超微粉碎对方竹笋全粉理化特性及微观结构的影响

史 早，张甫生，杨金来，吴良如, ，郑 炯,

（1.西南大学食品科学学院，食品科学与工程国家级实验教学示范中心，重庆 400715；2.国家林业和草原局竹子研究开发中心，浙江杭州 310012）

方竹（Chimonobambusa quadrangularis）因其竹竿呈现方形而得名，属于禾本科竹亚科寒竹属植物，方竹在我国主要分布在贵州、重庆以及云南等地的高海拔山区，其中，主要生长在黔北大娄山一带的金佛山方竹被誉为“竹类之冠”[1]。方竹笋秋后出笋，肉质鲜美、口感清脆，含有丰富的膳食纤维、蛋白质、氨基酸和多种矿物元素[2]。目前，方竹笋主要被加工为清水笋、发酵笋和笋干等产品，但在加工过程中笋头、笋脚等部分经常被丢弃，全笋利用率较低，造成环境污染。因此，亟需寻找新的策略来提高方竹笋的利用率并拓展其在食品领域中的应用。

超微粉碎技术（Superfine grinding technology）作为一种新型的精细粉碎加工技术，可以将物料粉碎至微米级，是一种良好的物料改性技术[3]。与普通粉碎技术相比，超微粉碎技术会显著地改变粉体的持油力、膨胀度以及流动性等理化特性，使得物料更加适应生产加工的需要[4-5]。近年来，超微粉碎技术已广泛应用在果蔬[6-9]、小麦[10]、玉米和豆类[11-12]等食品及一些中药材[13-16]的加工中。研究表明，竹笋经超微粉碎处理后，可以在一定程度上改善老化纤维的粗糙口感，从而拓展竹笋原料的用途，可作为主食改良剂、膳食纤维补充剂及食品原料应用于食品行业中[17-19]。然而，目前采用超微粉碎技术处理方竹笋全粉的研究报道较少，处理后方竹笋全粉的理化特性及微观结构如何变化尚不清楚。因此，本研究应用超微粉碎技术对方竹笋进行微细化处理，测定处理前后竹笋全粉营养成分、粒径、持水力、持油力、膨胀力等理化特性及微观结构的变化，以期为方竹笋利用率的提高及工业化应用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

金佛山方竹笋 采自重庆市特珍食品有限公司；硫酸钾、无水硫酸铜、硼酸、石油醚、硫脲 分析纯，成都市科隆化学品有限公司；氢氧化钠、浓硫酸、乙醇、葡萄糖 分析纯，重庆万盛川东化工有限公司；蒽酮、KBr等 分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；红蜻蜓一级菜籽油 重庆红蜻蜓油脂有限责任公司。

FW100高速万能粉碎机 北京科伟永兴仪器有限公司；LHL型流化床式气流粉碎机 山东潍坊正远粉体工程设备有限公司；K9840自动凯氏定氮仪济南海能仪器股份有限公司；G210滤袋式全自动脂肪测定仪 上海晟声自动化分析仪器有限公司；马弗炉 河南奥菲达仪器设备有限公司；UV2800A紫外可见分光光度计 江苏迅迪仪器科技有限公司；Mastersizer 3000马尔文帕纳科激光粒度仪 马尔文帕纳科公司；Ultra Scan PRO分光测色仪 美国Hunter Lab公司；Spectrum100傅里叶红外光谱仪美国PerkinElmer公司；TGA55热重分析仪 美国TA公司；Phenom Pro扫描电镜 荷兰Phenom World公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备 将新鲜金佛山方竹笋剥壳洗净，切成适宜的块状，沸水烫漂8 min，于60 ℃烘箱中烘干。将笋干置于万能粉碎机中粉碎10 min得到粗粉。再将粗粉置于气流粉碎机中，分别粉碎10、20、30 min后得到不同的超微粉碎方竹笋全粉（Superfine grinding onChimonobambusa quadrangularisshoot powder，CQSP-SG），分别命名为 CQSP-SG10、CQSP-SG20和CQSP-SG30。同时将方竹笋粗粉作为对照组（CK）。

1.2.2 理化性质的测定

1.2.2.1 方竹笋全粉主要营养成分的测定 水分含量测定：参照GB 5009.3-2016《食品中水分的测定》；蛋白质含量测定：参照GB 5009.5-2016《食品中蛋白质的测定》；膳食纤维含量测定：参照GB 5009.88-2014《食品中膳食纤维的测定》；脂肪含量的测定：参照GB/T 5009.6-2016《食品中脂肪的测定》；总灰分含量的测定：参照GB 5009.4-2016《食品中灰分的测定》；总糖含量的测定：采用蒽酮比色法测定[20]。

