0 引言

【研究意義】蘋果渣是蘋果濃縮汁加工副產物，其膳食纖維含量可達干物質的 60%以上，是一種良好的膳食纖維來源 [1] 。膳食纖維具有降低便秘、肥胖、心血管疾病、結腸癌、糖尿病等疾病的風險 [2] ，被譽為“第七大營養素”。膳食纖維的功能性質與可溶性膳食纖維（SDF）含量、持水力、持油力、膨脹力、粘性等理化性質密切相關 [3] 。因此，研究蘋果渣膳食纖維改性技術，提高 SDF 含量、改善膳食纖維理化性質，對增強蘋果渣膳食纖維功能性質、提高蘋果渣附加值具有重要意義。【前人研究進展】目前，膳食纖維改性技術主要有物理法（擠壓技術 [4-5] 、超高壓技術 [6] 、超微粉碎技術 [7] ）、化學法（酸法、堿法 [8-9] ）、生物法（酶法 [10] 、發酵法 [11] ）和結合法 [12] 。陳雪峰 [4-5]等采用擠壓技術提高蘋果渣 SDF 含量，SDF 含量從3.47%提高到 16.96%，并發現擠壓改性能顯著改善蘋果膳食纖維膨脹力、持水性。彭章普 [8] 、劉素穩 [12] 等優化了酸法、堿法及微波輔助法提取蘋果渣 SDF 的工藝條件，最終 SDF 得率集中在 15%—20%。付成程等 [10] 采用木聚糖酶法改性，改性后蘋果渣 SDF 提取率為 19.58%，所得 SDF 溶解性較高，濾渣的持水力與膨脹力均提高，超微結構變化較大。盡管蘋果渣膳食纖維改性方法已多見報道，但物理改性需要特殊設備，化學改性效果較差，酶法改性價格昂貴，因此，簡單高效的改性方法仍需探索。過氧化氫是一種清潔高效的氧化劑，其價格低廉，常用于蘋果渣的漂白脫色 [13-14] 。

過氧化氫在降解多糖、脫除木質素、增加半纖維素溶解、改善纖維素水合性質等方面也具有良好作用 [15-22] 。覃彩芹等 [15] 采用過氧化氫氧化降解殼聚糖，制備出了特定分子量的殼聚糖。姚秀瓊等 [16] 采用過氧化氫水溶液對大豆多糖進行降解，降解后大豆多糖的平均相對分子質量由 115 200 下降至 10 200，溶解度由 8 g·L -1增加至 40 g·L -1 。Sangnark 等 [20] 報道了采用堿性過氧化氫法脫除甘蔗渣中木質素，發現制備的甘蔗渣具有良好的物理性質。Doner 等 [21] 采用堿性過氧化氫溶液從玉米纖維中提取半纖維素（阿拉伯木聚糖），發現過氧化氫的存在有助于促進半纖維素溶出。Rabetafika等 [22] 比較了 3 種從梨渣中提取半纖維素的方法，表明堿性過氧化氫法具有生產富含木糖的半纖維素潛力。【本研究切入點】盡管國內外的研究表明，過氧化氫具有潛在的提高蘋果渣 SDF 含量、改善蘋果渣理化性質的作用，然而目前將過氧化氫應用于蘋果渣膳食纖維改性領域的研究未見報道。【擬解決的關鍵問題】本研究擬采用過氧化氫改性蘋果渣膳食纖維，探討過氧化氫 pH 和濃度對增加蘋果渣 SDF 含量、改善理化性質的作用及對結構性質的影響，以期為過氧化氫改性蘋果渣膳食纖維技術的應用提供理論依據。

1 材料與方法

試驗于 2014 年 3—8 月在中國農業科學院農產品加工研究所進行。

1.1 試驗材料

1.1.1 樣品 蘋果干渣（嘎啦、富士、紅星混果榨汁后廢棄物），由棲霞海升果業有限責任公司提供。旋風磨粉碎，過 60 目篩，密封常溫保存備用。經檢測，蘋果渣中水分含量為 7.37%，灰分含量為 2.05%，蛋白含量為 8.23%，脂肪含量為 5.21%，淀粉含量為0.63%總膳食纖維含量為 64.08%。

