不同粒徑竹筍粉的理化性質和功能特性研究

葛青，李杭慶，李鵬，肖竹錢，毛建衛，孫培龍，章亭洲，林春綿*

1(浙江工業大學 生物與環境工程學院，浙江 杭州，310014)2(浙江省農產品化學與生物加工技術重點實驗室 (浙江科技學院)，浙江 杭州，310023)3(浙江科峰生物技術有限公司，浙江 海寧，314400)

享有“素食第一名”美稱的竹筍，正越來越受到人們的歡迎[1-2]。我國竹筍產量居世界之首，有200多種可食用竹筍，竹林面積達33 000 km2，食用竹筍年產量可達500～600萬t[3]。竹筍不僅營養豐富，而且還含有豐富的類黃酮、多酚、甾醇等活性物質，具有較高的食用和藥用價值[4-6]。除此之外，竹筍中還含有豐富的膳食纖維，具有降低膽固醇、改善腸道菌群等功效[7-8]。竹筍采摘后容易產生褐變、木質化、腐爛等現象，其保鮮、運輸難度大，因此一部分鮮筍會被直接加工成筍干、筍絲、清水筍罐頭等食品。如何更好地利用竹筍資源，更好地保留其原本的風味和營養價值是亟需解決的問題[9]。

超微粉碎技術是利用物理方法克服物料內部的結合力，即利用機械碾磨或流體動力的途徑將固體顆粒粉碎至微米級的過程[10-11]。球磨后的粉末具有良好的溶解性、分散性和吸附性[12]。物料經球磨后，由于粒徑的減小和比表面積的增大，其理化性質明顯提高[13]，如膳食纖維經球磨后，顆粒粒度變小，比表面積和孔隙率增大，其持水性、膨脹力、粉質特性等物化特性顯著提高[14-16]，適口性得到改善，大大提高了人體其營養物質的消化吸收。球磨式粉碎機操作簡單、生產能力大、物料適應性強而且方便控制產品粒徑[17-18]。本文采用行星球磨式粉碎機對細竹筍進行超微處理，得到不同粒徑竹筍粉，分析比較其基本組成、物理特性、吸附能力(膽固醇和NO2-)及化學結構，旨在為竹筍的產品開發提供可靠的科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

毛竹筍，浙江臨安；混合氨基酸標準液，日本和光純業工業株式會社；茚三酮、溴化鉀、5-磺基水楊酸、甲基紅、溴甲酚綠、檸檬酸、檸檬酸鈉、無水乙酸鈉、膽固醇、亞硝酸鈉、鄰苯二甲醛，國藥集團；冰乙酸、乙醇，阿拉丁試劑(上海)有限公司，以上試劑均為優級純。

1.2 儀器與設備

KQ-300E型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；L-8900氨基酸自動分析儀、Hitachi S-4800型場發射掃描電子顯微鏡，日本日立公司；UV-5500PC型紫外分光光度計，上海市元析儀器有限公司；JT-DCY-12Y水浴氮吹儀，杭州聚同電子有限公司；Allegra X-12R離心機，貝克曼庫爾特有限公司；CJM-SY-B高能納米沖擊磨，秦皇島市太極環納米制品有限公司；FTIR-850紅外掃描儀，天津港東科技發展股份有限公司；納米粒度分析儀，Malvern儀器；LS-909激光粒度儀，珠海歐美克儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 不同粒徑竹筍粉的制備

將毛竹筍用去離子水清洗3次，在105 ℃的烘箱中烘干至水分含量低于6%，采用普通粉碎機進行粉碎，過80目標準篩但未通過100目標準篩的即為細竹筍粉，平均粒度采用激光粒度儀進行測定。

將經前處理的細竹筍粉通過行星球磨機進行球磨，球磨介質ZrO2，時間30 min、轉速500 r/min，球磨后的竹筍粉即為超細竹筍粉，平均粒徑使用激光粒度分布儀進行測定。

