2021 年 4 月第 42 卷第 7 期
食品研究与开发
应用技术
—120
DOI ：10・12161/j ・issn ・1005—6521.2021・07・019
单螺杆挤压对苹果渣中水溶性膳食纤维的影响
杨哲，张海静，曹燕飞，张敏，李宏军*magneto
基金项目：山东省重点研发计划项目(2019GNC106076)
作者简介：杨哲(1997—)，女(汉)，硕士研究生，研究方向：农产品高
值化加工技术与设备。
*通信作者：李宏军(1968-)，男，教授，博士，研究方向：食品科学。
(山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博255049)
摘 要：利用挤压膨化技术对苹果渣进行预处理，研究挤压对苹果渣水溶性膳食纤维含量、物理结构的影响，优选出 最佳的苹果渣挤压工艺参数。采用响应面法对物料含水量、螺杆转速、套筒温度3个因素进行优化，通过粒径分析、扫
描电子显微镜(scanning electron microscope ，SEM )表征挤压膨化处理前后苹果渣物理结构的变化。结果表明：物料含
2012高考语文试卷及答案水量26%，螺杆转速160 r/min ，套筒温度110益为最佳挤压工艺，在此条件下测得的挤压苹果渣的水溶性膳食纤维
含量为8.64%，比未挤压提高98.17%。粒径分布图直观显示出挤压苹果渣粒径比苹果渣细，均匀度更好;SEM 图像对
比说明经过挤压处理，苹果渣呈现出多孔隙及疏松的结构。关键词：苹果渣；挤压工艺；响应面法；水溶性膳食纤维；物理结构
Effects of Single-screw Extrusion on Soluble Dietary Fiber in Apple Pomace
YANG Zhe , ZHANG Hai-jing , CAO Yan-fei , ZHANG Min , LI Hong-jun *
/ School of Agricultural Engineering and Food Science , Shandong University of Technology , Zibo 255049,
Shandong ， China )
Abstract : Apple pomace was pretreated by extrusion technology , and the effects of extrusion on the content of soluble dietary fiber , physical structure were studied optimizing the optimum extrusion process parameters for
apple pomace. The respon surface method was ud to optimize the three factors of water content , screw speed , and sleeve temperature. The changes of physical structure of apple pomace before and after extrusion were characterized by particle size analysis , scanning electron microscope (SEM ). The test results showed that
the optimal extrusion process was water content of 26% , screw speed of 160 r/min , and sleeve temperature of
110 益.The content of soluble dietary fiber in extruded apple pomace was 8.64% under the extrusion conditions , which was incread by 98.17% compared with apple pomace. The particle size distribution showed
that the particle size of extruded apple pomace was smaller than that of apple pomace and the uniformity was better. The comparison of SEM images showed that the surface of apple pomace was porous and the fiber became
loo after extrusion.
Key words : apple pomace ; extrusion process ; respon surface method ; soluble dietary fiber ; physical structure
引文格式：
杨哲，张海静，曹燕飞，等.单螺杆挤压对苹果渣中水溶性膳食纤维的影响[J].食品研究与开发，2021,42(7)： 120-125.
