CO2輔助擠壓對馬鈴薯渣可溶性膳食纖維的影響

鄒妍，王力，王梅，雷尊國，董楠，*

（1.貴州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽550025；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，貴州貴陽550025）

馬鈴薯渣是馬鈴薯在生產(chǎn)淀粉過程中的主要副產(chǎn)物，而按照推算每噸馬鈴薯淀粉會帶來6 倍～7 倍的鮮馬鈴薯渣。由于薯渣中殘留了大量蛋白質(zhì)，加之水分含量高，便成了滋生微生物的溫床，不及時處理會給環(huán)境帶來非常嚴重的危害。薯渣中含有大量的膳食纖維，目前主要用于飼料工業(yè)加工，在食品領(lǐng)域的應(yīng)用仍較少。隨著公眾對健康的需求提升，含有膳食纖維的食物越發(fā)受到歡迎。而對于腸道健康有益的可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）更是受到熱捧。姚琦等[1]利用聯(lián)合酶法將馬鈴薯渣中膳食纖維的比例提高到76.92%。程力等[2]采用纖維素酶處理濕馬鈴薯渣，制備可溶性膳食纖維，對其理化性質(zhì)及功能性質(zhì)進行研究研。

擠壓能夠影響物料中膳食纖維的含量與組成并提高SDF 含量的這一事實受到了極大的關(guān)注。大量研究表明，擠壓改性可提高物料中可溶性膳食纖維的含量[3-8]。而CO2輔助擠壓作為一種新型擠壓技術(shù)，由于CO2產(chǎn)生的壓力，比傳統(tǒng)擠壓改性效果好，能更大程度地提高物料中可溶性膳食纖維的含量。研究發(fā)現(xiàn)，CO2輔助擠壓技術(shù)可大大提高豆渣產(chǎn)品可溶性膳食纖維含量[由2.6%（質(zhì)量分數(shù)）提高到30.1%（質(zhì)量分數(shù)）]，明顯改善豆渣的物化性質(zhì)[9]。馬鈴薯渣含有豐富的淀粉、纖維素、半纖維素、果膠、蛋白質(zhì)、多酚等物質(zhì)[10-11]，在我國，平均每年產(chǎn)生近百萬噸馬鈴薯渣[12]，若不加以利用，既造成資源浪費又造成環(huán)境污染[13]。目前，對馬鈴薯渣膳食纖維制備方法的研究較多[14-16]，但大多為酶解法，而CO2輔助擠壓對馬鈴薯渣膳食纖維的影響還未見報道。試驗采用CO2輔助擠壓技術(shù)對馬鈴薯渣進行擠壓，旨在優(yōu)化馬鈴薯渣擠壓工藝，提高馬鈴薯渣中可溶性膳食纖維含量，以提高馬鈴薯綜合利用率，為馬鈴薯渣膳食纖維的改性研究及加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料與試劑

馬鈴薯：市售；檸檬酸、碳酸氫鈉（分析純）：成都市科龍化工試劑廠；丙酮（分析純）：重慶北碚化學(xué)試劑廠；胃蛋白酶 P7000（800 U/mg～2 500 U/mg）、胰酶P7545（8×USP）、耐熱 α-淀粉酶 A3306（＞10 000 U/mL）：美國Sigma 公司；其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.1.2 儀器與設(shè)備

SYSLG30-LV 雙螺桿擠壓膨化機：濟南賽百諾科技有限公司；DHG-9140 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏實驗設(shè)備有限公司；85-2 數(shù)顯恒溫磁力攪拌器、HH-2 數(shù)顯恒溫水浴鍋：東莞友聯(lián)儀器設(shè)備有限公司；RE-5296 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：上海亞榮生化儀器廠；SHZ-ⅢD型循環(huán)水真空泵：上海圣科儀器設(shè)備有限公司；BS-223S 電子天平：德國賽多利斯公司；5810 型臺式高速離心機：德國艾本德股份公司；HunterLab 色差儀：美國亨特立公司；SX-4-10 馬弗爐：北京京創(chuàng)儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 馬鈴薯渣制備

