單甘酯對高壓均質處理竹筍膳食纖維理化及結構特性的影響

張益嘉,張甫生,李彬,吳良如,鄭炯*

1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)2(西南大學 西塔學院,重慶,400715)3(重慶市林業科學院,重慶,400036)4(國家林業和草原局竹子研究開發中心,浙江 杭州,310012)

竹筍是禾本科(Poaceae)竹亞科(Bambusoideae)多年生常綠草本植物,具有種類多,適應性強,分布廣等特點[1]。中國是世界上產竹最多的國家之一,擁有500多種筍用竹,可食用筍竹200余種,其中品質優良的筍竹30種以上,鮮筍年產量約2 000萬t[2]。但由于鮮筍存在貯藏期短、易木質化變質等問題,故60%以上的筍制品均為加工產品。竹筍加工過程中產生的筍頭、筍腳等副產物富含纖維素、木質素和不溶性的半纖維素等成分,是膳食纖維(dietary fiber, DF)良好的來源。研究表明,竹筍膳食纖維(bamboo shoots dietary fiber, BSDF)具有比其他DF更好的水油保持能力[3],可以應用在肉制品[4]、果醬[5]、面包[6]等食品中。但由于BSDF中不溶性DF含量較高[7],對產品的口感造成不利影響。因此,國內外學者分別采用化學酸堿法[8]、生物酶法[9]和物理機械法[10]等方式對BSDF改性,以提升BSDF品質。其中,物理機械法具有快捷高效、環境友好、操作簡單等優點,是最有應用前景的DF改性方式之一。

高壓均質(high-pressure homogenization, HPH)技術是一種在食品工業中廣泛應用的微細化加工方法。在DF處理過程中,HPH可以使DF分子間的連接鍵斷裂、顆粒細化、結構疏松[11],顯著減小DF的粒徑[12],提高水溶性DF的含量[13]、改善水合能力[14]。但超微粒子間的強自吸附特性極易使粒子在HPH處理過程中發生團聚行為,加入合適的乳化劑可以提高DF的表面電位,從而增加顆粒間的排斥作用,有利于解決高壓團聚性問題。劉成梅等[15]研究發現復配乳化劑對大豆DF懸濁液在微射流瞬時高壓作用下團聚性有顯著影響,能有效改善DF的團聚性問題。

單硬脂酸甘油酯(glyceryl monostearate, GMS)簡稱單甘酯,是一種非離子型表面活性劑,已作為分散劑、乳化劑等廣泛應用于食品工業中。因此,我們假設在HPH處理過程中,添加GMS能有效減少BSDF的團聚行為,使粒徑顯著減小,提升BSDF超細粒子的分散效果,同時提高BSDF的理化特性,但目前該假設尚未被證實。因此,本文以BSDF為研究對象,在其HPH改性過程中添加不同質量分數的GMS,測定處理前后BSDF的粒徑、電位、水合性質、持油能力、色澤等理化性質,同時分析BSDF熱穩定性、微觀結構、官能團特性和相對結晶度等變化,并探究其背后的機制。以期得到一種能有效改善BSDF高壓團聚行為的方法,為BSDF高值化利用提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

金佛山方竹筍,重慶市特珍農業開發有限公司;木瓜蛋白酶(800 U/mg),上海源葉生物技術有限公司;多力葵花籽油,重慶市北碚區天生街永輝超市;單硬脂酸甘油酯(化學純),成都市科隆化工試劑廠。

1.2 儀器與設備

207A型超高壓均質機、10ND型冷凍干燥機,寧波新芝生物科技有限公司;Zetasizer Nano ZS粒度分析儀,英國馬爾文儀器有限公司;UltraScan PRO型分光測色儀,美國Hunter Lab公司;TGA55型熱重分析儀,美國TA公司;Phenom Pro掃描電鏡,荷蘭Phenom World公司;Spectrum 100型傅里葉紅外光譜儀,美國Perkin Elmer公司;XRD—7000型X射線衍射分析儀,日本島津公司。