YANG Zhe ，ZHANG Haijing , CAO Yanfei , et al. Effects of Single-screw Extrusion on Soluble Dietary Fiber in Apple
Pomace[J].Food Rearch and Development , 2021, 42(7): 120-125.英语万能作文模板
苹果在被加工成果汁、果酱等产品的同时产生了 大量的生产副产物一苹果渣［1］。苹果渣富含可溶性
糖类、有机酸、纤维素等成分企具有果香味，适口性
好，是良好的饲料资源，但大部分果渣直接被废弃，对 环境造成严重的危害［3］。
挤压技术集混合、蒸煮于一体，且具有生产效率 高、对产品污染少等优点，因此广泛应用于食品行业。
根据国内外报道，杨俊峰［4］研究了双螺杆挤压膨化对
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苹果渣中果胶含量的影响，通过响应面法优化出了最
佳的挤压工艺条件。LIU 等问探讨了挤压桶内水分对苹 果渣的影响，通过对苹果渣进行了粒径分析、激光共
聚焦显微镜扫描及功能性质和多酚物质测定，表明了
挤压处理可以提高苹果渣的抗氧化活性。HUANG 等冋 基于响应面法，以水溶性膳食纤维含量为响应值，优化
出了单螺杆挤压处理橙渣的最佳工艺参数。LUIS 等［7］ 采用双螺杆挤压技术对橘皮纤维进行挤压改性，研究 了桶体温度、螺杆转速、水分含量3个变量对橘皮纤维
中膳食纤维组成的影响，发现挤出物中的水溶性膳食 纤维均明显增加，这表明挤压过程可以改善橘皮中膳 食纤维的组成，提高了橘皮纤维的利用率。
本研究以苹果渣为原料，采用单螺杆挤压机对其 进行预处理并通过响应面法优化挤压参数，以期优选
出水溶性膳食纤维含量更高的苹果渣挤压工艺条件， 并根据粒径分析、扫描电镜分析水溶性膳食纤维变化 机理，为苹果渣的资源化利用提供理论依据。
1材料与方法
1.1材料与试剂
苹果渣：山东省沂源康源生物科技有限公司；纤
维素酶(50 000U/g)：江苏锐阳生物科技有限公司；
95%乙醇、氢氧化钠(均为分析纯/：天津市致远化学试
剂有限公司。
1.2 仪器与设备
单螺杆挤压机(YJP 200)：山东理工大学农产品精
深加工实验室自组装；电子分析天平(WE204/02)：梅
特勒一托利多仪器有限公司；超声波清洗仪(KQ-
500B )：昆山市超声仪器有限公司；微型植物粉碎机
(FZ102)：上海岩征生物科技有限公司；低速大型多管
离心机(DL5-B )：上海安亭科学仪器厂；酸度计(PHS- 3C)：上海精密科学仪器有限公司；电热鼓风干燥箱
(101-3AB )：天津市泰斯特仪器有限公司；电热恒温水
浴锅(DZKW-S-6)：北京市永光明医疗仪器有限公司； 激光粒度仪(Mastersizer2000)：英国马尔文仪器有限公 司；场发射扫描电子显微镜(Apreos)：美国FEI 公司。
1.3 试验方法
1.3.1 挤压工艺流程
苹果渣粉寅调节物料含水量寅设置挤压参数寅
挤压膨化寅烘干寅粉碎寅挤压苹果渣粉寅组分分析
1.3.2 单因 素试验
1.3.
2.1 物料含水量的确定
准确称取2.0 kg 苹果渣，固定挤压机螺杆转速
160 r/min ，套筒温度110益，模孔直径10 mm，模孔数
121 —
量3个，分别取物料含水量为20%、23%、26%、29%、
32%对物料进行挤压膨化，研究物料含水量对苹果渣
中水溶性膳食纤维含量的影响。
1.3.
2.2 螺杆转速的确定
准确称取2.0 kg 苹果渣，固定挤压机套筒温度
110益，物料含水量26%，模孔直径10 mm，模孔数量3
个，分别取螺杆转速为120、140、160、180、200 r/min 对 物料进行挤压膨化，研究螺杆转速对苹果渣中水溶性 膳食纤维含量的影响。
1.3.
