机械球磨处理对麻竹笋壳膳食纤维理化性质及结构的影响

黄山，汪楠，张月，张甫生，郑炯*

1(西南大学 食品科学学院，重庆,400715) 2(食品科学与工程国家级实验教学示范中心(西南大学)，重庆，400715)

竹笋是一种重要的经济作物，在世界各地得到广泛种植，尤其是在亚洲，中国拥有世界上最大的竹笋产业，然而竹笋加工业的快速发展也导致了竹笋加工副产物的大量产生[1-2]。竹笋壳作为竹笋加工副产物,在生产过程中被随意丢弃，造成极大的浪费和严重的环境污染[3-4]。为了环境的保护和资源利用的可持续发展，越来越多的科研工作者开始研究高效率地利用竹笋壳等加工副产物的有效方法[2]。

笋壳中富含膳食纤维，膳食纤维是指不能被人体消化道的内源性酶消化、吸收的，具有生理功效的多糖类食物成分[5-6]，其具有调节肠道菌群、降低血压、防治冠心病、降低血糖、抗癌、减肥等多种生理功能，是人体第七大营养素[7-8]。为了促进膳食纤维的利用，人们利用多种改性方法对不同食物来源的膳食纤维进行改性，以期改善它的生理功能[9]。目前对于膳食纤维的改性方法主要有3类：物理法、化学法、生物法[10]。其中物理法步骤简便易操作，能够较为完整地保留膳食纤维的生物活性[11]，有利于保持食品的优良色泽、风味和质地并提高各种功能特性[12]。物理法改性膳食纤维主要包括超声、微波、高压均质、超微粉碎等。

机械球磨法作为物理改性技术的一种，其主要原理是利用外部机械力作用，在高转速条件下使样品颗粒、研磨罐和研磨球之间产生频繁碰撞，在被反复挤压撞击的过程中，实现样品颗粒的变形、断裂、微粉化[13]。球磨法可以实现批量生产且具有生产工艺流程短、低能耗、产生污染少和操作简单等优点[14-15]。易甜等[16]利用球磨微细化技术得到了各项性能提升的锦橙皮渣膳食纤维；张丽媛等[17]研究发现球磨超微粉碎对苹果膳食纤维理化性质和羟自由基清除能力有一定程度的影响；WEN等[18]报道球磨联合酶法处理的米糠膳食纤维功能特性优于单一酶法处理。但是目前鲜有将球磨法应用于麻竹笋壳膳食纤维(Dendrocalamuslatiflorusshell dietary fiber，DSDF)改性的报道。因此，本文采用机械球磨法处理DSDF，通过改变大小球磨珠的配比制得不同粒径大小的样品颗粒，探究机械球磨处理对DSDF理化性质及结构特征的影响，旨在扩展机械球磨法的应用范围，为DSDF改性提出一种新的有效方法。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

麻竹笋，购于重庆市北碚区天生菜市场；金龙鱼食用油，益海嘉里(重庆)粮油有限公司；乙酸乙酯、KBr(分析纯)，成都市科隆化学品有限公司。

1.2 仪器与设备

BM6pro行星式球磨仪(使用不锈钢球10 mm、3 mm两种)，美国GRINDER公司；FW135中草药粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司；1580车速台式离心机，香港基因有限公司；Zetasizer Nano ZS粒度分析仪，英国马尔文仪器有限公司；Phenom Pro扫描电镜，荷兰Phenom World公司；Spectrum 100傅里叶红外光谱仪，美国Perkin Elmer公司；UltraScan PRO分光测色仪，美国HunterLab公司；TGA55热重分析仪，美国TA公司。

1.3 球磨处理

挑选新鲜无损伤麻竹笋，剥取竹笋壳，切片后用沸水漂烫8 min，60 ℃烘干，用粉碎机粉碎后过200目筛。过筛后的笋壳粉用乙酸乙酯进行脱脂并用纯水清洗，在60 ℃烘箱中烘干，粉碎，得到粗DSDF。取8.0 g粗DSDF样品于球磨机中，在球磨时间3 h、球磨转速400 r/min、球料质量比为5∶1的固定条件下，设置不同大小球数量比为1∶1、1∶3、1∶5、1∶7进行机械球磨，未球磨处理的作为对照组CK。最后对改性DSDF进行理化性质及微观结构的测定。

