0 引言

【研究意义】苹果渣是苹果浓缩汁加工副产物，其膳食纤维含量可达干物质的 60%以上，是一种良好的膳食纤维来源 [1] 。膳食纤维具有降低便秘、肥胖、心血管疾病、结肠癌、糖尿病等疾病的风险 [2] ，被誉为“第七大营养素”。膳食纤维的功能性质与可溶性膳食纤维（SDF）含量、持水力、持油力、膨胀力、粘性等理化性质密切相关 [3] 。因此，研究苹果渣膳食纤维改性技术，提高 SDF 含量、改善膳食纤维理化性质，对增强苹果渣膳食纤维功能性质、提高苹果渣附加值具有重要意义。【前人研究进展】目前，膳食纤维改性技术主要有物理法（挤压技术 [4-5] 、超高压技术 [6] 、超微粉碎技术 [7] ）、化学法（酸法、碱法 [8-9] ）、生物法（酶法 [10] 、发酵法 [11] ）和结合法 [12] 。陈雪峰 [4-5]等采用挤压技术提高苹果渣 SDF 含量，SDF 含量从3.47%提高到 16.96%，并发现挤压改性能显著改善苹果膳食纤维膨胀力、持水性。彭章普 [8] 、刘素稳 [12] 等优化了酸法、碱法及微波辅助法提取苹果渣 SDF 的工艺条件，最终 SDF 得率集中在 15%—20%。付成程等 [10] 采用木聚糖酶法改性，改性后苹果渣 SDF 提取率为 19.58%，所得 SDF 溶解性较高，滤渣的持水力与膨胀力均提高，超微结构变化较大。尽管苹果渣膳食纤维改性方法已多见报道，但物理改性需要特殊设备，化学改性效果较差，酶法改性价格昂贵，因此，简单高效的改性方法仍需探索。过氧化氢是一种清洁高效的氧化剂，其价格低廉，常用于苹果渣的漂白脱色 [13-14] 。

过氧化氢在降解多糖、脱除木质素、增加半纤维素溶解、改善纤维素水合性质等方面也具有良好作用 [15-22] 。覃彩芹等 [15] 采用过氧化氢氧化降解壳聚糖，制备出了特定分子量的壳聚糖。姚秀琼等 [16] 采用过氧化氢水溶液对大豆多糖进行降解，降解后大豆多糖的平均相对分子质量由 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] 报道了采用碱性过氧化氢法脱除甘蔗渣中木质素，发现制备的甘蔗渣具有良好的物理性质。Doner 等 [21] 采用碱性过氧化氢溶液从玉米纤维中提取半纤维素（阿拉伯木聚糖），发现过氧化氢的存在有助于促进半纤维素溶出。Rabetafika等 [22] 比较了 3 种从梨渣中提取半纤维素的方法，表明碱性过氧化氢法具有生产富含木糖的半纤维素潜力。【本研究切入点】尽管国内外的研究表明，过氧化氢具有潜在的提高苹果渣 SDF 含量、改善苹果渣理化性质的作用，然而目前将过氧化氢应用于苹果渣膳食纤维改性领域的研究未见报道。【拟解决的关键问题】本研究拟采用过氧化氢改性苹果渣膳食纤维，探讨过氧化氢 pH 和浓度对增加苹果渣 SDF 含量、改善理化性质的作用及对结构性质的影响，以期为过氧化氢改性苹果渣膳食纤维技术的应用提供理论依据。

1 材料与方法

试验于 2014 年 3—8 月在中国农业科学院农产品加工研究所进行。

1.1 试验材料

1.1.1 样品 苹果干渣（嘎啦、富士、红星混果榨汁后废弃物），由栖霞海升果业有限责任公司提供。旋风磨粉碎，过 60 目筛，密封常温保存备用。经检测，苹果渣中水分含量为 7.37%，灰分含量为 2.05%，蛋白含量为 8.23%，脂肪含量为 5.21%，淀粉含量为0.63%总膳食纤维含量为 64.08%。

