全 文 ： 超临界 CO2处理对苦杏仁皮不溶性膳食纤维部分特性的影响

张清安 1, 范学辉 1, 2，牟朝丽 3，宋云 1，唐荣桢 1
（1. 陕西师范大学 食品工程与营养科学学院，西安 710062；2. 陕西师范大学 生命科学学院，
西安 710062; 3. 陕西师范大学 化学与化工学院，西安 710062）

摘 要：为研究超临界CO2处理对苦杏仁皮不溶性膳食纤维部分特性的影响，以膳食纤维的持水
力和膨胀力为响应值，超临界CO2处理的压力、时间和温度等参数为变量，采用响应面优化法对
超临界处理参数进行了优化。结果表明：在本研究实验条件下，经超临界CO2处理后膳食纤维的
持水力和膨胀力分别有5.6%-44.13%和5.3%-38.5%的提高幅度；而且颜色变浅、颗粒更细, 内
部螺旋结构遭到一定程度破坏。表明超临界CO2处理可以作为对不溶性膳食纤维进行适当改性的
有效方法。
关键词：苦杏仁皮; 膳食纤维; 超临界CO2; 持水力; 膨胀力
中图分类号: TS 255.6 文献标志码: A
Effect of supercritical CO2 treatment on the properties of insoluble
dietary fiber from Apricot kernel skins
ZHANG Qing-an 1, FAN Xue-hui 1,2, MOU Zhao-li3, SONG Yun1, TANG Rong-zhen1
(1. School of Food Engineering and Nutritional Science；2. School of Life Sciences; 3. School of
Chemistry and Chemical Engineering, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China)
Abstract: In this paper, in order to study the effect of supercritical CO2 treatment on the properties
of insoluble dietary fiber from Apricot kernel skins, the main parameters, such as pressure, time and
temperature, were optimized using response surface methodology according to a three-variable,
three-level Box-Behnken design with the water-holding capacity and swelling capacity as the
responses. Under the experimental conditions, the results suggest that the water-holding capacity and
swelling capacity of the insoluble dietary fibers with supercritical CO2 treated were increased by
5.6%-44.13% and 5.3%-38.5%, respectively. On the other hand, observations conducted on the color
and morphology by Scanning Electron Microscope demonstrated that the color got lighter, the
particles’ size decreased, and the microstructure changed obviously after supercritical CO2 treatment,
which contributed to the improvement of water-holding capacity and swelling capacity. In a word,
supercritical CO2 treatment could be used as an efficient technique to improve some properties of
insoluble dietary.
Key words: apricot kernel skin; dietary fiber; supercritical CO2; water-holding capacity; swelling