將經前處理的細竹筍粉通過行星球磨機進行球磨，球磨時間3 h，球磨介質ZrO2，轉速500 r/min，得到超微竹筍粉，平均粒徑使用激光粒度分布儀進行測定。

1.3.2 成分測定

1.3.2.1 基本成分測定

水分含量采用GB/T 5009.3—2016《食品中水分的測定》中的直接干燥法測定；灰分含量采用GB/T 5009.4—2016《食品中灰分的測定》中的高溫灼燒法測定；蛋白質含量采用GB/T 5009.5—2016《食品中蛋白質的測定》中的凱氏定氮法測定。

1.3.2.2 總氨基酸測定

總氨基酸測定采用國標GB 5009.124—2016《食品中氨基酸的測定》，略有改進。分析條件：日立L-8900 氨基酸分析儀；色譜柱：日立2622C磺酸型陽離子樹脂分離柱(4.6 m×60 mm，3 μm)；檢測器：熒光檢測器；流動相：檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液。取1 g樣品加到玻璃水解管中，加入10 mL 6 mol/L的HCl溶液，加重蒸酚3～4滴，冷卻5 min，向水解管中充入一定量的N2，在N2環境下迅速封管，110 ℃水解22 h。冷卻后打開水解管，將水解液全部移至50 mL容量瓶中，用去離子水清洗、過濾及定容。取2 mL定容溶液反復真空干燥2次，最后蒸干，然后加0.02 mol/L檸檬酸鈉緩沖液1 mL，過0.22 μm濾膜過濾后上機。

1.3.2.3 游離氨基酸測定

游離氨基酸的測定參照GB/T 5009.124—2016《食品中氨基酸的測定》，略有改進。準確稱取樣品5.00 g置于150 mL錐形瓶中，加入60 mL去離子水，100 ℃沸水浴提取1 h，每15 min振搖1次。取出冷卻，將提取液過濾至100 mL 容量瓶，殘渣用20 mL去離子水分2次洗滌，洗出溶液與提取液合并后定容至100 mL。取5.0 mL定容后的液體于15 mL離心管中，加入10%磺基水楊酸溶液5.0 mL，離心15 min (10 000 r/min、4 ℃)，取上清液過0.22 μm濾膜，待測。

1.3.3 物理性質測定

1.3.3.1 粒徑測定

使用激光粒度儀測定竹筍粉粒徑。

1.3.3.2 持水性的測定

持水性(water retention capacity，WRC)的測定參考LYU等[19]的方法并略作修改。準確稱取1.00 g樣品(m1)，并加入40 mL去離子水。室溫放置24 h后，6 000 r/min離心10 min，去除上清液，將離心管壁上殘留的水分用濾紙吸干。稱重(m2),105 ℃烘5 h，稱重(m3)，按照公式(1)計算持水性：

(1)

1.3.3.3 膨脹力的測定

膨脹力(water swelling capacity，WSC)的測定參照LYU等[19]的方法并略作修改，準確稱取1.00 g樣品(m4)，加入10.0 mL蒸餾水于25 mL量筒內，其體積記為V1。充分振蕩后室溫靜置24 h，讀取液體中樣品的體積V2。膨脹力按照公式(2)計算：

(2)

1.3.3.4 溶解度測定

參照范明月等[20]的方法并稍作改動。將不同粒徑竹筍粉用蒸餾水配制成質量分數為3%的溶液，30 ℃恒溫水浴5 min后，倒入離心管中搖勻，1 000 r/min離心10 min，測定離心管中沉淀物的高度以及溶液的總高度。以沉淀高度/溶液總高表示溶解度，比值越小溶解性越大。

