球磨法和均質法改善薇菜粉物化及功能性質

符 群，李 卉，王 路，王振宇

（1. 東北林業大學林學院，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱工業大學化工與化學學院，哈爾濱 150090）

0 引 言

薇菜，學名紫萁（Osmunda japonica Thunb.），紫萁科（Osmundaceae）紫萁屬（Osmunda）多年生真蕨類植物。具有很高的營養價值和經濟價值[1]，是中國重要山珍資源和藥食同源植物，也是重要的出口創匯菜。薇菜含有豐富的蛋白質、必需氨基酸、纖維素、碳水化合物及礦物質等成分。其蛋白質和必需氨基酸的含量與木耳、竹蓀、猴頭菌等山珍含量相當[2]。薇菜整株均可入藥，其含有大量的黃酮類化合物和Se、Mo等抗癌元素，具有抗菌、凝血、消炎退熱[3]、抗氧化、增進人體免疫力、抗癌防癌及延緩衰老的作用，其中促進細胞修復及降血糖等功效明顯[4]。

較早進行薇菜研究和開發的國家是日本。日本在對薇菜的生態習性、繁殖技術、人工栽培、加工等研究均處于領先地位。隨后韓國也對薇菜進行了深入的研究，韓國學者通過從薇菜中提取出“肉桂鞣質 B-1”，應用于臨床退熱并取得良好的效果[3]。目前中國對薇菜研究方向多為生態學、種植栽培類和產品粗加工類，薇菜的開發利用還停留在干菜利用階段，主要以薇菜干和少數復原精制薇菜出口，產品深度加工開發罕見，薇菜的產業化格局尚未形成，存在研究方向單一，產品檔次不高，功能性利用不充分導致產品附加值不高的問題，市場開拓力度小，份額低，難以滿足市場需要。因此，薇菜的綜合利用還有很大的發展空間[4]。

本文通過選取超微粉碎技術中的行星球磨法和高壓均質法，將薇菜加工成微米級別的粉體，并對其粉體物性、主要成為及降血糖指標進行測定分析。有效改善物料的物化性質，極大提高了活性物質的提取量，保留了粉體的功能性[5]，為薇菜進一步深加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料試劑

薇菜：采集自吉林長白山，自然風干保存。

α-葡萄糖苷酶（活力≥70萬 U/mL），α-淀粉酶（4 000 U/g），對硝基苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷（PNPG）（上海源葉），阿卡波糖（卡博平），Folin-酚試劑（上海藍季科技）；無水乙醇、3,5-二硝基水楊酸（天津精細化工），酒石酸鉀鈉（天津市光復科技），Al(NO3)3、NaNO2、NaOH、Na2CO3均為分析純（天津市致遠化學試劑有限公司）

1.2 儀器設備

Quanta 200型掃描電子顯微鏡（荷蘭FEI），SCD 005型離子濺射儀（瑞士BAL-TEC公司），JMF-80型膠體磨（溫州市膠體磨廠），SRH60-70型高壓均質機（上海申鹿均質機有限公司），ND7-2L行星球磨機（南京南大天尊電子有限公司），BILON-6000Y型噴霧干燥機（上海比朗儀器），FW100高速萬能粉碎機（天津泰斯特儀器公司），KSW-5-12A型馬弗爐（上海鉅晶儀器）。

1.3 薇菜超微粉體制備

1.3.1 常規薇菜粉體的制備

薇菜原料置于60℃烘箱中烘干至殘余水分低于3%。以間歇式高速粉碎機粉碎至60目，樣品袋封存于干燥器中放置備用。

1.3.2 行星球磨法超微粉碎制備工藝

球磨物料罐中加入常規粉碎薇菜樣品 10 g和直徑9 mm 剛玉材質小球 100 g，球料質量比 10∶1，轉速500 r/min。粉碎時間1 h，所得薇菜粉末過200目篩，置于干燥器中備用[6]。

