超微粉碎对板栗粉理化特性及结构特征的影响

寇福兵，夏晓霞，薛艾莲，冉欢，雷小娟,2，赵吉春,2，曾凯芳,2，明建,2*

1(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)2(西南大学 食品贮藏与物流研究中心，重庆，400715)

板栗(CastaneamollissimaBlume)属壳斗科栗属植物，又名栗子、栗果、中国板栗，是我国重要的果树品种之一，主要种植于亚洲、欧洲、非洲及美洲，有中国板栗、欧洲栗、日本栗、美洲栗4种[1]。板栗作为我国主要的果树品种，种植面积广、产量高，是一种营养价值较高的坚果类食品，有“干果之王”的美称，淀粉含量占干基的45%～70%，蛋白质含量为6.6%～8.9%，含有人体所需的8种必需氨基酸，并含有多种维生素、微量元素及少量酚类物质，营养丰富[2-3]。新鲜板栗水分含量较高，不耐贮藏，容易发生霉变生虫等问题，造成极大的浪费。将板栗加工为板栗粉，可以达到长期储存的目的，并且可加工为其他产品，如速溶板栗粉；此外添加在一些产品中，如面粉等，可以改善其特性。

超微粉碎是今年来发展起来的高新技术之一，是指利用特种粉碎设备，对物料进行研磨、冲击、剪切等，将粒径3 mm以上的物料粉碎至粒径10～25 μm甚至以下[4]。目前超微粉碎技术主要分为：干法粉碎和湿法粉碎。干法粉碎主要包括：球磨式粉碎、冲击式粉碎和气流式粉碎等；湿法粉碎主要包括：高压均质和胶体磨。物料经超微粉碎后，其颗粒大小得到一定的改善，具有良好的溶解性、分散性、生物活性及较高溶出率等优点[5]，如方竹笋超微粉[6]、马铃薯渣超微粉[7]等。目前，超微粉碎技术在板栗方面的应用研究报道较少，板栗粉碎方式仍主要集中使用普通粉碎方式。本实验旨在探究普通粉碎与超微粉碎后，板栗粉在营养成分、理化特性以及结构之间的差别，为板栗粉深加工提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 主要材料

鲜板栗，购于重庆市北碚区永辉超市(产地：辽宁丹东)；α-耐热淀粉酶，阿拉丁公司；胃蛋白酶，索拉宝公司；胰蛋白酶，美国Sigma；其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

SCIENTZ-20F冷冻干燥机，宁波新芝；1000G多功能粉碎机，永康兆申电器；Spectrun-100傅里叶红外光谱仪，美国PerkinElmer；Phenom Pro扫描电子显微镜，荷兰Phenom World；TGL-18MS高速冷冻离心机，上海卢湘仪；UltraScan PRO测色仪，美国HunterLab；Mastersizer 3000激光粒度仪，英国马尔文；X’Pert3Powder X-衍射仪，荷兰帕纳科；DSC25差示扫描量热仪，美国TA；CJM-SY-B高能纳米冲击磨，秦皇岛市太极环纳米制品有限公司；LNJ-6A气流粉碎机，绵阳流能粉体设备有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 板栗粗粉(ordinary grinding,OG)制备

鲜板栗→挑选无病害、大小均匀板栗→去壳、去皮→切片→真空冷冻干燥(干燥时间36 h，真空度<10 Pa，冷阱温度-60 ℃)→高速粉碎机粉碎→过60目筛→板栗粗粉

1.3.2 超微板栗粉制备

球磨超微粉碎(ball mill superfine grinding,BMSG)板栗粉制备：将板栗粗粉原料置于CJM-SY-B高能纳米冲击磨进行粉碎处理，粉碎腔体为不锈钢材质，粉碎磨介为氧化锆球，5～35 ℃调频，粉碎时间6 h，最后制得超微板栗粉，密封储存于干燥阴凉处，备用。