1.4 理化特性的测定

1.4.1 粒径测定

取0.01 g DSDF溶于20 mL蒸馏水中，充分摇匀后离心取上清液，采用Zetasizer Nano ZS粒度分析仪测定其粒径大小。

1.4.2 持水力、持油力和膨胀率的测定

参考WANG等[19]的方法进行测定，并在实际试验条件下稍作修改。

(1)持水力。取0.5 g(m1)膳食纤维粉放入离心管(m2)中，加入20 mL蒸馏水饱和，室温浸泡6 h后4 500 r/min离心20 min，去除上清液称重(m3)。根据公式(1)计算其持水力(WHC)。

(1)

(2)持油力。取0.5 g(m1)膳食纤维粉放入离心管(m2)中，加入20 mL食用油饱和，室温浸泡6 h后4 500 r/min离心20 min，去除上清液称重(m4)。根据公式(2)计算其持油力(OHC)。

(2)

(3)膨胀力。取0.3 g(m)膳食纤维粉，放入10 mL量筒中读取体积V1，加入10 mL蒸馏水，振荡混匀后静置24 h，读取体积V2。根据公式(3)计算其膨胀力(SC)。

(3)

1.4.3 颜色的测定

使用UltraSan PRO测色仪测定样品的颜色特征。开机后首先用黑白板校正，矫正完成后测定样品L*、a*、b*值，重复测定6次，其中L*表示亮度(0表示黑色，100表示白色)；a*表示红绿度(值越小表示靠近绿色，值越大表示靠近红色)；b*表示黄蓝度(值越小表示靠近蓝色，值越大表示靠近黄色)[20-21]。根据公式(4)计算其总色差ΔE，ΔE<1.5表示颜色与未处理组差异小；1.5≤ΔE≤3.0表示差异明显；ΔE>3.0表示差异极显著[22]。

(4)

1.5 红外光谱分析

取0.01 g干燥DSDF粉末，放入研钵中，加入1.00 g干燥的KBr，研磨混匀。取0.1 g研磨后的粉末，均匀平铺在压片模具中，抽气加压维持2 min左右。压片后进入红外光谱仪中进行扫描测定，扫描次数：32次，分辨率：4 cm-1，扫描范围：500～4 000 cm-1。

1.6 热重分析

取5～6 mg干燥DSDF粉末用同步热分析仪进行热重分析，采用热重法(thermogravimetry，TG)和微分热重分析法(differential thermogravimetry analysis，DTG)测定样品的热力学性质。试验在充N2的条件下进行，升温速率为10 ℃/min，测定范围为室温至600 ℃。

1.7 微观结构

将干燥至恒重的DSDF粉末固定于双面导电的样品台上，喷金使其具有导电性，采用扫描电镜观察样品的微观结构并拍照记录。扫描电镜电压10 kV，放大倍数800倍。

1.8 数据处理

2 结果与分析

2.1 理化特性

2.1.1 粒径

机械球磨处理对DSDF粒径大小的影响如图1所示。机械球磨处理显著减小了DSDF的粒径，并且随着大小球磨珠比的增加，DSDF粒径逐渐减小，当大小球磨珠比1∶5时，粒径达到最小值，为(684.9±69.23) nm。大小球比继续增加，DSDF粒径开始增大。推测可能是因为在球磨过程中，大球与样品撞击接触点少，主要起到剪切作用，将粒径偏大的样品颗粒初步细化。而小球尺寸小，与样品撞击点多，负责将被大球初步细化的样品颗粒进一步细化[23]。在球料比固定的条件下，随着大小球比的增加，大球的初步剪切细化作用被弱化；小球数量的增多使球间碰撞变多，与样品碰撞次数减少，因此样品粒径增大。也可能是因为DSDF粒径的减小，比表面积增大，表面活性增强而出现团聚现象，从而导致测得粒径增大[17]。

图1 机械球磨处理对DSDF粒径大小的影响

2.1.2 持水力、持油力、膨胀力

图2表明，经过机械球磨处理后，样品的WHC、OHC、SC都有所提升，且都在大小球磨珠数比例为1∶5时有最大值[WHC=(4.12±0.04) g/g，OHC=(3.93±0.18) g/g，SC=(8.22±0.51) mL/g]，这一结果与LUO等[24]利用复合酶改性毛竹笋壳膳食纤维的结果相似。

