湯彩碟 張甫生 楊金來(lái) 吳良如 鄭 炯

(1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(西南大學(xué))，重慶 400715；3.國(guó)家林業(yè)和草原局竹子研究開(kāi)發(fā)中心，浙江 杭州 310012)

方竹(Chimonobambusaquadrangularis)屬禾本科竹亞科寒竹屬植物，方竹屬有15種，主要分布于中國(guó)、日本、印度和馬來(lái)西亞等地，在中國(guó)有4種。其中，被譽(yù)為“世界一絕、中國(guó)獨(dú)有”的金佛山方竹是世界竹類中的特有品種，集中分布于海拔較高的重慶市南川區(qū)和萬(wàn)盛經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、貴州省桐梓縣近鄰的金佛山林區(qū)以及云南省鎮(zhèn)雄縣[1]。方竹筍因其形態(tài)方正，肉厚鮮美，營(yíng)養(yǎng)豐富，被譽(yù)為“竹筍之冠”[2]，其富含蛋白質(zhì)、氨基酸、膳食纖維、維生素、礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分[3]。研究[4]表明，竹筍膳食纖維(bamboo shoot dietary fiber，BSDF)的攝入可以降低患高血壓、糖尿病、肥胖癥和某些胃腸道疾病的風(fēng)險(xiǎn)。Elleuch等[5]研究表明BSDF可以改善乳制品的口感，提高其黏度；鄭炯等[6]研究發(fā)現(xiàn)添加BSDF可以有效改善黃桃果醬的質(zhì)地和顏色，賦予其更好的涂抹性；Nirmala等[3]發(fā)現(xiàn)BSDF可以提高食物的持水力、持油力和膨脹力等。然而，BSDF中不溶性膳食纖維含量高達(dá)92%[7]，作為食品功能性配料添加時(shí)可能會(huì)對(duì)食品的顏色、質(zhì)地、口感等產(chǎn)生不利影響[8]。近年來(lái)，為了提升BSDF品質(zhì)，拓展其應(yīng)用范圍，國(guó)內(nèi)外研究人員先后采用酸堿法[9]、生物酶法[10-11]和物理機(jī)械法[12]等方法對(duì)其進(jìn)行改性，其中，物理改性是一種高效、快捷、綠色環(huán)保的BSDF改性方法。

動(dòng)態(tài)高壓微射流(dynamic high pressure micro-fluidization, DHPM)技術(shù)是一種新興的物理改性方法，可對(duì)流體混合物料進(jìn)行強(qiáng)烈剪切、高速撞擊、壓力瞬時(shí)釋放、高頻振蕩、膨爆和氣穴等一系列綜合作用，從而起到很好的超微化、微乳化和均一化效果[13]。研究[14-15]發(fā)現(xiàn)，DHPM可以有效改善膳食纖維水化性能，均勻分散纖維顆粒，使其組織松散、提高透光率，以及減弱膳食纖維分子內(nèi)的氫鍵作用降低其結(jié)晶度等。江文韜等[16]采用DHPM改性百香果殼膳食纖維后，其膳食纖維二次粒度顯著降低，達(dá)到了微米級(jí)水平；曹慧慧等[17]發(fā)現(xiàn)DHPM處理可以提高玉米芯膳食纖維的溶解性、持水力、持油力、膨脹力和抗氧化等特性；Cheng等[18]研究發(fā)現(xiàn)利用DHPM處理豆渣淀粉的不溶性膳食纖維，能有效減小其粒徑，誘導(dǎo)膨化形態(tài)，提高其持水力。研究擬采用DHPM處理從方竹筍中提取BSDF，測(cè)定處理前后BSDF粒徑、持水力、膨脹力等理化性質(zhì)，同時(shí)利用紅外光譜儀、熱重分析儀、掃描電鏡等手段表征處理前后其官能團(tuán)特性、熱穩(wěn)定性和微觀形態(tài)等變化，以期為BSDF的改性提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮方竹筍：重慶市南川金佛山；

