高能球磨处理对赣南脐橙全果原浆粒径和流变特性的影响

杨 颖，单 杨，丁胜华,*，潘兆平，张梦玲，付复华,*

（1.湖南大学研究生院隆平分院，湖南 长沙 410125；2.湖南省农业科学院农产品加工研究所，湖南 长沙 410125；3.果蔬贮藏加工与质量安全湖南省重点实验室，湖南 长沙 410125）

柑橘是世界第一大类水果，2016年我国柑橘种植面积2 560.80 khm2，柑橘产量高达3 764.87万 t[1]，占世界柑橘种植面积的18%，是世界上主要的柑橘生产和消费大国[2-3]。研究发现，柑橘果实富含糖类、有机酸、维生素、矿物质、膳食纤维、果胶、类黄酮、酚类等营养和生物活性物质[4-5]，具有抗氧化、抗炎、降低胆固醇、预防心血管疾病等多重功效[6-8]。

根据美国农业部最新公布的官方数据可知，2017年度全球柑橘产量高达5 326.5万 t，其中45%用于鲜食，55%用于果汁和柑橘罐头等制作[9]。而在柑橘加工后会产生大量的皮渣副产物，其主要成分有皮、种子、橘络和残余果肉等，占柑橘鲜果总质量的50%左右[10]。柑橘皮渣中富含大量功能性成分，如果胶、膳食纤维、类黄酮、单萜类、香精油等[11]。目前柑橘渣的利用方式主要有：提取精油、果胶、柑橘类黄酮等活性成分，或加工成可降解包装材料以及作为饲料添加剂使用。然而我国目前从柑橘皮渣中提取功能性成分的方法既污染环境，又影响产品质量，产品以粗提物和中间产品为主，提取功效成分后的皮渣未得到利用[12]。废弃的柑橘皮渣无论是掩埋还是焚烧，不仅污染生态环境，同时也造成资源的极大浪费。开发柑橘全果产品可以实现柑橘的全利用，传统柑橘汁加工技术仅有限保留果肉中的部分营养成分（如维生素、矿物质），未对皮渣中有效成分进行利用，造成巨大的浪费；全果生产工艺能够降低生产成本，全果产品加工能有效提高柑橘产品的产量，同时无皮渣废弃物，减少了皮渣的处理费用，极大地降低了生产成本；全果加工工艺还能最大限度地保留柑橘中的营养成分与功能因子。将柑橘全果粉碎成浆，是实现柑橘全果加工的第一步也是最为关键的一步。全果原浆可以进一步加工成全果汁、全果酱和全果粉等新型柑橘类功能性产品。研究柑橘全果浆的流变特性能够为原浆的深加工方向提供有效的参考，具有一定的实际意义。

高能球磨是一项实用的新型超细研磨技术。迄今为止，高能球磨被广泛应用于金属材料和制药领域。如今，高能球磨也被应用于食品加工领域，李雯雯等[13]研究了球磨处理对大米淀粉理化性质的影响，结果表明球磨能使大米淀粉分子链发生断裂，导致还原糖含量增加。球磨处理还能使大米淀粉的成糊温度、峰值黏稠度和最终黏稠度降低，稳定性提高。李亚杰等[14]采用高能湿法球磨的方法制备纳米骨液，比较研究4 种纳米骨液的特性，结果显示球磨处理后4 种骨的最小平均粒径分别降为117、105、89 nm和153 nm，且骨液的钙释放率呈线性增加。Yin Tao[15]和Zhang Jun[16]等都研究了球磨处理对鱼骨理化特性的影响，结果证明，球磨处理能有效降低鱼骨的粒径，改善鱼糜的流变特性，增加钙的溶出率。但是关于将球磨技术应用于柑橘加工的研究国内外还鲜有报道。本实验以新鲜赣南脐橙为原料，研究球磨处理对赣南脐橙全果原浆粒径和流变特性的影响，以期为赣南脐橙全果原浆在食品加工中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜柑橘（赣南脐橙）产自江西省赣州市，12月采集，脐橙果实100%转为橙红色。所有试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

