兩種物理加工方式對西洋參加工副產物粉體性質的影響

張博華，張 明，范 琳，盧 藝，侯 超，馬 超,*

（1.中華全國供銷合作總社濟南果品研究院，山東 濟南 250014；2.威海職業學院，山東 威海 264210）

西洋參（Panax quinquefoliumL.）為五加科植物，又名花旗參、美國人參等，是一種原產北美洲，現已在我國大面積推廣的名貴中藥材。據《本草從新》記載：西洋參味甘、微苦、性涼，歸心、肺、腎經，有清火生津、補氣養陰的功效[1]。西洋參具有顯著的免疫調節、抗癌、抗疲勞、抗衰老、降血糖、降血脂等功效，其所含的皂苷類、多糖類為具以上功能的主要活性物質[2-4]。當前，西洋參除鮮食外，切片干制是其加工的主要方式[5]。西洋參在切片加工中一般只保留主根，加工中所產生的一系列副產物，如殘次參、西洋參須根、西洋參蘆頭等不符合商品化要求的下腳料，其營養組成與商品化產品類似，是優質的副產物資源，但由于缺乏有效的高值利用途徑，這些資源通常用作肥料、飼料，或被直接丟棄，這不僅造成了極大的資源浪費，同時對環境還造成了污染。考慮到西洋參加工副產物外觀不符合商品化要求，且水分含量較高，不宜加工、保存和運輸，干燥制粉處理是一種切實可行的高值利用途徑，所得粉體既可以作為食品配料應用于烘焙原料、固體飲料、壓片糖果、膠囊等領域，也可用于提取皂苷類、多糖類等功能性成分。同時，經研究表明，蒸汽爆破技術與超微粉碎技術作為兩種物理加工處理方式，對改善物料色澤和物理加工特性，提高粉體的營養價值，減少營養成分流失，增加有效成分溶出等方面具有積極作用[6-7]。

蒸汽爆破（以下簡稱汽爆）技術作為一種物理加工方式，其工作原理是通過高溫加熱水蒸氣，使其充滿物料的空隙內，進行一定時間的高溫高壓處理，使物料間的液體汽化。通過瞬間釋放壓力，細胞內的汽體體積會瞬間膨脹，使得細胞撕裂，達到破壁的功效，同時細胞內的物質被釋放出來[8-9]。有研究表明，分別對漆果原料和麻黃原草原料進行蒸汽爆破處理后，從其提取的生物活性物質較蒸汽爆破前分別提高了8 倍和2 倍[10-11]。

超微粉碎（以下簡稱超微）技術是一種新型的粉碎技術，其不僅可以實現破壁處理，還可生產具有良好表面性能、粒徑分布窄而均勻的粉體，更有利于不同劑型食品的生產。張麗媛等[12]將蘋果膳食纖維進行超微粉碎后發現其水溶性、溶脹性、陽離子交換能力及抗氧化性等理化性質都得到顯著改善。同時，超微粉碎有利于營養物質的溶出，加工后的粉體分散性較好，能更好地被人體吸收，已廣泛應用于果蔬粉的制備中。高飛虎等[13]研究發現，超微粉碎可提高綠茶多糖的溶出量。

本研究應用蒸汽爆破和超微粉碎兩種物理加工方式處理西洋參加工副產物，研究其對粉體色澤、含水量、休止角、滑動角、比表面積、堆積密度、膨脹力、持水力、持油力、水溶性指數（Water soluble index，WSI）等理化性質以及多糖含量等營養品質的影響，明確兩種物理加工方式處理的優缺點，探究西洋參加工副產物粉體的適宜加工方式和產品生產劑型，為西洋參加工副產物精深加工和高值利用提供一定的理論借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料

西洋參，威海市東旭西洋參有限公司；魯花食用植物調和油，市售。

1.1.2 儀器與設備

QBS-80 型蒸汽爆破設備，鶴壁政道啟寶實業有限公司；BFM-6 超微粉碎機，濟南倍力粉技術有限公司；BT-9300H 激光粒度分析儀，丹東市百特儀器有限公司；RXH-B-1 型熱風循環烘箱，江陰市宏達粉體設備有限公司；SUPRA55 場發射掃描電子顯微鏡，德國卡爾蔡司公司；80 目標準檢驗篩，浙江上虞市金鼎標準篩具廠；TGL-10B 型高速臺式離心機，上海安亭科學儀器廠；RH-600A 型高速粉碎機，永康市榮浩工貿有限公司；WSC-S 型測色色差計，上海儀電物理光學儀器有限公司；MB23 型水分測定儀，奧豪斯儀器（上海）有限公司。