基金项目：国家自然科学基金资助项目(31101324); 陕西省自然科学基金资助项目(2011JQ2003); 西安市科技局
技术转移促进工程 CXY1434(7); 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(GK201302039 GK201404006)。
通讯作者：张清安（1976-），男，博士（后），副教授，从事功能食品开发和食品加工过程控制方面研究。E-mail:
qinganzhang@snnu.edu.cn
2015-01-06
1
网络出版时间：2015-01-07 14:49
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2206.TS.20150107.1449.049.html
capacity
膳食纤维被称为人类第七大营养素,对促进人体健康起着重要作用，是一类比较
理想的功能性食品原料[1,2]。膳食纤维按溶解性可分为水不溶性膳食纤维（Insoluble
Dietary Fiber, IDF）和水溶性膳食纤维（Soluble Dietary Fiber, SDF）两大类；前者主
要作用于肠道产生机械蠕动作用，而后者则更多发挥代谢功能且在持水力、膨胀力、
持油力等特性方面均优于前者，具有理想的食品加工特性[3,4]。因此，SDF 含量成了
影响膳食纤维生理功能的一个重要因素。
鉴于天然膳食纤维中 SDF 含量较低，因此近年来有很多学者一直致力于膳食纤
维改性研究，目的是使不溶性膳食纤维中致密的空间网状结构变为疏松的空间网状
结构，从而增加其持水力、膨胀力等并提高其生物活性[5-7]。目前已报道的膳食纤维
改性方法主要有挤压蒸煮处理[8-13]、超微粉碎处理[14]、高压处理[15-17]和超临界二氧
化碳处理[12, 18]等物理方法以及酸碱化学处理法[19, 20]、微生物发酵法[21, 22]和酶法
[23-25]、或者几种方法相结合处理法[26]。
以上处理膳食纤维改性的方法各有利弊，相比较而言超临界 CO2处理不但可以
明显增加膨胀力、持水力，不引起膳食纤维过度降解或破坏，并且省时、绿色环保，
因此引起了科研人员的关注[18]。
苦杏仁皮为杏仁加工过程的副产物，含量占杏仁总量的 2%-5%左右，目前主要
作为辅料添加在饲料中，不仅价格低（1 元/kg 左右），而且很难找到买家，所以杏
仁加工厂往往将杏仁皮随意处置，既污染环境又浪费资源；苦杏仁皮除含有少量黄
酮类、苦杏仁苷、多糖等成分外，还含有丰富的纤维素、半纤维素、木质素等膳食
纤维，因此对其开发利用具有重要的实际应用价值。
本实验以苦杏仁皮中不溶性膳食纤维为研究对象，采用超临界CO2对其进行改性
处理，通过比较处理前后不溶性膳食纤维膨胀力、持水力和微观结构等的变化，研究
超临界CO2处理对苦杏仁皮不溶性膳食纤维特性的影响，为提高杏仁资源的综合利用
程度及价值提供有益参数。
1 材料与方法
1.1 实验材料与设备
苦杏仁皮：由陕西天寿杏仁食品有限公司提供。
氢氧化钠、盐酸、双氧水：天津市科密欧化学试剂有限公司产品，均为分析纯。
JA2003N电子天平：上海精密科学仪器有限公司；101型电热鼓风干燥箱：北京
科伟永兴仪器有限公司；KQ3200B超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司；FW400A
高速万能粉碎机：北京科伟永兴仪器有限公司；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵：郑州
长城科工贸有限公司；SFE-2超临界CO2萃取装置：美国应用分离公司；Quanta200环
境扫描电镜：荷兰Philips-FEI公司。
2015-01-06
2
1.2 杏仁皮不溶性膳食纤维的制备
取 60 目的苦杏仁皮粉 25 g 于烧杯中，加入浓度为 0.20 mol/L NaOH 溶液 500
mL，在 50℃条件下，超声处理 60 min 后过滤并向滤渣中加入 100 mL 蒸馏水，用
