證實驗，得到SDF含量為16.8%，DS達到83%，較改性前的SDF含量1.4%提高了15.4%，改性效果良好。

表2 正交實驗結果與分析Table 2 Analys and result of orthogonal test

表3 方差分析表Table 3 Variance analysis result of orthogonal test

2.7 羧甲基膳食纖維品質分析

由表4可見，羧甲基花生殼膳食纖維的膨脹力、持水力、結合水力、吸油力、乳化性、乳化穩定性及粘度與花生殼膳食纖維相比有明顯提高，但陽離子交換力卻有所下降。這是因為膳食纖維表面的羥基被羧甲基化，導致陽離子交換能力下降。

2.8 SEM分析

由圖6可以看出，花生殼膳食纖維結構松散，顆粒較大，顏色較淡，而羧甲基花生殼膳食纖維（見圖7）表面有明顯的凸起，顆粒細小且分散比較均勻，這說明化學改性使SDF表面完整性遭到破壞，得到的羧甲基花生殼膳食纖維組織細膩，分散性良好。此電鏡表征證實了SDF微觀結構的改變與其物化特性之間存在必然的聯系，此結果與表4得到的結果相一致。

表4 羧甲基膳食纖維物化特性分析Table 4 Analysis of physicochemical properties ofcarboxymethyl dietary fiber

圖6 花生殼膳食纖維SEM圖（×5000）Fig.6 SEM of peanut shells dietary fiber（×5000）

圖7 羧甲基膳食纖維SEM圖（×5000）Fig.7 SEM of carboxymethyl dietary fiber（×5000）

3 結論

3.1 制備羧甲基花生殼膳食纖維最佳工藝條件為：NaOH濃度30%，堿化溫度30℃，一氯乙酸濃度30%，醚化溫度55℃，料液比1∶8（g/mL），在此條件下得到的羧甲基花生殼膳食纖維含量為16.8%。

3.2 改性后的花生殼膳食纖維結構松散，分散性良好，膨脹力、持水力、結合水力、吸油力、乳化性、乳化穩定性及粘度等物化特性與花生殼膳食纖維相比明顯提高。

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Chemical modification optimization of processing parameters and quality analysis of dietary fiber from peanut shells

WU Li-ping，ZHU Niu，CHEN Xue-feng
（Life and Environmental Science College，Huangshan University，Huangshan 245041，China）

The etherification modification with peanut shells dietary fiber as raw material，sodium hydroxide as catalyst and chloroacetic acid as etherifying agent as a result of improvement in solubility of dietary fiber from peanut shells were studied.The optimum processing parameters in chemical modification was optimized by single factor and orthogonal test，meanwhile，its quality using scanning electron microscopy and physicochemical properties studies were analysed.The results showed that the optimum conditions for chemical modification were as follows：NaOH concentration 30% ，alkaline temperature 30℃ ，chloroacetic acid concentration 30% ，etherification temperature 55℃ ，the ratio of mass and solution volume 1∶8 （g/mL）.After chemical modification，the structure and physicochemical properties of peanut shells dietary fiber were improved partially and the structure became loose，homogeneous as well as high dispersibility，and the SDF content was 16.8%which had good quality.

peanut shells；dietary fiber；chemical modification；quality

TS201.1

B

1002-0306（2014）22-0286-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.22.054

2014－02-26

吳麗萍（1982-），女，碩士研究生，助教，研究方向：食品新材料制備。

科技部公益性行業（林業）科研專項（201304407）。