超微粉碎對板栗粉理化特性及結構特征的影響

寇福兵，夏曉霞，薛艾蓮，冉歡，雷小娟,2，趙吉春,2，曾凱芳,2，明建,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(西南大學 食品貯藏與物流研究中心，重慶，400715)

板栗(CastaneamollissimaBlume)屬殼斗科栗屬植物，又名栗子、栗果、中國板栗，是我國重要的果樹品種之一，主要種植于亞洲、歐洲、非洲及美洲，有中國板栗、歐洲栗、日本栗、美洲栗4種[1]。板栗作為我國主要的果樹品種，種植面積廣、產量高，是一種營養價值較高的堅果類食品，有“干果之王”的美稱，淀粉含量占干基的45%～70%，蛋白質含量為6.6%～8.9%，含有人體所需的8種必需氨基酸，并含有多種維生素、微量元素及少量酚類物質，營養豐富[2-3]。新鮮板栗水分含量較高，不耐貯藏，容易發生霉變生蟲等問題，造成極大的浪費。將板栗加工為板栗粉，可以達到長期儲存的目的，并且可加工為其他產品，如速溶板栗粉；此外添加在一些產品中，如面粉等，可以改善其特性。

超微粉碎是今年來發展起來的高新技術之一，是指利用特種粉碎設備，對物料進行研磨、沖擊、剪切等，將粒徑3 mm以上的物料粉碎至粒徑10～25 μm甚至以下[4]。目前超微粉碎技術主要分為：干法粉碎和濕法粉碎。干法粉碎主要包括：球磨式粉碎、沖擊式粉碎和氣流式粉碎等；濕法粉碎主要包括：高壓均質和膠體磨。物料經超微粉碎后，其顆粒大小得到一定的改善，具有良好的溶解性、分散性、生物活性及較高溶出率等優點[5]，如方竹筍超微粉[6]、馬鈴薯渣超微粉[7]等。目前，超微粉碎技術在板栗方面的應用研究報道較少，板栗粉碎方式仍主要集中使用普通粉碎方式。本實驗旨在探究普通粉碎與超微粉碎后，板栗粉在營養成分、理化特性以及結構之間的差別，為板栗粉深加工提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 主要材料

鮮板栗，購于重慶市北碚區永輝超市(產地：遼寧丹東)；α-耐熱淀粉酶，阿拉丁公司；胃蛋白酶，索拉寶公司；胰蛋白酶，美國Sigma；其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

SCIENTZ-20F冷凍干燥機，寧波新芝；1000G多功能粉碎機，永康兆申電器；Spectrun-100傅里葉紅外光譜儀，美國PerkinElmer；Phenom Pro掃描電子顯微鏡，荷蘭Phenom World；TGL-18MS高速冷凍離心機，上海盧湘儀；UltraScan PRO測色儀，美國HunterLab；Mastersizer 3000激光粒度儀，英國馬爾文；X’Pert3Powder X-衍射儀，荷蘭帕納科；DSC25差示掃描量熱儀，美國TA；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；LNJ-6A氣流粉碎機，綿陽流能粉體設備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 板栗粗粉(ordinary grinding,OG)制備

鮮板栗→挑選無病害、大小均勻板栗→去殼、去皮→切片→真空冷凍干燥(干燥時間36 h，真空度<10 Pa，冷阱溫度-60 ℃)→高速粉碎機粉碎→過60目篩→板栗粗粉

1.3.2 超微板栗粉制備

球磨超微粉碎(ball mill superfine grinding,BMSG)板栗粉制備：將板栗粗粉原料置于CJM-SY-B高能納米沖擊磨進行粉碎處理，粉碎腔體為不銹鋼材質，粉碎磨介為氧化鋯球，5～35 ℃調頻，粉碎時間6 h，最后制得超微板栗粉，密封儲存于干燥陰涼處，備用。

氣流超微粉碎(jet superfine grinding,JSG)板栗粉制備：將板栗粗粉原料置于LNJ-6A氣流粉碎機中，在分級機為60 Hz/0.6 A，引風機40 Hz/7.2 A，粉碎壓力為0.7 MPa條件下粉碎6 h，最后制得氣流粉碎板栗粉，密封儲存于干燥陰涼處，備用。

