單螺桿擠壓對蘋果渣中水溶性膳食纖維的影響

楊哲，張海靜，曹燕飛，張敏，李宏軍

（山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博255049）

蘋果在被加工成果汁、果醬等產品的同時產生了大量的生產副產物——蘋果渣[1]。蘋果渣富含可溶性糖類、有機酸、纖維素等成分[2]，具有果香味，適口性好，是良好的飼料資源，但大部分果渣直接被廢棄，對環境造成嚴重的危害[3]。

擠壓技術集混合、蒸煮于一體，且具有生產效率高、對產品污染少等優點，因此廣泛應用于食品行業。根據國內外報道，楊俊峰[4]研究了雙螺桿擠壓膨化對蘋果渣中果膠含量的影響，通過響應面法優化出了最佳的擠壓工藝條件。LIU 等[5]探討了擠壓桶內水分對蘋果渣的影響，通過對蘋果渣進行了粒徑分析、激光共聚焦顯微鏡掃描及功能性質和多酚物質測定，表明了擠壓處理可以提高蘋果渣的抗氧化活性。HUANG 等[6]基于響應面法，以水溶性膳食纖維含量為響應值，優化出了單螺桿擠壓處理橙渣的最佳工藝參數。LUIS 等[7]采用雙螺桿擠壓技術對橘皮纖維進行擠壓改性，研究了桶體溫度、螺桿轉速、水分含量3 個變量對橘皮纖維中膳食纖維組成的影響，發現擠出物中的水溶性膳食纖維均明顯增加，這表明擠壓過程可以改善橘皮中膳食纖維的組成，提高了橘皮纖維的利用率。

本研究以蘋果渣為原料，采用單螺桿擠壓機對其進行預處理并通過響應面法優化擠壓參數，以期優選出水溶性膳食纖維含量更高的蘋果渣擠壓工藝條件，并根據粒徑分析、掃描電鏡分析水溶性膳食纖維變化機理，為蘋果渣的資源化利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蘋果渣：山東省沂源康源生物科技有限公司；纖維素酶（50 000 U/g）：江蘇銳陽生物科技有限公司；95%乙醇、氫氧化鈉（均為分析純）：天津市致遠化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

單螺桿擠壓機（YJP 200）：山東理工大學農產品精深加工實驗室自組裝；電子分析天平（WE204/02）：梅特勒—托利多儀器有限公司；超聲波清洗儀（KQ-500B）：昆山市超聲儀器有限公司；微型植物粉碎機（FZ102）：上海巖征生物科技有限公司；低速大型多管離心機（DL5-B）：上海安亭科學儀器廠；酸度計（PHS-3C）：上海精密科學儀器有限公司；電熱鼓風干燥箱（101-3AB）：天津市泰斯特儀器有限公司；電熱恒溫水浴鍋（DZKW-S-6）：北京市永光明醫療儀器有限公司；激光粒度儀（Mastersizer2000）：英國馬爾文儀器有限公司；場發射掃描電子顯微鏡（Apreos）：美國FEI 公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 擠壓工藝流程

蘋果渣粉→調節物料含水量→設置擠壓參數→擠壓膨化→烘干→粉碎→擠壓蘋果渣粉→組分分析

1.3.2 單因素試驗

1.3.2.1 物料含水量的確定

準確稱取2.0 kg 蘋果渣，固定擠壓機螺桿轉速160 r/min，套筒溫度110 ℃，模孔直徑10 mm，模孔數量3 個，分別取物料含水量為20%、23%、26%、29%、32%對物料進行擠壓膨化，研究物料含水量對蘋果渣中水溶性膳食纖維含量的影響。

1.3.2.2 螺桿轉速的確定

準確稱取2.0 kg 蘋果渣，固定擠壓機套筒溫度110 ℃，物料含水量26%，模孔直徑10 mm，模孔數量3個，分別取螺桿轉速為120、140、160、180、200 r/min 對物料進行擠壓膨化，研究螺桿轉速對蘋果渣中水溶性膳食纖維含量的影響。

1.3.2.3 套筒溫度的確定

準確稱取2.0 kg 蘋果渣，固定擠壓機螺桿轉速160 r/min，物料含水量26%，模孔直徑10 mm，模孔數量3 個，分別取套筒溫度90、100、110、120、130 ℃對物料進行擠壓膨化，研究套筒溫度對蘋果渣中水溶性膳食纖維含量的影響。