LABSTAR LMZ湿法高能球磨机 德国耐驰公司；Mastersizer 3000超高速智能粒度分析仪 英国马尔文公司；DHR-2型流变仪 美国TA公司；JYL-Y5型破壁机 中国九阳股份有限公司；JJ-6数显直流恒速搅拌器 江苏金仪仪器科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 赣南脐橙全果原浆的制备

选择新鲜饱满、色泽较好、无腐烂的赣南脐橙，将鲜果切块，用打浆机将切好的全果进行捣碎，得到柑橘全果粗浆。再用去离子水调整柑橘全果粗浆总固形物质量浓度为40 g/100 mL，采用搅拌机进行搅拌处理20 min，转速2 500 r/min，最后进行球磨处理。处理条件：磨盘转速3 400 r/min，磨球填充率85%，磨球直径1.7 mm，球磨处理时间180 min。球磨处理过程中每隔30 min取样20 mL于样品瓶中，得到的样品放于4 ℃冰箱保存。

1.3.2 粒径的测定

样品的粒径采用Mastersizer 3000超高速智能粒度分析仪测定，结果采用Mastersizer 3000软件中的米氏散射模型进行分析，基本测试参数：溶剂为去离子水，搅拌转速1 500 r/min，遮光度10%～20%，样品折射率1.56。得到赣南脐橙全果原浆及对照组的粒径参数，包括D[0,1]、D[0,5]、D[0,9]、D[3,2]、D[4,3]和粒径分布，每个样品3 次独立取样，测量3 次。

1.3.3 流变特性的测定

流变特性的测定参考文献[17-19]的方法。取按1.3.1节方法制备的样品置于流变仪上，采用平板-平板测量系统测量，其中平板直径为4.0 cm，间隙为1 mm，测定时温度为25 ℃。加入样品后，刮去平板外多余样品，加上盖板，涂上硅油防止水分蒸发。测试前，样品在平板间静置10 min。每个样品3 次独立取样，测量3 次。

静态流变学特性测定：在25 ℃温度条件下，使剪切速率先从10 s-1上升到600 s-1，在600 s-1的剪切速率下保持60 s，然后以同样的变化速率使剪切速率从600 s-1下降到0 s-1，测定整个过程的剪切应力、黏稠度随剪切速率的变化情况。数据采集和记录由计算机自动完成。采用Herschel-Bulkley模型对实验数据点进行回归拟合，如公式（1）所示。

式中：τ是剪切应力/Pa；τ0是屈服应力/Pa；k是黏稠度系数；γ是剪切速率/s-1；n是流动特性指数。

动态流变学特性测定：测定前，先设定扫描频率为10 Hz，扫描应变为0.1%～10.0%，找出线性黏弹区对应的扫描应变，根据扫描结果设定扫描应变为0.3%。频率扫描测试，在线性黏弹区内，温度设定为25 ℃，振荡频率的范围为0～10 Hz，使频率逐步增加，测定储能模量（G’/（Pa·s））、损耗模量（G”/（Pa·s））、损失正切（tan δ）随角频率（ω）变化的变化情况。G’和G”随ω的变化分别满足方程（2）、（3），根据方程计算相关参数。

式中：G0’是弹性模量/（Pa·s）；G0” 是黏性模量/（Pa·s）；n’和n”表示ω对弹性模量的影响程度。

1.4 数据统计与分析

采用Excel软件进行数据统计，应用Origin 8.0软件作图，结果以平均值±标准偏差表示，采用SAS 8.0统计软件Duncan’s法进行显著性分析（显著水平设为P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 球磨处理对赣南脐橙全果原浆粒径的影响

图1 球磨处理过程中赣南脐橙全果原浆的粒径分布Fig. 1 Particle size distribution of whole Gannan navel orange pulp during ball milling