1.3.3 基本成分測定

水分測定參照GB 5009.3—2016；灰分測定參照GB 5009.4—2016；粗蛋白測定參照GB 5009.5—2016；粗脂肪測定參照GB 5009.6—2016；還原糖測定參照GB 5009.7—2016；淀粉測定參照GB 5009.9—2016；膳食纖維測定參照GB 5009.88—2014。

1.3.4 理化特性及結構測定

1.3.4.1 粒徑檢測[8]

采用Mastersizer 3000激光粒度分析儀，測定板栗粉粒度分布，確定代表粒度分布的D10、D50和D90值分別指累計粒度分布百分數達到10%、50%、90%時所對應的粒徑(D)。粒徑跨度值(span,S)，表示粒徑分布寬窄，計算如公式(1)所示：

(1)

1.3.4.2 色澤測定[9]

采用測色儀測定板栗粉的色澤。L*代表明度指數，從黑暗(L*=0)到明亮(L*=100)的變化；a*代表顏色從綠色(-a*)到紅色(+a*)的變化，b代表顏色從藍色(-b*)到黃色(+b*)的變化。ΔE代表被測物體的色澤(L*、a*、b*)與標準白板色澤差值，計算如公式(2)所示：

(2)

1.3.4.3 振實密度測定[10]

稱取2.0 g樣品(m)，移入10 mL量筒中，振實至量筒內物料體積不再變化，讀取樣品體積(V)，重復測定3次取平均值，振實密度計算如公式(3)所示：

(3)

1.3.4.4 休止角與滑角測定[11]

休止角測定：固定漏斗距離水平面一定高度(3 cm)，取適量板栗粉，使其通過玻璃漏斗自由掉落至平面，直至粉體圓錐最高點碰觸到漏斗下端，記錄此時圓錐體的高度(H)和直徑(D)，休止角θ計算如公式(4)所示：

(4)

滑角測定：稱取1.0 g板栗粉置于光滑玻璃平板上，將平板緩慢傾斜至約90%的板栗粉移動，記錄此時玻璃板被提高的垂直高度(H)和玻璃板長度(L)，休止角θ計算如公式(5)所示：

(5)

1.3.4.5 微觀結構觀察[12]

掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)測定：將少量樣品用導電膠固定在金屬樣品平臺上，噴金，放入掃描電鏡中觀察，拍照保存。測定條件：電壓10 kV，噴金90 s。

X-射線衍射(X-ray diffraction,XRD)測定：條件為電壓40 kV，電流40 mA，掃描范圍4°～50°，掃描速度2°/min，以衍射強度計算相對結晶度。

傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)測定：將樣品置于紅外光譜儀中進行測量，得到紅外光譜圖。掃描范圍4 000～600 cm-1，分辨率為0.01 cm-1。

1.3.5 水合性質測定

1.3.5.1 溶解度與溶脹度測定[13]

溶解度測定：將樣品(m1)與水按質量比1∶50分散于離心管中，置于80 ℃水浴中孵育30 min后，6 000 r/min離心15 min。將上清液放于恒重的蒸發皿(m2)中，105 ℃干燥至恒重(m3)，溶解度計算如公式(6)所示：

(6)

溶脹度測定：稱取1.0 g樣品(m0)于10 mL量筒中，輕輕振蕩使表面平整，讀取初始體積(V1)，加入10 mL蒸餾水，攪拌均勻，封口靜置24 h后，記錄量筒內試樣自由膨脹體積(V2)，溶脹度計算如公式(7)所示：

(7)

1.3.5.2 持水力與持油力測定[14]

稱取0.5 g樣品(m1)于100 mL離心管中，稱量離心管及樣品質量(m2)，加入20 mL純水(或食用油)，攪拌均勻，然后5 000 r/min離心15 min，去上清液，將離心管倒置2 min，稱量離心管及沉淀物質量(m3)，持水力或持油力計算如公式(8)所示：

(8)

1.3.5.3 凍融穩定性測定[15]