气流超微粉碎(jet superfine grinding,JSG)板栗粉制备：将板栗粗粉原料置于LNJ-6A气流粉碎机中，在分级机为60 Hz/0.6 A，引风机40 Hz/7.2 A，粉碎压力为0.7 MPa条件下粉碎6 h，最后制得气流粉碎板栗粉，密封储存于干燥阴凉处，备用。

1.3.3 基本成分测定

水分测定参照GB 5009.3—2016；灰分测定参照GB 5009.4—2016；粗蛋白测定参照GB 5009.5—2016；粗脂肪测定参照GB 5009.6—2016；还原糖测定参照GB 5009.7—2016；淀粉测定参照GB 5009.9—2016；膳食纤维测定参照GB 5009.88—2014。

1.3.4 理化特性及结构测定

1.3.4.1 粒径检测[8]

采用Mastersizer 3000激光粒度分析仪，测定板栗粉粒度分布，确定代表粒度分布的D10、D50和D90值分别指累计粒度分布百分数达到10%、50%、90%时所对应的粒径(D)。粒径跨度值(span,S)，表示粒径分布宽窄，计算如公式(1)所示：

(1)

1.3.4.2 色泽测定[9]

采用测色仪测定板栗粉的色泽。L*代表明度指数，从黑暗(L*=0)到明亮(L*=100)的变化；a*代表颜色从绿色(-a*)到红色(+a*)的变化，b代表颜色从蓝色(-b*)到黄色(+b*)的变化。ΔE代表被测物体的色泽(L*、a*、b*)与标准白板色泽差值，计算如公式(2)所示：

(2)

1.3.4.3 振实密度测定[10]

称取2.0 g样品(m)，移入10 mL量筒中，振实至量筒内物料体积不再变化，读取样品体积(V)，重复测定3次取平均值，振实密度计算如公式(3)所示：

(3)

1.3.4.4 休止角与滑角测定[11]

休止角测定：固定漏斗距离水平面一定高度(3 cm)，取适量板栗粉，使其通过玻璃漏斗自由掉落至平面，直至粉体圆锥最高点碰触到漏斗下端，记录此时圆锥体的高度(H)和直径(D)，休止角θ计算如公式(4)所示：

(4)

滑角测定：称取1.0 g板栗粉置于光滑玻璃平板上，将平板缓慢倾斜至约90%的板栗粉移动，记录此时玻璃板被提高的垂直高度(H)和玻璃板长度(L)，休止角θ计算如公式(5)所示：

(5)

1.3.4.5 微观结构观察[12]

扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)测定：将少量样品用导电胶固定在金属样品平台上，喷金，放入扫描电镜中观察，拍照保存。测定条件：电压10 kV，喷金90 s。

X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)测定：条件为电压40 kV，电流40 mA，扫描范围4°～50°，扫描速度2°/min，以衍射强度计算相对结晶度。

傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)测定：将样品置于红外光谱仪中进行测量，得到红外光谱图。扫描范围4 000～600 cm-1，分辨率为0.01 cm-1。

1.3.5 水合性质测定

1.3.5.1 溶解度与溶胀度测定[13]

溶解度测定：将样品(m1)与水按质量比1∶50分散于离心管中，置于80 ℃水浴中孵育30 min后，6 000 r/min离心15 min。将上清液放于恒重的蒸发皿(m2)中，105 ℃干燥至恒重(m3)，溶解度计算如公式(6)所示：

(6)

溶胀度测定：称取1.0 g样品(m0)于10 mL量筒中，轻轻振荡使表面平整，读取初始体积(V1)，加入10 mL蒸馏水，搅拌均匀，封口静置24 h后，记录量筒内试样自由膨胀体积(V2)，溶胀度计算如公式(7)所示：

(7)

1.3.5.2 持水力与持油力测定[14]

称取0.5 g样品(m1)于100 mL离心管中，称量离心管及样品质量(m2)，加入20 mL纯水(或食用油)，搅拌均匀，然后5 000 r/min离心15 min，去上清液，将离心管倒置2 min，称量离心管及沉淀物质量(m3)，持水力或持油力计算如公式(8)所示：

(8)