1.3.3 高壓均質法超微粉碎制備工藝

準確稱取16 g常規粉碎處理后的薇菜粉，加水使得料液比為1:50 g/mL，經膠體磨處理10 min，薇菜物料循環13次左右后進行高壓均質[7]。均質壓力25 MPa，時間15 min，噴霧干燥進風溫度為190℃，出風溫度為80℃，進料速度為12.5 mL/min，進料溫度為60℃，所得粉末過200目篩，置于干燥器中備用[7]。

1.4 薇菜超微粉體物性指標測定

1.4.1 激光掃描測定粉體粒徑

采用激光掃描法[8]，統計出不同超微粉碎處理方法處理后的顆粒粒度，得到粒度大小的正態分布圖。

1.4.2 薇菜粉體流動性的測定

試驗將3 g樣品經玻璃漏斗垂直流至玻璃平板上，漏斗尾端距玻璃平板垂直距離3 cm，流下的樣品在玻璃平板上形成圓錐體，測定圓錐表面和水平面的夾角即為樣品休止角[9]。

1.4.3 薇菜粉體膨脹力的測定

準確稱取1.00 g樣品，放入帶刻度的玻璃試管中記錄體積Vl，加入10 mL蒸餾水，攪拌均勻后，在室溫下靜置24 h，讀出樣品此時的體積數為V2[10]。

1.4.4 薇菜粉體持水力、持油力及水溶性的測定

參考 Caparino等[11]方法對薇菜粉體持水力、持油力進行測定。根據Zhao等[12]的方法對薇菜水溶性進行測定。

1.5 薇菜超微粉體主成分含量的測定

1.5.1 薇菜粉體脂肪、可溶性蛋白、多糖及膳食纖維含量的測定

薇菜粉中的脂肪按照 GB5009.6-2016標準測定[13]，可溶性蛋白按照 GB5009.5-2016標準測定[14]，多糖采用蒽酮—硫酸法測定[15]。膳食纖維按照GB5009.88-2014標準測定[16]。

1.5.2 薇菜總多酚含量的測定

樣品提取方法：分別取3種粉碎方法的粉體各1 g，在料液比1:50，乙醇體積分數50%，超聲溫度70℃的條件下超聲50 min。離心取上清液，冷藏備用。

0.100 g干燥至恒定質量的沒食子酸用蒸餾水定容于100 mL容量瓶中[17]取不同濃度工作液各1 mL，加入體積

分數10%福林酚試劑5 mL后搖勻，反應5 min加入7.5%的碳酸鈉溶液4 mL蒸餾水于10 mL容量瓶定容；25℃水浴加熱1 h，于765 nm波長下測定吸光值。以吸光度為縱坐標 y，沒食子酸濃度（μg/mL）為橫坐標 x，線性回歸方程：y=0.004 5x+0.004，R2=0.998 7。

式中c為測得的樣品溶液的多酚質量濃度，μg/mL；v為供試液體積，mL。

1.5.3 薇菜黃酮含量的測定

標準曲線的繪制：稱取蘆丁標品 0.014 g定容于50 mL容量瓶中[18]。準確吸取不同濃度蘆丁標準溶液，加入5% NaNO2溶液0.75 mL，放置6 min，10%的Al(NO3)3溶液0.75 mL，放置6 min，4% NaOH溶液10 mL，蒸餾水定容于25 mL容量瓶，搖勻，靜置15 min后于510 nm處測定吸光度A，以蘆丁濃度X（mg/mL）對吸光度Y進行線性回歸，得回歸方程Y=0.436 7x-0.000 6，R2=0.999 6。

式中C為測定液總多酚/總多酚含量，mg/mL；N為稀釋倍數；V為樣品體積，mL；M為樣品質量，g。

1.6 3種薇菜粉體降血糖指標的測定

2型糖尿病的表現癥狀為餐后血糖異常升高，而通過抑制人體內α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的活性可以延續葡萄糖的釋放，有效控制餐后葡萄糖水平。

