两种物理加工方式对西洋参加工副产物粉体性质的影响

张博华，张 明，范 琳，卢 艺，侯 超，马 超,*

（1.中华全国供销合作总社济南果品研究院，山东 济南 250014；2.威海职业学院，山东 威海 264210）

西洋参（Panax quinquefoliumL.）为五加科植物，又名花旗参、美国人参等，是一种原产北美洲，现已在我国大面积推广的名贵中药材。据《本草从新》记载：西洋参味甘、微苦、性凉，归心、肺、肾经，有清火生津、补气养阴的功效[1]。西洋参具有显著的免疫调节、抗癌、抗疲劳、抗衰老、降血糖、降血脂等功效，其所含的皂苷类、多糖类为具以上功能的主要活性物质[2-4]。当前，西洋参除鲜食外，切片干制是其加工的主要方式[5]。西洋参在切片加工中一般只保留主根，加工中所产生的一系列副产物，如残次参、西洋参须根、西洋参芦头等不符合商品化要求的下脚料，其营养组成与商品化产品类似，是优质的副产物资源，但由于缺乏有效的高值利用途径，这些资源通常用作肥料、饲料，或被直接丢弃，这不仅造成了极大的资源浪费，同时对环境还造成了污染。考虑到西洋参加工副产物外观不符合商品化要求，且水分含量较高，不宜加工、保存和运输，干燥制粉处理是一种切实可行的高值利用途径，所得粉体既可以作为食品配料应用于烘焙原料、固体饮料、压片糖果、胶囊等领域，也可用于提取皂苷类、多糖类等功能性成分。同时，经研究表明，蒸汽爆破技术与超微粉碎技术作为两种物理加工处理方式，对改善物料色泽和物理加工特性，提高粉体的营养价值，减少营养成分流失，增加有效成分溶出等方面具有积极作用[6-7]。

蒸汽爆破（以下简称汽爆）技术作为一种物理加工方式，其工作原理是通过高温加热水蒸气，使其充满物料的空隙内，进行一定时间的高温高压处理，使物料间的液体汽化。通过瞬间释放压力，细胞内的汽体体积会瞬间膨胀，使得细胞撕裂，达到破壁的功效，同时细胞内的物质被释放出来[8-9]。有研究表明，分别对漆果原料和麻黄原草原料进行蒸汽爆破处理后，从其提取的生物活性物质较蒸汽爆破前分别提高了8 倍和2 倍[10-11]。

超微粉碎（以下简称超微）技术是一种新型的粉碎技术，其不仅可以实现破壁处理，还可生产具有良好表面性能、粒径分布窄而均匀的粉体，更有利于不同剂型食品的生产。张丽媛等[12]将苹果膳食纤维进行超微粉碎后发现其水溶性、溶胀性、阳离子交换能力及抗氧化性等理化性质都得到显著改善。同时，超微粉碎有利于营养物质的溶出，加工后的粉体分散性较好，能更好地被人体吸收，已广泛应用于果蔬粉的制备中。高飞虎等[13]研究发现，超微粉碎可提高绿茶多糖的溶出量。

本研究应用蒸汽爆破和超微粉碎两种物理加工方式处理西洋参加工副产物，研究其对粉体色泽、含水量、休止角、滑动角、比表面积、堆积密度、膨胀力、持水力、持油力、水溶性指数（Water soluble index，WSI）等理化性质以及多糖含量等营养品质的影响，明确两种物理加工方式处理的优缺点，探究西洋参加工副产物粉体的适宜加工方式和产品生产剂型，为西洋参加工副产物精深加工和高值利用提供一定的理论借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料

西洋参，威海市东旭西洋参有限公司；鲁花食用植物调和油，市售。

1.1.2 仪器与设备

QBS-80 型蒸汽爆破设备，鹤壁政道启宝实业有限公司；BFM-6 超微粉碎机，济南倍力粉技术有限公司；BT-9300H 激光粒度分析仪，丹东市百特仪器有限公司；RXH-B-1 型热风循环烘箱，江阴市宏达粉体设备有限公司；SUPRA55 场发射扫描电子显微镜，德国卡尔蔡司公司；80 目标准检验筛，浙江上虞市金鼎标准筛具厂；TGL-10B 型高速台式离心机，上海安亭科学仪器厂；RH-600A 型高速粉碎机，永康市荣浩工贸有限公司；WSC-S 型测色色差计，上海仪电物理光学仪器有限公司；MB23 型水分测定仪，奥豪斯仪器（上海）有限公司。

