擠壓膨化改性花生殼可溶性膳食纖維及功能結構特性

王巖，王磊，杜瑞煥，張立田，段曉然，李彤

1.唐山市食品藥品綜合檢驗檢測中心（唐山 063000）；2.河北省農產品質量安全檢測技術創新中心（唐山 063000）；3.唐山市功能性農產品產業技術研究院（唐山 063000）

近年來，膳食纖維在食品營養和臨床醫學上的重要作用越來越受到關注，被稱為人類“第七大營養元素”[1-3]。膳食纖維雖不具營養價值，但其具有的物化特性使之具有獨特的生理功能和營養保健作用。按其溶解性的不同大致分為可溶性膳食纖維（SDF）和不溶性膳食纖維（IDF）兩類[4-8]。可溶性膳食纖維較不溶性膳食纖維在生理功能方面更能發揮其代謝作用，在促進腸道益生菌的生長，預防糖尿病、肥胖病、冠心病、動脈硬化、高血脂等方面具有特殊的功效[9-15]。

中國是世界花生生產、消費和出口大國，種植面積和年產量均居世界前列。花生產業每年會產生大量的副產品，如花生粕、花生渣、花生殼、花生莖葉等，它們是潛在的膳食纖維資源。如果這部分資源不被充分利用，就會造成嚴重的資源浪費，也會對環境造成污染。因此，將花生產業的這些副產品加工成天然的膳食纖維，不僅可以提高花生產業的附加值，還會帶來巨大社會和經濟效益[16]。

擠壓膨化技術其原理主要是物料在瞬間由高溫、高壓突然降到常溫、常壓，原料內部的水分汽化，氣體突然膨脹，發生噴爆，產生爆破效果。擠壓膨化預處理能夠使物料組織呈海綿狀，體積增大，一些結構組織如纖維束等被破壞，內含物暴露，有利于目的物的溶出，改善酶對底物的作用，有助于提高原料酶水解的效果[17-18]。

對改性花生膳食纖維的抗氧化能力、重金屬吸附能力和結構特性進行比較分析，提出改性花生膳食纖維作為一種功能食品配料，具有廣泛開發應用前景。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

花生殼（唐山潤澤糧油食品有限公司）。

亞硝酸鈉、Pb(NO3)2，CuSO4，NaAsO2等（均為分析純，北京化學試劑公司）。

電子分析天平（AR1140，上海奧豪斯國際貿易有限公司）；電子天平（ARC120，上海奧豪斯國際貿易有限公司）；恒溫水浴鍋（HWS-26，江蘇太倉實驗設備廠）；水浴恒溫振蕩器（DSHZ-300，江蘇太倉實驗設備廠）；電熱恒溫鼓風干燥箱（DHG-9140A，上海一恒科技有限公司）；原子熒光光度計（AFS-230E，北京海光公司）；等離子體發射光譜儀（Optima-5300DV，美國PE公司）；掃描電子顯微鏡（UV-180，日本島津公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝參數優化

花生殼經過耐高溫α-淀粉酶除淀粉和中性蛋白酶除蛋白后，在螺桿轉速（160，180，200，220和240 r/min），溫度（110，120，130，140和150 ℃），物料水分（10%，15%，20%，25%和30%）條件下經雙螺桿擠壓機處理，用水浸提，上清液醇沉離心，干燥得到SDF。

1.2.2 抗氧化能力能力評價

1.2.2.1 ·OH清除率的測定

參考Fenton反應體系模型，在反應體系中（水楊酸-乙醇溶液9 mmol/L，Fe2+9 mmol/L，H2O28.8 mmol/L）加入具有清除·OH能力的物質，便會與水楊酸競爭·OH，而使有色物質生成量減少。采用固定反應時間法，在相同體積的反應體系中加入不同濃度的DF，并用蒸餾水作空白對照，在波長510 nm處測量加入不同濃度SDF后的吸光度，代入清除率計算公式可計算不同濃度SDF清除·OH自由基能力。

式中：A1為0.5 mL水楊酸-乙醇+1.0 mL DF+0.5 mL Fe2++5.0 mL H2O2的吸光度；A2為0.5 mL水楊酸-乙醇+1.0 mL DF+0.5 mL蒸餾水+5.0 mL H2O2的吸光度；A3為0.5 mL水楊酸-乙醇+1.0 mL蒸餾水+0.5 mL Fe2++5.0 mL H2O2的吸光度。

1.2.2.2 O2-·清除率的測定

采用鄰苯三酚自氧化法生成O2-·，取0.05 mol/L Tris-HCl緩沖液（pH 8.2）4.0 mL，置于25 ℃水浴中預熱20 min，分別加入1 mL待測液和1 mL 25 mmol/L鄰苯三酚溶液，混勻后于25 ℃水浴中反應5 min，加入8% HCl溶液100 μL終止反應，波長320 nm處測定吸光度（A）。以1 mL蒸餾水代替待測液做空白試驗。

