挤压膨化改性花生壳可溶性膳食纤维及功能结构特性

王岩，王磊，杜瑞焕，张立田，段晓然，李彤

1.唐山市食品药品综合检验检测中心（唐山 063000）；2.河北省农产品质量安全检测技术创新中心（唐山 063000）；3.唐山市功能性农产品产业技术研究院（唐山 063000）

近年来，膳食纤维在食品营养和临床医学上的重要作用越来越受到关注，被称为人类“第七大营养元素”[1-3]。膳食纤维虽不具营养价值，但其具有的物化特性使之具有独特的生理功能和营养保健作用。按其溶解性的不同大致分为可溶性膳食纤维（SDF）和不溶性膳食纤维（IDF）两类[4-8]。可溶性膳食纤维较不溶性膳食纤维在生理功能方面更能发挥其代谢作用，在促进肠道益生菌的生长，预防糖尿病、肥胖病、冠心病、动脉硬化、高血脂等方面具有特殊的功效[9-15]。

中国是世界花生生产、消费和出口大国，种植面积和年产量均居世界前列。花生产业每年会产生大量的副产品，如花生粕、花生渣、花生壳、花生茎叶等，它们是潜在的膳食纤维资源。如果这部分资源不被充分利用，就会造成严重的资源浪费，也会对环境造成污染。因此，将花生产业的这些副产品加工成天然的膳食纤维，不仅可以提高花生产业的附加值，还会带来巨大社会和经济效益[16]。

挤压膨化技术其原理主要是物料在瞬间由高温、高压突然降到常温、常压，原料内部的水分汽化，气体突然膨胀，发生喷爆，产生爆破效果。挤压膨化预处理能够使物料组织呈海绵状，体积增大，一些结构组织如纤维束等被破坏，内含物暴露，有利于目的物的溶出，改善酶对底物的作用，有助于提高原料酶水解的效果[17-18]。

对改性花生膳食纤维的抗氧化能力、重金属吸附能力和结构特性进行比较分析，提出改性花生膳食纤维作为一种功能食品配料，具有广泛开发应用前景。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

花生壳（唐山润泽粮油食品有限公司）。

亚硝酸钠、Pb(NO3)2，CuSO4，NaAsO2等（均为分析纯，北京化学试剂公司）。

电子分析天平（AR1140，上海奥豪斯国际贸易有限公司）；电子天平（ARC120，上海奥豪斯国际贸易有限公司）；恒温水浴锅（HWS-26，江苏太仓实验设备厂）；水浴恒温振荡器（DSHZ-300，江苏太仓实验设备厂）；电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9140A，上海一恒科技有限公司）；原子荧光光度计（AFS-230E，北京海光公司）；等离子体发射光谱仪（Optima-5300DV，美国PE公司）；扫描电子显微镜（UV-180，日本岛津公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 工艺参数优化

花生壳经过耐高温α-淀粉酶除淀粉和中性蛋白酶除蛋白后，在螺杆转速（160，180，200，220和240 r/min），温度（110，120，130，140和150 ℃），物料水分（10%，15%，20%，25%和30%）条件下经双螺杆挤压机处理，用水浸提，上清液醇沉离心，干燥得到SDF。

1.2.2 抗氧化能力能力评价

1.2.2.1 ·OH清除率的测定

参考Fenton反应体系模型，在反应体系中（水杨酸-乙醇溶液9 mmol/L，Fe2+9 mmol/L，H2O28.8 mmol/L）加入具有清除·OH能力的物质，便会与水杨酸竞争·OH，而使有色物质生成量减少。采用固定反应时间法，在相同体积的反应体系中加入不同浓度的DF，并用蒸馏水作空白对照，在波长510 nm处测量加入不同浓度SDF后的吸光度，代入清除率计算公式可计算不同浓度SDF清除·OH自由基能力。

式中：A1为0.5 mL水杨酸-乙醇+1.0 mL DF+0.5 mL Fe2++5.0 mL H2O2的吸光度；A2为0.5 mL水杨酸-乙醇+1.0 mL DF+0.5 mL蒸馏水+5.0 mL H2O2的吸光度；A3为0.5 mL水杨酸-乙醇+1.0 mL蒸馏水+0.5 mL Fe2++5.0 mL H2O2的吸光度。

1.2.2.2 O2-·清除率的测定

采用邻苯三酚自氧化法生成O2-·，取0.05 mol/L Tris-HCl缓冲液（pH 8.2）4.0 mL，置于25 ℃水浴中预热20 min，分别加入1 mL待测液和1 mL 25 mmol/L邻苯三酚溶液，混匀后于25 ℃水浴中反应5 min，加入8% HCl溶液100 μL终止反应，波长320 nm处测定吸光度（A）。以1 mL蒸馏水代替待测液做空白试验。

