高壓均質和膠體磨改性對油橄欖果渣水不溶性膳食纖維性能的影響

丁莎莎 黃立新 張彩虹,5 謝普軍 鄧葉俊 王曉杰

(1. 中國林業科學研究院林產化學工業研究所，江蘇 南京 210042；2. 生物質化學利用國家工程實驗室，江蘇 南京 210042；3. 國家林業局林產化學工程重點開放性實驗室，江蘇 南京 210042；4. 江蘇省生物質能源與材料重點實驗室，江蘇 南京 210042；5. 中國林業科學研究院林業新技術研究所，北京 100091)

高壓均質和膠體磨改性對油橄欖果渣水不溶性膳食纖維性能的影響

丁莎莎1,2,3,4黃立新1,2,3,4張彩虹1,2,3,4,5謝普軍1,2,3,4鄧葉俊1,2,3,4王曉杰1,2,3,4

(1. 中國林業科學研究院林產化學工業研究所，江蘇 南京 210042；2. 生物質化學利用國家工程實驗室，江蘇 南京 210042；3. 國家林業局林產化學工程重點開放性實驗室，江蘇 南京 210042；4. 江蘇省生物質能源與材料重點實驗室，江蘇 南京 210042；5. 中國林業科學研究院林業新技術研究所，北京 100091)

油橄欖果渣；水不溶性膳食纖維；高壓均質；膠體磨；改性

Keywords： olive pomace; insoluble dietary fiber; high pressure homogenization; colloid mill; modification

膳食纖維作為七大營養素之一，又被稱作“腸道清道夫”，具有預防肥胖、促進腸道蠕動、預防腸胃疾病和心血管疾病等生理功能[1]。水不溶性膳食纖維(Insoluble dietary fiber，IDF)是一類不溶于水的膳食纖維，主要有纖維素、部分半纖維素和木質素等[2]。通過適當改性手段處理膳食纖維，可以改變部分組成聚合物的化學結構與相對含量，有助于提高膳食纖維的生理功能[3]。對膳食纖維進行改性，提高膳食纖維的品質和生理功能已成為眾多學者深入研究的重點，目前膳食纖維的改性方法主要有化學處理[4-5]、物理機械處理[6]和生物改性[7]等。

高壓均質和膠體磨是2種較好的物理改性手段。在高壓作用下，物料快速通過高壓均質機的均質腔，受到高速剪切、高頻振蕩、空穴效應和對流撞擊等機械力作用和相應的熱效應，使物料大分子的物理、化學及結構性質發生變化[8]。膠體磨是一種超微濕粉碎加工設備，物料通過剪切、碾磨、高頻振動而被粉碎。黃素雅等[9]采用高靜壓和高壓均質對豆渣IDF進行改性，2種改性方式均能不同程度地改善膳食纖維的理化性質，提高產品品質。陶姝穎等[10]采用超微粉碎和擠壓超微粉碎技術對葡萄皮渣膳食纖維進行改性處理，均顯著地改變了其理化性質如持水力、膨脹力等。張根生等[11]通過膠體磨對馬鈴薯渣不溶性膳食纖維進行濕法超微粉碎改性，使其不再具有粗糙的顆粒感，提高其功能特性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

油橄欖果渣IDF：主要成分為纖維素(50.23%)、半纖維素(13.37%)、木質素(24.46%)、蛋白質(2.18%)和水分(4.92%)，參照文獻[13]的方法制備；

植物油：食用級，山東魯花基團有限公司；

亞硝酸鈉：分析純，南京化學試劑有限公司；

鹽酸奈乙二胺、對氨基苯磺酸：分析純，阿拉丁(上海)有限公司；

硫酸鎘：分析純，成都市科龍化工試劑廠。

1.1.2 主要儀器設備

高壓均質機：GYB60-6S型，上海東華高壓均質機廠；

膠體磨：JMS-50型，廊坊市冠通機械有限公司；

掃描電子顯微鏡：3400-I型，日本日立公司；

激光粒度分析儀：MS2000E型，英國Malvern公司；

X射線衍射儀：D8FOCUS型，德國Bruker公司；

傅里葉變換紅外光譜儀：MAGNA-IR550型，美國Thermo Electron公司；

電感耦合等離子體發射光譜：OPTIMA700型，美國PE公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 高壓均質油橄欖果渣IDF的制備 將油橄欖果渣IDF按1∶30 (g/mL)的料液比加入水，攪拌均勻，經高壓均質機在30 MPa壓力下均質8次后，4 000 r/min離心過濾得濾渣，將濾渣在50 ℃下熱風干燥至質量恒定，粉碎過60目篩，所得產品密封貯存于陰涼干燥處以備用。

