蒸汽爆破與酶解耦合制備花生殼膳食纖維

王磊 ，董李學(xué) ，王建華 ，劉志軍 ，王穎 *，張寧 *

1.唐山市食品藥品綜合檢驗檢測中心（唐山 063000）；2.河北省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測技術(shù)創(chuàng)新中心（唐山 063000）；3.唐山市功能性農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院（唐山 063000）；4.唐山潤澤糧油食品有限公司（唐山 063000）；5.河北省花生產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院（唐山 063000）

膳食纖維是人類健康飲食中不可缺少的，在保持消化系統(tǒng)健康上扮演著重要的角色，同時攝取足夠的膳食纖維也可以預(yù)防心血管疾病、癌癥、糖尿病以及其它疾病，可以清潔消化壁和增強消化功能，可稀釋和加速食物中的致癌物質(zhì)和有毒物質(zhì)的移除，保護(hù)脆弱的消化道和預(yù)防結(jié)腸癌，可減緩消化速度和最快速排泄膽固醇，可讓血液中的血糖和膽固醇控制在最理想的水平[1-6]。

農(nóng)產(chǎn)品加工的各種副產(chǎn)品是膳食纖維的良好來源，花生殼是花生深加工后得到的副產(chǎn)品，在河北省花生殼年產(chǎn)量高達(dá)50多萬 t，大約占小麥的30%，但80%以上的花生殼作為肥料、飼料等生產(chǎn)的廉價原料，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益很低，存在綜合利用程度低、深度開發(fā)不足和精深加工產(chǎn)品少等技術(shù)難題。而利用剩余花生殼制備膳食纖維產(chǎn)品，有利于提高花生的資源利用率，提升花生的產(chǎn)品附加值，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

蒸汽爆破技術(shù)其原理主要是物料在瞬間由高溫、高壓突然降到常溫、常壓，原料內(nèi)部的水分突然汽化，氣體突然膨脹，發(fā)生噴爆，產(chǎn)生爆破效果。蒸汽爆破預(yù)處理能夠使物料組織呈海綿狀，體積增大，一些結(jié)構(gòu)組織如纖維束等被破壞，內(nèi)含物暴露，有利于目標(biāo)物的溶出，有助于提高原料酶水解的效果[7]。

試驗對蒸汽爆破與酶解耦合提取花生殼膳食纖維的工藝、功能和結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了深入研究。改性花生殼膳食纖維作為一種功能食品配料，將在我國具有廣泛的開發(fā)應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

花生殼（唐山潤澤糧油食品有限公司）；過氧化氫、DPPH、水楊酸等（分析純，北京化學(xué)試劑公司）。

JK1002電子分析天平（上海奧豪斯國際貿(mào)易有限公司）；TD5B臺式離心機（上海安亭科學(xué)儀器廠）；XD-3000BDQ旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（江蘇太倉實驗設(shè)備廠）；DR889-1電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科技有限公司）；HH-1水浴恒溫振蕩器（江蘇國華電器有限公司）；JM-65膠體磨（上海多源機械制造有限公司）；蒸汽爆破設(shè)備（北京化工大學(xué)自制）；S-4800掃描電子顯微鏡（日本日立公司）；Dmax-MSAL 12 kW高功率粉末衍射儀（北京北達(dá)燕園微構(gòu)有限公司）。

Control-SDF：稱取200 g花生殼，按料液比1∶7（g/mL）添加去離子水，攪拌均勻，用膠體研磨機處理2次，離心分離（轉(zhuǎn)速4 200 r/min，時間20 min），上清液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至原體積的1/10，用4倍體積的75%乙醇沉淀20 min，真空抽濾，將所得濾渣在40 ℃干燥箱中低溫干燥，得到SDF。