1.1.2 儀器 Cyclotec 1093 型旋風磨（FOSS，丹麥），THZ-82A 水浴恒溫振蕩器（金壇榮華儀器制造有限公司，中國），pH-3B/3C 通用型酸度儀（濟南創遠儀器儀表有限公司，中國），CP 213 電子天平（奧豪斯儀器上海有限責任公司，中國），SHB-III 循環水式多用真空泵（鄭州長城科工貿有限公司，中國），Lindberg/Blue 馬弗爐（Thermo Fisher，美國），Kjeltec2300 全自動凱氏定氮儀（FOSS，丹麥），Neofuge 15R臺式高速冷凍離心機（Heal Force，香港），CR-300色差儀（Minolta，日本），Pyris Diamond TG/DTA 熱重-差熱綜合分析儀（Perkin Elmer，美國），Quanta 200FEG 場發射環境掃描電子顯微鏡（FEI，美國），T6新世紀紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限公司，中國）。

1.1.3 主要試劑 30%過氧化氫、氫氧化鈉、鹽酸、無水乙醇、丙酮、高錳酸鉀、二氧化鈦（均為國產分析純），玉米油（購于超市），硅藻土（545，Aladdin），雙氧水快速檢測試紙（無錫利爾捷生物科技有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 改性蘋果渣的制備 配制一定濃度過氧化氫溶液，用氫氧化鈉調節過氧化氫溶液的 pH。稱取一定量蘋果渣置于燒杯中，按照 1﹕20（g·mL -1 ）料液比加入已配制好的過氧化氫溶液，于 40℃水浴加熱處理 2h。冷卻至室溫后，用 HCl、NaOH 溶液調節樣品溶液pH 至中性。加入 4 倍體積 95%乙醇沉淀 2 h 后，過濾除去乙醇，沉淀物于 60℃烘箱內干燥 12 h。旋風磨粉碎，過 60 目篩，即得改性蘋果渣。

1.2.2 過氧化氫溶液 pH 及濃度的設定 固定過氧化氫溶液濃度為 1%（w/v），料液比 1﹕20（g·mL -1 ），在溶液 pH 分別為 3.8（A）、7（B）、11.5（E）條件下改性，研究過氧化氫溶液 pH 對蘋果渣膳食纖維理化及結構性質的影響。固定過氧化氫溶液 pH 為 11.5，料液比 1﹕20（g·mL -1 ），在過氧化氫溶液濃度分別為0%（C）、0.5%（D）、1%（E）、2%（F）條件下改性，研究過氧化氫溶液濃度對蘋果渣膳食纖維理化及結構性質的影響。

1.2.3 改性蘋果渣得率測定 稱取2 g （精確至1 mg）蘋果渣，質量記為 W 1 ，加入 40 mL 過氧化氫溶液。按照上述的改性處理方法，制得改性蘋果渣，記錄干燥后果渣的質量 W 2 。得率（%）=(W 2 /W 1 )×100。

1.2.4 膳食纖維測定 采用 AOAC.993.21 非酶重量法并加以改進。稱取 3 份樣品各 0.5 g（精確至 0.1 mg）于三角瓶中，加入 20 mL 蒸餾水，于 60℃水浴振蕩 2h。對于 TDF，水浴振蕩處理后，往樣液中加入 4 倍體積 95%乙醇沉淀 2 h，將沉淀物全部轉移至盛有酸洗硅藻土并已干燥至恒重的 G 2 砂芯坩堝內，抽濾，得總膳食纖維（TDF）殘渣。對于不可溶性膳食纖維（IDF），水浴振蕩處理后，將樣液倒入盛有酸洗硅藻土并已干燥至恒重的 G 2 砂芯坩堝內，抽濾，分離IDF 和 SDF，再用 10 mL 蒸餾水洗滌殘渣，抽濾，得IDF 殘渣，合并兩次濾液留待測 SDF。對于 SDF，往濾液中加入 4 倍體積 95%乙醇沉淀 2 h，將沉淀全部轉移至盛有酸洗硅藻土并已干燥至恒重的 G 2 砂芯坩堝內，抽濾，得 SDF 殘渣。抽濾所得 TDF、IDF、SDF 殘渣均分別用 15 mL 78%乙醇、95%乙醇、丙酮各洗滌兩次，130℃烘至恒重。取一份樣品測定蛋白，取另一份樣品測定灰分。膳食纖維含量（%）計算公式為：

