张清安 1，范学辉 1′2，牟朝丽 3，宋 云 1，唐荣桢 1
（1.陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西 西安 710062；2.陕西师范大学生命科学学院，陕西 西安 710062；3.陕西师范大学化学与化工学院，陕西 西安 710062）
摘 要：研究超临界CO 2处理对苦杏仁皮不溶性膳食纤维部分特性的影响，以不溶性膳食纤维的持水力和膨胀力为响应值，超临界CO 2处理的压力、时间和温度为变量，采用响应面优化法对超临界处理参数进行了优化。结果表明：在本研究实验条件下，经超临界CO 2处理后不溶性膳食纤维的持水力和膨胀力分别有5.6%～44.13%和5.3%～38.5%的提高幅度；而且颜色变浅、颗粒更细，内部螺旋结构遭到一定程度破坏。表明超临界CO 2处理可以作为对不溶性膳食纤维进行适当改性的有效方法。
关键词：苦杏仁皮；膳食纤维；超临界CO 2；持水力；膨胀力
膳食纤维被称为人类第七大营养素，对促进人体健康起着重要作用，是一类比较理想的功能性食品原料 [1-2]。膳食纤维按溶解性可分为水不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）和水溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）两大类；前者主要作用于肠道产生机械蠕动作用，而后者则更多发挥代谢功能且在持水力、膨胀力、持油力等特性方面均优于前者，具有理想的食品加工特性 [3-4]。因此，SDF含量成了影响膳食纤维生理功能的一个重要因素。
鉴于天然膳食纤维中SDF含量较低，近年来有很多学者一直致力于膳食纤维改性研究，目的是使IDF中致密的空间网状结构变为疏松的空间网状结构，从而增加其持水力、膨胀力等并提高其生物活性 [5-7]。目前已报道的膳食纤维改性方法主要有挤压蒸煮处理 [8-13]、超微粉碎处理 [14]、高压处理 [15-17]和超临界二氧化碳处理 [12′18]等物理方法以及酸碱化学处理法 [19-20]、微生物发酵法 [21-22]和酶法 [23-25]或者几种方法相结合处理法 [26]。以上处理膳食纤维改性的方法各有利弊，相比较而言超临界CO 2处理不但可以明显增加膨胀力、持水力，不引起膳食纤维过度降解或破坏，并且省时、绿色环保，因此引起了科研人员的关注 [18]。
苦杏仁皮为杏仁加工过程的副产物，含量占杏仁总量的2%～5%左右，目前主要作为辅料添加在饲料中，不仅价格低（1 元/kg左右），而且很难找到买家，所以杏仁加工厂往往将杏仁皮随意处置，既污染环境又浪费资源；苦杏仁皮除含有少量黄酮类、苦杏仁苷、多糖等成分外，还含有丰富的纤维素、半纤维素、木质素等膳食纤维，因此对其开发利用具有重要的实际应用价值。
本实验以苦杏仁皮中IDF为研究对象，采用超临界CO 2对其进行改性处理，通过比较处理前后IDF膨胀力、持水力和微观结构等的变化，研究超临界CO 2处理对苦杏仁皮IDF特性的影响，为提高杏仁资源的综合利用程度及价值提供有益参数。
1.1 材料与试剂
苦杏仁皮由陕西天寿杏仁食品有限责任公司提供。
氢氧化钠、盐酸、双氧水（均为分析纯） 天津市科密欧化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
JA2003N电子天平 上海精密科学仪器有限公司；101型电热鼓风干燥箱、FW400A高速万能粉碎机 北京科伟永兴仪器有限公司；KQ3200B超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司；SFE-2超临界CO 2萃取装置 美国应用分离公司；Quanta200环境扫描电镜 荷兰Philips-FEI公司。
1.3 方法
1.3.1 苦杏仁皮IDF的制备
取60 目的苦杏仁皮粉25 g于烧杯中，加入浓度为0.20 mol/L NaOH溶液500 mL，在50 ℃条件下，超声处理60 min后过滤并向滤渣中加入100 mL蒸馏水，用盐酸调节悬浮液至中性后，加入双氧水75 mL，在75 ℃条件下脱色1 h；悬浮液经过滤得滤饼，滤饼再经洗涤、干燥即得苦杏仁皮IDF。