盐酸调节悬浮液 pH 至中性后，加入双氧水 75 mL，在 75℃下脱色 1 h; 悬浮液经过
滤得滤饼，滤饼再经洗涤、干燥即得杏仁皮不溶性膳食纤维。
1.3 超临界 CO2处理对苦杏仁皮不溶性膳食纤维理化性质的影响
1.3.1 超临界CO2处理参数的设计及优化
经过前期单因素预实验，研究者发现超临界压力、时间和温度对苦杏仁皮不溶性
膳食纤维的性质有较大影响，因此本论文确定用以上三个参数为因素，分别以 30、
40、50 MPa, 50、70、90 min 和 30、40、50 °C 为其对应的三个水平，并以持水力和
膨胀力为响应值，选用响应面法中 BBD (Box Behnken Design)设计（见表 1）优化超
临界处理工艺参数。
1.3.2 超临界CO2处理对苦杏仁皮不溶性膳食纤维持水力和膨胀力的影响
苦杏仁不溶性膳食纤维持水力和膨胀力的测定，参考[15,18]文献中所述相关方
法。
1.3.3 超临界 CO2处理对苦杏仁皮不溶性膳食纤维颜色及形貌特征的影响
用数码相机对苦杏仁皮不溶性膳食纤维进行拍照，以观察不同超临界 CO2处理方
式对其颜色的影响。为研究超临界 CO2作用下对苦杏仁皮不溶性膳食纤维微观结构的
影响，采用环境扫描电镜对其进行了形貌观察。取适量膳食纤维样品，将其平铺在已
经贴好静电纸的座台上，保证每座台上平铺较薄一层样品，后用环境扫描电镜在 15 Pa
低真空模式和 20 kV 操作电压条件下扫描观察。
2 结果与分析
2.1 三因素三水平 BBD 实验设计方案及结果分析
为优化超临界 CO2对苦杏仁皮不溶性膳食纤维处理工艺参数，以持水力和膨胀
力为响应值，以超临界压力、时间和温度三个参数为变量，其响应面设计与结果如
表 1 所示。
2.2 响应面二次回归模型建立及分析
由表2可看出，X1、X2、X3和X11系数分别在p<0.01或p<0.05水平上有（极）显
著差异，表明在拟合模型中它们所对应的变量起重要作用，而其它因素影响不显著
(p>0.05)。模型P等于0.0002，相关系数R2等于0.9694，调整系数R2为0.9300，表明所
建立模型能充分代表所优化变量之间的关系，测定值和模型预测值间有良好的相关
性。2.67%的变异系数说明模型的重现性很好，可以用该模型优化超临界CO2处理苦
杏仁皮不溶性膳食纤维的持水力。
2015-01-06
3
就不溶性膳食纤维的膨胀力来说，表3结果显示X1系数在p<0.05水平上有显著差
异，表明在拟合模型压力因素起重要作用，而其它因素如超临界CO2处理温度、时
间和压力、温度、时间的交互作用以及压力、时间、温度的二次项对苦杏仁皮膨胀
力的影响均不显著(p>0.05)。模型P为0.0441，相关系数R2等于0.8326，表明可以用
该模型很好解释数据的变异性，而且测定值和模型预测值间有良好的相关性。4.21%
的变异系数说明模型的重现性很好，可以用该模型优化超临界CO2处理苦杏仁皮不
溶性膳食纤维的膨胀力。
利用软件将表1中相关数据进行拟合，所得持水力、膨胀力的二次回归模型为：
Y 持水力=5.72+0.63X1+0.41X2+0.21X3-0.07X1X2+0.08X1X3+0.17X2X3
+0.36X12+0.13X22+0.01X32
Y膨胀力=3.65+0.15X1-0.11X2+0.12X3+0.07X1X2-0.14X1X3+0.11X2X3
+0.09X12+0.27X22-0.06X32
表 1 响应面分析方案设计及实验结果
Table 1 Response surface analysis design and results
表 2 持水力回归模型方差分析和显著性检验
Table 2 Estimated regression coefficients and analysis of variance( ANOVA) for the model
参数 估计系数 自由度 平方和 F 值 P 值
截距
X0 5.72 1
一次项
X1 0.63 1 3.140 124.10 <0.0001
X2 0.41 1 1.310 51.94 0.0002
X3 0.21 1 0.340 13.47 0.0000

