機械球磨處理對方竹筍全粉理化特性及微觀結構的影響

方竹(Chimonobambusa quadrangularis)屬禾本科竹亞科寒竹屬植物，主要分布于中國、日本、印度和馬來西亞等地。其中，被譽為“世界一絕、中國獨有”的金佛山方竹是世界竹類中的特有品種，集中分布于重慶市南川區(qū)、萬盛經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和貴州省桐梓縣近鄰的金佛山林區(qū)以及云南省鎮(zhèn)雄縣[1]。方竹筍因其形態(tài)方正，肉厚鮮美，營養(yǎng)豐富，被譽為“竹筍之冠”，其富含蛋白質(zhì)、氨基酸、膳食纖維、維生素等營養(yǎng)成分。然而，由于新筍易褐變和木質(zhì)化，采摘后不能長期保存，故有60%以上的鮮筍均被加工為筍干、清水筍、發(fā)酵筍等產(chǎn)品[2-3]。加工過程中會產(chǎn)生筍頭、筍腳等副產(chǎn)物，其占比高達原料的50%以上，這些副產(chǎn)物除小部分被加工為飼料外，大都被隨意丟棄，造成原料浪費和環(huán)境污染[4]。關于竹筍加工副產(chǎn)物利用的研究，目前主要集中于膳食纖維、多糖、黃酮等功能活性成分的提取[5-7]，缺乏資源綜合利用方面的研究，極大地限制了其高值化利用及工業(yè)化產(chǎn)品的開發(fā)。

機械球磨是一種新型超微粉碎技術，在食品加工中的應用日漸廣泛。其主要原理是利用外部機械力，在高轉(zhuǎn)速條件下使樣品顆粒、研磨罐和研磨球之間產(chǎn)生碰撞、摩擦和剪切等綜合作用，實現(xiàn)顆粒的變形、斷裂、微粉化[8]。研究表明，機械球磨處理能最大程度地保留植物性原料的營養(yǎng)成分，提高其生物活性[9]。在大顆粒原料粉碎至微粉的過程中，其形態(tài)特征變化不僅影響物料粒徑和粒度分布，也影響物料有效成分的功能或性質(zhì)，例如改善柑橘全果粗漿流變特性[10]、使燕麥麩蛋白粉表現(xiàn)出較低的儲能和損耗模量[11]、增強蜂花粉的抗氧化作用[12]等。目前機械球磨技術可用于竹筍膳食纖維的改性[13]，但利用球磨技術制備竹筍超微全粉的研究較少，機械球磨處理對方竹筍全粉(Chimonobambusa quadrangularis powderm，CQP)理化特性及微觀結構的影響尚不清楚。因此，本研究以方竹筍加工副產(chǎn)物為原料，采用機械球磨處理得到方竹筍超微全粉，測定處理前后其基本成分、粒徑、持水力等理化性質(zhì)和粉體綜合特性，同時分析全粉官能團特性、熱穩(wěn)定性和微觀形態(tài)等變化，以期為方竹筍加工副產(chǎn)物的高值化利用奠定前期基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

金佛山方竹筍的筍頭、筍腳等加工副產(chǎn)物，重慶特珍食品有限公司；金龍魚葵花籽食用植物調(diào)和油，重慶市北碚區(qū)天生街永輝超市。

1.2 儀器與設備

BM6pro 行星式球磨儀，美國GRINDER公司；FW135 中草藥粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司；箱式電阻爐，上海一恒科學儀器有限公司；凱氏定氮儀，重慶市瑞利電子儀器設備有限公司；紫外可見分光光度儀，北京普析通用儀器有限責任公司；1580車速臺式離心機，香港基因有限公司；Mastersizer 3000激光粒度儀，英國馬爾文儀器有限公司；UltraScan PRO分光測色儀，美國 HunterLab 公司；Spectrum 100 傅里葉紅外光譜儀，美國 Perkin Elmer 公司；TGA55 熱重分析儀，美國 TA 公司；Phenom Pro 掃描電鏡，荷蘭Phenom World 公司。

