张丽媛，陈 如，田 昊，何 玲*
（西北农林科技大学园艺学院，陕西 杨凌 712100）
摘 要：以苹果膳食纤维为原料，经粗粉碎和不同时间（1、3、5、10、20、30 min）的超微粉碎，得到粗粉和6 种不同粒度的苹果膳食纤维，测定其理化性质和羟自由基清除能力，并利用激光粒度仪、扫描电子显微镜对不同的苹果膳食纤维粉进行粒径测定和结构观察，探究超微粉碎时间对苹果膳食纤维理化性质、微观结构及羟自由基清除能力的影响。结果表明：超微粉碎后膳食纤维的粒径减小；粉体的溶胀性、水溶性、阳离子交换能力显著升高（P＜0.05）；羟自由基清除能力显著增强（P＜0.05）；持水力、容积密度没有发生显著变化（P＞0.05）。本实验为苹果膳食纤维在食品领域的深加工提供了理论依据。
关键词：苹果；膳食纤维；超微粉碎；理化性质；羟自由基清除能力
苹果（Malus pumila Mill.）属于蔷薇科苹果属，落叶乔木[1]，在我国栽培种植面积达233.33万 hm2，总产量达4 000万 t以上[2]。苹果的种植区域集中、产量大，但加工产业单一，加工品主要以浓缩苹果汁为主（占加工苹果原料的95%）。每生产1 t浓缩苹果汁就会产生0.8 t的湿苹果渣，其中1/3会用于饲料、肥料[3-5]，其余基本被废弃，既污染环境又使资源得不到有效利用。因此，如何拓展苹果深加工产业空间、增加苹果加工产业的附加值、实现苹果果实的充分利用变得尤为重要。
苹果渣主要包括果皮、果籽、果柄、果肉等苹果榨汁加工后的副产物，其中也含有酚类物质、多糖、果胶、膳食纤维等多种营养活性物质[6-7]，苹果皮中的膳食纤维是苹果果肉的11 倍。膳食纤维被称为人体的“第七营养素”，是不被人体消化酶分解且具有维持身体血糖、血脂、蛋白质水平，预防结肠癌、糖尿病等重要生理功能的有机高分子化合物。膳食纤维的吸水膨胀性可增加大肠中粪便的体积，降低致癌因子的浓度；其持油性可减少人体对脂肪的吸收，避免体内积累吸收过多的脂肪；其阳离子交换能力可使膳食纤维与肠道中的K+、Na+进行交换，使得K+、Na+更多地随粪便排出，降低血液中的Na+与K+的比值，从而产生降血压的作用[8-13]。将苹果渣中的膳食纤维加以提取利用，可延长苹果加工的产业链，提高苹果果实的附加值。
超微粉碎是指利用机械或流体动力的方法将物料的粒度粉碎至10 μm以下，甚至达到1 μm的超微米水平的过程[14-16]。超微粉碎作为一种食品物料加工新技术，可改善传统粉碎粉体的功能性质，使其呈现出更优良独特的吸附性、流动性等性质[17-19]，因此得到了广泛的研究。超微粉碎膳食纤维的相关研究目前集中在猕猴桃渣膳食纤维[10]、甘薯膳食纤维[9]、大豆豆皮膳食纤维[8]等方面，但是对苹果渣膳食纤维的研究并不多。刘素稳等[20]研究了干法超微粉碎对苹果渣纤维物性的影响，测定了不同粒径的苹果渣纤维的流体性质和脂肪酸吸收能力、胆汁酸的吸附能力等。结果表明：干法超微粉碎使苹果渣纤维的结构发生整体性变化，但聚合物的结晶状态未发生改变；超微粉碎后苹果渣纤维的流动性增强，对胆固醇的吸附能力、水溶性增强；但持水力、膨胀力下降，脂肪酸吸附能力、阳离子交换能力和胆汁酸的吸附能力下降，对NO2－吸附能力变化不大。
本研究以苹果膳食纤维为原料，将干燥后的苹果膳食纤维经粗粉碎后，经冷冻机械式超微粉碎机粉碎不同时间（1、3、5、1 0、2 0、30 min），得到苹果膳食纤维粗粉和6 种不同粒径分布的苹果膳食纤维超微粉，研究超微粉碎对苹果膳食纤维理化性质及羟自由基清除能力的影响，为苹果加工方式的拓展及苹果渣的有效利用提供理论依据。
澳洲青苹购于陕西恒通农业科技发展有限公司，以无病虫害、机械损伤、腐烂的原料作为实验材料。
NaOH、NaCl、HCl、FeSO4、H2O2、乙醇、95%酚酞、水杨酸、α-淀粉酶、木瓜蛋白酶均为国产分析纯。
Mastersizer 2000型激光粒度分析仪 英国马尔文仪器有限公司；UV-2500紫外-可见分光光度计 日本岛津有限公司；S-4800场发射扫描电子显微镜 日本日立高新技术公司；Vetex70傅里叶变换红外光谱仪 德国布鲁克公司；高速万能粉碎机 天津泰斯特仪器有限公司；LWF6型贝利微粉机 济南龙微制药设备有限公司；3K15型高速冷冻离心机 美国Sigma公司。