1.3 樣品處理

取新鮮方竹筍,切片后沸水漂燙10 min,熱風烘干后粉碎得到方竹筍粗粉。取適量方竹筍粗粉,以料液比1∶20(g∶mL)與蒸餾水混勻,加入800 U/g木瓜蛋白酶,在55 ℃酶解2 h后沸水滅酶,以6 000 r/min離心20 min,棄去上清液,收集沉淀,凍干,粉碎后過200目篩得BSDF。將上述BSDF制成15 g/L溶液,將BSDF溶液平均分為5份,分別加入0、0.5、1、1.5、2 g/L的GMS,其中以未加入乳化劑GMS的樣品為對照組(CK)。先于磁力攪拌器下分散30 min,再使用高壓均質機連續處理6次,收集均質后的溶液,每個樣品分別取5 mL用于粒徑和電位的測定,其余溶液冷凍干燥以進行理化性質和結構的測定。

1.4 粒徑和電位的測定

參照DING等[16]的方法,將樣品用蒸餾水稀釋至1 mg/mL,在25 ℃下采用納米粒度分析儀測定其粒徑和電位大小。粒徑測定條件:平衡時間2 min,激光He-Ne。電位測定條件:折疊毛細管間距0.4 cm,鉑電極0.45 cm2,平衡時間2 min。

1.5 持水力、持油力和膨脹力測定

參照楊振寰[17]的方法測定。

1.6 色澤的測定

使用測色儀測定樣品L*、a*、b*值,以CK測定的L*、a*、b*值作為L0*、a0*、b0*。總色差ΔE的計算如公式(1)所示:

(1)

1.7 熱重分析

取5～10 mg干燥樣品,使用熱重分析儀,采用熱重(thermogravimetry, TG)和微分熱重(differential thermo gravimetry, DTG)分析法測定樣品的熱力學性質。試驗在充N2條件下進行,升溫速率為10 ℃/min,測定范圍為25～550 ℃。

1.8 微觀結構觀察

采用掃描電子顯微鏡表征BSDF的微觀形貌。用導電膠將少量干燥的粉末樣品固定在金屬片上,表面噴金后置于掃描電鏡中觀察,加速電壓15 kV,放大倍數250倍。

1.9 紅外光譜分析

取0.2 g片狀樣品放入紅外光譜儀中進行分析掃描,測定溫度25 ℃,掃描次數64次,分辨率4 cm-1,掃描范圍600～4 000 cm-1。

1.10 X射線衍射分析

參照萬婕等[18]的方法,采用步進掃描法,Cu-Kα靶,步長0.02°,工作電壓40 kV,電流40 mA,掃描范圍5°～60°,掃描速率2 °/min。相對結晶度(relative crystallinity, RC)按公式(2)計算:

(2)

式中:Ac,結晶區域峰面積,Aa,非晶區域峰面積。

1.11 數據處理

所有試驗均重復3次,采用Excel 2019進行數據處理,采用Origin 2018對數據繪圖,運用SPSS 21.0進行差異顯著性分析,P<0.05為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 GMS對HPH處理BSDF粒徑和電位的影響

粒徑分布的改善對DF的理化性能有很好的促進作用[19]。由圖1-a可知,與CK相比,GMS添加組粒徑均顯著減小,且隨著GMS添加量的增加,樣品粒徑先減小后增大,各組間粒徑差異顯著,表明GMS能有效抑制BSDF的團聚行為。當GMS添加量為1.0 g/L時,粒徑達到最小值430.25 nm,較未處理組減小47.22%。這可能是因為GMS能通過表面改性增加HPH處理后BSDF粒子的表面電荷,增大粒子間的靜電排斥作用和位阻效應,使分散體系排斥能大于吸附能,從而減少溶液的團聚,使添加GMS的實驗組粒徑均顯著減小。但HPH處理后,GMS在BSDF溶液中分散度減小,導致其增加粒子表面電位的能力變弱,使BSDF的團聚現象明顯,粒徑增大。

