超聲波處理對水不溶性膳食纖維膨脹力及持水力的影響

高宇萍，韓育梅，李周永，劉海金，賈 迪

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018；2.包頭輕工職業(yè)技術學院生物工程系，內(nèi)蒙古包頭014035）

超聲波處理對水不溶性膳食纖維膨脹力及持水力的影響

高宇萍1，2，韓育梅1，*，李周永1，劉海金1，賈 迪1

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018；2.包頭輕工職業(yè)技術學院生物工程系，內(nèi)蒙古包頭014035）

采用超聲波法對馬鈴薯渣中的水不溶性膳食纖維（PIDF）進行處理，研究超聲功率、超聲時間、超聲溫度及料液比對水不溶性膳食纖維基本性質(zhì)的影響。通過單因素和正交實驗，確定最佳處理條件：膨脹力的最佳工藝條件為料液比1∶10，超聲時間50min，超聲溫度70℃，超聲功率70W，膨脹力為20.50mL/g；持水力的最佳工藝條件為料液比1∶15，超聲時間40min，超聲溫度80℃，超聲功率70W，持水力為14.81g/g。

超聲波，水不溶性膳食纖維，膨脹力，持水力

Abstract：The ultrasonic technology was used in insoluble dietary fiber（PIDF） of the potato residue.The effect of PIDF and ultrasonic power，time，temperature and solid-liquid ratio was investigated with single and orthogonal test.The optimum conditions of expansibility were solid-liquid ratio of 1∶10，ultrasonic time of 50min，ultrasonic temperature 70℃，ultrasonic power 70W.Under these conditions，the expansibility was 20.50mL/g.The optimum conditions of water-holding capacity were solid-liquid ratio of 1∶15，ultrasonic time of 40min，ultrasonic temperature 80℃，ultrasonic power 70W.Under these conditions，the water-holding capacity was 14.81g/g.

Key words：ultrasonic wave；water-insoluble dietary fiber；expansive force；water-holding capacity

有關研究證明，膳食纖維降解程度和生理功能與膳食纖維的持水力，膨脹力等性質(zhì)有直接關系[1-2]。水不溶性膳食纖維的持水力、膨脹力除與原料的結(jié)構有直接關系，還與物料的顆粒粒度、顆粒形狀等因素有關。所以，通過改變上述物化結(jié)構，可以在一定程度上影響水不溶性膳食纖維的持水力、膨脹力[1-2]。改性的方法目前常用的有超微粉碎法、高壓爆破法、纖維素降解法等，而超聲波作為一種新技術已經(jīng)開始應用在物質(zhì)改性方面。本實驗主要研究超聲波處理條件對馬鈴薯渣中水不溶性膳食纖維基本性質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯渣 內(nèi)蒙古呼和浩特市華歐淀粉廠；丙酮 分析純；中溫α-淀粉酶、木瓜蛋白酶 生物試劑，北京奧博星生物技術有限責任公司。

FA2104SN分析天平 上海精密科學儀器有限公司；HH-S數(shù)顯恒溫水浴鍋 鞏義市予化儀器有限責任公司；KQ-300DE型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲波儀器有限公司；KDC-1042低速離心機 科大創(chuàng)新股份有限公司中佳分公司；FW100萬能破碎機天津市泰斯特儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 不溶性膳食纖維的制備[3]馬鈴薯渣→調(diào)料液比→調(diào)pH→α-淀粉酶→水解→滅酶→木瓜蛋白酶→水解→滅酶→離心后取濾渣→丙酮浸泡→離心后取濾渣→晾干→粉碎（水不溶性膳食纖維，PIDF）

1.2.2 超聲波處理水不溶性膳食纖維的單因素實驗稱取水不溶性膳食纖維（1.2.1制備），調(diào)料液比，然后放入超聲波清洗器中，在一定溫度和超聲功率的條件下處理一段時間，取出后離心、烘干、粉碎，測其膨脹力和持水力。

