超微粉碎對蘋果膳食纖維理化性質及羥自由基清除能力的影響

張麗媛，陳 如，田 昊，何 玲*

（西北農林科技大學園藝學院，陜西 楊凌 712100）

蘋果（Malus pumila Mill.）屬于薔薇科蘋果屬，落葉喬木[1]，在我國栽培種植面積達233.33萬 hm2，總產量達4 000萬 t以上[2]。蘋果的種植區域集中、產量大，但加工產業單一，加工品主要以濃縮蘋果汁為主（占加工蘋果原料的95%）。每生產1 t濃縮蘋果汁就會產生0.8 t的濕蘋果渣，其中1/3會用于飼料、肥料[3-5]，其余基本被廢棄，既污染環境又使資源得不到有效利用。因此，如何拓展蘋果深加工產業空間、增加蘋果加工產業的附加值、實現蘋果果實的充分利用變得尤為重要。

蘋果渣主要包括果皮、果籽、果柄、果肉等蘋果榨汁加工后的副產物，其中也含有酚類物質、多糖、果膠、膳食纖維等多種營養活性物質[6-7]，蘋果皮中的膳食纖維是蘋果果肉的11 倍。膳食纖維被稱為人體的“第七營養素”，是不被人體消化酶分解且具有維持身體血糖、血脂、蛋白質水平，預防結腸癌、糖尿病等重要生理功能的有機高分子化合物。膳食纖維的吸水膨脹性可增加大腸中糞便的體積，降低致癌因子的濃度；其持油性可減少人體對脂肪的吸收，避免體內積累吸收過多的脂肪；其陽離子交換能力可使膳食纖維與腸道中的K+、Na+進行交換，使得K+、Na+更多地隨糞便排出，降低血液中的Na+與K+的比值，從而產生降血壓的作用[8-13]。將蘋果渣中的膳食纖維加以提取利用，可延長蘋果加工的產業鏈，提高蘋果果實的附加值。

超微粉碎是指利用機械或流體動力的方法將物料的粒度粉碎至10 μm以下，甚至達到1 μm的超微米水平的過程[14-16]。超微粉碎作為一種食品物料加工新技術，可改善傳統粉碎粉體的功能性質，使其呈現出更優良獨特的吸附性、流動性等性質[17-19]，因此得到了廣泛的研究。超微粉碎膳食纖維的相關研究目前集中在獼猴桃渣膳食纖維[10]、甘薯膳食纖維[9]、大豆豆皮膳食纖維[8]等方面，但是對蘋果渣膳食纖維的研究并不多。劉素穩等[20]研究了干法超微粉碎對蘋果渣纖維物性的影響，測定了不同粒徑的蘋果渣纖維的流體性質和脂肪酸吸收能力、膽汁酸的吸附能力等。結果表明：干法超微粉碎使蘋果渣纖維的結構發生整體性變化，但聚合物的結晶狀態未發生改變；超微粉碎后蘋果渣纖維的流動性增強，對膽固醇的吸附能力、水溶性增強；但持水力、膨脹力下降，脂肪酸吸附能力、陽離子交換能力和膽汁酸的吸附能力下降，對NO2－吸附能力變化不大。

本研究以蘋果膳食纖維為原料，將干燥后的蘋果膳食纖維經粗粉碎后，經冷凍機械式超微粉碎機粉碎不同時間（1、3、5、1 0、2 0、30 min），得到蘋果膳食纖維粗粉和6 種不同粒徑分布的蘋果膳食纖維超微粉，研究超微粉碎對蘋果膳食纖維理化性質及羥自由基清除能力的影響，為蘋果加工方式的拓展及蘋果渣的有效利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

澳洲青蘋購于陜西恒通農業科技發展有限公司，以無病蟲害、機械損傷、腐爛的原料作為實驗材料。

NaOH、NaCl、HCl、FeSO4、H2O2、乙醇、95%酚酞、水楊酸、α-淀粉酶、木瓜蛋白酶均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

Mastersizer 2000型激光粒度分析儀 英國馬爾文儀器有限公司；UV-2500紫外-可見分光光度計 日本島津有限公司；S-4800場發射掃描電子顯微鏡 日本日立高新技術公司；Vetex70傅里葉變換紅外光譜儀 德國布魯克公司；高速萬能粉碎機 天津泰斯特儀器有限公司；LWF6型貝利微粉機 濟南龍微制藥設備有限公司；3K15型高速冷凍離心機 美國Sigma公司。

