锦橙皮渣膳食纤维微粉化及其功能特性分析

易 甜，崔文文，王明锐，姚晶晶*

（湖北省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，湖北 武汉 430064）

柑橘是世界第一大果树品种，我国是柑橘大国。据农业农村部年度统计数据显示，截止至2016年，全国柑橘面积达3 835万 亩，产量3 764.8万 t。面积和产量均为世界第一[1-2]。柑橘全球消费主要为鲜食，约占消费量的55%；榨汁及罐头等加工消费量为35%～40%[3-4]。因为锦橙是柑橘加工品种，所以一般柑橘加工副产物都是锦橙皮渣。我国每年产生柑橘皮渣高达1 000万 t以上，而综合利用率却不足。除一般用于提取果胶、香精油及黄酮类化合物等生物活性物质能提高其附加值，其他用于制作动物饲料、发酵有机肥或者能源基质等的干物质则附加值不高。综上所述，这些利用方式在一定程度上缓解锦橙皮渣的利用问题，但是大多数不能实现对皮渣的完全充分利用，产生的废物会导致环境二次污染。因此，从锦橙皮渣大规模利用和提高附加值的角度，开发科学的利用方法势在必行，不仅利于改善环境，而且对推动柑橘产业发展有重要促进作用[5-6]。

近年来，膳食纤维（dietary fiber，DF）因其在食品营养和临床医学中的重要作用而被大家所关注。DF不仅能够预防便秘、胆结石，还能减肥、抗癌和调节血糖，并被称为继蛋白质、糖类、脂肪、矿物质、维生素和水之后的第七大营养素[7-8]。按照水溶性不同，DF分为可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）和不可溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）。世界公认的理想DF比例是SDF∶IDF为1∶2。尽管一些食品的总膳食纤维（total dietary fiber，TDF）含量较高，但是其中的SDF含量太低（SDF≤3%），其生理活性受到限制，例如苹果渣、葡萄皮、豆渣和麦麸等，柑橘皮渣因富含果胶，SDF含量高于苹果渣、葡萄皮、豆渣、麦麸等，表现出更好的生理活性[9]。许多研究学者研究发现，SDF含量达到TDF含量的20%以上的DF表现出更强的生理活性，因此，对DF进行物理、化学或酶法改性，提高SDF含量，以获得功能特性更好的DF产品[8,10]。DF化学改性都是采用酸或碱性试剂。这种方法能够使一些不可溶的多糖类物质转化成可溶性多糖，但是，由于强酸、强碱的加入，处理过程对设备的要求较高，而且引入大量其他离子，在实际食品工业中并没有采用。采用球磨法进行微粉化改性处理，能够对原料进行混合和粉碎，有良好的均质效果和工作效率。球磨超微粉碎的优点是能够最大程度的保留植物性原料的营养成分，也有研究表明，球磨法能够提高原料的生物活性[8,11]。在大颗粒粉碎原料粉碎至微粉的过程中，其形态特征变化不仅影响物料的粒径和粒度分布，也影响物料有效成分的功能或性质[11-12]。DF的微细化处理，可使其粒度均匀，分散性好，而且分散性和溶解性都优于一般DF，可拓展其作为食品添加剂的应用范围[13]。通过球磨处理，粒度减小，达到微米级别，不仅普通DF理化性质得到改善，而且其粉体特性也有所体现[14-16]，能一定程度提高DF的生理活性[17]。因此，测定粒度、红外光谱、X射线衍射、热分析和扫描电镜等DF参数，研究其相关 活性，对推动DF的微细化球磨改性研究具有重要的理论和实践意义。

本实验通过物理的球磨微细化处理，对锦橙皮渣进行高利用率方法探索，制备粒度均匀、生理活性增加的食品添加剂原料。通过分析锦橙皮渣膳食纤维微粉（micronized dietary fiber powder，MDFP）的粉体性质、功能性质，了解微细化处理对MDFP。功能性质影响的变化规律，以及微细化处理对其生理功能特性的影响。通过球磨微细化处理提高锦橙皮渣DF的生理活性，尝试一种既经济又环保的柑橘皮渣资源化利用的处理方式，为柑橘皮渣产业化处理应用提供重要的理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