1.2.2.1 功率對水不溶性膳食纖維基本性質(zhì)的影響在溫度60℃、料液比1∶10、時間20min的條件下，選擇60、70、80、90、100W五個條件進行實驗，測其膨脹力和持水力。

1.2.2.2 料液比對水不溶性膳食纖維基本性質(zhì)的影響 在溫度40℃、時間20min、超聲功率100W的條件下，選擇料液比1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50五個條件進行實驗，測其膨脹力和持水力。

1.2.2.3 時間對水不溶性膳食纖維基本性質(zhì)的影響 在溫度40℃、料液比1∶30、超聲功率100W的條件下，選擇20、30、40、50、60min五個條件進行實驗，測其膨脹力和持水力。

1.2.2.4 溫度對水不溶性膳食纖維基本性質(zhì)的影響 在超聲功率100W、時間20min、料液比1∶10的條件下，選擇40、50、60、70、80℃五個條件進行實驗，測其膨脹力和持水力。

1.2.3 超聲波處理水不溶性膳食纖維的正交實驗

根據(jù)上述單因素實驗選擇適當條件設計一個4因素3水平正交實驗。

表1 正交實驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.4 驗證實驗 為進一步確定最佳條件，根據(jù)正交實驗結(jié)果對水不溶性膳食纖維進行超聲波處理，測其膨脹力和持水力。

1.2.5 測定指標與方法

1.2.5.1 膨脹力的測定[4]稱取樣品0.100g，放入10mL量筒中，添加水至10mL，搖勻，放置24h后測定纖維的自由膨脹體積。

膨脹力（mL/mg）=V/M

式中：M—所稱取樣品的質(zhì)量（g）；V—樣品膨脹后體積（mL）。

1.2.5.2 持水力的測定[4]稱取0.100g樣品，放入10mL離心管中，搖勻，靜置24h，在4000r/min，離心20min，去除上清液，稱沉淀質(zhì)量G。

持水力（g/g）=（G-m）/m

式中：m—所稱取樣品質(zhì)量（g）；G—離心后沉淀質(zhì)量（g）。

1.2.5.3 數(shù)據(jù)處理方法 每個指標平行測定3次，取其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果[5-8]

2.1.1 超聲功率對水不溶性膳食纖維基本性質(zhì)的影響 由圖1可知，持水力在60～80W，膨脹力在60～90W時，隨著超聲功率的增加而降低，這主要由于超聲波的“空化”效應可形成超過1000個氣壓的瞬間高壓，連續(xù)不斷產(chǎn)生的高壓不斷地沖擊物體，使物體破碎成小顆粒，粒度小可以使水分更易進入，持水力和膨脹力會升高；超聲波功率在90～100W，持水力和膨脹力又隨著超聲功率的升高而升高，這可能是由于超聲功率的升高使物質(zhì)粒度更小，破壞了膳食纖維的網(wǎng)狀結(jié)構，持水力和膨脹力因而升高。

圖1 超聲功率對水不溶性膳食纖維性質(zhì)的影響Fig.1 Effect of ultrasonic power and insoluble dietary fiber

2.1.2 料液比對水不溶性膳食纖維基本性質(zhì)的影響 由圖2可知，持水力隨著料液比的增加而略有增大，膳食纖維經(jīng)超聲波處理后顆粒會變小，顆粒的表面積就會變大，與水接觸能力增強，水分更易與顆粒接觸，同時，料液比越大，顆粒間的間隙越大，小顆粒物質(zhì)與水接觸的越多，持水性就越好。膨脹力隨著料液比的增加而降低，可能由于料液比的增大會增加超聲波處理強度，所以使顆粒網(wǎng)狀結(jié)構破壞的力度增加，從而降低其膨脹力。

圖2 料液比對水不溶性膳食纖維性質(zhì)的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio and insoluble dietary fiber

