擠壓對豌豆渣不溶性膳食纖維膨脹性和持水性影響

皇圓圓，吳淑華,2，李 飛，劉秉書，王雪源，馬成業,2

(1.山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049；2.山東省高校農產品功能化技術重點實驗室，山東 淄博 255049；3.山東健源生物工程股份有限公司，山東 煙臺265400)

豌豆(Pisumsativum)，豆科(Leguminosae)豌豆屬(Pisum)一年生攀緣草本植物，是世界上第二大食用豆類作物。中國是第二大豌豆生產國，其生產量僅次于加拿大[1]。豌豆的營養價值較高，其中淀粉含量為33.4%～47.5%，蛋白質含量為24.3%～30.4%，非淀粉多糖含量為14.4%～19.5%[2-3]。豌豆渣是豌豆淀粉生產和工業中粉絲生產的副產品，其膳食纖維含量超過80%，是膳食纖維的理想來源。然而，由于其口感較為粗糙且難以被消化, 加工利用率極低, 除少量作飼料外，大部分被作為廢料丟棄，附加值低[4-5]。膳食纖維是指植物中碳水化合物的聚合物，天然存在于植物中，是對人體健康具有重大意義的物質[5]，被稱為人體“第七大營養素”。膳食纖維根據溶解度可分為兩大類：可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維[6]，其中，可溶性膳食纖維的生理功能為降低血清膽固醇和預防膽結石，減少糖尿病、高血壓及心臟病的發病率等；而不溶性膳食纖維則在防止肥胖、便秘和腸癌等方面發揮著重要作用[7-9]。

擠壓膨化加工技術是將混合、攪拌、破碎、加熱、蒸煮、殺菌、膨化及成型等高新技術集成一體的技術[9]，其可使淀粉糊化、纖維素降解、蛋白質變性、酶變性失活[10-11]，還可以使纖維素微粒化，分子的極性發生改變，增加纖維素與水分子的親和性，增大膳食纖維的水溶性并且改善其口感[12]。Yan等[13]研究發現擠壓麥麩可以增加可溶性膳食纖維的含量，同時還可以提高膳食纖維的膨脹性和持水性。擠壓加工也可改變膳食纖維分子質量，麥麩擠壓后，其中的阿糖基木聚糖和β-葡聚糖的平均分子質量降低，這提高了二者的可提取性[14]。擠壓對膳食纖維理化性質的影響因素主要取決于擠壓時的物料水分、機筒溫度和螺桿轉速等，研究擠壓工藝參數對豌豆渣不溶性膳食纖維理化性質的影響，可以生產高品質且具有高附加值的新型擠壓產品。

實驗通過擠壓技術與酶水解法結合，研究擠壓參數對豌豆渣中的不可溶性膳食纖維的膨脹性和持水性的影響，以期望為豌豆渣加工行業提供理論依據，提高豌豆渣的利用率。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑

豌豆渣(水分含量8.02%，木質素含量22.58%，纖維素含量25.43%，半纖維素含量20.14%，不溶性膳食纖維含量84.10%，淀粉含量3.07%，蛋白質含量3.95%，脂肪含量0.21%，純度AR，山東健源生物工程股份有限公司)；耐高溫α-淀粉酶(活力40 000 U/mL，江蘇銳陽生物科技有限公司)；糖化酶(活力100 000 U/mL，上海源葉生物科技有限公司)；堿性蛋白酶(活力200 U/mL，江蘇銳陽生物科技有限公司)，其他化學試劑純度AR。