將馬鈴薯清洗去皮后切塊、磨碎。用清水洗滌及兩層紗布過濾，除去其中的淀粉。得到的馬鈴薯渣平鋪在物料架上，放于熱風(fēng)干燥室，60 ℃干燥24 h。干燥后的馬鈴薯渣粉碎過100 目篩，封袋保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 馬鈴薯渣擠壓改性

配制檸檬酸溶液，其中檸檬酸質(zhì)量與馬鈴薯渣質(zhì)量比為20 g/10 g，溶液中水分添加量與馬鈴薯渣質(zhì)量分數(shù)為15%～35%。將檸檬酸溶液與馬鈴薯渣混合均勻后25 ℃下平衡20 min。上料前與馬鈴薯渣質(zhì)量分數(shù)為20%的碳酸氫鈉快速混勻，碳酸氫鈉與檸檬酸之間的質(zhì)量比例為1 ∶1～1.5 ∶1。將已制備的物料混合均勻后，倒入擠壓機物料口，固定進料速率為200 g/min。調(diào)節(jié)擠壓機螺桿轉(zhuǎn)速為130 r/min～210 r/min，前三段螺桶溫度固定為 65 ℃-105 ℃-135 ℃，終桶溫度為 155 ℃～195 ℃。持續(xù)進料1 min 后收集出料，25℃下冷卻10 min后于60 ℃烘箱干燥，待其水分含量在5%（質(zhì)量分數(shù)）左右即可封袋保存。

1.2.3 試驗方案設(shè)計

1.2.3.1 CO2發(fā)生劑添加比例和添加量對馬鈴薯渣SDF 的影響

考察檸檬酸與碳酸氫鈉質(zhì)量比分別為 1 ∶1、1 ∶1.1、1 ∶1.2、1 ∶1.3、1 ∶1.4、1 ∶1.5 時，對馬鈴薯渣 SDF 的影響。其他參數(shù)為：CO2氣體發(fā)生劑添加量為30%（質(zhì)量分數(shù)），物料含水量為30%（質(zhì)量分數(shù)），螺桶溫度為65 ℃-105 ℃-135 ℃-165 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為 170 r/min。考察氣體發(fā)生劑添加量為 0、10、15、20、25、30、35、40/100 g時對馬鈴薯渣SDF 的影響，以普通擠壓為空白對照（CK）。其他參數(shù)為：檸檬酸與碳酸氫鈉質(zhì)量比為1 ∶1，物料含水量為30%（質(zhì)量分數(shù)），螺桶溫度為65 ℃-105 ℃-135 ℃-165 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為 170 r/min。

1.2.3.2 擠壓終桶溫度對對馬鈴薯渣SDF 和理化特性的影響

考察終桶溫度為 155、165、175、185、195 ℃時，對馬鈴薯渣 SDF、持水性（water hold capacity，WHC）、持油性（oil hold capacity，OHC）、膨脹力（swelling capacity，SC）和外觀的影響。其他參數(shù)為：氣體發(fā)生劑添加量為30%（質(zhì)量分數(shù)），檸檬酸與碳酸氫鈉質(zhì)量比為1 ∶1，物料含水量為30%（質(zhì)量分數(shù)），螺桶溫度前三段為65 ℃-105 ℃-135 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為 170 r/min。

1.2.3.3 物料含水量對馬鈴薯渣SDF 和理化特性的影響

考察物料含水量為 15、20、25、30、35/100 g 時，對馬鈴薯渣SDF、WHC、OHC、SC 和外觀的影響。其他參數(shù)為：氣體發(fā)生劑添加量為30%（質(zhì)量分數(shù)），檸檬酸與碳酸氫鈉質(zhì)量比為1 ∶1，螺桶溫度為65 ℃-105 ℃-135 ℃-165 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為 170 r/min。

