微生物發酵法改性蘋果渣膳食纖維理化特性分析

朱 妞

(西安醫學院 公共衛生學院，西安 710021)

我國蘋果資源豐富，產量巨大，其中很大一部分用于果汁的加工。果汁加工產生的主要廢棄物蘋果渣的開發利用可以增加農產品附加值，實現蘋果資源的高效利用[1,2]。陜西省是濃縮蘋果汁加工和出口大省，產量和出口量均居全國首位[3,4]。而果汁加工的主要廢棄物蘋果渣的綜合利用一直是困擾陜西省蘋果深加工和持續發展的難題。陜西省作為蘋果資源大省，農產品深加工和可持續發展對于提高農民收入、發展農村經濟至關重要[5]。膳食纖維具有降低血清膽固醇、改善腸道健康、預防高血壓和動脈粥樣硬化、清除外源有毒物質等一系列獨特功能特性，因此被廣泛應用于食品行業，如主食、肉制品、乳制品、飲料、調味品、休閑食品、保健食品、嬰幼兒食品、糖果等方面，改善食品風味質構和營養價值。在全民健康新時代背景下，膳食纖維的研究與應用具有廣闊的開發和推廣前景[6-9]。蘋果渣中含有豐富的膳食纖維，開發高品質的可溶性蘋果渣膳食纖維產品對于提高蘋果加工利用率、增加蘋果深加工附加值具有重要的意義。因此，膳食纖維的理化特性分析是后續應用的前提。

由于生產膳食纖維的原料大多是食品加工廢棄物或下腳料，適當地改性，提高水溶性膳食纖維含量才能真正變廢為寶，提高經濟價值。前期我們選擇綠色木霉對蘋果渣膳食纖維進行微生物發酵改性，獲得了水溶性含量較高的蘋果渣膳食纖維[10,11]。本試驗進一步對改性蘋果渣膳食纖維的理化特性進行分析，探討其理化性質，對有害物質NO2-和膽酸鈉的吸附情況，為后續產品的開發及應用提供一定的依據和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試劑

綠色木霉發酵改性蘋果渣膳食纖維；亞硝酸鈉、鹽酸萘乙二胺、對氨基苯磺酸、糠醛、濃硫酸：分析純，西安化學試劑公司。

1.2 儀器與設備

玻璃儀器：燒杯、量筒、離心管、刻度試管、錐形瓶。

設備：pHS-3C型精密pH計 上海大中分析儀器有限公司；HH2型恒溫水浴鍋 北京化玻聯醫療器械有限公司；RE-52A型旋轉蒸發器 上海亞榮生化儀器廠；JA5003型電子天平 上海精密科學儀器廠；UV-754紫外-可見分光光度計 上海精密科學儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 改性蘋果渣膳食纖維理化性質分析[12]

1.3.1.1 膨脹力的測定

取100 mL量筒，加入準確稱量的1.0 g膳食纖維粉和50 mL水，振搖，混合均勻后置于室溫條件下靜置24 h。采用公式(1)計算膳食纖維的膨脹力(mL/g)。

(1)

1.3.1.2 持水力的測定

取100 mL燒杯，加入準確稱量的1.0 g膳食纖維粉和50 mL蒸餾水，混合搖勻后置于25 ℃水浴，使膳食纖維充分吸水1 h。過濾瀝干，將充分結合水的膳食纖維轉移到表面皿，稱重，采用公式(2)計算膳食纖維的持水力(g/g)。

(2)

1.3.1.3 結合水力的測定

準確稱量1.0 g膳食纖維，將其置于4 ℃的50 mL蒸餾水中，搖勻混合后離心分離1 h (8000 r/min)，取出，棄上清液。將殘留物置于表面皿靜置1 h，稱重記錄為m1。在120 ℃烘箱中干燥2 h，稱重記錄為m2，m1-m2即為膳食纖維結合水的重量。

1.3.1.4 吸油力的測定

準確稱量3.0 g膳食纖維和24.0 g大豆油置于離心管中，振蕩搖勻后置于37 ℃水浴靜置1 h，離心20 min(4000 r/min)后，棄上層油，用濾紙吸除殘渣中游離的大豆油，膳食纖維粉前后重量的差值即為結合油的重量。

1.3.1.5 陽離子交換能力的測定

準確稱量1.0 g膳食纖維，加入0.1 mol/L HCl溶液50 mL，振蕩搖勻后靜置48 h。除酸，用10%的AgNO3溶液鑒定后不含氯離子，干燥得處理樣品。采用5%食鹽溶液100 mL溶解250 mg的干燥樣品，同時用磁力攪拌器攪拌。用NaOH溶液(0.01 mol/L)滴定溶液，記錄pH。

1.3.1.6 乳化性及乳化穩定性的測定

準確稱量1.0 g改性蘋果渣膳食纖維粉，加入50 mL蒸餾水，振蕩搖勻制成液體體系。加入大豆油50 mL，均質2 min(1000 r/min)后平均分成兩份。其中一份轉移到離心管中，離心10 min(1500 r/min)，采用公式(3)計算膳食纖維的乳化性。

