劉素穩(wěn)，侍朋寶，李漢臣，李軍，高海生

(河北科技師范學(xué)院食品科技學(xué)院，河北昌黎，066600)

蘋(píng)果渣膳食纖維微波輔助脫色的工藝參數(shù)研究*

劉素穩(wěn)，侍朋寶，李漢臣，李軍，高海生

(河北科技師范學(xué)院食品科技學(xué)院，河北昌黎，066600)

對(duì) 蘋(píng)果渣膳食纖維脫色工藝進(jìn)行了研究，將微波加熱技術(shù)應(yīng)用于H2O2脫色工藝中，采用響應(yīng)面法得出優(yōu)化條件為:pH值12.5、微波作用時(shí)間48 s和H2O2濃度為9.17%，在料液比(g∶mL)1∶14、微波功率480 W條件下，用色差計(jì)測(cè)得脫色后的白度為57.34%，脫色前原料白度為27.54%，脫色效果顯著。所得回歸模型擬合情況良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。掃描電鏡和X射線衍射分析表明微波對(duì)蘋(píng)果渣纖維表面的微結(jié)構(gòu)有破壞作用。

微 波，脫色，蘋(píng)果渣膳食纖維，響應(yīng)面

膳食纖維作為一種功能性食品基料，受到越來(lái)越廣泛關(guān)注。研究表明，膳食纖維有多種生理功能，它可以維持正常的血糖、血脂和蛋白質(zhì)水平，并可控制體重、預(yù)防結(jié)腸癌、糖尿病、冠心病等［1］。中國(guó)是蘋(píng)果汁生產(chǎn)大國(guó)，其生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的蘋(píng)果渣，蘋(píng)果渣中含有豐富的膳食纖維，是制備膳食纖維的良好原料，合理利用蘋(píng)果渣，變廢為寶，不僅保護(hù)環(huán)境，也有利于提高蘋(píng)果附加值［2－3］。

由于蘋(píng)果渣含有豐富的多酚類(lèi)物質(zhì)，在空氣中極易氧化褐變，以及在提取膳食纖維過(guò)程中，酸堿處理使果渣色澤加深，嚴(yán)重影響膳食纖維的感官效果和應(yīng)用范圍，所以必須對(duì)蘋(píng)果渣進(jìn)行脫色處理［4］。目前常用的脫色方法有還原法和氧化法，還原法脫色后在有氧或氧化劑存在時(shí)易復(fù)色，工業(yè)上常用的纖維氧化脫色劑是次氯酸鹽、雙氧水(H2O2)等，它們均能對(duì)膳食纖維進(jìn)行氧化脫色。次氯酸鹽由于在脫色反應(yīng)中有氯的存在，使膳食纖維產(chǎn)品帶有氯味，在膳食纖維脫色中不宜應(yīng)用。用H2O2漂白脫色，即用氧化劑使有色物質(zhì)氧化分解成低分子醛、羧酸、CO2等物質(zhì)，且在脫色后不易復(fù)色［5］。近年來(lái)，微波技術(shù)以其促進(jìn)反應(yīng)的高效性和強(qiáng)選擇性、操作簡(jiǎn)便、副產(chǎn)物少、產(chǎn)率高及產(chǎn)物易于提純等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用生化蛋白質(zhì)水解、有機(jī)合成、酯化等反應(yīng)中［6］。本研究以 H2O2為脫色劑，利用微波的特點(diǎn)，研究了蘋(píng)果渣纖維的最佳脫色工藝參數(shù)，以期得到較好的利用。

1 材料與方法

1.1 主要材料與儀器設(shè)備

干蘋(píng)果渣膳食纖維(蛋白質(zhì)2.6%，總膳食纖維55.4%，粗脂肪2.7%，含水率10.1%，灰分1%)，由山東煙臺(tái)北方安德利果汁股份有限公司提供。

PHS-3C型精密pH計(jì)，上海儀器儀表有限公司。FA2004型電子天平，上海良平儀器儀表有限公司。WSC－S測(cè)色色差計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司。WD750BS微波設(shè)備:頻率2450 Hz，900 W，廣東順德。JFSD-70實(shí)驗(yàn)室粉碎磨，上海嘉定糧油有限公司。KYKY-2800SEM掃描電子顯微鏡，中國(guó)科學(xué)院北京科學(xué)儀器研究中心。D/max-2500PC型X射線衍射儀，日本理學(xué)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 蘋(píng)果膳食纖維的脫色

