超微粉碎對方竹筍全粉理化特性及微觀結構的影響

史 早，張甫生，楊金來，吳良如, ，鄭 炯,

（1.西南大學食品科學學院，食品科學與工程國家級實驗教學示范中心，重慶 400715；2.國家林業和草原局竹子研究開發中心，浙江杭州 310012）

方竹（Chimonobambusa quadrangularis）因其竹竿呈現方形而得名，屬于禾本科竹亞科寒竹屬植物，方竹在我國主要分布在貴州、重慶以及云南等地的高海拔山區，其中，主要生長在黔北大婁山一帶的金佛山方竹被譽為“竹類之冠”[1]。方竹筍秋后出筍，肉質鮮美、口感清脆，含有豐富的膳食纖維、蛋白質、氨基酸和多種礦物元素[2]。目前，方竹筍主要被加工為清水筍、發酵筍和筍干等產品，但在加工過程中筍頭、筍腳等部分經常被丟棄，全筍利用率較低，造成環境污染。因此，亟需尋找新的策略來提高方竹筍的利用率并拓展其在食品領域中的應用。

超微粉碎技術（Superfine grinding technology）作為一種新型的精細粉碎加工技術，可以將物料粉碎至微米級，是一種良好的物料改性技術[3]。與普通粉碎技術相比，超微粉碎技術會顯著地改變粉體的持油力、膨脹度以及流動性等理化特性，使得物料更加適應生產加工的需要[4-5]。近年來，超微粉碎技術已廣泛應用在果蔬[6-9]、小麥[10]、玉米和豆類[11-12]等食品及一些中藥材[13-16]的加工中。研究表明，竹筍經超微粉碎處理后，可以在一定程度上改善老化纖維的粗糙口感，從而拓展竹筍原料的用途，可作為主食改良劑、膳食纖維補充劑及食品原料應用于食品行業中[17-19]。然而，目前采用超微粉碎技術處理方竹筍全粉的研究報道較少，處理后方竹筍全粉的理化特性及微觀結構如何變化尚不清楚。因此，本研究應用超微粉碎技術對方竹筍進行微細化處理，測定處理前后竹筍全粉營養成分、粒徑、持水力、持油力、膨脹力等理化特性及微觀結構的變化，以期為方竹筍利用率的提高及工業化應用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

金佛山方竹筍 采自重慶市特珍食品有限公司；硫酸鉀、無水硫酸銅、硼酸、石油醚、硫脲 分析純，成都市科隆化學品有限公司；氫氧化鈉、濃硫酸、乙醇、葡萄糖 分析純，重慶萬盛川東化工有限公司；蒽酮、KBr等 分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；紅蜻蜓一級菜籽油 重慶紅蜻蜓油脂有限責任公司。

FW100高速萬能粉碎機 北京科偉永興儀器有限公司；LHL型流化床式氣流粉碎機 山東濰坊正遠粉體工程設備有限公司；K9840自動凱氏定氮儀濟南海能儀器股份有限公司；G210濾袋式全自動脂肪測定儀 上海晟聲自動化分析儀器有限公司；馬弗爐 河南奧菲達儀器設備有限公司；UV2800A紫外可見分光光度計 江蘇迅迪儀器科技有限公司；Mastersizer 3000馬爾文帕納科激光粒度儀 馬爾文帕納科公司；Ultra Scan PRO分光測色儀 美國Hunter Lab公司；Spectrum100傅里葉紅外光譜儀美國PerkinElmer公司；TGA55熱重分析儀 美國TA公司；Phenom Pro掃描電鏡 荷蘭Phenom World公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備 將新鮮金佛山方竹筍剝殼洗凈，切成適宜的塊狀，沸水燙漂8 min，于60 ℃烘箱中烘干。將筍干置于萬能粉碎機中粉碎10 min得到粗粉。再將粗粉置于氣流粉碎機中，分別粉碎10、20、30 min后得到不同的超微粉碎方竹筍全粉（Superfine grinding onChimonobambusa quadrangularisshoot powder，CQSP-SG），分別命名為 CQSP-SG10、CQSP-SG20和CQSP-SG30。同時將方竹筍粗粉作為對照組（CK）。