1.2 方法

1.2.1 西洋参加工副产物粉体的制备

1.2.1.1 西洋参加工副产物干燥粉

西洋参加工副产物洗净，切片沥干，摆盘，放入恒温热风烘箱中，60 ℃条件下烘至物料含水率7%以下，冷却后用高速粉碎机打粉，每次30 s，间隔5 min，重复3 次，过80 目筛，将干燥粉用铝箔袋密封后置于干燥器中储存备用。

1.2.1.2 汽爆西洋参加工副产物粉体

以西洋参加工副产物干燥粉（对照）作为汽爆底物，首先采用固定汽爆维压时间60 s，汽爆压强分别0.6、0.9、1.2 MPa 的方式处理，再以固定汽爆压强0.6 MPa，汽爆维压时间分别为30、90 s 的方式处理，共得到5 种汽爆西洋参加工副产物粉体，60 ℃条件下将粉体干燥至含水率7%以下后，用铝箔袋密封并置于干燥器中储存备用。

1.2.1.3 超微西洋参加工副产物粉体

将西洋参加工副产物干燥粉投入超微粉碎机，分别采用超微粉碎时间3、5、7 min 处理干燥粉，得到3种超微西洋参加工副产物粉体，60 ℃条件下将粉体干燥至含水率7%以下，然后用铝箔袋密封并置于干燥器中储存备用。

1.2.2 测定项目与方法

1.2.2.1 色泽

采用CIELAB 表色系统测定西洋参加工副产物粉体的L*、a*和b*值，其中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（负值）到红色（正值）的变化；b*代表颜色从蓝色（负值）到黄色（正值）的变化。

1.2.2.2 含水率

称取一定质量的粉体（m1，g），将粉体放入烘箱中干燥至恒质量（m2，g），含水率按以下公式计算。

1.2.2.3 粒径分布、休止角、滑动角、堆积密度及比表面积

粒径分布、比表面积：使用激光粒度分布仪分析。以异丁醇为沉降介质，首先进行空白标定，要求背景值在2.0以内，取少许样品，缓慢进样，待遮光率值达到10%～20%时停止进样，超声分散30 s 后，进行测定，每个样品重复测定3 次。

休止角：将一漏斗垂直固定于铁架台上，漏斗最下端与水平面保持一定距离，取适量西洋参加工副产物粉体，使其均匀通过玻璃漏斗自由落在平面上，直到粉体堆成的圆锥体最高点碰触到漏斗最下端为止，测量此时圆锥体直径D，每个样品重复测定5 次[14]。

计算公式如下：

其中：θ 为粉体的休止角，°；H 为漏斗最下端距离水平面的距离，cm；D 为粉体堆成的圆锥体的直径，cm。

滑动角：取长方形光滑玻璃板，称取5 g 西洋参加工副产物粉体置于玻璃板中心处，固定玻璃板一侧，缓慢抬起另一侧，直至超过90%粉体滑落，标记此位置，此时玻璃板与水平面之间的夹角即为滑动角θ（°）[15]，每个样品重复测定5 次。

堆积密度：分别精确称取15 g 西洋参加工副产物粉体，转入50 mL 量筒中，尽量减少筒壁粘连，充分振实，直至量筒内粉体体积不再变化，读取粉体体积，重复测定3 次，结果取平均值[16]。计算公式如下：

1.2.2.4 膨胀力、持水力、持油力、水溶性指数、吸湿率

膨胀力、持水力、持油力、水溶性指数、吸湿性均参照张明等[16]的方法进行测定。

膨胀力：分别称取9 种西洋参加工副产物粉体各1 g，置于标有刻度的试管中，读取干基体积（mL），缓慢加入10 mL 蒸馏水，充分振荡，室温下静置24 h，待粉体充分吸水沉降后，记录沉淀体积（mL），按如下公式计算粉体膨胀力。

持水力：分别称取9 种西洋参加工副产物粉体各1 g，置于100 mL 烧杯中，加入40 mL 的蒸馏水，置于摇床中，慢速振荡30 min，随后将样液转移至离心管中，5000 r/min 离心20 min，除去上清液，称量沉淀质量。计算公式如下：

持油力：分别称取9 种西洋参加工副产物粉体各5 g，置于50 mL 离心管中，边振荡边缓慢加入40 g 花生调和油，充分混匀后静置30 min，5000 r/min 离心20 min，称取上清油液质量，按照如下公式计算持油力。

