超微粉碎及不同粒度對馬鈴薯渣功能特性的影響

牛瀟瀟， 梁 亮， 王 寧， 王 杰， 韓育梅

(內蒙古農業大學，呼和浩特 010018)

馬鈴薯渣是制備馬鈴薯淀粉的副產物，主要包括水分、膳食纖維(DF)、淀粉、果膠和蛋白質等，各成分含量的波動主要與原料種類和加工工藝有關。目前，馬鈴薯渣的研究方向主要圍繞部分利用和整體利用兩部分。部分利用包括果膠、蛋白質、膳食纖維和糖苷生物堿等[1-5]。楊月嬌等[6]利用酸處理、酶處理和鹽沉處理得到3種不同的馬鈴薯果膠，其中酸處理果膠的DPPH自由基清除率最高，鹽沉處理果膠的羥自由基能力和超氧陰離子清除能力最高。Waliullah[7]利用高靜水壓結合酶法處理提取馬鈴薯渣膳食纖維，顯著提高了可溶性組分，改善了物化特性。整體利用包括飼料、發酵產品和重金屬吸附材料等[8，9]。Piotr等[10]利用熱酸法和酶法兩種水解方法處理馬鈴薯渣生產培養基并用于吉蘭假絲酵母和畢赤酵母的培養，在48 h后獲得39.3%的生物量，這表明馬鈴薯渣是一種很有前途的酵母單細胞蛋白生產原料。懷寶東等[11]利用好氧-厭氧固態發酵技術處理馬鈴薯渣，大幅提高其蛋白質含量，是高蛋白飼料的良好原料。兩者均改變了馬鈴薯渣的理化性質，然而有關馬鈴薯渣在食品中應用的研究仍不充分，特別是馬鈴薯渣整體作為食品原料的研究較少，馬鈴薯渣的綜合利用效率和新技術開發有待進一步提高。

DF是馬鈴薯渣中重要組成成分，約占50%(干重)，主要由以纖維素、半纖維素和木質素為代表的不溶性膳食纖維(IDF)和以果膠為代表的可溶性膳食纖維(SDF)組成，IDF含量大幅高于SDF的含量。合理的改性手段可改變IDF和SDF的比例，提高SDF含量，改善其功能特性。相較于化學改性的試劑浪費、生物改性的連續性差，物理改性手段將更適用于大規模生產和集中處理。超微粉碎技術是一種較為新穎的物理改性手段，通過機械作用使物料在剪切力、沖擊力和摩擦力的作用下破碎，制成滿足實際需求的微米級或納米級微粒。Li等[12]利用超微粉碎技術制備蒲公英茶粗粉和蒲公英茶細粉，結果表明細粉在色澤、溶解度、黃酮含量以及抗氧化活性實驗中表現更好，超微粉碎對提高蒲公英茶的性質有積極作用。Hong等[13]利用球磨處理水楊柳葉，隨著球磨時間和次數的增加，水楊柳葉粉的游離酚類代謝物含量和抗氧化活性、水溶性指數、色澤、體積和密度均顯著提高。Chun等[14]發現擠壓膨化技術聯合超微粉碎技術可以顯著改變馬鈴薯皮渣的結構性能，減小粉末的粒度、水合特性和脂肪吸附能力。因此，超微粉碎技術對馬鈴薯渣的功能特性有積極作用，但缺少粉碎程度(粒度與分布區間)與功能特性的相關研究。

本實驗通過超微粉碎處理馬鈴薯渣，用不同目數的標準篩進行篩分，獲得不同粒度的馬鈴薯渣粉，以未經超微粉碎的馬鈴薯渣和超微粉碎后未篩分的馬鈴薯渣作為對照，探究不同粒度馬鈴薯渣粉在抗氧化能力、葡萄糖吸附能力、膽酸鈉吸附能力、膽固醇吸附能力、亞硝酸鹽吸附能力和陽離子交換能力方面的差異，為馬鈴薯渣綜合利用及其產品開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯渣(濕)，2020年春季批次淀粉生產線副產物。試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

PLS-10L新型超微粉碎機，日立TM4000電子掃描電鏡，BT2002激光粒度分布儀，WIGGENS 高剪切均質分散乳化機D-500，HZ-8812S水浴恒溫振蕩器。

1.3 方法

1.3.1 馬鈴薯渣粉的制備

馬鈴薯渣(濕)→除雜→干燥(80 ℃干燥2 h，再在65 ℃條件下干燥至恒重)→初步粉碎→過篩(60目，最大通過粒徑0.25 mm)→超微粉碎(10 kW，10 min)→篩分→不同粒度的馬鈴薯渣粉→密封常溫儲藏。