1.2 儀器與設備

單螺桿擠壓機：山東理工大學自制，由三段加熱組合套筒和螺桿組成，長徑比為17.4∶1，螺桿直徑為77 mm，螺桿轉速為0～1 200 r/min(無級可調)，套筒溫度為0～300 ℃(連續可調)，配有溫度數顯儀表閉環自控系統；FD-1D-50冷凍干燥機：北京博醫康實驗儀器有限公司；DZKW-S-b 電熱恒溫水浴鍋：北京市永光明醫療儀器有限公司；CWF300超微粉碎機：溫州頂歷醫療器械有限公司；HD-SYC恒溫水浴振蕩器：湖南昊德儀器設備有限公司；SHZ-DⅢ循環水式真空泵：鞏義市予華儀器有限責任公司；TGL-16C高速離心機：上海安亭科學儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 單因素試驗設計

在對豌豆渣擠壓處理前，先將其進行干燥、粉碎、過20目篩，且調節水分含量，靜置24 h后備用。測定在不同的條件下對豌豆渣中不溶性膳食纖維的影響，試驗因素分別設置物料水分為20%、30%、40%、50%、60%，其中40%的水分為固定值；擠壓機機筒溫度為120 ℃、130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃，其中140 ℃為固定值；擠壓機的螺桿轉速為100 r/min、120 r/min、140 r/min、160 r/min、180 r/min，其中140 r/min為固定值。

1.3.2 不溶性膳食纖維的提取方法

采用耐高溫α-淀粉酶和堿性蛋白酶結合的方法將豌豆渣中的淀粉和蛋白質去除。稱取適量的豌豆渣樣品，加入蒸餾水，攪勻。將pH調至6.0～6.2，然后加入耐高溫α-淀粉酶，放置于水浴鍋中進行95 ℃水浴30 min，碘液檢測不變藍則停止反應。冷卻至60 ℃，調節pH 至4.3～4.5之間，添加一定量的糖化酶，放置于60 ℃水浴鍋中進行水浴3 h。糖化完成后，將其在沸水浴中加熱滅酶10 min。冷卻后，將pH調節至7.6～7.8后，添加堿性蛋白酶(添加量為原料含量的0.2%)。置于水浴鍋中進行55 ℃水浴3 h，待蛋白質完全除去后再沸水浴10 min滅酶[15]。

1.3.3 膨脹性的測定

稱取 1.0 g 干燥樣品置于 100 mL 量筒中，再添加 50 mL 蒸餾水，振蕩均勻后于室溫下靜置 24 h，對樣品溶脹前和溶脹后的體積進行目測讀取。膨脹性按式(1)計算[16]：

(1)

式中:X為樣品的膨脹性，mL/g；m為樣品吸水前質量，g；V1為樣品吸水前體積，mL；V2為樣品吸水后體積，mL。

1.3.4 持水性的測定

稱取 1.0 g 干燥樣品置于 100 mL 錐形瓶中，再添加 75 mL 的蒸餾水，在 25 ℃下用恒溫水浴振蕩器振蕩24 h。振蕩結束后將樣品轉移至離心管中，于 4 000 r/min 條件下離心 0.5 h，傾去上清液并稱重。持水性按式(2)計算[17]：

(2)

式中:X為樣品的持水性/(g/g)；m1為樣品吸水后質量，g；m2為樣品吸水前質量，g。

1.3.5 數據處理

運用Origin 9.1對擠出物與不溶性膳食纖維的物理性質(膨脹性、持水性)進行試驗數據處理，并制備直方圖。運用SPSS 9.3對擠出物與不溶性膳食纖維的物理性質進行實驗數據處理，作出顯著性及誤差分析。

2 結果與分析

2.1 擠壓單因素對不溶性膳食纖維膨脹性的影響

膳食纖維的重要的性質之一是吸水膨脹，擠壓技術可改變膳食纖維的結構從而改變其膨脹性，而膨脹性的增大能使膳食纖維更好地發揮其生理功能。如膳食纖維進入消化道后，在胃中吸水膨脹體積增大，從而刺激人體胃腸道的蠕動，增加排便的速度和次數，降低了腸內壓，從而產生通便作用。同時也減輕了泌尿系統所承受的壓力，緩解泌尿系統疾病的癥狀，諸如膀胱炎、膀胱結石和腎結石等，并能使人體迅速排出有毒物質。對于治療某些腸道疾病，如便秘、橫膈膜癥及痔瘡等具有一定的好處[18-20]。