2.3 套筒温度的确定
准确称取2.0 kg 苹果渣，固定挤压机螺杆转速
160 r/min，物料含水量26%，模孔直径10 mm，模孔数
量3个，分别取套筒温度90、100、110、120、130益对物 料进行挤压膨化，研究套筒温度对苹果渣中水溶性膳 食纤维含量的影响。
1.3.3 响应 面试验设计
在单因素试验基础上，以物料含水量、螺杆转速、 套筒温度为自变量，水溶性膳食纤维含量为响应值，
采用响应面试验设计安排试验，试验因素水平编码见 表1。
表1试验因素水平及编码
Table 1 Experiment factors and levels
水平X 1物料含水量/%X 2螺杆转速/(r/min )X 3套筒温度/益
-1.6822112090-1
23
136
98
0261601101291841221.682
31
200
130
1.3.4 水溶性膳食纤维含量测定
参照麻佩佩冏的方法，准确称取1.000 0 g 苹果渣,
料水比1：25(g/mL )，调节pH 值至5.5，加12%纤维素 酶于60益下反应4h 保温30min ，离心取上层清液， 加入4倍体积的95%乙醇，静置过夜，抽滤，烘干后称
重即为水溶性膳食纤维含量。
1.3.5 粒径分析
将苹果渣和挤压苹果渣粉碎，过60目筛，采用激 光粒度仪测定挤压处理前后苹果渣粉的粒径分布，以 水为分散剂，设定颗粒折射率为1.500，分散剂折射率 为 1.330。
1.3.6扫描电子显微镜分析
样品经过冷冻干燥后喷金，在扫描电子显微镜下 观察苹果渣与挤压苹果渣的表面结构。
1.3.7半纤维素含量测定
参照刘超［9］的方法，取一定量去除果胶、木质素的
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苹果渣，按料液比1:15(g/mL)加入2mol/L的氢氧化钠溶液，在85益下超声90min后抽滤，取滤液，用乙酸调至pH6.0，离心后将沉淀烘干为半纤维素A，并在离心上清液中加入4倍体积的95%乙醇，静置离心后沉淀烘干为半纤维素B，称重即为半纤维素含量。
1.4数据处理
采用Design-ExpertV8.0.6软件进行回归模型分析和Origin Pro9.1软件作图。
2结果与分析
2.1单因素试验结果与分析
2.1.1 物料含水量对水溶性膳食纤维含量的影响
物料含水量对苹果渣水溶性膳食纤维含量的影响见图1。
物料含水量/%
图1物料含水量对苹果渣水溶性膳食纤维含量的影响Fig.1Effect of water content on content of soluble dietary fiber in
apple pomace
物料含水量在挤压过程中会影响物料受到的剪切力、挤压力和摩擦力。根据预试验，物料含水量低于20%时易造成挤压机内部物料焦糊堵塞，不能连续工作，故该试验选择物料含水量大于20%。由图1可知，随着物料含水量的增加，挤压苹果渣的水溶性膳食纤维含量呈现先升高后降低的趋势，当物料
含水量为26%时，挤压苹果渣中水溶性膳食纤维含量达到最大值&42%。物料含水量低于26%时，随着物料中水分的增加，挤压机筒内产生的蒸汽增多，物料的熔融状态好，使得物料在挤压机内充分混合挤压，有利于其分子间的部分化学键断裂，故苹果渣中水溶性膳食纤维含量随物料含水量增加而升高；当水分含量超过26%时，苹果渣中的水溶性膳食纤维含量随水分含量增加而降低，原因是物料含水量过高造成其在挤压机内受到的摩擦力减小，相应的剪切力和压力也会减小，导致不溶性膳食纤维大分子向小分子物质转化程度降低㈣。综合考虑，选择物料含水量为26%作为响应面优化的中间水平。
2.1.2螺杆转速对水溶性膳食纤维含量的影响
螺杆转速对苹果渣水溶性膳食纤维含量的影响见图2。
120140160180200
螺杆转速/(r/min)
图2螺杆转速对苹果渣水溶性膳食纤维含量的影响Fig.2Effect of screw speed on yield of soluble dietary fiber in
pomace
由图2可知，挤压苹果渣的水溶性膳食纤维含量随挤压机螺杆转速的增加呈现出先升高后降低的趋势。当螺杆转速为160r/min时，苹果渣中水溶性膳食纤维含量最高，挤出物状态最好，在此螺杆转速下，苹果渣在机筒内停留的时间足够长，受到充分的剪切力及挤压力的作用，苹果渣微粒变细，增加了苹果渣中纤维与水的接触面积，从而提高了水溶性膳食纤维的含量。当螺杆转速大于160r/min时，苹果渣中水溶性膳食纤维含量下降，这是因为螺杆转速过快，物料在挤压机内停留时间缩短，未能得到充分的剪切和挤压作用，分子键间的断裂程度受到影响［11］。因此，选择螺杆转速是160r/min作为响应面优化的中间水平。