1.3.3 響應面試驗設計

在單因素試驗基礎上，以物料含水量、螺桿轉速、套筒溫度為自變量，水溶性膳食纖維含量為響應值，采用響應面試驗設計安排試驗，試驗因素水平編碼見表1。

表1 試驗因素水平及編碼Table 1 Experiment factors and levels

1.3.4 水溶性膳食纖維含量測定

參照麻佩佩[8]的方法，準確稱取1.000 0 g 蘋果渣，料水比1 ∶25（g/mL），調節pH 值至5.5，加12%纖維素酶于60 ℃下反應4 h 保溫30 min，離心取上層清液，加入4 倍體積的95%乙醇，靜置過夜，抽濾，烘干后稱重即為水溶性膳食纖維含量。

1.3.5 粒徑分析

將蘋果渣和擠壓蘋果渣粉碎，過60 目篩，采用激光粒度儀測定擠壓處理前后蘋果渣粉的粒徑分布，以水為分散劑，設定顆粒折射率為1.500，分散劑折射率為1.330。

1.3.6 掃描電子顯微鏡分析

樣品經過冷凍干燥后噴金，在掃描電子顯微鏡下觀察蘋果渣與擠壓蘋果渣的表面結構。

1.3.7 半纖維素含量測定參照劉超[9]的方法，取一定量去除果膠、木質素的蘋果渣，按料液比1 ∶15（g/mL）加入2 mol/L 的氫氧化鈉溶液，在85 ℃下超聲90 min 后抽濾，取濾液，用乙酸調至pH 6.0，離心后將沉淀烘干為半纖維素A，并在離心上清液中加入4 倍體積的95%乙醇，靜置離心后沉淀烘干為半纖維素B，稱重即為半纖維素含量。

1.4 數據處理

采用Design-ExpertV8.0.6 軟件進行回歸模型分析和Origin Pro 9.1 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 物料含水量對水溶性膳食纖維含量的影響

物料含水量對蘋果渣水溶性膳食纖維含量的影響見圖1。

圖1 物料含水量對蘋果渣水溶性膳食纖維含量的影響Fig.1 Effect of water content on content of soluble dietary fiber in apple pomace

物料含水量在擠壓過程中會影響物料受到的剪切力、擠壓力和摩擦力。根據預試驗，物料含水量低于20%時易造成擠壓機內部物料焦糊堵塞，不能連續工作，故該試驗選擇物料含水量大于20%。由圖1 可知，隨著物料含水量的增加，擠壓蘋果渣的水溶性膳食纖維含量呈現先升高后降低的趨勢，當物料含水量為26%時，擠壓蘋果渣中水溶性膳食纖維含量達到最大值8.42%。物料含水量低于26%時，隨著物料中水分的增加，擠壓機筒內產生的蒸汽增多，物料的熔融狀態好，使得物料在擠壓機內充分混合擠壓，有利于其分子間的部分化學鍵斷裂，故蘋果渣中水溶性膳食纖維含量隨物料含水量增加而升高；當水分含量超過26%時，蘋果渣中的水溶性膳食纖維含量隨水分含量增加而降低，原因是物料含水量過高造成其在擠壓機內受到的摩擦力減小，相應的剪切力和壓力也會減小，導致不溶性膳食纖維大分子向小分子物質轉化程度降低[10]。綜合考慮，選擇物料含水量為26%作為響應面優化的中間水平。

2.1.2 螺桿轉速對水溶性膳食纖維含量的影響

螺桿轉速對蘋果渣水溶性膳食纖維含量的影響見圖2。

圖2 螺桿轉速對蘋果渣水溶性膳食纖維含量的影響Fig.2 Effect of screw speed on yield of soluble dietary fiber in pomace

由圖2 可知，擠壓蘋果渣的水溶性膳食纖維含量隨擠壓機螺桿轉速的增加呈現出先升高后降低的趨勢。當螺桿轉速為160 r/min 時，蘋果渣中水溶性膳食纖維含量最高，擠出物狀態最好，在此螺桿轉速下，蘋果渣在機筒內停留的時間足夠長，受到充分的剪切力及擠壓力的作用，蘋果渣微粒變細，增加了蘋果渣中纖維與水的接觸面積，從而提高了水溶性膳食纖維的含量。當螺桿轉速大于160 r/min 時，蘋果渣中水溶性膳食纖維含量下降，這是因為螺桿轉速過快，物料在擠壓機內停留時間縮短，未能得到充分的剪切和擠壓作用，分子鍵間的斷裂程度受到影響[11]。因此，選擇螺桿轉速是160 r/min 作為響應面優化的中間水平。

