高頻振動式微粉碎對兔骨粉體特性的影響

李雪,賀稚非,許晶冰,李洪軍*

1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715) 2(重慶市農業科學院 農產品加工研究所,重慶,401329) 3(重慶市特色食品工程技術研究中心,重慶,400715) 4(重慶市食品藥品檢驗檢測研究院,重慶,401121)

聯合國糧農組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)2020年的統計資料顯示[1],2018年世界兔肉的總產量為140.0萬t,而我國繼續以87萬t的兔肉總產量穩居世界前列,這與我國人民的飲食習慣及兔肉“四高”、“四低”的營養特性[2]相關,兔肉的發展空間極大。伴隨著兔肉產量的增加,兔骨等加工副產品也隨之增多。

目前,兔骨的加工利用研究尚處于起步階段。利用干法球磨技術,可將兔骨加工成平均粒徑(D0.5)0.5～21.9 μm的細骨粉[3-4];兔骨粉中灰分和鈣含量約為鮮骨的2～3倍[5],這為兔骨粉作為優質鈣源奠定了基礎;隨著粒徑的減小,鈣離子的釋放度顯著增加(P<0.05),這將提高骨粉的生物利用率[6-7]。此外,將兔骨細粉加入到肉糜中,可賦予肉制品高鈣的營養特性及特殊的骨香味[8-9]。但球磨一般耗時長(>3 h),進樣量小,生產效率低,較難實現工業生產。此外,兔骨微細粉在其余食品原料中的擴展應用、更全面的粉體特性等方面仍需進一步研究。

高頻振動磨是生產中廣泛應用的超微粉碎設備,目前在中藥[10]、谷物[11]、食用菌等[12]原料上有較多應用。它的原理是通過筒體振動將能量傳遞給磨介,球或棒形磨介的自轉和公轉運動產生高頻沖擊、摩擦和剪切力等將物料粉碎[13]。振動磨粉碎無須進行初級粉碎,降低了生產成本,且具有能量消耗低、粉碎效率高、對物料適應性強等特點[12,14]。本研究選取兔骨為原料,采用一系列前處理工藝制備脫脂脫色兔骨粗粉,然后利用高頻振動式微粉碎對骨粉進行細化,以小麥粉為對照,研究兔骨粉粉體特性的變化,為兔骨微細粉的工業化生產提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

伊拉兔四肢骨,購于重慶市阿興記原種兔養殖基地。乙酸乙酯為色譜純,美國霍尼韋爾;其余試劑均為分析純;小麥粉,市售,福臨門家宴牌。

1.2 儀器與設備

SYFM-8振動微粉碎機,濟南松岳機器有限責任公司;XT-48BN白度測定儀,杭州研特科技有限公司;CM-2300 d分光測色計,日本柯尼卡美能達控股公司;ProX掃描電子顯微鏡,荷蘭飛納公司;Mastersizer 2000 激光粒度儀,英國馬爾文公司;AVATAR 370傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier transform infrared spectrometer,FTIR),美國賽默飛尼高力公司;iCAP 6000 電感耦合等離子體發射光譜儀,美國賽默飛公司;S-433D氨基酸分析儀,德國賽卡姆科學儀器有限公司;Milli-q reference超純水系統,美國密理博公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 兔骨粗粉的制備

根據項目組前期[15]兔骨粉的制備工藝,對兔骨進行高溫蒸煮軟化、初步粉碎、乙酸乙酯脫脂、干燥后,用水洗的方式對兔骨進行脫色。超純水與骨粉按照液料質量比3∶1混勻振蕩1 min,靜置2 min后傾倒上層液體及漂浮在骨渣表面的血紅蛋白層,重復漂洗3次。剩余骨渣50 ℃干燥至恒重,研磨后過60目篩,得到脫色脫脂兔骨粗粉(new rabbit bone meal,N-RBM)。

