高昂，梁文明，徐興陽，陳野（天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院，天津300457）

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擠壓噴霧提高胡蘿卜渣膳食纖維含量及其性質(zhì)評價

高昂，梁文明，徐興陽，陳野*
（天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院，天津300457）

摘要：利用擠壓噴霧技術(shù)改善胡蘿卜渣中可溶性膳食纖維（SDF）含量。在單因素試驗基礎(chǔ)上進行正交試驗，優(yōu)化擠壓條件，并對比擠壓前后胡蘿卜渣的物理、化學(xué)性質(zhì)。實驗結(jié)果表明：擠壓噴霧技術(shù)的最佳工藝條件為?？字睆? mm，溫度180℃，轉(zhuǎn)速175 r/min?？墒筍DF含量由原料的16.8 %增加至27.3 %，而其他營養(yǎng)成分含量基本不發(fā)生變化。擠壓后胡蘿卜渣的持水性、持油力、水溶性、膨脹性分別提高了11 %，34 %，8.2 %，61 %。電鏡掃描圖看出胡蘿卜渣擠壓后發(fā)生熱降解，結(jié)構(gòu)變得疏松多孔。差示掃描量熱（DSC）試驗結(jié)果表明：擠壓處理前后的胡蘿卜渣在25℃~200℃之間，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。紅外光譜掃描觀察到擠壓前后胡蘿卜渣膳食纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化。

關(guān)鍵詞：擠壓噴霧；胡蘿卜渣；膳食纖維；物化性質(zhì)

我國胡蘿卜資源豐富，產(chǎn)量占根菜類蔬菜的第二位。胡蘿卜具有降糖降脂，益肝明目的作用[1]。目前，我國為世界上主要的胡蘿卜生產(chǎn)大國，其深加工產(chǎn)業(yè)也發(fā)展迅速，胡蘿卜果汁飲料、果醬、果泥也出現(xiàn)于貨架上，成為受人們普遍歡迎的產(chǎn)品[2-3]。胡蘿卜渣是以胡蘿卜為原料產(chǎn)品的加工廢棄物，這些殘渣僅有部分被當(dāng)作飼料使用，大部分殘渣全部丟棄，利用價值很低，不僅造成資源浪費也容易污染環(huán)境[4-5]。膳食纖維也被稱作“第七大營養(yǎng)素”，對人體能產(chǎn)生非常重要的生理作用，大量研究表明膳食纖維可以控制血糖和脂類代謝，維持腸道菌落平衡，促進腸蠕動性能，促進排便，降膽固醇，起到控制體重預(yù)防糖尿病、冠心病等作用[6-7]。而胡蘿卜渣中膳食纖維含量豐富，采用高新技術(shù)適當(dāng)利用可使其具有很好的經(jīng)濟價值，提高殘渣利用率。

擠壓噴霧技術(shù)是高溫、高剪切力、高壓力等因素綜合作用，使擠壓物料發(fā)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)變化的一種科學(xué)技術(shù)手段。將高含水物料送入擠壓機筒內(nèi)，受到螺桿的剪切、摩擦、推動作用，同時筒內(nèi)的高溫使水分充分氣化，封閉的空間內(nèi)壓力升高，形成高壓環(huán)境，隨螺桿物料推送至空間狹小的模孔處，物料在?？滋幃a(chǎn)生了巨大能量，噴出?？讜r瞬間壓力減小，物料成顆粒噴霧狀噴出擠壓機[8-9]。

本文以胡蘿卜渣為原料，研究擠壓噴霧處理對胡蘿卜渣的化學(xué)成分、物理性能的影響。旨在科學(xué)地提高胡蘿卜渣中可溶性膳食纖維含量，有效利用胡蘿卜中豐富的膳食纖維。為胡蘿卜渣的再利用提供了理論參考。

1材料與方法

1.1材料

胡蘿卜渣購于內(nèi)蒙古蒙川食品有限公司。

雙螺桿擠壓噴霧裝置（天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院實驗室自制）。

1.2擠壓噴霧正交試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，分別選擇擠壓溫度170、180、190℃，螺桿轉(zhuǎn)速150、175、200 r/min，模孔直徑3、4、5 mm為影響因素和水平，選取L9（34）正交表設(shè)計正交實驗。表1為正交試驗影響因素水平表。