锦橙（Citrus sinensis Osbeck cv. Jincheng）机械去油囊、榨汁后留果皮及果肉（囊衣和部分果肉），由湖北望春花果汁有限公司提供。新鲜果渣置于4 ℃冷库中贮存，备用。

95%乙醇溶液、无水乙醇、氢氧化钾、柠檬酸、硫酸铜、氯化镉、硝酸铅、硫酸 国药集团化学试剂有限公司；其他化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

XQM-2L型变频行星式球磨机 南京大冉科技有限公司；Mastersizer 2000激光粒度仪 英国马尔文仪器有限公司；全自动比表面和孔径分布分析仪 美国康塔仪器公司；VERTEX 70型傅里叶变换红外光谱仪 德国Bruker仪器公司；DSC-204F1差示扫描量热（differential scanning calorimetry，DSC）仪 德国耐驰仪器制造有限公司；D/MAX-III X射线衍射仪 日本理学电机公司；JSM-5610LV扫描电镜 日本JEOL公司；Ultrascanxe色度分析仪 德国Hunter Lab公司。

1.3 方法

1.3.1 原料预处理

锦橙皮渣从冷库中取出，常温下解冻后，用清水洗净，手工除去囊衣里的籽，放入（100±3）℃烘箱中10 min，杀菌、灭酶；再经60 ℃烘箱中干燥48 h后，粉碎，过40 目筛；将过筛后的样品装入自封袋，在室温下保存于干燥器中，备用。

1.3.2 锦橙皮渣DF的制备工艺

超声波辅助酶法工艺：锦橙皮渣500 g加入1 500 mL蒸馏水（料液比1∶3（g/mL））→加入1%高温α-淀粉酶（100 ℃，30 min）→冷却至室温→加入纤维素酶→超声辅助处理→过滤→滤液加95%乙醇溶液沉淀→过滤→收集滤渣→干燥→粉碎→锦橙皮渣DF。

1.3.2.1 膳食纤维粉

以锦橙皮渣DF为原料，用万能粉碎机进行预粉碎，过40 目筛，得到的DF粉末称为锦橙皮渣膳食纤维粉（dietary fiber powder，DFP）。

1.3.2.2 MDFP

以锦橙皮渣DFP为原料，利用行星式球磨机对其进行进一步微细化加工，得到MDFP。

1.3.3 微粉粉体性质测定

1.3.3.1 粒度

取样品0.10 g，加入含有20 mL蒸馏水的试管中，充分摇匀；使用滴管吸取试管中的悬浊液，缓慢加入1 000 mL、含有500 mL蒸馏水的烧杯中，同时，烧杯中的蒸馏水以2 500 r/min转速搅拌；注意观察遮光度数值变化，当遮光度达到12%～15%时，停止加样，采用粒度分析仪测定样品的粒度分布[17-18]。

1.3.3.2 比表面积和孔容

称取样品（1.000 0±0.005 0）g，置于比表面积及空隙测定仪中，采用BET法测定样品的比表面积和孔容[18]。

1.3.3.3 休止角

称取适量样品，使其通过玻璃漏斗，自由落在平直桌面的玻璃板上，直到其堆积到最大直径的圆锥体为止，用直尺测量圆锥体的直径和高度，并记录，计算见式（1）[18]：

式中：H为圆锥体高度；R为圆锥体半径。

1.3.3.4 堆积密度

称取（10.00±0.05）g样品，置于50 mL量筒中，从距桌面2 cm的位置处自由落下，测定其落下后的体积，并按公式（2）计算样品的堆积密度。粉体的堆积密度是一个变化的值，因为粉体的堆积情况常常受到许多因素的干扰，而体积会发生变化，因此该值的测量只能作为一个简单参考[18]。