2.1.1 物料水分對不溶性膳食纖維膨脹性的影響

由圖1可知，當物料水分為40%時，原料擠出物與不溶性膳食纖維的膨脹性均為最大，擠出物膨脹性為2.69 mL/g，不溶性膳食纖維的膨脹性為1.15 mL/g。隨物料水分的增加，原料擠出物的膨脹性和不溶性膳食纖維的膨脹性均先增加后降低，并且不溶性膳食纖維的膨脹性比擠出物的膨脹性顯著低。先增大后減小的原因可能是適當水分會導致物料發生玻璃化轉變，這使得物料易于膨脹；但當水分太高時，物料的表觀黏度降低，物料在機筒內所受摩擦力以及剪切力降低，使在機頭處的物料所受的壓力顯著降低，導致膨脹性降低[21]。不溶性膳食纖維的膨脹性比擠出物的膨脹性顯著低，原因可能是豌豆渣中含有淀粉和蛋白質，隨物料水分的增加，適當的水分會導致物料內部的有序分子的氫鍵斷裂，而變成無序分子，原晶體結構被破壞，膨脹性增加[22]，而去除淀粉、蛋白質的過程中，物料長時間浸泡于水中，物料空隙縮小，因此不溶性膳食纖維的膨脹性減小。

2.1.2 機筒溫度對不溶性膳食纖維膨脹性的影響

由圖2可知，隨著機筒溫度的增加，原料擠出物與不溶性膳食纖維的膨脹性均先增大后減小，整體變化趨勢差異性顯著。當機筒溫度為130 ℃時，不溶性膳食纖維的膨脹性最大為1.98 mL/g；在溫度為140 ℃時，原料擠出物的膨脹性最大為2.69 mL/g，且高于不溶性膳食纖維的最大膨脹性。其原因可能是隨擠壓溫度的升高，機腔內壓力增大，使物料在被擠出時所受到的內外壓差增大，從而使膨脹性增大；而擠壓溫度過高時，高溫導致物料黏度下降，物料所受到的剪切作用減弱，膨脹性降低[23]。原料擠出物膨脹性高于不溶性膳食纖維，由于原料中含有淀粉和蛋白質，擠壓溫度過高，淀粉糊化，蛋白質變性，變成疏松的網狀結構，而去除淀粉、蛋白質后，物料孔徑減小，因此原料擠出物膨脹性較高。

圖2 機筒溫度對膨脹性的影響

2.1.3 螺桿轉速對不溶性膳食纖維膨脹性的影響

由圖3可知，隨螺桿轉速的增加，原料擠出物與不溶性膳食纖維的膨脹性均先增大后減小，整體變化趨勢差異性顯著。在螺桿轉速為140 r/min時，原料擠出物膨脹性達到最大值，轉速為160 r/min時不溶性膳食纖維膨脹性達到最大值。其原因可能是轉速會直接影響機腔內剪切力和壓力，隨著轉速的增加，產生的剪切力就會增大，機頭處產生的壓力增大，物料在機頭處被擠出時所受到的內外壓差就會增大，從而使擠出物膨脹性增大；而轉速過高時，物料在機腔內滯留時間變短，大分子物質還未完全降解即被擠出，導致其膨脹性降低[24]。擠出物膨脹性高于不溶性膳食纖維的，原因可能是未經酶解的擠出物內部空間結構比較疏松，易于吸水膨脹。

圖3 螺桿轉速對膨脹性的影響

2.2 擠壓單因素對不溶性膳食纖維持水性的影響

食品體系水分的分布受所含膳食纖維持水性的影響，對食品外觀、風味、質構及商品價值影響都較大[25]。Chen等[26]發現擠壓膨化可使大豆膳食纖維中可溶性膳食纖維的含量增加，且膳食纖維的持水性、溶解性也都有顯著提高。