1.3.1 膳食纤维粉碎处理
新鲜苹果清洗榨汁留渣，苹果渣在100 ℃下进行热烫护色4 min，在料液比1∶20的条件下用0.4%（质量分数，下同）的淀粉酶在65 ℃、pH 6的条件下处理60 min，再用0.4%的蛋白酶在55 ℃、pH 3的条件下处理60 min[10]，经100 ℃热烫15 min灭酶后，60 ℃下热风干燥10 h，用高速万能粉碎机进行粗粉碎，过50 目筛后获得苹果膳食纤维粗粉。以苹果膳食纤维粗粉为对照（CK）组，利用低温超微粉碎机将过筛后的苹果膳食纤维粗粉进行不同时间的超微粉碎，分别设定粉碎时间为1、3、5、10、20、30 min，获得苹果膳食纤维粗粉和6 种不同粒径分布的苹果膳食纤维粉体，密封保存备用，分别测定7 种粉体的理化指标和羟自由基清除能力，实验重复3 次。
1.3.2 理化指标的测定
粒径测定：用Mastersizer 2000型激光粒度分析仪测定粉体的粒径大小及分布。
扫描电子显微镜观察：将待测样品进行固定，再用离子溅射仪对样品表面进行喷金，将其置于扫描电子显微镜下放大200 倍观察形态。
容积密度测定：各样品分别被填充在质量m1的10 mL量筒中，混合后称质量记为m2。容积密度按公式（1）计算。
溶胀性测定：准确称取1.00 g（m）样品，放入带有刻度的试管中，记录粉体体积V1，加入10 mL蒸馏水，摇匀后静置24 h，记录粉体体积V2。溶胀性按公式（2）计算。
水溶性测定：各样品称质量m3，样品和水以0.02∶1.00（m/V）进行混合，于80 ℃水浴锅中水浴30 min，取出冷却、离心（10 min、6 000 r/min），上清液在105 ℃下烘干，称质量m4[19]。水溶性按公式（3）计算。
持水力测定：离心管m5和各样品m6分别称质量，样品和水以0.02∶1.00（m/V）混合，放在60 ℃水浴锅中水浴30 min，取出冷却、离心（20 min、5 000 r/min），倾倒除去上清液，称质量
。
阳离子交换能力测定：称取0.5 g样品，加0.1 mol/L HCl溶液10 mL，摇匀，室温放置24 h后用滤纸过滤，用蒸馏水反复清洗除去多余的HCl溶液，将残渣转移到三角瓶中，加入100 mL 15% NaCl溶液，磁力搅拌30 min，以0.5%酚酞-乙醇溶液作为指示剂，用0.1 mol/L NaOH溶液进行滴定。用蒸馏水代替HCl溶液，测定空白消耗的NaOH溶液的体积[21]。阳离子交换能力按公式（5）计算。
式中：V0为样品消耗的NaOH溶液体积/mL；V1为空白消耗的NaOH溶液体积/mL；m为样品干质量/g；0.1为NaOH溶液浓度（mol/L）。
羟自由基清除能力的测定：采用比色法测定[22]。取0.5 mL 50 mg/mL的7 种粉体的膳食纤维溶液置于不同试管中，向各试管中加入蒸馏水3.5 mL、0.5 mL水杨酸-乙醇溶液（9.1 mmol/L）、0.5 mL Fe2+溶液（9 mmol/L），最后加入5 mL H2O2（88 mmol/L），摇匀后测定510 nm波长处的吸光度A1。用0.5 mL蒸馏水代替Fe2+溶液重复上述操作，摇匀后测510 nm波长处的吸光度A2。用0.5 mL蒸馏水代替0.5 mL膳食纤维溶液重复上述操作，摇匀后测510 nm波长处的吸光度A3。羟自由基清除率按公式（6）计算。
采用Excel软件进行数据计算和作图，采用SPSS Statistics 17.0软件进行数据分析，采用Duncan法检验差异显著性，以P＜0.05表示差异显著。
由表1中可以看出，经超微粉碎的膳食纤维粉体粒径显著小于粗粉（P＜0.05），且随着超微粉碎时间的延长，粉体的粒径越来越小，不同超微粉碎时间处理之间差异显著（P＜0.05）。89.446%的粗粉粉体集中在粒径大于100 μm的范围内，随着超微粉碎时间的延长，粉体在粒径小于100 μm范围内的分布逐渐增多，超微粉碎30 min时，91.347%的粉体粒径分布在小于100 μm的区域。说明随着超微粉碎时间的延长，粉体的粒径减小，粒径分布范围变窄，粉体均匀性更好[23]。