1.2.3.4 螺桿轉(zhuǎn)速對馬鈴薯渣SDF 和理化特性的影響

考察螺桿轉(zhuǎn)速為 130、150、170、190、210 r/min 時，對馬鈴薯渣SDF、WHC、OHC、SC 和外觀的影響。其他參數(shù)為：氣體發(fā)生劑添加量為30%（質(zhì)量分數(shù)），檸檬酸與碳酸氫鈉質(zhì)量比為1 ∶1，物料含水量30%（質(zhì)量分數(shù)），螺桶溫度為 65 ℃-105 ℃-135 ℃-165 ℃。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 馬鈴薯渣水溶性膳食纖維含量的測定

水溶性膳食纖維含量的測定參考Asp 等[17]的酶重量法。SDF（真實值）=SDF（測定值）/總質(zhì)量-氣體發(fā)生質(zhì)量。

1.3.2 馬鈴薯渣持水力和持油力的測定

參考Robertson 等[18]的方法。取10 mL 離心管稱重，再稱取125 mg 樣品于離心管中，加入7.5 mL 蒸餾水，混合均勻后在室溫（25 ℃）下放置1 h，離心20 min（3 000×g），倒掉上清液后稱質(zhì)量。

式中：m1為樣品吸水后質(zhì)量，g；m 為干樣質(zhì)量，g。

注：CO2輔助擠壓樣品需用透析袋（截留分子質(zhì)量為1 000 D）透析去鹽后干燥研磨再稱量以進行后續(xù)測定。

持油力方法與持水力相同，加入的蒸餾水換為菜籽油。

1.3.3 馬鈴薯渣膨脹力的測定

參考Robertson 等[18]的方法。稱取250 mg 樣品置于10 mL 量筒中，讀取干樣體積。移液管準確移取5.00 mL 蒸餾水（含0.02%疊氮化鈉，1 mg）加入其中。振蕩均勻后25 ℃放置過夜，讀取液體中膳食纖維的體積。

式中：V0為干樣體積，mL；V1為膨脹后體積，mL；m 為干樣質(zhì)量，g。

注：CO2輔助擠壓樣品需用透析袋（截留分子質(zhì)量為1 000 D）透析去鹽后干燥研磨再稱量以進行后續(xù)測定。

1.3.4 馬鈴薯渣顏色特性的測定

參考Altan 等[19]的方法，使用美國HunterLab（亨特立）色差儀，以原料馬鈴薯渣粉為對照，記錄擠壓樣品的亮度值（L）、紅值（a）和黃值（b），色差值 ΔE 的計算公式如下：

式中：ΔE 為色差；L 為亮度；b 為黃度；a 為紅度。L0、b0、a0為對照值，試驗以原料馬鈴薯渣各初始值為標準對照。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 軟件（Version 22.0）。方差分析使用LSD 檢驗，顯著性差異值為p＜0.05。每個樣品重復(fù)測定3 次，結(jié)果表示為平均值±標準偏差。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2發(fā)生劑添加比例對馬鈴薯渣可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）含量的影響

氣體發(fā)生劑比例對馬鈴薯渣可溶性膳食纖維含量的影響見圖1。

圖1 檸檬酸與碳酸氫鈉比例對馬鈴薯渣SDF 含量的影響Fig.1 Effect of the ratio of citric acid and sodium bicarbonate on SDF fraction in potato pulp

如圖1 所示，改變CO2發(fā)生劑檸檬酸與碳酸氫鈉的添加比例，馬鈴薯渣中SDF 含量并未發(fā)生顯著變化，各處理組所得馬鈴薯渣中SDF 含量相差不大。即使是剛好達到檸檬酸與碳酸氫鈉完全反應(yīng)的比例1 ∶1.3，所得馬鈴薯渣中SDF 含量也不是最突出。其原因可能是手動混料不是很徹底，存在一定的局限性，或者檸檬酸與碳酸氫鈉添加比例達到一定點后，過量的添加并不能產(chǎn)生更多的氣體，體系壓力變化不大，導(dǎo)致擠壓所得馬鈴薯渣中SDF 含量差異不大?？紤]到成本和操作的方便性，試驗選取檸檬酸與碳酸氫鈉添加比例1 ∶1 進行后續(xù)試驗。