图1 显示了赣南脐橙全果果浆在不同球磨处理时间下的粒径分布变化。可以看出，球磨处理30 min与球磨处理60 min之后的粒径分布曲线，与前一处理时间段的粒径曲线相比向左平移幅度显著，说明球磨处理30 min和60 min之后果浆粒径减小最为明显。球磨处理90、120 min的粒径分布曲线位移幅度明显降低。而球磨处理150 min和180 min的粒径分布曲线几乎重合，因此球磨处理150 min和180 min之后粒径变化不再明显。与未经球磨处理的浆体相比，所有全果原浆的粒径分布曲线在小粒径一端无明显变化，大粒径一端不断向左平移，使得浆体平均粒径不断减小。说明球磨主要是降低果浆中大颗粒的粒径，从而使浆体体系更加均匀。所有果浆始终只有一个峰，粒径呈正态分布，说明浆体粒径分布相对集中。峰越来越尖锐，说明果浆越来越均匀细腻。随着球磨时间的延长，粒径分布不断向小粒径分布的方向移动，浆体平均粒径不断减小，未出现团聚现象。

表1 球磨处理过程中赣南脐橙全果原浆的粒径特征参数Table 1 Particle size distribution parameter of whole Gannan navel orange pulp during ball milling

将不同球磨处理时间的赣南脐橙全果原浆粒径分布数据进行统计处理得到表1，从表1中可以看出，在球磨处理过程中，随着球磨时间的延长浆体的平均粒径（D[0,5]）不断减小，且各时刻具有显著性差异（P＜0.05）。根据数据得出，每隔30 min平均粒径依次下降16%、14%、12%、8%、7%和6%，说明球磨处理30、60 min和90 min降低果浆粒径的效率相对较高，而球磨处理120、150 min和180 min时降低果浆粒径的效率大大降低。表1中果浆的体积平均粒径（D[4,3]）总是大于表面积平均粒径（D[3,2]），各时刻两者差值依次为91.24、69.57、53.37、45.33、39.00、33.53 μm和30.37 μm。大颗粒对体积平均粒径的贡献较大，而小颗粒对表面积平均粒径贡献更大[20]，体积平均粒径明显大于表面积平均粒径，表明样品颗粒分散且整体颗粒较大。说明果浆体系颗粒分散，随着球磨处理时间的延长，浆体体积平均粒径与表面积平均粒径的差值逐渐减小，原浆体系整体颗粒呈减小趋势。在球磨处理过程中，浆体体系最小粒径（D[0,1]）每隔30 min依次下降13%、10%、9%、7%、6%和6%，最大粒径（D[0,9]）每隔30 min依次下降27%、21%、17%、12%、11%和8%。大颗粒粒径降低的效率明显高于小颗粒粒径，说明球磨主要是通过降低大颗粒的粒径从而使浆体的平均粒径下降，与粒径分布曲线图得到的结果一致。

2.2 球磨处理对全果原浆静态剪切流变特性的影响

图2 球磨处理过程中赣南脐橙全果原浆的黏稠度与剪切速率的关系Fig. 2 Relationship between viscosity and shear rate of whole Gannan navel orange pulp during ball milling

在球磨处理过程中，赣南脐橙全果原浆黏稠度与剪切速率的关系如图2所示，在相同的流动条件下，与未经过球磨处理的原浆体系相比，球磨处理过的原浆体系黏稠度均有一定程度的增大。球磨处理60 min之后的全果原浆表观黏稠度最大，球磨处理30 min之后的浆体表观黏稠度相对较低，球磨处理90、120、150 min和180 min得到的全果原浆体系表观黏稠度无大幅度变化。在初始时，随着剪切速率的增大，所有全果原浆体系的黏稠度呈现骤然下降现象。之后随着剪切速率的不断增加，黏稠度下降不再明显，在100～150 s-1剪切速率范围内，黏稠度的变化趋于平缓，而在剪切速率150～200 s-1内黏稠度几乎没有变化。整个球磨过程中，全果原浆的粒径在不断减小，然而黏稠度并未呈线性增大，说明全果原浆的粒径大小与其黏稠度之间没有直接关系。黏稠度的变化可能与赣南脐橙全果原浆中大分子聚合物结构的改变有关。