表 1 不同粉碎时间的苹果膳食纤维粉体的粒径分布
Table 1 Particle size distribution of apple dietary fiber powders with different grinding times
注：同列肩标小写字母不同表示差异显著（P＜0.05）。
图 1 不同超微粉碎时间的苹果膳食纤维粉体微观结构扫描电子显微镜图（×100）
Fig. 1 Scanning electron microscope images of apple dietary fiber powders with different grinding times (× 100)
a. CK；b～g.分别为超微粉碎1、3、5、10、20、30 min。
由图1可以看出，在同等的显微镜放大倍数下，膳食纤维粗粉的颗粒较大，经过超微粉碎后，颗粒变得更加细小均匀。超微粉碎30 min时粉体颗粒的分布较密集。随着粉碎时间的延长，出现更多粒径较大的颗粒，分子团聚现象严重。这是因为强烈的机械作用使得颗粒减小，但颗粒减小到一定程度后，吸附性的增强导致颗粒之间开始聚集，说明长时间的超微粉碎并不会增加细小颗粒的比例。团聚的程度与粉碎方式、粉碎物料有很大关系，特别是含糖分较多的物料在粉碎过程中更容易产生团聚现象，粉体颗粒之间更容易黏结，采用适当的超微粉碎时间或者使用湿磨等粉碎方式都可以改善团聚现象的发生。
图 2 不同超微粉碎时间苹果膳食纤维粉体的容积密度
Fig. 2 Bulk density of apple dietary fiber powders with different grinding times
小写字母不同表示差异显著（P＜0.05），下同。
容积密度大有利于胶囊或者片剂制品的生产加工，使物料的填充性更好。由图2可以看出，经过超微粉碎后，膳食纤维粉体的容积密度增大（P＞0.05），超微粉碎各处理组之间差异不显著（P＞0.05）。说明超微粉碎可改善膳食纤维的容积密度，有利于粉体的充填。超微粉碎后粉体的容积密度增大，这与梁琪等[24]的实验结果一致，与贾牛群等[25]容积密度下降的实验结果相反。这可能是因为粉体粒径减小到一定程度后，与周围存在较大的接触面和更加均匀的粒径，减少了颗粒之间的孔隙空间，从而导致容积密度的增加。
图 3 不同超微粉碎时间苹果膳食纤维粉体的溶胀性
Fig. 3 Swelling capacity of apple dietary fiber powders with different grinding times
由图3可以看出，膳食纤维粗粉经超微粉碎1～20 min后，粉体的溶胀性升高（P＜0.05），超微粉碎时间为1、3、5、10、20 min的5 个处理组之间差异不显著（P＞0.05），这说明超微粉碎可改善膳食纤维的溶胀性。超微粉碎后，粉体粒径减小，颗粒数目增多，溶于水后膨胀产生更大的体积，从而引起溶胀性的升高。超微粉碎30 min后，膳食纤维的溶胀性显著降低（P＜0.05），这可能是因为膳食纤维分子长链被剪切为短链结构的同时，也减小了膳食纤维对水分的束缚，从而引起溶胀性的降低，张珍林等[26]在对南瓜籽壳的研究中也出现了超微粉碎后溶胀性降低的现象。
图 4 不同超微粉碎时间苹果膳食纤维粉体的水溶性
Fig. 4 Water solubility of apple dietary fiber powders with different grinding times
由图4可知，超微粉碎后膳食纤维的水溶性升高（P＜0.05），超微粉碎各处理组之间差异不显著（P＞0.05），说明超微粉碎有助于提高膳食纤维的水溶性。粉体的水溶性和粉体与水溶液之间的接触面积有关，超微粉碎后，分子粒径减小，空隙率、比表面积增加，膳食纤维长链结构被剪切，更多的亲水基团外露，与水分子的接触面积和接触位点增多，从而引起膳食纤维的水溶性升高。这与范明月[27]、代红飞[28]等的实验结果一致。
图 5 不同超微粉碎时间苹果膳食纤维粉体的持水力