式中：A1為4 mL Tris-HCl+1.0 mL DF+2 mL鄰苯三酚的吸光度；A2為4 mL Tris-HCl+1.0 mL DF+2 mL蒸餾水的吸光度；A3為4 mL Tris-HCl+1.0 mL蒸餾水+2 mL鄰苯三酚的吸光度。

1.2.2.3 DPPH自由基清除率的測定

DPPH自由基在95%乙醇溶液中是一種穩定的自由基，在波長517 nm處有吸收峰，呈紫色。自由基清除劑存在時，DPPH的孤對電子被配對，顏色變淺，在最大吸收波長處吸收度變小，且顏色變化與配對電子數成化學計量關系，因此，可用來評價自由基的清除情況。將4 mL待測液加入2 mL 0.2 mmol/L DPPH自由基溶液，于25 ℃水浴中反應20 min后于517 nm處測定吸光度（Ai）。以蒸餾水代替待測液作空白試驗。

式中：A1為4 mL DF+2.0 mL DPPH自由基的吸光度；A2為4 mL DF+2.0 mL 95%乙醇的吸光度；A3為4 mL蒸餾水+2.0 mL DPPH自由基的吸光度。

1.2.3 重金屬吸附能力評價

測定最大束縛濃度（CBmax）時，250 mL三角瓶中分別加入10 mmol/L的重金屬溶液（Pb(NO3)2，CuSO4，NaAsO2）和1.0 g膳食纖維樣品，為體外模擬胃和腸道的環境，pH分別調至2.0和7.0，于37 ℃，120 r/min振蕩3 h，在吸附結束后，為沉淀SDF，向2 mL樣品收集液中加入8 mL無水乙醇，以4 000 r/min離心10 min，上清液采用原子吸收法測定殘留重金屬離子濃度。

測定最小束縛濃度（CBmin）時，250 mL三角瓶中分別加入500 μmol/L的重金屬溶液（Pb(NO3)2，CuSO4，NaAsO2）和2.5 g膳食纖維樣品，其他條件與測定CBmax相同。

1.2.4 可溶性膳食纖維電鏡觀察

將擠壓膨化改性得到的SDF粉碎后，過0.5 mm篩網，采用離子濺射方法鍍金，通過掃描電子顯微鏡對制備好的樣品進行分析、觀察，得到相應的掃描電鏡照片。

1.3 數據處理

數據分析采用Design-Expert 7.0進行試驗設計和數據處理。

2 結果與分析

2.1 擠壓膨化改性花生殼SDF工藝條件

擠壓膨化技術集輸送、混合、加熱和加壓等多種單元操作于一體，物料在擠壓機筒內受到高溫、高剪切作用，在短時間內實現部分大分子聚合物直接或間接轉化為可溶性纖維。如圖1所示，SDF提取率隨螺桿轉速和擠壓溫度增加呈先升高后下降趨勢；隨物料含水量增加呈先升高后平緩趨勢。螺桿轉速200 r/min、溫度130 ℃和物料含水量20%時，SDF提取率最高（22.3%）。

圖1 擠壓膨化對花生殼SDF提取率的影響

2.2 可溶性膳食纖維抗氧化能力分析

現代醫學證明，脂質氧化所產生的自由基在癌癥腫瘤形成的起始和促成階段都起重要作用。機體在代謝過程中產生的自由基有超氧陰離子自由基、羥自由基、氫過氧自由基。其中，羥自由基是最危險的自由基，而膳食纖維中的多酚、多糖類物質具有清除超氧陰離子自由基和羥自由基的能力被證實，在治療心血管病和老年性癡呆癥方面獨具療效。

如圖2可知，在質量濃度2.0～12.0 mg/mL內，·OH清除率與SDF濃度呈線性關系，control-SDF和EE-SDF線性方程分別為y=10.029x+8.266 7（R2=0.999 6）和y=12.689x+7.84（R2=0.999 1），根據線性方程得IC50（清除50%自由基時SDF的質量濃度）分別為4.16和3.32 mg/mL。

如圖3可知，在質量濃度2.0～12.0 mg/mL內，O2-·清除率與SDF濃度呈線性關系，control-SDF和EE-SDF線性方程分別為y=10.206x+8.28（R2=0.999 1）和y=12.729x+9.433 3（R2=0.999 7），根據線性方程得IC50（清除50%自由基時DF的質量濃度）分別為4.09和3.19 mg/mL。

如圖4可知，在質量濃度2.0～12.0 mg/mL，DPPH清除率與SDF濃度呈線性關系，control-SDF和EE-SDF線性方程分別為y=5.048 6x+10.113（R2=0.999 3）和y=13.037x+9.686 7（R2=0.999 2），根據線性方程得IC50（清除50%自由基時DF的質量濃度）分別為7.90和3.09 mg/mL。