1.3 方法

1.3.1 膳食纖維粉碎處理

新鮮蘋果清洗榨汁留渣，蘋果渣在100 ℃下進行熱燙護色4 min，在料液比1∶20的條件下用0.4%（質量分數，下同）的淀粉酶在65 ℃、pH 6的條件下處理60 min，再用0.4%的蛋白酶在55 ℃、pH 3的條件下處理60 min[10]，經100 ℃熱燙15 min滅酶后，60 ℃下熱風干燥10 h，用高速萬能粉碎機進行粗粉碎，過50 目篩后獲得蘋果膳食纖維粗粉。以蘋果膳食纖維粗粉為對照（CK）組，利用低溫超微粉碎機將過篩后的蘋果膳食纖維粗粉進行不同時間的超微粉碎，分別設定粉碎時間為1、3、5、10、20、30 min，獲得蘋果膳食纖維粗粉和6 種不同粒徑分布的蘋果膳食纖維粉體，密封保存備用，分別測定7 種粉體的理化指標和羥自由基清除能力，實驗重復3 次。

1.3.2 理化指標的測定

粒徑測定：用Mastersizer 2000型激光粒度分析儀測定粉體的粒徑大小及分布。

掃描電子顯微鏡觀察：將待測樣品進行固定，再用離子濺射儀對樣品表面進行噴金，將其置于掃描電子顯微鏡下放大200 倍觀察形態。

容積密度測定：各樣品分別被填充在質量m1的10 mL量筒中，混合后稱質量記為m2。容積密度按公式（1）計算。

溶脹性測定：準確稱取1.00 g（m）樣品，放入帶有刻度的試管中，記錄粉體體積V1，加入10 mL蒸餾水，搖勻后靜置24 h，記錄粉體體積V2。溶脹性按公式（2）計算。

水溶性測定：各樣品稱質量m3，樣品和水以0.02∶1.00（m/V）進行混合，于80 ℃水浴鍋中水浴30 min，取出冷卻、離心（10 min、6 000 r/min），上清液在105 ℃下烘干，稱質量m4[19]。水溶性按公式（3）計算。

持水力測定：離心管m5和各樣品m6分別稱質量，樣品和水以0.02∶1.00（m/V）混合，放在60 ℃水浴鍋中水浴30 min，取出冷卻、離心（20 min、5 000 r/min），傾倒除去上清液，稱質量。

陽離子交換能力測定：稱取0.5 g樣品，加0.1 mol/L HCl溶液10 mL，搖勻，室溫放置24 h后用濾紙過濾，用蒸餾水反復清洗除去多余的HCl溶液，將殘渣轉移到三角瓶中，加入100 mL 15% NaCl溶液，磁力攪拌30 min，以0.5%酚酞-乙醇溶液作為指示劑，用0.1 mol/L NaOH溶液進行滴定。用蒸餾水代替HCl溶液，測定空白消耗的NaOH溶液的體積[21]。陽離子交換能力按公式（5）計算。

式中：V0為樣品消耗的NaOH溶液體積/mL；V1為空白消耗的NaOH溶液體積/mL；m為樣品干質量/g；0.1為NaOH溶液濃度（mol/L）。

羥自由基清除能力的測定：采用比色法測定[22]。取0.5 mL 50 mg/mL的7 種粉體的膳食纖維溶液置于不同試管中，向各試管中加入蒸餾水3.5 mL、0.5 mL水楊酸-乙醇溶液（9.1 mmol/L）、0.5 mL Fe2+溶液（9 mmol/L），最后加入5 mL H2O2（88 mmol/L），搖勻后測定510 nm波長處的吸光度A1。用0.5 mL蒸餾水代替Fe2+溶液重復上述操作，搖勻后測510 nm波長處的吸光度A2。用0.5 mL蒸餾水代替0.5 mL膳食纖維溶液重復上述操作，搖勻后測510 nm波長處的吸光度A3。羥自由基清除率按公式（6）計算。

1.4 數據統計與分析

采用Excel軟件進行數據計算和作圖，采用SPSS Statistics 17.0軟件進行數據分析，采用Duncan法檢驗差異顯著性，以P＜0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 蘋果膳食纖維粉體的粒徑分布