1.3.2 超临界CO 2处理对苦杏仁皮IDF理化性质的影响
1.3.2.1 超临界CO 2处理参数的设计及优化
经过前期单因素试验，研究者发现超临界压力、时间和温度对苦杏仁皮IDF的性质有较大影响，因此确定用以上3 个参数为因素，分别以30、40、50 MPa，50、70、90 min和30、40、50 ℃为其对应的3 个水平，并以持水力和膨胀力为响应值，选用响应面法中Box-Behnken设计优化超临界处理工艺参数。
1.3.2.2 超临界CO 2处理对苦杏仁皮IDF持水力和膨胀力的影响
苦杏仁皮IDF持水力和膨胀力的测定参考文献[15′18]中所述相关方法。
1.3.2.3 超临界CO 2处理对苦杏仁皮IDF颜色及形貌特征的影响
用数码相机对苦杏仁皮IDF进行拍照，以观察不同超临界CO 2处理方式对其颜色的影响。为研究超临界CO 2作用对苦杏仁皮IDF微观结构的影响，采用环境扫描电镜对其进行了形貌观察。取适量膳食纤维样品，将其平铺在已经贴好静电纸的座台上，保证每座台上平铺较薄一层样品，后用环境扫描电镜在15 Pa低真空模式和20 kV操作电压条件下扫描观察。
2.1 Box-Behnken试验设计结果分析
为优化超临界CO 2对苦杏仁皮IDF处理工艺参数，以持水力和膨胀力为响应值，以超临界CO 2处理压力、时间和温度3 个参数为变量，其响应面设计与结果如表1所示。
表1 响应面分析方案设计及结果
Table1 Response surface analysis design and results
试验号X 1压力/MPaX 2时间/minX 3温度/℃持水力/（g/g）膨胀力/（mL/g）1—1（30）—1（50）0（40）5.304.00 21（50）—106.454.07 3—11（90）06.103.83 41106.974.17 5—10（70）—1（30）5.223.17 610—16.563.83 7—101（50）5.473.83 81017.123.93 90（40）—1—15.334.13 1001—15.963.50 110—115.424.00 120116.713.83 130005.703.67 140005.803.67 150005.653.83 160005.683.50 170005.753.60
2.2 响应面二次回归模型建立及分析
由表2可看出，X
1、X
2、X
3和
分别在P＜0.01或P＜0.05水平上有（极）显著差异，表明在拟合模型中它们所对应的变量起重要作用，而其他因素影响不显著（P＞0.05）。模型P值为0.000 2，相关系数R
2为0.969 4，校正R
2为0.930 0，表明所建立模型能充分代表所优化变量之间的关系，测定值和模型预测值间有良好的相关性。2.67%的变异系数说明模型的重现性很好，可以用该模型优化超临界CO
2处理苦杏仁皮IDF的持水力。
表2 持水力回归模型方差分析和显著性检验
Table2 Estimated regression coefficients and analysis of variance (ANOVA for the water-holding capacity mmooddeell
参数估计系数自由度平方和F值P值截距X 05.721 X 1压力0.6313.140124.10＜0.000 1 X 2时间0.4111.31051.940.000 2 X 3温度0.2110.34013.470.000 0 X1 2 0.3610.05021.990.002 2 X2 2 0.1310.0672.6400.148 5 X3 2 0.0110.0000.0290.869 0 X 1X 2—0.0710.0200.7500.407 5 X 1X 30.0810.0240.9500.302 0 X 2X 30.1710.1104.3100.076 5模型90.62024.600.000 2 R 20.969 4校正R 20.930 0 CV/%2.67
表3 膨胀力回归模型方差分析和显著性检验
Table3 Estimated regression coefficients and ANOVA for the swelling capacity mmooddeell