SEE-SDF：稱取200 g花生殼，按料液比1∶7（g/mL）添加去離子水，攪拌均勻，用膠體研磨機處理2次，選擇在一定壓力下利用蒸汽爆破設(shè)備處理一定時間，加入纖維素酶水解，離心分離（轉(zhuǎn)速4 200 r/min，時間20 min），上清液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至原體積的1/10，用60 ℃的4倍體積的75%乙醇沉淀20 min，真空抽濾，將所得濾渣40 ℃在干燥箱中低溫干燥，得到SDF。

1.2 試驗方法

1.2.1 SEE制備花生殼SDF工藝條件的選擇

1) 蒸汽爆破壓力分別為0.2，0.4，0.6，0.8和1.0 MPa，保壓時間為4 min，考察處理壓力對SDF提取率的影響。

2) 保壓時間分別為1，2，3，4，5和6 min，處理壓力為0.6 MPa，考察保壓時間對SDF提取率的影響。

3) 加酶量分別為0.5%，1.0%，2.0%，3.0%，4.0%，5.0%和6.0%，酶解溫度為50 ℃，酶解pH為4.0，酶解時間為8 min，考察加酶量對SDF提取率的影響。

4) 酶解溫度分別為30，35，40，45，50，55和60 ℃，加酶量4.0%，酶解pH為4.0，酶解時間為8 min，考察酶解溫度對SDF提取率的影響。

5) 酶解時間分別為2，4，6，8，10，12和14 min，酶解溫度為50 ℃，加酶量為4.0%，酶解pH為4.0，考察酶解時間對SDF提取率的影響。

6) pH分別為1，2，3，4，5和6，酶解溫度為50 ℃，加酶量為4.0%，酶解時間為8 min，考察pH對SDF提取率的影響。

1.2.2 可溶解性（WS）、持油力（OHC）的測定

參照唐曉青[8]的方法。

1.2.3 膨脹力（SC）、持水力（WHC）的測定

參照李倫[9]的方法。

1.2.4 DPPH、ABTS、·OH、O2-·清除率的測定

參照曹慧慧等[10]的方法。

1.2.5 X-射線衍射

取1～2 g樣品，將其裝填在玻璃制的特定樣品版的凹槽內(nèi)，用平整光滑的玻璃板適當(dāng)壓緊，然后將高出樣品板表面的多余粉末刮去，如此重復(fù)1～2次，然后放入衍射儀，進(jìn)行連續(xù)掃描。X-射線衍射條件特征射線CuKα，衍射波長λ=0.154 mm，電壓40 kV，電流50 mA，掃描速率15 deg/min，發(fā)散狹縫1°，接受狹縫0.3 mm，防發(fā)散狹縫1°，測量范圍2θ=5°～60°。數(shù)據(jù)用Originlab軟件進(jìn)行分析處理。

1.2.6 電鏡掃描

用雙面膠布將經(jīng)過粉碎的膳食纖維粘牢在鍍金臺上，鍍膜后，在加速電壓12 kV的條件下用S-4800冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用Design-Expert 7.0進(jìn)行試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸汽爆破-酶解耦合對SDF提取率的影響

蒸汽爆破壓力對SDF提取率的影響如圖1（a）所示。結(jié)果表明，前期隨著壓力的升高，SDF提取率也隨之提高，在壓力為0.6 MPa時提取率最高，為16.2%，而后開始下降，可以看出壓力對SDF提取率影響較大。壓力低于0.2 MPa時，由于壓力過低，蒸汽爆破效果不明顯；而當(dāng)壓力高于0.8 MPa時，花生殼變色嚴(yán)重并造成了有效成分的破壞，纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)降解嚴(yán)重，成為小分子，不能以醇沉法分離，降低了SDF的提取率[11]。所以試驗選取的蒸汽爆破壓力為0.6 MPa。

保壓時間對SDF提取率的影響如圖1（b）所示。結(jié)果表明，前期隨著保壓時間的增加，SDF提取率也隨之上升，在4 min時提取率最高，為18.0%，而后開始緩慢降低，可以看出保壓時間并不是越長越好。保壓時間較短，花生殼得不到充分的爆破和膨化，SDF提取率較低；保壓時間過長，增加了能耗，更重要的是會使纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)降解嚴(yán)重，成為小分子，不能以醇沉法分離，降低了SDF的提取率。所以試驗選取的保壓時間為4 min。