乳化性(%)=(乳化層的高度/總高度)×100。

(3)

另一份轉入50 mL刻度試管中，置于50 ℃水浴加熱2.5 h。每間隔0.5 h測定乳狀液體積，采用公式(4)計算乳化穩定性。

乳化穩定性(%)=(最終的乳狀液體積/最初的乳狀液體積)×100。

(4)

1.3.2 膳食纖維對亞硝酸鹽的吸附

1.3.2.1 繪制標準曲線

亞硝酸鈉標準曲線的繪制參照GB 5009.33-85的方法進行。

1.3.2.2 蘋果渣膳食纖維吸附NO2-最大吸附濃度Cmax的確定

移取200 μmol/L亞硝酸鈉溶液100 mL置于250 mL干燥錐形瓶中，加入準確稱量的2.0 g改性蘋果渣膳食纖維，置于37 ℃水浴中不斷攪拌3 h。然后迅速過濾，取中間濾液1.00 mL，采用標準曲線法測定濾液中的NO2-含量，溶液中初始和殘余的NO2-濃度差值，即為Cmax(最大吸附濃度)。

1.3.2.3 平衡濃度Cmin和吸附平衡時間tm的測定

移取200 μmol/L亞硝酸鈉溶液100 mL，準確稱量2.0 g改性蘋果渣膳食纖維，均置于250 mL錐形瓶中，振蕩搖勻后放入37 ℃恒溫水浴，不斷攪拌，一定時間間隔后取1 mL溶液測定其NO2-濃度，同時做空白試驗進行對照，繪制NO2-濃度隨時間的變化曲線。溶液中殘余濃度(μmol/L)隨時間延長呈現拋物線下降趨勢，繪制其隨時間變化的曲線圖，可以建立殘余濃度和時間在3 h內變化的擬合方程，通過求導求出濃度變化速率和最大變化速率。吸附達平衡時，濃度變化速率為0，此時為吸附平衡時間tm。將tm代入擬合方程，即改性蘋果渣膳食纖維不產生作用的濃度，吸附平衡殘余的NO2-濃度，即平衡濃度Cmin。

1.3.2.4 pH值對蘋果渣膳食纖維吸附NO2-作用的影響

測定改性蘋果渣膳食纖維分別在不同pH時對NO2-的吸附情況。同條件下，不加入膳食纖維，做空白對照試驗。

1.3.3 膳食纖維對膽酸鈉的吸附

1.3.3.1 標準曲線

膽酸鈉標準曲線的繪制參考文獻[12]中的方法。

1.3.3.2 改性蘋果渣膳食纖維吸附膽酸鈉

人體腸道中存在的膽酸鈉會對健康產生一定的影響。膳食纖維對膽酸鈉的吸附可以降低其濃度，對人體健康有益，降低血清膽固醇。試驗選擇在pH 6.0條件下進行，充分模擬腸道環境。移取0.15 mol/L的NaCl溶液100 mL于250 mL錐形瓶中，該溶液中含0.2 g膽酸鈉，然后分別加入1～4 g改性蘋果渣膳食纖維，將錐形瓶置于37 ℃水浴恒溫加熱。不斷攪拌的條件下，每隔一段時間準確移取1 mL溶液，測定其中的膽酸鈉濃度。同時，不加入膳食纖維，做空白對照。最大吸附濃度Cmax即為膽酸鈉初始和殘余濃度的差值。Vmax、Cmin和tm的測定方法同上。

2 結果與討論

2.1 改性蘋果渣膳食纖維理化性質分析

蘋果渣膳食纖維理化性質測定結果見表1。

表1 蘋果渣膳食纖維理化性質結果分析Table 1 Analysis of physical and chemical properties of apple pomace dietary fiber

由表1可知，采用綠色木霉發酵改性的蘋果渣膳食纖維的膨脹力可以達到6.25 mL/g，持水力為4.53 g/g，性能指標高于西方國家相關標準(小麥麩皮膳食纖維膨脹力為4 mL/g，持水力為4 g/g)[13]。采用綠色木霉發酵對蘋果渣膳食纖維進行改性后，其理化性質指標均優于原料。改性蘋果渣膳食纖維的水溶性膳食纖維比例大大增加，顯示出較好的膨脹力、持水力、結合水力、吸油力和陽離子交換能力，同時乳化性和乳化穩定性也有不同程度的上升。

2.2 改性蘋果渣膳食纖維對亞硝酸鹽的吸附

2.2.1 標準曲線的繪制

亞硝酸鈉標準曲線見圖1。

圖1 亞硝酸鈉標準曲線Fig.1 Standard curve of sodium nitrite

2.2.2 不同pH條件下改性蘋果渣膳食纖維對亞硝酸鹽的吸附

圖2 pH值對改性蘋果渣膳食纖維吸附NO2-的影響Fig.2 Effect of pH value on adsorption of NO2- by modified apple pomace dietary fiber