1.2.2.2 粒径的测定 方竹笋全粉的粒径分布采用激光粒度分析仪在蒸馏水折射率1.33的测量条件下进行测定。取适量样品于烧杯中充分振荡混匀，用滴管将其缓慢加入装有500 mL水的烧杯中，同时采用2500 r/min转速将其搅拌均匀直到显示的遮光度在测量范围内缓慢波动时，停止滴加样品。

1.2.2.3 持水力、持油力和膨胀力的测定 参考周晚霞等[10]、李凤[21]的方法。

1.2.2.4 滑角和休止角测定 参考刘颖等[11]、易甜等[22]的方法。

1.2.2.5 色度测定 方竹笋全粉的色度采用色差仪测定，开机后首先用黑白板校正，矫正完成后测定样品，测定参数为L*、a*和b*，其中L*表示亮度值；a*表示红绿值；b*表示黄蓝值，以CK作为标准对照品，按式（6）计算样品的色差（ΔE）。△E＜1.5表示颜色与未处理组差异小；1.5≤△E≤3.0表示差异明显；△E＞3.0表示差异极显著。

式中：△E表示超微粉碎方竹笋全粉的色差；L0*、a0*、b0*表示 CK 组值；L*、a*、b*表示超微粉碎处理组值。

1.2.3 微观结构的测定

1.2.3.1 红外光谱分析 参考李璐等[23]的方法，分别取2 mg适当干燥的方竹笋全粉加入200 mg充分干燥的KBr粉末于玛瑙研钵中研磨，压片，然后放入仪器中扫描。条件：扫描波数400～4000 cm-1，扫描次数32次，扫描分辨率4 cm-1。

1.2.3.2 热重分析 根据汪楠等[24]的方法并稍加改动，取3～5 mg的方竹笋全粉用同步热分析仪进行热重分析，样品的热力学性质采用热重法（TG）和微分热重分析法（DTG）测定。测量条件：充N2，升温速率为10 ℃/min，测定范围为室温至600 ℃。

1.2.3.3 微观形态观察 将方竹笋全粉进行固定，再用离子溅射仪对样品表面进行镀金使其具有导电性，将样品置于扫描电子显微镜下观测表观形态。扫描电镜电压为15 kV，放大倍数为1000倍。

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 超微粉碎对方竹笋全粉理化性质的影响

2.1.1 方竹笋全粉营养成分 表1是超微粉碎对方竹笋全粉营养成分的影响。由表1可知，与CK相比，超微粉碎处理后方竹笋全粉的营养成分呈现出不同的变化规律。其中，水分含量逐渐降低，可能是超微粉碎过程中摩擦生热，促使部分水分蒸发[25]。粉碎后样品灰分含量在7.74%～7.82%之间，脂肪含量在2.40%～2.59% 之间，二者均无显著变化（P＞0.05）。随着粉碎时间的增加，方竹笋全粉膳食纤维含量有所下降，而蛋白质和总糖含量增加，其中CQSP-SG30组的蛋白质和总糖含量均最高，分别为33.98%和9.25%，较CK分别提高7.48%和44.76%。这可能是由于超微粉碎处理使样品中纤维素、半纤维素的部分分子链断裂，分子聚合程度减弱，部分小分子糖溶出，导致总糖含量增加[26]。此外，方竹笋全粉蛋白质和纤维素含量大约占了方竹笋全粉的70%，是方竹笋全粉的主要成分，因此可将方竹笋全粉可作为高蛋白、高膳食纤维的食品原辅料应用于食品工业中。

表1 超微粉碎对方竹笋全粉营养成分的影响（%）Table 1 Effect of superfine grinding on basic ingredients of CQSP (%)

2.1.2 粒径分布 超微粉碎对粉体的作用能力可以用粒径大小来衡量[27]。超微粉碎对方竹笋全粉粒径的影响如表2所示。由表可知，超微粉碎处理会显著影响全粉的粒径大小（P＜0.05）。随着粉碎时间的增加，粉体的 Dx(10)、Dx(50)、Dx(90)均显著减小（P＜0.05），其中，CQSP-SG30组较 CK组分别减小74.15%、92.07%和88.42%。这表明超微粉碎产生的剪切、冲击力等作用使得粉体颗粒得到细化，且处理时间越长，细化的程度越高，这与郝竞霄等[4]的研究结果一致。与CK相比，样品的体积平均粒径和表面积平均粒径均显著减小（P＜0.05），其中，CQSPSG30组的体积平均粒径下降了89.21%；表面积平均粒径下降了81.26%，说明处理后粉体粒径更小、分布更均匀。