a-粒徑;b-電位

Zeta電位能夠反映分散體系的穩定性[20]。DF溶液的電位絕對值越大,則粒子間的靜電排斥力越大,可以防止絮凝和凝聚,提高溶液穩定性[21]。如圖1-b所示,各實驗組電位的絕對值在添加GMS后均顯著增大,均高于25 mV,說明乳化劑穩定效果好[11]。且各組的電位均為負值,說明顆粒表面具有帶負電荷的基團[22]。隨著GMS添加量的增加,電位絕對值先增大后減小,在GMS添加量為1 g/L時電位絕對值達到最大值32.3 mV,此時溶液有良好的分散能力。研究表明,GMS添加量對BSDF的再分散有顯著影響。當GMS添加量不足時,顆粒間的靜電斥力小于吸引力,易使物料團聚;當GMS添加過量時,BSDF會發生吸附飽和現象,使其表面的親水性降低從而破壞了體系的平衡[23]。

2.2 GMS對HPH處理BSDF持水力、持油力、膨脹力的影響

良好的持水力、持油力和膨脹力有利于減少產品的脫水和收縮,延長產品的保質期[24]。如表1所示,添加GMS使HPH處理的BSDF的持水力、持油力和膨脹力先增大后減小。在GMS添加量為1 g/L時,與CK相比,BSDF的持水力、持油力、膨脹力分別提高了25.18%、32.33%、43.95%。研究表明,HPH處理使BSDF粒徑減小,纖維顆粒結構展開,包裹在顆粒中的親水基團暴露,使其與水的結合能力增強,從而使持水力和膨脹力提高[17]。添加GMS后,樣品的表面電荷增加,使粒子間的靜電排斥作用和位阻效應增大,BSDF粒徑減小,進而使持水力和膨脹力顯著增大。持油力的提升與BSDF體積密度降低、多孔性和毛細管吸引力作用增強有關[25]。在HPH處理過程中添加GMS,使樣品顆粒細化,分散性、孔隙率提高,增加了BSDF與油的接觸面積,導致持油力提高[26]。

表1 GMS對HPH處理的BSDF持水力、持油力和膨脹力的影響

2.3 GMS對HPH處理BSDF色澤的影響

樣品的色澤受粒徑以及微觀形態的影響較大[27]。如表2所示,與CK相比,GMS添加組的L*值顯著提升,且在GMS添加量為1 g/L時達到最大值90.96,不同GMS添加量對BSDF的a*值影響較小,而b*值顯著降低,表明GMS的添加使BSDF黃色成分降低但對綠色成分影響較小。處理組的ΔE均大于3.5,GMS添加量為1 g/L時達到10.50,表明添加GMS后BSDF顏色變化顯著。一方面,GMS的添加使BSDF顆粒分散更均勻,比表面積增大,導致整體折光率變大,色澤變淺;另一方面,冷凍干燥時水分散失會使BSDF亮度減小,纖維網絡的破壞使得BSDF結構松散,也會影響BSDF的色澤,添加GMS使HPH處理后冷凍干燥的BSDF拉伸面積有較大增加,有利于提高BSDF的L*值。綜上,GMS的添加有利于提高HPH處理后BSDF亮度值,可以在食品生產中添加而不影響其原本色澤,具有較好的潛在應用價值。