2.2 CO2發(fā)生劑添加量對馬鈴薯渣的可溶性膳食纖維（SDF）含量的影響

當(dāng)檸檬酸與碳酸氫鈉質(zhì)量比為1 ∶1，物料含水量為 30%（質(zhì)量分數(shù)），螺桶溫度為65 ℃-105 ℃-135 ℃-165 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為170 r/min 時，考察氣體發(fā)生劑的添加量對馬鈴薯渣SDF 含量的影響，結(jié)果見圖2。

由圖可知，CO2輔助擠壓所得馬鈴薯渣SDF 含量顯著高于普通擠壓。隨著氣體發(fā)生劑添加量的增加，馬鈴薯渣SDF 含量逐漸增加，以添加量15%（質(zhì)量分數(shù)）和30%（質(zhì)量分數(shù)）為明顯上升點。添加量在15%～25%（質(zhì)量分數(shù)）時，馬鈴薯渣中SDF 含量變化幅度不大，同樣，添加量在30%～40%（質(zhì)量分數(shù)）時，馬鈴薯渣中SDF 含量變化也不大，但添加量30%（質(zhì)量分數(shù)）效果顯著優(yōu)于15%（質(zhì)量分數(shù)）。綜合以上，氣體發(fā)生劑添加量選擇30%（質(zhì)量分數(shù)）較為合適。

圖2 氣體發(fā)生劑添加量對馬鈴薯渣SDF 含量的影響Fig.2 Effect of addition amount of carbon dioxide producing on SDF fraction in potato pulp

2.3 擠壓溫度對馬鈴薯渣的影響

當(dāng)溫度較高時，纖維高聚物的糖苷鍵發(fā)生斷裂，導(dǎo)致不溶性膳食纖維向可溶性膳食纖維發(fā)生變化[20-21]。馬鈴薯渣SDF 含量及擠壓后馬鈴薯渣的色度、持水力、持油力和膨脹力隨著擠壓溫度的變化情況見表1。

由表1 可知，終桶溫度不同，馬鈴薯渣SDF 含量差異較大，同時，持水力、持油力和膨脹力等物化特性隨溫度的變化也較大。隨著擠壓溫度的升高，馬鈴薯渣SDF 含量逐漸上升，當(dāng)溫度上升到185 ℃時，SDF 含量達到13.83%（質(zhì)量分數(shù)），是普通擠壓的2.19 倍，與普通擠壓相比差異極顯著（P＜0.01）。當(dāng)溫度繼續(xù)升高至195 ℃，馬鈴薯渣中SDF 含量反而有所下降，可能是溫度過高導(dǎo)致SDF 發(fā)生美拉德反應(yīng)或SDF 發(fā)生碳化反應(yīng)[22]，使其含量有所下降。擠壓溫度對馬鈴薯渣的顏色影響也較為顯著，隨著溫度的升高，顏色變化增大，白度降低，紅黃色加深，主要是受美拉德反應(yīng)和碳化反應(yīng)的影響，試驗中，溫度達到195 ℃時，甚至出現(xiàn)了焦糊現(xiàn)象。隨著擠壓溫度的升高，馬鈴薯渣的持水力、持油力和膨脹力均有所增加，物化特性得到改善。綜合以上，升高擠壓溫度有利于提高馬鈴薯渣SDF 含量，但溫度達到185 ℃為峰值，不宜再升高，且溫度過高可能會引起馬鈴薯渣焦糊，不利于馬鈴薯渣物化特性的保持。綜合考慮馬鈴薯渣的SDF 含量、顏色及水合特性，馬鈴薯渣擠壓溫度選185 ℃較合適。

表1 終桶溫度對馬鈴薯渣SDF 含量及物化特性的影響Table 1 Effect of the finale temperature on SDF fraction and physicochemical properties of potato pulp