1.1.2 仪器 Cyclotec 1093 型旋风磨（FOSS，丹麦），THZ-82A 水浴恒温振荡器（金坛荣华仪器制造有限公司，中国），pH-3B/3C 通用型酸度仪（济南创远仪器仪表有限公司，中国），CP 213 电子天平（奥豪斯仪器上海有限责任公司，中国），SHB-III 循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司，中国），Lindberg/Blue 马弗炉（Thermo Fisher，美国），Kjeltec2300 全自动凯氏定氮仪（FOSS，丹麦），Neofuge 15R台式高速冷冻离心机（Heal Force，香港），CR-300色差仪（Minolta，日本），Pyris Diamond TG/DTA 热重-差热综合分析仪（Perkin Elmer，美国），Quanta 200FEG 场发射环境扫描电子显微镜（FEI，美国），T6新世纪紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限公司，中国）。

1.1.3 主要试剂 30%过氧化氢、氢氧化钠、盐酸、无水乙醇、丙酮、高锰酸钾、二氧化钛（均为国产分析纯），玉米油（购于超市），硅藻土（545，Aladdin），双氧水快速检测试纸（无锡利尔捷生物科技有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 改性苹果渣的制备 配制一定浓度过氧化氢溶液，用氢氧化钠调节过氧化氢溶液的 pH。称取一定量苹果渣置于烧杯中，按照 1﹕20（g·mL -1 ）料液比加入已配制好的过氧化氢溶液，于 40℃水浴加热处理 2h。冷却至室温后，用 HCl、NaOH 溶液调节样品溶液pH 至中性。加入 4 倍体积 95%乙醇沉淀 2 h 后，过滤除去乙醇，沉淀物于 60℃烘箱内干燥 12 h。旋风磨粉碎，过 60 目筛，即得改性苹果渣。

1.2.2 过氧化氢溶液 pH 及浓度的设定 固定过氧化氢溶液浓度为 1%（w/v），料液比 1﹕20（g·mL -1 ），在溶液 pH 分别为 3.8（A）、7（B）、11.5（E）条件下改性，研究过氧化氢溶液 pH 对苹果渣膳食纤维理化及结构性质的影响。固定过氧化氢溶液 pH 为 11.5，料液比 1﹕20（g·mL -1 ），在过氧化氢溶液浓度分别为0%（C）、0.5%（D）、1%（E）、2%（F）条件下改性，研究过氧化氢溶液浓度对苹果渣膳食纤维理化及结构性质的影响。

1.2.3 改性苹果渣得率测定 称取2 g （精确至1 mg）苹果渣，质量记为 W 1 ，加入 40 mL 过氧化氢溶液。按照上述的改性处理方法，制得改性苹果渣，记录干燥后果渣的质量 W 2 。得率（%）=(W 2 /W 1 )×100。

1.2.4 膳食纤维测定 采用 AOAC.993.21 非酶重量法并加以改进。称取 3 份样品各 0.5 g（精确至 0.1 mg）于三角瓶中，加入 20 mL 蒸馏水，于 60℃水浴振荡 2h。对于 TDF，水浴振荡处理后，往样液中加入 4 倍体积 95%乙醇沉淀 2 h，将沉淀物全部转移至盛有酸洗硅藻土并已干燥至恒重的 G 2 砂芯坩埚内，抽滤，得总膳食纤维（TDF）残渣。对于不可溶性膳食纤维（IDF），水浴振荡处理后，将样液倒入盛有酸洗硅藻土并已干燥至恒重的 G 2 砂芯坩埚内，抽滤，分离IDF 和 SDF，再用 10 mL 蒸馏水洗涤残渣，抽滤，得IDF 残渣，合并两次滤液留待测 SDF。对于 SDF，往滤液中加入 4 倍体积 95%乙醇沉淀 2 h，将沉淀全部转移至盛有酸洗硅藻土并已干燥至恒重的 G 2 砂芯坩埚内，抽滤，得 SDF 残渣。抽滤所得 TDF、IDF、SDF 残渣均分别用 15 mL 78%乙醇、95%乙醇、丙酮各洗涤两次，130℃烘至恒重。取一份样品测定蛋白，取另一份样品测定灰分。膳食纤维含量（%）计算公式为：