式中：A1为4 mL Tris-HCl+1.0 mL DF+2 mL邻苯三酚的吸光度；A2为4 mL Tris-HCl+1.0 mL DF+2 mL蒸馏水的吸光度；A3为4 mL Tris-HCl+1.0 mL蒸馏水+2 mL邻苯三酚的吸光度。

1.2.2.3 DPPH自由基清除率的测定

DPPH自由基在95%乙醇溶液中是一种稳定的自由基，在波长517 nm处有吸收峰，呈紫色。自由基清除剂存在时，DPPH的孤对电子被配对，颜色变浅，在最大吸收波长处吸收度变小，且颜色变化与配对电子数成化学计量关系，因此，可用来评价自由基的清除情况。将4 mL待测液加入2 mL 0.2 mmol/L DPPH自由基溶液，于25 ℃水浴中反应20 min后于517 nm处测定吸光度（Ai）。以蒸馏水代替待测液作空白试验。

式中：A1为4 mL DF+2.0 mL DPPH自由基的吸光度；A2为4 mL DF+2.0 mL 95%乙醇的吸光度；A3为4 mL蒸馏水+2.0 mL DPPH自由基的吸光度。

1.2.3 重金属吸附能力评价

测定最大束缚浓度（CBmax）时，250 mL三角瓶中分别加入10 mmol/L的重金属溶液（Pb(NO3)2，CuSO4，NaAsO2）和1.0 g膳食纤维样品，为体外模拟胃和肠道的环境，pH分别调至2.0和7.0，于37 ℃，120 r/min振荡3 h，在吸附结束后，为沉淀SDF，向2 mL样品收集液中加入8 mL无水乙醇，以4 000 r/min离心10 min，上清液采用原子吸收法测定残留重金属离子浓度。

测定最小束缚浓度（CBmin）时，250 mL三角瓶中分别加入500 μmol/L的重金属溶液（Pb(NO3)2，CuSO4，NaAsO2）和2.5 g膳食纤维样品，其他条件与测定CBmax相同。

1.2.4 可溶性膳食纤维电镜观察

将挤压膨化改性得到的SDF粉碎后，过0.5 mm筛网，采用离子溅射方法镀金，通过扫描电子显微镜对制备好的样品进行分析、观察，得到相应的扫描电镜照片。

1.3 数据处理

数据分析采用Design-Expert 7.0进行试验设计和数据处理。

2 结果与分析

2.1 挤压膨化改性花生壳SDF工艺条件

挤压膨化技术集输送、混合、加热和加压等多种单元操作于一体，物料在挤压机筒内受到高温、高剪切作用，在短时间内实现部分大分子聚合物直接或间接转化为可溶性纤维。如图1所示，SDF提取率随螺杆转速和挤压温度增加呈先升高后下降趋势；随物料含水量增加呈先升高后平缓趋势。螺杆转速200 r/min、温度130 ℃和物料含水量20%时，SDF提取率最高（22.3%）。

图1 挤压膨化对花生壳SDF提取率的影响

2.2 可溶性膳食纤维抗氧化能力分析

现代医学证明，脂质氧化所产生的自由基在癌症肿瘤形成的起始和促成阶段都起重要作用。机体在代谢过程中产生的自由基有超氧阴离子自由基、羟自由基、氢过氧自由基。其中，羟自由基是最危险的自由基，而膳食纤维中的多酚、多糖类物质具有清除超氧阴离子自由基和羟自由基的能力被证实，在治疗心血管病和老年性痴呆症方面独具疗效。

如图2可知，在质量浓度2.0～12.0 mg/mL内，·OH清除率与SDF浓度呈线性关系，control-SDF和EE-SDF线性方程分别为y=10.029x+8.266 7（R2=0.999 6）和y=12.689x+7.84（R2=0.999 1），根据线性方程得IC50（清除50%自由基时SDF的质量浓度）分别为4.16和3.32 mg/mL。

如图3可知，在质量浓度2.0～12.0 mg/mL内，O2-·清除率与SDF浓度呈线性关系，control-SDF和EE-SDF线性方程分别为y=10.206x+8.28（R2=0.999 1）和y=12.729x+9.433 3（R2=0.999 7），根据线性方程得IC50（清除50%自由基时DF的质量浓度）分别为4.09和3.19 mg/mL。

如图4可知，在质量浓度2.0～12.0 mg/mL，DPPH清除率与SDF浓度呈线性关系，control-SDF和EE-SDF线性方程分别为y=5.048 6x+10.113（R2=0.999 3）和y=13.037x+9.686 7（R2=0.999 2），根据线性方程得IC50（清除50%自由基时DF的质量浓度）分别为7.90和3.09 mg/mL。

