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——苹果渣[1]。苹果渣富含可溶性糖类、有机酸、纤维素等成分[2]，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[5]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[6]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（50 000 U/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—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→调节物料含水量→设置挤压参数→挤压膨化→烘干→粉碎→挤压苹果渣粉→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 ℃，模孔直径10 mm，模孔数量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 ℃，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 ℃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 X1 物料含水量/% X2 螺杆转速/（r/min） X3 套筒温度/℃-1.682 21 120 90-1 23 136 98 0 26 160 110 1 29 184 122 1.682 31 200 130
1.3.4 水溶性膳食纤维含量测定
参照麻佩佩[8]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 ℃下反应4 h 保温30 min，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、木质素的苹果渣，按料液比1 ∶15（g/mL）加入2 mol/L 的氢氧化钠溶液，在85 ℃下超声90 min 后抽滤，取滤液，用乙酸调至pH 6.0，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 Pro 9.1 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。
图1 物料含水量对苹果渣水溶性膳食纤维含量的影响
Fig.1 Effect 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8.42%。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[10]。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。
图2 螺杆转速对苹果渣水溶性膳食纤维含量的影响
Fig.2 Effect 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160 r/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160 r/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160 r/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。
图3 套筒温度对苹果渣水溶性膳食纤维含量的影响
Fig.3 Effect of sleeve temperature on content of soluble dietary fiber in pomace
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 ℃时，苹果渣的水溶性膳食纤维含量最高。套筒温度低于110 ℃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[12]；当套筒温度继续升高超过110 ℃，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 ℃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/%X1 物料含水量 X2 螺杆转速 X3 套筒温度1 1 1 1 6.58-1 6.39 3 1 -1 1 6.55 4 1-1 -1 6.85 5 -1 1 1 7.26 6 -1 1 -1 7.02 7 -1 -1 1 6.76 8 -1 -1 -1 6.66 9 1.68 0 0 5.98 10 -1.68 0 0 7.33 11 0 1.68 0 7.29 12 0 -1.68 0 6.85 13 0 0 1.68 7.19 14 0 0 -1.68 6.54 15 0 0 0 8.11 16 0 0 0 8.47 17 0 0 0 8.45 18 0 0 0 8.39 19 0 0 0 8.50 20 0 0 0 8.57 21 0 0 0 8.63 22 0 0 0 7.79 23 0 0 0 8.50 2 1 1
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=8.38-0.27X1+0.086X2+0.098X3-0 .16X1X2-0.058X1X3+0.079X2X3-0.62
-0.47
-0.54
。
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 fiber content of extruded apple pomace
注：***表示差异高度显著（P＜0.001）；**表示差异极显著（P＜0.01）。
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 ***X1 0.96 1 0.96 14.04 0.002 4 **X2 0.10 1 0.10 1.47 0.246 3 X3 0.13 1 0.13 1.92 0.189 0 X1X2 0.21 1 0.21 3.00 0.106 8 X1X3 0.027 1 0.027 0.40 0.540 3 X2X3 0.050 1 0.050 0.73 0.408 8 X1 2 5.87 1 5.87 85.98 ＜0.000 1 ***2 3.39 1 3.39 49.56 ＜0.000 1 ***X2 2 4.52 1 4.52 66.19 ＜0.000 1 ***残差 0.89 13 0.068失拟 0.32 5 0.063 0.89 0.531 6误差 0.57 8 0.071总变异 16.16 22 X3 R2=0.945 0 R2Adj=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＞螺杆转速。模型中因素X1 极显著，二次项
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R2 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螺杆转速的增加先升高后降低。
图4 螺杆转速和套筒温度的响应面图
Fig.4 Response surface diagram of screw speed and sleeve temperature
图5 物料含水量和套筒温度的响应面图
Fig.5 Response surface diagram of water content and sleeve temperature
图6 物料含水量和螺杆转速的响应面图