其中，R 1 、R 2 、R 3 分别为 3 份样品残渣质量（mg）；S 1 、S 2 、S 3 分别为 3 份样品质量（mg）；P 为残渣中蛋白质质量（mg）；A 为残渣中灰分质量（mg）。

1.2.5 堆积密度测定 采用 Chau [23] 方法，在 10 mL刻度离心管中加入一定量的样品，底部轻轻地在实验台上敲击数次，直到样品水平线没有下降为止，记录样品质量 m 与体积 V。堆积密度（g·mL -1 ）=m/V。1.2.6 持水力测定 称取约 0.5 g（精确至 1 mg）样品，质量记为 W 3 ，于 50 mL 离心管中，加入 30 mL蒸馏水。漩涡震荡混匀，保证样品不结块。室温下静止 18 h 后，9 000 r/min 离心 15 min，弃去上清液，沉

淀质量记为 W 4 。持水力（g·g -1 ）=(W 4 -W 3 )/W 3 。

1.2.7 持油力测定 称取约 0.2 g（精确至 1 mg）样品，质量记为 W 5 ，于 10 mL 离心管中，加入约1.5 g 玉米油。漩涡震荡混匀，保证样品不结块。室温下静止 18 h 后，8 000 r/min 离心 10 min，弃去未结合的油脂，沉淀质量记为 W 6 。持油力（g·g -1 ）=(W 6 -W 5 )/W 5 。

1.2.8 膨胀力测定 采用床体积法：称取约 0.2 mL样品，体积记为 V 1 ，于 10 mL 刻度离心管中，记录样品质量 W 7 （g），加水至 10 mL。漩涡震荡混匀，保证样品不结块。室温下静止 18 h 后，记录膨胀体积V 2 。膨胀力（mL·g -1 ）=(V 2 -V 1 )/W 7 。

1.2.9 颜色测定 按照 El-Kadiri 等 [24] 方法，用色差仪测定样品颜色。根据 CIEL*a*b*表色系统，L*值表示亮度（0=黑色；100=白色），a*值表示红色（a*＞0）和绿色（a*＜0），b*值表示黄色（b*＞0）和蓝色（b*＜0）。色度=（a* 2 +b* 2 ） 1/2 ，表示颜色亮度或者饱和度，色度值越大，颜色越浓。色差=[(L 0 *-L*) 2 +(a 0 *-a*) 2 +(b 0 *-b*) 2 ] 1/2 ，表示颜色的变化程度，色差值越大，颜色与对照组差异越大。以未经处理的苹果渣颜色 L 0 *、a 0 *、b 0 *为对照组。

1.2.10 热稳定性分析 使用热重-差热综合分析

仪（TG/DTA）对样品的热失重过程进行分析。测试条件：升温速率，15℃·min -1 ；测试温度范围，40—550℃；样品质量，1—2 mg；氮气氛围，流量25 mL·min -1 ；铝坩埚。

1.2.11 超微结构分析 样品经过粘台、喷金等步骤后，于扫描电子显微镜高真空 6 kV 工作电压下观察，获取 1 000 倍显微照片。

1.2.12 过氧化氢残留量测定 参照 GB/T 23499—2009 食品中残留过氧化氢的测定方法对改性苹果渣膳食纤维中过氧化氢残留量进行检测，检出限为 0.5mg·kg -1 。

1.3 数据处理与分析

数据使用 SPSS17.0 软件进行描述统计、One-WayANOVA 模板进行单因素方差分析，结果显著性用LSD 法及 Duncan 检验。除热稳定性分析及超微结构分析外，每个试验均做 3 组平行。