1.3.5.3 冻融稳定性测定[15]

称取3.0 g样品配制质量分数为6%的乳液，95 ℃下搅拌加热30 min，转移至10 mL离心管(m0)中，快速冷却后称重(m1)，于-20 ℃冷冻24 h，取出样品室温解冻后，5 000 r/min离心20 min，去上清液，称量沉淀物(m2)，析水率计算如公式(9)所示：

(9)

1.3.5.4 热稳定测定[16]

称取5.0 mg样品放置于铝盒中，采用差示扫描量热仪进行测量，以空铝盒为空白，扫描速度为10 ℃/min，温度范围为20～120 ℃，N2流量为50 mL/min。

1.4 数据处理

每组实验进行3次重复测定，采用SPSS 20.0软件进行方差分析，检验显著性水平为P<0.05，采用Origin 8.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 板栗粉基本营养成分

如表1所示，超微粉碎后，板栗粉颗粒变小，导致粉体吸水，水分含量有所提高，但蛋白质、脂肪、淀粉含量显著增加，还原糖含量增加幅度最大(2.55%升至8.17%)，且经过2种超微粉碎后，相比于JSG，BMSG使营养成分释放的程度更大。此外板栗中膳食纤维的含量较为丰富，达到10%左右，通过2种超微粉碎处理，发现总膳食纤维(total dietary fiber，TDF)未发生明显变化(P>0.05)，而超微粉碎使不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber，IDF)降低，可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber，SDF)增加。孟庆然[17]对芦笋进行超微粉碎后，同样发现随着粒径的减少，IDF减少，SDF增加，说明超微粉碎处理后，膳食纤维组成成分发生变化，IDF结构被破坏，结晶度高的长链被打断，变为短链的小分子，使其中不溶性成分减小，可溶性成分增加。研究显示，食品中SDF对人体健康发挥作用优于IDF，且在食品加工方面，SDF比IDF能更好地提高食品黏度，形成凝胶或作为乳化剂赋予食品更好的质地和口感。

表1 不同超微粉碎的板栗粉基本营养成分 单位：%Table 1 Basic nutrients of Chinese chestnut powder after different superfine grinding

2.2 粒度分布特性

D(4,3)指表面积平均粒径，D(3,2)指体积平均粒径，当D(4,3)和D(3,2)值越接近，说明样品颗粒的形状越规则，粒度分布越集中。由表2可知，与OG相比，板栗粉经超微粉碎后，粒径明显减小，BMSG、JSGD50分别达到(7.42±0.03)和(7.08±0.04)μm，降幅分别为83.33%和84.09%；板栗粉颗粒形状更接近于球形，Span随粒径减小而明显下降，说明超微粉碎板栗粉粒度分布更均匀粒径范围变窄，均一性变好；BMSG与JSG比表面积分别增加1.50和1.60倍，有助于功效成分的溶解与吸收[18]。

表2 不同超微粉碎的板栗粉粒度分布特性Table 2 Particle size distribution characteristics of Chinese chestnut powder after different superfine grinding

2.3 色差变化

如表3所示，板栗粉亮度随颗粒尺寸减小而增加，而BMSG板栗粉亮度达到最大值，这是由于板栗粉表面积增加，导致光反射率增大。同时，与标准白板色差值ΔE相比，有明显降低(P<0.05)，BMSG板栗粉ΔE为最小值；此外b*值随粒径减小而减小，黄色变浅，为淡黄色。说明经超微粉碎后，板栗粉颜色由黄色向白色逐渐靠近。

表3 不同超微粉碎对板栗粉色泽的影响Table 3 Effect of different superfine grinding on color of Chinese chestnut powder

2.4 振实密度与流动性

振实密度在食品工业中有助于质量控制，由图1可知，经超微粉碎，振实密度从OG板栗粉的0.77 g/mL降为JSG板栗粉的0.55 g/mL，这与粒径测定的结果相一致，由于较大的板栗粉末具有更多的粒间空隙以及超微粉末之间的团聚影响，导致振实密度随粒径减小而减小。麦麸粉同样观察到振实密度随粒径减小而减小[13]。