2.1.3套筒温度对水溶性膳食纤维含量的影响
套筒温度对苹果渣水溶性膳食纤维含量的影响见图3。
90100110120130
套筒温度/益
图3套筒温度对苹果渣水溶性膳食纤维含量的影响
Fig.3Effect of sleeve temperature on content of soluble dietary
fiber in
pomace
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由图3可知，随着挤压机套筒温度的升高，苹果渣 的水溶性膳食纤维含量先升高后降低，当套筒温度
110益时，苹果渣的水溶性膳食纤维含量最高。套筒温
度低于110益时，随着套筒温度升高，水溶性膳食纤维
含量增加，因为适当的升高温度可以使苹果渣处于较
好的熔融状态，物料在高温作用的同时受到高剪切
力，其不溶性膳食纤维的分子键发生解聚问；当套筒温 度继续升高超过110益，温度过高容易造成物料中水
分蒸发，物料在机筒内容易焦糊结块，挤出过程不连
续，挤出物状态差，导致物料中水溶性膳食纤维含量 降低。故选择套筒温度110益为响应面优化试验的中 间 水平。
2.2 响应面试验结果
根据表1试验因素水平编码表进行中心组合试验
设计，对苹果渣中水溶性膳食纤维含量进行测定，具 体试验设计与结果如表2所示。
表2试验设计与结果
Table 2 Test arrangement and results
试验 号因素
Y 水溶性膳食
纤维含量/%
X 1物料含水量X 2螺杆转速X 3套筒温度1
111
展示设计培训6.58211
-
1 6.39
31-11
6.554
1-1-1 6.855-111
7.266-11
-17.02
7
-1-11
6.768-1-1
-1
6.669 1.68
00 5.98
10
-1.680
07.33110 1.6807.29
120-1.68
6.8513
accumulate00 1.687.191400-1.68
6.54
15
0008.11160008.47170008.45
180008.39190008.50
lifetime
20
0008.57210008.63
22
0007.7923
8.50
2.3 苹果渣水溶性膳食纤维含量的响应面结果分析
通过Design-ExpertV8.0.6软件对表2中试验结果进行拟合分析，获得回归方程如下：Y=8.38-0.27X 1+
123 —
0.086X 2 +0.098X 3 -0 .16X 1X 2 -0.058X 1X 3 +0.079X 2X 3 -222
0.62X 1-0.47X 2-0.54X 3。
挤压苹果渣水溶性膳食纤维含量的回归模型方 差分析见表 3。
表3挤压苹果渣水溶性膳食纤维含量的回归模型方差分析Table 3 Regression model analysis of variance of soluble dietary
注:***表示差异高度显著(P<0.001);**表示差异极显著(P<0.01)。
fiber content of extruded apple pomace
变异来源平方和自由度均方F 值P 值显著性模型
15.27
9
1.70
24.84<0.000 1***X 10.9610.9614.04
0.002 4**
X 20.10
10.10 1.470.246 3X 3
0.1310.13 1.92
0.189 0X 1X 20.21
10.21
3.000.106 8
X 1X 30.02710.0270.400.540 3X 2X 30.050
10.050
0.73
0.408 8
X
5.871 5.8785.98<0.000 1
***X ：
3.391 3.39
49.56<0.000 1***2X 3
4.52
1 4.5266.19<0.000 1
***
残差0.89130.068失拟
0.32
50.063
0.890.531 6
误差
0.5780.071
总变异
16.16
22
R 2=0.945 0R Adj =0.907 0
由表3可知，影响苹果渣的水溶性膳食纤维含量
