動態高壓微射流處理對方竹筍膳食纖維理化及結構特性的影響

湯彩碟 張甫生 楊金來 吳良如 鄭 炯

(1.西南大學食品科學學院，重慶 400715；2.食品科學與工程國家級實驗教學示范中心(西南大學)，重慶 400715；3.國家林業和草原局竹子研究開發中心，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、日本、印度和馬來西亞等地，在中國有4種。其中，被譽為“世界一絕、中國獨有”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和萬盛經濟開發區、貴州省桐梓縣近鄰的金佛山林區以及云南省鎮雄縣[1]。方竹筍因其形態方正，肉厚鮮美，營養豐富，被譽為“竹筍之冠”[2]，其富含蛋白質、氨基酸、膳食纖維、維生素、礦物質等營養成分[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險。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]研究發現添加BSDF可以有效改善黃桃果醬的質地和顏色，賦予其更好的涂抹性；Nirmala等[3]發現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92%[7]，作為食品功能性配料添加時可能會對食品的顏色、質地、口感等產生不利影響[8]。近年來，為了提升BSDF品質，拓展其應用范圍，國內外研究人員先后采用酸堿法[9]、生物酶法[10-11]和物理機械法[12]等方法對其進行改性，其中，物理改性是一種高效、快捷、綠色環保的BSDF改性方法。

動態高壓微射流(dynamic high pressure micro-fluidization, DHPM)技術是一種新興的物理改性方法，可對流體混合物料進行強烈剪切、高速撞擊、壓力瞬時釋放、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]發現，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的氫鍵作用降低其結晶度等。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，達到了微米級水平；曹慧慧等[17]發現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]研究發現利用DHPM處理豆渣淀粉的不溶性膳食纖維，能有效減小其粒徑，誘導膨化形態，提高其持水力。研究擬采用DHPM處理從方竹筍中提取BSDF，測定處理前后BSDF粒徑、持水力、膨脹力等理化性質，同時利用紅外光譜儀、熱重分析儀、掃描電鏡等手段表征處理前后其官能團特性、熱穩定性和微觀形態等變化，以期為BSDF的改性提供依據。

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；

金龍魚葵花籽食用植物調和油：市售；

KBr：分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

數顯恒溫水浴鍋：HH-ZK8型，鞏義市予化儀器有限責任公司；

中草藥粉碎機：FW135型，天津市泰斯特儀器有限公司；

超高壓均質機：Scientz-207A型，寧波新芝生物科技有限公司；

超微流動態高壓納米分散機：M-110EH-30型，加拿大Microfluidics公司；

ZS粒度分析儀：Zetasizer Nano型，英國馬爾文儀器有限公司；

冷凍干燥機：SCIENTZ-10ND型，寧波新芝生物技術有限公司；

傅里葉紅外光譜儀：Spectrum100型，美國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 ℃高壓均質機預處理兩次。將預處理溶液分別于50，100，150，200 MPa微射流壓力下均質處理5次，處理過程中開啟微射流冷卻系統保持溫度為25 ℃，以未進行高壓微射流處理的樣品為對照(CK)。收集均質后的溶液，每個樣品分別取10 mL用于粒徑分布測定，其余溶液冷凍干燥，研磨成粉進行理化性質和結構的測定。

1.4 理化性質測定

1.4.1 粒徑測定 根據文獻[11]。

1.4.2 持水力 參照Chen等[19-20]的方法并修改。取0.5 g 經DHPM處理過的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)計算其持水力。

(1)

式中：

CWH——持水力，g/g；

m1——BSDF粉末質量，g；

m2——離心管質量，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DHPM處理過的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)計算其持油力。

(2)

式中：

COH——持油力，g/g；

m1——BSDF粉末質量，g；

m2——離心管質量，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DHPM處理過的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)計算其膨脹力。

(3)

式中：

CS——膨脹力，mL/g；

m——BSDF粉末質量，g；

V1——BSDF粉末體積，mL；

V2——BSDF粉末吸水后體積，mL。

1.5 結構測定

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) 參照萬婕等[13]的方法。采用步進掃描法，靶：Cu-Kα，角度步長0.02°，工作電壓40 kV，電流40 mA，掃描范圍5°～60°，掃描速率6(°)/min。根據分峰法計算相對結晶度。

1.5.3 熱重分析 參照汪楠等[11]的方法。

1.5.4 微觀結構 將BSDF粉末固定于雙面導電樣品臺上，噴涂金層使其具有導電性，然后用掃描電鏡觀察樣品的微觀結構。掃描電鏡電壓10 kV，放大倍數1 000倍。

1.6 數據處理

2 結果與分析

2.1 對BSDF理化性質的影響

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鍵因素[21]。由表1可知，DHPM處理能顯著影響BSDF粒度分布和平均粒徑(P<0.05)。當處理壓力為0～150 MPa時，隨著處理壓力的增大，d0.1、d0.5、d0.9所對應的粒徑分別由(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BSDF的平均粒徑也顯著減小(P<0.05)。當處理壓力為150 MPa時，BSDF平均粒徑達到最小，為(370±11)nm，比未處理樣品下降了58.70%。這可能是DHPM的強烈剪切、高速沖擊和高頻振動等作用使物料顆粒被膨化和細化[22]，導致顆粒均一、分布集中且平均粒徑減小。當處理壓力為200 MPa時，BSDF平均粒徑反而增大(532±2)nm，與Liu等[23]的結論一致，這可能是當顆粒粒徑減小，比表面積增大時，其表面的范德華力和靜電吸引力也隨之增大，顆粒之間因為吸引力的增大而重新聚集[23]。