將超微粉碎后的樣品通過標準篩篩分，根據篩網目數從小到大的排列依次為：100、120、140、160、180、200、300、400、500目，對應的篩網最大通過直徑分別為：150、125、105、97、88、75、54、38.5、30 μm。所得樣品能通過60目篩但不能通過100目篩的樣品記為B100，能通過100目篩但不能通過120目篩的樣品記為B120，依次類推分別記B140、B160、B180、B200、B300、B400、B500和B>500(能通過500目標準篩的樣品)。未經超微粉碎的樣品記為BY(能通過60目標準篩)，超微粉碎后不篩分的樣品記為BH。

1.3.2 馬鈴薯渣粉基礎成分測定

淀粉含量測定參照GB/T 5009.9—2016酶水解法；還原糖含量測定參照GB/T 5009.7—2016 高錳酸鉀滴定法；脂肪含量測定參照GB/T 5009.6—2016 酸水解法；蛋白質含量測定參照GB/T 5009.5—2016 凱氏定氮法；灰分含量參照GB/T 5009.4—2016 食品中總灰分的測定；含水量參照GB/T 5009.3—2016 直接干燥法；膳食纖維(SDF、IDF和DF)含量參照AOAC 991.43酶質量法。

1.3.3 馬鈴薯渣粉粒徑D10、D50、D90和比表面積的測定

配制質量濃度為1.0%的馬鈴薯渣粉懸浮液(無水乙醇為連續相)，充分振蕩，備用。取適量上述懸浮液分散在樣品池中，使儀器遮光率處于10～60，超聲波1.5 min除去氣泡。D10、D50、D90分別表示樣品累積粒度分布分別達到10%、50%和90%時對應的粒徑大小。

1.3.4 馬鈴薯渣粉掃描電鏡的測定

采用日立TM4000掃描電子顯微鏡對馬鈴薯渣粉進行觀察。取適量馬鈴薯渣粉放于導電膠帶上，除去余粉，放入掃描電鏡并觀測。具體條件：加速電壓為15 kV，模式為“Standard”，圖片掃描倍數為80～100倍。

1.3.5 馬鈴薯渣粉葡萄糖吸附能力的測定

葡萄糖吸附能力的測定參照Peerajit等[15]的方法并稍作修改。準確稱取1.00 g馬鈴薯渣粉，依次倒入50、100、200、400 mmol/L的葡萄糖溶液各30 mL，充分混勻，在37 ℃的條件下恒溫振蕩6 h。取20 mL上清液，在8 000 r/min的條件下離心10 min。測定葡萄糖的濃度并根據公式進行計算。

式中：G為葡萄糖吸附量/mmol/g；c0為溶液中葡萄糖濃度/mmol/L；c為上清液中葡萄糖濃度/mmol/L；V為離心后上清液體積；M為樣品質量/g。

1.3.6 馬鈴薯渣粉膽固醇吸附能力的測定

參考楊晰茗等[16]的方法并稍作修改。膽固醇的測定采用鄰苯二甲醛比色法。取新鮮雞蛋10個，分離蛋黃和蛋清，蛋黃中加入9倍體積的蒸餾水，在10 000 r/min的條件下攪打成均勻的乳液。分別取不同粒度的樣品1.00 g，加50 mL攪打均勻的蛋黃乳液，調節pH至7.0，37 ℃恒溫振蕩2 h，4 000 r/min離心10 min，取上清液測定吸光度值，按照公式計算上清液中的膽固醇質量。

式中：D為膽固醇吸附量/mg/g；m1為吸附前蛋黃乳液的膽固醇質量/mg；m2為上為吸附后上清液中膽固醇質量/mg；m為樣品質量/g。

1.3.7 馬鈴薯渣粉膽酸鈉吸附能力的測定

參考朱玉[17]的方法并稍作修改。準確稱取1.00 g馬鈴薯渣粉，放入250 mL錐形瓶中，再加入0.20 g膽酸鈉，倒入0.1 mol/L的NaCl溶液，搖勻并調節pH至7，37 ℃振蕩水浴 2 h(100 r/min)。移出20 mL左右的液體進行離心，8 000 r/min，10 min。移取上清液1.0 mL至比色管中，再加入1.0 mL 1%糠醛溶液和5 mL 60%硫酸溶液混勻，70 ℃水浴20 min，迅速放入冰水中冷卻，測定其吸光度，重復測定3次。計算公式為：