1.2 方法

1.2.1 西洋參加工副產物粉體的制備

1.2.1.1 西洋參加工副產物干燥粉

西洋參加工副產物洗凈，切片瀝干，擺盤，放入恒溫熱風烘箱中，60 ℃條件下烘至物料含水率7%以下，冷卻后用高速粉碎機打粉，每次30 s，間隔5 min，重復3 次，過80 目篩，將干燥粉用鋁箔袋密封后置于干燥器中儲存備用。

1.2.1.2 汽爆西洋參加工副產物粉體

以西洋參加工副產物干燥粉（對照）作為汽爆底物，首先采用固定汽爆維壓時間60 s，汽爆壓強分別0.6、0.9、1.2 MPa 的方式處理，再以固定汽爆壓強0.6 MPa，汽爆維壓時間分別為30、90 s 的方式處理，共得到5 種汽爆西洋參加工副產物粉體，60 ℃條件下將粉體干燥至含水率7%以下后，用鋁箔袋密封并置于干燥器中儲存備用。

1.2.1.3 超微西洋參加工副產物粉體

將西洋參加工副產物干燥粉投入超微粉碎機，分別采用超微粉碎時間3、5、7 min 處理干燥粉，得到3種超微西洋參加工副產物粉體，60 ℃條件下將粉體干燥至含水率7%以下，然后用鋁箔袋密封并置于干燥器中儲存備用。

1.2.2 測定項目與方法

1.2.2.1 色澤

采用CIELAB 表色系統測定西洋參加工副產物粉體的L*、a*和b*值，其中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（負值）到紅色（正值）的變化；b*代表顏色從藍色（負值）到黃色（正值）的變化。

1.2.2.2 含水率

稱取一定質量的粉體（m1，g），將粉體放入烘箱中干燥至恒質量（m2，g），含水率按以下公式計算。

1.2.2.3 粒徑分布、休止角、滑動角、堆積密度及比表面積

粒徑分布、比表面積：使用激光粒度分布儀分析。以異丁醇為沉降介質，首先進行空白標定，要求背景值在2.0以內，取少許樣品，緩慢進樣，待遮光率值達到10%～20%時停止進樣，超聲分散30 s 后，進行測定，每個樣品重復測定3 次。

休止角：將一漏斗垂直固定于鐵架臺上，漏斗最下端與水平面保持一定距離，取適量西洋參加工副產物粉體，使其均勻通過玻璃漏斗自由落在平面上，直到粉體堆成的圓錐體最高點碰觸到漏斗最下端為止，測量此時圓錐體直徑D，每個樣品重復測定5 次[14]。

計算公式如下：

其中：θ 為粉體的休止角，°；H 為漏斗最下端距離水平面的距離，cm；D 為粉體堆成的圓錐體的直徑，cm。

滑動角：取長方形光滑玻璃板，稱取5 g 西洋參加工副產物粉體置于玻璃板中心處，固定玻璃板一側，緩慢抬起另一側，直至超過90%粉體滑落，標記此位置，此時玻璃板與水平面之間的夾角即為滑動角θ（°）[15]，每個樣品重復測定5 次。

堆積密度：分別精確稱取15 g 西洋參加工副產物粉體，轉入50 mL 量筒中，盡量減少筒壁粘連，充分振實，直至量筒內粉體體積不再變化，讀取粉體體積，重復測定3 次，結果取平均值[16]。計算公式如下：

1.2.2.4 膨脹力、持水力、持油力、水溶性指數、吸濕率

膨脹力、持水力、持油力、水溶性指數、吸濕性均參照張明等[16]的方法進行測定。

膨脹力：分別稱取9 種西洋參加工副產物粉體各1 g，置于標有刻度的試管中，讀取干基體積（mL），緩慢加入10 mL 蒸餾水，充分振蕩，室溫下靜置24 h，待粉體充分吸水沉降后，記錄沉淀體積（mL），按如下公式計算粉體膨脹力。

持水力：分別稱取9 種西洋參加工副產物粉體各1 g，置于100 mL 燒杯中，加入40 mL 的蒸餾水，置于搖床中，慢速振蕩30 min，隨后將樣液轉移至離心管中，5000 r/min 離心20 min，除去上清液，稱量沉淀質量。計算公式如下：

持油力：分別稱取9 種西洋參加工副產物粉體各5 g，置于50 mL 離心管中，邊振蕩邊緩慢加入40 g 花生調和油，充分混勻后靜置30 min，5000 r/min 離心20 min，稱取上清油液質量，按照如下公式計算持油力。