2.2.1 物料水分對不溶性膳食纖維持水性的影響

由圖4可知，隨物料水分的增加，原料擠出物與不溶性膳食纖維的持水性先增加，后略有下降。在物料水分增大到40%時，持水性達到最大。原因可能是適當的水分使物料內部的有序分子中的氫鍵發生斷裂，變成無序狀態，導致原晶體結構被破壞，物質的結構發生變化，使物料易糊化[27]，因此持水性明顯增加；而物料水分過高時，物料的流動性增大，剪切力降低，物料的降解程度降低，從而降低了持水性[28]。而不溶性膳食纖維的持水性明顯高于擠出物的持水性，因為在擠壓過程中水具有增加聚合物分子的增塑性、運動性、降低扭矩等作用[29-30]，原料中含有淀粉和蛋白質，水的增塑性和增加分子運動性的作用提高了蛋白質分子的溶脹程度和形成網絡分子的能力，從而增加了不溶性膳食纖維的持水性。

圖4 物料水分對持水性的影響

2.2.2 機筒溫度對不溶性膳食纖維持水性的影響

由圖5可知，隨機筒溫度的增加，原料擠出物與不溶性膳食纖維的持水性均先增大后減小。當機筒溫度為150 ℃時，原料擠出物和不溶性膳食纖維的持水性均最高，整體變化差異性不明顯，原因可能是隨著溫度的升高，機腔內壓力增加，物料所受到的剪切力、摩擦力就增大，纖維素、淀粉等大分子物質降解程度增大[31]，水溶性成分增多，持水性增加；而溫度過高時，物料在機筒內易焦糊和結成硬塊[32]，影響其從機筒中擠出，使持水性下降。不溶性膳食纖維的持水性明顯高于原料擠出物的持水性，原因是高溫及耐高溫α-淀粉酶等對淀粉的降解，促進了淀粉的熔融和糊精化，導致不溶性膳食纖維暴露出更多的親水基團，從而使其持水性顯著增加。

圖5 機筒溫度對持水性的影響

2.2.3 螺桿轉速對不溶性膳食纖維持水性的影響

由圖6可知，隨螺桿轉速的增加，原料擠出物的持水性先減小后增大，但整體變化趨勢差異性不顯著，原因可能是隨轉速增加，機腔內溫度增加，壓力增加，使原料擠出物焦糊并結成硬塊，持水性下降，但轉速過高，縮短了物料在機筒內的停留時間，混合不均勻，物料不能充分反應，因此持水性會有所升高；不溶性膳食纖維持水性先增大后減小，在轉速為180 r/min時持水性最大，且不溶性膳食纖維持水性高于原料擠出物，原因可能是擠出物經高溫和耐高溫α-淀粉酶等對淀粉的降解，使膳食纖維中某些大分子組分的連接鍵斷裂變成小分子組分，導致膳食纖維的網狀結構由致密轉變得相對疏松，體積和比表面積也隨之增大，可溶性物質增多，從而導致不溶性膳食纖維的持水性提高。

圖6 螺桿轉速對持水性的影響

3 結論

研究結果表明物料水分、擠壓機筒溫度和螺桿轉速均能顯著影響豌豆渣及其不溶性膳食纖維擠壓膨化的膨脹性和持水性。擠壓膨化過程中，隨物料水分、機筒溫度的增大，擠出物及不溶性膳食纖維的膨脹性、持水性均先增大后減小；隨螺桿轉速的增加，擠出物與不溶性膳食纖維的膨脹性先增大后減小，而擠出物的持水性先減小后增大，不溶性膳食纖維與之相反。在加工過程中可以通過控制適宜的擠壓條件得到膨脹性、持水性較好的豌豆產品，提高豆渣利用率。