丁莎莎 黃立新 張彩虹,5 謝普軍 鄧葉俊 王曉杰

(1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，江蘇 南京 210042；2. 生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042；3. 國(guó)家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開放性實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042；4. 江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042；5. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091)

高壓均質(zhì)和膠體磨改性對(duì)油橄欖果渣水不溶性膳食纖維性能的影響

丁莎莎1,2,3,4黃立新1,2,3,4張彩虹1,2,3,4,5謝普軍1,2,3,4鄧葉俊1,2,3,4王曉杰1,2,3,4

(1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，江蘇 南京 210042；2. 生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042；3. 國(guó)家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開放性實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042；4. 江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042；5. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091)

油橄欖果渣；水不溶性膳食纖維；高壓均質(zhì)；膠體磨；改性

Keywords： olive pomace; insoluble dietary fiber; high pressure homogenization; colloid mill; modification

膳食纖維作為七大營(yíng)養(yǎng)素之一，又被稱作“腸道清道夫”，具有預(yù)防肥胖、促進(jìn)腸道蠕動(dòng)、預(yù)防腸胃疾病和心血管疾病等生理功能[1]。水不溶性膳食纖維(Insoluble dietary fiber，IDF)是一類不溶于水的膳食纖維，主要有纖維素、部分半纖維素和木質(zhì)素等[2]。通過適當(dāng)改性手段處理膳食纖維，可以改變部分組成聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)與相對(duì)含量，有助于提高膳食纖維的生理功能[3]。對(duì)膳食纖維進(jìn)行改性，提高膳食纖維的品質(zhì)和生理功能已成為眾多學(xué)者深入研究的重點(diǎn)，目前膳食纖維的改性方法主要有化學(xué)處理[4-5]、物理機(jī)械處理[6]和生物改性[7]等。

高壓均質(zhì)和膠體磨是2種較好的物理改性手段。在高壓作用下，物料快速通過高壓均質(zhì)機(jī)的均質(zhì)腔，受到高速剪切、高頻振蕩、空穴效應(yīng)和對(duì)流撞擊等機(jī)械力作用和相應(yīng)的熱效應(yīng)，使物料大分子的物理、化學(xué)及結(jié)構(gòu)性質(zhì)發(fā)生變化[8]。膠體磨是一種超微濕粉碎加工設(shè)備，物料通過剪切、碾磨、高頻振動(dòng)而被粉碎。黃素雅等[9]采用高靜壓和高壓均質(zhì)對(duì)豆渣IDF進(jìn)行改性，2種改性方式均能不同程度地改善膳食纖維的理化性質(zhì)，提高產(chǎn)品品質(zhì)。陶姝穎等[10]采用超微粉碎和擠壓超微粉碎技術(shù)對(duì)葡萄皮渣膳食纖維進(jìn)行改性處理，均顯著地改變了其理化性質(zhì)如持水力、膨脹力等。張根生等[11]通過膠體磨對(duì)馬鈴薯渣不溶性膳食纖維進(jìn)行濕法超微粉碎改性，使其不再具有粗糙的顆粒感，提高其功能特性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

油橄欖果渣IDF：主要成分為纖維素(50.23%)、半纖維素(13.37%)、木質(zhì)素(24.46%)、蛋白質(zhì)(2.18%)和水分(4.92%)，參照文獻(xiàn)[13]的方法制備；

植物油：食用級(jí)，山東魯花基團(tuán)有限公司；

亞硝酸鈉：分析純，南京化學(xué)試劑有限公司；

鹽酸奈乙二胺、對(duì)氨基苯磺酸：分析純，阿拉丁(上海)有限公司；

硫酸鎘：分析純，成都市科龍化工試劑廠。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

高壓均質(zhì)機(jī)：GYB60-6S型，上海東華高壓均質(zhì)機(jī)廠；

膠體磨：JMS-50型，廊坊市冠通機(jī)械有限公司；

掃描電子顯微鏡：3400-I型，日本日立公司；

激光粒度分析儀：MS2000E型，英國(guó)Malvern公司；

X射線衍射儀：D8FOCUS型，德國(guó)Bruker公司；

傅里葉變換紅外光譜儀：MAGNA-IR550型，美國(guó)Thermo Electron公司；

電感耦合等離子體發(fā)射光譜：OPTIMA700型，美國(guó)PE公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 高壓均質(zhì)油橄欖果渣IDF的制備 將油橄欖果渣IDF按1∶30 (g/mL)的料液比加入水，攪拌均勻，經(jīng)高壓均質(zhì)機(jī)在30 MPa壓力下均質(zhì)8次后，4 000 r/min離心過濾得濾渣，將濾渣在50 ℃下熱風(fēng)干燥至質(zhì)量恒定，粉碎過60目篩，所得產(chǎn)品密封貯存于陰涼干燥處以備用。