Fig.6 Response surface diagram of water content and screw speed
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25.28%，螺杆转速163.42r/min，套筒温度111.38℃。在此挤压工艺条件下，苹果渣中水溶性膳食纤维含量的预测值为8.42%。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 ℃，在此条件下进行验证，3 次平行试验的试验结果平均值为8.64%，实际操作处理的苹果渣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。
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 μm，苹果渣的平均粒径为225.80 μm，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。
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维结构，表面紧密且排列具有规律性。该结果表明，具有紧密相连的组织的未挤压苹果渣分子在挤压机的剪切力和挤压力的作用下，表面结构发生改变，呈现出孔隙。苹果渣的结构经过挤压处理变得疏松，从而增大了苹果渣中水溶性膳食纤维分子与水分子的接触面积[15]，与苹果渣中水溶性膳食纤维含量的提高相对应。
2.7 挤压前后苹果渣中基本成分对比
压前后苹果渣中基本成分对比见图9。
图9 挤压前后苹果渣中基本成分对比
Fig.9 Comparison of basic ingredients in apple pomace and extruded apple pomace
由图9 所示，挤压苹果渣中水溶性膳食纤维含量为8.64%，相比原苹果渣中的4.36%提高了98.17%；挤压苹果渣中半纤维素含量为19.93%，相比原苹果渣中半纤维素的23.41%降低了14.87%。挤压预处理明显提高了苹果渣中水溶性膳食纤维的含量，降低了半纤维素含量，这主要是因为在挤压机高剪切力作用下，苹果渣中部分不溶性的半纤维素分子间化学键发生断裂，使其转化为水溶性膳食纤维，促进水溶性膳食纤维含量提高。
3 结论
以苹果渣为原料，通过单因素及响应面试验对物料含水量、螺杆转速、套筒温度3 个因素进行优化，得到的最佳挤压工艺参数为：物料含水量26%，螺杆转速160 r/min，套筒温度110 ℃。在此条件下，挤压苹果渣中水溶性膳食纤维含量达到8.64%，相比原苹果渣的4.36%，增加了98.17%。粒径和扫描电子显微镜分析结果表明：由于挤压机的高剪切力和高挤压力作用导致苹果渣中部分不溶的半纤维素分子键断裂转换为可溶性膳食纤维，挤压苹果渣的粒径较原苹果渣更细更均匀、结构变得疏松，增大了物料中膳食纤维与水的接触面积，提高了其亲水性，进而提高了水溶性膳食纤维含量。挤压预处理苹果渣明显地提高了水溶性膳食纤维含量，同时结构变得更疏松，为后期挤压苹果渣的微生物发酵利用奠定了基础。
[1] VENDRUSCOLO F,ALBUQUERQUE P M,STREIT F,et al.Apple pomace: a versatile substrate for biotechnological applications[J].Critical Reviews in Biotechnology,2008,28(1):1-12.
[2] SUN J,HU X,ZHAO G,et al.Characteristics of thin-layer infrared drying of apple pomace with and without hot air pre-drying[J].Food science and technology international,2007,13(2):91-97.
[3] PATHANIA S,SHARMA N,HANDA S.Utilization of horticultural waste(Apple Pomace) for multiple carbohydrase production from Rhizopus delemar F2,under solid state fermentation[J].Journal of Genetic Engineering and Biotechnology,2018,16(1):181-189.
[4] 杨俊峰.挤压膨化对苹果渣中果胶含量影响研究[J].食品工业,2018,39(2):144-147.
[5] LIU G, YING D Y, GUO B Y, et al. Extrusion of apple pomace increases antioxidant activity upon in vitro digestion[J].Food&Function,2019,10(2):951-963.
[6] Huang Y L,Ma Y S.The effect of extrusion processing on the physiochemical properties of extruded orange pomace [J]. Food Chemistry,2016,192:363-369.
[7] GARCIA-AMEZQUITAA L E,TEJADA-ORTIGOZAB V,PéREZCARRILLOC E, et al. Functional and compositional changes of orange peel fiber thermally-treated in a twin extruder[J].Food Science and Technology,2019,111:673-681.
[8] 麻佩佩.苹果渣膳食纤维的制备[D].西安:陕西科技大学,2013.
[9] 刘超.超声波辅助提取苹果渣中果胶、半纤维素和纤维素的研究[D].青岛:中国海洋大学,2011.
[10] 刘海英,刘静,徐莉莉.黑加仑果渣膳食纤维挤出改性工艺优化[J].黑龙江科技信息,2016(36):168-169.
[11] 陈雪峰,麻佩佩,李睿.挤压改性对苹果渣可溶性膳食纤维含量的影响[J].陕西科技大学学报(自然科学版),2013,31(1):70-72,89.
[12] JING Y,CHI Y J.Effects of twin-screw extrusion on soluble dietary fibre and physicochemical properties of soybean residue [J]. Food Chemistry,2013,138(2-3):884-889.
[13] SUCHETA, MISRA N N, YADAV S K. Extraction of pectin from black carrot pomace using intermittent microwave, ultrasound and conventional heating: Kinetics, characterization and process economics[J].Food Hydrocolloids,2020,102:105592.
[14] HARRISON M D,ZHANG Z Y,SHAND K,et al.Effect of pretreatment on saccharification of sugarcane bagasse by complex and simple enzyme mixtures[J].Bioresource Technology,2013,148:105-113.
[15] 李向阳,陈晓静,冉军舰.不同处理方法对苹果渣果胶品质特性的影响[J].粮食与油脂,2019,32(4):90-94.