表2 超微粉碎对方竹笋全粉粒径的影响Table 2 Effect of superfine grinding on particle size of CQSP

2.1.3 持水力、持油力和膨胀力 持水力良好的粉体能够增加排便、降低肠道癌等疾病几率[28]，持油力良好的粉体能够吸附油脂进而使人体的油脂摄入量大大减少。表3为超微粉碎对方竹笋全粉持水力、持油力和膨胀力的影响，由表3可知，超微粉碎处理后，全粉的持水力和持油力均显著低于CK（P＜0.05），而且随着粉碎时间的增加，持水力和持油力均呈显著下降趋势（P＜0.05）。其中CQSP-SG30组的持水和持油力分别为2.89和 1.03 g·g-1，较 CK分别下降了29.34%和26.43%。可能是方竹笋中的膳食纤维经超微粉碎之后，其含量减少，对水的束缚能力减弱，更不易吸收水分[29]；同时超微粉碎处理之后，一些基团被破坏，表面性质发生了变化，吸水能力降低[21]，与赵萌萌等[5]所得结果一致，但与刘颖等[11]和陈如等[9]所得结果相反。说明不同来源的实验原料，由于其膳食纤维含量及比例不同，超微粉的持水力等特性也会有所差异。持油性主要是粉体中亲油性物质所决定，粗粉由于粒径大，形状不规则，离心后的孔隙较大，从而使油脂很好的填充其中；而超微粉在离心后结构则变得更加紧密，颗粒孔隙减小，因此持油力逐渐减低[28-29]。CQSP-SG30 组的膨胀力为 4.08 mL·g-1，比CK降低了22.87%。超微粉碎组中全粉的粒径越小，膨胀力越小。

表3 超微粉碎对方竹笋全粉持水力、持油力和膨胀力的影响Table 3 Effect of superfine grinding on the WHC, OHC and SC of CQSP

2.1.4 滑角和休止角 粉体的滑角和休止角是反映其流动加工性能的重要指标，通常滑角和休止角越小，其流动性也越好[5]。超微粉碎对方竹笋全粉滑角和休止角的影响如图1所示，与CK相比，超微粉碎后方竹笋全粉的滑角和休止角均存在显著性增大（P＜0.05），其中，滑角从 41.27°增加到 57.05°，增加了38.24%；CQSP-SG10、CQSP-SG20和CQSP-SG30组的休止角分别为 50.65°、55.32°和 59.36°，休止角均大于45°，这一结果与锦橙皮渣[22]和青稞麸皮[5]超微粉碎的变化特征相似。这可能是超微粉碎减小了方竹笋全粉的粒径，增加了粉体的比表面积，使得其表面能增加，进而提高粉体之间的吸附能力，导致粉体的流动性能变差[30-31]。

图1 超微粉碎对方竹笋全粉滑角和休止角的影响Fig.1 Effects of superfine grinding on measurement results of CQSP slip angle and repose angle

2.1.5 色度 色度是表征粉体感官品质的一项重要指标。图2是超微粉碎方竹笋全粉的外观颜色图，由图2可知，与CK相比，超微粉碎后方竹笋全粉存在肉眼可辨的色差，随着超微粉碎时间的增加，方竹笋粉体的颜色愈加白亮。采用色差仪对方竹笋全粉进行色度值测定，结果如表4所示。由表4可知，L*值从 75.09增加到 85.55，增加了 13.93%；a*值从7.64降低到5.60，下降了24.21%；b*值从22.86下降到16.51，下降了27.78%，表明超微粉碎后方竹笋全粉的亮度增加，红度和黄度降低。超微粉碎组中样品的色差值均大于3.0，表明处理后方竹笋全粉与粗粉的颜色差异极显著（P＜0.01），且随着超微粉碎时间的增加，色差逐渐增大，这一结果与之前的外观颜色图结果一致[27]。说明超微粉碎技术能较好地改善方竹笋全粉偏黄偏暗、颜色不均等问题。