的因素按照主次顺序为：物料含水量〉套筒温度〉螺杆222
转速。模型中因素X 1极显著，二次项X 1 ,X 2、X 3高度显
著，其它项不显著。通过方差分析，回归方程模型P <
0.000 1，即该模型高度显著，失拟项P=0.531 6>0.05不
显著，说明该回归模型是可行的。此模型的决定系数
R 2为0.945 0，表明苹果渣中水溶性膳食纤维含量的实
际值与预测值拟合度良好。 因此，该回归模型建立的 回归方程可以预测不同挤压因素组合处理苹果渣的
history
水溶性膳食纤维含量。
根据回归方程绘制响应面分析图，以确定物料含 水量、螺杆转速、套筒温度对苹果渣水溶性膳食纤维
含量的影响，响应曲面图如图4~图6所示。
由图4可知，当套筒温度恒定时，挤压苹果渣的水
溶性膳食纤维含量随螺杆转速的增加呈现先升高后 降低的趋势；当螺杆转速恒定时，物料中水溶性膳食
纤维含量随套筒温度的增加先升高后降低。 由图 5 可
知，当套筒温度恒定时，物料含水量的增加导致挤压 苹果渣的水溶性膳食纤维含量先升高后降低；当物料
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富、*如
图4螺杆转速和套筒温度的响应面图
Fig.4 Respon surface diagram of screw speed and sleeve
temperature
测值为&42%。根据实际条件及操作可行性，将挤压工
艺条件调整为：物料含水量26%，螺杆转速160 r/min,
套筒温度110益，在此条件下进行验证,3次平行试验 的试验结果平均值为&64%，实际操作处理的苹果渣national是什么意思
中水溶性膳食纤维的含量与模型预测值相对误差为
2.6%<5.0%，证明该模型可靠，具有实际应用价值。
2.5 挤压前后苹果渣的粒径分析
挤压前后苹果渣粒径分布见图 7。
迸*如
图5物料含水量和套筒温度的响应面图
Fig.5 Respon surface diagram of water content and sleeve
O
7.807.20
6.60
6.00
31
9.00—r
8.40-
崔*
如temperature
“ 23 21200187
1731二 3
图6物料含水量和螺杆转速的响应面图
Fig.6 Respon surface diagram of water content and screw speed
含水量恒定时， 苹果渣水溶性膳食纤维含量随套筒温
度的升高呈现先升高后降低的趋势。由图6可知，当 挤压机螺杆转速恒定时，随着物料含水量的增加，挤 压苹果渣水溶性膳食纤维含量先升高后降低；当物料
含水量恒定时，挤压苹果渣水溶性膳食纤维含量随着conveyance
螺杆转速的增加先升高后降低。
2.4 验证试验
该回归模型通过Design-Expert V8.0.6软件分析 处理，得出最优的挤压工艺参数组合为：物料含水量
2528%，螺杆转速163.42r/min ，套筒温度111.38益。在此
挤压工艺条件下，苹果渣中水溶性膳食纤维含量的预
horback8
6 4
2
o
挤压苹果渣
—苹果渣
0.01 0.1 1 10 100 1 000 10 000
粒径/滋m
图7挤压前后苹果渣粒径分布图
Fig.7 Particle size distribution of apple pomace and extruded
apple pomace
粒径大小是聚合物平均大小的间接测量［13］。 根据
Mastersizer2000得出的数据分析，苹果渣粉末的均匀
度为0.65，挤压苹果渣的均匀度为0.96，说明挤压预处
理可以使苹果渣粉末均匀度升高，使用性能更好。由
图7可以得出，挤压苹果渣的平均粒径82.10滋m，苹 果渣的平均粒径为225.80 滋m ，挤压苹果渣粒径显著
小于苹果渣粒径。因此，在挤压预处理剪切力的作用
下，苹果渣颗粒被剪切成更小颗粒，增大了物料的亲
水性，从而提高了苹果渣中水溶性膳食纤维的含量。
2.6 挤压前后苹果渣扫描电子显微镜分析
挤压苹果渣和苹果渣的扫描电镜图见图 8。
(a ).挤压苹果渣;(b ).苹果渣。
图8挤压苹果渣和苹果渣的扫描电镜图像
Fig.8 SEM images of extruded apple pomace and apple pomace
如图8所示，经挤压处理后的苹果渣呈现出明显 的孔隙，表面结构疏松［14］,
而未处理苹果渣有紧凑的纤