水溶性指數（WSI）：分別稱取9 種西洋參加工副產物粉體各1 g，置于100 mL 三角瓶中，邊振蕩邊緩慢加入40 mL 蒸餾水，充分混勻后，80 ℃恒溫水浴下靜置30 min，冷卻后將樣液轉移至50 mL 離心管中，室溫6000 r/min 離心10 min，取上清液置于預先稱取質量的干燥燒杯中，先用電爐加熱除去絕大部分水分，然后置于105 ℃恒溫烘箱中烘至恒重，稱取干燥后燒杯與樣品的總質量，WSI 按照下列公式計算。

式中：M0為初始粉體的質量，g；M1為干燥燒杯質量，g；M2為干燥燒杯質量和處理后的樣品質量之和，g。

吸濕率：分別精準稱取5 g 西洋參加工副產物粉體于預先干燥的敞口干燥皿中，將干燥皿放置在干燥器隔板上，隔板下方盛裝飽和NaCl 溶液，對干燥器進行密封，在25 ℃室溫環境下靜置7 d，測定西洋參加工副產物粉體吸濕率。

式中：M 為初始粉體的質量，g；Δm 為平衡后粉體質量的增加量，g；Mi為初始粉體干物質的含水率，%。

1.2.2.5 粗多糖含量

參照NY/T 1676—2008[17]所述方法進行測定。

1.2.3 電鏡觀察

將不同處理方式制備的西洋參副產物粉體樣品于60 ℃烘箱中干燥至恒質量，然后采用濺射鍍膜法進行表面鍍金，利用掃描電鏡（SEM）對其進行觀察并拍照。

1.2.4 數據處理

采用SPSS 20 軟件進行數據統計分析，采用Origin 8.0 軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體物理性質的影響

2.1.1 粉碎處理方式對粉體色澤的影響

西洋參加工副產物粉體呈黃褐色。由表1 可知，L*值從大到小依次為超微粉體＞對照粉體＞汽爆粉體，超微5 min 的西洋參加工副產物粉體亮度最大，汽爆（1.2 MPa，60 s）處理的粉體亮度最低；西洋參加工副產物粉體a*值從大到小依次為汽爆＞對照＞超微，其中汽爆（0.6 MPa，90 s）處理的粉體偏紅程度最大，超微5 min 處理的粉體偏綠程度最大；b*值反映樣品偏黃的程度，在這個指標上超微處理與汽爆處理沒有明顯差異，總體來看，汽爆處理的粉體顏色偏黃程度更大。綜合比較可以看出，超微技術處理對西洋參粉體色澤的保持效果更好。

表1 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體色澤的影響Fig.1 Effects of grinding treatment methods on color parameters of Panax quinquefolium by-products powder

2.1.2 粉碎處理方式對粉體粒徑分布的影響

D10、D50、D90分別表示粉體粒徑小于某一值時的累計率為10%、50%、90%，其中D50是樣品的累計粒度分布百分數達到50%時所對應的粒徑，它的物理意義是粒徑大于某一值的顆粒占50%，小于某一值的顆粒也占50%，最具代表性。9 種西洋參加工副產物粉體的粒徑分析結果如表2 和圖1 所示。由表2 可知，9 種干燥粉體中，汽爆西洋參加工副產物粉體和對照粉體的D50均明顯大于超微粉體。離散度為D90與D10之差和D50的比值，其用于表征粉體粒度分布的寬度，離散度越大，粒度分布越分散。9 種干燥粉體中，超微西洋參加工副產物粉體粒徑分布較均勻。

圖1 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體粒徑分布的影響Fig.1 Effects of grinding treatment methods on particle sizes distributions of Panax quinquefolium by-products powder

表2 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體粒徑的影響Table 2 Effects of grinding treatment methods on particle sizes of Panax quinquefolium by-products powder

2.1.3 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體流動性和壓縮成型性的影響

良好的粉體流動性是保障片劑、膠囊等制劑正常生產的前提。休止角和滑動角反映粉體的流動性，休止角越小，摩擦力越小，流動性越好，一般認為休止角θ≤30°時流動性好，休止角θ≤40°時可以滿足生產過程中的流動性需求[15]。由表3 可得，超微西洋參加工副產物粉體休止角小于汽爆和對照，3 種粉體均能滿足片劑膠和囊劑生產的需求，超微西洋參加工副產物粉體休止角最小，可以加工成片劑。滑動角則相反，超微西洋參加工副產物粉體大于汽爆和對照。