水溶性指数（WSI）：分别称取9 种西洋参加工副产物粉体各1 g，置于100 mL 三角瓶中，边振荡边缓慢加入40 mL 蒸馏水，充分混匀后，80 ℃恒温水浴下静置30 min，冷却后将样液转移至50 mL 离心管中，室温6000 r/min 离心10 min，取上清液置于预先称取质量的干燥烧杯中，先用电炉加热除去绝大部分水分，然后置于105 ℃恒温烘箱中烘至恒重，称取干燥后烧杯与样品的总质量，WSI 按照下列公式计算。

式中：M0为初始粉体的质量，g；M1为干燥烧杯质量，g；M2为干燥烧杯质量和处理后的样品质量之和，g。

吸湿率：分别精准称取5 g 西洋参加工副产物粉体于预先干燥的敞口干燥皿中，将干燥皿放置在干燥器隔板上，隔板下方盛装饱和NaCl 溶液，对干燥器进行密封，在25 ℃室温环境下静置7 d，测定西洋参加工副产物粉体吸湿率。

式中：M 为初始粉体的质量，g；Δm 为平衡后粉体质量的增加量，g；Mi为初始粉体干物质的含水率，%。

1.2.2.5 粗多糖含量

参照NY/T 1676—2008[17]所述方法进行测定。

1.2.3 电镜观察

将不同处理方式制备的西洋参副产物粉体样品于60 ℃烘箱中干燥至恒质量，然后采用溅射镀膜法进行表面镀金，利用扫描电镜（SEM）对其进行观察并拍照。

1.2.4 数据处理

采用SPSS 20 软件进行数据统计分析，采用Origin 8.0 软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体物理性质的影响

2.1.1 粉碎处理方式对粉体色泽的影响

西洋参加工副产物粉体呈黄褐色。由表1 可知，L*值从大到小依次为超微粉体＞对照粉体＞汽爆粉体，超微5 min 的西洋参加工副产物粉体亮度最大，汽爆（1.2 MPa，60 s）处理的粉体亮度最低；西洋参加工副产物粉体a*值从大到小依次为汽爆＞对照＞超微，其中汽爆（0.6 MPa，90 s）处理的粉体偏红程度最大，超微5 min 处理的粉体偏绿程度最大；b*值反映样品偏黄的程度，在这个指标上超微处理与汽爆处理没有明显差异，总体来看，汽爆处理的粉体颜色偏黄程度更大。综合比较可以看出，超微技术处理对西洋参粉体色泽的保持效果更好。

表1 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体色泽的影响Fig.1 Effects of grinding treatment methods on color parameters of Panax quinquefolium by-products powder

2.1.2 粉碎处理方式对粉体粒径分布的影响

D10、D50、D90分别表示粉体粒径小于某一值时的累计率为10%、50%、90%，其中D50是样品的累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径，它的物理意义是粒径大于某一值的颗粒占50%，小于某一值的颗粒也占50%，最具代表性。9 种西洋参加工副产物粉体的粒径分析结果如表2 和图1 所示。由表2 可知，9 种干燥粉体中，汽爆西洋参加工副产物粉体和对照粉体的D50均明显大于超微粉体。离散度为D90与D10之差和D50的比值，其用于表征粉体粒度分布的宽度，离散度越大，粒度分布越分散。9 种干燥粉体中，超微西洋参加工副产物粉体粒径分布较均匀。

图1 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体粒径分布的影响Fig.1 Effects of grinding treatment methods on particle sizes distributions of Panax quinquefolium by-products powder

表2 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体粒径的影响Table 2 Effects of grinding treatment methods on particle sizes of Panax quinquefolium by-products powder

2.1.3 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体流动性和压缩成型性的影响

良好的粉体流动性是保障片剂、胶囊等制剂正常生产的前提。休止角和滑动角反映粉体的流动性，休止角越小，摩擦力越小，流动性越好，一般认为休止角θ≤30°时流动性好，休止角θ≤40°时可以满足生产过程中的流动性需求[15]。由表3 可得，超微西洋参加工副产物粉体休止角小于汽爆和对照，3 种粉体均能满足片剂胶和囊剂生产的需求，超微西洋参加工副产物粉体休止角最小，可以加工成片剂。滑动角则相反，超微西洋参加工副产物粉体大于汽爆和对照。