1.3 球磨處理

取方竹筍筍頭、筍腳等加工副產(chǎn)物，切片后用沸水漂燙8 min，60 ℃烘干(含水量<8%)。用中草藥粉碎機粉碎后過80目篩得到方竹筍粗粉，在球磨轉(zhuǎn)速350 r/min、球磨時間5 h，小球直徑3 mm固定條件下，每次取15.0 g方竹筍粗粉于行星球磨機中，分別設置球料質(zhì)量比1∶1、3∶1、5∶1、7∶1、9∶1進行機械球磨處理，以未處理的方竹筍粗粉作為對照組(CK)，最后對球磨處理前后的方竹筍全粉進行理化特性及微觀結構的測定。

1.4 基本成分測定

水分測定：直接干燥法，參照GB 5009.3—2016《食品中水分的測定》；脂肪含量的測定：索氏抽提法，參照GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》；總膳食纖維含量測定：參照 GB 5009.88—2014《食品中膳食纖維的測定》；灰分含量的測定：高溫灼燒法，參照GB 5009.4—2010《食品中灰分的測定》；蛋白質(zhì)含量測定：凱氏定氮法，參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質(zhì)的測定》；總糖測定：蒽酮比色法[14]。

1.5 粒徑測定

參考易甜等[15]的方法，取樣品0.10 g，加入含20 mL蒸餾水的試管中，充分搖勻；用滴管吸取試管中的懸濁液，緩慢加入到含500 mL蒸餾水的燒杯中，以2 500 r/min轉(zhuǎn)速攪拌；注意觀察遮光度數(shù)值變化，當遮光度達到6%～20%時，停止加樣，采用激光粒度儀測定樣品的粒度分布。

1.6 持水力、持油力和膨脹力測定

1.6.1 持水力(water holding capacity,WHC)

取0.5 g(m1)經(jīng)機械球磨處理的方竹筍全粉放入離心管(m2)中，加入20 mL蒸餾水，混合均勻后在室溫下放置6 h，4 500 r/min離心15 min，收集沉淀物稱重(m3)。根據(jù)公式(1)計算其WHC：

(1)

1.6.2 持油力(oil holding capacity，OHC)

取0.5 g(m1)經(jīng)機械球磨處理的方竹筍全粉放入離心管(m2)中，加入20 mL食用油，混合均勻后室溫下放置6 h，4 500 r/min離心15 min，用濾紙吸干表面多余的油脂，收集沉淀物稱重(m3)。根據(jù)公式(2)計算其OHC:

(2)

1.6.3 膨脹力(swelling force，SC)

取1.0 g(m)經(jīng)機械球磨處理的方竹筍全粉，放入10 mL量筒中讀取體積(V1)，再加入8 mL蒸餾水，振蕩混勻，靜置24 h后讀取體積(V2)。根據(jù)公式(3)計算其SC:

(3)

1.7 色澤的測定

參考黃山等[13]的方法，使用UltraSan PRO測色儀測定樣品的顏色特征。開機后首先用黑白板校正，矯正完成后測定樣品L*、a*、b*值，以表示CK測定值，重復測定6次，其中L*表示亮度，a*表示紅綠度，b*表示黃藍度。根據(jù)公式(4)計算其總色差ΔE，ΔE<1.5表示顏色與未處理組差異??；1.5≤ΔE≤3.0表示差異明顯；ΔE>3.0表示差異極顯著。

(4)

1.8 陽離子交換能力測定

參考趙萌萌等[16]的方法，稱取0.5 g經(jīng)機械球磨處理的方竹筍全粉樣品置于150 mL干燥的錐形三角瓶中，加入100 mL質(zhì)量分數(shù)5%的NaCl溶液，磁力攪拌5 min后用pH計測定溶液的pH值。再分別加入0.1 mL 0.01 mol/L NaOH溶液，磁力攪拌5 min后測定各溶液的pH值，直到NaOH體積總量加到1.0 mL。用折線圖表示NaOH體積與pH值的變化趨勢。