整体而言，随着剪切速率的增大，全果原浆体系的黏稠度均呈下降趋势，出现剪切稀化现象，表现出假塑性流体特征。导致这种现象的原因可能是受到剪切力时，果浆中大分子聚合物的缠绕逐渐减少，随着剪切力的不断增大，果胶、纤维等大分子聚合物被拆解，导致表观黏稠度明显下降。最后，卷曲的分子结构被分解成单体，高分子链重新排列缠绕的速率小于被剪切拉伸的速率，作用力的方向与剪切力的方向一致，因此在高剪切速率下黏稠度趋于恒定值[21-22]。Benchabane等[23]也指出这种变化行为可以归因于大分子聚合物解聚过程和聚合物链随剪切方向的变化。在实际应用中，剪切稀化的现象可以证明该原料具有良好的可注射性和铺展性[24]。大量研究表明，通过剪切稀化现象可以较为准确地判断样品的黏稠度大小。Rodrigo等[25]研究了酶处理对果汁流变性能的影响，通过剪切稀化现象判断果汁的黏稠度大小从而得出最佳酶处理条件。Bezerra等[26]等研究了添加蔗糖和果胶对西番莲果酱流变特性的影响，结果表明，剪切稀化现象越明显，浆体黏稠度越大。

图3 球磨处理过程中赣南脐橙全果原浆的剪切应力与剪切速率的关系Fig. 3 Relationship between shear stress and shear rate of whole Gannan navel orange pulp during ball milling

由图3不同球磨处理时间全果原浆体系的剪切应力与剪切速率的关系可知，随着剪切速率的增加，全果原浆所需要的剪切应力也逐渐增加，其变化趋势一致，是典型的非牛顿流体。与球磨处理0 min的原浆体系相比，球磨处理60 min之后，随着剪切速率的变化剪切应力的增加量达到最大，球磨处理90、120、150 min和180 min时的剪切应力增加量无明显差异，球磨处理30 min之后原浆体系的剪切应力较小。因此，球磨处理60 min之后的赣南脐橙全果原浆静态黏稠度最大，球磨处理30 min之后的原浆黏稠度较小，但球磨处理之后的浆体静态黏稠度都有所增加，与图2所得的结论一致。

对图3的数据采用数学模型进行函数拟合，发现Herschel-Bulkley模型对不同球磨处理时间的赣南脐橙全果原浆拟合度较好（表2）。结果表明，稠度系数k和屈服应力τ0随着球磨处理时间的变化而有所不同，且两者变化趋势基本相同。球磨处理60 min之后的赣南脐橙全果原浆屈服应力和稠度系数均为最大，其次是球磨处理180 min和90 min的浆体，球磨处理120 min和150 min之后得到的全果原浆屈服应力无显著性差异（P＞0.05），球磨处理30 min的全果原浆屈服应力和稠度系数最小。通过比较Herschel-Bulkley方程参数可以发现，所有体系的流体指数n均小于1，进一步佐证体系是典型的假塑性流体，且出现剪切稀化现象[27-28]。对于剪切稀化流体（n＜1），当幂指数升高时，流体黏稠度在一定剪切速率范围降低[29]。屈服应力越大往往说明体系产生流动所需的外力越大，同时方程模拟中对应的稠度系数也越大，黏稠度越高。所以，球磨处理60 min之后果浆的黏稠度最大，凝胶状态最为稳定；球磨处理180 min和90 min之后的果浆黏稠度相对较高；球磨处理120 min和150 min的果浆黏稠度无显著性差异（P＞0.05），黏稠度略低；球磨处理30 min得到的原浆体系黏稠度较低；未经球磨处理的原浆黏稠度最低。球磨处理前60 min，随着浆体粒径的减小，黏稠度不断增大，而球磨处理60 min之后黏稠度不再有规律性变化。总体而言，经球磨处理之后的浆体，稠度系数k和屈服应力τ0均显著增大，流体指数n显著减小，证明球磨处理能有效改善浆体的流变特性。而球磨处理60 min之后的浆体黏稠度相对较高，球磨处理30 min的浆体黏稠度相对较低，说明球磨处理时间对于样品流变特性有较大影响。

表2 球磨处理过程中赣南脐橙全果原浆静态流变拟合参数Table 2 Power law parameters for whole Gannan navel orange pulp during ball milling