1.2.2 膠體磨油橄欖果渣IDF的制備 將油橄欖果渣IDF按1∶30 (g/mL)的料液比加入水，攪拌均勻，經(jīng)膠體磨粉碎2 h后，4 000 r/min離心過濾得濾渣，將濾渣在50 ℃下熱風(fēng)干燥至質(zhì)量恒定，粉碎過60目篩，所得產(chǎn)品密封貯存于陰涼干燥處備用。

1.2.3 微觀形態(tài)觀察 將IDF、高壓均質(zhì)IDF和膠體磨IDF分別經(jīng)黏臺(tái)、噴金等步驟后直接于掃描電子顯微鏡下觀察。

1.2.4 粒度分析 以水為分散劑，將IDF、高壓均質(zhì)IDF和膠體磨IDF分別配制成溶液，采用激光粒度分析儀測(cè)定3種樣品的粒度分布狀況及比表面積。

1.2.5 X射線衍射分析 參照文獻(xiàn)[13]對(duì)IDF樣品進(jìn)行X射線衍射分析。采用Segal 法[14]計(jì)算IDF、高壓均質(zhì)IDF和膠體磨IDF的結(jié)晶度指數(shù)。

1.2.6 紅外光譜分析 分別取2 mg干燥IDF、高壓均質(zhì)IDF和膠體磨IDF，各與200 mg干燥KBr粉末研磨均勻后壓片。掃描波長(zhǎng)范圍為4 000～400 cm-1。

1.2.7 持水力、膨脹力及持油力測(cè)定 參照文獻(xiàn)[15]。

(1)

式中：

V——NaNO2溶液體積，mL；

m——樣品質(zhì)量，g。

1.2.9 體外吸附重金屬Cd2+的測(cè)定 根據(jù)文獻(xiàn)[17]修改如下：分別取3個(gè)250 mL錐形瓶，各加入100 mg/L CdSO4溶液100 mL，調(diào)節(jié)體系pH為7，取1 mL上清液，測(cè)定其Cd2+濃度(C0)，分別加入IDF、高壓均質(zhì)IDF和膠體磨IDF各0.50 g，置于37 ℃、轉(zhuǎn)速120 r/min的搖床中振蕩，于2 h后各取1 mL上清液，并測(cè)定上清液中Cd2+濃度(C1)。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定Cd2+濃度。并按式(2)計(jì)算IDF對(duì)Cd2+的吸附量。

(2)

式中：

Q——Cd2+吸附量，mg/g；

C0——初始上清液Cd2+濃度，mg/L；

C1——吸附后上清液Cd2+濃度，mg/L；

V——加入CdSO4溶液體積，L；

m——IDF質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒度與微觀形態(tài)分析

由圖1、2和表1可知，未經(jīng)改性處理的IDF表面粗糙，有少許裂縫和空腔。經(jīng)高壓均質(zhì)改性處理后IDF的結(jié)構(gòu)更加疏松，出現(xiàn)較多的裂縫和空腔，其粒度分布比IDF更窄，且平均粒徑顯著減小，比表面積增大。IDF在高壓均質(zhì)過程中，受到擠壓、剪切和高壓釋放等機(jī)械力作用，使其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，粒徑較小，推測(cè)其具有更好的持水力、膨脹力和持油力等理化性質(zhì)。經(jīng)過膠體磨改性處理后IDF的結(jié)構(gòu)也更加疏松，且部分出現(xiàn)斷裂和破碎，其粒度分布也比IDF更窄，平均粒徑減小，比表面積增大，與IDF在膠體磨中受到的高速剪切和高頻振動(dòng)等機(jī)械力有關(guān)。

2.2 紅外光譜分析

由圖3可知，IDF、高壓均質(zhì)IDF和膠體磨IDF都具有纖維素類多糖的特征吸收峰。3種IDF都在3 330 cm-1處出現(xiàn)O—H伸縮振動(dòng)峰；2 898 cm-1處是C—H的伸縮振動(dòng)峰[18]；1 157 cm-1和1 027 cm-1處是纖維素和半纖維素結(jié)構(gòu)中2種C—O伸縮振動(dòng)峰[19]；896 cm-1處是由β-型糖苷鍵引起的吸收峰[20]；1 592 cm-1和1 506 cm-12處是苯環(huán)的骨架伸縮振動(dòng)峰，1 506 cm-1處為木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中芳香環(huán)的特征振動(dòng)峰[21]。IDF、高壓均質(zhì)IDF和膠體磨IDF的紅外光譜峰型位置基本相同，說明高壓均質(zhì)和膠體磨改性處理均對(duì)IDF的官能團(tuán)沒有影響，IDF沒有產(chǎn)生新的化學(xué)基團(tuán)，仍保持原有的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。