其中，R 1 、R 2 、R 3 分別為 3 份樣品殘渣質量（mg）；S 1 、S 2 、S 3 分別為 3 份樣品質量（mg）；P 為殘渣中蛋白質質量（mg）；A 為殘渣中灰分質量（mg）。

1.2.5 堆積密度測定 采用 Chau [23] 方法，在 10 mL刻度離心管中加入一定量的樣品，底部輕輕地在實驗臺上敲擊數次，直到樣品水平線沒有下降為止，記錄樣品質量 m 與體積 V。堆積密度（g·mL -1 ）=m/V。1.2.6 持水力測定 稱取約 0.5 g（精確至 1 mg）樣品，質量記為 W 3 ，于 50 mL 離心管中，加入 30 mL蒸餾水。漩渦震蕩混勻，保證樣品不結塊。室溫下靜止 18 h 后，9 000 r/min 離心 15 min，棄去上清液，沉

淀質量記為 W 4 。持水力（g·g -1 ）=(W 4 -W 3 )/W 3 。

1.2.7 持油力測定 稱取約 0.2 g（精確至 1 mg）樣品，質量記為 W 5 ，于 10 mL 離心管中，加入約1.5 g 玉米油。漩渦震蕩混勻，保證樣品不結塊。室溫下靜止 18 h 后，8 000 r/min 離心 10 min，棄去未結合的油脂，沉淀質量記為 W 6 。持油力（g·g -1 ）=(W 6 -W 5 )/W 5 。

1.2.8 膨脹力測定 采用床體積法：稱取約 0.2 mL樣品，體積記為 V 1 ，于 10 mL 刻度離心管中，記錄樣品質量 W 7 （g），加水至 10 mL。漩渦震蕩混勻，保證樣品不結塊。室溫下靜止 18 h 后，記錄膨脹體積V 2 。膨脹力（mL·g -1 ）=(V 2 -V 1 )/W 7 。

1.2.9 顏色測定 按照 El-Kadiri 等 [24] 方法，用色差儀測定樣品顏色。根據 CIEL*a*b*表色系統，L*值表示亮度（0=黑色；100=白色），a*值表示紅色（a*＞0）和綠色（a*＜0），b*值表示黃色（b*＞0）和藍色（b*＜0）。色度=（a* 2 +b* 2 ） 1/2 ，表示顏色亮度或者飽和度，色度值越大，顏色越濃。色差=[(L 0 *-L*) 2 +(a 0 *-a*) 2 +(b 0 *-b*) 2 ] 1/2 ，表示顏色的變化程度，色差值越大，顏色與對照組差異越大。以未經處理的蘋果渣顏色 L 0 *、a 0 *、b 0 *為對照組。

1.2.10 熱穩定性分析 使用熱重-差熱綜合分析

儀（TG/DTA）對樣品的熱失重過程進行分析。測試條件：升溫速率，15℃·min -1 ；測試溫度范圍，40—550℃；樣品質量，1—2 mg；氮氣氛圍，流量25 mL·min -1 ；鋁坩堝。

1.2.11 超微結構分析 樣品經過粘臺、噴金等步驟后，于掃描電子顯微鏡高真空 6 kV 工作電壓下觀察，獲取 1 000 倍顯微照片。

1.2.12 過氧化氫殘留量測定 參照 GB/T 23499—2009 食品中殘留過氧化氫的測定方法對改性蘋果渣膳食纖維中過氧化氫殘留量進行檢測，檢出限為 0.5mg·kg -1 。

1.3 數據處理與分析

數據使用 SPSS17.0 軟件進行描述統計、One-WayANOVA 模板進行單因素方差分析，結果顯著性用LSD 法及 Duncan 檢驗。除熱穩定性分析及超微結構分析外，每個試驗均做 3 組平行。