在進(jìn)行工藝優(yōu)化以前，在大量預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了影響實(shí)驗(yàn)的5個(gè)因素，結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選取影響纖維脫色的主要因素，以pH值(X1)、微波作用時(shí)間(X2)、H2O2濃度(X3)為輸入變量，以脫色白度為指標(biāo)Y，進(jìn)行3因素3水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)，優(yōu)化纖維脫色的工藝條件。將脫色后膳食纖維用去離子水漂洗2次，然后用色差儀測(cè)量相對(duì)白度。實(shí)驗(yàn)因素水平編碼表見(jiàn)表1。

表1 因素水平編碼表

1.2.2 與其他脫色方法的對(duì)比試驗(yàn)

采用已報(bào)道的其他脫色方法對(duì)蘋(píng)果渣膳食纖維脫色，測(cè)量相對(duì)白度，試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。具體的試驗(yàn)條件如下:(1)以乙醇為浸提劑，料液比(g∶mL)1∶20，浸提時(shí)間 40 min，浸提級(jí)數(shù) 2 級(jí)［7］;(2)H2O2水浴脫色，pH值12，H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%，溫度100℃，處理時(shí)間 2 h［4］。

1.2.3 白度的測(cè)定

取脫色后的蘋(píng)果膳食纖維，均勻的平鋪于色差計(jì)比色杯內(nèi)，采用Hunter L*a*b*表色系統(tǒng)，其中L*為表色系統(tǒng)中的亮度值(即白度)［8］。

1.2.4 脫色蘋(píng)果膳食纖維的電鏡掃描

微波脫色后的蘋(píng)果膳食纖維，利用離子鍍膜儀鍍金，然后在掃描電鏡下觀察［9］。

1.2.5 脫色蘋(píng)果膳食纖維的X射線衍射

利用D/max-2500PC型X射線衍射儀進(jìn)行X射線衍射分析［9－10］。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)均進(jìn)行3次重復(fù)，數(shù)據(jù)分析用design expert 7.0分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 主要影響因素

2.1.1 pH值對(duì)脫色效果的影響

在H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，脫色時(shí)間50 s，微波作用功率480 W，料液比(g∶mL)1∶14條件下，采用不同pH值對(duì)H2O2脫色效果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖1。

圖1 pH值對(duì)脫色效果的影響

由圖1可見(jiàn)，隨pH值的增加，蘋(píng)果膳食纖維白度逐漸增大，pH值為12時(shí)脫色效果最好。當(dāng)pH值大于12時(shí)，脫色白度不再明顯增強(qiáng)。增大pH值HO2－增大，脫色效果增強(qiáng)，所以H2O2脫色試驗(yàn)在堿性條件下進(jìn)行。如果 pH值超過(guò)一定值，會(huì)造成H2O2無(wú)效分解(H2O2→1/2O2+H2O)，使反應(yīng)液中H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，分解產(chǎn)物O2與木質(zhì)素中的某些活性部位反應(yīng)形成可與金屬離子螯合顯色的鄰酚結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致深色化效果。因此pH值應(yīng)嚴(yán)格控制在適宜范圍內(nèi)［4，11－12］。

2.1.2 微波作用時(shí)間對(duì)脫色效果的影響

在H2O2濃度為10%，pH值12，微波作用功率480 W，料液比1∶14條件下，微波作用不同時(shí)間對(duì)H2O2脫色效果進(jìn)行比較，如圖2所示。

圖2 微波作用時(shí)間對(duì)脫色效果的影響

由圖2可見(jiàn)，隨微波作用時(shí)間的延長(zhǎng)，蘋(píng)果膳食纖維白度逐漸增大，時(shí)間為50 s時(shí)脫色效果最好。大于50 s后，脫色白度不再增加，可能由于時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成H2O2部分分解，反而效果變差。

2.1.3 H2O2濃度對(duì)脫色效果的影響在pH值12，脫色時(shí)間50 s，微波作用功率480 W，料液比1∶14條件下，H2O2不同濃度對(duì)脫色效果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3。