1.2.2 理化性質的測定

1.2.2.1 方竹筍全粉主要營養成分的測定 水分含量測定：參照GB 5009.3-2016《食品中水分的測定》；蛋白質含量測定：參照GB 5009.5-2016《食品中蛋白質的測定》；膳食纖維含量測定：參照GB 5009.88-2014《食品中膳食纖維的測定》；脂肪含量的測定：參照GB/T 5009.6-2016《食品中脂肪的測定》；總灰分含量的測定：參照GB 5009.4-2016《食品中灰分的測定》；總糖含量的測定：采用蒽酮比色法測定[20]。

1.2.2.2 粒徑的測定 方竹筍全粉的粒徑分布采用激光粒度分析儀在蒸餾水折射率1.33的測量條件下進行測定。取適量樣品于燒杯中充分振蕩混勻，用滴管將其緩慢加入裝有500 mL水的燒杯中，同時采用2500 r/min轉速將其攪拌均勻直到顯示的遮光度在測量范圍內緩慢波動時，停止滴加樣品。

1.2.2.3 持水力、持油力和膨脹力的測定 參考周晚霞等[10]、李鳳[21]的方法。

1.2.2.4 滑角和休止角測定 參考劉穎等[11]、易甜等[22]的方法。

1.2.2.5 色度測定 方竹筍全粉的色度采用色差儀測定，開機后首先用黑白板校正，矯正完成后測定樣品，測定參數為L*、a*和b*，其中L*表示亮度值；a*表示紅綠值；b*表示黃藍值，以CK作為標準對照品，按式（6）計算樣品的色差（ΔE）?！鱁＜1.5表示顏色與未處理組差異??；1.5≤△E≤3.0表示差異明顯；△E＞3.0表示差異極顯著。

式中：△E表示超微粉碎方竹筍全粉的色差；L0*、a0*、b0*表示 CK 組值；L*、a*、b*表示超微粉碎處理組值。

1.2.3 微觀結構的測定

1.2.3.1 紅外光譜分析 參考李璐等[23]的方法，分別取2 mg適當干燥的方竹筍全粉加入200 mg充分干燥的KBr粉末于瑪瑙研缽中研磨，壓片，然后放入儀器中掃描。條件：掃描波數400～4000 cm-1，掃描次數32次，掃描分辨率4 cm-1。

1.2.3.2 熱重分析 根據汪楠等[24]的方法并稍加改動，取3～5 mg的方竹筍全粉用同步熱分析儀進行熱重分析，樣品的熱力學性質采用熱重法（TG）和微分熱重分析法（DTG）測定。測量條件：充N2，升溫速率為10 ℃/min，測定范圍為室溫至600 ℃。

1.2.3.3 微觀形態觀察 將方竹筍全粉進行固定，再用離子濺射儀對樣品表面進行鍍金使其具有導電性，將樣品置于掃描電子顯微鏡下觀測表觀形態。掃描電鏡電壓為15 kV，放大倍數為1000倍。