1.3.2 微粉碎對兔骨粉粉體特性的影響

將N-RBM置于振動磨微粉碎機中制備兔骨微細粉(degreasing rabbit bone micro powder,DRBM),裝樣量不超過不銹鋼桶的2/3,振動振幅5 mm,溫度0 ℃,分別振動0 min(N-RBM),5 min(DRBM 1),10 min(DRBM 2),15 min(DRBM 3),每個時間點取樣30 g。以小麥粉為對照(CK),測定N-RBM、DRBM 1、DRBM 2及DRBM 3的粉體特性,探究高頻振動式微粉碎對兔骨粉粉體特性的影響。

1.3.2.1 色澤

粉體的色澤用色差及白度表示。色差:稱取10 g樣品放入透明自封袋中,置于經過校正后的分光測色計檢測口進行色差測定,記錄各個樣品的L*,a*,b*值;白度(W):稱取適量樣品裝滿樣品盒,置于經過校正后的白度測定儀檢測口進行白度測定,記錄各個樣品的ISO白度值(R457)。

1.3.2.2 流動性

粉體的流動性用休止角及滑角表示[16]。將玻璃漏斗垂直固定于鐵架臺上,漏斗的最下端距離坐標紙的高度H為3 cm。將樣品緩慢地倒入漏斗中,直至坐標紙上的粉末錐體的頂端剛好接觸到漏斗的最下端,記錄錐體半徑R(cm)。休止角按公式(1)計算:

(1)

準確稱取3 g樣品,置于一長(L)為20 cm、寬(H)10 cm光滑干凈的玻璃平板的末端上,緩慢舉起平板直至粉體表面開始滑動,讀取此時玻璃平板的垂直高度H(cm)。滑角按公式(2)計算:

(2)

1.3.2.3 持水力及膨脹力[16]

稱取1 g樣品放入50 mL離心管中,再加入20 mL蒸餾水,振蕩均勻,在60 ℃下水浴30 min,冰水冷卻20 min,再以4 000 r/min離心10 min,小心地將上清液倒掉,稱質量。持水力按公式(3)計算:

(3)

式中:m1,樣品干質量,g;m2,空離心管質量,g;m3,樣品殘留物和離心管的質量,g。

稱取1 g干燥后的樣品粉末放入10 mL量筒中,充分搖勻,使粉體上表面保持水平,記錄粉末的體積。緩慢加入10 mL蒸餾水,混勻后置于25 ℃水浴24 h,取出,記錄濕粉的體積。膨脹力按公式(4)計算:

(4)

式中:m,樣品質量,g;V1,干粉體積,mL;V2,濕粉體積,mL。

1.3.2.4 粒徑及粒度分布[17]

粉體的粒度分布及平均粒徑(中位粒徑D0.5表示)用激光粒度儀分析測定。取適量粉末置于激光粒度儀中,以蒸餾水為分散劑,超聲分散14 s,轉速2 400 r/min,測定樣品的粒度分布及D0.1、D0.5、D0.9及D[4,3]值。

1.3.2.5 微觀結構

用導電膠將少量骨粉粘在樣品座上,將樣品座置于離子濺射儀中噴金30 s后,用掃描電鏡觀察樣品粉末的形態特征,并在10 kV的加速電壓下攝取放大1 500倍的照片。

1.3.2.6 化學結構

骨粉化學鍵分析采用傅立葉變換紅外吸收光譜儀(Fourier transform infrared spectromete,FTIR)進行測定。取3 mg骨粉,加入50倍質量的光譜純KBr,用瑪瑙研缽研磨混勻后,取30 mg混勻后的樣品置于模具中壓成透明薄片,波數掃描范圍為500～4 000 cm-1,獲得骨粉FTIR譜圖。

1.3.2.7 鈣離子釋放度[18]