2.1.3 套筒溫度對水溶性膳食纖維含量的影響

套筒溫度對蘋果渣水溶性膳食纖維含量的影響見圖3。

圖3 套筒溫度對蘋果渣水溶性膳食纖維含量的影響Fig.3 Effect of sleeve temperature on content of soluble dietary fiber in pomace

由圖3 可知，隨著擠壓機套筒溫度的升高，蘋果渣的水溶性膳食纖維含量先升高后降低，當套筒溫度110 ℃時，蘋果渣的水溶性膳食纖維含量最高。套筒溫度低于110 ℃時，隨著套筒溫度升高，水溶性膳食纖維含量增加，因為適當的升高溫度可以使蘋果渣處于較好的熔融狀態，物料在高溫作用的同時受到高剪切力，其不溶性膳食纖維的分子鍵發生解聚[12]；當套筒溫度繼續升高超過110 ℃，溫度過高容易造成物料中水分蒸發，物料在機筒內容易焦糊結塊，擠出過程不連續，擠出物狀態差，導致物料中水溶性膳食纖維含量降低。故選擇套筒溫度110 ℃為響應面優化試驗的中間水平。

2.2 響應面試驗結果

根據表1 試驗因素水平編碼表進行中心組合試驗設計，對蘋果渣中水溶性膳食纖維含量進行測定，具體試驗設計與結果如表2 所示。

表2 試驗設計與結果Table 2 Test arrangement and results

2.3 蘋果渣水溶性膳食纖維含量的響應面結果分析

通過Design-ExpertV8.0.6 軟件對表2 中試驗結果進行擬合分析，獲得回歸方程如下：Y=8.38-0.27X1+0.086X2+0.098X3-0 .16X1X2-0.058X1X3+0.079X2X3-0.62-0.47-0.54。

擠壓蘋果渣水溶性膳食纖維含量的回歸模型方差分析見表3。

表3 擠壓蘋果渣水溶性膳食纖維含量的回歸模型方差分析Table 3 Regression model analysis of variance of soluble dietary fiber content of extruded apple pomace

由表3 可知，影響蘋果渣的水溶性膳食纖維含量的因素按照主次順序為：物料含水量＞套筒溫度＞螺桿轉速。模型中因素X1極顯著，二次項高度顯著，其它項不顯著。通過方差分析，回歸方程模型P＜0.000 1，即該模型高度顯著，失擬項P=0.531 6＞0.05 不顯著，說明該回歸模型是可行的。此模型的決定系數R2為0.945 0，表明蘋果渣中水溶性膳食纖維含量的實際值與預測值擬合度良好。因此，該回歸模型建立的回歸方程可以預測不同擠壓因素組合處理蘋果渣的水溶性膳食纖維含量。

根據回歸方程繪制響應面分析圖，以確定物料含水量、螺桿轉速、套筒溫度對蘋果渣水溶性膳食纖維含量的影響，響應曲面圖如圖4～圖6 所示。

由圖4 可知，當套筒溫度恒定時，擠壓蘋果渣的水溶性膳食纖維含量隨螺桿轉速的增加呈現先升高后降低的趨勢；當螺桿轉速恒定時，物料中水溶性膳食纖維含量隨套筒溫度的增加先升高后降低。由圖5 可知，當套筒溫度恒定時，物料含水量的增加導致擠壓蘋果渣的水溶性膳食纖維含量先升高后降低；當物料含水量恒定時，蘋果渣水溶性膳食纖維含量隨套筒溫度的升高呈現先升高后降低的趨勢。由圖6 可知，當擠壓機螺桿轉速恒定時，隨著物料含水量的增加，擠壓蘋果渣水溶性膳食纖維含量先升高后降低；當物料含水量恒定時，擠壓蘋果渣水溶性膳食纖維含量隨著螺桿轉速的增加先升高后降低。

圖4 螺桿轉速和套筒溫度的響應面圖Fig.4 Response surface diagram of screw speed and sleeve temperature

圖5 物料含水量和套筒溫度的響應面圖Fig.5 Response surface diagram of water content and sleeve temperature

圖6 物料含水量和螺桿轉速的響應面圖Fig.6 Response surface diagram of water content and screw speed