式中：F為膽固酸鈉吸附量/mg/g；m0為初始膽酸鈉質量/mg；m1為吸附后上清液中膽酸鈉質量/mg；m為樣品質量/g。

1.3.8 馬鈴薯渣粉亞硝酸鈉吸附能力的測定

參照羅白玲[18]的方法并稍作修改。分別準確稱取1.00 g樣品于150 mL 錐形瓶中，加入50 mL亞硝酸鈉 (200 μg/mL)溶液，調節錐形瓶中液體的pH為2.0，37 ℃振蕩水浴2 h(100 r/min)，過濾棄去初濾液20.0 mL 后用移液管移取1.0 mL 的樣品溶液，按照標準曲線的方法測定亞硝酸鈉的含量，重復測定3次。計算公式為：

式中：Y為亞硝酸鈉吸附量/mg/g；m1為吸附前亞硝酸鈉質量/mg；m2為吸附后亞硝酸鈉質量/mg；m為樣品質量/g。

1.3.9 馬鈴薯渣粉抗氧化活性的測定

DPPH自由基清除能力的測定參照劉洋等[19]； ABTS自由基清除能力的測定參照唐明明等[20]；羥基自由基清除能力的測定參照孟祥河等[21]。

1.3.10 馬鈴薯渣粉陽離子交換能力的測定

參照莎日娜等[22]的方法，在錐形瓶中加入1.00 g樣品和15 mL 0.1 mol/L HCl溶液，置于37 ℃的恒溫培養箱中24 h。將樣品取出后用真空泵進行抽濾，用去離子水沖洗濾渣，直至過濾液與AgNO3溶液不發生反應，將濾渣轉移到錐形瓶中，加入100 mL 15%氯化鈉溶液，搖勻，加入酚酞，用濃度為0.1 mol/L 的氫氧化鈉溶液進行滴定，淡紅色為滴定終點。同時以去離子水代替氯化氫溶液作為空白實驗并記錄氫氧化鈉溶液所用體積。計算陽離子交換力公式為：

式中：YL為陽離子交換能力/mL/g；v1為測定時所用氫氧化鈉溶液的體積/mL；v0為空白實驗所用的氫氧化鈉體積/mL；m為樣品質量/g。

1.4 數據分析

所有實驗均進行3次重復。采用Excel軟件對實驗數據進行整理和制表；使用SPSS23軟件進行Duncan顯著性分析，P<0.05表示差異顯著；使用Origin 2018制圖。

2 結果與分析

2.1 粒度對馬鈴薯渣粉基礎成分的影響

不同粒度和粉碎前后的馬鈴薯渣粉各成分含量如表1所示。對比超微粉碎前后的樣品，只有總膳食纖維含量發生顯著變化，淀粉、脂肪含量、還原糖含量、蛋白質含量、灰分含量和含水量沒有明顯差異，這表明超微粉碎并未對馬鈴薯渣的組分產生明顯影響。隨馬鈴薯渣粉粒度的降低，淀粉含量、蛋白質含量、灰分含量和含水量呈現升高趨勢，但增量較小，對馬鈴薯渣粉功能特性的影響有限。各樣品的還原糖含量和脂肪含量基本沒有顯著性差異，可推測二者并非影響功能特性的主要因素。然而，馬鈴薯渣的總膳食纖維含量與粒徑的減小呈現正相關，且不同粒度的馬鈴薯渣粉之間差異顯著，由55.60%(B100)降至40.93%(B>500)。造成這一現象的原因為超微粉碎的機械作用使膳食纖維結構破環嚴重，部分非膳食纖維組分分離，膳食纖維總量下降。

表1 馬鈴薯渣粉的基礎成分組成/%

不同類型馬鈴薯渣粉SDF、IDF和DF含量如圖1所示。對比BY和BH，超微粉碎對馬鈴薯渣的改性效果明顯，SDF含量上升，更有利于人體健康[23]。隨著粒度的降低DF和IDF含量均顯著降低，SDF含量顯著上升，原因是超微粉碎改變了馬鈴薯渣中IDF和SDF的空間結構，生成或者暴露出分子量更小的化合物[24,25]。同時，比表面積的增加以及更多親水基團暴露也會導致部分IDF向SDF轉化，也可能是包裹在IDF結構內部的SDF被釋放出來，Kong等[26]在利用蒸汽爆破技術聯合超微粉碎技術處理小麥麩皮及李菁等[27]利用超微粉碎技術處理豆渣時也得出類似結論。