通过搅拌可以调节产品质地，而触变性可以为搅拌后的流体稳定性提供参考依据[30]，有助于对加工过程中搅拌条件的确定。通过对赣南脐橙全果原浆体系进行触变性测定发现，各体系均具有正触变性（图4）。触变性测定过程中，体系设定的剪切速率按照一定的速率先增大后减小，当剪切速率在增加和减小两个过程所对应的曲线不重合时，便会产生一个滞后环，称为滞后现象，对应一个滞后面积，对体系滞后面积进行计算得到图5。滞后面积可以估计触变性程度，通常情况下触变性越强，滞后面积越大。从图5可以看出，球磨处理60 min之后的全果原浆滞后面积最大，球磨处理90、120、150 min和180 min之后的滞后面积无明显差异，球磨处理30 min之后的滞后面积较小，未球磨处理的滞后面积最小。滞后面积与流体的表观黏稠度以及触变性之间存在着极大的相关性。滞后面积的大小可以代表流体触变性的情况，表示去除作用力后，恢复样品初始结构的速率，这由样品本身性质和去除作用力后经历的时间决定。面积越大说明体系结构恢复速度越慢，越小则恢复速度越快。因此可以得出，球磨处理能够有效地提高浆体的流变稳定性。球磨处理60 min之后的原浆体系结构恢复最慢，稳定性最佳，适用于深加工成果酱类产品。未经球磨处理的原浆搅拌后体系结构恢复最快，适合果汁类产品的深加工，但是其粒径相对较大，使得口感粗糙，对后期加工造成很大困难，综合以上因素考虑，选择球磨30 min之后的原浆作果汁类产品加工的原材料最为合适。曲宝妹[19]、Igual[31]等也利用滞后面积表征了果酱的触变性，通过实验发现滞后面积过大产品流动性不佳，滞后面积过小果酱产品难以成型，证明通过滞后面积能够客观有效地反映产品的流动性以及黏稠度。

图4 球磨处理过程中赣南脐橙全果原浆的触变性Fig. 4 Thixotropic properties of whole Gannan navel orange pulp during ball milling

图5 球磨处理过程中赣南脐橙全果原浆的滞后面积Fig. 5 Hysteresis area of whole Gannan navel orange puree during ball milling

2.3 球磨处理对全果原浆动态剪切流变特性的影响

图6 ～8为球磨过程中赣南脐橙全果原浆的动态流变特性频率扫描结果。通过比较可以发现，随着ω的增加，G’和G”均呈增大趋势，两者都表现出对频率的依赖性。G’均大于G”，对于柑橘全果原浆而言是典型的凝胶行为。与未经过球磨处理的原浆相比，球磨处理过后的浆体G’与G”均有所增大。球磨处理60 min和180 min后的赣南脐橙全果原浆的G’与G”相对较高，说明这两个体系在承受外力时既可以保持一定的凝胶弹性，又可以保持相对的稳定性。球磨处理90、120 min和150 min之后的原浆体系，G’的变化曲线几乎重合，G”的变化曲线也无较大差异，此三者的黏弹性十分接近。而球磨处理30 min的全果原浆体系G’和G”都明显低于其他经过球磨处理的浆体体系，其凝胶性容易受到外力的破坏而难以复原，凝胶稳定性较差。因此，随着球磨处理时间的延长，果浆粒径降低，G’和G”总体呈上升趋势，浆体稳定性有所提高。Brian等[32]在观察不同粒径鸡胸软骨的流变特性时发现小颗粒的悬浮液都具有较大的G’和G”；Anese等[33]在研究超声处理对番茄果肉流变性的影响时，也发现随着番茄果肉粒径的减小，G’和G”增大，与本实验结果一致。说明浆体粒径的大小对其G’和G”有较大的影响，粒径减小，G’和G”呈上升趋势，其原因可能是小颗粒受到剪切力时其摩擦阻力相对较小。

tan δ为G’和G”的比值，对检验样品呈现固体（弹性）或液体（黏性）的特征具有非常直观的作用。图8表明随着ω的变化，不同球磨处理时间的全果原浆体系tan δ均小于1，表明在测试频率范围（0～100 rad/s）内，样品的G′大于G”，结构表现为一定的刚性，体系呈现出一定的固态特征，证明整个体系已经形成凝胶状[34]。未经球磨处理的原浆tan δ最大，说明其流动性最佳；而经过球磨之后的浆体tan δ都相对较低，流动性不佳。当ω为1～10 rad/s时，可以看出随着球磨处理时间的延长，tan δ呈下降趋势，说明球磨处理时间对浆体的流动性有较大影响，时间越长，浆体流动性越差。当ω为10～100 rad/s时，未经球磨处理的浆体tan δ显著增加，而经过球磨处理之后的浆体tan δ趋于稳定，且各体系之间无明显差异。