稱取骨粉 0.25 g 左右到錐形瓶中,加入25 mL消化液(用0.1 mol/L鹽酸調節pH為2),添加2 mg/mL胃蛋白酶(3 500 U/g 蛋白)用于模擬人體胃液消化環境。混勻封口后,置于37 ℃恒溫搖床中,在100 r/min轉速下振蕩提取3 h。提取結束后,4 000 r/min離心30 min,取上清液過濾,加超純水定容濾液到250 mL,最后用電感耦合等離子體發射光譜儀(inductively coupled plasma optical emission spectrometer,ICP-OES)測定鈣的含量。鈣離子釋放度R按公式(5)計算:

(5)

式中:m1,上清液中鈣的質量,mg;m2,骨粉中總鈣質量,mg。

1.3.2.8 DRBM的化學組成分析

最優時間高頻振動粉碎制備得到DRBM,與鮮兔骨對比,分析DRBM的化學組成。水分、灰分、蛋白質、脂肪、礦物質、氨基酸含量的測定均采用相應的食品安全國家標準。其中元素測定采用ICP-OES;氨基酸測定時樣品前處理采用常規酸水解-厭氧管充氮密封水解法,略有改動[19],分析條件:流動相流速0.45 mL/min,茚三酮流速0.25 mL/min,柱溫130 ℃。

1.3.3 數據處理

采用Excel 2010和SPSS 19.0進行數據統計及差異性分析,每組實驗重復3次(n=3)。

2 結果與分析

2.1 微粉碎對兔骨粉色澤的影響

如表1所示,以小麥粉為對照,微粉碎對兔骨粉的色澤產生了顯著的影響(P<0.05):骨粉白度提高,亮度增加,綠紅值和藍黃值降低,整體朝小麥粉的色澤靠近。由圖1實物照片中也可以看出,經微粉碎處理后,兔骨粉色澤明顯變化,最終制備得到的DRBM色澤與小麥粉較接近,這為DRBM在面制品中的應用奠定了基礎。振動粉碎5 min后,粉碎時間對兔骨粉的亮度、綠紅值及藍黃值影響不顯著(P>0.05),對兔骨粉的白度影響顯著(P<0.05),呈現先降低后升高的趨勢。

表1 微粉碎對兔骨粉色澤影響Table 1 Effect of micro grinding on color of rabbit bone powder

兔骨粉主要由白色的羥基磷灰石及少量殘留的紅褐色血紅蛋白組成,微細化處理后,占多數的羥基磷灰石顆粒變小并均勻分散在粉體中,掩蓋了血紅蛋白的色澤,因而兔骨粉主要呈現羥基磷灰石的白色,而隨著進一步細化,提高了血紅蛋白在粉體中的分散,且羥基磷灰石可能出現團聚現象,這使得骨粉白度有所降低,因此,微粉碎時間不宜過長。

圖1 小麥粉、N-RBM及DRBM實物圖片Fig.1 Picture of wheat flour,N-RBM and DRBM

2.2 微粉碎對兔骨粉流動性的影響

滑角和休止角是評價粉體流動性的有效參數,其值越小,粉體的流動性越好。由圖2可知,兔骨粉的流動性優于小麥粉,這可能與兔骨粉低脂高礦物質的化學組成有關,而微粉碎提高了兔骨粉的休止角及滑角,粉體流動性降低,粉碎到10 min時,兔骨粉的流動性與小麥粉有接近的趨勢,這可能是因為隨著粒徑的降低,骨粉顆粒的比表面積增大,顆粒間的表面聚合力也不斷增加所致[20]。

圖2 微粉碎對兔骨粉流動性的影響Fig.2 Effect of micro grinding on fluidity of rabbit bone powder注:不同大寫字母表示休止角存在顯著差異(P<0.05);不同小寫字母表示滑角存在顯著差異(P<0.05)

2.3 微粉碎對兔骨粉持水力和膨脹力的影響

由圖3可知,微粉碎5 min時,兔骨粉的膨脹力顯著提高(P<0.05),繼續細化,膨脹力則無顯著變化(P>0.05);而隨著進一步細化,兔骨粉的持水力呈下降趨勢。