序号
因素
X1 X2 X3 持水力（g/g) 膨胀力(mL/g)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
-1 (30MPa)
1(50)
-1
1
-1
1
-1
1
0(40)
0
0
0
0
0
0
0
0
-1 (50min)
-1
1 (90)
1
0 (70)
0
0
0
-1
1
-1
1
0
0
0
0
0
0 (40°C)
0
0
0
-1(30)
-1
1(50)
1
-1
-1
1
1
0
0
0
0
0
5.30
6.45
6.10
6.97
5.22
6.56
5.47
7.12
5.33
5.96
5.42
6.71
5.70
5.80
5.65
5.68
5.75
4.00
4.07
3.83
4.17
3.17
3.83
3.83
3.93
4.13
3.50
4.00
3.83
3.67
3.67
3.83
3.50
3.60
2015-01-06
4
二次项
X11 0.36 1 0.050 21.99 0.0022
X22 0.13 1 0.067 2.640 0.1485
X33 0.01 1 0.000 0.029 0.8690
交互项
X12 -0.07 1 0.020 0.750 0.4075
X13 0.08 1 0.024 0.950 0.3020
X23 0.17 1 0.110 4.310 0.0765
模型 9 0.620 24.60 0.0002
R2 0.9694 校正 R2 0.9300
C.V. % 2.67
表 3 膨胀力回归模型方差分析和显著性检验
Table 3 Estimated regression coefficients and ANOVA for the model
参数 估计系数 自由度 平方和 F 值 P 值
截距
X0 3.65 1
一次项
X1 0.15 1 0.170 6.680 0.0362
X2 -0.11 1 0.095 3.690 0.0960
X3 0.12 1 0.120 4.500 0.0715
二次项
X11 0.09 1 0.018 0.710 0.4268
X22 0.27 1 0.078 3.060 0.1236
X33 -0.06 1 0.053 2.070 0.1938
交互项
X12 0.07 1 0.010 2.070 0.1936
X13 -0.14 1 0.022 2.550 0.1540
X23 0.11 1 0.022 2.550 0.1540
模型 9 0.180 3.870 0.0441
R2 0.8326
C.V. % 4.21
与未经处理的苦杏仁皮水不溶性膳食纤维相比，在实验条件下经超临界CO2处理
后，其持水力从4.94 g/g提升到5.22-7.12 g/g之间，持水力提升率为5.6%-44.13%；膨胀
力从3.01mL/g提升到3.17-4.17mL/g，膨胀力提升率为5.3%-38.5%。表明超临界CO2处
理确实能促进苦杏仁皮不溶性膳食纤维持水力和膨胀力的提高，而且不同处理参数对
苦杏仁皮水不溶性膳食纤维的持水力和膨胀力的影响有较大差异。因此，对其处理工
艺参数进行优化是必要的。
对上述回归方程求偏导数，解各自对应的三元一次方程组，得出持水力对应的3
个变量最优试验点( X1、X2、X3)的水平代码值分别为-0.68、-0.75、-1.68，其超临界
CO2压力、时间和温度的最优工艺参数分别为：32.5 MPa、56.4 min和23.2 ℃；对膨
胀力其水平代码值分别为0、0、1，实际对应值分别为40 MPa、70 min和50 ℃。由以
上结果可以看出，在实验条件下超临界CO2处理温度对苦杏仁皮不溶性膳食纤维的持
水力和膨胀力的影响不存在一致性，而压力和时间对其影响基本一致。因此，在实际
2015-01-06
5
生产工作中有必要对这些参数做进一步的优化。
2.3 因素交互影响分析
响应面法不仅能描述各因素对响应值的影响，还能很好描述各因素间的相互关
系。为研究变量间的交互作用及其对响应值（持水力和膨胀力）的影响，保持三个
变量中的一个变量为 0 水平，而另外两个变量在[-1 1]水平间变化，用上述拟合方程
做出如图 1 所示三维图。
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
5.1
5.625
6.15
6.675
7.2
持水
力