堆积密度反映了粉体的充填性能，其值越大，粉体充填性越好，越有利于压片成型[16]。由表3 可知，汽爆西洋参加工副产物粉体堆积密度最大，更有利于压片成型。比表面积反映粉体的聚合能力，比表面积越大，粉体表面聚合力越强[18-19]。由表3 可知，超微西洋参加工副产物粉体比表面积大于对照。超微处理后，西洋参加工副产物粉体比表面积增加，其中超微7 min 的粉体是对照粉体的1.97 倍，适宜作为功能性食品原料吸附或包裹于食品表面[18]。

表3 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体流动性和压缩成型性的影响Table 3 Effects of grinding treatment methods on fluidity and compression formability of Panax quinquefolium by-products powder

2.1.4 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体膨胀力的影响

膨胀力可反映粉体与水的结合能力，其值越大，粉体溶于水后的稳定性、悬浮性越好。膨胀力的大小与颗粒的吸水膨胀性和颗粒间的空隙率密切相关[19-20]。由图2 可知，超微西洋参加工副产物粉体的膨胀力大于汽爆和对照。汽爆（0.6 MPa，30 s）粉体的膨胀力最差，可能因为蒸汽处理过程中物料表面因受热急剧收缩，质地紧实，较难复水所致。其中超微5 min 西洋参加工副产物粉体膨胀力最好，所以粉体溶于水后的稳定性最好，适宜加工成固体饮料。

图2 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体膨胀力的影响Fig.2 Effects of grinding treatment methods on expansion forces of Panax quinquefolium by-products powder

2.1.5 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体持水力的影响

持水、持油力是样品受到外部离心力或压强时保持水或油的能力[21-22]。如图3 所示，西洋参加工副产物粉体持水力大小依次为：对照＞汽爆＞超微。与对照西洋参加工副产物粉体相比，超微7 min 西洋参加工副产物粉体的持水力由4.688 g/g 下降至1.727 g/g，下降了63.16%，原因可能是粉体在超微过程中破坏了植物的细胞结构，使其对水分的束缚力减小从而导致持水力下降，这与赵萌萌等[23]的研究结果相似。

图3 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体持水力的影响Fig.3 Effects of grinding treatment methods on water-holding capacities of Panax quinquefolium by-products powder

2.1.6 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体持油力的影响

由图4 可知，超微粉体持油力最强，汽爆粉体持油力与对照粉体相比无明显差异，说明超微处理能提高产品的持油力，超微西洋参加工副产物粉体更适合加工成为固体饮料。与对照粉体相比，超微5 min 粉体的持油力为1.107 g/g，比对照粉体0.900 g/g 提高了23%。可能是因为超微在破坏细胞结构时，大量的亲油基团暴露出来，增强了超微粉体的持油力[23]，这与王博等[24]的研究结果相似，杂粮粉超微以后，持油力和对照相比提高了61.2%。

图4 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体持油力的影响Fig.4 Effects of grinding treatment methods on oil-holding capacities of Panax quinquefolium by-products powder

2.1.7 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体水溶性指数的影响

WSI 是表征粉体可溶性物质含量和溶解性的重要指标，粉体WSI 值越大，其可溶性物质含量越大，溶解性越好[25]。由图5 可以看出，汽爆西洋参加工副产物粉体与超微粉体的WSI 值均大于对照粉体，两种物理加工方式均可用于固体饮料的加工。其中汽爆（1.2 MPa，60 s）粉体WSI 为47.59%，是对照粉体WSI 值（29.06%）的1.64 倍。超微7 min 粉体WSI 为50.64%，是对照粉体WSI 值的1.74 倍。西洋参加工副产物粉体经超微处理后，其比表面积增大（表3），西洋参加工副产物粉体在水中的溶解性和分散性增加，且经超微或汽爆处理后细胞破碎程度增大，可溶性物质更易溶出，从而提高了西洋参加工副产物粉体的水溶性指数。

图5 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体WSI 值的影响Fig.5 Effects of grinding treatment methods on WSI values of Panax quinquefolium by-products powder

2.1.8 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体吸湿性的影响

产品的储藏期主要由吸湿性的大小决定。由图6可知，第7 天时，西洋参加工副产物粉体吸湿率大小排序为：对照＞超微＞汽爆，与对照西洋参加工副产物粉体相比，经过两种工艺处理后粉体吸湿性均有所降低，这可能是因为超微西洋参加工副产物粉体比表面积较大，与水能充分接触，吸湿较快，随着比表面积的增加，吸湿程度的不断增加，粉体产生微小凝块，抑制了水分的渗透速度[22]。总的来说，汽爆处理的西洋参加工副产物粉体由于吸湿率较小更有利于产品的短期储藏。