Fig. 5 Water-holding capacity of apple dietary fiber powders with different grinding times
膳食纤维结构中含有很多亲水基团，这些亲水基团使得膳食纤维具有较好的持水力，研究显示膳食纤维的持水力可以增加人体排便的速率，从而减轻肠道压力，使毒物迅速排出体外。由图5可知，膳食纤维经超微粉碎后，粉体的持水力有所增加，超微粉碎各处理组之间差异不显著（P＞0.05），说明超微粉碎对膳食纤维的持水力具有一定的改善作用。这是由于超微粉碎使得膳食纤维中更多的亲水基团外露，从而增强了膳食纤维和水分子之间的相互作用，使得持水力增加。超微粉碎时间的延长对持水力的影响不明显，这可能是因为长时间的粉碎使粉体的团聚性增加，膳食纤维分子之间的相互作用力影响了其与水分子之间的相互作用力，从而使持水力没有发生显著变化。
膳食纤维的羧基或者羟基基团侧链对阳离子有较强的结合能力，特别是能与有机阳离子进行可逆交换，对消化道内的pH值、渗透压产生影响，产生缓冲性更好的环境，从而有利于机体的消化吸收。由图6可以看出，超微粉碎后，膳食纤维的阳离子交换能力有不同程度的升高，粗粉与超微粉碎各处理组之间差异显著（P＜0.05），说明超微粉碎可改善膳食纤维的阳离子交换能力。超微粉碎30 min后，阳离子交换能力显著降低（P＜0.05），这可能是因为长时间的超微粉碎对膳食纤维的侧链基团产生了一定的破坏作用，从而引起阳离子交换能力的降低。这与陈存社等[11]对小麦胚芽膳食纤维研究中得到的结果一致。
图 6 不同超微粉碎时间苹果膳食纤维粉体的阳离子交换能力
Fig. 6 Cation exchange capacity of apple dietary fiber powders with different grinding times
图 7 不同超微粉碎时间苹果膳食纤维粉体的羟自由基清除能力
Fig. 7 Hydroxyl radical scavenging capacity of apple dietary fiber powders with different grinding times
膳食纤维以其独特的方式可以清除某些外源性有害物质，对自由基也有一定清除能力[29]。由图7可以看出，膳食纤维粗粉经超微粉碎后，羟自由基清除能力显著增强（P＜0.05），超微粉碎各处理组之间差异不显著（P＞0.05）。说明超微粉碎可显著改善苹果膳食纤维的羟自由基清除能力。超微粉碎后羟自由基清除能力增强，这与代红飞等[28]的实验结果一致，但与Zhang Lihua等[30]自由基清除能力下降的实验结果相反。这可能是因为膳食纤维经超微粉碎后粒径减小，增加了抗氧化相关活性物质的溶出量，抗氧化能力升高，从而提高了羟自由基清除能力。
超微粉碎可改善苹果膳食纤维的理化性质及羟自由基清除能力。膳食纤维经超微粉碎后，粉体的粒径显著减小，溶胀性、水溶性、阳离子交换能力升高，羟自由基清除能力显著增强（P＜0.05），持水力、容积密度没有发生显著变化（P＞0.05）。随着超微粉碎时间的延长，粉体的理化指标和羟自由基清除能力有一定程度的差异。超微粉碎30 min的粉体团聚现象严重，溶胀性和阳离子交换能力有所降低，综合各项理化指标，苹果膳食纤维超微粉碎20 min总体效果最好。
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Effect of Superfine Grinding on Physicochemical Properties and Hydroxyl Radical Scavenging Capacity of Apple Dietary Fiber
ZHANG Liyuan, CHEN Ru, TIAN Hao, HE Ling*
(College of Horticulture, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)