2.4 驗證試驗

該回歸模型通過Design-Expert V8.0.6 軟件分析處理，得出最優的擠壓工藝參數組合為：物料含水量25.28%，螺桿轉速163.42r/min，套筒溫度111.38℃。在此擠壓工藝條件下，蘋果渣中水溶性膳食纖維含量的預測值為8.42%。根據實際條件及操作可行性，將擠壓工藝條件調整為：物料含水量26%，螺桿轉速160 r/min，套筒溫度110 ℃，在此條件下進行驗證，3 次平行試驗的試驗結果平均值為8.64%，實際操作處理的蘋果渣中水溶性膳食纖維的含量與模型預測值相對誤差為2.6%＜5.0%，證明該模型可靠，具有實際應用價值。

2.5 擠壓前后蘋果渣的粒徑分析

擠壓前后蘋果渣粒徑分布見圖7。

圖7 擠壓前后蘋果渣粒徑分布圖Fig.7 Particle size distribution of apple pomace and extruded apple pomace

粒徑大小是聚合物平均大小的間接測量[13]。根據Mastersizer2000 得出的數據分析，蘋果渣粉末的均勻度為0.65，擠壓蘋果渣的均勻度為0.96，說明擠壓預處理可以使蘋果渣粉末均勻度升高，使用性能更好。由圖7 可以得出，擠壓蘋果渣的平均粒徑82.10 μm，蘋果渣的平均粒徑為225.80 μm，擠壓蘋果渣粒徑顯著小于蘋果渣粒徑。因此，在擠壓預處理剪切力的作用下，蘋果渣顆粒被剪切成更小顆粒，增大了物料的親水性，從而提高了蘋果渣中水溶性膳食纖維的含量。

2.6 擠壓前后蘋果渣掃描電子顯微鏡分析

擠壓蘋果渣和蘋果渣的掃描電鏡圖見圖8。

圖8 擠壓蘋果渣和蘋果渣的掃描電鏡圖像Fig.8 SEM images of extruded apple pomace and apple pomace

如圖8 所示，經擠壓處理后的蘋果渣呈現出明顯的孔隙，表面結構疏松[14]，而未處理蘋果渣有緊湊的纖維結構，表面緊密且排列具有規律性。該結果表明，具有緊密相連的組織的未擠壓蘋果渣分子在擠壓機的剪切力和擠壓力的作用下，表面結構發生改變，呈現出孔隙。蘋果渣的結構經過擠壓處理變得疏松，從而增大了蘋果渣中水溶性膳食纖維分子與水分子的接觸面積[15]，與蘋果渣中水溶性膳食纖維含量的提高相對應。

2.7 擠壓前后蘋果渣中基本成分對比

壓前后蘋果渣中基本成分對比見圖9。

圖9 擠壓前后蘋果渣中基本成分對比Fig.9 Comparison of basic ingredients in apple pomace and extruded apple pomace

由圖9 所示，擠壓蘋果渣中水溶性膳食纖維含量為8.64%，相比原蘋果渣中的4.36%提高了98.17%；擠壓蘋果渣中半纖維素含量為19.93%，相比原蘋果渣中半纖維素的23.41%降低了14.87%。擠壓預處理明顯提高了蘋果渣中水溶性膳食纖維的含量，降低了半纖維素含量，這主要是因為在擠壓機高剪切力作用下，蘋果渣中部分不溶性的半纖維素分子間化學鍵發生斷裂，使其轉化為水溶性膳食纖維，促進水溶性膳食纖維含量提高。

3 結論

以蘋果渣為原料，通過單因素及響應面試驗對物料含水量、螺桿轉速、套筒溫度3 個因素進行優化，得到的最佳擠壓工藝參數為：物料含水量26%，螺桿轉速160 r/min，套筒溫度110 ℃。在此條件下，擠壓蘋果渣中水溶性膳食纖維含量達到8.64%，相比原蘋果渣的4.36%，增加了98.17%。粒徑和掃描電子顯微鏡分析結果表明：由于擠壓機的高剪切力和高擠壓力作用導致蘋果渣中部分不溶的半纖維素分子鍵斷裂轉換為可溶性膳食纖維，擠壓蘋果渣的粒徑較原蘋果渣更細更均勻、結構變得疏松，增大了物料中膳食纖維與水的接觸面積，提高了其親水性，進而提高了水溶性膳食纖維含量。擠壓預處理蘋果渣明顯地提高了水溶性膳食纖維含量，同時結構變得更疏松，為后期擠壓蘋果渣的微生物發酵利用奠定了基礎。