压力 A:
时间 B: -1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
5.2
5.7
6.2
6.7
7.2
持水
力


压力 A: 温度 C:

-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
5.3
5.675
6.05
6.425
6.8
持水
力


时间 B:
温度 C: -1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
3.5
3.6775
3.855
4.0325
4.21
膨
胀
力


压力 A:
时间 B:
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
3.17
3.36
3.55
3.74
3.93
膨胀
力


压力 A: 温度 C:
-1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00 -1.00
-0.50
0.00
0.50
1.00
3.42
3.5975
3.775
3.9525
4.13
膨胀
力


时间 B:
温度 C:

图 1 超临界 CO2各条件参数与响应值间的作用图
2015-01-06
6
Fig. 1 Response surface plots for interactions between water-holding capacity, swelling capacity and
variables
由图 1中各变量与响应值间的相互作用可知，无论对持水力还是膨胀力，超临
界 CO2压力条件对其影响最大，其次分别为超临界 CO2温度和时间。温度与时间、
温度与压力、时间与压力对响应值的影响有一定交互作用，但效果不明显，这与表
2、表 3 中相关统计分析结果基本一致。
2.4 超临界 CO2处理对苦杏仁皮水不溶性膳食纤维颜色及形貌特征影响

(a) 未处理 (b) 50MPa-50℃-90min处理
图 2 苦杏仁皮不溶性膳食纤维照片
Fig. 2 Pictures of insoluble dietary fiber from Apricot kernel skins
由图2可以看出，未经处理的苦杏仁皮水不溶性膳食纤维为淡黄色颗粒，而经过
超临界 CO2 处理后的水不溶性膳食纤维颜色变浅，颗粒更细、粒径分布更均匀。其
可能原因为：一方面是超临界 CO2提取了杏仁皮水不溶性膳食纤维中的部分色素类物
质，从而使其颜色变淡；另一方面超临界压力作用条件下，部分膳食纤维的聚合度下
降、分子链被切断或降解，微观结构改变，最终颗粒大小也随之变化[18]。

(a) 未经处理 (b) 50MPa-50℃-90min 处理
图 3 苦杏仁皮膳食纤维扫描电镜图（×2500）
2015-01-06
7
Fig. 3 SEM of insoluble dietary fiber from Apricot kernel skins
图 3 为扫描电镜下观察到的苦杏仁皮水不溶性膳食纤维的形貌图。可以看出未经
处理的苦杏仁皮水不溶性膳食纤维内部呈规则的螺旋结构，结构稍显紧密；但经过超
临界 CO2处理后其内部螺旋结构变得较为松散、不规则，甚至有部分螺旋结构明显消
失或破坏。说明超临界 CO2处理对杏仁皮水不溶性膳食纤维持水力和膨胀力的影响可
能是通过改变其微观结构而实现的。
3 结论
作为人类对人类健康有重要作用的第七大营养素—膳食纤维，其持水力、膨胀力
等指标是衡量该膳食纤维生物活性功能的重要指标。本研究利用苦杏仁加工副产物—
苦杏仁皮为原料制备了水不溶性膳食纤维，并首次用超临界CO2对苦杏仁皮膳食纤维
进行了改性研究。结果表明，在实验条件下经超临界CO2处理后其持水力从4.94g/g提
升到5.22-7.12g/g之间，提升率为5.6%-44.13%，膨胀力从3.01mL/g提升到3.17-4.17
mL/g，提升率范围为5.3%-38.5%。这些结果表明，超临界CO2处理确实能促进苦杏仁
皮不溶性膳食纤维持水力和膨胀力的提高。形貌观察表明，超临界CO2处理对杏仁皮
水不溶性膳食纤维持水力和膨胀力的影响可能是通过改变其微观结构而实现的。超临
界CO2处理可以作为膳食纤维改性的一种有效方法。