1.3.4 吸附能力測定

1.3.4.1 NO2-吸附能力的測定

NO2-吸附能力(nitrite ion adsorption capacity，NIAC)測定參考GB 5009.33—2010《食品中亞硝酸鹽與硝酸鹽的測定》。準確稱取1.00 g樣品和60.0 mL NaNO2(5.002 μg/mL)于100 mL錐形瓶內，調節pH，分別模擬人體胃酸環境(pH 2.0)和腸道環境(pH 7.0)，加入轉子在37 ℃水浴中反應120 min，測量NO2-的殘留量[21]。按公式(3)計算NIAC：

(3)

式中：ρ1，原始溶液中的NO2-質量濃度，μg/mL；ρ2，吸附平衡時上清液中的NO2-質量濃度，μg/mL；m5，竹筍粉質量，g；V3，NaNO2溶液體積，mL。

1.3.4.2 膽固醇吸附能力的測定

膽固醇吸附能力(cholesterol adsorption capacity，CAC)的測定參照GB 5009.128—2016《食品中膽固醇的測定》，略作修改。取新鮮雞蛋蛋黃，按料液比1∶9(g∶mL)加入蒸餾水，攪拌均勻形成乳化液。準確稱取1.00 g樣品和60.0 mL蛋黃乳化液于100 mL錐形瓶內，分別調節pH至2.0和7.0，在模擬人體胃酸環境和腸道環境下對膽固醇吸附能力進行測定。37 ℃水浴30、60、90、120、180 min，冷卻到室溫后，6 000 r/min離心20 min。收集上清液，在550 nm下測量吸光度值。膽固醇吸附能力表示為1 g竹筍粉樣品吸收的膽固醇量，計算如公式(4)所示：

(4)

式中：ρ3，原始蛋黃溶液的膽固醇質量濃度，μg/mL；ρ4，吸附平衡時上清液的膽固醇質量濃度，μg/mL；m6，樣品質量，g；V5，原蛋黃溶液體積，mL；V4，上清液體積，mL。

1.3.5 紅外光譜

稱取一定量干燥樣品，在研缽中硏磨至極細，與溴化鉀混合壓成半透明薄片，用傅里葉紅外光譜儀進行分析，掃描范圍為400～4 000 cm-1。

1.3.6 掃描電鏡觀察

將干燥樣品用導電膠粘在樣品座上，于氮氣環境下用離子濺射法渡一層鉑金膜，通過掃描電子顯微鏡對樣品進行觀察分析。

1.4 數據分析

每個實驗進行3次，數據顯示為平均值±標準偏差。數據的統計分析包括方差和SPSS 20.0版的Duncan’s檢驗。組間差異顯著性水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 不同粒徑竹筍粉基本成分分析

粉體的粒徑與其持水性、膨脹力、吸附能力等理化性質和功能特性密切相關[22]。不同粒徑竹筍粉的基本成分如表1所示。經超微粉碎后，超微竹筍粉的營養成分與細竹筍粉存在差異，主要表現在超微竹筍粉的灰分含量顯著增加，而水分含量顯著降低(6.13 g/100 g),這與楊茉等[23]的研究結果相同。這是由于在球磨過程中物料間的摩擦使竹筍粉的溫度升高，促進水分蒸發；隨著粒徑的下降，蛋白質含量略微降低，可能是在超微粉碎過程中，由于機械力的影響，蛋白質的結構被破壞。超細竹筍粉和超微竹筍粉的營養成分也存在差異，主要是因為不同的粉碎程度所造成的。

表1 不同粒徑竹筍粉的基本成分 單位：g/100 g

2.2 粒徑分析

不同加工工藝得到的竹筍粉的粒徑分布、比表面積等見表2。細竹筍粉的平均粒度為(182.66±1.07)μm，超細竹筍粉為(90.41±0.31)μm，超微竹筍粉為(18.43±0.43)μm。竹筍粉經球磨粉碎后，機械強力的碾磨或流體動力使竹筍粉顆粒加速，發生劇烈的相互碰撞、反復摩擦、高速剪切，從而使竹筍粉的粒徑顯著減小[20]。

表2 不同竹筍粉的理化性質Table 2 Physicochemical properties of bamboo shoot powder with different particle size