表4 超微粉碎对方竹笋全粉色度的影响Table 4 Effect of superfine grinding on chrominance of CQSP

图2 超微粉碎方竹笋全粉的外观颜色Fig.2 Appearance color of CQSP-SG

2.2 超微粉碎对方竹笋全粉结构特征的影响

2.2.1 红外光谱分析 红外光谱中吸收峰位置及强度的变化与原子振动频率及其化学组成、化学键类型有着密切的关系[23]。超微粉碎方竹笋全粉红外光谱如图3所示。超微粉碎后，方竹笋全粉的峰位置和形状基本与CK相似，只是强度出现差异，说明超微粉碎对方竹笋全粉中的官能团没有明显影响。在波长3328 cm-1处，超微粉与CK均出现一个强烈且圆滑的吸收峰，这是由纤维素或半纤维素的O-H的伸缩振动产生的[23,32]。2924 cm-1处的吸收峰产生于多糖类亚甲基上的C-H的收缩振动[23]。1644 cm-1是由酯化的C=O的非对称伸缩振动所产生的[23,33]，与CK相比较，超微粉的该吸收峰强度逐渐增强，表明超微粉碎可能增加了全粉中醛基或羧基。1544 cm-1是仲酰胺基的酰胺Ⅱ吸收带[5]。1400 cm-1处是由N-H的弯曲振动引起的吸收峰，是木质素芳族化合物中苯环的拉伸或特征弯曲而引起的[23,33]。1053 cm-1处出现的强吸收峰是由于纤维素和半纤维素中C-O的伸缩振动以及O-H的变角振动形成的糖环C-OC和C-O-H所致[23,34]。897 cm-1处的特征吸收峰为β-吡喃糖C-H变角的振动吸收峰，说明粗粉及微粉中均含有β-吡喃糖[23-24]，且超微粉碎处后，该峰强度增强，这可能是超微粉碎处理后，方竹笋全粉中的部分小分子糖溶出，糖类特征吸收峰增强[26]。

图3 超微粉碎方竹笋全粉红外光谱图Fig.3 FTIR spectra of CQSP-SG

2.2.2 热重分析 图4是超微粉碎方竹笋全粉热重分析。由图可知，方竹笋全粉的热分解过程可分成3个阶段。第1阶段温度为100～170 ℃，该阶段方竹笋全粉主要失去自由水、结晶水以及小分子碳氢化合物[23,35]，150 ℃达到最大失重速率。第2个失重阶段是热分解过程的主要阶段，温度为200～400 ℃，在此阶段，方竹笋全粉的失重率和失重速率均显著增加（P＜0.05），这是由于方竹笋全粉的主要组成成分纤维素、半纤维素和木质素发生降解以及蛋白质高温分解而造成的[36]。290 ℃左右时，各微粉均出现一个明显的峰，CQSP-SG30失重速率和失重率都达到最大，这可能是因为超微粉碎处理后，粉体粒径减小，颗粒的受热面积增大，受热更加均匀，从而使分解速率加快[23]。400 ℃之后，方竹笋全粉热分解进入平缓的第3阶段，此阶段主要是少量木质素和热解残余物缓慢分解产生碳和灰分[36]。综上，说明超微处理会对方竹笋全粉的热稳定产生影响，且微粉的粒径越小，其热稳定性就越差，这可能是因为超微粉碎使得方竹笋全粉的纤维素破坏，部分长链变为短链，减少了断键所需的能量，使热分解更易进行[23,37]。

图4 超微粉碎方竹笋全粉热重分析Fig.4 Scanning electron microscope (SEM) images of CQSP-SG

2.2.3 扫描电子显微镜形态观察 图5为超微粉碎方竹笋全粉扫描电子显微镜形态观察图。由图5可知，CK具有较为平坦的表面，其结构也较为规整，呈现出致密的球形或椭球形结构，颗粒较大但不均一，同时，周围还存在一些较小的颗粒。微粉CQSPSG10颗粒虽较CK有所减小，但颗粒结构仍较为完整。超微粉碎处理20 min后，样品颗粒明显变小，形状变得更加不规则，但其大小变得较为均匀，一些片状、棒状、球状的碎片也相对均匀地分布在较大颗粒四周。进一步延长处理时间后，样品CQSP-SG30变得更加微小均匀和碎片化，不规则的结构出现了团聚和吸附现象[36,38]，与杨茉等[25]的研究结果相似。扫描电镜结果进一步印证了超微粉碎明显降低了粉体的粒径，破坏粉体表面结构，导致粉体的持水持油、膨胀力等理化特性发生改变，最终影响粉体的加工性能。

图5 超微粉碎方竹笋全粉SEM图（1000×）Fig.5 Scanning electron microscope observation of CQSP-SG (1000×)

3 结论

方竹笋是富含膳食纤维和蛋白质的食品原料，经超微粉碎后，方竹笋全粉的蛋白质和总糖含量分别提高7.48%和44.76%；持水力、持油力和膨胀力分别下降29.34%、26.43%和22.87%。超微粉碎能够有效降低粉体粒径，超微粉碎30 min时，粉体平均粒径达到最小，较CK组降低了92.07%。超微粉碎处理后方竹笋全粉的滑角和休止角分别增加38.24%和20.63%，粉体的流动性变差；超微粉碎使方竹笋全粉亮度值增加13.93%，红绿值及黄蓝值分别下降24.2%和16.51%，粉体色泽更加均匀、白亮。超微粉碎未改变方竹笋全粉的基本结构和官能团，但降低了样品的热稳定性，破坏了表面结构，使其更加微小均匀。综上所述，超微粉碎技术可改善了方竹笋全粉的理化特性、感官品质及加工特性，研究结果为方竹笋全粉在固体饮料、咀嚼片、饼干等食品领域中的应用奠定了基础。