蘋果皮渣膳食纖維蒸汽爆破改性工藝優(yōu)化研究

張明，馬超，和法濤，范祺，張博華，張鑫，王崇隊，孟曉峰，吳茂玉

（中華全國供銷合作總社濟南果品研究所，山東濟南 250014）

蘋果皮渣是蘋果汁加工過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，主要包含果皮、殘余果肉、果籽和果梗等，一般果皮和果肉占96.2%，果籽占3.1%，果梗占0.7%。蘋果皮渣富含果膠、膳食纖維、多酚、維生素等多種營養(yǎng)成分，特別是膳食纖維含量豐富，具有較高的開發(fā)利用價值[1-2]。但由于缺乏有效的加工利用手段，這些副產(chǎn)物資源除部分作為飼料外，其他均未得到有效利用，而被直接丟棄[3-4]。

蘋果皮渣中膳食纖維主要以不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）為主，可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）含量較少，難以作為高品質(zhì)膳食纖維加以利用。因此，需要進(jìn)行改性處理，以提高其可溶性膳食纖維含量，改善其品質(zhì)，提高附加值。目前膳食纖維改性方法按作用方式主要分為物理方法、化學(xué)方法和生物技術(shù)方法等?；瘜W(xué)方法對膳食纖維的結(jié)構(gòu)和功能特性破壞較嚴(yán)重，同時存在化學(xué)試劑難脫除等問題；生物技術(shù)方法具有處理條件較為溫和、膳食纖維損失較少等特點，但生產(chǎn)效率較低、成本較高。常用的物理改性方法主要包括超微粉碎技術(shù)、擠壓技術(shù)、超高壓技術(shù)等，具有改性效果好、生產(chǎn)效率高、無化學(xué)試劑殘留等特點，目前被廣泛應(yīng)用于膳食纖維物質(zhì)的改性處理[5-8]。

蒸汽爆破技術(shù)是一種物理化學(xué)相結(jié)合的纖維改性處理方法，向密封腔體中通入飽和水蒸氣（一般溫度180～235 ℃、壓力0～2.4 MPa），經(jīng)一定時間處理后突然釋壓噴放，在機械力的作用下，破壞物料膳食纖維結(jié)構(gòu)。該方法具有處理體量大、處理時間短、無化學(xué)殘留、能耗低等優(yōu)點，是一種較為理想的膳食纖維改性技術(shù)[9-11]。目前蒸汽爆破技術(shù)在豆類、谷物副產(chǎn)物改性方面已有部分應(yīng)用[12-14]，但尚未見在蘋果皮渣膳食纖維改性方面的相關(guān)報道。本研究以蘋果榨汁后產(chǎn)生的皮渣為原料，采用蒸汽爆破技術(shù)對其膳食纖維進(jìn)行改性處理，并通過單因素和正交試驗對蒸汽爆破技術(shù)的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，以期為蘋果皮渣的綜合利用提供一定的理論和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

干蘋果皮渣：由煙臺安德利果汁有限公司提供。

高溫α-淀粉酶（活力40 000 U/g）、中性蛋白酶（活力50 000 U/g）、淀粉葡萄糖苷酶（100 000 U/g），均購于北京索萊寶科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

蒸汽爆破試驗機，KQ-80，鶴壁正道啟寶生物科技有限公司；熱風(fēng)循環(huán)烘箱，RXH-B-1，江陰市宏達(dá)粉體設(shè)備有限公司；標(biāo)準(zhǔn)檢驗篩，60目，浙江上虞市金鼎標(biāo)準(zhǔn)篩具廠；高速臺式離心機TGL-10B，上海安亭科學(xué)儀器廠；高速粉碎機，RH-600A，永康市榮浩工貿(mào)有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 蘋果皮渣膳食纖維改性單因素試驗

（1）復(fù)水率對蘋果皮渣膳食纖維改性的影響

取相同質(zhì)量的蘋果皮渣，分別按照不同復(fù)水率（10%、30%、50%、70%、90%）進(jìn)行復(fù)水，密封冷藏過夜平衡水分。之后進(jìn)行蒸汽爆破處理，蒸汽爆破壓強1.2 MPa，保壓時間為90 s。以SDF 含量為評價指標(biāo)，以未經(jīng)蒸汽爆破處理的樣品作為對照。

（2）蒸汽爆破壓強對蘋果皮渣膳食纖維改性的影響

取2 kg 干蘋果渣，復(fù)水至物料含水率為30%，密封冷藏過夜平衡水分后備用。蒸汽爆破壓強設(shè)置為0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 MPa，其他步驟同（1），考察蒸汽爆破壓強對蘋果皮渣膳食纖維改性的影響。