图2 机械球磨处理对DSDF持水力、持油力及膨胀力的影响

随着大小球比继续增加，样品的WHC、OHC、SC开始下降。水合性质WHC和SC通常与样品密度、孔隙率、亲水基团暴露程度等有关。DSDF经球磨处理后粒径减小，比表面积增大，导致其与水的接触面积增大，且因为球磨粉碎过程使DSDF孔隙率增加，亲水基团更多地暴露出来，水合性质提高[25]。OHC的提升与DSDF体积密度降低、多孔性和毛细管吸引力作用增强有关[26]。在添加改性DSDF后，有利于增强食品体系中水和油的稳定性，对食品质构及营养价值产生影响。

2.1.3 色泽

颜色测定结果如表1所示，与未处理组相比，经过机械球磨处理后，L*显著提升(P<0.05)，表明处理组亮度提高；a*显著下降(P<0.05),表明处理组红绿度变化明显，颜色变浅；b*差异不显著，表明处理组黄蓝度变化不明显；处理组ΔE都大于1.5，表明颜色变化差异显著。该结果与球磨处理锦橙皮渣膳食纤维结果一致[16]。这可能是因为DSDF深色大颗粒在球磨、撞击、剪切等作用力下被粉碎混匀，导致其整体色泽变浅[27]。也可能是球磨高温和机械力的作用使DSDF发生褐变或破坏了DSDF中的色素物质[28]。食品的色泽是影响食品感官品质的一个重要因素，以上测定结果表明可将DSDF应用于其他食品改变其颜色特征，为食品实际生产提供参考。

表1 机械球磨处理对DSDF色泽的影响

注：同一列不同小写字母表示具有显著性差异(P<0.05)(下同)

2.2 结构特征

2.2.1 红外光谱分析

图3 红外光谱分析

2.2.2 热重分析

图4是对DSDF的热稳定性分析。从图4-b可知，DSDF的热分解过程主要由3个阶段组成。50～100 ℃温度范围DSDF开始失去水分，经过球磨处理的DSDF失重速率大于CK组，这是因为球磨处理后DSDF粒径减小，孔隙增多，更多的亲水基团被暴露出来，使原有的结合水更容易在高温环境中流失；150 ℃附近的失重峰，可能是少量可溶性杂质如蛋白质的存在导致的；在200～350 ℃温度范围，DSDF的失重主要是因为纤维素、半纤维素及木质素的热分解，经过球磨处理的DSDF在此温度范围内失重总量没有明显变化，但失重速率增大，这是由于机械球磨对DSDF的剪切细化作用初步破坏DSDF的结构，使纤维素、半纤维素和木质素被初步分解。总的来说，机械球磨处理细化了DSDF，使其部分大分子结构破坏，降低了DSDF的热稳定性。

2.2.3 微观结构

图5是DSDF经机械球磨处理前后的扫描电镜图。从图5-a可以看出，未处理的DSDF体积明显大于处理组，表面较为光滑，颗粒大小形状不一，多倾向于球形。经过机械球磨处理的DSDF在高速剪切作用下产生不规则的破碎、断裂，使DSDF出现孔隙，表面粗糙并出现裂痕，颗粒尺寸显著减小，比表面积大大增加，其中大小球比1∶5时颗粒尺寸最小(图5-d)。球磨处理可能破坏DSDF链间部分氢键导致其微观形状改变，趋向于片状。从图5中也能看到存在一定程度的团聚现象，这可能与球磨处理后颗粒表面活性、表面静电吸引力增强有关。这些现象为DSDF理化性质和结构特征的变化提供了佐证。总的来说，机械球磨处理改变了DSDF的微观结构，对DSDF的优良理化性质产生了积极的作用。

a-TG;b-DTG

a-CK;b-1∶1;c-1∶3;d-1∶5;e-1∶7

3 结论

本文研究了机械球磨处理对麻竹笋壳膳食纤维理化特性及特征结构的影响。研究结果表明，经过球磨处理后，DSDF的颜色变浅，粒径显著减小，对持水、持油、吸水膨胀等能力产生了积极影响，其中当大小球比为1∶5时效果最佳；通过红外光谱、热重和扫描电镜分析，球磨处理改变了部分DSDF微观结构，DSDF颗粒表面变得粗糙，比表面积显著增大，孔隙率增加，并使其纤维素、半纤维及木质素部分分解，降低了DSDF的热稳定性。综上所述，机械球磨处理有效地改善了DSDF理化和结构特性，是改性DSDF的一种有效手段，可以为今后膳食纤维的利用开发提供新的参考。