1.3.4 微粉粉体性质测定

1.3.4.1 持水性

持水性表示每克干纤维质粉末能够保持水分的质量，测定方法参考文献[1]并略有修改。准确称取样品（2.00±0.02）g，置于100 mL烧怀中，加50 mL蒸馏水，在室温下磁力搅拌24 h后，转移至离心杯中，4 000 r/min离心15 min，弃去上层清液，准确称取下层沉淀的质量并记录，计算见式（3）[18-19]：

1.3.4.2 持油性

持油性表示每克干纤维质粉末能够保持油分的质量，测定方法参考1.3.4.1节持水性测定，在测定过程中使用大豆油（密度为0.925 g/mL），计算见式（4）[18-19]：

1.3.4.3 溶胀性

溶胀性表示每克干纤维质粉末能够吸收水分膨胀的体积，测定方法参考文献[1]并略有修改。准确称取样品（2.00±0.02）g，置于100 mL量筒中，加入30 mL蒸馏水，在室温下静置24 h，记录体积的前后改变，计算见式（5）[18-19]：

1.3.4.4 色泽

样品色泽的差异比较，采用色度分析仪测定。色度值用CIE L*、a*、b*值表示，其中，L*表示明亮度（0为黑，100为白）；a*表示红绿度（a*＞0，表示红色程度；a*＜0，表示绿色程度）；b*表示黄蓝度（b*＞0，表示蓝色程度；b*＜0，表示黄色程度）。每个样品重复测定10 次[18-19]。

1.3.4.5 重金属离子结合力

重金属离子结合力是模拟DF在肠道内对重金属离子的吸附，从而了解制备的DF对调节肠道pH值和渗透压的效果，测定方法参考文献[13]并略有修改。准确称取样品（0.100 0±0.005 0）g，添加至3 个250 mL锥形瓶中，锥形瓶中分别含有100 mL 4 μg/mL硫酸铜溶液、100 mL 4 μg/mL氯化镉溶液和100 mL 16 μg/mL硝酸铅溶液。在锥形瓶中加入3～5 颗玻璃珠，放置37 ℃水浴锅中搅拌4 h，然后5 500 r/min离心15 min，收集上清液，用原子吸收光度计测定重金属质量浓度，比较水浴前后重金属离子质量浓度，计算DF的重金属离子结合力[18-19]。

1.3.5 微粉结构表征

1.3.5.1 傅里叶变换红外光谱

称取样品0.003 0 g，与适量溴化钾混合，用玛瑙研钵研磨均匀后放入称量瓶，干燥至恒质量后，取少许压片，使用红外光谱仪进行测定[20]。

1.3.5.2 X射线衍射

采用X射线衍射仪分析不同预处理对锦橙皮渣的结晶结构的影响。X光管为铜靶，设置工作电压为40 kV，电流为20 mA，波长为0.154 nm，采用2θ联动扫描，扫描范围为5°～60°，取样间隔为0.01°[20]。

1.3.5.3 热分析

取适量样品，在SDT-Q500同步热分析仪上进行热分析。采用热重（thermogravimetry，TG）法、DSC法和微分热重分析（differential thermogravimetry analysis，DTG）法测定样品的热力学性质，实验在充N2的条件下进行，升温速率为10 ℃/min，测定范围为室温至600 ℃[20-21]。

1.3.5.4 扫描电镜结构观测

取适量样品，干燥至恒质量，固定喷金，采用扫描电镜对样品的表面结构进行观察[19,21]。

1.4 数据处理

每组数据均重复3 次，利用Origin 9.0软件处理数据作图。利用SPSS 17.0软件对数据进行ANOVA差异显著性分析及t检验。定量数据采用 ±s表示。

2 结果与分析

2.1 微粉的粉体性质

2.1.1 粒度

图1 DFP和MDFP粒径分布Fig. 1 Particle size distribution of ordinary and micronized DF powders