参数估计系数自由度平方和F值P值截距X 03.651 X 1压力0.1510.1706.6800.036 2 X 2时间—0.1110.0953.6900.096 0 X 3温度0.1210.1204.5000.071 5 X1 2 0.0910.0180.7100.426 8 X2 2 0.2710.0783.0600.123 6 X3 2—0.0610.0532.0700.193 8 X 1X 20.0710.0102.0700.193 6 X 1X 3—0.1410.0222.5500.154 0 X 2X 30.1110.0222.5500.154 0模型90.1803.8700.044 1 R 20.832 6 CV/%4.21
就IDF的膨胀力来说，表3结果显示X 1在P＜0.05水平上有显著差异，表明在拟合模型压力因素起重要作用，而其他因素对苦杏仁皮膨胀力的影响均不显著（P＞0.05）。模型P值为0.044 1，相关系数R 2等于0.832 6，表明可以用该模型很好解释数据的变异性，而且测定值和模型预测值间有良好的相关性。4.21%的变异系数说明模型的重现性很好，可以用该模型优化超临界CO 2处理苦杏仁皮IDF的膨胀力。
利用软件将表1中相关数据进行拟合，所得持水力、膨胀力的二次回归模型为：
Y
持水力=5.72＋0.63X
1＋0.41X
2＋0.21X
3—0.07X
1X
2＋
与未经处理的苦杏仁皮IDF相比，经超临界CO 2处理后，其持水力从4.94 g/g提升到5.22～7.12 g/g，持水力提升率为5.6%～44.13%；膨胀力从3.01 mL/g提升到3.17～4.17 mL/g，膨胀力提升率为5.3%～38.5%。表明超临界CO 2处理确实能促进苦杏仁皮IDF持水力和膨胀力的提高，而且不同处理参数对苦杏仁皮IDF的持水力和膨胀力的影响有较大差异。因此，对其处理工艺参数进行优化是必要的。
对上述回归方程求偏导数，解各自对应的三元一次方程组，得出持水力对应的3 个变量最优试验点（X 1、X 2、X 3）的水平代码值分别为—0.68、—0.75、—1.68，其超临界CO 2压力、时间和温度的最优工艺参数分别为：32.5 MPa、56.4 min和23.2 ℃；对膨胀力其水平代码值分别为0、0、1，实际对应值分别为40 MPa、70 min和50 ℃。由以上结果可以看出，超临界CO 2处理温度对苦杏仁皮IDF的持水力和膨胀力的影响不存在一致性，而压力和时间对其影响基本一致。因此，在实际生产工作中有必要对这些参数做进一步的优化。
2.3 各因素交互影响响应面分析
响应面法不仅能描述各因素对响应值的影响，还能很好描述各因素间的相互关系。为研究变量间的交互作用及其对响应值（持水力和膨胀力）的影响，保持3个变量中的一个变量为0水平，而另外两个变量在[—1，1]水平间变化，用上述拟合方程做出如图1所示三维图。
图1 超临界COCO
2处理各因素相互作用响应面图
Fig.1 Response surface plots for the effects of variables on water-holding capacity and swelling capacity
由图1中各变量与响应值间的相互作用可知，无论对持水力还是膨胀力，超临界CO 2压力条件对其影响最大，其次分别为超临界CO 2温度和时间。温度与时间、温度与压力、时间与压力对响应值的影响有一定交互作用，但效果不明显，这与表2、3中相关统计分析结果基本一致。
2.4 超临界CO 2处理对苦杏仁皮IDF颜色及形貌特征影响
图2 苦杏仁皮IDF照片IDF
Fig.2 Pictures of insoluble dietary fiber from apricot kernel skins
由图2可以看出，未经处理的苦杏仁皮IDF为淡黄色颗粒，而经过超临界CO 2处理后的IDF颜色变浅，颗粒更细、粒径分布更均匀。其可能原因为：一方面超临界CO 2提取了苦杏仁皮IDF中的部分色素类物质，从而使其颜色变淡；另一方面超临界压力作用条件下，部分膳食纤维的聚合度下降、分子链被切断或降解，微观结构改变，最终颗粒大小也随之变化 [18]。
图3 苦杏仁皮膳食纤维扫描电镜图（×2 500）500