圖3 H2O2濃度對(duì)脫色效果的影響

如圖3所示，隨H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，蘋(píng)果膳食纖維白度逐漸先增大后減小，H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)脫色效果最好。大于10%后，脫色效果降低。H2O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)脫色白度也有較大影響，質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，產(chǎn)生的HO2－就多，脫色效果就好，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定時(shí)，效果反而變差。

2.2 模型建立與顯著性檢驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行響應(yīng)面分析試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。利用Design Expert軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得響應(yīng)值——白度(Y)對(duì)影響白度的關(guān)鍵因子——pH值(X1)、微波作用時(shí)間(X2)和H2O2濃度(X3)的二次多項(xiàng)式回歸模型為:

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

對(duì)模型進(jìn)行方差分析及回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 回歸模型及方差分析

進(jìn)一步對(duì)回歸方程進(jìn)行分析，其系數(shù)顯著性結(jié)果見(jiàn)表3。此模型的P＜0.01，響應(yīng)面回歸模型達(dá)到極顯著水平。相關(guān)系數(shù)R2=0.9368，說(shuō)明此方程在本試驗(yàn)中有意義，模型能夠反應(yīng)響應(yīng)值變化，試驗(yàn)誤差小，可以用此模型對(duì)蘋(píng)果纖維脫色進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。方差分析結(jié)果表明，本試驗(yàn)建立的模型中X1、X32對(duì)蘋(píng)果纖維脫色白度的影響極為顯著(P＜0.01)X3對(duì)蘋(píng)果纖維脫色白度的影響為顯著(P＜0.05)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析表明該模型失擬不顯著，說(shuō)明殘差由隨機(jī)誤差引起，因此該二次方程能夠較好地?cái)M合真實(shí)的響應(yīng)面［13－15］。

2.3 模型驗(yàn)證

基于Design Expert軟件的優(yōu)化功能獲得最優(yōu)脫色條件，蘋(píng)果膳食纖維白度最大預(yù)測(cè)值為57.94%，此時(shí)3個(gè)關(guān)鍵因子的取值為:pH值編碼1，微波作用時(shí)間編碼－0.55，H2O2濃度編碼0.17。為了驗(yàn)證模型的有效性，取響應(yīng)值為57.94%進(jìn)行了模型驗(yàn)證試驗(yàn)，其結(jié)果為57.34%(n=3)，與原料27.54%相比，有顯著性差異，如圖4所示(左側(cè)樣本為脫色后，右側(cè)為脫色前)。蘋(píng)果膳食纖維白度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相近，相對(duì)誤差在1%左右，證明應(yīng)用響應(yīng)面法優(yōu)化蘋(píng)果膳食纖維微波脫色的關(guān)鍵因子是可行的。

圖4 微波作用H2O2脫色前后

2.4 不同脫色方法的對(duì)比試驗(yàn)

分別采用乙醇浸提、H2O2水浴及H2O2微波脫色對(duì)蘋(píng)果渣膳食纖維脫色，比較了不同方法的脫色時(shí)間及脫色后產(chǎn)品的脫色效果，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同脫色方法對(duì)蘋(píng)果渣膳食纖維的脫色效果

表4顯示，將蘋(píng)果渣膳食纖維脫色至各方法的最優(yōu)效果所需時(shí)間有很大差異，H2O2微波所需時(shí)間最短，脫色效果最好，其他方法如乙醇浸提、H2O2水浴脫色時(shí)間較長(zhǎng)，脫色效果稍差。

2.5 微波作用H2O2脫色對(duì)蘋(píng)果膳食纖維顯微結(jié)構(gòu)影響

圖5為處理前后蘋(píng)果膳食纖維在放大500倍時(shí)的掃描電鏡照片，由于實(shí)驗(yàn)選取的蘋(píng)果膳食纖維是經(jīng)過(guò)壓榨取汁后的蘋(píng)果膳食纖維，所以蘋(píng)果膳食纖維沒(méi)有完整的細(xì)胞組織，其細(xì)胞已經(jīng)遭到破壞。由圖5中可以看出，蘋(píng)果膳食纖維在微波作用前已經(jīng)有明顯的裂痕，經(jīng)微波作用后裂痕條數(shù)增多，其組織裂痕更嚴(yán)重。通過(guò)與其他方法對(duì)比發(fā)現(xiàn)，乙醇浸提、H2O2水浴等作用后，對(duì)蘋(píng)果渣膳食纖維的結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯影響，而隨著微波功率的增大，其破碎程度也增大。表明微波作用對(duì)蘋(píng)果膳食纖維的組織結(jié)構(gòu)有直接影響，使組織出現(xiàn)裂痕、破碎。主要是由于微波加熱速度較快，物料溫度迅速升高，而蘋(píng)果膳食纖維組織不是均勻介質(zhì)，微波處理導(dǎo)致蘋(píng)果膳食纖維局部過(guò)熱，使局部過(guò)熱組織結(jié)構(gòu)破壞，出現(xiàn)裂痕［16－17］。