2 結果

2.1 改性蘋果渣得率

得率是評價改性方法的重要指標，過氧化氫改性蘋果渣得率見表 1。蘋果渣經過氧化氫處理后，得率為 75.11%—79.15%。所得物質主要是蘋果渣醇不溶性物質，膳食纖維尤其是 SDF 被極大保留，溶于乙醇的小分子糖、脂類、酸及多酚等物質損失，損失率為20.85%—24.89%。經不同 pH 過氧化氫處理后，蘋果渣 A、B、E 得率為 75.87%—77.70%。經不同濃度堿性過氧化氫處理后，蘋果渣 D、E、F 得率為 75.11%—79.15%。過氧化氫濃度對改性蘋果渣得率有顯著性影響（P＜0.05），得率隨著過氧化氫濃度升高而下降。

2.2 膳食纖維（TDF、IDF、SDF）含量

由表 1 可知，蘋果渣經過氧化氫處理后，TDF 含量顯著提高（P＜0.05），由原來的 64.08%增加到73.14%—81.79%，提高 12.39%—27.14%，這是由于乙醇沉淀等步驟，除去了蘋果渣中小分子糖類及其他醇溶性物質，提高了 TDF 含量。pH 和過氧化氫濃度對 TDF 含量均有顯著性影響（P＜0.05）。經酸性、中性過氧化氫處理后，蘋果渣 A、B 的 TDF 含量較高，經堿性過氧化氫處理后，TDF 含量相對較低。在堿性條件下，TDF 含量隨著過氧化氫濃度升高而降低。這與處理過程中添加氫氧化鈉增加了過氧化氫體系中鹽含量有關，導致 TDF 含量相對降低。

由表 1 還可知，經酸性、中性過氧化氫及堿溶液處理后，蘋果渣 A、B、C 的 SDF 含量并未增加，經堿性過氧化氫處理后，蘋果渣 D、E、F 的 SDF 含量顯著增加（P＜0.05），由原來的 3.30%增加到 19.02%—28.32%，提高 476%—758%。隨著堿性過氧化氫濃度升高，蘋果渣 SDF 含量逐漸增加，IDF 含量逐漸下降，越來越多 IDF 向 SDF 轉化。

2.3 持水力、膨脹力、持油力及堆積密度持水力、膨脹力、持油力及堆積密度的測定結果見表 2。

蘋果渣經過氧化氫處理后，持水力、膨脹力得到改善（P＜0.05），持水力由原來的 5.67 g·g -1 提高到 6.33—8.16 g·g -1 ，提高 11.64%—43.92%，膨脹力由原來的4.86 mL·g -1 到 5.96—10.16 mL·g -1 ，提高 22.63%—109.05%。由樣品 A、B、E 可知，相比酸性、中性條件，堿性過氧化氫顯著地改善了蘋果渣持水力及膨脹力（P＜0.05）。由樣品 C—F 可知，隨著過氧化氫濃度升高，蘋果渣膨脹力逐漸升高，持水力先升高后下降，說明較高濃度堿性過氧化氫不利于持水力的改善。酸性、中性過氧化氫及堿溶液處理后，蘋果渣 A、B、C 的持油力提高 17.14%—31.43%，而堿性過氧化氫處理后，蘋果渣 D、E、F 的持油力下降至 0.78 g·g -1左右，降低 25.71%，且過氧化氫濃度對蘋果渣持油力降低無顯著性影響（P＞0.05）。

膳食纖維的物理性質與其顆粒大小及堆積密度具有重要關系。由表 2 可知，經過酸性、中性過氧化氫及堿溶液處理后，蘋果渣 A、B、C 的堆積密度與原蘋果渣相比無顯著性差異（P＞0.05），約為 0.57g·mL -1 。蘋果渣 D、E、F 堆積密度顯著上升，升高約39.29%，表明堿性過氧化氫處理會增加蘋果渣粉末的堆積密度。