Fig.3 SEM of insoluble dietary fiber from apricot kernel skins (× 2 500)500)
由图3可以看出，未经处理的苦杏仁皮水IDF内部呈规则的螺旋结构，结构稍显紧密；但经过超临界CO 2处理后其内部螺旋结构变得较为松散、不规则，甚至有部分螺旋结构明显消失或破坏。说明超临界CO 2处理对苦杏仁皮水IDF持水力和膨胀力的影响可能是通过改变其微观结构而实现的。
膳食纤维作为对人类健康有重要作用的第七大营养素，其持水力、膨胀力等指标是衡量该膳食纤维生物活性功能的重要指标。本研究利用苦杏仁加工副产物苦杏仁皮为原料制备了IDF，并用超临界CO 2对苦杏仁皮IDF进行了改性研究。结果表明，在实验条件下经超临界CO 2处理后其持水力从4.94 g/g提升到5.22～7.12 g/g，提升率范围为5.6%～44.13%，膨胀力从3.01 mL/g提升到3.17～4.17 mL/g，提升率范围为5.3%～38.5%。这些结果表明，超临界CO 2处理确实能促进苦杏仁皮IDF持水力和膨胀力的提高。形貌观察表明，超临界CO 2处理对苦杏仁皮水IDF持水力和膨胀力的影响可能是通过改变其微观结构而实现的。超临界CO 2处理可以作为膳食纤维改性的一种有效方法。
参考文献：
[1] 肖春玲. 人类的第七大营养素: 膳食纤维[J]. 中国食物与营养′2001′7(1): 54-55.
[2] 魏丹. 荸荠果皮膳食纤维提取工艺的研究[D]. 合肥: 合肥工业大学′2007.
[3] 张艳荣′王大为′祝威. 高品质玉米膳食纤维生产工艺的研究[J]. 食品科学′2004′25(9): 213-217.
[4] SUDHA M L BASKARAN V LEELAVATHI K Apple pomace as a source of dietary fiber and polyphenols and its effect on the rheological characteristics and cake making[J]. Food Chemistry′2007′104: 686-692.
[5] 欧阳玲花. 绿色木霉发酵提取柠檬皮膳食纤维及其毒理学研究[D]. 成都: 四川农业大学′2006.
[6] 郑晓杰′牟德华. 膳食纤维改性的研究进展[J]. 食品工程′2009(3): 5-8.
[7] 朱国君′赵国华. 膳食纤维改性研究进展[J]. 粮食与油脂′2008(4): 40-42.
[8] 陈雪峰′吴丽萍. 挤压改性对苹果膳食纤维物理化学性质的影响[J]. 食品与发酵工业′2005′31(12): 57-60.
[9] 徐红华′许岩′肖志刚. 不同挤压膨化条件对稻麸中可溶性膳食纤维含量的影响[J]. 食品科技′2004′29(12): 89-90; 94.
[10] 叶发银′汪美凤′刘嘉′等. 挤压处理番茄皮膳食纤维的化学组成与结构[J]. 食品科学′2014′35(13): 43-48.
[11] JING Yan CHI Yujie Effects of twin-screw extrusion on soluble dietary fibre and physicochemical properties of soybean residue[J]. Food Chemistry′2013′138(2/3): 884-889.
[12] WANG Yuanyuan RYU G H Physicochemical and antioxidant properties of extruded corn grits with corn fiber by CO 2injection extrusion process[J]. Journal of Cereal Science′2013′58(1): 110-116.
[13] 杜冰′黄守耀′姜龙波′等. 双螺杆挤压对绿豆皮中膳食纤维的改性研究[J]. 食品工业科技′2012′33(10): 170-174.
[14] 蓝海军′刘成梅. 大豆膳食纤维的湿法超微粉碎与干法超微粉碎比较研究[J]. 食品科学′2007′28(6): 171-174.