木瓜蛋白酶：800 U/mg，上海源葉生物科技有限公司；

金龍魚(yú)葵花籽食用植物調(diào)和油：市售；

KBr：分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

數(shù)顯恒溫水浴鍋：HH-ZK8型，鞏義市予化儀器有限責(zé)任公司；

中草藥粉碎機(jī)：FW135型，天津市泰斯特儀器有限公司；

超高壓均質(zhì)機(jī)：Scientz-207A型，寧波新芝生物科技有限公司；

超微流動(dòng)態(tài)高壓納米分散機(jī)：M-110EH-30型，加拿大Microfluidics公司；

ZS粒度分析儀：Zetasizer Nano型，英國(guó)馬爾文儀器有限公司；

冷凍干燥機(jī)：SCIENTZ-10ND型，寧波新芝生物技術(shù)有限公司；

傅里葉紅外光譜儀：Spectrum100型，美國(guó)PerkinElmer公司；

X射線衍射分析儀：XRD-7000型，日本島津公司；

熱重分析儀：TGA55型，美國(guó)TA公司；

掃描電鏡：ProX型，荷蘭Phenom World公司。

1.3 樣品處理

1.3.1 預(yù)處理 取新鮮方竹筍，剝皮去殼，洗凈切片，沸水漂燙7 min，60 ℃下烘干，粉碎過(guò)80目篩，得到方竹筍粉，備用。

1.3.2 竹筍膳食纖維(BSDF)粉末制備 取一定量方竹筍粉，加入木瓜蛋白酶800 U/g，料液比(m方竹筍粉末∶V水)1∶20(g/mL)，55 ℃酶解2 h，沸水滅酶10 min，用蒸餾水清洗后過(guò)濾，收集濾渣，冷凍干燥，粉碎得BSDF粉末。

1.3.3 BSDF改性 取BSDF粉末過(guò)200目篩，以料液比(mBSDF粉末∶V水)1∶100(g/mL)加蒸餾水混勻，于磁力攪拌器下分散30 min，25 ℃高壓均質(zhì)機(jī)預(yù)處理兩次。將預(yù)處理溶液分別于50，100，150，200 MPa微射流壓力下均質(zhì)處理5次，處理過(guò)程中開(kāi)啟微射流冷卻系統(tǒng)保持溫度為25 ℃，以未進(jìn)行高壓微射流處理的樣品為對(duì)照(CK)。收集均質(zhì)后的溶液，每個(gè)樣品分別取10 mL用于粒徑分布測(cè)定，其余溶液冷凍干燥，研磨成粉進(jìn)行理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的測(cè)定。

1.4 理化性質(zhì)測(cè)定

1.4.1 粒徑測(cè)定 根據(jù)文獻(xiàn)[11]。

1.4.2 持水力 參照Chen等[19-20]的方法并修改。取0.5 g 經(jīng)DHPM處理過(guò)的BSDF粉末于離心管中，加入20 mL蒸餾水，混勻，室溫放置6 h，4 500 r/min離心15 min，收集沉淀物稱重。按式(1)計(jì)算其持水力。

(1)

式中：

CWH——持水力，g/g；

m1——BSDF粉末質(zhì)量，g；

m2——離心管質(zhì)量，g；

m3——沉淀物重量，g。

1.4.3 持油力 參照Chen等[19-20]的方法并修改。取0.5 g 經(jīng)DHPM處理過(guò)的BSDF粉末于離心管中，加入20 mL食用油，混勻，室溫放置6 h，4 500 r/min離心15 min，用濾紙吸干BSDF表面多余的油脂，收集沉淀物稱重。按式(2)計(jì)算其持油力。

(2)

式中：

COH——持油力，g/g；

m1——BSDF粉末質(zhì)量，g；

m2——離心管質(zhì)量，g；

m4——沉淀物重量，g。

1.4.4 膨脹力 參照Chen等[19-20]的方法并修改。取0.3 g 經(jīng)DHPM處理過(guò)的BSDF粉末,于10 mL量筒中，讀取體積，再加入8 mL蒸餾水，振蕩混勻，靜置24 h后讀取體積。按式(3)計(jì)算其膨脹力。

(3)

式中：

CS——膨脹力，mL/g；

m——BSDF粉末質(zhì)量，g；

V1——BSDF粉末體積，mL；

V2——BSDF粉末吸水后體積，mL。

1.5 結(jié)構(gòu)測(cè)定

1.5.1 紅外光譜分析 參照汪楠等[11]的方法。

1.5.2 X射線衍射(XRD) 參照萬(wàn)婕等[13]的方法。采用步進(jìn)掃描法，靶：Cu-Kα，角度步長(zhǎng)0.02°，工作電壓40 kV，電流40 mA，掃描范圍5°～60°，掃描速率6(°)/min。根據(jù)分峰法計(jì)算相對(duì)結(jié)晶度。

1.5.3 熱重分析 參照汪楠等[11]的方法。

1.5.4 微觀結(jié)構(gòu) 將BSDF粉末固定于雙面導(dǎo)電樣品臺(tái)上，噴涂金層使其具有導(dǎo)電性，然后用掃描電鏡觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)。掃描電鏡電壓10 kV，放大倍數(shù)1 000倍。