1.2.2 膠體磨油橄欖果渣IDF的制備 將油橄欖果渣IDF按1∶30 (g/mL)的料液比加入水，攪拌均勻，經膠體磨粉碎2 h后，4 000 r/min離心過濾得濾渣，將濾渣在50 ℃下熱風干燥至質量恒定，粉碎過60目篩，所得產品密封貯存于陰涼干燥處備用。

1.2.3 微觀形態觀察 將IDF、高壓均質IDF和膠體磨IDF分別經黏臺、噴金等步驟后直接于掃描電子顯微鏡下觀察。

1.2.4 粒度分析 以水為分散劑，將IDF、高壓均質IDF和膠體磨IDF分別配制成溶液，采用激光粒度分析儀測定3種樣品的粒度分布狀況及比表面積。

1.2.5 X射線衍射分析 參照文獻[13]對IDF樣品進行X射線衍射分析。采用Segal 法[14]計算IDF、高壓均質IDF和膠體磨IDF的結晶度指數。

1.2.6 紅外光譜分析 分別取2 mg干燥IDF、高壓均質IDF和膠體磨IDF，各與200 mg干燥KBr粉末研磨均勻后壓片。掃描波長范圍為4 000～400 cm-1。

1.2.7 持水力、膨脹力及持油力測定 參照文獻[15]。

(1)

式中：

V——NaNO2溶液體積，mL；

m——樣品質量，g。

1.2.9 體外吸附重金屬Cd2+的測定 根據文獻[17]修改如下：分別取3個250 mL錐形瓶，各加入100 mg/L CdSO4溶液100 mL，調節體系pH為7，取1 mL上清液，測定其Cd2+濃度(C0)，分別加入IDF、高壓均質IDF和膠體磨IDF各0.50 g，置于37 ℃、轉速120 r/min的搖床中振蕩，于2 h后各取1 mL上清液，并測定上清液中Cd2+濃度(C1)。采用電感耦合等離子體發射光譜法測定Cd2+濃度。并按式(2)計算IDF對Cd2+的吸附量。

(2)

式中：

Q——Cd2+吸附量，mg/g；

C0——初始上清液Cd2+濃度，mg/L；

C1——吸附后上清液Cd2+濃度，mg/L；

V——加入CdSO4溶液體積，L；

m——IDF質量，g。

2 結果與分析

2.1 粒度與微觀形態分析

由圖1、2和表1可知，未經改性處理的IDF表面粗糙，有少許裂縫和空腔。經高壓均質改性處理后IDF的結構更加疏松，出現較多的裂縫和空腔，其粒度分布比IDF更窄，且平均粒徑顯著減小，比表面積增大。IDF在高壓均質過程中，受到擠壓、剪切和高壓釋放等機械力作用，使其微觀結構發生變化，粒徑較小，推測其具有更好的持水力、膨脹力和持油力等理化性質。經過膠體磨改性處理后IDF的結構也更加疏松，且部分出現斷裂和破碎，其粒度分布也比IDF更窄，平均粒徑減小，比表面積增大，與IDF在膠體磨中受到的高速剪切和高頻振動等機械力有關。

2.2 紅外光譜分析

由圖3可知，IDF、高壓均質IDF和膠體磨IDF都具有纖維素類多糖的特征吸收峰。3種IDF都在3 330 cm-1處出現O—H伸縮振動峰；2 898 cm-1處是C—H的伸縮振動峰[18]；1 157 cm-1和1 027 cm-1處是纖維素和半纖維素結構中2種C—O伸縮振動峰[19]；896 cm-1處是由β-型糖苷鍵引起的吸收峰[20]；1 592 cm-1和1 506 cm-12處是苯環的骨架伸縮振動峰，1 506 cm-1處為木質素結構中芳香環的特征振動峰[21]。IDF、高壓均質IDF和膠體磨IDF的紅外光譜峰型位置基本相同，說明高壓均質和膠體磨改性處理均對IDF的官能團沒有影響，IDF沒有產生新的化學基團，仍保持原有的基本化學結構。