图6 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体吸湿性的影响Fig.6 Effects of grinding treatment methods on hygroscopicity of Panax quinquefolium by-products powder

2.2 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体粗多糖含量的影响

由图7 可知，与对照西洋参加工副产物粉体相比，经过汽爆、超微两种方式处理后，西洋参加工副产物粉体粗多糖含量都有所增加，其中汽爆粉体的粗多糖含量增加幅度较大，汽爆（1.2 MPa，60 s）粉体粗多糖含量达到206.67 mg/g，比对照粉体粗多糖含量（50.32 mg/g）提高了3.107 倍。同时可以看到，随着汽爆维压时间和汽爆压强的逐渐增加，粗多糖含量逐渐增加，原因是随着汽爆维压时间的增大，水蒸气随着时间的延长更加充分的渗透到物料中，突然减压时水蒸气的膨胀力充分作用于物料，使得粗多糖的溶出率提高。由于蒸汽压强变大，能有效地打通西洋参内部物质溶出的孔隙，可加速粗多糖的溶出，汽爆促使了物料内部多孔网络的产生和放大，从而改善了萃取进程[26]。

图7 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体粗多糖含量的影响Fig.7 Effects of grinding treatment methods on cotents of crude polysaccharide of Panax quinquefolium by-products powder

超微7 min 粉体粗多糖含量（108.28 mg/g）比对照粉体粗多糖含量（50.32 mg/g）提高了115%，原因可能是超微处理使西洋参加工副产物粉体颗粒明显减小，西洋参细胞原有组织结构被破坏，这可能使粉体颗粒内部多糖结构暴露，从而增加了粗多糖的溶出[24]；另外，超微处理也更有利于打破西洋参加工副产物粉体的细胞壁，从而降低传质阻力，促进细胞内物质的释放。总的来说，汽爆处理和超微处理均能有效地促进粉体中生物活性物质的释放。在苏玉[27]、付晓康等[28]的研究中也有上述相似的结果。

2.3 粉碎处理方式对西洋参加工副产物粉体微观结构的影响

由图8 可知，同对照相比，经汽爆处理后，西洋参加工副产物纤维束发生剪切和形变，且纤维表面由原来的光滑平整结构逐渐变为粗糙带有空隙的不规则结构。汽爆处理使西洋参纤维束变得疏松，表面粗糙，更易发生断裂和破碎，内部物质更容易溶出[29-30]。

图8 不同粉碎处理方式下西洋参加工副产物粉体扫描电镜图Fig.8 Scanning electron microscope pictures of Panax quinquefolium by-products powder under different grinding treatment methods

对照粉体和超微粉体都具有较完整的组织结构，其中对照粉体颗粒较大、不均匀，大多呈块状；超微粉体的粒径较小，形态由块状变成圆形颗粒，但是其团聚现象较严重，粒径减小后其表面吸附增强，粉体之间的相互作用力增大，表现出分布密集、表观粒径增加的现象。另外，还可观察到超微粉体的组织破坏程度也明显大于对照粉体，这可以用来解释超微粉体的细胞壁破碎率显著高于对照粉体的原因。

3 结论

超微西洋参加工副产物粉体色泽保持效果好，休止角小，比表面积大，超微7 min 西洋参加工副产物粉体是对照粉体比表面积的1.97 倍，可满足加工成片剂和胶囊剂的需求，也适宜作为功能性食品原料吸附或包裹于食品表面；超微西洋参加工副产物粉体膨胀力大，持油力强，超微5 min 西洋参加工副产物粉体持油力为1.107 g/g，比对照粉体提高了23%，有利于吸附肠道中的脂类，适合加工为固体饮料。汽爆西洋参加工副产物粉体滑动角小，堆积密度大，有利于压片成型，其吸湿率小，有利于短期储藏；汽爆西洋参加工副产物粉体粗多糖含量较高，汽爆（1.2 MPa，60 s）粉体粗多糖含量为206.67 mg/g，是对照粉体粗多糖含量的4.107 倍。总的来说，汽爆西洋参加工副产物粉体更有利于压片成型以及产品的短期保存，由于其粗多糖含量提升，所以更适于加工为功能性固体饮料。

蒸汽爆破与超微粉碎技术均对西洋参加工副产物粉体的理化性质有所改善，下一步，将对汽爆后粉体溶出的功能性物质，特别是多糖的组成和成分进行研究。