稱取3.0 g樣品配制質量分數為6%的乳液，95 ℃下攪拌加熱30 min，轉移至10 mL離心管(m0)中，快速冷卻后稱重(m1)，于-20 ℃冷凍24 h，取出樣品室溫解凍后，5 000 r/min離心20 min，去上清液，稱量沉淀物(m2)，析水率計算如公式(9)所示：

(9)

1.3.5.4 熱穩定測定[16]

稱取5.0 mg樣品放置于鋁盒中，采用差示掃描量熱儀進行測量，以空鋁盒為空白，掃描速度為10 ℃/min，溫度范圍為20～120 ℃，N2流量為50 mL/min。

1.4 數據處理

每組實驗進行3次重復測定，采用SPSS 20.0軟件進行方差分析，檢驗顯著性水平為P<0.05，采用Origin 8.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 板栗粉基本營養成分

如表1所示，超微粉碎后，板栗粉顆粒變小，導致粉體吸水，水分含量有所提高，但蛋白質、脂肪、淀粉含量顯著增加，還原糖含量增加幅度最大(2.55%升至8.17%)，且經過2種超微粉碎后，相比于JSG，BMSG使營養成分釋放的程度更大。此外板栗中膳食纖維的含量較為豐富，達到10%左右，通過2種超微粉碎處理，發現總膳食纖維(total dietary fiber，TDF)未發生明顯變化(P>0.05)，而超微粉碎使不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber，IDF)降低，可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber，SDF)增加。孟慶然[17]對蘆筍進行超微粉碎后，同樣發現隨著粒徑的減少，IDF減少，SDF增加，說明超微粉碎處理后，膳食纖維組成成分發生變化，IDF結構被破壞，結晶度高的長鏈被打斷，變為短鏈的小分子，使其中不溶性成分減小，可溶性成分增加。研究顯示，食品中SDF對人體健康發揮作用優于IDF，且在食品加工方面，SDF比IDF能更好地提高食品黏度，形成凝膠或作為乳化劑賦予食品更好的質地和口感。

表1 不同超微粉碎的板栗粉基本營養成分 單位：%Table 1 Basic nutrients of Chinese chestnut powder after different superfine grinding

2.2 粒度分布特性

D(4,3)指表面積平均粒徑，D(3,2)指體積平均粒徑，當D(4,3)和D(3,2)值越接近，說明樣品顆粒的形狀越規則，粒度分布越集中。由表2可知，與OG相比，板栗粉經超微粉碎后，粒徑明顯減小，BMSG、JSGD50分別達到(7.42±0.03)和(7.08±0.04)μm，降幅分別為83.33%和84.09%；板栗粉顆粒形狀更接近于球形，Span隨粒徑減小而明顯下降，說明超微粉碎板栗粉粒度分布更均勻粒徑范圍變窄，均一性變好；BMSG與JSG比表面積分別增加1.50和1.60倍，有助于功效成分的溶解與吸收[18]。

表2 不同超微粉碎的板栗粉粒度分布特性Table 2 Particle size distribution characteristics of Chinese chestnut powder after different superfine grinding

2.3 色差變化

如表3所示，板栗粉亮度隨顆粒尺寸減小而增加，而BMSG板栗粉亮度達到最大值，這是由于板栗粉表面積增加，導致光反射率增大。同時，與標準白板色差值ΔE相比，有明顯降低(P<0.05)，BMSG板栗粉ΔE為最小值；此外b*值隨粒徑減小而減小，黃色變淺，為淡黃色。說明經超微粉碎后，板栗粉顏色由黃色向白色逐漸靠近。

表3 不同超微粉碎對板栗粉色澤的影響Table 3 Effect of different superfine grinding on color of Chinese chestnut powder

2.4 振實密度與流動性

振實密度在食品工業中有助于質量控制，由圖1可知，經超微粉碎，振實密度從OG板栗粉的0.77 g/mL降為JSG板栗粉的0.55 g/mL，這與粒徑測定的結果相一致，由于較大的板栗粉末具有更多的粒間空隙以及超微粉末之間的團聚影響，導致振實密度隨粒徑減小而減小。麥麩粉同樣觀察到振實密度隨粒徑減小而減小[13]。