表1擠壓正交試驗因素水平表Table 1 Orthogonal level of squeeze factors

1.3擠壓前后胡蘿卜渣中各成分的測定

雙螺桿擠壓機擠壓噴霧條件：?？字睆? mm，溫度180℃，轉(zhuǎn)速175 r/min。分別稱取擠壓前后的胡蘿卜渣（干重），分別測定其蛋白質(zhì)、脂肪、灰分、總糖的含量，以及擠壓前后胡蘿卜渣中總膳食纖維、不溶性膳食纖維、可溶性膳食纖維含量[10-13]。

蛋白質(zhì)測定：參照GB 5009.5-2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測定》。脂肪測定：參照GB/T 5009.6-2003《食品中脂肪的測定》?；曳譁y定：參照GB 5009.4-2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中灰分的測定》?？偺菧y定：苯酚硫酸法。膳食纖維含量測定：美國谷物化學(xué)師協(xié)會AACC方法并按照AACC32-06方法提取可溶性膳食纖維。

1.4擠壓前后胡蘿卜渣物性對比[14-15]

將擠壓噴霧處理后的胡蘿卜渣與未處理的胡蘿卜渣分別進行物性測定，進行對比。

1.4.1持水性

稱取0.30 g（W1）胡蘿卜渣置于燒杯中，加入100 mL蒸餾水，搖勻，室溫下靜置2 h，過濾，移至平皿稱量濕重（W2，g）。

1.4.2持油力

稱取胡蘿卜渣3.00 g（M1）于50 mL離心管中，加入25 mL植物油，靜置1 h后，3 500 r/min離心20 min，棄去上清液，并用濾紙吸干離心管內(nèi)壁多余油脂，稱量殘渣重量（M2，g）。

1.4.3水溶性

稱取0.500 g（X1）胡蘿卜渣置于燒杯中，加入50 mL蒸餾水，90℃磁力攪拌器下攪拌30 min后，3 500 r/min離心15 min，上清液105℃烘干至恒重，稱其質(zhì)量（X2，g）。

1.4.4膨脹性

稱取0.500 g（Y1）胡蘿卜渣，置于帶有刻度的具塞試管中，加入蒸餾水5 mL，記錄刻度（V1，mL），混勻，室溫下靜置24 h，記錄此時刻度（V2，mL）。

1.5掃描電鏡顯微結(jié)構(gòu)觀察

將擠壓前后的少量胡蘿卜渣分別平鋪于樣品臺的導(dǎo)電膠上，在離子濺射儀（HITACHI E-1010）中噴金90 s，真空度7 Pa~8 Pa，平均電流15 mA，噴金結(jié)束后將樣品臺轉(zhuǎn)移至掃描電子顯微鏡（HITACHI SU1510）中掃描檢測，得到不同倍數(shù)的掃描電鏡圖片（5.0 K和10.0 K）。

1.6 DSC熱穩(wěn)定性分析

對擠壓前后的胡蘿卜渣分別進行熱穩(wěn)定性分析，使用差示量熱掃描儀。稱取2 mg~5 mg樣品放置在鋁制坩堝內(nèi)，放入壓樣機，室溫下壓蓋。即可放于差示量熱掃描儀中進行檢測。升溫范圍：室溫至200℃，升溫速度為5℃/min。

1.7紅外光譜分析可溶性膳食纖維

對擠壓前后的胡蘿卜渣可溶性膳食纖維分別進行紅外光譜分析，將樣品干燥至恒重，分別稱取1 mg，加入溴化鉀150 mg，混合充分研磨，壓片處理后，放入紅外光譜儀中，4 000 cm-1~400 cm-1波長范圍內(nèi)掃描，分辨率：4 cm-1，掃描次數(shù)：16。

2結(jié)果與分析

2.1胡蘿卜渣擠壓正交試驗結(jié)果

胡蘿卜渣擠壓正交試驗結(jié)果以及方差分析結(jié)果見表2、表3。

表2擠壓正交試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Results of squeeze orthogonal

表3擠壓正交試驗方差分析Table 3 Analysis of variance on squeeze orthogonal

由表2、表3結(jié)果可知，影響因子：擠壓溫度＞螺桿轉(zhuǎn)速＞?？字睆?，螺桿轉(zhuǎn)速和?？字睆綄DF含量的影響程度相差不大，而且這兩個因素的影響程度遠不及擠壓溫度。確定最佳擠壓條件為：擠壓溫度180℃、螺桿轉(zhuǎn)速175 r/min、模孔直徑4 mm。用此工藝條件進行驗證試驗，得到的擠壓胡蘿卜渣中SDF含量為27.3 %。