1.6 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)BSDF理化性質(zhì)的影響

2.1.1 粒徑分布 BSDF粒徑是影響其持水力、持油力和膨脹力大小的關(guān)鍵因素[21]。由表1可知，DHPM處理能顯著影響B(tài)SDF粒度分布和平均粒徑(P<0.05)。當(dāng)處理壓力為0～150 MPa時(shí)，隨著處理壓力的增大，d0.1、d0.5、d0.9所對(duì)應(yīng)的粒徑分別由(297±43)，(1 986±315)，(3 606±530)nm減小至(143±24)，(578±67)，(1 493±220)nm，差異顯著(P<0.05)，表明BSDF粒徑分布更為集中，同時(shí)BSDF的平均粒徑也顯著減小(P<0.05)。當(dāng)處理壓力為150 MPa時(shí)，BSDF平均粒徑達(dá)到最小，為(370±11)nm，比未處理樣品下降了58.70%。這可能是DHPM的強(qiáng)烈剪切、高速?zèng)_擊和高頻振動(dòng)等作用使物料顆粒被膨化和細(xì)化[22]，導(dǎo)致顆粒均一、分布集中且平均粒徑減小。當(dāng)處理壓力為200 MPa時(shí)，BSDF平均粒徑反而增大(532±2)nm，與Liu等[23]的結(jié)論一致，這可能是當(dāng)顆粒粒徑減小，比表面積增大時(shí)，其表面的范德華力和靜電吸引力也隨之增大，顆粒之間因?yàn)槲Φ脑龃蠖匦戮奂痆23]。

表1 DHPM處理對(duì)BSDF粒徑分布的影響?

2.1.2 持水力、持油力和膨脹力 由表2可知，隨著處理壓力的增大，BSDF的持水力、持油力和膨脹力先增大后減小，當(dāng)處理壓力為150 MPa時(shí)，BSDF的持水力、持油力和膨脹力均達(dá)最大值，分別為(13.46±0.45)g/g、(9.77±0.11)g/g和(7.87±0.76)mL/g，較未處理組分別提高了47.74%，50.54%，61.27%，差異顯著(P<0.05)。這與涂宗才等[24]的結(jié)果相似。當(dāng)處理壓力為200 MPa時(shí)，持水力、持油力和膨脹力均有不同程度的減小。

表2 DHPM處理對(duì)BSDF持水力、持油力和膨脹力的影響?

持水力和膨脹力一般與樣品的密度、親水基團(tuán)的暴露程度和表面孔隙率有關(guān)。當(dāng)處理壓力為0～150 MPa時(shí)，纖維物料在動(dòng)態(tài)高壓微射流均質(zhì)機(jī)的撞擊腔內(nèi)被分散為多股細(xì)流，并在極小的空間內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的高速撞擊，撞擊過(guò)程中大量動(dòng)能會(huì)瞬間轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式的能量，從而產(chǎn)生巨大的壓力差作用，使物料顆粒發(fā)生細(xì)化膨化作用[13]，導(dǎo)致BSDF比表面積增大，組織更加疏松，更多的親水基團(tuán)暴露，水合性提高[25]。持油力一般取決于BSDF表面性質(zhì)、顆粒間的疏水性等[26]，DHPM處理使BSDF粒徑減小，比表面積增大，組織疏松、孔隙率提高，持油力提高。而當(dāng)處理壓力為200 MPa時(shí)，BSDF粒徑減小，比表面積增大，同時(shí)表面的范德華力和靜電吸引力也增大，顆粒發(fā)生團(tuán)聚，其對(duì)水分和油脂的束縛減小，水合性質(zhì)和持油力均有所下降[27]。研究[28]表明，較高的持水力、持油力和膨脹力可以改善食品的黏度和質(zhì)地，與促進(jìn)腸道蠕動(dòng)、降低膽固醇和降血糖等多種功能特性有關(guān)。宋玉等[29]研究發(fā)現(xiàn)改性后的BSDF可改善香腸中脂肪含量過(guò)高的缺點(diǎn)，并提高香腸中的蛋白質(zhì)和水分含量。因此，在一定處理壓力范圍內(nèi)，可利用DHPM改性BSDF，使其作為功能性配料被應(yīng)用于肉制品、面制品、果蔬制品等食品中。

2.2 對(duì)BSDF結(jié)構(gòu)特征的影響

圖1 DHPM處理BSDF的紅外光譜圖

2.2.2 X-射線衍射分析 纖維類物料的持水力、持油力、膨脹力等與其內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[32]。由圖2可知，當(dāng)衍射角為14°～24°時(shí)，BSDF有明顯的衍射峰，主衍射峰在22°處，表明BSDF呈典型的纖維素和半纖維素晶體結(jié)構(gòu)，且DHPM處理后，BSDF衍射峰的位置與未處理樣品基本一致，說(shuō)明DHPM處理不會(huì)改變BSDF的晶體結(jié)構(gòu)。比較BSDF的相對(duì)結(jié)晶度(RC)可知，隨著DHPM處理壓力的增大，BSDF的RC有明顯的減小，當(dāng)處理壓力為150 MPa時(shí)，RC由未處理的45.96%減小至37.38%。研究[15]表明，纖維類樣品中同時(shí)存在結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)，結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)致密、分子取向良好，非結(jié)晶區(qū)氫鍵結(jié)合量少、分子排列無(wú)序。DHPM強(qiáng)烈的剪切空穴作用使BSDF物料細(xì)化膨化，纖維素分子之間的氫鍵斷裂，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散，部分結(jié)晶區(qū)轉(zhuǎn)化為無(wú)序的非結(jié)晶區(qū)，BSDF結(jié)晶度減小，晶體有序度下降。