2 结果

2.1 改性苹果渣得率

得率是评价改性方法的重要指标，过氧化氢改性苹果渣得率见表 1。苹果渣经过氧化氢处理后，得率为 75.11%—79.15%。所得物质主要是苹果渣醇不溶性物质，膳食纤维尤其是 SDF 被极大保留，溶于乙醇的小分子糖、脂类、酸及多酚等物质损失，损失率为20.85%—24.89%。经不同 pH 过氧化氢处理后，苹果渣 A、B、E 得率为 75.87%—77.70%。经不同浓度碱性过氧化氢处理后，苹果渣 D、E、F 得率为 75.11%—79.15%。过氧化氢浓度对改性苹果渣得率有显著性影响（P＜0.05），得率随着过氧化氢浓度升高而下降。

2.2 膳食纤维（TDF、IDF、SDF）含量

由表 1 可知，苹果渣经过氧化氢处理后，TDF 含量显著提高（P＜0.05），由原来的 64.08%增加到73.14%—81.79%，提高 12.39%—27.14%，这是由于乙醇沉淀等步骤，除去了苹果渣中小分子糖类及其他醇溶性物质，提高了 TDF 含量。pH 和过氧化氢浓度对 TDF 含量均有显著性影响（P＜0.05）。经酸性、中性过氧化氢处理后，苹果渣 A、B 的 TDF 含量较高，经碱性过氧化氢处理后，TDF 含量相对较低。在碱性条件下，TDF 含量随着过氧化氢浓度升高而降低。这与处理过程中添加氢氧化钠增加了过氧化氢体系中盐含量有关，导致 TDF 含量相对降低。

由表 1 还可知，经酸性、中性过氧化氢及碱溶液处理后，苹果渣 A、B、C 的 SDF 含量并未增加，经碱性过氧化氢处理后，苹果渣 D、E、F 的 SDF 含量显著增加（P＜0.05），由原来的 3.30%增加到 19.02%—28.32%，提高 476%—758%。随着碱性过氧化氢浓度升高，苹果渣 SDF 含量逐渐增加，IDF 含量逐渐下降，越来越多 IDF 向 SDF 转化。

2.3 持水力、膨胀力、持油力及堆积密度持水力、膨胀力、持油力及堆积密度的测定结果见表 2。

苹果渣经过氧化氢处理后，持水力、膨胀力得到改善（P＜0.05），持水力由原来的 5.67 g·g -1 提高到 6.33—8.16 g·g -1 ，提高 11.64%—43.92%，膨胀力由原来的4.86 mL·g -1 到 5.96—10.16 mL·g -1 ，提高 22.63%—109.05%。由样品 A、B、E 可知，相比酸性、中性条件，碱性过氧化氢显著地改善了苹果渣持水力及膨胀力（P＜0.05）。由样品 C—F 可知，随着过氧化氢浓度升高，苹果渣膨胀力逐渐升高，持水力先升高后下降，说明较高浓度碱性过氧化氢不利于持水力的改善。酸性、中性过氧化氢及碱溶液处理后，苹果渣 A、B、C 的持油力提高 17.14%—31.43%，而碱性过氧化氢处理后，苹果渣 D、E、F 的持油力下降至 0.78 g·g -1左右，降低 25.71%，且过氧化氢浓度对苹果渣持油力降低无显著性影响（P＞0.05）。

膳食纤维的物理性质与其颗粒大小及堆积密度具有重要关系。由表 2 可知，经过酸性、中性过氧化氢及碱溶液处理后，苹果渣 A、B、C 的堆积密度与原苹果渣相比无显著性差异（P＞0.05），约为 0.57g·mL -1 。苹果渣 D、E、F 堆积密度显著上升，升高约39.29%，表明碱性过氧化氢处理会增加苹果渣粉末的堆积密度。