加酶量對SDF提取率的影響如圖1（c）所示。當(dāng)加酶量為0.5%～4.0%時，隨著加酶量的增加，花生殼SDF提取率明顯增加；當(dāng)酶添加量為4.0%時，花生殼SDF提取率最高，為33.7%；當(dāng)加酶量高于4.0%時，SDF提取率的增加不顯著。其原因可能是隨著酶添加量的增加，IDF降解成較低分子量的多糖、低聚糖或單糖，在用乙醇沉淀時，因為分子量較小而不能被沉淀下來，從而使SDF提取率降低。綜合分析，試驗選取的加酶量為4.0%。

酶解時間對SDF提取率的影響如圖1（d）所示。當(dāng)酶解時間在2～8 min之間時，花生殼SDF提取率隨著時間的延長而明顯提高。但當(dāng)酶解時間超過8 min時，SDF的提取率有所下降。其原因可能是在酶解初期，底物即花生殼濃度較高，水溶性多糖濃度較低，對酶反應(yīng)的抑制作用小，酶促反應(yīng)迅速進(jìn)行，隨著時間的延長，酶的作用充分，花生殼SDF提取率迅速提高。但當(dāng)時間足夠長時，底物濃度的不斷降低和部分酶在提取過程中的失活以及水溶性多糖的不斷積累，產(chǎn)物的反饋抑制效應(yīng)逐漸增強，酶促反應(yīng)速率逐漸降低，并且纖維素酶繼續(xù)作用于SDF，將其分解為分子量更小的單糖或低聚糖，所以SDF提取率有顯著的降低。所以試驗選取的酶解時間為8 min。

酶解溫度對SDF提取率的影響如圖1（e）所示。當(dāng)溫度為30～50 ℃時，花生殼SDF提取率隨溫度的升高逐漸增大，溫度達(dá)到50 ℃時，花生殼SDF提取率最大，為34.5%。當(dāng)溫度為50～60 ℃時，花生殼SDF提取率隨溫度的升高而降低。說明在30～50 ℃時，IDF在纖維素酶的作用下轉(zhuǎn)化為SDF，但超過50 ℃后，纖維素酶的活力受溫度影響而下降。所以試驗選取的酶解溫度為50 ℃。

pH對SDF提取率的影響如圖1（f）所示。當(dāng)溶液pH為1～4時，花生殼SDF的提取率隨著pH的增大而提高；pH為4時，花生殼SDF提取率最大，為33.9%；當(dāng)pH在4～6之間時，花生殼SDF提取率逐漸降低。其原因是pH會影響底物分子和酶分子的解離狀態(tài)，最適pH與酶活力中心結(jié)合底物的基團(tuán)以及參與催化基團(tuán)有關(guān)，往往只有一種解離狀態(tài)，最有利于酶與底物結(jié)合，此時酶活力最高。所以試驗選取的酶解pH為4。

2.2 花生殼SDF功能特性分析

從表1可以看出，花生殼SDF經(jīng)蒸汽爆破-酶解處理后其功能特性有所提高。Control-SDF的溶解性、持水力、持油力和膨脹力分別為82.14%，1.89 g/g，1.19 g/g和2.98 mL/g，SEE-SDF的溶解性、持水力、持油力、膨脹力分別提高到96.45%，3.47 g/g，2.31 g/g和5.17 mL/g，增加了17.42%，83.60%，94.12%和73.49%。經(jīng)蒸汽爆破處理，物料組織呈海綿狀，體積增大，一些結(jié)構(gòu)組織如纖維素等被破壞，內(nèi)含物暴露，有利于目標(biāo)物的溶出，改善酶對底物的作用，有助于提高原料酶水解的效果，使得果膠類可溶性膳食纖維的含量增加，結(jié)合水分子的能力提高，溶于水后顆粒膨脹，伸展產(chǎn)生更大的容積，從而導(dǎo)致改性后SDF的溶解性、持水力、持油力和膨脹力增大[12]。