由表1中可以看出，經超微粉碎的膳食纖維粉體粒徑顯著小于粗粉（P＜0.05），且隨著超微粉碎時間的延長，粉體的粒徑越來越小，不同超微粉碎時間處理之間差異顯著（P＜0.05）。89.446%的粗粉粉體集中在粒徑大于100 μm的范圍內，隨著超微粉碎時間的延長，粉體在粒徑小于100 μm范圍內的分布逐漸增多，超微粉碎30 min時，91.347%的粉體粒徑分布在小于100 μm的區域。說明隨著超微粉碎時間的延長，粉體的粒徑減小，粒徑分布范圍變窄，粉體均勻性更好[23]。

表 1 不同粉碎時間的蘋果膳食纖維粉體的粒徑分布Table 1 Particle size distribution of apple dietary fiber powders with different grinding times

2.2 蘋果膳食纖維粉體的掃描電子顯微鏡觀察

圖 1 不同超微粉碎時間的蘋果膳食纖維粉體微觀結構掃描電子顯微鏡圖（×100）Fig. 1 Scanning electron microscope images of apple dietary fiber powders with different grinding times (× 100)

由圖1可以看出，在同等的顯微鏡放大倍數下，膳食纖維粗粉的顆粒較大，經過超微粉碎后，顆粒變得更加細小均勻。超微粉碎30 min時粉體顆粒的分布較密集。隨著粉碎時間的延長，出現更多粒徑較大的顆粒，分子團聚現象嚴重。這是因為強烈的機械作用使得顆粒減小，但顆粒減小到一定程度后，吸附性的增強導致顆粒之間開始聚集，說明長時間的超微粉碎并不會增加細小顆粒的比例。團聚的程度與粉碎方式、粉碎物料有很大關系，特別是含糖分較多的物料在粉碎過程中更容易產生團聚現象，粉體顆粒之間更容易黏結，采用適當的超微粉碎時間或者使用濕磨等粉碎方式都可以改善團聚現象的發生。

2.3 蘋果膳食纖維粉體的容積密度分析

圖 2 不同超微粉碎時間蘋果膳食纖維粉體的容積密度Fig. 2 Bulk density of apple dietary fiber powders with different grinding times

容積密度大有利于膠囊或者片劑制品的生產加工，使物料的填充性更好。由圖2可以看出，經過超微粉碎后，膳食纖維粉體的容積密度增大（P＞0.05），超微粉碎各處理組之間差異不顯著（P＞0.05）。說明超微粉碎可改善膳食纖維的容積密度，有利于粉體的充填。超微粉碎后粉體的容積密度增大，這與梁琪等[24]的實驗結果一致，與賈牛群等[25]容積密度下降的實驗結果相反。這可能是因為粉體粒徑減小到一定程度后，與周圍存在較大的接觸面和更加均勻的粒徑，減少了顆粒之間的孔隙空間，從而導致容積密度的增加。

2.4 蘋果膳食纖維粉體的溶脹性分析

圖 3 不同超微粉碎時間蘋果膳食纖維粉體的溶脹性Fig. 3 Swelling capacity of apple dietary fiber powders with different grinding times

由圖3可以看出，膳食纖維粗粉經超微粉碎1～20 min后，粉體的溶脹性升高（P＜0.05），超微粉碎時間為1、3、5、10、20 min的5 個處理組之間差異不顯著（P＞0.05），這說明超微粉碎可改善膳食纖維的溶脹性。超微粉碎后，粉體粒徑減小，顆粒數目增多，溶于水后膨脹產生更大的體積，從而引起溶脹性的升高。超微粉碎30 min后，膳食纖維的溶脹性顯著降低（P＜0.05），這可能是因為膳食纖維分子長鏈被剪切為短鏈結構的同時，也減小了膳食纖維對水分的束縛，從而引起溶脹性的降低，張珍林等[26]在對南瓜籽殼的研究中也出現了超微粉碎后溶脹性降低的現象。

2.5 蘋果膳食纖維粉體的水溶性分析

圖 4 不同超微粉碎時間蘋果膳食纖維粉體的水溶性Fig. 4 Water solubility of apple dietary fiber powders with different grinding times