2.4 颜色

颜色测定结果见表 3。L*值常作为评价过氧化氢脱色效果的指标，它直接反映膳食纤维的白度。过氧化氢溶液 pH 对苹果渣颜色有显著性（P＜0.05）影响。与原苹果渣 L 0 *值相比，经酸性、中性过氧化氢处理后，苹果渣 A、B 的 L*值显著降低，而经过碱性过氧化氢处理后，苹果渣 D、E、F 的 L*值升高，苹果渣的颜色变白。过氧化氢浓度对苹果渣颜色也有显著性（P＜0.05）影响。当使用过氧化氢浓度为 0%的碱溶液处理时，苹果渣 C 的 L*值显著降低，颜色变深。当使用浓度为 0.5%、1%、2%碱性过氧化氢处理后，苹果渣 D、E、F 的 L*值逐渐上升，a*、b*降低，色度逐渐降低，ΔE 逐渐升高，表明苹果渣的白度增加，红色及黄色减弱，饱和度降低，苹果渣颜色更白。

3 讨论

3.1 pH 对苹果渣膳食纤维改性效果的影响

大量的研究表明过氧化氢可以降解植物多糖，过氧化氢通过分解为高活性氧自由基，如超氧自由基（ ）和羟基自由基（·OH），攻击糖苷键促使多糖降解为低分子质量的化合物。pH 影响过氧化氢对多糖的降解效果。Miller [29] 使用了 0.1—10 mmol·L -1 的过氧化氢处理纤维素、羧甲基纤维钠、果胶、多聚半乳糖醛酸、木聚糖、阿拉伯半乳聚糖，表明过氧化氢能有效地降解植物多糖，在pH 6.5或pH 7.5降解速率较快。Hou 等 [30] 研究了过氧化氢降解岩藻多糖的反应条件，发现在 pH 3—8 的条件下，岩藻多糖在前 2 h 降解速率最快，较高的酸性条件对岩藻多糖的降解更显著。

郭学平等 [31] 研究了过氧化氢降解法制备低分子玻璃质酸，并发现在中性 pH 下降解情况最佳，而在酸性和碱性条件下降解效果不明显。本研究结果表明，在酸性、中性条件下改性的苹果渣 SDF 含量并未增加，最大速率失重峰与苹果渣 DTG 曲线中最大速率失重峰位置接近，颗粒表面结构与未改性的苹果渣表面结构相似，表明在该条件下过氧化氢对苹果渣几乎没有降解作用，与前人报道的过氧化氢在酸性、中性条件下也可降解多糖的结果不同。这可能与原料的不同有关，也可能与在该试验条件下并未大量引发自由基有关。试验结果表明，在碱性条件下，过氧化氢对苹果渣具有显著的降解作用，改性后的苹果渣 SDF 含量显著增加，由原来的 3.30%增加到 19.02%—28.32%，从结构分析上可以看出，经碱性过氧化氢处理后，苹果渣最大速率失重峰的位置由 321℃前移至 249—257℃，说明经过碱性过氧化氢处理后，苹果渣的结构被破坏，因此发生键断裂时所需能量更少。超微结构也发生变化，苹果渣的瓣膜状空间网络结构消失，转变为较为紧密平滑的结构。这可能与过氧化氢在碱性条件下更易分解有关，Selig 等 [32] 发现过氧化氢在碱性条件下可以分解为高活性氧自由基，自由基可以攻击木质素、半纤维素及纤维素分子侧链，使其降解为成为低分子质量的化合物。

持水力、持油力、膨胀力能反映膳食纤维的生理功能和加工性质。与苹果渣相比，碱性过氧化氢改性后，苹果渣膳食纤维的持水力、膨胀力得到改善，这与 Sangnark 等 [20] 研究结果相同。Gould [17] 研究表明，过氧化氢剧烈分解，能破坏纤维素链之间的氢键，更多自由羟基暴露出来变得更有利于结合水分子，从而改善了纤维素的水合性质。然而，本研究发现，酸性中性过氧化氢及碱溶液处理也可改善膳食纤维的水合性质，这可能与处理过程中除去了包裹在纤维表面的脂类等物质有关。碱性过氧化氢处理后，苹果渣持油力下降，此结果与 Sangnark 等 [33] 关于碱性过氧化氢处理能改善稻草膳食纤维持油力的研究结果不同。这可能与碱性过氧化氢处理后膳食纤维水合性质改善有关，极性基团暴露不利于结合油脂；也可能与苹果渣堆积密度增大有关，堆积密度越大，膳食纤维孔隙度和毛细管引力越低，因而对油脂的物理截留作用减弱[23] 。本试验中发现，改性苹果渣的空间网络消失，可能也是持油力下降的原因。