圖1 不同超微粉碎對板栗粉振實密度的影響Fig.1 Effect of different superfine grinding on tap density of Chinese chestnut powder

以休止角、滑角表示食品物料粉末的流動性，休止角與滑角小，說明其流動性好。圖2顯示，超微粉碎后，BMSG與JSG 休止角、滑角增大，說明2種超微粉碎使板栗粉流動性變差，且JSG流動性最差。

圖2 不同超微粉碎對板栗粉流動性的影響Fig.2 Effect of different superfine grinding on the fluidity of Chinese chestnut powder

其原因可能是超微粉碎增加了板栗粉顆粒間的聚集力。而JSG粒徑最小，隨著粒徑的減小，板栗粉內部的黏結基團暴露，顆粒間引力增大，形成封閉的聚集體，最終導致流動性變差[19]。

2.5 掃描電鏡

圖3為3種板栗粉分別在1 000與2 000倍的掃描電鏡圖，板栗粗粉經超微粉碎后，顆粒分布更為均勻，形狀更接近于球狀，且較大顆粒的數量明顯減少，而JSG相比于BMSG，其板栗粉顆粒更小，這與粒徑測定的數據相印證，此外超微粉碎后，板栗粉部分出現表面片狀突出，這可能是由于超微粉碎使顆粒內部物質暴露導致[14]。

圖3 不同超微粉碎板栗粉掃描電鏡圖Fig.3 SEM of Chinese chestnut powder in different superfine grinding

2.6 紅外光譜

如圖4所示，經超微粉碎后，其紅外光譜圖主要吸收峰無顯著差異(P>0.05)，表明2種超微粉碎對板栗粉官能團無影響。

圖4 不同超微粉碎板栗粉紅外光譜圖Fig.4 FTIR spectrum of Chinese chestnut powder in different superfine grinding

表4 不同超微粉碎板栗紅外光譜特征峰Table 4 FTIR spectrum characteristic peaks of Chinese chestnut in different superfine grinding

2.7 X-射線衍射

每一種結晶物質都有各自獨特的化學組成和晶體結構，當X-射線被晶體衍射時，每一種結晶物質都會得到各自獨特的衍射圖譜。X-射線衍射的衍射角(2θ)和衍射強度是結晶物質所固有的，反映樣品粉末的晶體類型和晶體化程度。衍射峰越高，衍射強度越大；晶體顆粒越大，衍射角越小。由圖5可知，XRD圖譜顯示出淀粉典型峰形，為“C”型結構，分別在15°、18°、23°有3個特征峰，經BMSG后，峰形有所減弱，其在15°和23°特征峰消失，相對結晶度為結晶區衍射峰面積與總衍射峰面積的比值，通過軟件Jade 6.0計算得出，OG、JSG與BMSG的相對結晶度分別為28.92%、22.78%、10.24%，而BMSG降低板栗粉結晶度幅度強于JSG，說明不同超微粉碎技術對板栗粉晶體特征有所影響，強烈的機械作用使板栗粉晶格發生改變，晶體結構受到一定破壞，使得相對結晶度有所下降[22]。

圖5 不同超微粉碎板栗粉XRD曲線Fig.5 XRD curves of Chinese chestnut powder in different superfine grinding

2.8 水合性質

2.8.1 溶解度

由圖6可知，2種超微粉碎后，其溶解度明顯提高(P<0.05)，由31.33%增加為57.42%，而BMSG與JSG 2種超微粉碎后，板栗粉溶解度沒有顯著性變化(P>0.05)，這可能是由于一方面超微粉碎后，粒徑減小，表面積增加，與水的接觸面積增大；另一方面超微粉碎使板栗粉顆粒破碎，釋放其中可溶性物質，從而超微粉碎后溶解度上升[23]。

圖6 不同超微粉碎對板栗粉溶解度的影響Fig.6 Effect of different superfine grinding on the solubility of Chinese chestnut powder