堆積密度反映了粉體的充填性能，其值越大，粉體充填性越好，越有利于壓片成型[16]。由表3 可知，汽爆西洋參加工副產物粉體堆積密度最大，更有利于壓片成型。比表面積反映粉體的聚合能力，比表面積越大，粉體表面聚合力越強[18-19]。由表3 可知，超微西洋參加工副產物粉體比表面積大于對照。超微處理后，西洋參加工副產物粉體比表面積增加，其中超微7 min 的粉體是對照粉體的1.97 倍，適宜作為功能性食品原料吸附或包裹于食品表面[18]。

表3 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體流動性和壓縮成型性的影響Table 3 Effects of grinding treatment methods on fluidity and compression formability of Panax quinquefolium by-products powder

2.1.4 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體膨脹力的影響

膨脹力可反映粉體與水的結合能力，其值越大，粉體溶于水后的穩定性、懸浮性越好。膨脹力的大小與顆粒的吸水膨脹性和顆粒間的空隙率密切相關[19-20]。由圖2 可知，超微西洋參加工副產物粉體的膨脹力大于汽爆和對照。汽爆（0.6 MPa，30 s）粉體的膨脹力最差，可能因為蒸汽處理過程中物料表面因受熱急劇收縮，質地緊實，較難復水所致。其中超微5 min 西洋參加工副產物粉體膨脹力最好，所以粉體溶于水后的穩定性最好，適宜加工成固體飲料。

圖2 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體膨脹力的影響Fig.2 Effects of grinding treatment methods on expansion forces of Panax quinquefolium by-products powder

2.1.5 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體持水力的影響

持水、持油力是樣品受到外部離心力或壓強時保持水或油的能力[21-22]。如圖3 所示，西洋參加工副產物粉體持水力大小依次為：對照＞汽爆＞超微。與對照西洋參加工副產物粉體相比，超微7 min 西洋參加工副產物粉體的持水力由4.688 g/g 下降至1.727 g/g，下降了63.16%，原因可能是粉體在超微過程中破壞了植物的細胞結構，使其對水分的束縛力減小從而導致持水力下降，這與趙萌萌等[23]的研究結果相似。

圖3 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體持水力的影響Fig.3 Effects of grinding treatment methods on water-holding capacities of Panax quinquefolium by-products powder

2.1.6 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體持油力的影響

由圖4 可知，超微粉體持油力最強，汽爆粉體持油力與對照粉體相比無明顯差異，說明超微處理能提高產品的持油力，超微西洋參加工副產物粉體更適合加工成為固體飲料。與對照粉體相比，超微5 min 粉體的持油力為1.107 g/g，比對照粉體0.900 g/g 提高了23%。可能是因為超微在破壞細胞結構時，大量的親油基團暴露出來，增強了超微粉體的持油力[23]，這與王博等[24]的研究結果相似，雜糧粉超微以后，持油力和對照相比提高了61.2%。

圖4 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體持油力的影響Fig.4 Effects of grinding treatment methods on oil-holding capacities of Panax quinquefolium by-products powder

2.1.7 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體水溶性指數的影響

WSI 是表征粉體可溶性物質含量和溶解性的重要指標，粉體WSI 值越大，其可溶性物質含量越大，溶解性越好[25]。由圖5 可以看出，汽爆西洋參加工副產物粉體與超微粉體的WSI 值均大于對照粉體，兩種物理加工方式均可用于固體飲料的加工。其中汽爆（1.2 MPa，60 s）粉體WSI 為47.59%，是對照粉體WSI 值（29.06%）的1.64 倍。超微7 min 粉體WSI 為50.64%，是對照粉體WSI 值的1.74 倍。西洋參加工副產物粉體經超微處理后，其比表面積增大（表3），西洋參加工副產物粉體在水中的溶解性和分散性增加，且經超微或汽爆處理后細胞破碎程度增大，可溶性物質更易溶出，從而提高了西洋參加工副產物粉體的水溶性指數。

圖5 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體WSI 值的影響Fig.5 Effects of grinding treatment methods on WSI values of Panax quinquefolium by-products powder

2.1.8 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體吸濕性的影響

產品的儲藏期主要由吸濕性的大小決定。由圖6可知，第7 天時，西洋參加工副產物粉體吸濕率大小排序為：對照＞超微＞汽爆，與對照西洋參加工副產物粉體相比，經過兩種工藝處理后粉體吸濕性均有所降低，這可能是因為超微西洋參加工副產物粉體比表面積較大，與水能充分接觸，吸濕較快，隨著比表面積的增加，吸濕程度的不斷增加，粉體產生微小凝塊，抑制了水分的滲透速度[22]。總的來說，汽爆處理的西洋參加工副產物粉體由于吸濕率較小更有利于產品的短期儲藏。