1.6.1 α-葡萄糖苷酶抑制率

100 μL不同濃度待測液、阿卡波糖溶液及蘆丁溶液，加入 15 μL 的α-葡萄糖苷酶溶液 50 μL，37℃水浴 10 min，加入10 mg/mL的PNPG溶液50 μL，37℃水浴15 min，加入1 mol/L的Na2CO3溶液10 μL終止反應，用酶標儀在波長為405 nm處測定吸光度A1，另取100 μL磷酸緩沖溶液代替酶解液，測定其吸光值 A0，測定只有酶解反應體系的吸光值為A2[19]。

1.6.2 α-淀粉酶抑制率

40 μL不同濃度待測液、阿卡波糖溶液及蘆丁溶液，以同體積的 0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液作為空白對照于25 mL比色管中，加入200 μL α-淀粉酶溶液，在37 ℃水浴中使酶活化 10 min，添加 100 μL底物可溶性淀粉（1.0 g/100 mL）水浴反應10 min，加入1.0 μL DNS終止反應，進行沸水浴5 min，冷卻至室溫后加入10 mL蒸餾水稀釋540 nm處測吸光度Ax，另取和反應溶液等量的磷酸緩沖溶液代替反應體系測定吸光度 Ay，再測定只有酶解反應體系的吸光度為Az[20]。

1.7 數據處理

所有實驗結果均平行測定3次，采用Origin8.6繪制柱狀圖，SPSS17.0進行數據整理及Duncans’差異顯著性分析，P＜0.05為顯著。

2 結果與分析

2.1 薇菜超微粉體物性指標測定結果分析

2.1.1 超微粉碎對粉體物性的影響

按照1.4方法對薇菜粉體物性進行測定，測定結果如表1所示。

表1 3種粉碎方法對粉體物性的影響Table 1 Effects of three smash methods on physical properties of powders

由表 1可以看出，行星球磨法和高壓均質法粉碎后的粉體粒徑分別是常規粉碎粉體粒徑的1/48和1/65，差距極其顯著（P＜0.01）；經過粉碎處理的超微粉休止角比起初篩粉均差異顯著（P＜0.05），這是由于超微粉碎后，粉粒的粒徑變小，比表面積增大，孔隙度增加。這使得粉粒表面的聚合力、摩擦力增大，導致其休止角增大。因此，超微處理后的超微粉在流動性上略低，但可以通過其他工藝進行優化，如造粒技術等[21]；粒度較大的常規薇菜粉的粉體膨脹力極顯著（P＜0.01）高于2種超微粉碎粉體。這是由于薇菜原料中的纖維成分較多，粉碎前，較多水分被大量纖維束縛，超微粉碎可以打碎原料纖維結構，纖維的長鏈大幅度減少而短鏈增多，導致粉末對水分的束縛力降低，膨脹力減小[22]；經過 2種粉碎工藝處理的超微粉水溶性較未處理的初篩粉均有所提高，這應該是由于粉體粒徑的降低，粉體的比表面積增加，與水的接觸面積增加，有利于水溶成分更加充分的溶解。而高壓均質工藝制備的粉體水溶性較行星球磨粉碎的粉體水溶性又有13%的提高[23]。

2.1.2 電鏡觀察粉體形態及粒徑的變化

通過激光粒度儀測定高壓均質法的正態分布圖如圖1所示，行星球磨法的正態分布圖如圖2所示。

通過圖 1可知，高壓均質粉碎后的薇菜粉體粒徑通過激光粒度測試儀測得最小粒徑為 216.3 nm，最大粒徑為272.8 nm，平均粒徑為259.3 nm。其正態分布圖集中說明粉體粒度較為均勻。

通過圖 2可知，行星球磨粉碎后的薇菜粉體粒徑通過激光粒度測試儀測得最小粒徑為 796.6 nm，最大粒徑為1 004.9 nm，平均粒徑為897 nm。其正態分布圖集中說明粉體粒度較為均勻。

圖1 高壓均質激光測粒正態圖Fig.1 High-pressure homogenization laser measuring diameter normalization diagram

圖2 行星球磨激光測粒正態圖Fig.2 Planetary ball milling laser measuring diameter normalization