2.2擠壓前后胡蘿卜渣成分測定

經(jīng)過擠壓噴霧處理，胡蘿卜渣中各成分含量變化如表4所示。

表4擠壓噴霧處理前后胡蘿卜渣基本成分比較Table 4 Comparison of ingredients of carrot residue before and after the extrusion puffing%

由表4可以看出，經(jīng)過擠壓噴霧處理，胡蘿卜渣中蛋白質(zhì)、脂肪、灰分、總糖以及總膳食纖維含量均沒有明顯變化。只有可溶性膳食纖維含量有所增加，并且增加量與不溶性膳食纖維的減少量相一致。由此可以看出，擠壓噴霧處理能夠使一部分的不溶性膳食纖維向可溶性膳食纖維轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化率可以達到10.5 %，同時對胡蘿卜渣中其他營養(yǎng)成分沒有太大影響。此方法可以有效提高胡蘿卜渣的利用價值以及營養(yǎng)價值。

2.3擠壓前后胡蘿卜渣物性對比

擠壓噴霧處理前后胡蘿卜渣粉（干基）物理性質(zhì)的變化如表5所示。

表5擠壓噴霧處理前后胡蘿卜渣物性比較Table 5 Comparison of physical properties of carrot residue before and after the extrusion puffing

加熱、干燥、碾壓、擠壓等各種物理手段，都可能使膳食纖維的結(jié)構(gòu)及物理特性發(fā)生改變。從而影響水溶性、膨脹性、持水性等性質(zhì)。由表5可以看出擠壓噴霧技術(shù)對胡蘿卜渣的持水性、膨脹性、水溶性、持油力都有一定程度的積極影響，水溶性提高，原因可能是因為在擠壓機腔中胡蘿卜渣受到高溫、高壓和剪切、摩擦作用，使得物料微粒的結(jié)構(gòu)變得疏松，部分分子降解，一部分不溶性膳食纖維轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄陨攀忱w維。同時蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象發(fā)生改變，削弱了蛋白質(zhì)分子之間的疏水作用[16]，持水性得到提高。擠出?？讜r壓力瞬間由高壓變?yōu)槌海}卜渣受到膨化作用，使原來緊致的結(jié)構(gòu)變得疏松，孔徑增大導(dǎo)致其膨脹性增大，這些結(jié)構(gòu)的變化會使胡蘿卜渣吸附作用增強，持水性、持油力提高。

2.4掃描電鏡顯微結(jié)構(gòu)觀察

擠壓噴霧處理前后胡蘿卜渣粉微觀結(jié)構(gòu)觀察見圖1。

圖1擠壓前后胡蘿卜渣SEM結(jié)構(gòu)觀察Fig.1 SEM of raw carrot residue and extruded carrot residues

圖1中，左側(cè)圖為未擠壓的胡蘿卜渣的微觀表面結(jié)構(gòu)，可以觀察到表面致密，表面有凹凸不平卻沒有破損孔洞。右側(cè)圖為擠壓后的胡蘿卜渣，其表面粗糙，松散，出現(xiàn)了很多破損孔洞。在擠壓過程中，胡蘿卜渣受到螺桿的剪切作用，并且封閉環(huán)境造成相對高壓，在擠壓機的出口處又受到了壓力瞬間減小（高壓至常壓），以及機筒內(nèi)的高溫作用。這些作用導(dǎo)致了胡蘿卜渣的表觀性質(zhì)發(fā)生了上述變化。這種微觀表面結(jié)構(gòu)的改變也是解釋擠壓噴霧處理能夠提高可溶性膳食纖維含量的原因。

2.5 DSC熱穩(wěn)定性分析

擠壓噴霧前后胡蘿卜渣的DSC檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2擠壓前后胡蘿卜渣DSC檢測結(jié)果的對比Fig.2 Contrast of the DSC results of carrot residue before and after the extrusion puffing.