2.4 物料含水量對馬鈴薯渣的影響

物料含水量對馬鈴薯渣SDF 含量及物化特性的影響見表2。

物料含水量越高越有利于物料在擠壓機桶內(nèi)的運轉(zhuǎn)[23]，但馬鈴薯渣SDF 含量與物料含水量并不是簡單的正相關(guān)關(guān)系。由表2 可知，隨著物料含水量的增加，馬鈴薯渣SDF 含量呈先升高后降低的變化趨勢，當(dāng)物料含水量增加至25%（質(zhì)量分數(shù)）時，馬鈴薯渣SDF 含量達到峰值12.97%（質(zhì)量分數(shù)），繼續(xù)增加含水量，SDF 含量降低。物料含水量的多少會影響擠壓機桶內(nèi)的壓力和剪切力，水分含量過高會縮短物料在機筒內(nèi)相互作用的時間，不利于SDF 含量的提高[18-19]。隨著物料含水量的增加，馬鈴薯渣顏色變化值逐漸降低，物料含水量太低，擠壓過程中馬鈴薯渣色差變化大，在運送過程中速度過慢還可能會出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象，從顏色變化值來看，物料含水量不宜太高。隨著物料含水量的增加，馬鈴薯渣持水力、持油力和膨脹力逐漸增大，說明提高物料含水量有利于改善馬鈴薯渣的水合特性。綜合以上，物料含水量為25%（質(zhì)量分數(shù)）較合適。2.5 螺桿轉(zhuǎn)速對馬鈴薯渣的影響

表2 物料含水量對馬鈴薯渣SDF 含量及物化特性的影響Table 2 Effect of the moisture content on SDF fraction and physicochemical properties of potato pulp

螺桿轉(zhuǎn)速對馬鈴薯渣SDF 含量及物化特性的影響見表3。

表3 螺桿轉(zhuǎn)速對馬鈴薯渣SDF 含量及物化特性的影響Table 3 Effect of the screw speed on SDF fraction and physicochemical properties of potato pulp

由表3 可知，螺桿轉(zhuǎn)速對馬鈴薯渣SDF 含量和物化特性的影響與物料含水量對馬鈴薯渣SDF 含量和物化特性的影響相似。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，馬鈴薯渣SDF 含量呈現(xiàn)先增大后降低的變化趨勢，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為170 r/min 時，SDF 含量最高12.44%（質(zhì)量分數(shù)），隨后略有降低。螺桿轉(zhuǎn)速對SDF 含量的影響主要是由于轉(zhuǎn)速提高，機筒內(nèi)的壓力升高，有利于不溶性物料和纖維大分子降解為水溶性成分[24]，從而使得SDF 含量增加。但螺桿轉(zhuǎn)速過高，物料與物料之間的相互作用反而降低，物料在機筒內(nèi)停留時間變短，不利于不溶性纖維的降解[8]。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增大，顏色變化（ΔE）減小，主要是因為轉(zhuǎn)速越快，物料在機筒內(nèi)停留的時間越短，美拉德反應(yīng)或碳化反應(yīng)不徹底，不至于產(chǎn)生焦糊現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速增加，馬鈴薯渣的持水力、持油力和膨脹力均有所提高，水合特性得以改善。綜合以上，螺桿轉(zhuǎn)速選擇170 r/min。

3 結(jié)論

CO2輔助擠壓技術(shù)作為一種新興的擠壓技術(shù)，在擠壓膨化、粉碎、物料降解等行業(yè)應(yīng)用前景廣闊。試驗以馬鈴薯渣SDF 含量為主要考察指標，對擠壓工藝參數(shù)CO2發(fā)生劑添加比例、添加量及擠壓溫度、物料含水量和螺桿轉(zhuǎn)速進行了優(yōu)化。綜合考慮物料顏色、持水力、持油力和膨脹力的變化，得出最佳工藝條件為：CO2發(fā)生劑檸檬酸與碳酸氫鈉添加比例1 ∶1、添加量30%（質(zhì)量分數(shù)）、擠壓溫度185 ℃、物料含水量25%（質(zhì)量分數(shù)）、螺桿轉(zhuǎn)速170 r/min。在此工藝條件下，擠壓所得馬鈴薯渣SDF 含量較高，色澤較好，且水合特性得到較好地保持，可為馬鈴薯渣膳食纖維的改性提供參考，提高馬鈴薯的綜合利用價值。