2.2.3 熱重分析 由圖3可知，BSDF的熱分解過(guò)程大致由3個(gè)階段組成。第1個(gè)熱分解階段是水分揮發(fā)階段，溫度為40～100 ℃，BSDF分子失去游離水、物理吸附水和分子內(nèi)部的結(jié)晶水，溫度較低時(shí)BSDF主要失去易蒸發(fā)流失的游離水[35]，因此在50 ℃左右失重速率達(dá)到該階段的最大。第2個(gè)失重階段發(fā)生在200～350 ℃，是熱分解過(guò)程的主要階段，BSDF的主要組成成分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素通過(guò)各種自由基反應(yīng)和重排反應(yīng)進(jìn)一步降解成低分子量的揮發(fā)性產(chǎn)物[36]；此溫度范圍內(nèi)BSDF的失重率和失重速率顯著增大，在300 ℃左右有明顯的失重峰；且隨著處理壓力的增大，BSDF在該過(guò)程的失重速率和失重率先增加后減少，當(dāng)處理壓力為150 MPa時(shí)，失重速率和失重率均達(dá)最大，4.81%/℃和48.98%。結(jié)合圖1和圖2分析，可能是由于DHPM處理后，BSDF內(nèi)部分的糖苷鍵、氫鍵等斷裂，減少了熱分解斷鍵時(shí)所需的能量[30]。同時(shí)DHPM處理后BSDF粒徑分布更集中且平均粒徑顯著減小(P<0.05)，顆粒受熱更均勻，熱分解速率加快。當(dāng)溫度>350 ℃時(shí)，BSDF進(jìn)入第3個(gè)熱分解階段，此階段中BSDF的失重率和失重速率趨于平穩(wěn)，焦炭進(jìn)一步降解，殘?jiān)械奶己吭絹?lái)越高，直至樣品熱解完全，反應(yīng)結(jié)束。綜上，DHPM處理使BSDF分子內(nèi)部的部分鍵斷裂，使其顆粒細(xì)化，降低了BSDF的熱穩(wěn)定性。

圖2 DHPM處理BSDF的X-射線衍射圖

圖3 DHPM處理 BSDF 的熱重分析圖

2.2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析 由圖4可知，未經(jīng)DHPM處理的BSDF呈片狀結(jié)構(gòu)，表面光滑，存在少量的裂隙，顆粒較大且形狀不一。而經(jīng)DHPM處理后，BSDF表面開(kāi)始變得粗糙，部分發(fā)生斷裂和破碎，顆粒分布更加均勻，且隨著處理壓力的增大，顆粒尺寸先增大后減小。這可能是DHPM強(qiáng)烈不規(guī)則的剪切、空穴等作用使BSDF內(nèi)部的氫鍵等斷裂，分子量減小，組織松散，比表面積增大，更多基團(tuán)得以暴露，其理化性質(zhì)得到改善，與持水力、持油力和膨脹力結(jié)果分析一致。但當(dāng)處理壓力為200 MPa時(shí)，BSDF顆粒尺寸反而明顯增大，可能與DHPM處理后BSDF表面活性改變和吸附性增大有關(guān)[31]。

3 結(jié)論

研究了不同壓力動(dòng)態(tài)高壓微射流處理對(duì)竹筍膳食纖維理化及結(jié)構(gòu)特性的影響。結(jié)果表明，經(jīng)動(dòng)態(tài)高壓微射流處理后，竹筍膳食纖維粒徑顯著減小(P<0.05)，持水力、持油力和膨脹力均得到明顯提高，當(dāng)處理壓力為150 MPa時(shí)效果最佳。通過(guò)紅外光譜、X射線衍射、熱重和掃描電鏡分析，經(jīng)動(dòng)態(tài)高壓微射流處理后，竹筍膳食纖維呈片狀結(jié)構(gòu)，表面粗糙，組織疏松，晶體有序度下降，熱穩(wěn)定性降低。綜上，動(dòng)態(tài)高壓微射流處理可以有效改善竹筍膳食纖維的理化和結(jié)構(gòu)特性，是一種有效的物理改性方法。