1.9 粉體綜合特性

1.9.1 休止角測定

參考王陽等[17]的方法，將玻璃漏斗垂直固定于鐵架臺上，使漏斗下端距離坐標紙的高度(H)為3.0 cm。將干燥的方竹筍全粉緩慢地倒入漏斗中，使粉末自然下落直至坐標紙上粉末錐體頂端剛好接觸到漏斗下端停止，讀取錐體直徑2R(cm)，根據(jù)公式(5)計算休止角：

休止角

(5)

1.9.2 滑角測定

參考李狀等[18]的方法并加以改動，準確稱取3.00 g方竹筍全粉置于水平放置的玻璃板上，緩慢傾斜玻璃板直至粉體表面開始滑動。記錄此時玻璃板與水平面所成的角度。

1.9.3 堆積密度測定

參照 GB/T 20316.2—2006《普通磨料 堆積密度的測定 第2部分：微粉》進行測定。

1.9.4 振實密度測定

參照 GB/T 21354—2008《粉末產(chǎn)品 振實密度測定通用方法》進行測定。

1.10 傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)

取1 mg干燥至恒重的方竹筍粉末，放入瑪瑙研缽中，加入100 mg干燥的KBr粉末，研磨均勻。取0.05 g研磨后的混合粉末，均勻平鋪于壓片模具中，抽氣加壓，維持2 min左右。將壓制成的薄片迅速放入紅外光譜儀中進行掃描測定，掃描次數(shù)：32次，分辨率：4 cm-1，掃描范圍：500～4 000 cm-1。

1.11 熱重分析

取5～6 mg干燥方竹筍粉末用同步熱分析儀進行熱重分析，采用熱重法和微分熱重分析法測定樣品的熱力學性質(zhì)。試驗條件：充N2，升溫速率：10 ℃/min，測定范圍：0～500 ℃。

1.12 微觀結構

將方竹筍粉末固定在雙面導電的樣品臺上，噴涂金層使其具有導電性，然后用掃描電鏡觀察樣品的微觀結構并拍照記錄。掃描電鏡電壓：10 kV，放大倍數(shù)：1 000倍。

1.13 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理，所有結果均采用(x±s)表示；運用Origin 2019對數(shù)據(jù)處理繪圖；運用SPSS 21.0對試驗數(shù)據(jù)用Duncan法進行差異顯著性分析，P<0.05為差異顯著；所有試驗均重復3次。

2 結果與分析

2.1 基本成分

機械球磨處理對方竹筍全粉基本成分的影響如表1所示。與CK相比，處理組全粉基本成分呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。隨著球料比增大，方竹筍全粉的水分、脂肪和灰分含量無顯著變化(P>0.05)，總糖含量增加，蛋白質(zhì)和膳食纖維含量略微下降。球磨過程產(chǎn)生的強烈剪切、碰撞等作用破壞了方竹筍的纖維大分子結構，部分小分子可溶性糖釋放使得總糖含量的提高[19]。此外，方竹筍中蛋白質(zhì)和膳食纖維含量大約為40%和30%，在6種基本成分中占比最高，是方竹筍的主要成分，說明方竹筍全粉是一種高蛋白、高纖維的食品。

表1 機械球磨處理對方竹筍全粉基本成分影響 單位：%

Table 1 Effect of ball milling treatment on basic ingredients of CQP

注：同列上標不同字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)(下同)