由图1可知，D F P颗粒大小分布范围为316.40～872.32 μm，平均粒径为191.06 μm；MDFP颗粒大小分布范围为7.17～47.12 μm，平均粒径为14.01 μm，相比而言，经过球磨后的DF颗粒明显减小。其中，MDFP粒径分布图中，只有一个主峰，说明通过球磨处理后，微粉粒度非常均匀；而DFP的粒径分布图中，除了主峰外，还有2 个较小的次峰，说明与MDFP相比，DFP颗粒的整体均匀性较差。球磨微细化处理，通过增加DFP的剪切力，提高粉碎程度，使粒径分布集中。这与张丽媛等[15]的实验结果一致。

2.1.2 比表面积

表1 DFP和MDFP粉体学性质Table 1 Micromeritic properties of ordinary and micronized DF powders

由表1可以看出，普通粉末DFP的比表面积和孔容均比球磨后MDFP的比表面积和孔容小，随着微粉粒度的减小，其比表面积和孔容显著（P＜0.05）增大（比表面积由（0.48±0.12）m2/g增至（1.52±0.12）m2/g；孔容由（0.08±0.01）mL/g增至（0.11±0.10）mL/g）。这是因为随着粒度的减小，同样质量中MDFP的颗粒数量远大于DFP的颗粒数量，因此比表面积增加；而经过球磨的MDFP，其颗粒中的细孔数量可能增加，因为球磨的机械作用可能使颗粒表面积增大，而孔容的增加说明MDFP品质更为疏松，活性位点暴露在表面的可能性更大，生理活性提高[22]。这与郭增旺[15]、张丽媛[18]、符群[22]等的实验结果一致。

2.1.3 休止角

休止角是评价粉体流动性的重要指标，一般来说，休止角小于30°时，流动性较好，休止角大于45°时，流动性差。由表1可以看出，经过球磨处理后，休止角显著增大（由40.11°±1.75°增至44.67°±2.02°）。这是因为颗粒变小后，容易发生团簇，但对流动性影响不大。这与郭增旺[15]、张丽媛[18]、符群[22]等的实验结果一致。

2.1.4 堆积密度

由表1所示，经过球磨处理后堆积密度由（0.93±0.08）g/mL变为（0.68±0.05）g/mL，下降显著，说明球磨处理后DF更为疏松。这与郭增旺[15]、张丽媛[18]、符群[22]等的实验结果一致。

颗粒的微粉化处理能够显著改变DF的粒径、比表面积、休止角和堆积密度。有研究表明，DF颗粒的孔隙率越大，粒径分布越集中，能充分暴露其活性位点，使其功能性和口感均得到改善[23-25]。经过微粉化的锦橙皮渣DF不再具有粗糙的颗粒感，能广泛地应用于各类食品和保健品中[26]。

2.2 微粉的功能性质

DF的理化性质与其结构有密切的关系，而水合作用的改变（持水性、持油性、溶胀性）可能与球磨微细化处理改变DF颗粒结构有关。Rizzello等[27]指出，DF的来源和其颗粒大小能够影响DF的水合作用。

2.2.1 持水性

DF结构中含有很多亲水基团，这些亲水基团使得DF具有较好的持水力，研究显示DF的持水力可以增加人体排便的速率，从而减轻肠道压力，使毒物迅速排出体外。与DFP相比，经过球磨处理后，MDFP的持水性显著提高（P＜0.05），由（9.08±0.55）mL/g提高至（7.43±0.35）mL/g，这说明球磨处理可以明显促进DF黏度和质构的改变，这与张丽媛[18]、符群[22]、Rizzello[27]等的实验结果一致。结果表明MDFP与DFP相比，作为食品添加剂的功能特性更为突出。

2.2.2 持油性

M D F P的持油性与D F P相比，也显著增加（P＜0.05），由（3.60±0.12）g/g增至（5.32±0.07）g/g。因此，球磨处理后的MDFP增加了乳化性能，与DFP相比，MDFP更适合作为乳化性需求的食品添加剂。另一方面，本实验模拟体外消化，表明DF具有吸附大豆油的特性，能降低肠道对大豆油的吸附作用，更有利于人体健康。说明粉碎程度越大，粒度越小，更多的亲水、亲油基团暴露出来；并且比表面积增大，与水及油的接触面积也相应增大，持水性和持油性均显著提高。这与Rizzello[27]、Elleuch[28]等的实验结果一致。