1.3 數據處理

2 結果與分析

2.1 超微粉碎對方竹筍全粉理化性質的影響

2.1.1 方竹筍全粉營養成分 表1是超微粉碎對方竹筍全粉營養成分的影響。由表1可知，與CK相比，超微粉碎處理后方竹筍全粉的營養成分呈現出不同的變化規律。其中，水分含量逐漸降低，可能是超微粉碎過程中摩擦生熱，促使部分水分蒸發[25]。粉碎后樣品灰分含量在7.74%～7.82%之間，脂肪含量在2.40%～2.59% 之間，二者均無顯著變化（P＞0.05）。隨著粉碎時間的增加，方竹筍全粉膳食纖維含量有所下降，而蛋白質和總糖含量增加，其中CQSP-SG30組的蛋白質和總糖含量均最高，分別為33.98%和9.25%，較CK分別提高7.48%和44.76%。這可能是由于超微粉碎處理使樣品中纖維素、半纖維素的部分分子鏈斷裂，分子聚合程度減弱，部分小分子糖溶出，導致總糖含量增加[26]。此外，方竹筍全粉蛋白質和纖維素含量大約占了方竹筍全粉的70%，是方竹筍全粉的主要成分，因此可將方竹筍全粉可作為高蛋白、高膳食纖維的食品原輔料應用于食品工業中。

表1 超微粉碎對方竹筍全粉營養成分的影響（%）Table 1 Effect of superfine grinding on basic ingredients of CQSP (%)

2.1.2 粒徑分布 超微粉碎對粉體的作用能力可以用粒徑大小來衡量[27]。超微粉碎對方竹筍全粉粒徑的影響如表2所示。由表可知，超微粉碎處理會顯著影響全粉的粒徑大?。≒＜0.05）。隨著粉碎時間的增加，粉體的 Dx(10)、Dx(50)、Dx(90)均顯著減?。≒＜0.05），其中，CQSP-SG30組較 CK組分別減小74.15%、92.07%和88.42%。這表明超微粉碎產生的剪切、沖擊力等作用使得粉體顆粒得到細化，且處理時間越長，細化的程度越高，這與郝競霄等[4]的研究結果一致。與CK相比，樣品的體積平均粒徑和表面積平均粒徑均顯著減?。≒＜0.05），其中，CQSPSG30組的體積平均粒徑下降了89.21%；表面積平均粒徑下降了81.26%，說明處理后粉體粒徑更小、分布更均勻。

表2 超微粉碎對方竹筍全粉粒徑的影響Table 2 Effect of superfine grinding on particle size of CQSP

2.1.3 持水力、持油力和膨脹力 持水力良好的粉體能夠增加排便、降低腸道癌等疾病幾率[28]，持油力良好的粉體能夠吸附油脂進而使人體的油脂攝入量大大減少。表3為超微粉碎對方竹筍全粉持水力、持油力和膨脹力的影響，由表3可知，超微粉碎處理后，全粉的持水力和持油力均顯著低于CK（P＜0.05），而且隨著粉碎時間的增加，持水力和持油力均呈顯著下降趨勢（P＜0.05）。其中CQSP-SG30組的持水和持油力分別為2.89和 1.03 g·g-1，較 CK分別下降了29.34%和26.43%?？赡苁欠街窆S中的膳食纖維經超微粉碎之后，其含量減少，對水的束縛能力減弱，更不易吸收水分[29]；同時超微粉碎處理之后，一些基團被破壞，表面性質發生了變化，吸水能力降低[21]，與趙萌萌等[5]所得結果一致，但與劉穎等[11]和陳如等[9]所得結果相反。說明不同來源的實驗原料，由于其膳食纖維含量及比例不同，超微粉的持水力等特性也會有所差異。持油性主要是粉體中親油性物質所決定，粗粉由于粒徑大，形狀不規則，離心后的孔隙較大，從而使油脂很好的填充其中；而超微粉在離心后結構則變得更加緊密，顆?？紫稖p小，因此持油力逐漸減低[28-29]。CQSP-SG30 組的膨脹力為 4.08 mL·g-1，比CK降低了22.87%。超微粉碎組中全粉的粒徑越小，膨脹力越小。

表3 超微粉碎對方竹筍全粉持水力、持油力和膨脹力的影響Table 3 Effect of superfine grinding on the WHC, OHC and SC of CQSP