由圖4可知，超微粉碎后膳食纖維的水溶性升高（P＜0.05），超微粉碎各處理組之間差異不顯著（P＞0.05），說明超微粉碎有助于提高膳食纖維的水溶性。粉體的水溶性和粉體與水溶液之間的接觸面積有關，超微粉碎后，分子粒徑減小，空隙率、比表面積增加，膳食纖維長鏈結構被剪切，更多的親水基團外露，與水分子的接觸面積和接觸位點增多，從而引起膳食纖維的水溶性升高。這與范明月[27]、代紅飛[28]等的實驗結果一致。

2.6 蘋果膳食纖維粉體的持水力分析

圖 5 不同超微粉碎時間蘋果膳食纖維粉體的持水力Fig. 5 Water-holding capacity of apple dietary fiber powders with different grinding times

膳食纖維結構中含有很多親水基團，這些親水基團使得膳食纖維具有較好的持水力，研究顯示膳食纖維的持水力可以增加人體排便的速率，從而減輕腸道壓力，使毒物迅速排出體外。由圖5可知，膳食纖維經超微粉碎后，粉體的持水力有所增加，超微粉碎各處理組之間差異不顯著（P＞0.05），說明超微粉碎對膳食纖維的持水力具有一定的改善作用。這是由于超微粉碎使得膳食纖維中更多的親水基團外露，從而增強了膳食纖維和水分子之間的相互作用，使得持水力增加。超微粉碎時間的延長對持水力的影響不明顯，這可能是因為長時間的粉碎使粉體的團聚性增加，膳食纖維分子之間的相互作用力影響了其與水分子之間的相互作用力，從而使持水力沒有發生顯著變化。

2.7 蘋果膳食纖維粉體的陽離子交換能力

膳食纖維的羧基或者羥基基團側鏈對陽離子有較強的結合能力，特別是能與有機陽離子進行可逆交換，對消化道內的pH值、滲透壓產生影響，產生緩沖性更好的環境，從而有利于機體的消化吸收。由圖6可以看出，超微粉碎后，膳食纖維的陽離子交換能力有不同程度的升高，粗粉與超微粉碎各處理組之間差異顯著（P＜0.05），說明超微粉碎可改善膳食纖維的陽離子交換能力。超微粉碎30 min后，陽離子交換能力顯著降低（P＜0.05），這可能是因為長時間的超微粉碎對膳食纖維的側鏈基團產生了一定的破壞作用，從而引起陽離子交換能力的降低。這與陳存社等[11]對小麥胚芽膳食纖維研究中得到的結果一致。

圖 6 不同超微粉碎時間蘋果膳食纖維粉體的陽離子交換能力Fig. 6 Cation exchange capacity of apple dietary fiber powders with different grinding times

2.8 蘋果膳食纖維粉體的羥自由基清除能力

圖 7 不同超微粉碎時間蘋果膳食纖維粉體的羥自由基清除能力Fig. 7 Hydroxyl radical scavenging capacity of apple dietary fiber powders with different grinding times

膳食纖維以其獨特的方式可以清除某些外源性有害物質，對自由基也有一定清除能力[29]。由圖7可以看出，膳食纖維粗粉經超微粉碎后，羥自由基清除能力顯著增強（P＜0.05），超微粉碎各處理組之間差異不顯著（P＞0.05）。說明超微粉碎可顯著改善蘋果膳食纖維的羥自由基清除能力。超微粉碎后羥自由基清除能力增強，這與代紅飛等[28]的實驗結果一致，但與Zhang Lihua等[30]自由基清除能力下降的實驗結果相反。這可能是因為膳食纖維經超微粉碎后粒徑減小，增加了抗氧化相關活性物質的溶出量，抗氧化能力升高，從而提高了羥自由基清除能力。

3 結 論

超微粉碎可改善蘋果膳食纖維的理化性質及羥自由基清除能力。膳食纖維經超微粉碎后，粉體的粒徑顯著減小，溶脹性、水溶性、陽離子交換能力升高，羥自由基清除能力顯著增強（P＜0.05），持水力、容積密度沒有發生顯著變化（P＞0.05）。隨著超微粉碎時間的延長，粉體的理化指標和羥自由基清除能力有一定程度的差異。超微粉碎30 min的粉體團聚現象嚴重，溶脹性和陽離子交換能力有所降低，綜合各項理化指標，蘋果膳食纖維超微粉碎20 min總體效果最好。