2.2.3 溶胀性

与持水性和持油性一致，球磨处理能够显著增加DF的溶胀性（P＜0.05），由（4.46±0.14）mL/g增至（12.38±1.16）mL/g。球磨微细化处理后，粉体粒径减小，颗粒数目增多，溶于水后膨胀产生更大的体积，从而引起溶胀性的升高，这与张丽媛[18]、Elleuch[28]等的实验结果一致。但是锦橙皮渣DF的溶胀性结果低于之前文献报道的结果，这可能是由于球磨处理过程的高机械强度，DF分子长链被剪切为短链结构的同时，也减小了DF对水分的束缚，从而使IDF类物质的溶胀能力减弱。张丽媛[18]、张珍林[29]等在对南瓜籽壳的研究中也出现了超微粉碎后溶胀性降低的现象。

2.2.4 色泽

色泽是食品中重要感官指标，DF样品的色泽过深，限制其作为添加剂的潜在应用[30-31]。Renard等[32]已报道苹果果胶颜色稍微偏褐，限制其在食品中的应用。DF样品的色泽如表2所示，经过球磨处理后，DFP和MDFP的色泽显著变浅，这是由于随着粒度的减小、比表面积的增大，引起反射因数的增大，导致色泽随之变浅，这与郭增旺[15]、Elleuch[28]等的实验结果一致。浅色色泽使MDFP可用于浅色食品中，应用前景更广。

表2 DFP和MDFP功能性质和色泽Table 2 Functional properties and color parameters of ordinary and micronized DF powders

2.2.5 重金属离子结合力

表3 重金属离子吸收Table 3 Adsorption abilities of ordinary and micronized DF powders toward heavy metal ions

如表3所示，经过球磨处理后的样品对3 种重金属离子的吸收显著增加（P＜0.05），相同条件下吸附能力为Pb2+＞Cd2+＞Cu2+，这与张丽媛[15]、郭增旺[18]等的实验结果一致。这个可能有2 个方面的原因：一方面，球磨处理增加DF的表面积和孔穴容积，极大增强了其对金属离子的吸附能力[18,32-33]；另一方面，球磨处理导致了表面活性位点的重新配置，DF内含有羧基的糖醛酸、酚酸等吸附基团的暴露增大其吸附重金属的能力[21,34-35]。

2.3 微粉微观结构的测定结果

2.3.1 红外光谱分析

图2 DFP和MDFP的红外光谱分析Fig. 2 Infrared spectra of ordinary and micronized DF powders

如图2所示，由于DF是混合物，因此在红外光谱分析的过程中，并不能准确分析化合物的结构，只能粗略反映混合物中某些基团的变化。尽管如此，DFP和MDFP的红外图谱还是显示出2 种混合物的共同点和差异性。总体来说，DF的结构并没有因为球磨处理发生巨大变化，但是MDFP的某些基团与DFP相比，明显减少。例如，球磨处理后，MDFP在1 650 cm－1附近—COOH特征峰、1 400 cm－1附近的C—H（CH2）弯曲振动峰及880 cm－1附近的弱吸收峰均消失，可以推测DF经微细化处理后，单糖组成与含量发生变化。这与曹龙奎[20]、Elleuch[28]等的实验结果一致，说明MDFP某些特性的改善，与球磨处理过程中对某些结构和基团的破坏，有密切的关系[36-37]。

2.3.2 X射线衍射结果

图3 DFP（a）和MDFP（b）的X射线衍射图像Fig. 3 X-ray images of ordinary and micronized DF powders

如图3a所示，DFP样品呈现明显的晶体衍射峰；而经过球磨处理后，如图3b所示，晶体的衍射峰基本消失，呈现一个较明显的柔性聚合物的宽条带。这可能是由于DFP中某些晶体序列或晶体尺寸被破坏造成的，说明某些基团的消失也造成晶体结构的变化[38]。这与Elleuch[20]、王大为[38]等的实验结果一致。说明球磨处理能破坏DF表面结构，致使纤维素结晶区暴露，使DF中纤维素、半纤维素部分降解，转化为SDF，也说明球磨处理能够有效提高锦橙皮渣DF中SDF的含量，生理活性提高[39-40]。