表2 GMS對HPH處理的BSDF顏色的影響

2.4 BSDF的熱重分析

如圖2所示,BSDF的熱分解主要分為3個階段。第1個熱分解階段發生在40～100 ℃,這是因為BSDF分子內部的自由水和結晶水逐漸蒸發[12],導致失重率開始下降。第2個熱分解階段發生在200～350 ℃,在350 ℃左右失重峰最明顯,這主要是由纖維素和半纖維素自身的熱降解導致的[28]。當溫度>350 ℃是第3個熱分解階段,少量木質素和熱解殘余物被緩慢分解為碳和灰分,BSDF的失重逐漸減緩后趨于平穩。當GMS添加量為1 g/L時,失重速率(DTG)和失重率(TG)均達到最小值,這可能是由于HPH處理過程中部分GMS與BSDF結合不夠緊密,當溶液進入高壓均質機后,GMS與BSDF具有不同的速度,使BSDF撞擊導致內部氫鍵等斷裂,減少了熱分解斷鍵時所需的能量[26]。且此時BSDF平均粒徑顯著減小,使顆粒受熱更均勻,熱分解速率加快[29]。綜上,GMS添加會使HPH處理的BSDF部分纖維結構被破壞,分子聚合度下降,熱穩定性下降。

a-TG;b-DTG

2.5 BSDF的微觀結構

如圖3所示,5組樣品均為片狀且表面粗糙,部分發生斷裂和破碎,這可能是因為HPH處理時BSDF與均質閥發生猛烈撞擊,使得BSDF顆粒的形貌發生較大變化,即轉變為片狀多分支的顆粒結構[26]。與CK相比,添加GMS的BSDF樣品凝聚性減小,表面更為光滑平整,結構較分散且顆粒大小形狀不一。在GMS添加量為1.0 g/L時片狀樣品的顆粒尺寸最小,分散度最好,表面平整度最高。而當GMS添加量繼續增加時,樣品顆粒尺寸增大,團聚現象明顯。這可能是因為GMS能通過表面改性增加HPH處理后BSDF粒子的表面電荷,增大粒子間的靜電排斥作用和位阻效應,使團聚性減弱,分散性增強,理化性質得到改善,這與前文粒徑分析結果一致。DF的多孔和折疊結構可以增加比表面積,暴露更多的極性基團,從而促進水的吸附和結合,進一步提升其在食品工業中的應用效果[30]。

a-CK;b-0.5 g/L GMS;c-1.0 g/L GMS;d-1.5 g/L GMS;e-2.0 g/L GMS

2.6 BSDF的紅外光譜分析

圖4 GMS對HPH處理的BSDF的紅外光譜圖

2.7 BSDF的X射線衍射分析

X-射線衍射是一種檢測多晶體系結晶度與結晶性質的有效手段[33]。如圖5所示,GMS改性前后BSDF的X射線衍射圖形狀相似,且衍射峰的位置基本一致,表明GMS的加入沒有改變BSDF的晶體結構。

圖5 GMS對HPH處理的BSDF的X-射線衍射圖

各組均在15°和22°左右處有顯著的衍射峰,說明BSDF呈典型的纖維素和半纖維素晶體結構[34]。比較BSDF的RC可知,隨著GMS添加量增大,BSDF的RC先減小后增大,當GMS添加量為1 g/L時,RC由未處理的38.69%減小至28.66%。研究表明,纖維素類物質是由70%有序結晶區和30%無序非晶態區組成的[34]。在HPH處理過程中,部分GMS與BSDF結合不夠緊密,當溶液進入高壓均質機后,GMS與均質閥撞擊后具有較大動能,與BSDF碰撞在其表面形成多個小孔,使分子間氫鍵斷裂,部分結晶區轉化為無序的非結晶區,導致BSDF結晶度減小[27]。綜上,GMS的添加能促使HPH處理的BSDF分子內部的部分鍵斷裂,使其顆粒細化,降低了BSDF的熱穩定性。

3 結論

HPH處理BSDF過程中,添加GMS后BSDF的粒徑顯著減小,電位、持水力、持油力和膨脹力提高,色澤亮白,當GMS添加量為1 g/L時效果最佳。通過熱重分析、掃描電鏡、紅外光譜和X射線衍射分析可知,添加GMS后,BSDF顆粒尺寸減小,分散度增加,表面平整度提高,晶體有序度下降,熱穩定性降低。綜上,GMS表面改性處理可有效改善BSDF高壓下團聚的問題,為今后BSDF的開發利用提供新的參考。