图1 不同超微粉碎对板栗粉振实密度的影响Fig.1 Effect of different superfine grinding on tap density of Chinese chestnut powder

以休止角、滑角表示食品物料粉末的流动性，休止角与滑角小，说明其流动性好。图2显示，超微粉碎后，BMSG与JSG 休止角、滑角增大，说明2种超微粉碎使板栗粉流动性变差，且JSG流动性最差。

图2 不同超微粉碎对板栗粉流动性的影响Fig.2 Effect of different superfine grinding on the fluidity of Chinese chestnut powder

其原因可能是超微粉碎增加了板栗粉颗粒间的聚集力。而JSG粒径最小，随着粒径的减小，板栗粉内部的黏结基团暴露，颗粒间引力增大，形成封闭的聚集体，最终导致流动性变差[19]。

2.5 扫描电镜

图3为3种板栗粉分别在1 000与2 000倍的扫描电镜图，板栗粗粉经超微粉碎后，颗粒分布更为均匀，形状更接近于球状，且较大颗粒的数量明显减少，而JSG相比于BMSG，其板栗粉颗粒更小，这与粒径测定的数据相印证，此外超微粉碎后，板栗粉部分出现表面片状突出，这可能是由于超微粉碎使颗粒内部物质暴露导致[14]。

图3 不同超微粉碎板栗粉扫描电镜图Fig.3 SEM of Chinese chestnut powder in different superfine grinding

2.6 红外光谱

如图4所示，经超微粉碎后，其红外光谱图主要吸收峰无显著差异(P>0.05)，表明2种超微粉碎对板栗粉官能团无影响。

图4 不同超微粉碎板栗粉红外光谱图Fig.4 FTIR spectrum of Chinese chestnut powder in different superfine grinding

表4 不同超微粉碎板栗红外光谱特征峰Table 4 FTIR spectrum characteristic peaks of Chinese chestnut in different superfine grinding

2.7 X-射线衍射

每一种结晶物质都有各自独特的化学组成和晶体结构，当X-射线被晶体衍射时，每一种结晶物质都会得到各自独特的衍射图谱。X-射线衍射的衍射角(2θ)和衍射强度是结晶物质所固有的，反映样品粉末的晶体类型和晶体化程度。衍射峰越高，衍射强度越大；晶体颗粒越大，衍射角越小。由图5可知，XRD图谱显示出淀粉典型峰形，为“C”型结构，分别在15°、18°、23°有3个特征峰，经BMSG后，峰形有所减弱，其在15°和23°特征峰消失，相对结晶度为结晶区衍射峰面积与总衍射峰面积的比值，通过软件Jade 6.0计算得出，OG、JSG与BMSG的相对结晶度分别为28.92%、22.78%、10.24%，而BMSG降低板栗粉结晶度幅度强于JSG，说明不同超微粉碎技术对板栗粉晶体特征有所影响，强烈的机械作用使板栗粉晶格发生改变，晶体结构受到一定破坏，使得相对结晶度有所下降[22]。

图5 不同超微粉碎板栗粉XRD曲线Fig.5 XRD curves of Chinese chestnut powder in different superfine grinding

2.8 水合性质

2.8.1 溶解度

由图6可知，2种超微粉碎后，其溶解度明显提高(P<0.05)，由31.33%增加为57.42%，而BMSG与JSG 2种超微粉碎后，板栗粉溶解度没有显著性变化(P>0.05)，这可能是由于一方面超微粉碎后，粒径减小，表面积增加，与水的接触面积增大；另一方面超微粉碎使板栗粉颗粒破碎，释放其中可溶性物质，从而超微粉碎后溶解度上升[23]。

图6 不同超微粉碎对板栗粉溶解度的影响Fig.6 Effect of different superfine grinding on the solubility of Chinese chestnut powder