2.3.3 热分析结果

图4 DFP（a）和MDFP（b）的热分析Fig. 4 Thermoanalysis of ordinary and micronized DF powders

如图4所示，由于DFP和MDFP的粒度不一致，装填样品时，MDFP填充密度应大于DFP，因此，MDFP的TG图坡度略微平缓，但并未影响实验结果。在图4a中，DSC只有一个不明显的小峰，峰值在78.4 ℃出现，在这个范围附近，TG有一个明显的质量减少，这可能是样品中的少许水分蒸发造成的；在图4b中，MDFP也有同样的结果。DFP的DSC除此以外没有别的峰值改变，说明整个过程没有任何吸热或放热；而MDFP的DSC除在77.0 ℃有一个吸热峰以外，在568.0 ℃还有一个吸热峰，这可能是由于MDFP内的结构水脱水造成的。DTG是TG对温度或时间的一阶导数，即质量的变化率，DTG曲线上的峰面积与失重质量成正比。从图4可明显看到，在100～400 ℃之间，DFP和MDFP都有2 个明显的峰值，从峰面积观察，MDFP的峰面积更大。这说明在这个温度范围内，样品有明显的质量减少的过程，而且MDFP减少的程度大于DFP。由于这个温度范围一般是分子的层间结合水、胶体吸附的胶体水或者构架结构水的挥发过程，因此可推测这可能与这些水分的挥发有关。其中，在图4a、b中的低温DTG峰可能是层间水的挥发，而高温峰则是构成分子框架的结构水的失去造成的。比较两图的DTG峰面积，明显发现MDFP峰面积更大，这说明MDFP结构中的水分含量更高，这与Elleuch[20]、张宏微[39]等的实验结果一致。

2.3.4 扫描电镜结果

图5 DFP（a）和MDFP（b）扫描电镜图Fig. 5 SEM images of ordinary and micronized DF powders

如图5a所示，DFP颗粒大小和形状不均匀；放大后观察，DFP的形状是许多长短不一的纤维质物质堆积在一起。这些颗粒表面粗糙不平，能够观测到一些细小的微孔和更细小的颗粒碎片。如图5b所示，MDFP表面较DFP相比，有明显改变。颗粒形状清晰、均匀；放大后观察，可看到MDFP有许多短棒状颗粒较为均匀地散落在胶状基质的表面。MDFP颗粒更加微小和均匀。球磨方法的确能够在一定程度上破坏DFP颗粒的形状和大小[15,36,40]。很明显地看到，MDFP中的细小颗粒或形成簇状聚集，或黏附在更大颗粒的表面，在土豆和玉米淀粉的微粉研究中，也观测到相似的微观现象[41-42]。这是由于这种微细化处理，不仅能够使原料的颗粒大小更加一致，并且增加颗粒的表面积，使DF呈碎块化，体积明显变小，比表面积更大，亲水亲油基团暴露更明显，使MDFP能够表现出更好的理化性质。这些结果说明，锦橙皮渣是一种良好DF潜在资源，锦橙皮渣MDFP是潜在的食品添加剂原料。

3 结 论

本实验利用球磨微细化技术，制备锦橙皮渣DFP和MDFP，并比较DFP与微细化处理后的MDFP理化及功能特性。结果表明，DFP经球磨处理后，得到的MDFP颗粒较小且疏松多孔；纤维素、半纤维素部分降解，SDF含量提高；MDFP的粒径显著减小（P＜0.05），持水性、持油性、溶胀性、重金属结合力显著提升（P＜0.05），色泽变浅，具有更好的生理活性功能；另外，MDFP可作为潜在食品添加剂资源，更好地满足视觉和口感的需求，具有广泛的应用前景。