表2不同pH條件下蘋果渣膳食纖維對NO2-吸附能力的測定結果
Table2ResultsofadsorptionabilityofapplepomacedietaryfibertoNO2-underdifferentpHconditions

pH值Cmax(μmol/L) Vmax[μmol/(g·min)] tm(min) Cmin(μmol/L) 吸附率(%)2.0201.80.1631303.598.83.0194.70.1331337.3 92.94.0171.30.11813534.6 81.35.0143.10.10713662.2 67.66.0111.70.07513599.7 52.3

由圖2和表2可知，改性蘋果渣膳食纖維對NO2-的吸附能力隨pH值增大而減弱，在pH 2.0時膳食纖維的吸附能力達到最大值，吸附率高達98.8%，Cmin降至3.5 μmol/L。膳食纖維中的糖蛋白和多糖物質可以與阿魏酸等酚酸結合生成復合物，這些物質可以與亞硝酸根離子反應，從而阻止其進一步轉化成N-硝基化合物等致癌物[14]。人體胃液的正常pH為2.0左右，1～5 μmol/L 的NO2-濃度對人體基本不產生危害。由表2可知，改性蘋果渣膳食纖維可以在pH 2.0的條件下，經過130 min的吸附將NO2-濃度降低至3.5 μmol/L。 結果表明，綠色木霉微生物發酵改性蘋果渣膳食纖維可以有效降低NO2-濃度至安全水平。

2.3 改性蘋果渣膳食纖維對膽酸鈉的吸附

2.3.1 標準曲線的繪制

膽酸鈉標準曲線見圖3。

圖3 膽酸鈉標準曲線Fig.3 Standard curve of sodium cholate

2.3.2 不同膳食纖維用量吸附膽酸鈉的結果

圖4 改性蘋果渣膳食纖維對膽酸鈉的吸附Fig.4 Effect of the adsorption of apple pomace dietary fiber on sodium cholate

表3膳食纖維用量對膽酸鈉吸附能力的影響
Table3Effectofdietaryfiberadditiveamountontheadsorptionabilityofsodiumcholate

膳食纖維用量(g) Cmax(g/L) Vmax[g/(g·min)] tm(h) 吸附率(%) 1 0.5890.03163.5529.62 0.967 0.02523.80 49.731.3960.0235 3.92 72.841.6980.0204 3.98 79.7

由圖4和表3可知，改性蘋果渣膳食纖維對膽酸鈉的吸附呈現拋物線向下趨勢，隨著膳食纖維用量的增加，吸附膽酸鈉的能力越強。分析原因是膳食纖維結構中的網絡狀可以產生類似交換樹脂的交聯作用，高分子量的膳食纖維可以有效吸附膽酸鈉。水溶性膳食纖維在降低血清中膽固醇方面比不溶性膳食纖維體現出更好的性能。通過綠色木霉發酵改性，改善了原料的水溶性，與膽酸作用較好。比較發現，在膳食纖維用量為3 g時，對膽酸鈉的吸附率上升幅度較大，4 g用量雖然吸附率繼續增加，但是達到吸附平衡的時間有所延長，且吸附率上升比例不大。因此，認為在3 g改性蘋果渣膳食纖維用量時達到較佳膽酸鈉吸附效果，吸附率可以達到72.8%，對于降低血清膽固醇有積極作用。

3 小結

對綠色木霉改性蘋果渣膳食纖維的理化性質進行測定分析，結果發現，改性后的蘋果渣膳食纖維與原料相比，具有較好的膨脹力、持水力、結合水力、吸油力和陽離子交換能力，顯示出很好的乳化性和乳化穩定性，改性蘋果渣膳食纖維的理化性質達到相關標準。

改性蘋果渣膳食纖維對NO2-的吸附能力較好，在接近胃酸pH 2.0條件下吸附能力最強，吸附率可達98.8%，可以降低NO2-濃度至3.5 μmol/L的安全水平。改性蘋果渣膳食纖維吸附膽酸鈉能力較強，膳食纖維用量為3.0 g時，對膽酸鈉的吸附率可以達到72.8%。

選擇農產品加工廢棄物蘋果渣為研究對象，采用綠色木霉發酵法進行改性，可以有效提高水溶性膳食纖維含量，改善膳食纖維的理化性質，有效吸附NO2-和膽酸鈉等有害物質，對人體健康有益，該改性蘋果渣膳食纖維可以進一步用于開發健康食品，促進全面健康的同時，提高了蘋果產業的附加值。

膳食纖維在食品行業應用廣，通過理化特性分析，符合標準要求的改性蘋果渣膳食纖維可以用于主食、乳制品、飲料、調味品、嬰幼兒食品等各類食品加工中，改善功能特性與營養價值。