圖1 不同粒度馬鈴薯渣粉的可溶性膳食纖維(SDF)含量、不溶性膳食纖維(IDF)含量和總膳食纖維(DF)含量

2.2 馬鈴薯渣粉的粒徑分布

不同篩分方式能獲得不同粒徑分布的馬鈴薯渣粉，比表面積的改變影響其功能性質。如表2所示，對比BY和BH的粒徑分布，其D10、D50和D90均明顯降低，比表面積增加了257.35%，一定程度上反映了超微粉碎對馬鈴薯渣的粉碎效果。B100～B>500的中值粒徑(D50)下降，其比表面顯著上升，表明超微粉碎對馬鈴薯渣粉物料改性顯著。特別是比表面積增加，使膳食纖維的活性基團的暴露程度增加，將影響其與葡萄糖、膽固醇和亞硝酸鹽等物質的吸附能力，與羅白玲[28]研究超微粉碎處理咖啡果皮不溶性膳食纖維的結果相似。

表2 馬鈴薯渣粉的粒徑分布和比表面積

2.3 馬鈴薯渣粉的掃描電鏡分析

如圖2所示，對比BY和BH，可以看出超微粉碎會使馬鈴薯渣顆粒破裂，其更趨近于球體，結合比表面積的改變，更多的基團暴露出來，進而使功能特性發生改變。在100倍的觀測條件下，B100～B>500的馬鈴薯渣粉顆粒逐步減小，背景中碎屑增多，顆粒的均勻程度逐步提升，這與粒徑分布的結果一致。B400、B500和B>500中可看到較小的聚集，這是由于馬鈴薯渣顆粒較小(粒度)和絕緣性好的特點，在超微粉碎過程中和篩分過程中物料與粉碎內壁相互摩擦導致粉體帶電，靜電力增加所致[29]。

注：B100～B>500和BY均在15 kV，放大倍數100倍的條件下拍攝；BH在15 kV，放大倍數80倍條件下拍攝。圖2 不同粒度馬鈴薯渣的掃描電鏡圖

2.4 粒度對馬鈴薯渣粉功能特性的影響

2.4.1 粒度對馬鈴薯渣粉葡萄糖吸附能力的影響

如圖3所示，其最高吸附量分別出現在B120、B>500、B>500和 B>500處。隨著葡糖糖濃度的上升，馬鈴薯渣粉的葡萄糖吸收量均有大幅提升，表明在50～400 mmol/L的濃度下，馬鈴薯渣葡萄糖吸附能力與葡萄糖濃度呈正相關。對比BY和BH，可看出在100～400 mmol/L的濃度范圍內，超微粉碎對馬鈴薯渣葡萄糖吸附能力影響顯著，這與比表面積的改變密切相關。當葡萄糖濃度為50 mmol/L時，各類型的馬鈴薯渣粉葡萄糖吸附能力沒有顯著差異，推測為葡萄糖濃度不足，已被完全吸收。除50 mmol/L組外，隨著粒度的減小，馬鈴薯渣粉的葡萄糖吸附量逐漸增大，原因可能為SDF含量的上升有助于形成黏性水化層包裹葡萄糖分子，也可能為更多活性基團的暴露并結合更多的葡萄糖分子。

圖3 不同粒度馬鈴薯渣粉的葡萄糖吸附能力

2.4.2 粒度對馬鈴薯渣粉膽固醇吸附能力的影響

如圖4所示，BH的膽固醇吸附能力高于BY，表明超微粉碎直接影響馬鈴薯渣膽固醇的吸附能力。從整體看，pH7組對的各馬鈴薯渣粉的膽固醇吸附能力顯著高于pH2組，可以一定程度模擬人體同時消化道內的環境，表明在腸道中馬鈴薯渣粉與膽固醇結合的更緊密，有助于減少人體對膽固醇的消化和吸收。在2組中，膽固醇吸附能力隨著粒度減小呈現出先升高后降低的趨勢，B300和B400分別在pH2和pH7的時候有最高的膽固醇吸附量，后者為前者的2.17倍，其原因是膳食纖維的空間結構能攔截并存儲一定量的膽固醇，超微粉碎部分破壞了馬鈴薯渣膳食纖維的多孔結構，與之相反的是超微粉碎有助于比表面積的增加和活性基團的暴露，有助于增加粉體與膽固醇的接觸面積，二者共同作用，在較低的粉碎程度時膽固醇的吸附能力與粒度呈現負相關，在較高的粉碎程度時呈正相關。