圖3 微粉碎對兔骨粉膨脹力及持水力的影響Fig.3 Effect of micro grinding on water holding capacity and swelling power of rabbit bone powder 注:不同大寫字母表示膨脹存在顯著差異(P<0.05);不同小寫字母表示持水力存在顯著差異(P<0.05)

有研究報道稱持水力、膨脹力與粒徑無顯著關系,但也有報道稱兩者與粒徑之間呈正相關,目前仍無定論,持水力和膨脹力可能與原料的成分、粒徑、粉體電荷密度、比表面積等均有關。與小麥粉對比可以看出,兔骨粉的持水力較低,微細化后,膨脹力提高但持水力會進一步下降,這可能會影響兔骨粉在面粉制品中的應用,因此微粉碎時間不宜過長。

2.4 微粉碎對兔骨粉粒度特性的影響

如圖4所示,小麥粉的粒徑主要分布在10～200 μm,而兔骨粉在微粉碎前,粒徑較大,主要分布在60～300 μm,骨粉顆粒粒徑<50 μm的分布較少;微粉碎5 min后,粒徑分布曲線明顯前移,大部分兔骨粉的粒徑<100 μm;微粉碎10 min時,曲線進一步前移,粒度變小且更加集中;而粉碎至15 min時,有小部分顆粒粒徑>100 μm,這與表2的結果一致。

圖4 微粉碎對兔骨粉粒徑分布的影響Fig.4 Effect of micro grinding on size distribution of rabbit bone powder

微粉碎對兔骨粉粒度的影響如表2所示,其中D0.1、D0.5、D0.9分別表示在累積百分率曲線上占顆粒總量為10%、50%和90%時所對應的粒子直徑,D[4,3]表示粉體的體積平均粒徑,本研究以D0.5表示粉體的平均粒徑,其值越小則表示粉體顆粒越小,粉體越細。由表2可知,小麥粉的平均粒徑為(62.60±0.21) μm,兔骨粉經微粉碎后,平均粒徑顯著降低(P<0.05),由(131.21±1.95)μm降至21 μm以內,粉碎至10 min時,兔骨粉粒徑進一步降低(P<0.05),平均粒徑達到(16.92±0.15)μm,且90%的粒徑分布在(53.32±0.42)μm以內,體積平均粒徑達到(22.93±0.15)μm。隨著粉碎時間的延長,兔骨粉在粉碎腔中被振動棒擠壓、碰撞,振動微粉碎對兔骨粉的累計破壞程度逐漸增大,骨粉顆粒變小,而粉碎至10 min以后,可能達到了振動粉碎對兔骨粉原料的研磨極限,繼續延長粉碎時間也無法進一步降低骨粉粒度,這可能是由于物料粒度的逐步降低導致范德華力顯著增加,小顆粒粉體之間產生團聚現象,因而粉體顆粒隨著粉碎時間的延長而增加[5],這與任燦等[4]在干法球磨兔骨粉中的研究結果一致。

表2 微粉碎對兔骨粉粒度影響 單位：μm

2.5 微粉碎對兔骨粉微觀結構的影響

掃描電鏡結果(×1 500倍)如圖5所示,骨粉顆粒結構致密,表面不光滑,且有團聚物的黏附,這可能是骨粉中殘留的蛋白質,粉碎前的兔骨粉顆粒呈不規則的多角形,經過微細化處理后,羥基磷灰石和蛋白質組成的致密結構被打破,顆粒分散、變小,且顆粒形狀朝球形變化,粉碎10 min后顆粒分布更均勻。

a-N-RBM;b-DRBM1;c-DRBM2;d-DRBM3圖5 不同粒徑兔骨粉掃描電鏡圖(×1 500)Fig.5 Scanning electron microstructure (×1 500) of rabbit bone powder with different size