2.2 粒徑分布

粒徑變化是最能直接衡量機械球磨處理效果的指標，粒徑大小和分布狀態(tài)的變化可引起物料特性一系列的變化，如粉體的顏色、密度、流動性等感官特性。由表2可知，機械球磨處理能顯著影響全粉的粒徑分布和粒徑大小(P<0.05)。隨著小球質(zhì)量的增加，粉體的Dx(10)、Dx(50)、Dx(90)所對應的粒徑顯著減小(P<0.05)，當球料比為9∶1時，達到最小，較未處理組分別減小了69.93%、92.33%、94.15%。這可能是由于小球質(zhì)量增加使得球磨過程中物料與小球的接觸點增加，碰撞、摩擦和剪切等作用更強，使得顆粒進一步細化[13]。全粉中大顆粒物質(zhì)對D[4,3]貢獻較大，而小顆粒物質(zhì)對D[3,2]貢獻更大[20]。隨著球料比增大，粉體的D[4,3]、D[3,2]均顯著減小(P<0.05)，且兩者的差值也從134.73減小至3.39。這表明方竹筍粉體整體粒徑減小，顆粒形狀更規(guī)則，分布更均勻[10,21]。這與相關研究利用球磨處理柑橘全果粗漿[10]、燕麥麩蛋白粉[11]得到的試驗結果一致。

表2 機械球磨處理對方竹筍全粉粒徑分布的影響
Table 2 Effect of ball milling treatment on particle size distribution of CQP

注：Dx(10)、Dx(50)、Dx(90)分別表示粉末粒徑累計分布達到10%、50%和90%時對應的粒徑值；D[4,3]、D[3,2]分別表示體積平均粒徑和表面積平均粒徑

2.3 持水力、持油力、膨脹力

高膳食纖維食品減輕油膩、增強飽腹感等作用一般與其較高的WHC、OHC和SC有關。表3結果表明，球磨處理后方竹筍全粉的WHC、OHC和SC顯著下降(P<0.05)。這與趙萌萌等[16]、何運等[22]分別采用超微粉碎處理青稞麩皮粉和桑葉粉的結果相似。在球料比為9∶1時，與CK相比，全粉WHC、OHC和SC分別下降了17.87%、42.71%、30.21%。研究表明，物料粒徑減小比表面積增大，更多親水基團暴露，會引起物料WHC、SC的增大[13]。然而，球磨處理強烈的剪切撞擊等作用會破壞粉體中較大的纖維組織，失去粗粉的保水網(wǎng)狀結構，僅依靠溶脹吸水，造成粉體對水分的束縛能力下降[22]，進而導致其WHC、SC的下降。OHC主要與粉體中持油物質(zhì)有關。球磨處理后，粉體的粒徑減小，測量持油力離心后其結構致密、空隙變小，填充在其中的油脂減少進而導致持油力下降[18]。

表3 機械球磨處理對方竹筍全粉WHC、OHC、SC的影響
Table 3 Effect of ball milling treatment on the WHC, OHC and SC of CQP

2.4 色澤

表4是機械球磨處理對方竹筍全粉色澤的影響。由表4可知，機械球磨處理顯著影響全粉的色澤(P<0.05)。與CK相比，方竹筍全粉的L*值由84.65±0.12提高至94.33±0.17，表明處理組亮度提高；而表征紅色度和黃色度的a*和b*值均顯著減小(P<0.05)；ΔE顯著增大(P<0.05)，且均大于5，表明粉體顏色變化差異顯著[13]。這與黃山等[13]、趙萌萌等[16]、李壯等[18]試驗結果相似。一方面，這可能是球磨過程中產(chǎn)生的碰撞、剪切和摩擦等作用使類胡蘿卜素等深色物質(zhì)部分降解[13]，導致粉體整體顏色變淺且更均勻；另一方面，球磨處理使顆粒粒度減小、比表面積增大，引起反射因數(shù)的增大，從而使粉體顏色變淺[15]。

表4 機械球磨處理對方竹筍全粉色澤的影響
Table 4 Effect of ball milling treatment on chrominance of CQP

注：-表示無數(shù)據(jù)