颜色是苹果渣感官品质的重要参数，苹果榨汁后果渣易发生褐变，需要对其漂白脱色，过氧化氢是常用苹果渣脱色剂。过氧化氢在碱性介质中转变成过氧氢阴离子（HO - 2 ），HO - 2 是活性漂白离子，能与共轭羰基结构反应破坏其发色基团起到消色的目的 [24] 。本研究结果也表明，苹果渣经过碱性过氧化氢处理后，颜色得到显著改善。此外，经过酸性、中性过氧化氢改性的苹果渣，其颜色变暗，表明这 3 种处理对苹果渣颜色有不利影响，且可能产生了新的生色基团，如羰基等。

3.2 过氧化氢浓度对改性效果的影响

过氧化氢浓度也是影响自由基产生的重要因素，自由基的产量与反应体系的过氧化氢浓度密切相关。在碱性条件下，当过氧化氢浓度为 0 时，苹果渣 SDF含量并未增加，且热重和超微结构的分析结果表明，苹果渣的结构性质并未发生显著变化，最大速率失重峰与原苹果渣位置接近，且颗粒表面结构与原苹果渣相似，这说明在该条件下，碱并未对苹果渣产生较大的改性效果。随着过氧化氢浓度从 0.5%增加至 2%时苹果渣 SDF 含量显著增加，这说明当反应体系中自由基产量逐渐增加时，氧化降解作用逐渐增强。随着过氧化氢浓度的增加，改性苹果渣最大速率失重峰的位置逐渐前移，颗粒结构更加细碎，表明其结构发生了更大程度的破坏。

过高浓度的过氧化氢可能不利于改性苹果渣的部分理化性质。试验结果表明，随着过氧化氢浓度从 0增至 2%，改性苹果渣的得率逐渐下降，可能是由于高浓度的过氧化氢将膳食纤维等大分子物质降解成单糖及低聚糖等小分子物质，溶于乙醇后被除去。随着过氧化氢浓度的增加，苹果渣膳食纤维的持水力先升高后降低，当使用 2%的过氧化氢处理后，持水力显著下降，说明过高浓度的过氧化氢处理对持水力影响较大。

3.3 H 2 O 2 残留量的评价

联合国粮农组织/世界卫生组织食品添加剂专家委员会（JECFA）第 63 屇会议将过氧化氢认定为一般安全性物质，认为“过氧化物（如过氧化氢、过氧化乙酸、过氧化辛酸）均在体内能够降解，其降解产物在食物的可食用期间的残留不足以引起安全性的关注，因此没有对残留量做具体的规定”。目前，国际癌症研究中心、美国 FDA 癌症评估委员会均不认为过氧化氢具有致癌性、国际化学安全毒性信息专论称，3%浓度的双氧水对癌症发生率没有影响。目前中国还没有相关过氧化氢残留量的安全范围标准。检测结果表明，使用过氧化氢制备改性苹果渣膳食纤维过程中，过氧化氢能有效分解，残留量无法检出。

4 结论

利用过氧化氢氧化降解作用，显著地提高了苹果渣中 SDF 含量，最高可达 28.32%。过氧化氢对苹果渣膳食纤维的改性效果取决于 pH 和浓度，碱性条件下，过氧化氢能显著改善苹果渣膳食纤维的持水力、膨胀力、颜色等理化性质。与物理改性及酶法改性相比，碱性过氧化氢清洁高效，改性成本低，在果蔬加工副产物的综合利用上具有优势，是一种良好的膳食纤维改性方法。