圖2 control-SDF和EE-SDF對·OH清除能力

圖3 control-SDF和EE-SDF對O2-·清除能力

圖4 control-SDF和EE-SDF對DPPH清除能力

2.3 可溶性膳食纖維重金屬吸附能力分析

鉛、砷和銅是一類危害人體健康的化學物質，由于環境的污染，很多食物中都能檢測到這些重金屬元素，它們不易排出，都有在生物體內富集的潛在危機，其量達到一定程度可導致中毒及癌癥。膳食纖維對重金屬離子的束縛主要依靠化學吸附，同時也存在物理吸附。化學吸附主要依靠纖維中來自糖醛酸的羧基和木質素的酚酸等基團與重金屬離子結合，因此受pH的影響較大，pH升高，這些基團解離增多，可以和帶正電的重金屬陽離子以離子鍵結合；反之，羧基解離減少，可能降低了吸附效果，即酸性環境不利于膳食纖維對重金屬離子的吸附；物理吸附則是范德華力作用的結果，受溫度影響，反應速率一般很快[19]。

擠壓膨化處理對花生殼SDF重金屬最大束縛能力和最小束縛濃度的影響如表1所示。由表1可知，對同一種重金屬離子的吸附過程中，pH 7.0條件下比pH 2.0條件下吸附效果好，說明小腸環境更適合膳食纖維對重金屬離子的吸附。Cara等[20]研究發現，大多數膳食纖維在pH 6.8時對重金屬的束縛能力最強，pH 0.65時則會進行解吸釋放。

試驗在體外模擬腸道環境（pH 7.0）條件下，control-SDF對Pb、As和Cu都有較強的吸附作用，CBmax分別為（239.5±2.5），（198.5±2.9）和（100.4± 3.1）μmol/g，CBmin分別為（90.5±1.6），（126.4± 4.1）和（155.3±4.2）μmol/L，其中對Pb的吸附作用最強，對As的吸附作用次之，對Cu的吸附作用較弱。SDF經過擠壓膨化改性后，吸附重金屬離子作用都有所增強，CBmax分別為（378.5±5.3），（278.3±3.2）和（167.2±2.5）μmol/g，CBmin分別為（30.4±1.3），（63.4±3.7）和（71.3±4.2）μmol/L；在胃環境（pH 2.0）條件下，SDF對Cu的吸附作用較弱，但對Pb和As的吸附作用卻顯著高于對Cu的吸附作用。在pH 2.0條件下，擠壓膨化會增強對重金屬的吸附。花生殼SDF經擠壓膨化處理后，可能會導致樣品顆粒高度破碎，比表面積增加，組織松散，使SDF與重金屬離子接觸的更充分，從而增強對重金屬離子的吸附作用[21]。

表1 擠壓膨化對花生殼SDF重金屬最大束縛能力和最小束縛濃度的影響

2.4 可溶性膳食纖維電鏡觀察

掃描電子顯微鏡（SEM）是近30年迅速發展起來的一種新型電子光學儀器，其特點是圖像富有立體感和真實感，能觀察到顆粒的形狀及大小，對樣品的適應性強，非常適合用于對膳食纖維顆粒的直觀研究，可拍攝到其有代表性的顆粒形貌的照片。

圖5為2種膳食纖維的掃描電鏡結果，掃描倍數3 000倍。2種膳食纖維的顆粒微小，表面略有褶皺，結構疏松，帶有明顯片狀結構，但擠壓膨化改性后的花生殼SDF顆粒更細，且表面具有明顯的蜂窩狀結構，分布均勻。其原因可能是花生殼SDF經過改性后，大分子物質發生降解，分子鏈被切斷，分子量相對較低，使得聚合度下降，顆粒變小，微觀結構和分子大小發生了變化，而SDF的微觀結構與其功能特性密切相關，因此，推測其應該具有良好的膽固醇、膽酸鈉、亞硝酸鹽吸附能力[22]。

圖5 花生殼可溶性膳食纖維的掃描電鏡圖

3 結論

擠壓膨化改性花生殼SDF最佳工藝條件為螺桿轉速200 r/min、擠壓溫度130 ℃、物料含水量20%。在此條件下，SDF提取率達到22.3%。

control-SDF和EE-SDF對·OH、O2-·和DPPH的清除能力IC50分別為4.16，4.09，7.90 mg/mL和3.32，3.19，3.09 mg/mL。擠壓膨化處理提高膳食纖維的抗氧化活性。

結果表明，對同一種重金屬離子的吸附過程中，pH 7.0條件下比pH 2.0條件下吸附效果更好。在腸道環境下control-SDF和EE-SDF對3種重金屬離子（Pb、As和Cu）吸附作用，CBmax分別為（239.5±2.5），（198.5±2.9），（100.4±3.1）μmol/g和（378.5± 5.3），（278.3±3.2），（167.2±2.5）μmol/g，CBmin分別為（90.5±1.6），（126.4±4.1），（155.3±4.2）μmol/L和（30.4±1.3），（63.4±3.7），（1.3±4.2）μmol/L。經擠壓膨化改性后，在pH 7.0和pH 2.0條件下，EE-SDF對重金屬離子的吸附能力均有所提高。

通過掃描電鏡觀察，control-SDF和EE-SDF的顆粒微小，表面略有褶皺，結構疏松，帶有明顯的片狀結構，具有吸附其他物質的孔隙，但擠壓膨化改性后的花生殼SDF顆粒更致密，空隙更小，且表面具有明顯的蜂窩狀結構，分布均勻。