2.3 不同粒徑竹筍粉的物理性質

比表面積是衡量超微粉物料特性的重要參數，在一定程度上，比表面積大小與物料顆粒的粒徑、形狀、表面缺陷及孔結構密切相關；同時，比表面積對物料的其他許多物理及化學性能會產生很大影響，如吸附性、持水性和溶脹性等[24]。由表2可知，超微竹筍粉的比表面積最大為(597.20±9.28) m2/kg，是細竹筍粉的8倍，同時其持水性和膨脹力分別提高了25%和65.62%。這可能是因為竹筍粉經超微粉碎后，其粒徑減小，纖維素致密的組織結構被破壞成疏松的結構，更多的親水性基團暴露出來，比表面積增大，加大了與水的接觸面積，接觸部位增多，分散性增強[25]，所以超微竹筍粉的持水性和溶脹性明顯高于細竹筍粉。

2.4 不同粒徑竹筍粉的溶解性

由圖1可知，隨著竹筍粉粒度的不斷減小，其溶解度不斷增加，其中細竹筍粉、超細竹筍粉溶解度沒有明顯的變化，但顯著低于超微竹筍粉的溶解度。這是因為當粉體的粒度減小時，破碎程度變大，其比面積增大，這不僅增加了粉體與水分子之間的有效接觸面積，而且還大大縮短了水分子進入粉體的距離，增加了水與羥基的結合機會，從而使溶解性增大。

圖1 不同竹筍粉的溶解度Fig.1 Solubility of bamboo shoot powder with different particle size 注：不同字母表示組間差異顯著(P<0.05)(下同)

2.5 不同粒徑竹筍粉的氨基酸含量分析

氨基酸標準品的色譜圖如圖2所示，不同粒徑竹筍粉的氨基酸含量見表3。竹筍粉中含有17種氨基酸(除了色氨酸)，其中包含7種人體必需氨基酸。竹筍粉中含量較高的4種氨基酸分別為：賴氨酸、亮氨酸、精氨酸、纈氨酸；含量較低的氨基酸分別為：γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)、酪氨酸、蘇氨酸和絲氨酸。不同粒徑竹筍粉的氨基酸含量不同，除亮氨酸含量為超細竹筍粉最高，GABA含量為細竹筍粉含量最高外，其余氨基酸的含量超微竹筍粉均顯著(P>0.05)高于細竹筍粉和超細竹筍粉。細竹筍粉的總氨基酸含量為(124.57±2.34)mg/g，必需氨基酸的含量為(81.57±1.56)mg/g；超細竹筍粉的總氨基酸含量為(133.56±2.08)mg/g，必需氨基酸的含量為(87.80±1.82)mg/g，超微竹筍粉的總氨基酸含量為(138.08±1.92)mg/g，必需氨基酸的含量為(88.76±1.02)mg/g。超細竹筍粉、超微竹筍粉呈現出隨著粒徑減小，總氨基酸和必需氨基酸的含量略微增長的趨勢，這是由于在超微粉碎過程中，竹筍細胞結構被破壞，細胞壁、細胞膜、原生質和細胞間質中的氨基酸被釋放出來，從而使氨基酸含量有所增加。

圖2 氨基酸標準品色譜圖Fig.2 Chromatogram of standard amino acids

表3 不同粒徑竹筍粉的氨基酸含量 單位：mg/g

2.6 不同粒徑竹筍粉的化學結構

圖3 不同粒徑竹筍粉的紅外光譜圖Fig.3 FT-IR spectra of bamboo shoot powder with different particle size