2.6 紅外光譜分析

圖6 不同粒徑兔骨粉FTIR圖Fig.6 FTIR spectra of rabbit bone powder with different size

2.7 鈣離子釋放度

研究中發現,降低粒徑可顯著提高魚骨粉的溶解性和生物利用率,魚骨中鈣離子的溶解度隨著研磨時間的增加而顯著提高[6-7]。由圖7可知,微粉碎5 min后,兔骨粉中的鈣離子溶解度顯著提高(P<0.05),這可能是由于振動微粉碎提高了兔骨粉的比表面積,破壞了羥基磷灰石結晶和膠原蛋白網絡的結構,從而利于兔骨粉中鈣離子的釋放,而繼續粉碎,鈣離子溶解度有上升趨勢,但差異不顯著(P>0.05),這可能與振動微粉碎對兔骨粉的作用極限有關。

圖7 微粉碎對兔骨粉鈣離子釋放度的影響Fig.7 Effect of micro grinding on calcium ion solubility of rabbit bone powder

綜上所述,微粉碎時間不宜過長,10 min為最佳,此時振動粉碎設備能耗適中,兔骨粉顆粒粒徑小、粒度分布集中,鈣離子釋放度高,且色澤、流動性、持水力及膨脹力均達到一個較合適的程度。

2.8 DRBM的化學組分分析

兔骨經高溫高壓蒸煮、干燥、脫脂、脫色、振動微粉碎等一系列微細化加工后,制備得到DRBM,微細化處理后的兔骨的營養特性發生了較大的變化。兔骨的蛋白質含量、水分含量、脂肪含量、鐵含量顯著降低(P<0.01),這主要是由于加工工藝所致,高溫高壓蒸煮及水洗脫色,導致了膠原蛋白、血紅蛋白等蛋白質的流失,干燥脫去了兔骨中大量的水分,超聲輔助脫脂工藝脫去了兔骨中的大部分脂肪,而兔骨中的鐵元素主要來源于血紅蛋白中的血色素,血紅蛋白的流失也導致了兔骨中鐵元素的流失;蛋白質的流失,也導致兔骨中大部分氨基酸含量極顯著降低(P<0.01),蛋氨酸含量顯著降低(P<0.05);與此同時,由于水分和脂肪脫去帶來的濃縮效應,兔骨中灰分含量、鈣含量、磷含量、鎂含量和鋅含量顯著提高(P<0.01),無機鹽(灰分)含量提高約2.5倍、鈣含量提高約0.6倍、鎂含量提高約1.5倍、鋅含量提高約1.2倍。

表3 DRBM的基本營養成分及礦物質組成Table 3 Nutrients and mineral content of DRBM

表4 DRBM的氨基酸組成Table 4 Amino acids composition of DRBM

3 結論

本試驗選取兔肉產業的加工副產物兔骨為原料,對兔骨經高頻振動式微粉碎制備成兔骨微細粉DRBM,并對DRBM的粉體特性進行了詳細分析,得出如下結論:

(1)微粉碎使兔骨粉白度提高,亮度增加,色澤朝小麥粉靠近,但過度粉碎會引起骨粉白度降低;微粉碎會降低粉體流動性、持水性,使粉體膨脹力先增高后不變;微粉碎會降低兔骨粉平均粒徑,改善粉體顆粒的分布、均勻性及形狀,且提高骨粉中鈣離子的釋放度,但粉碎至10 min以后,骨粉粒徑不會進一步降低,鈣離子溶解度有上升趨勢;微粉碎對兔骨粉的化學鍵及官能團影響不大,不同粒徑的兔骨粉紅外光譜類似,均顯示人工合成的羥基磷灰石及膠原蛋白結構密切相關的官能團。

(2)振動粉碎10 min,即可制備得到色澤白、無異味、粒徑小、分散均勻且流動性好的兔骨微細粉DRBM,經一系列微細化加工后,兔骨的蛋白質含量、水分含量、脂肪含量、鐵含量及氨基酸含量降低,但兔骨中灰分、鈣、磷、鎂和鋅含量提高,DRBM仍然保留較多礦物質、蛋白質及種類豐富的氨基酸,具有低脂、高蛋白、高鈣、高鎂、高鋅的特點,是一種營養價值較高的天然資源。