2.5 陽離子交換

粉體可與人體胃腸道中的陽離子 Na+、K+進行交換，降低血液中的 Na+/K+比值，從而起到降血壓作用[23]。同時粉體中膳食纖維表面的羧基、羥基的側鏈基團可結合陽離子，改變陽離子在消化道的瞬間濃度，使消化道產(chǎn)生更好的緩沖環(huán)境，利于食物的消化吸收[24]。機械球磨處理對方竹筍全粉陽離子交換能力的影響如圖1所示。隨著NaOH溶液體積的增加，溶液pH先快速上升，在NaOH溶液體積增加到5 mL時，pH升高速度放緩，最后穩(wěn)定在10左右。pH值越小，說明粉體的陽離子交換能力越強，其營養(yǎng)價值越高[23]。與CK相比，處理組樣品溶液pH值略有降低，表明機械球磨可以增強全粉的陽離子交換能力，這與陳如[23]探究超微粉碎對蘋果全粉及其膳食纖維物化性質(zhì)的影響試驗結果相似。結合表1分析，這可能與球磨處理使粉體粒徑減小，比表面積增大，暴露在外的羥基、羧基等側鏈基團數(shù)量增加有關[16]。

圖1 機械球磨處理方竹筍全粉陽離子交換能力的影響
Fig.1 Effect od ball milling treatment on cation exchange capacity of CQP

2.6 粉體綜合特性

粉體綜合特性是一項表征粉體狀態(tài)的基本指標，對粉體的加工特性有較大影響。粉體流動性常用休止角或滑角來表示，休止角表示物料顆粒之間集聚能力，而滑角則表示物料顆粒在接觸面上的附著能力[17]。休止角和滑角越小，表明粉體的流動性越好，其中當休止角小于30°時，流動性較好，休止角大于45°時，流動性差[15]。如表5所示，當球料比為9∶1時，粉體休止角和滑角較CK組分別增大了39.72%和22.74%。說明球磨處理使得方竹筍粉體流動性減弱。這可能是因為隨著方竹筍全粉粒徑的減小，其比表面積增大，相互作用力增強，使得表面聚合力、摩擦力增大，顆粒相互間的黏附性增強，集聚更為緊密[25]。

堆積密度和振實密度是反映粉體填充性的指標之一，堆積密度和振實密度越大，說明粉體填充性越好[16]。隨著球料比增加，方竹筍全粉的堆積密度和振實密度顯著下降(P<0.05)，當球料比為9∶1時，較CK組兩者分別下降了64.67%、55.03%，表明球磨處理使得全粉不易壓縮，其疏松性、填充性和成形性相對較差[19]。這可能是粉體間相互作用力增強后，團聚成大顆粒導致孔隙率增加，粉體間空氣增多，密度變小。

表5 機械球磨處理對方竹筍全粉粉體特性的影響
Table 5 Effect of ball milling treatment on powder characteristics of CQP

2.7 FTIR分析

圖2為機械球磨處理前后方竹筍全粉的FTIR圖。球磨處理后樣品整體的峰型和位置與CK相比未出現(xiàn)較大差異，這說明處理后方竹筍全粉的官能團未發(fā)生變化，但是部分吸收峰的強度有變化。3 300～3 600 cm-1處寬而圓滑的吸收峰是纖維素和半纖維素分子內(nèi)或分子間O—H伸縮振動產(chǎn)生的[26]，經(jīng)球磨處理后，此處吸收峰形狀更尖銳，峰強度略增強，表明此處部分糖苷鍵斷裂，形成氫鍵的羥基增多，同時氫鍵的締合程度提高[27]。2 928 cm-1處的吸收峰是糖類甲基和亞甲基上C—H的收縮振動[13]。1 642 cm-1處的吸收峰由 CO的非對稱伸縮振動產(chǎn)生，表明方竹筍全粉中含有醛基或羧基[27]。與CK相比，處理組在此處的強度增強，表明球磨處理使方竹筍含有的醛基或羧基數(shù)量增加。1 536 cm-1處是仲酰胺基的酰胺Ⅱ吸收帶。1 046 cm-1處的強吸收峰是纖維素和半纖維中C—O收縮振動產(chǎn)生的[13]，898 cm-1處是β-糖苷鍵的特征吸收峰，說明全粉中含有β-糖苷鍵，處理前后此處峰藍移且峰強度增強，這可能是由于纖維素、半纖維素等再處理過程中分子鏈斷裂，分子聚合度下降，釋放出部分小分子可溶性糖，使得糖類的特征吸收峰增強[19]。