2.7 不同粒徑竹筍粉的表面結構分析

圖4為不同粒徑竹筍粉在電鏡下的表面結構圖，未經行星球磨機粉碎的細竹筍粉粒徑仍然較大，表面形狀各異，多為不規則多邊形，大小也不均勻，明顯可見竹筍粉較大的纖維結構，竹筍粉多數呈團狀形式存在，結構緊密且孔隙小(圖4-a)。超細竹筍粉在同一放大倍數下粒徑明顯變小，表面形狀較為規則，大多呈現出橢圓形或球形，大小也較為均勻(圖4-b)。經行星球磨機粉碎的超微竹筍粉片狀纖維結構明顯被破壞，形狀更加規則，大多呈橢圓形或球型，大小也更加均勻，沒有明顯的較大顆粒。與CHITRAKAR等[16]的研究結果相似。行星球磨后竹筍粉的粒徑變小，粒徑分布更均勻，竹筍粉纖維結構明顯變小，但是峰形位置和數量沒有發生明顯變化，說明行星球磨對竹筍粉纖維分子結構沒有太大影響。

a-細竹筍粉；b-超細竹筍粉；c-超微竹筍粉圖4 不同粒徑竹筍粉的電鏡圖Fig.4 SEM images of bamboo shoot powder with different particle size

2.8 不同粒徑竹筍粉NIAC的比較

表4 不同粒徑竹筍粉的NIAC 單位：μg/g

2.9 不同粒徑竹筍粉的膽固醇吸附能力比較

圖5顯示了不同粒徑竹筍粉在pH 2.0(模擬胃酸環境)和pH 7.0(模擬腸道環境)條件下的膽固醇吸附能力。pH對不同粒徑竹筍粉的膽固醇吸附能力有顯著影響。細竹筍粉、超細竹筍粉、超微竹筍粉在pH 7.0時膽固醇的最大吸附量分別為4.01、4.12、4.28 mg/g，而在pH 2.0時其最大吸附量分別為2.96、3.11、3.36 mg/g，pH 7.0時竹筍粉的膽固醇吸附量顯著高于pH 2.0時(P<0.05)。吸附時間在0～60 min時，竹筍粉隨著吸附時間的增加而增大，在60 min時達到最大值。吸附時間在60～180 min時，吸附量又隨著時間的增加而降低，逐漸趨于穩定。而不管是在pH 2.0 還是pH 7.0，竹筍超微粉對膽固醇的吸附量高于超細竹筍粉，超細竹筍粉對膽固醇的吸附量高于細竹筍粉，表明超微處理顯著提高了超微竹筍粉的膽固醇吸附能力。

a-pH 2.0；b-pH 7.0圖5 不同粒徑竹筍粉的膽固醇吸附能力比較Fig.5 Cholesterol adsorption capacity of bamboo shoot powder with different particle size

3 結論

本實驗對不同粒徑竹筍粉的基本成分、物理特性、功能特性及化學結構進行了初步探索。結果發現，超微竹筍粉的營養成分與細竹筍粉有較大的差異，主要表現在超微竹筍粉的水分含量顯著降低，蛋白質含量降低，灰分含量顯著增加，可能是在超微粉碎過程中，蛋白質的結構被破壞。超細竹筍粉和超微竹筍粉的營養成分也存在差異，主要是不同的粉碎程度所造成的。不同粒徑竹筍粉的氨基酸含量不同，且呈現粒徑越小，總氨基酸和必需氨基酸的含量略微增長的趨勢。竹筍粉經超微粉碎處理后，其比表面積增加，同時超微竹筍粉的持水性和膨脹力也明顯高于細竹筍粉。紅外光譜結果顯示，細竹筍粉和超微竹筍粉的化學結構相似，超微粉碎對竹筍粉的化學結構沒有顯著影響。掃描電鏡結果顯示，球磨后的超微竹筍粉粒度變小，形狀更加規則，大多呈橢圓形或球型，大小也更加均勻，沒有明顯的較大顆粒。功能特性研究表明超微處理顯著提高了竹筍粉對亞硝酸鹽和膽固醇的吸附能力。綜上所述，行星球磨處理有效改善了竹筍粉的理化性質和功能特性，作為一種高效、綠色的處理方式，可為超微粉體的開發利用提供科學參考。