2.8.2 溶脹性

由圖7可知，超微粉碎后，其溶脹性下降明顯(P<0.05)，JSG溶脹性降為1.03 mL/g，這可能是由于蛋白質與淀粉等形成的復合物阻礙了與水分子的結合；再者超微粉碎后，顆粒達到一定程度，在水中團聚，粉末沒有充分溶脹，共同降低超微板栗粉的溶脹性[24]。

圖7 不同超微粉碎對板栗粉溶脹性的影響Fig.7 Effect of different superfine grinding on swelling property of Chinese chestnut powder

2.8.3 持水力與持油力

由圖8可知，普通粉碎(OG)后持水力顯著(P<0.05)高于超微粉碎，可能是在超微粉碎過程中，板栗粉受到強烈的機械外力，粉體減小的同時，粉體暴露在外部而吸水，同時粉體內部結構遭到破壞，使小分子物質保水能力下降，因此超微板栗粉體持水性能差于常規粉[25]。持油力在球磨超微粉碎后，由1.48降為1.19 g/g，可歸因于超微粉碎過程中親水基團的暴露，這與HUANG等[19]研究一致；而氣流粉碎后，其持油力有一定增加，這可能是由于2種超微粉碎技術原理不同，使得板栗粉顆粒破壞程度有所不同，從而造成持油力有明顯的差異。

圖8 不同超微粉碎對板栗粉持水力與持油力的影響Fig.8 Effect of different superfine grinding on the value water and oil holding capacity of Chinese chestnut powder

2.8.4 凍融穩定性

凍融穩定性以析水率表示，析水率低說明其凍融穩定性較好[15]。由圖9可知，超微粉碎可以較好的改善板栗粉的凍融穩定性，析水率從74.49%降為JSG板栗粉的67.28%。而2種超微粉碎后板栗粉的凍融性有進一步的改善，JSG可以更好地改善板栗粉的凍融穩定性。這與板栗粉粒徑減小有一定關系，由于粒徑減小，顆粒接觸面積增加，使超微板栗粉在解凍過程中可以減少水分析出，而改善板栗粉的凍融穩定性。

圖9 不同超微粉碎對板栗粉凍融穩定性的影響Fig.9 Effect of different superfine grinding on freeze-thaw stability of Chinese chestnut powder

2.8.5 熱穩定性

差式掃描量熱法可以提供與吸熱或放熱過程中材料轉變相關的溫度和焓[19]，如圖10所示，3種板栗粉在升溫過程中，發生相變，為吸熱過程，且均在75～85 ℃，達到峰值最低點，2種超微粉峰值溫度均低于普通粉，而JSG板栗粉峰值溫度為最低，顆粒大小影響峰值溫度，可能由于多糖和蛋白質基團的暴露以及高強度和長時間碰撞、研磨導致峰值溫度降低[11]。

圖10 不同超微粉碎的板栗粉DSC曲線Fig.10 DSC curves of Chinese chestnut powder in different superfine grinding

3 結論

超微粉碎后，BMSG與JSG的D90分別達到了14.90和12.90 μm，實現超微粉碎目的；且板栗粉中各營養成分含量明顯有所提高，其中普通粉與2種超微粉的理化指標結果顯示：與普通粉相比，2種超微粉碎技術均改變板栗粉色澤，使亮度變白，且BMSG板栗粉亮度最大；通過SEM和XRD觀察到，2種超微粉碎技術對板栗粉粉體表觀結構進行一定破壞，且BMSG對板栗粉晶體結構破壞較大，而在FTIR中則顯示超微粉碎不會對其官能團結構造成影響；對于板栗粉的振實密度、溶解度、凍融穩定性隨粒徑的減小而有所改善，并且JSG均能大大改善上述理化指標；而板栗粉的持水力、溶脹性則隨粒徑減小而減小，這是因為顆粒達到一定粒度后，顆粒的比表面積增大，顆粒處于能量不穩定狀態，發生黏附及團聚現象，從而導致粉體的這些指標減少。

綜上，超微粉碎技術作為一種新型粉碎技術，采取不同超微粉碎方式可以在一定程度上改善板栗粉的理化特性，使板栗粉中營養成分溶出明顯增加，為板栗的深加工提供理論指導。