表1 粒徑和比表面積對(duì)比

圖1 掃描電鏡微觀形態(tài)對(duì)比

圖2 粒徑分布對(duì)比

1. IDF 2. 高壓均質(zhì)IDF 3. 膠體磨IDF

2.3 X射線衍射分析

由圖4可知，IDF、高壓均質(zhì)IDF和膠體磨IDF都表現(xiàn)出纖維素I型的特征衍射峰，均在同一位置出現(xiàn)1個(gè)主衍射峰(2θ=15.7°)和2個(gè)次衍射峰(2θ=15.7°和2θ=34.7°)。采用Segal法計(jì)算IDF、高壓均質(zhì)IDF和膠體磨IDF的結(jié)晶度指數(shù)分別為41.23%，45.35%，43.08%。說明高壓均質(zhì)和膠體磨粉碎改性處理對(duì)IDF的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度并無影響，可能是高壓均質(zhì)和膠體磨改性產(chǎn)生的機(jī)械力還不足以對(duì)纖維素的晶間連接關(guān)系產(chǎn)生明顯的影響[10]。

1. IDF 2. 高壓均質(zhì)IDF 3. 膠體磨IDF

2.4 改性前后油橄欖果渣IDF的功能特性

由表2可知，高壓均質(zhì)改性處理對(duì)IDF的水合性能影響較大，其持水力、膨脹力和持油力分別提高了31.70%，78.87%，38.92%，可能是高壓均質(zhì)處理使IDF原本緊密的結(jié)構(gòu)變得疏松，滯留水分能力增強(qiáng)，也使IDF的比表面積增加，暴露更多的親水基團(tuán)。膠體磨改性處理的IDF的水合性能也有所提高，其持水力、膨脹力和持油力分別提高了19.93%，47.94%，32.97%，可能是膠體磨處理使IDF粒徑減小，比表面積增大，其水合性能增強(qiáng)。油橄欖果渣IDF持水力的提高，可以增加人體攝入IDF后的排便體積和速度，減輕直腸內(nèi)的壓力，使腸道內(nèi)的外源有毒物質(zhì)隨糞便快速排出體外，從而預(yù)防腸道疾??；油橄欖果渣IDF膨脹力的提高，可以增加它在腸道產(chǎn)生的容積作用，使人體產(chǎn)生飽腹感，對(duì)預(yù)防肥胖癥十分有利[22]。

表2 油橄欖果渣IDF的功能特性?

? 不同字母表示差異顯著(P<0.05)，相同字母表示差異不顯著(P>0.05)。

3 結(jié)論

(1) 高壓均質(zhì)改性處理后IDF的結(jié)構(gòu)更加疏松，出現(xiàn)較多的裂縫和空腔，其粒度分布比IDF更窄，且平均粒徑顯著減小(為66.97 μm)，比表面積增大。經(jīng)過膠體磨改性處理后IDF的結(jié)構(gòu)也更加疏松，且部分出現(xiàn)斷裂和破碎，其粒度分布也比IDF更窄，平均粒徑減小(為79.52 μm)，比表面積增大。

(2) 高壓均質(zhì)和膠體磨改性處理均對(duì)IDF的官能團(tuán)沒有影響，仍保持原有的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。高壓均質(zhì)和膠體磨改性處理對(duì)IDF的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度并無影響，都表現(xiàn)出纖維素I型的特征衍射峰，

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Effect of high pressure homogenization and colloid mill modification on the physicochemical properties of insoluble dietary fiber from olive pomace

DING Sha-sha1,2,3,4HUANGLi-xin1,2,3,4ZHANGCai-hong1,2,3,4,5XIEPu-jun1,2,3,4DENGYe-jun1,2,3,4WANGXiao-jie1,2,3,4

(1.InstituteofChemicalIndustryofForestProducts,ChineseAcademyofForestry,Nanjing,Jiangsu210042,China; 2.NationalEngineeringLab.forBiomassChemicalUtilization,Nanjing,Jiangsu210042,China; 3.KeyandOpenLab.ofForestChemicalEngineering,StateForestryAdministration,Nanjing,Jiangsu210042,China; 4.KeyLab.ofBiomassEnergyandMaterial,JiangsuProvince,Nanjing,Jiangsu210042,China;5.ResearchInstituteofForestryNewTechnology,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China)

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.08.003

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(編號(hào)：2016YFD0600800)

丁莎莎，女，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所在讀碩士研究生。

黃立新(1967—)，男，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所研究員，博士。E-mail：l_x_huang@163.com

2017—05—22