2.4 顏色

顏色測定結果見表 3。L*值常作為評價過氧化氫脫色效果的指標，它直接反映膳食纖維的白度。過氧化氫溶液 pH 對蘋果渣顏色有顯著性（P＜0.05）影響。與原蘋果渣 L 0 *值相比，經酸性、中性過氧化氫處理后，蘋果渣 A、B 的 L*值顯著降低，而經過堿性過氧化氫處理后，蘋果渣 D、E、F 的 L*值升高，蘋果渣的顏色變白。過氧化氫濃度對蘋果渣顏色也有顯著性（P＜0.05）影響。當使用過氧化氫濃度為 0%的堿溶液處理時，蘋果渣 C 的 L*值顯著降低，顏色變深。當使用濃度為 0.5%、1%、2%堿性過氧化氫處理后，蘋果渣 D、E、F 的 L*值逐漸上升，a*、b*降低，色度逐漸降低，ΔE 逐漸升高，表明蘋果渣的白度增加，紅色及黃色減弱，飽和度降低，蘋果渣顏色更白。

3 討論

3.1 pH 對蘋果渣膳食纖維改性效果的影響

大量的研究表明過氧化氫可以降解植物多糖，過氧化氫通過分解為高活性氧自由基，如超氧自由基（ ）和羥基自由基（·OH），攻擊糖苷鍵促使多糖降解為低分子質量的化合物。pH 影響過氧化氫對多糖的降解效果。Miller [29] 使用了 0.1—10 mmol·L -1 的過氧化氫處理纖維素、羧甲基纖維鈉、果膠、多聚半乳糖醛酸、木聚糖、阿拉伯半乳聚糖，表明過氧化氫能有效地降解植物多糖，在pH 6.5或pH 7.5降解速率較快。Hou 等 [30] 研究了過氧化氫降解巖藻多糖的反應條件，發現在 pH 3—8 的條件下，巖藻多糖在前 2 h 降解速率最快，較高的酸性條件對巖藻多糖的降解更顯著。

郭學平等 [31] 研究了過氧化氫降解法制備低分子玻璃質酸，并發現在中性 pH 下降解情況最佳，而在酸性和堿性條件下降解效果不明顯。本研究結果表明，在酸性、中性條件下改性的蘋果渣 SDF 含量并未增加，最大速率失重峰與蘋果渣 DTG 曲線中最大速率失重峰位置接近，顆粒表面結構與未改性的蘋果渣表面結構相似，表明在該條件下過氧化氫對蘋果渣幾乎沒有降解作用，與前人報道的過氧化氫在酸性、中性條件下也可降解多糖的結果不同。這可能與原料的不同有關，也可能與在該試驗條件下并未大量引發自由基有關。試驗結果表明，在堿性條件下，過氧化氫對蘋果渣具有顯著的降解作用，改性后的蘋果渣 SDF 含量顯著增加，由原來的 3.30%增加到 19.02%—28.32%，從結構分析上可以看出，經堿性過氧化氫處理后，蘋果渣最大速率失重峰的位置由 321℃前移至 249—257℃，說明經過堿性過氧化氫處理后，蘋果渣的結構被破壞，因此發生鍵斷裂時所需能量更少。超微結構也發生變化，蘋果渣的瓣膜狀空間網絡結構消失，轉變為較為緊密平滑的結構。這可能與過氧化氫在堿性條件下更易分解有關，Selig 等 [32] 發現過氧化氫在堿性條件下可以分解為高活性氧自由基，自由基可以攻擊木質素、半纖維素及纖維素分子側鏈，使其降解為成為低分子質量的化合物。

持水力、持油力、膨脹力能反映膳食纖維的生理功能和加工性質。與蘋果渣相比，堿性過氧化氫改性后，蘋果渣膳食纖維的持水力、膨脹力得到改善，這與 Sangnark 等 [20] 研究結果相同。Gould [17] 研究表明，過氧化氫劇烈分解，能破壞纖維素鏈之間的氫鍵，更多自由羥基暴露出來變得更有利于結合水分子，從而改善了纖維素的水合性質。然而，本研究發現，酸性中性過氧化氫及堿溶液處理也可改善膳食纖維的水合性質，這可能與處理過程中除去了包裹在纖維表面的脂類等物質有關。堿性過氧化氫處理后，蘋果渣持油力下降，此結果與 Sangnark 等 [33] 關于堿性過氧化氫處理能改善稻草膳食纖維持油力的研究結果不同。這可能與堿性過氧化氫處理后膳食纖維水合性質改善有關，極性基團暴露不利于結合油脂；也可能與蘋果渣堆積密度增大有關，堆積密度越大，膳食纖維孔隙度和毛細管引力越低，因而對油脂的物理截留作用減弱[23] 。本試驗中發現，改性蘋果渣的空間網絡消失，可能也是持油力下降的原因。