参考文献
[1] 肖春玲. 人类的第七大营养素: 膳食纤维[J]. 中国食物与营养, 2001，(1): 54-55.
[2] 魏丹. 荸荠果皮膳食纤维提取工艺的研究[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2007.
[3] 张艳荣, 王大为, 祝威. 高品质玉米膳食纤维生产工艺的研究[J]. 食品科学, 2004, 25(9):
213-217.
[4] SUDHA M L, BASKARAN V, LEELAVATHI K. Apple pomace as a source of dietary fiber and
polyphenols and its effect on the rheological characteristics and cake making[J]. Food chemistry, 2007,
104: 686-692.
[5] 欧阳玲花. 绿色木霉发酵提取柠檬皮膳食纤维及其毒理学研究[D]. 成都: 四川农业大学,
2006.
[6] 郑晓杰, 牟德华. 膳食纤维改性的研究进展[J]. 食品工程, 2009, (3):5-8.
[7] 朱国君, 赵国华. 膳食纤维改性研究进展[J]. 粮食与油脂, 2008, (4): 40-42.
[8]陈雪峰, 吴丽萍. 挤压改性对苹果膳食纤维物理化学性质的影响[J]. 食品与发酵工业, 2005,
31(12): 57-60.
[9]徐红华, 许岩, 肖志刚. 不同挤压膨化条件对稻麸中可溶性膳食纤维含量的影响[J]. 食品科
技, 2004, (12): 89-90, 94.
[10] 叶发银, 汪美凤, 刘嘉, 等. 挤压处理番茄皮膳食纤维的化学组成与结构[J]. 食品科学
2014, 35(13): 43-48.
[11] JING Yan, CHI Yujie. Effects of twin-screw extrusion on soluble dietary fibre and
physicochemical properties of soybean residue[J]. Food Chemistry, 2013, 138(2/3): 884-889.
[12] WANG Yuanyuan, RYU G H. Physicochemical and antioxidant properties of extruded corn grits
2015-01-06
8
with corn fiber by CO2 injection extrusion process[J]. Journal of Cereal Science, 2013, 58(1): 110-116.
[13] 杜冰, 黄守耀, 姜龙波, 等. 双螺杆挤压对绿豆皮中膳食纤维的改性研究[J]. 食品工业科技,
2012, 33(10): 170-174.
[14] 蓝海军, 刘成梅. 大豆膳食纤维的湿法超微粉碎与干法超微粉碎比较研究[J]. 食品科学,
2007, 28(6): 171-174.
[15] 刘成梅, 刘伟, 万婕. 瞬时高压作用对膳食纤维可溶性的影响[J]. 食品科学, 2005, 26(8):
110-113.
[16] 涂宗财, 陈丽莉, 王辉, 等. 发酵与动态高压微射流对豆渣膳食纤维理化特性的影响[J]. 高压
物理学报, 2014, 28(1): 113-119.
[17] 李雁, 熊明洲, 尹丛林, 等. 红薯渣不溶性膳食纤维超高压改性[J]. 农业工程学报，2012, (19):
270-278.
[18] 王大为, 丰艳，李毅丽，等. 超临界CO2处理对米糠纤维物性的影响[J]. 食品科学, 2010, 31(13):
143-147.
[19] 陈存社, 董银卯, 赵华, 等. 苹果膳食纤维改性实验研究[J]. 食品工业科技, 2003, (6): 34-35.
[20] 陈雪峰, 倪娜, 张振华. 苹果膳食纤维中半纤维素A的硫酸酯化改性[J]. 食品与发酵工业,
2011, 37(1): 86-88.
[21] 涂宗财, 李金林. 微生物发酵法研制高活性大豆膳食纤维的研究[J]. 食品工业科技, 2005,
26(5): 49-50.
[22] 李凤敏. 微生物酶法生产高活性膳食纤维的研究[D]. 长春: 东北师范大学, 2003.
[2314]姚文华, 胡玉宏. 酶法制备枣膳食纤维与应用的研究[J]. 食品科学, 2007, 28(1): 139-142.
[2415]胡叶碧, 王璋. 纤维素酶和木聚糖酶对玉米膳食纤维组成和功能特性的影响[J]. 食品工业科
技, 2006, 27(11): 103-105.
[25]林娈, 蔡英英. 茶渣膳食纤维的酶法改性研究[J]. 河南工业大学学报(自然科学版), 2014, 35(1):
64-68.
[26] 徐广超, 姚惠源. 豆渣水溶性膳食纤维制备工艺的研究[J]. 河南工业大学学报(自然科学版),
2005, 26(1): 54-57.

2015-01-06
9