[15] 刘成梅′刘伟′万婕. 瞬时高压作用对膳食纤维可溶性的影响[J]. 食品科学′2005′26(8): 110-113.
[16] 涂宗财′陈丽莉′王辉′等. 发酵与动态高压微射流对豆渣膳食纤维理化特性的影响[J]. 高压物理学报′2014′28(1): 113-119.
[17] 李雁′熊明洲′尹丛林′等. 红薯渣不溶性膳食纤维超高压改性[J]. 农业工程学报′2012′28(19): 270-278.
[18] 王大为′丰艳′李毅丽′等. 超临界CO 2处理对米糠纤维物性的影响[J]. 食品科学′2010′31(13): 143-147.
[19] 陈存社′董银卯′赵华′等. 苹果膳食纤维改性实验研究[J]. 食品工业科技′2003′24(6): 34-35.
[20] 陈雪峰′倪娜′张振华. 苹果膳食纤维中半纤维素A的硫酸酯化改性[J]. 食品与发酵工业′2011′37(1): 86-88.
[21] 涂宗财′李金林. 微生物发酵法研制高活性大豆膳食纤维的研究[J]. 食品工业科技′2005′26(5): 49-50.
[22] 李凤敏. 微生物酶法生产高活性膳食纤维的研究[D]. 长春: 东北师范大学′2003.
[23] 姚文华′胡玉宏. 酶法制备枣膳食纤维与应用的研究[J]. 食品科学′2007′28(1): 139-142.
[24] 胡叶碧′王璋. 纤维素酶和木聚糖酶对玉米膳食纤维组成和功能特性的影响[J]. 食品工业科技′2006′27(11): 103-105.
[25] 林娈′蔡英英. 茶渣膳食纤维的酶法改性研究[J]. 河南工业大学学报: 自然科学版′2014′35(1): 64-68.
[26] 徐广超′姚惠源. 豆渣水溶性膳食纤维制备工艺的研究[J]. 河南工业大学学报: 自然科学版′2005′26(1): 54-57.
Effect of Supercritical CO 2Treatment on Properties of Insoluble Dietary Fiber from Apricot Kernel Skins
ZHANG Qing’an
1′FAN Xuehui
1′2′MOU Zhaoli
3′SONG Yun
1′TANG Rongzhen
1
(1. School of Food Engineering and Nutritional Science Shaanxi Normal University Xi’an 710062′China; 2. School of Life Sciences Shaanxi Normal University Xi’an 710062′China; 3. School of Chemistry and Chemical Engineering Shaanxi Normal University Xi’an 710062′China)
Abstract：This study aimed to examine the effect of supercritical CO 2treatment on some properties of insoluble dietary fiber from apricot kernel skins The main parameters including pressure time and temperature were optimized using response surface methodology according to a three-variable three-level Box-Behnken design with the water-holding capacity and swelling capacity as the responses The results suggest that under the experimental conditions established in this study the water-holding capacity and swelling capacity of insoluble dietary fibers treated with supercritical CO 2were increased by 5.6%-44.13% and 5.3%-38.5%′respectively On the other hand observations conducted on the color and morphology with scanning electron microscope demonstrated that the color became lighter the particle size decreased and the microstructure changed obviously after supercritical CO 2treatment which contributed to the improvement of water-holding capacity and swelling capacity In summary supercritical CO 2treatment could be used as an efficient technique to improve some properties of insoluble dietary from apricot kernel skins.
Key words：apricot kernel skin dietary fiber supercritical CO 2; water-holding capacity swelling capacity
中图分类号：TS255.6
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2015）06-0001-05
doi：10.7506/spkx1002-6630-201506001
收稿日期：2014-10-24
基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（31101324）；陕西省自然科学基金项目（2011JQ2003）；西安市科技局技术转移促进工程项目（CXY1434（5））；中央高校基本科研业务费专项（GK201302039；GK201404006）
作者简介：张清安（1976—），男，副教授，博士，主要从事功能食品开发和食品加工过程控制研究。E-mail：qinganzhang@snnu.edu.cn