圖1 蒸汽爆破-酶解耦合技術(shù)對花生殼SDF提取率的影響

表1 蒸汽爆破-酶解處理對花生殼SDF功能特性的影響

蒸汽爆破-酶解處理后花生殼SDF對DPPH、ABTS、O2-·和·OH清除率如表2所示。蒸汽爆破-酶解處理后的花生殼SDF對DPPH、ABTS、O2-·和·OH清除率明顯高于未處理樣品，這可能是由于物料經(jīng)蒸汽爆破處理，SDF的平均粒徑明顯減小，樣品的均勻性增加，表面積增大，在抗氧化物質(zhì)提取的過程中，SDF中抗氧化成分與提取劑接觸表面積增大、接觸更充分，且經(jīng)過蒸汽爆破處理的物料細(xì)胞壁被破壞，活性成分較易溶出，很多不溶性活性成分變成小分子可溶性物質(zhì)，其提取率相應(yīng)增加[13]。

表2 蒸汽爆破-酶解處理對花生殼SDF抗氧化能力的影響

2.3 花生殼SDF結(jié)構(gòu)特性表征

從圖2可以看出，SDF的衍射峰不是很突出，但是在SDF的結(jié)構(gòu)中存在一定的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。SEE基本未改變SDF的結(jié)晶結(jié)構(gòu)屬性，纖維晶區(qū)基本未受影響。SEE改性膳食纖維特征衍射峰結(jié)晶面積更小，說明改性處理降低了膳食纖維的結(jié)晶度，使部分不溶性成分溶出或轉(zhuǎn)化為水溶性成分，達(dá)到高品質(zhì)膳食纖維的要求。

圖2 蒸汽爆破-酶解耦合改性花生殼SDF的X-射線衍射圖

由圖3（a）可以看出，起初SDF的顆粒較大，大小均勻，呈棒狀且表面平整。從圖3（b）可以看出，經(jīng)SEE處理的SDF結(jié)構(gòu)遭到較為嚴(yán)重的破壞，呈顆粒狀，表面結(jié)構(gòu)則變得粗糙且疏松。其原因可能是SDF受到高速相撞被擊碎，同時由于瞬時失壓，產(chǎn)生一種類似膨化作用的結(jié)構(gòu)崩潰，使棒狀顆粒變小、表面結(jié)構(gòu)變粗糙，使纖維顆粒的表面結(jié)構(gòu)被破壞，出現(xiàn)多層不規(guī)則片狀甚至孔狀結(jié)構(gòu)。

圖3 花生殼SDF的掃描電鏡觀察結(jié)果

3 結(jié)論

1) SEE改性提取花生殼SDF，其提取最佳條件為蒸汽爆破壓力0.6 MPa，保壓時間4 min，加酶量4.0%，酶解時間8 min，溫度50 ℃，pH 4.0。在此條件下SDF提取率達(dá)到34.5%

2) Control-SDF的溶解性、持水力、持油力和膨脹力分別為82.14%，1.89 g/g，1.19 g/g和2.98 mL/g，SEE-SDF的溶解性、持水力、持油力和膨脹力分別為96.45%，3.47 g/g，2.31 g/g和5.17 mL/g；經(jīng)SEE處理，花生殼SDF對DPPH、ABTS、O2-·和·OH清除率明顯高于未處理樣品，其對自由基清除能力有所增強。

3) X-射線衍射圖譜表明：SEE處理基本未改變SDF的結(jié)晶結(jié)構(gòu)屬性，但降低了SDF的結(jié)晶度。掃描電鏡觀察表明：SEE處理可以使長條細(xì)桿狀纖維卷曲斷裂，膨化成絮狀結(jié)構(gòu)，且表面具有凹陷的小孔，從根本上改變了SDF的形貌特征。