图2 control-SDF和EE-SDF对·OH清除能力

图3 control-SDF和EE-SDF对O2-·清除能力

图4 control-SDF和EE-SDF对DPPH清除能力

2.3 可溶性膳食纤维重金属吸附能力分析

铅、砷和铜是一类危害人体健康的化学物质，由于环境的污染，很多食物中都能检测到这些重金属元素，它们不易排出，都有在生物体内富集的潜在危机，其量达到一定程度可导致中毒及癌症。膳食纤维对重金属离子的束缚主要依靠化学吸附，同时也存在物理吸附。化学吸附主要依靠纤维中来自糖醛酸的羧基和木质素的酚酸等基团与重金属离子结合，因此受pH的影响较大，pH升高，这些基团解离增多，可以和带正电的重金属阳离子以离子键结合；反之，羧基解离减少，可能降低了吸附效果，即酸性环境不利于膳食纤维对重金属离子的吸附；物理吸附则是范德华力作用的结果，受温度影响，反应速率一般很快[19]。

挤压膨化处理对花生壳SDF重金属最大束缚能力和最小束缚浓度的影响如表1所示。由表1可知，对同一种重金属离子的吸附过程中，pH 7.0条件下比pH 2.0条件下吸附效果好，说明小肠环境更适合膳食纤维对重金属离子的吸附。Cara等[20]研究发现，大多数膳食纤维在pH 6.8时对重金属的束缚能力最强，pH 0.65时则会进行解吸释放。

试验在体外模拟肠道环境（pH 7.0）条件下，control-SDF对Pb、As和Cu都有较强的吸附作用，CBmax分别为（239.5±2.5），（198.5±2.9）和（100.4± 3.1）μmol/g，CBmin分别为（90.5±1.6），（126.4± 4.1）和（155.3±4.2）μmol/L，其中对Pb的吸附作用最强，对As的吸附作用次之，对Cu的吸附作用较弱。SDF经过挤压膨化改性后，吸附重金属离子作用都有所增强，CBmax分别为（378.5±5.3），（278.3±3.2）和（167.2±2.5）μmol/g，CBmin分别为（30.4±1.3），（63.4±3.7）和（71.3±4.2）μmol/L；在胃环境（pH 2.0）条件下，SDF对Cu的吸附作用较弱，但对Pb和As的吸附作用却显著高于对Cu的吸附作用。在pH 2.0条件下，挤压膨化会增强对重金属的吸附。花生壳SDF经挤压膨化处理后，可能会导致样品颗粒高度破碎，比表面积增加，组织松散，使SDF与重金属离子接触的更充分，从而增强对重金属离子的吸附作用[21]。

表1 挤压膨化对花生壳SDF重金属最大束缚能力和最小束缚浓度的影响

2.4 可溶性膳食纤维电镜观察

扫描电子显微镜（SEM）是近30年迅速发展起来的一种新型电子光学仪器，其特点是图像富有立体感和真实感，能观察到颗粒的形状及大小，对样品的适应性强，非常适合用于对膳食纤维颗粒的直观研究，可拍摄到其有代表性的颗粒形貌的照片。

图5为2种膳食纤维的扫描电镜结果，扫描倍数3 000倍。2种膳食纤维的颗粒微小，表面略有褶皱，结构疏松，带有明显片状结构，但挤压膨化改性后的花生壳SDF颗粒更细，且表面具有明显的蜂窝状结构，分布均匀。其原因可能是花生壳SDF经过改性后，大分子物质发生降解，分子链被切断，分子量相对较低，使得聚合度下降，颗粒变小，微观结构和分子大小发生了变化，而SDF的微观结构与其功能特性密切相关，因此，推测其应该具有良好的胆固醇、胆酸钠、亚硝酸盐吸附能力[22]。

图5 花生壳可溶性膳食纤维的扫描电镜图

3 结论

挤压膨化改性花生壳SDF最佳工艺条件为螺杆转速200 r/min、挤压温度130 ℃、物料含水量20%。在此条件下，SDF提取率达到22.3%。

control-SDF和EE-SDF对·OH、O2-·和DPPH的清除能力IC50分别为4.16，4.09，7.90 mg/mL和3.32，3.19，3.09 mg/mL。挤压膨化处理提高膳食纤维的抗氧化活性。

结果表明，对同一种重金属离子的吸附过程中，pH 7.0条件下比pH 2.0条件下吸附效果更好。在肠道环境下control-SDF和EE-SDF对3种重金属离子（Pb、As和Cu）吸附作用，CBmax分别为（239.5±2.5），（198.5±2.9），（100.4±3.1）μmol/g和（378.5± 5.3），（278.3±3.2），（167.2±2.5）μmol/g，CBmin分别为（90.5±1.6），（126.4±4.1），（155.3±4.2）μmol/L和（30.4±1.3），（63.4±3.7），（1.3±4.2）μmol/L。经挤压膨化改性后，在pH 7.0和pH 2.0条件下，EE-SDF对重金属离子的吸附能力均有所提高。

通过扫描电镜观察，control-SDF和EE-SDF的颗粒微小，表面略有褶皱，结构疏松，带有明显的片状结构，具有吸附其他物质的孔隙，但挤压膨化改性后的花生壳SDF颗粒更致密，空隙更小，且表面具有明显的蜂窝状结构，分布均匀。