表1 粒徑和比表面積對比

圖1 掃描電鏡微觀形態對比

圖2 粒徑分布對比

1. IDF 2. 高壓均質IDF 3. 膠體磨IDF

2.3 X射線衍射分析

由圖4可知，IDF、高壓均質IDF和膠體磨IDF都表現出纖維素I型的特征衍射峰，均在同一位置出現1個主衍射峰(2θ=15.7°)和2個次衍射峰(2θ=15.7°和2θ=34.7°)。采用Segal法計算IDF、高壓均質IDF和膠體磨IDF的結晶度指數分別為41.23%，45.35%，43.08%。說明高壓均質和膠體磨粉碎改性處理對IDF的結晶結構和結晶度并無影響，可能是高壓均質和膠體磨改性產生的機械力還不足以對纖維素的晶間連接關系產生明顯的影響[10]。

1. IDF 2. 高壓均質IDF 3. 膠體磨IDF

2.4 改性前后油橄欖果渣IDF的功能特性

由表2可知，高壓均質改性處理對IDF的水合性能影響較大，其持水力、膨脹力和持油力分別提高了31.70%，78.87%，38.92%，可能是高壓均質處理使IDF原本緊密的結構變得疏松，滯留水分能力增強，也使IDF的比表面積增加，暴露更多的親水基團。膠體磨改性處理的IDF的水合性能也有所提高，其持水力、膨脹力和持油力分別提高了19.93%，47.94%，32.97%，可能是膠體磨處理使IDF粒徑減小，比表面積增大，其水合性能增強。油橄欖果渣IDF持水力的提高，可以增加人體攝入IDF后的排便體積和速度，減輕直腸內的壓力，使腸道內的外源有毒物質隨糞便快速排出體外，從而預防腸道疾病；油橄欖果渣IDF膨脹力的提高，可以增加它在腸道產生的容積作用，使人體產生飽腹感，對預防肥胖癥十分有利[22]。

表2 油橄欖果渣IDF的功能特性?

? 不同字母表示差異顯著(P<0.05)，相同字母表示差異不顯著(P>0.05)。

3 結論

(1) 高壓均質改性處理后IDF的結構更加疏松，出現較多的裂縫和空腔，其粒度分布比IDF更窄，且平均粒徑顯著減小(為66.97 μm)，比表面積增大。經過膠體磨改性處理后IDF的結構也更加疏松，且部分出現斷裂和破碎，其粒度分布也比IDF更窄，平均粒徑減小(為79.52 μm)，比表面積增大。

(2) 高壓均質和膠體磨改性處理均對IDF的官能團沒有影響，仍保持原有的基本化學結構。高壓均質和膠體磨改性處理對IDF的結晶結構和結晶度并無影響，都表現出纖維素I型的特征衍射峰，

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Effect of high pressure homogenization and colloid mill modification on the physicochemical properties of insoluble dietary fiber from olive pomace

DING Sha-sha1,2,3,4HUANGLi-xin1,2,3,4ZHANGCai-hong1,2,3,4,5XIEPu-jun1,2,3,4DENGYe-jun1,2,3,4WANGXiao-jie1,2,3,4

(1.InstituteofChemicalIndustryofForestProducts,ChineseAcademyofForestry,Nanjing,Jiangsu210042,China; 2.NationalEngineeringLab.forBiomassChemicalUtilization,Nanjing,Jiangsu210042,China; 3.KeyandOpenLab.ofForestChemicalEngineering,StateForestryAdministration,Nanjing,Jiangsu210042,China; 4.KeyLab.ofBiomassEnergyandMaterial,JiangsuProvince,Nanjing,Jiangsu210042,China;5.ResearchInstituteofForestryNewTechnology,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China)

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.08.003

國家重點研發計劃(編號：2016YFD0600800)

丁莎莎，女，中國林業科學研究院林產化學工業研究所在讀碩士研究生。

黃立新(1967—)，男，中國林業科學研究院林產化學工業研究所研究員，博士。E-mail：l_x_huang@163.com

2017—05—22