2.1.4 滑角和休止角 粉體的滑角和休止角是反映其流動加工性能的重要指標，通?；呛托葜菇窃叫?，其流動性也越好[5]。超微粉碎對方竹筍全粉滑角和休止角的影響如圖1所示，與CK相比，超微粉碎后方竹筍全粉的滑角和休止角均存在顯著性增大（P＜0.05），其中，滑角從 41.27°增加到 57.05°，增加了38.24%；CQSP-SG10、CQSP-SG20和CQSP-SG30組的休止角分別為 50.65°、55.32°和 59.36°，休止角均大于45°，這一結果與錦橙皮渣[22]和青稞麩皮[5]超微粉碎的變化特征相似。這可能是超微粉碎減小了方竹筍全粉的粒徑，增加了粉體的比表面積，使得其表面能增加，進而提高粉體之間的吸附能力，導致粉體的流動性能變差[30-31]。

圖1 超微粉碎對方竹筍全粉滑角和休止角的影響Fig.1 Effects of superfine grinding on measurement results of CQSP slip angle and repose angle

2.1.5 色度 色度是表征粉體感官品質的一項重要指標。圖2是超微粉碎方竹筍全粉的外觀顏色圖，由圖2可知，與CK相比，超微粉碎后方竹筍全粉存在肉眼可辨的色差，隨著超微粉碎時間的增加，方竹筍粉體的顏色愈加白亮。采用色差儀對方竹筍全粉進行色度值測定，結果如表4所示。由表4可知，L*值從 75.09增加到 85.55，增加了 13.93%；a*值從7.64降低到5.60，下降了24.21%；b*值從22.86下降到16.51，下降了27.78%，表明超微粉碎后方竹筍全粉的亮度增加，紅度和黃度降低。超微粉碎組中樣品的色差值均大于3.0，表明處理后方竹筍全粉與粗粉的顏色差異極顯著（P＜0.01），且隨著超微粉碎時間的增加，色差逐漸增大，這一結果與之前的外觀顏色圖結果一致[27]。說明超微粉碎技術能較好地改善方竹筍全粉偏黃偏暗、顏色不均等問題。

表4 超微粉碎對方竹筍全粉色度的影響Table 4 Effect of superfine grinding on chrominance of CQSP

圖2 超微粉碎方竹筍全粉的外觀顏色Fig.2 Appearance color of CQSP-SG

2.2 超微粉碎對方竹筍全粉結構特征的影響

2.2.1 紅外光譜分析 紅外光譜中吸收峰位置及強度的變化與原子振動頻率及其化學組成、化學鍵類型有著密切的關系[23]。超微粉碎方竹筍全粉紅外光譜如圖3所示。超微粉碎后，方竹筍全粉的峰位置和形狀基本與CK相似，只是強度出現差異，說明超微粉碎對方竹筍全粉中的官能團沒有明顯影響。在波長3328 cm-1處，超微粉與CK均出現一個強烈且圓滑的吸收峰，這是由纖維素或半纖維素的O-H的伸縮振動產生的[23,32]。2924 cm-1處的吸收峰產生于多糖類亞甲基上的C-H的收縮振動[23]。1644 cm-1是由酯化的C=O的非對稱伸縮振動所產生的[23,33]，與CK相比較，超微粉的該吸收峰強度逐漸增強，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吸收帶[5]。1400 cm-1處是由N-H的彎曲振動引起的吸收峰，是木質素芳族化合物中苯環的拉伸或特征彎曲而引起的[23,33]。1053 cm-1處出現的強吸收峰是由于纖維素和半纖維素中C-O的伸縮振動以及O-H的變角振動形成的糖環C-OC和C-O-H所致[23,34]。897 cm-1處的特征吸收峰為β-吡喃糖C-H變角的振動吸收峰，說明粗粉及微粉中均含有β-吡喃糖[23-24]，且超微粉碎處后，該峰強度增強，這可能是超微粉碎處理后，方竹筍全粉中的部分小分子糖溶出，糖類特征吸收峰增強[26]。