顏色是蘋果渣感官品質的重要參數，蘋果榨汁后果渣易發生褐變，需要對其漂白脫色，過氧化氫是常用蘋果渣脫色劑。過氧化氫在堿性介質中轉變成過氧氫陰離子（HO - 2 ），HO - 2 是活性漂白離子，能與共軛羰基結構反應破壞其發色基團起到消色的目的 [24] 。本研究結果也表明，蘋果渣經過堿性過氧化氫處理后，顏色得到顯著改善。此外，經過酸性、中性過氧化氫改性的蘋果渣，其顏色變暗，表明這 3 種處理對蘋果渣顏色有不利影響，且可能產生了新的生色基團，如羰基等。

3.2 過氧化氫濃度對改性效果的影響

過氧化氫濃度也是影響自由基產生的重要因素，自由基的產量與反應體系的過氧化氫濃度密切相關。在堿性條件下，當過氧化氫濃度為 0 時，蘋果渣 SDF含量并未增加，且熱重和超微結構的分析結果表明，蘋果渣的結構性質并未發生顯著變化，最大速率失重峰與原蘋果渣位置接近，且顆粒表面結構與原蘋果渣相似，這說明在該條件下，堿并未對蘋果渣產生較大的改性效果。隨著過氧化氫濃度從 0.5%增加至 2%時蘋果渣 SDF 含量顯著增加，這說明當反應體系中自由基產量逐漸增加時，氧化降解作用逐漸增強。隨著過氧化氫濃度的增加，改性蘋果渣最大速率失重峰的位置逐漸前移，顆粒結構更加細碎，表明其結構發生了更大程度的破壞。

過高濃度的過氧化氫可能不利于改性蘋果渣的部分理化性質。試驗結果表明，隨著過氧化氫濃度從 0增至 2%，改性蘋果渣的得率逐漸下降，可能是由于高濃度的過氧化氫將膳食纖維等大分子物質降解成單糖及低聚糖等小分子物質，溶于乙醇后被除去。隨著過氧化氫濃度的增加，蘋果渣膳食纖維的持水力先升高后降低，當使用 2%的過氧化氫處理后，持水力顯著下降，說明過高濃度的過氧化氫處理對持水力影響較大。

3.3 H 2 O 2 殘留量的評價

聯合國糧農組織/世界衛生組織食品添加劑專家委員會（JECFA）第 63 屇會議將過氧化氫認定為一般安全性物質，認為“過氧化物（如過氧化氫、過氧化乙酸、過氧化辛酸）均在體內能夠降解，其降解產物在食物的可食用期間的殘留不足以引起安全性的關注，因此沒有對殘留量做具體的規定”。目前，國際癌癥研究中心、美國 FDA 癌癥評估委員會均不認為過氧化氫具有致癌性、國際化學安全毒性信息專論稱，3%濃度的雙氧水對癌癥發生率沒有影響。目前中國還沒有相關過氧化氫殘留量的安全范圍標準。檢測結果表明，使用過氧化氫制備改性蘋果渣膳食纖維過程中，過氧化氫能有效分解，殘留量無法檢出。

4 結論

利用過氧化氫氧化降解作用，顯著地提高了蘋果渣中 SDF 含量，最高可達 28.32%。過氧化氫對蘋果渣膳食纖維的改性效果取決于 pH 和濃度，堿性條件下，過氧化氫能顯著改善蘋果渣膳食纖維的持水力、膨脹力、顏色等理化性質。與物理改性及酶法改性相比，堿性過氧化氫清潔高效，改性成本低，在果蔬加工副產物的綜合利用上具有優勢，是一種良好的膳食纖維改性方法。