Abstract:The physicochemical properties and hydroxyl radical scavenging capacity of coarsely ground powder and superfine ground powders with different grinding times (1, 3, 5, 10, 20 and 30 min) of apple dietary fiber were measured.Besides, particle size measurement and structural observation were performed by laser particle size analyzer and scanning electron microscope. The results showed that after superfine grinding, the particle size of dietary fiber decreased; the swelling power, water solubility and cation exchange capacity significantly increased (P ＜ 0.05), together with a significant increase in the hydroxyl radical scavenging capacity (P ＜ 0.05). There was no significant change in water-holding capacity or bulk density (P ＞ 0.05). The data from this study can provide a theoretical basis for the deep processing and utilization of apple dietary fiber in the food field.
Keywords:apple; dietary fiber; superfine grinding; physicochemical properties; hydroxyl radical scavenging capacity
DOI:10.7506/spkx1002-6630-201815021
收稿日期：2017-05-02
基金项目：2015年度试验示范站（基地）科技成果推广专项（Z222021528）
第一作者简介：张丽媛（1994—），女，硕士研究生，研究方向为园艺产品贮藏与加工。E-mail：1182636696@qq.com
*通信作者简介：何玲（1965—），女，副教授，博士，研究方向为园艺产品贮藏与加工。E-mail：heliurui@nwsuaf.edu.cn
中图分类号：TS255.2
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2018）15-0139-06
引文格式：
张丽媛, 陈如, 田昊, 等. 超微粉碎对苹果膳食纤维理化性质及羟自由基清除能力的影响[J]. 食品科学, 2018, 39(15):139-144. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201815021. http://www.spkx.net.cn
ZHANG Liyuan, CHEN Ru, TIAN Hao, et al. Effect of superfine grinding on physicochemical properties and hydroxyl radical scavenging capacity of apple dietary fiber[J]. Food Science, 2018, 39(15): 139-144. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201815021. http://www.spkx.net.cn