圖6 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體吸濕性的影響Fig.6 Effects of grinding treatment methods on hygroscopicity of Panax quinquefolium by-products powder

2.2 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體粗多糖含量的影響

由圖7 可知，與對照西洋參加工副產物粉體相比，經過汽爆、超微兩種方式處理后，西洋參加工副產物粉體粗多糖含量都有所增加，其中汽爆粉體的粗多糖含量增加幅度較大，汽爆（1.2 MPa，60 s）粉體粗多糖含量達到206.67 mg/g，比對照粉體粗多糖含量（50.32 mg/g）提高了3.107 倍。同時可以看到，隨著汽爆維壓時間和汽爆壓強的逐漸增加，粗多糖含量逐漸增加，原因是隨著汽爆維壓時間的增大，水蒸氣隨著時間的延長更加充分的滲透到物料中，突然減壓時水蒸氣的膨脹力充分作用于物料，使得粗多糖的溶出率提高。由于蒸汽壓強變大，能有效地打通西洋參內部物質溶出的孔隙，可加速粗多糖的溶出，汽爆促使了物料內部多孔網絡的產生和放大，從而改善了萃取進程[26]。

圖7 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體粗多糖含量的影響Fig.7 Effects of grinding treatment methods on cotents of crude polysaccharide of Panax quinquefolium by-products powder

超微7 min 粉體粗多糖含量（108.28 mg/g）比對照粉體粗多糖含量（50.32 mg/g）提高了115%，原因可能是超微處理使西洋參加工副產物粉體顆粒明顯減小，西洋參細胞原有組織結構被破壞，這可能使粉體顆粒內部多糖結構暴露，從而增加了粗多糖的溶出[24]；另外，超微處理也更有利于打破西洋參加工副產物粉體的細胞壁，從而降低傳質阻力，促進細胞內物質的釋放。總的來說，汽爆處理和超微處理均能有效地促進粉體中生物活性物質的釋放。在蘇玉[27]、付曉康等[28]的研究中也有上述相似的結果。

2.3 粉碎處理方式對西洋參加工副產物粉體微觀結構的影響

由圖8 可知，同對照相比，經汽爆處理后，西洋參加工副產物纖維束發生剪切和形變，且纖維表面由原來的光滑平整結構逐漸變為粗糙帶有空隙的不規則結構。汽爆處理使西洋參纖維束變得疏松，表面粗糙，更易發生斷裂和破碎，內部物質更容易溶出[29-30]。

圖8 不同粉碎處理方式下西洋參加工副產物粉體掃描電鏡圖Fig.8 Scanning electron microscope pictures of Panax quinquefolium by-products powder under different grinding treatment methods

對照粉體和超微粉體都具有較完整的組織結構，其中對照粉體顆粒較大、不均勻，大多呈塊狀；超微粉體的粒徑較小，形態由塊狀變成圓形顆粒，但是其團聚現象較嚴重，粒徑減小后其表面吸附增強，粉體之間的相互作用力增大，表現出分布密集、表觀粒徑增加的現象。另外，還可觀察到超微粉體的組織破壞程度也明顯大于對照粉體，這可以用來解釋超微粉體的細胞壁破碎率顯著高于對照粉體的原因。

3 結論

超微西洋參加工副產物粉體色澤保持效果好，休止角小，比表面積大，超微7 min 西洋參加工副產物粉體是對照粉體比表面積的1.97 倍，可滿足加工成片劑和膠囊劑的需求，也適宜作為功能性食品原料吸附或包裹于食品表面；超微西洋參加工副產物粉體膨脹力大，持油力強，超微5 min 西洋參加工副產物粉體持油力為1.107 g/g，比對照粉體提高了23%，有利于吸附腸道中的脂類，適合加工為固體飲料。汽爆西洋參加工副產物粉體滑動角小，堆積密度大，有利于壓片成型，其吸濕率小，有利于短期儲藏；汽爆西洋參加工副產物粉體粗多糖含量較高，汽爆（1.2 MPa，60 s）粉體粗多糖含量為206.67 mg/g，是對照粉體粗多糖含量的4.107 倍。總的來說，汽爆西洋參加工副產物粉體更有利于壓片成型以及產品的短期保存，由于其粗多糖含量提升，所以更適于加工為功能性固體飲料。

蒸汽爆破與超微粉碎技術均對西洋參加工副產物粉體的理化性質有所改善，下一步，將對汽爆后粉體溶出的功能性物質，特別是多糖的組成和成分進行研究。