圖3 超微粉碎方竹筍全粉紅外光譜圖Fig.3 FTIR spectra of CQSP-SG

2.2.2 熱重分析 圖4是超微粉碎方竹筍全粉熱重分析。由圖可知，方竹筍全粉的熱分解過程可分成3個階段。第1階段溫度為100～170 ℃，該階段方竹筍全粉主要失去自由水、結晶水以及小分子碳氫化合物[23,35]，150 ℃達到最大失重速率。第2個失重階段是熱分解過程的主要階段，溫度為200～400 ℃，在此階段，方竹筍全粉的失重率和失重速率均顯著增加（P＜0.05），這是由于方竹筍全粉的主要組成成分纖維素、半纖維素和木質素發生降解以及蛋白質高溫分解而造成的[36]。290 ℃左右時，各微粉均出現一個明顯的峰，CQSP-SG30失重速率和失重率都達到最大，這可能是因為超微粉碎處理后，粉體粒徑減小，顆粒的受熱面積增大，受熱更加均勻，從而使分解速率加快[23]。400 ℃之后，方竹筍全粉熱分解進入平緩的第3階段，此階段主要是少量木質素和熱解殘余物緩慢分解產生碳和灰分[36]。綜上，說明超微處理會對方竹筍全粉的熱穩定產生影響，且微粉的粒徑越小，其熱穩定性就越差，這可能是因為超微粉碎使得方竹筍全粉的纖維素破壞，部分長鏈變為短鏈，減少了斷鍵所需的能量，使熱分解更易進行[23,37]。

圖4 超微粉碎方竹筍全粉熱重分析Fig.4 Scanning electron microscope (SEM) images of CQSP-SG

2.2.3 掃描電子顯微鏡形態觀察 圖5為超微粉碎方竹筍全粉掃描電子顯微鏡形態觀察圖。由圖5可知，CK具有較為平坦的表面，其結構也較為規整，呈現出致密的球形或橢球形結構，顆粒較大但不均一，同時，周圍還存在一些較小的顆粒。微粉CQSPSG10顆粒雖較CK有所減小，但顆粒結構仍較為完整。超微粉碎處理20 min后，樣品顆粒明顯變小，形狀變得更加不規則，但其大小變得較為均勻，一些片狀、棒狀、球狀的碎片也相對均勻地分布在較大顆粒四周。進一步延長處理時間后，樣品CQSP-SG30變得更加微小均勻和碎片化，不規則的結構出現了團聚和吸附現象[36,38]，與楊茉等[25]的研究結果相似。掃描電鏡結果進一步印證了超微粉碎明顯降低了粉體的粒徑，破壞粉體表面結構，導致粉體的持水持油、膨脹力等理化特性發生改變，最終影響粉體的加工性能。

圖5 超微粉碎方竹筍全粉SEM圖（1000×）Fig.5 Scanning electron microscope observation of CQSP-SG (1000×)

3 結論

方竹筍是富含膳食纖維和蛋白質的食品原料，經超微粉碎后，方竹筍全粉的蛋白質和總糖含量分別提高7.48%和44.76%；持水力、持油力和膨脹力分別下降29.34%、26.43%和22.87%。超微粉碎能夠有效降低粉體粒徑，超微粉碎30 min時，粉體平均粒徑達到最小，較CK組降低了92.07%。超微粉碎處理后方竹筍全粉的滑角和休止角分別增加38.24%和20.63%，粉體的流動性變差；超微粉碎使方竹筍全粉亮度值增加13.93%，紅綠值及黃藍值分別下降24.2%和16.51%，粉體色澤更加均勻、白亮。超微粉碎未改變方竹筍全粉的基本結構和官能團，但降低了樣品的熱穩定性，破壞了表面結構，使其更加微小均勻。綜上所述，超微粉碎技術可改善了方竹筍全粉的理化特性、感官品質及加工特性，研究結果為方竹筍全粉在固體飲料、咀嚼片、餅干等食品領域中的應用奠定了基礎。