2.6 微波作用H2O2脫色前后蘋(píng)果膳食纖維的X射線衍射分析

有研究表明，纖維素類(lèi)物質(zhì)是由70%有序結(jié)晶纖維區(qū)和30%無(wú)序非晶態(tài)纖維素、半纖維素區(qū)組成，高度有序的纖維素區(qū)具有結(jié)晶性［18－19］。由圖6可以看出，微波作用H2O2脫色前后蘋(píng)果膳食纖維的X射線衍射圖譜明顯不同，蘋(píng)果膳食纖維纖維素結(jié)晶性發(fā)生改變。右側(cè)較大尖細(xì)峰為脫色產(chǎn)生的溶劑殘留，產(chǎn)生了溶劑峰。另外，由電鏡觀察到的纖維素表面裂紋，可能是由于纖維素的結(jié)晶性遭到破壞，產(chǎn)生晶間裂紋。

圖5 脫色處理前后蘋(píng)果膳食纖維掃描電鏡照片

圖6 處理前后蘋(píng)果膳食纖維X射線衍射曲線

3 結(jié)論

利用響應(yīng)面法對(duì)微波輔助雙氧水脫色的關(guān)鍵因子進(jìn)行了優(yōu)化。建立了脫色白度與3個(gè)關(guān)鍵因子(pH值、H2O2濃度及微波作用時(shí)間)的二次多項(xiàng)式回歸模型，同時(shí)利用模型的響應(yīng)面及其等高線對(duì)蘋(píng)果膳食纖維脫色的關(guān)鍵因子進(jìn)行了分析，在料液比1∶14，功率480 W的條件下，得出了微波作用膳食纖維脫色的關(guān)鍵因子的優(yōu)化條件為:pH值12.5、微波作用時(shí)間48s和H2O2濃度為9.17%，用色差計(jì)測(cè)得脫色后的白度為57.34%，脫色前原料白度為27.54%。脫色效果顯著，明顯優(yōu)于其他傳統(tǒng)方法，效率大大提高。在節(jié)能方面，若在生產(chǎn)中考慮微波加熱的功率合理匹配，微波處理的能耗可以進(jìn)一步降低。掃描電鏡和X射線衍射分析表明微波對(duì)蘋(píng)果膳食纖維纖維表面的微結(jié)構(gòu)有破壞作用。但纖維素?cái)嗔驯砻嫖⒔Y(jié)構(gòu)的變化及其對(duì)物性的影響有待進(jìn)一步研究。

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Study on the Technical Parameters for Decolorization of Apple Dietary Fiber by Microwave

Liu Su-wen，Shi Peng-bao，Li Han-chen，Li Jun，Gao Hai-sheng
(Department of Food Engineering，Hebei Normal University of Science and Technology，Changli 066600，China)

The conditions for decolorization of apple dietary fiber were established for laboratory study.The microwave method was applied to the optimal conditions for decolorization of apple dietary fiber.In this study，the optimal conditions determined by response surface methodology(RSM)were:pH 12.5、microwave time 47.75s and H2O2concentration 9.17%，material-solution ratio 1∶14 and microwave power 480W.Under the above conditions，the Whiteness was 57.34%(mean value)in the final product，while 27.54%before the decolorization.The effect was significant.The empirical model developed by response surface methodology(RSM)is adequate to describe the relationships between the factors and response value.The results of the curve by scanning electron and X-ray diffraction analysis showed that microstructure of the apple dietary fiber surface was changed by microwave.

microwave，decolorization，apple dietary fiber，response surface methodology

碩士，講師(李軍教授為通訊作者)。

*“十一五”支撐計(jì)劃課題——蘋(píng)果果膠系列產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)蘋(píng)果汁開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化示范(2006BAD05A13)

2010－08－10，改回日期:2010－12－03