相比高壓均質法，行星球磨法的平均粉體粒徑是高壓均質的3.46倍，這是由于高壓均質的操作方法是將均質的液體噴粉干燥，在高溫高壓作用下粉體內部纖維素及一些大分子物質破壞更完全，水溶性更好，所以在將高壓均質粉體放入超純水中測量粒徑時，形成了較為穩定的懸濁液狀態，沉淀少粒度均勻。常規粉體粒徑過大，入水即刻沉淀，無法用激光粒度儀對其粒徑進行測定。

2.1.3 超微粉碎處理對粉體持水力及持油力的影響

持水力及持油力按照1.4.4的方法進行操作計算，結果見圖3。

圖3 3種粉碎方法對薇菜粉體持水力與持油力的影響Fig.3 Effect of 3 treatments on water holding capacity and oil holding capacity of Osmunda japonica Thunb

由圖 3可看出，高壓均質和行星球磨法的持水力分別是常規粉碎法的2.43倍和2.44倍、持油力分別是常規粉碎法的 1.99倍和 1.52倍，持水力和持油力均有顯著（P＜0.05＝提高。這是由于粉碎過程中，2種工藝各自的剪切力使顆粒破碎崩裂，粉體比表面積增加，促進了水分子和游離羥基的結合，水合能力也隨之增強。從微觀角度來看，持油力與分子表面的親脂親水集團的性質、物理截留作用有很大關系[24-25]。不溶性的或較為疏水性的、小顆粒及低密度的蛋白質能截留和吸收數量較多的油。超微粉碎處理后的薇菜粉，隨著粒度的減小、疏水基團顯露增多，會結合數量更多的油，從而使持油力增強。

2.2 薇菜超微粉體主成分含量的結果分析

2.2.1 脂肪含量的結果分析

按照1.5.1的國標進行測定分析3種處理方式下不同粉體脂肪的含量，結果見圖4。

圖4 3種處理方法對薇菜粉體脂肪含量的影響Fig.4 Effect of threetreatments on fat content of Osmunda japonica Thunb

由圖 4可知，脂肪含量方面高壓均質法、行星球磨干法顯著高于常規粉碎，原因應為超微粉處理使粉體與溶劑接觸更充分，更容易被提取，且高壓均質工藝有高溫操作，更容易使脂肪游離于粉粒外側，導致高壓均質粉碎顯著（P＜0.05）高于行星球磨粉碎和常規破碎的粉體。

2.2.2 可溶性多糖和可溶性蛋白的結果分析

按照1.5.1的國標進行測定分析可溶性多糖和可溶性蛋白的含量，結果如圖5所示。

圖5 3種處理方法對薇菜可溶性蛋白、多糖含量的影響Fig.5 Effects of three treatments on soluble protein and polysaccharide content of Osmunda japonica Thunb

由圖 5可看出，經超微粉碎處理后，由于粉體粒徑的減小，表面積增大，與溶劑的接觸面積增加，使得測得的可溶性多糖和蛋白的量均有所提升，而高壓均質工藝制備的超微粉可能由于整個環節的溫度較高，可溶性成分溶出量較另一工藝也有一定程度的增加。

2.2.3 膳食纖維溶出量的結果分析

按照 1.5.1的國標進行測定分析薇菜中膳食纖維的含量，結果如圖6所示。

圖6 3種處理方法對薇菜膳食纖維的影響Fig.6 Effects of three treatments on dietary fiber of Osmunda japonica Thunb

由圖 6可看出，經超微粉碎處理后薇菜粉體的總膳食纖維同常規粉碎粉體差別不大，可溶性膳食纖維的含量顯著（P＜0.05）增加，不可溶性膳食纖維含量減少。說明超微粉碎物理破壁技術可以有效粉碎粉體內部的纖維，將長鏈纖維變為短鏈纖維，這一性狀改變有利于活性物質的分離提取。這與高志明等[26]研究超微粉對膳食纖維影響中的試驗結果相似。

2.2.4 總黃酮和總多酚提取量的結果分析

取1 mL供試樣液，加入9 mL蒸餾水，振蕩搖勻后取1 mL置于試管中，按照上述方法在765 nm處測定溶液吸光值，按照公式（2）計算薇菜總多酚提取量（以沒食子酸當量計）。