表1 DHPM處理對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，當處理壓力為150 MPa時，BSDF的持水力、持油力和膨脹力均達最大值，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]的結果相似。當處理壓力為200 MPa時，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、親水基團的暴露程度和表面孔隙率有關。當處理壓力為0～150 MPa時，纖維物料在動態高壓微射流均質機的撞擊腔內被分散為多股細流，并在極小的空間內發生強烈的高速撞擊，撞擊過程中大量動能會瞬間轉化為熱能等其他形式的能量，從而產生巨大的壓力差作用，使物料顆粒發生細化膨化作用[13]，導致BSDF比表面積增大，組織更加疏松，更多的親水基團暴露，水合性提高[25]。持油力一般取決于BSDF表面性質、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。而當處理壓力為200 MPa時，BSDF粒徑減小，比表面積增大，同時表面的范德華力和靜電吸引力也增大，顆粒發生團聚，其對水分和油脂的束縛減小，水合性質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地，與促進腸道蠕動、降低膽固醇和降血糖等多種功能特性有關。宋玉等[29]研究發現改性后的BSDF可改善香腸中脂肪含量過高的缺點，并提高香腸中的蛋白質和水分含量。因此，在一定處理壓力范圍內，可利用DHPM改性BSDF，使其作為功能性配料被應用于肉制品、面制品、果蔬制品等食品中。

2.2 對BSDF結構特征的影響

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、膨脹力等與其內部的晶體結構密切相關[32]。由圖2可知，當衍射角為14°～24°時，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構，且DHPM處理后，BSDF衍射峰的位置與未處理樣品基本一致，說明DHPM處理不會改變BSDF的晶體結構。比較BSDF的相對結晶度(RC)可知，隨著DHPM處理壓力的增大，BSDF的RC有明顯的減小，當處理壓力為150 MPa時，RC由未處理的45.96%減小至37.38%。研究[15]表明，纖維類樣品中同時存在結晶區和非結晶區，結晶區結構致密、分子取向良好，非結晶區氫鍵結合量少、分子排列無序。DHPM強烈的剪切空穴作用使BSDF物料細化膨化，纖維素分子之間的氫鍵斷裂，內部結構變得松散，部分結晶區轉化為無序的非結晶區，BSDF結晶度減小，晶體有序度下降。

2.2.3 熱重分析 由圖3可知，BSDF的熱分解過程大致由3個階段組成。第1個熱分解階段是水分揮發階段，溫度為40～100 ℃，BSDF分子失去游離水、物理吸附水和分子內部的結晶水，溫度較低時BSDF主要失去易蒸發流失的游離水[35]，因此在50 ℃左右失重速率達到該階段的最大。第2個失重階段發生在200～350 ℃，是熱分解過程的主要階段，BSDF的主要組成成分纖維素、半纖維素和木質素通過各種自由基反應和重排反應進一步降解成低分子量的揮發性產物[36]；此溫度范圍內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在該過程的失重速率和失重率先增加后減少，當處理壓力為150 MPa時，失重速率和失重率均達最大，4.81%/℃和48.98%。結合圖1和圖2分析，可能是由于DHPM處理后，BSDF內部分的糖苷鍵、氫鍵等斷裂，減少了熱分解斷鍵時所需的能量[30]。同時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。當溫度>350 ℃時，BSDF進入第3個熱分解階段，此階段中BSDF的失重率和失重速率趨于平穩，焦炭進一步降解，殘渣中的碳含量越來越高，直至樣品熱解完全，反應結束。綜上，DHPM處理使BSDF分子內部的部分鍵斷裂，使其顆粒細化，降低了BSDF的熱穩定性。

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 微觀結構分析 由圖4可知，未經DHPM處理的BSDF呈片狀結構，表面光滑，存在少量的裂隙，顆粒較大且形狀不一。而經DHPM處理后，BSDF表面開始變得粗糙，部分發生斷裂和破碎，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強烈不規則的剪切、空穴等作用使BSDF內部的氫鍵等斷裂，分子量減小，組織松散，比表面積增大，更多基團得以暴露，其理化性質得到改善，與持水力、持油力和膨脹力結果分析一致。但當處理壓力為200 MPa時，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[31]。

3 結論

研究了不同壓力動態高壓微射流處理對竹筍膳食纖維理化及結構特性的影響。結果表明，經動態高壓微射流處理后，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，當處理壓力為150 MPa時效果最佳。通過紅外光譜、X射線衍射、熱重和掃描電鏡分析，經動態高壓微射流處理后，竹筍膳食纖維呈片狀結構，表面粗糙，組織疏松，晶體有序度下降，熱穩定性降低。綜上，動態高壓微射流處理可以有效改善竹筍膳食纖維的理化和結構特性，是一種有效的物理改性方法。