（3）保壓時間對蘋果皮渣膳食纖維改性的影響

蒸汽保壓時間設(shè)置為30、60、90、120、150、180 s，其他步驟同（1），考察保壓時間對蘋果皮渣膳食纖維改性的影響。

1.3.2 正交試驗

選用保壓時間、蒸汽爆破壓強、復(fù)水率三個因素進(jìn)行正交試驗，從而確定最佳工藝條件。正交試驗因素與水平如表1 所示。

表1 正交試驗因素與水平Table 1 Factors and level of orthogonal experimen

1.4 測定指標(biāo)與方法

SDF 含量參照GB 5009.88—2014《食品中膳食纖維的測定》所述方法進(jìn)行測定[15]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microcal Origin 8.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 20.0 進(jìn)行ANOVA 單因素方差分析和Ducan’s 多重檢驗（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 復(fù)水率對蘋果皮渣SDF 含量的影響

由圖1 可知，在不同復(fù)水率條件下，與對照相比，蒸汽爆破改性處理均能不同程度地提高SDF 含量。在一定范圍內(nèi)，隨著復(fù)水率的增加，SDF 含量呈先增加后減少的趨勢，當(dāng)復(fù)水率為30%時，SDF 含量最高，為21.93%?？赡苁怯捎谶m宜的復(fù)水率更有利于蒸汽的滲透及傳熱，能夠保證物料在瞬間釋壓時所需的強大噴放動力。當(dāng)復(fù)水率過高時，蒸汽不易滲透到物料內(nèi)部，同時物料內(nèi)部水分達(dá)不到汽化溫度，導(dǎo)致SDF 含量減少[16-17]。因此，初步確定最適復(fù)水率為30%。

圖1 復(fù)水率對蘋果皮渣SDF 含量的影響Fig.1 Effect of rehydration rate on the SDF content of apple pomace

2.1.2 蒸汽爆破壓強對蘋果皮渣SDF 含量的影響

由圖2 可知，在不同蒸汽爆破壓強下，與對照相比，蒸汽爆破改性處理均能不同程度地提高SDF 含量。在一定范圍內(nèi)，隨著蒸汽爆破壓強的增大，SDF 含量呈先增加后減少的趨勢，當(dāng)爆破壓強為1.2 MPa時，SDF 含量最大，為22.12%?？赡苁且驗樵诟邷馗邏簵l件下，隨著蒸汽爆破壓強的增大，IDF 大分子結(jié)構(gòu)被降解為小分子物質(zhì)，部分糖類溶出并重新聚合為半乳糖醛酸等組分，使得SDF 含量增加；而當(dāng)蒸汽爆破壓強過高時，可能會使可溶性糖類發(fā)生部分降解，使得SDF 含量減少。當(dāng)爆破壓強為1.2 MPa 及以上時，物料發(fā)生明顯的焦化現(xiàn)象，影響產(chǎn)品商品價值[18-19]。因此，蒸汽爆破壓強選擇0.9 MPa 為宜。

圖2 蒸汽爆破壓強對蘋果皮渣SDF 含量的影響Fig.2 Effect of steam explosion pressure on SDF content of apple pomace

2.1.3 保壓時間對蘋果皮渣SDF 含量的影響

由圖3 可知，在不同保壓時間下，與對照相比，蒸汽爆破改性處理均能不同程度地提高SDF 含量。在一定范圍內(nèi)，隨著保壓時間的延長，SDF 含量呈先增加后緩慢減少的趨勢，當(dāng)保壓時間為90 s時，SDF 含量最高，為21.85%?？赡苁且驗殡S著保壓時間延長，蒸汽與物料能更好地接觸和作用，但當(dāng)保壓時間過高時，物料發(fā)生焦糖化等反應(yīng)，導(dǎo)致部分可溶性成分被降解，從而使SDF 含量降低[20]。因此，初步確定最適保壓時間為90 s。

圖3 蒸汽保壓時間對蘋果皮渣SDF 含量的影響Fig.3 Effect of steam pressure holding time on SDF content of apple pomace

2.2 正交試驗

由表2（見下頁）可知，各因素對SDF 含量的影響由大到小依次為C、A、B，即復(fù)水率、蒸汽爆破壓強、蒸汽保壓時間。最佳工藝參數(shù)組合為A2B3C3，即蒸汽爆破壓強0.9 MPa，蒸汽保壓時間100 s，復(fù)水率40%。經(jīng)進(jìn)一步試驗驗證，在此條件下，蘋果皮渣膳食纖維SDF 含量可達(dá)22.56%，均高于其他試驗組，較改性前提高了141%。

表2 正交試驗結(jié)果與分析Table 2 Results and analysis of orthogonal experimental

3 結(jié)論

本研究針對蘋果皮渣SDF 含量低、品質(zhì)差等問題，采用蒸汽爆破技術(shù)對蘋果皮渣膳食纖維進(jìn)行改性，并通過單因素和正交試驗對改性條件進(jìn)行了優(yōu)化。各因素對蘋果皮渣膳食纖維的SDF 含量的影響由大到小依次為復(fù)水率、蒸汽爆破壓強、蒸汽保壓時間。蒸汽爆破改性最佳工藝參數(shù)為蒸汽爆破壓強0.9 MPa，蒸汽保壓時間100 s，復(fù)水率40%，在此條件下，SDF 含量為22.56%，較改性前提高了141%?？梢?，改性處理提高了蘋果皮渣膳食纖維的品質(zhì)和附加值，也為蘋果皮渣的綜合利用提供了借鑒和指導(dǎo)。