圖2中，經(jīng)擠壓噴霧處理胡蘿卜渣（實線）與未處理胡蘿卜渣（虛線）的DSC曲線趨勢基本一致。在0℃~ 200℃之間沒有出現(xiàn)明顯的吸放熱變化，說明在200℃之內(nèi)胡蘿卜渣具有熱穩(wěn)定性。擠壓噴霧處理后胡蘿卜渣的吸放熱曲線沒有發(fā)生變化，表明擠壓噴霧處理并不會產(chǎn)生新的物質(zhì)，保證了工藝的安全性。

2.6紅外光譜分析可溶性膳食纖維

對胡蘿卜渣中可溶性膳食纖維SDF進行紅外光譜分析，紅外圖譜見圖3。

圖3胡蘿卜渣可溶性膳食纖維擠壓前后的紅外光譜Fig.3 Infrared spectrum of carrot residue dietary fiber before and after the extrusion puffing

由圖3可以看出，與未處理胡蘿卜渣相比，擠壓噴霧處理后，其特征吸收峰位置、峰型、數(shù)量均未發(fā)生改變。例如：多糖類化合物的特征吸收峰3 404 cm-1處的O-H伸縮振動峰和2 939 cm-1處的C-H伸縮振動峰均基本一致，833 cm-1處α-型糖苷鍵吸收峰和775 cm-1處α-D-吡喃糖環(huán)的呼吸振動峰均沒有發(fā)生偏移或改變。表明擠壓噴霧處理后胡蘿卜渣可溶性膳食纖維的化學(xué)成分保持穩(wěn)定，性質(zhì)一致。

3　結(jié)論

本文采用擠壓噴霧技術(shù)處理胡蘿卜渣，通過正交試驗得出最佳的擠壓噴霧條件為：擠壓溫度180℃、螺桿轉(zhuǎn)速175 r/min、?？字睆? mm。此工藝可使SDF含量由原料的16.8 %增加至27.3 %，而其他營養(yǎng)成分含量基本不發(fā)生變化。擠壓后胡蘿卜渣在持水性、持油力、水溶性、膨脹性方面性能均有所提高。從SEM圖中看出擠壓后發(fā)生熱降解，結(jié)構(gòu)變得蓬松多孔。DSC分析得到擠壓處理前后的胡蘿卜渣在25℃~200℃之間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。紅外光譜掃描觀察到擠壓前后胡蘿卜渣膳食纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化。表明擠壓噴霧處理技術(shù)不會引入新的物質(zhì)，具有安全性，同時可使原料其他營養(yǎng)成分不變而不溶性膳食纖維向可溶性膳食纖維轉(zhuǎn)變，使胡蘿卜渣的經(jīng)濟利用價值顯著提高。此項技術(shù)具有非常重要的現(xiàn)實意義以及廣闊的開發(fā)前景。

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Studies on Increased Soluble Dietary Fiber in Carrot Residues by Extrusion Spray Processing and Properties of Treated Carrot Residues

GAO Ang，LIANG Wen-ming，XU Xing-yang，CHEN Ye*
（College of Food Engineering and Biotechnology，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China）

Abstract：In the study the extruding technic had been used to increase the content of soluble dietary fiber. Based on the single factor experiments，the orthogonal experiment was used to confirm the optimization ofbook=98,ebook=105extrusion conditions，and compared the carrots residue's chemical and physical properties before and after extrusion. The result which the optimum condition of extrusion spray technic to improve the soluble dietary fiber （SDF）in carrot residue was as follows：die hole diameter 4 mm，temperature 180℃，screw speed 175 r/min. Made the SDF content increased to 27.3 % from 16.8 % in raw materials，and other basic nutrients contents didn't change. As well，physical experiments showed that the water holding capacity，oil holding capacity，water-solubility，and swelling properties of extrusion carrot residue were improved. The scanning electron microscopy（SEM）figure indicated that carrot residue appeared thermal degradation and its structure became porous after extrusion. Differential scanning calorimetry（DSC）showed that extruded carrot residue remained structural stability between 25℃-200℃. Infrared spectrum scanning showed that extruded carrot residue fiber chemical structure had not changed.

Key words：extrusion；carrot residues；soluble dietary fiber；physicochemical properties

收稿日期：2014-09-28

DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2016.02.024

*通信作者：陳野，男，教授，博導(dǎo)。

作者簡介：高昂（1989—），女（漢），碩士研究生，研究方向：食品科學(xué)。