2.8.2 溶胀性

由图7可知，超微粉碎后，其溶胀性下降明显(P<0.05)，JSG溶胀性降为1.03 mL/g，这可能是由于蛋白质与淀粉等形成的复合物阻碍了与水分子的结合；再者超微粉碎后，颗粒达到一定程度，在水中团聚，粉末没有充分溶胀，共同降低超微板栗粉的溶胀性[24]。

图7 不同超微粉碎对板栗粉溶胀性的影响Fig.7 Effect of different superfine grinding on swelling property of Chinese chestnut powder

2.8.3 持水力与持油力

由图8可知，普通粉碎(OG)后持水力显著(P<0.05)高于超微粉碎，可能是在超微粉碎过程中，板栗粉受到强烈的机械外力，粉体减小的同时，粉体暴露在外部而吸水，同时粉体内部结构遭到破坏，使小分子物质保水能力下降，因此超微板栗粉体持水性能差于常规粉[25]。持油力在球磨超微粉碎后，由1.48降为1.19 g/g，可归因于超微粉碎过程中亲水基团的暴露，这与HUANG等[19]研究一致；而气流粉碎后，其持油力有一定增加，这可能是由于2种超微粉碎技术原理不同，使得板栗粉颗粒破坏程度有所不同，从而造成持油力有明显的差异。

图8 不同超微粉碎对板栗粉持水力与持油力的影响Fig.8 Effect of different superfine grinding on the value water and oil holding capacity of Chinese chestnut powder

2.8.4 冻融稳定性

冻融稳定性以析水率表示，析水率低说明其冻融稳定性较好[15]。由图9可知，超微粉碎可以较好的改善板栗粉的冻融稳定性，析水率从74.49%降为JSG板栗粉的67.28%。而2种超微粉碎后板栗粉的冻融性有进一步的改善，JSG可以更好地改善板栗粉的冻融稳定性。这与板栗粉粒径减小有一定关系，由于粒径减小，颗粒接触面积增加，使超微板栗粉在解冻过程中可以减少水分析出，而改善板栗粉的冻融稳定性。

图9 不同超微粉碎对板栗粉冻融稳定性的影响Fig.9 Effect of different superfine grinding on freeze-thaw stability of Chinese chestnut powder

2.8.5 热稳定性

差式扫描量热法可以提供与吸热或放热过程中材料转变相关的温度和焓[19]，如图10所示，3种板栗粉在升温过程中，发生相变，为吸热过程，且均在75～85 ℃，达到峰值最低点，2种超微粉峰值温度均低于普通粉，而JSG板栗粉峰值温度为最低，颗粒大小影响峰值温度，可能由于多糖和蛋白质基团的暴露以及高强度和长时间碰撞、研磨导致峰值温度降低[11]。

图10 不同超微粉碎的板栗粉DSC曲线Fig.10 DSC curves of Chinese chestnut powder in different superfine grinding

3 结论

超微粉碎后，BMSG与JSG的D90分别达到了14.90和12.90 μm，实现超微粉碎目的；且板栗粉中各营养成分含量明显有所提高，其中普通粉与2种超微粉的理化指标结果显示：与普通粉相比，2种超微粉碎技术均改变板栗粉色泽，使亮度变白，且BMSG板栗粉亮度最大；通过SEM和XRD观察到，2种超微粉碎技术对板栗粉粉体表观结构进行一定破坏，且BMSG对板栗粉晶体结构破坏较大，而在FTIR中则显示超微粉碎不会对其官能团结构造成影响；对于板栗粉的振实密度、溶解度、冻融稳定性随粒径的减小而有所改善，并且JSG均能大大改善上述理化指标；而板栗粉的持水力、溶胀性则随粒径减小而减小，这是因为颗粒达到一定粒度后，颗粒的比表面积增大，颗粒处于能量不稳定状态，发生黏附及团聚现象，从而导致粉体的这些指标减少。

综上，超微粉碎技术作为一种新型粉碎技术，采取不同超微粉碎方式可以在一定程度上改善板栗粉的理化特性，使板栗粉中营养成分溶出明显增加，为板栗的深加工提供理论指导。