圖2 機械球磨處理方竹筍全粉的FTIR圖
Fig.2 FTIR spectra of CQP treated by ball milling

2.8 熱重分析

機械球磨處理前后方竹筍全粉熱分解過程變化如圖3所示。全粉的熱分解過程大致由3個階段組成。第1個熱分解階段是水分揮發(fā)階段，溫度為100～150 ℃，分子失去游離水、物理吸附水和分子內(nèi)部的結晶水[27]。第2個失重階段發(fā)生在200～350 ℃左右，是熱分解過程的主要階段，全粉的主要組成成分纖維素、半纖維素等通過各種自由基反應和重排反應進一步降解成低分子質(zhì)量的揮發(fā)性產(chǎn)物[28]。球磨處理后，方竹筍在此階段的失重率和失重速率明顯增大，熱分解開始溫度由228.44 ℃降至195.37 ℃，最大失重速率所對應的溫度從298.42 ℃降至271.42 ℃，且隨著小球質(zhì)量增加，此階段全粉的失重率明顯升高，當球料比為9∶1時，失重率達到最大。在 350 ℃之后，熱分解過程進入第3階段，該階段中全粉的主要成分已被熱分解，少量木質(zhì)素和熱解殘余物在該階段緩慢分解產(chǎn)生碳和灰分，粉體失重率和失重速率均減緩并最終趨于平穩(wěn)。綜上，機械球磨處理使方竹筍全粉的部分纖維結構被破壞，分子聚合度下降，粉體的熱穩(wěn)定性下降。

a-CK；b-1∶1；c-3∶1；d-5∶1；e-7∶1；f-9∶1
圖3 機械球磨處理方竹筍全粉的熱重分析圖
Fig.3 Thermal analysis of CQP treated by ball milling

2.9 微觀結構

圖4是方竹筍全粉經(jīng)機械球磨處理后放大1 000倍的微觀結構變化圖。由圖4-a可知未經(jīng)處理的方竹筍全粉表面光滑，存在少量的裂隙，顆粒較大且形狀不一。而經(jīng)球磨處理的方竹筍全粉表面粗糙并出現(xiàn)較多裂痕，表面孔隙率提高，且隨著小球質(zhì)量的增加，顆粒尺寸顯著減小，分布更為均勻(圖4-b～圖4-f)。在球料比達到7∶1時，顆粒分布呈現(xiàn)密集狀態(tài)，并發(fā)生一定程度的團聚現(xiàn)象，這可能與機械球磨處理后方竹筍全粉表面活性和表面靜電吸引力改變有關[13]。方竹筍全粉微觀結構發(fā)生顯著變化的原因可能是球磨處理產(chǎn)生的高速剪切、摩擦、碰撞等作用使粉體發(fā)生不規(guī)則的破碎、斷裂，纖維類大分子長鏈變?yōu)槎替?，顆粒尺寸減小分布均勻[29]。

a-CK；b-1∶1；c-3∶1；d-5∶1；e-7∶1；f-9∶1
圖4 機械球磨處理方竹筍全粉的掃描電鏡(×1 000)圖
Fig.4 Scanning electron microscope images of CQP treated by ball milling

3 結論

本文研究了在不同球料質(zhì)量比條件下，機械球磨處理對方竹筍全粉理化特性及微觀結構影響。結果表明，球磨處理使方竹筍粉體WHC、OHC、SC、堆積密度和振實密度顯著下降，休止角和滑角顯著增大，陽離子交換能力增強，顏色變淺。通過FTIR光譜、熱重和掃描電鏡分析，經(jīng)球磨處理后，全粉內(nèi)部的纖維大分子鏈斷裂，顆粒表面粗糙，分布集中均勻，熱穩(wěn)定性降低。綜上，機械球磨技術可有效改善方竹筍全粉的感官性能、加工與功能特性，是實現(xiàn)方竹筍副產(chǎn)物綜合利用的有效途徑，可為方竹筍超微粉作為食品原輔料提供理論依據(jù)，具有潛在的應用開發(fā)前景。