图6 球磨处理过程中赣南脐橙全果原浆的G’与ω的关系Fig. 6 Relationship between storage modulus and angular frequency of whole Gannan navel orange pulp during ball milling

据方程（2）和（3）对动态黏弹性曲线进行拟合，所得的决定系数R2大于0.98（表3），具有较高的拟合精度。与G’、G”相对应的斜率n’、n”分别反映了样品对ω的依赖性，三维网络结构的聚合度越高，与之相应的斜率则越小。由表3可知，稠度系数G0’和G0”的变化趋势与G’和G”的变化相对应，且G0’均大于G0”。G0’由大到小依次为球磨处理60、180、90、150、120、30 min和未处理的全果原浆，都具有显著性差异（P＜0.05）。与未经球磨处理的原浆相比，球磨处理工艺能够有效改善浆体凝胶性。在扫描过程中，球磨处理60 min的浆体G0’和G0”均为最大，凝胶特性最佳；其次是球磨处理180 min得到的浆体；球磨处理90、120 min和150 min之后的原浆体系各项数值都很接近，凝胶特性相差不大；而球磨处理30 min之后的浆体稠度系数相对较小，凝胶性较差。出现这种现象的原因可能是，球磨处理前60 min粒径不断减小，使得果胶、纤维等大分子聚合物溶出量增多，从而不断增加浆体的黏稠度。球磨处理60 min之后粒径继续减小，造成果胶链的破坏，大分子聚合物被切断解体成小分子多糖，果胶酯化度降低，因此黏稠度开始下降。球磨处理150 min之后，最小粒径降到21 μm，小分子多糖的聚合速率开始加快并且超过分解速率，随着多糖大分子数量的增多，球磨处理180 min之后浆体的黏稠度又开始上升。

图7 球磨处理过程中赣南脐橙全果原浆的G”与ω的关系Fig. 7 Relationship between loss modulus and angular frequency of whole Gannan navel orange pulp during ball milling

图8 球磨过程中赣南脐橙全果原浆的tan δ与ω的关系Fig. 8 Relationship between loss tangent and angular frequency of whole Gannan navel orange pulp during ball milling

表3 球磨处理过程中赣南脐橙全果原浆动态流变拟合参数Table 3 Curves of dynamic modulus as a function of frequency for whole Gannan navel orange pulp during ball milling

3 结 论

球磨处理可以有效降低浆体粒径，使颗粒更加细小均匀，但球磨处理90 min之后效率显著降低。整个球磨处理过程粒径始终呈减小趋势，未出现团聚现象。球磨处理对赣南脐橙全果原浆体系的流变特性产生了较大影响，但粒径的减小与其流变特性的变化并无直接相关性。结果显示，随着剪切速率增加，全果原浆所需要的剪切应力也逐渐增加，其变化趋势一致，出现剪切稀化现象，是典型的非牛顿流体。相比未经球磨处理的赣南脐橙全果原浆，球磨处理60 min得到的原浆具有较好的凝胶稳定性，黏稠度更高，但结构恢复能力不佳，适合深加工为果酱类黏稠度较大的产品；而球磨处理30 min得到的浆体受外力破坏后，结构能在较短的时间内恢复，流动性最佳，但黏稠度不高，凝胶性较差，适合加工为果汁类流动性较好的产品。整体看来，球磨处理30～90 min全果原浆体系的粒径和流变特性变化较为明显，浆体特征具有代表性，有较高的参考价值；球磨处理120～180 min浆体的粒径和流变特性变化并不突出，综合能源消耗情况考虑其参考价值不大。