圖4 不同粒度馬鈴薯渣粉的膽固醇吸附能力

2.4.3 粒度對馬鈴薯渣粉膽酸鈉吸附能力的影響

如圖5所示，對比BH和BY，超微粉碎后對馬鈴薯渣膽酸鈉吸附能力有顯著影響。隨著粒度降低，馬鈴薯渣粉的膽酸鈉吸附能力呈現上升趨勢，在B>500時最大。原因為超微粉碎使馬鈴薯渣的比表面積增大，極性集團更多暴露，在pH為7時更易與膽酸鈉結合，也可能是SDF含量的增加使黏度上升，更多的膽酸鈉被束縛。對比pH為7時馬鈴薯渣粉的膽固醇吸附能力和膽酸鈉吸附能力，發現二者峰值出現在不同粒度的樣品上，分別是B400和B>500，這不僅與馬鈴薯渣膳食纖維空間結構的改變及IDF和SDF比例的改變有關，而且與膽固醇與膽酸鈉在溶液環境中存在的狀態有關，有待進一步研究證實。

圖5 不同粒度馬鈴薯渣粉的膽酸鈉吸附能力

2.4.4 粒度對馬鈴薯渣粉亞硝酸鈉吸附能力的影響

亞硝酸鹽現已被證實是致癌物亞硝胺的前體物質，易在胃部和小腸發生硝化反應，嚴重危害人體健康[30]。膳食纖維是亞硝酸鹽的良好結合體，可有效減緩硝化反應的發生，達到預防胃癌的目的[31]。如圖6所示，粉碎前后的樣品BY和BH具有不同的亞硝酸鹽吸附能力，后者是前者的1.32倍，差異極顯著，可能具有更好的防癌效果。隨著粒度的減小，馬鈴薯渣粉的亞硝酸鈉能力逐步提高，在B>500時達到最高，是B100的1.71倍，原因與葡萄糖吸附能力一致。

圖6 不同粒度馬鈴薯渣粉的亞硝酸鈉吸附能力

2.4.5 粒度對馬鈴薯渣粉抗氧化活性的影響

如圖7所示，對比BY和BH，DPPH自由基、ABTS自由基和羥基自由基清除能力均顯著提高。不同粒度的馬鈴薯渣超微粉的DPPH自由基、ABTS自由基和羥基自由基清除能力隨著粒度的降低呈均現上升趨勢，在B>500處達到了最大值。這既由超微粉碎使馬鈴薯渣SDF含量上升，活性基團暴露程度提高以及增大了自由基接觸的概率引起，也由具有抗氧化活性的小分子物質更多溶出導致，這些小分子可能來源于馬鈴薯渣包含的類黃酮及酚類物質，也可能來自美拉德反應產物[32]。

圖7 不同粒度的馬鈴薯渣粉的DPPH自由基清除能力、ABTS自由基清除能力和羥基自由基清除能力

2.4.6 粒度對馬鈴薯渣粉陽離子交換能力的分析的影響

高鹽飲食會導致人體消化道內Na+增多，是高血壓的誘因之一[33]。膳食纖維活性基團(如氨基和羧基)將對以Na+為主要代表的陽離子產生作用，可適度降低其含量，減少吸收，維護內環境穩態。如圖8所示，BY和BH的陽離子交換能力分別為0.35、0.47 mL/g，二者有顯著性差異，這與超微粉碎增加了極性基團的暴露程度密切相關。隨著粒度的降低，馬鈴薯渣粉的陽離子交換能力顯著提高，其中B>500的陽離子交換能力是B100的2.18倍，與葡萄糖吸附能力、膽酸鈉吸能力的結果一致。

圖8 不同粒度的馬鈴薯渣粉的陽離子交換能力

3 結論

超微粉碎技術影響馬鈴薯渣的各基礎成分的含量，尤其對SDF含量和IDF含量和空間結構有顯著影響，因而引起其功能特性的改變。粒徑測定和掃描電鏡觀察的結果表明標準篩篩分有效改善了馬鈴薯渣粉的粒徑分布，得到了顆粒更均勻、均一性更好的樣品。同時，各馬鈴薯渣粉的比表面積差異顯著，更多的活性基團暴露和空間結構的改變提升了與葡萄糖、膽固醇、膽酸鈉、亞硝酸鈉和陽離子的結合能力以及DPPH自由基、ABTS自由基和羥基自由基的清除能力。除膽固醇吸附能力的最大值出現B300(pH 2)和B400(pH 7)外，其余功能特性的峰值均出現在樣品B>500，表明粒度較小的馬鈴薯渣粉具有更好的功能特性，這不僅與DF含量及結構有關，而且與活性物質的暴露有關。