取樣液1 mL按照1.5.3方法進行測定，于510 nm處測定吸光度，按照公式（3）計算薇菜總黃酮提取量（以蘆丁當量計）

圖7 3種處理方法對薇菜粉總黃酮總多酚提取量的影響Fig.7 Effect of three treatments on extraction of total flavonoids and total ployphenol of Osmunda japonica Thunb

由圖 7可看出，通過球磨法和均質法，薇菜粉體總黃酮提取量分別增加71.5、81.7 mg/mL，總多酚提取量分別增加7.4，8.8 g/100g。總黃酮、總多酚的提取量均顯著（P＜0.05）高于常規粉碎粉體，說明兩種超微粉碎法對薇菜纖維成分破壞得更完全，更有利于溶劑的提取溶出[27]。

2.3 3種方法處理薇菜粉體降血糖指標結果分析

以阿卡波糖為對照，根據1.6的方法對3種粉體的α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶抑制率進行測定。

圖8 3種處理方法薇菜粉的降血糖指標測定Fig.8 Determination of hypoglycemic index of three kinds of treatment methods of Osmunda japonica Thunb

由圖8可看出，以阿卡波糖和蘆丁為對照，2種超微粉提取物的α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶抑制率均優于常規粉碎的提取物，說明經過超微粉碎處理后的薇菜粉體，增加了其活性物質的提取量，而高壓均質的適度高溫操作，并未對原料本身的活性造成破壞，說明超微粉碎不僅可以增加化合物的提取量同時也能很好的保留其活性成分[28]。

3 討 論

本文以薇菜常規粉體為對照，通過行星球磨法和高壓均質法分別對薇菜進行超微粉碎處理，觀察其粉體物性、主要成分含量和降血糖指標的變化并進行比較分析。通過激光測粒觀察得知，薇菜經超微粉碎后纖維結構大部分被破壞，粒度較為均勻，粉體比表面積增加，此結果與李翠玲在冬桑葉超微粉制備[29]中的研究結果相似。薇菜粉體膨脹力顯著降低，水溶性增加，說明超微粉后粉體內長鏈纖維素大幅度減少而短鏈增加，導致其對水分的束縛力降低，使得粉體膨脹力降低，而這種物性的改變有利于水溶成分的暴露并更加充分的溶解，且高壓均質的各個工藝環節中溫度較高，使得粉體的基團暴露更多，水溶性更高[30]。食品中主成分的溶出和提取量共同影響著食品的食用性和營養性，微粉化在能提高活性成分溶出的同時，對其功能性也有很好的保留[31]。由此可見，超微粉碎對薇菜粉體物性的改變有利于提高薇菜類食品的加工性能，生產高附加值薇菜產品。

4 結 論

試驗結果表明，經超微粉碎后行星球磨法、高壓均質法粉體粒徑分別是常規粉體的1/48和1/65，已達到微米細胞破壁級粉碎，經超微粉碎處理后，由于粉體粒徑的減小，表面積增大，與溶劑的接觸面積增加，使得測得的可溶性多糖和蛋白的量均有所提升，而高壓均質工藝制備的超微粉可能由于整個環節的溫度較高，可溶性成分溶出量較另一工藝也有一定程度的增加。行星球磨法和高壓均質法的持水力分別是常規粉碎法的2.44倍和2.43倍、持油力分別是常規粉碎法的1.52倍和1.99倍；總黃酮提取量分別增加71.5、81.7 mg/mL，總多酚提取量分別增加7.4，8.8 g/100g。通過對降血糖指標進行測定，2種超微粉提取物的α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶抑制率均優于常規粉碎的提取物。說明經超微粉碎物理破壁后的粉體與溶劑充分接觸，有效提高了主要成分的溶出和提取量，且有效保留了物質的活性成分。其中，在提取量和活性成分保留方面，高壓均質法要優于行星球磨法。

綜上可見，超微粉碎有效提高了薇菜的利用率，改善食品的營養性和食用性，增強了薇菜的加工性能。對于薇菜原料加工的廣度和深度具有參考性。

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