2.1.3 超聲時間對水不溶性膳食纖維基本性質(zhì)的影響 顆粒在超聲波下作用的時間越長，顆粒破碎的力度越大，顆粒就會變得越小。膨脹力會隨著顆粒的減小而增加，但粒度太小會破壞網(wǎng)狀結(jié)構而使膨脹力減弱，所以在20～30min時，隨著顆粒的減小膨脹力增大，而從30～60min，由于顆粒破壞度太大而使膨脹力減弱。持水力因超聲波時間的延長，顆粒粒度變小，親水基團暴露增加而變大。

圖3 超聲時間對水不溶性膳食纖維性質(zhì)的影響Fig.3 Effect of ultrasonic time and insoluble dietary fiber

2.1.4 超聲溫度對水不溶性膳食纖維基本性質(zhì)的影響 溫度越高，物質(zhì)運動越激烈，顆粒在高溫下經(jīng)劇烈的碰撞而變小，顆粒表面積增大，顆粒親水基團增多，顆粒的持水力、膨脹力也隨之增大。在70～80℃，膨脹力有所降低，可能是因為溫度的升高破壞了顆粒的網(wǎng)狀結(jié)構，導致膨脹力下降。

圖4 超聲溫度對水不溶性膳食纖維性質(zhì)的影響Fig.4 Effect of ultrasonic temperature and insoluble dietary fiber

2.2 正交實驗結(jié)果

表2 正交實驗結(jié)果表Table 2 The results of orthogonal test

由表2可知，用超聲波法處理馬鈴薯渣中水不溶性膳食纖維，膨脹力的最佳條件是A1B3C2D3，即料液比1∶10，超聲時間50min，超聲溫度70℃，超聲功率70W。由極差R可以得出影響水不溶性膳食纖維膨脹力的因素依次是超聲溫度＞超聲功率＞料液比＞超聲時間，即超聲溫度對膨脹力的影響最大。

由表2還能夠看出，用超聲波法處理馬鈴薯渣中水不溶性膳食纖維，持水力的最佳條件是A2B2C3D3，即料液比1∶15，超聲時間40min，超聲溫度80℃，超聲功率70W。由極差R可以得出影響水不溶性膳食纖維持水力的因素依次是超聲功率＞超聲時間＞料液比＞超聲溫度，即超聲功率對持水力的影響最大。

2.3 驗證實驗結(jié)果

根據(jù)表2選擇的最佳膨脹力工藝條件測得的膨脹力為20.50mL/g，持水力為14.53g/g；選擇的最佳持水力工藝條件測得的膨脹力為19.00mL/g，持水力為14.81g/g。由此可以看出，兩種條件下的膨脹力和持水力值都較高，但是因為兩者的影響因素不同，很難同時達到最大值。

3 結(jié)論

本實驗選擇持水力和膨脹力為指標，研究超聲波處理對馬鈴薯渣中水不溶性膳食纖維基本性質(zhì)的影響。影響膨脹力的主要因素是超聲溫度，最佳工藝條件為料液比1∶10，超聲時間50min，超聲溫度70℃，超聲功率70W，膨脹力為20.50mL/g；影響持水力的主要因素是超聲功率，最佳工藝條件為料液比1∶15，超聲時間40min，超聲溫度80℃，超聲功率70W，持水力為14.81g/g。由此也可以看出影響膨脹力和持水力的條件不一樣，所以生產(chǎn)中可以根據(jù)具體的要求選擇適當?shù)臈l件。

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Effect of ultrasonic treatment on expansive force and water-holding capacity of insoluble dietary fiber

GAO Yu-ping1，2，HAN Yu-mei1，*，LI Zhou-yong1，LIU Hai-jin1，JIA Di1
（1.College of Food Science and Technology，Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot 010018，China；2.Biology Department，Baotou Industry Technical College，Baotou 014035，China）

TS201.2+3

B

1002-0306（2012）16-0299-03

2012－01－09 *通訊聯(lián)系人

高宇萍（1977-），女，碩士，講師，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏。