超微粉碎對花椒籽粉品質特性的影響

蔣麗娜，張秀清，裴海生，李媛媛，梁 亮，胡雪芳，張志民，翟曉娜,*

（1.農業農村部規劃設計研究院，農業農村部農產品產地初加工重點實驗室，北京 100125；2.中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083）

花椒（ZanthoxylumbungeanumMaxim.）屬蕓香科（Rutaceae），廣泛分布于亞洲、美洲、非洲及大洋洲的熱帶和亞熱帶地區[1]。我國的花椒資源豐富，主要分布在四川、河南、陜西、山西、甘肅、重慶以及云南等地[2]，2022 年花椒年產量達53.84 萬噸，種植規模大并以每年20%～30%的速度增加[3]。花椒籽是花椒的主要副產物，約占花椒總重的60%。研究發現，花椒籽中富含的膳食纖維、脂肪酸和黑色素等活性物質往往具備抗氧化、抑菌、降血壓、預防心腦血管疾病等功能[4-5]。如張宇[6]采用超聲輔助法提取的花椒籽油具有一定體外抗氧化性，并對血脂代謝異常具有調節作用。Pang 等[7]研究發現花椒籽油對惡性黑色素瘤具有抗癌活性，經花椒籽油處理的A375 細胞表現出了典型的凋亡形態學特征。但花椒籽在實際應用中仍然存在一些問題，比如花椒籽近70%的高纖維含量導致其加工特性差、適口性差、營養成分溶出效果差等。除此之外，目前對于花椒籽本身的品質特性鮮有報道。為拓寬花椒籽的應用方向、促進花椒籽新產品的開發，利用外源加工技術改善花椒籽品質特性很有必要。

超微粉碎技術作為一種新興的食品加工技術，可利用高剪切力、空穴作用等機械作用獲得微米級甚至納米級的食品物料粉末[8]，從而改善物料粉體的理化特性及功能活性。Zhang 等[9]研究發現薏苡仁經超微粉碎后粒徑明顯減小、比表面積增大、粉體質地更均勻，同時薏苡仁產品糊化特性和熱特性明顯得到改善。Archana 等[10]發現高能球體磨處理可改變生姜粉的晶體結構、內部凝聚力和晶面間距，且生姜粉的抗氧化活性隨粒徑的減小而增強。Yan 等[11]發現高靜壓超微粉碎處理不僅能夠顯著增加梨渣中可溶性膳食纖維含量，并可改變可溶性膳食纖維的化學結構和單糖組成，所得梨渣表現出了良好的持水持油能力、溶脹能力和膽固醇結合能力。

本文通過超微粉碎技術制備獲得不同粒徑分布的花椒籽超微粉，并與普通粉碎技術得到的花椒籽粗粉進行比較，研究分析其基本成分、粒徑、色澤、持水/油力等理化特性和微觀形貌的變化，以期為花椒籽資源的加工利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

青花椒籽 由重慶驕王農業開發有限公司提供；耐高溫α-淀粉酶液（≥300 U/g）、糖化酶（10 萬U/mL）購自阿拉丁化學試劑網；壓榨一級花生油煙臺龍源油食品有限公司；其他試劑均為分析純。HE53/02 水分測定儀 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；KND-08C 消化爐 上海力辰邦西儀器科技有限公司；K9860 全自動凱氏定氮儀 山東海能科學儀器有限公司；HWS-26 電熱恒溫水浴鍋上海-恒科學儀器有限公司；RE-2000A 旋轉蒸發器西安禾普生物科技有限公司；YS3010 分光測色儀深圳市三恩時科技有限公司；SHZ-D 循環水式多用真空泵 上海科興儀器有限公司；WZJ-6B 振動式藥物超微粉碎機 濟南倍力粉體工程技術有限公司；SU8020 場發射掃描電子顯微 日本日立公司；Mastersizer 2000 激光粒度儀 英國馬爾文公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 粉體制備 將花椒籽置于50 ℃的烘箱內干燥5 h，控制原料水分含量在10%±0.5%，干燥后密封備用。

粗粉：取適量的干燥青花椒籽置于萬能粉碎機中，直到物料填滿粉碎機容積的2/3，粉碎1 min 后收集粗粉，花椒籽粗粉作為實驗對照組（CK）。

超微粉：將約240 g 干燥青花椒籽放入超微粉碎機容器中，設定溫度6 ℃（上調10 ℃；下調-5 ℃），待溫度到達區間對青花椒籽分別粉碎處理1、3、5、10 和20 min，得到不同粒徑的花椒籽超微粉（Superfine grinding onZanthoxylumbungeanumseed meal，ZBSM-SG），分別命名為ZBSM-SG1、ZBSMSG3、ZBSM-SG5、ZBSM-SG10 和ZBSM-SG20。

1.2.2 基本成分測定 粗蛋白的測定參照GB 5009.5-2016《食品中蛋白質的測定》；粗脂肪的測定參照GB 5009.6-2016《食品中脂肪的測定》；灰分的測定參照GB 5009.4-2016《食品中灰分的測定》；膳食纖維的測定參照GB 5009.88-2014《食品中膳食纖維的測定》。

1.2.3 理化特性分析

1.2.3.1 粒徑測定 采用Mastersizer 2000 激光粒度儀，使用濕法粒徑測試系統進行粒徑測定，粒徑分布選擇水相，樣品測定前進行超聲輔助分散。

1.2.3.2 色澤分析 采用YS3010 分光測色儀測定花椒籽粉體的L*、a*、b*值，測色儀基礎參數：D65 光源、直徑8 mm 測量區、10°觀測角。測色儀使用前進行白板校正和黑板校正后，設定標樣參數為白色標準板的色度值[12]：（L*=95.26，a*=-0.89，b*=1.18）。取適量樣品粉末平鋪在桌面上，將粉末壓緊實后置于測色儀測量口下端，保持穩定后進行測定。花椒籽粉與白色標準版的色差按式（1）計算：

1.2.3.3 持水力測定 花椒籽粉的持水力測定參照Mcconnell 等[13]的方法：稱取1.00 g 花椒籽粉置于離心管中，加入20 mL 去離子水后振蕩混勻并于60 ℃恒溫水浴40 min，冷卻至室溫后在4000 r/min 條件下離心20 min，棄去上清液并用濾紙吸干殘液，記錄其質量。花椒籽粉的持水力按式（2）計算：

1.2.3.4 持油力測定 花椒籽粉的持油力的測定參照Caprez 等[14]的方法：稱取0.5 g 花椒籽粉置于離心管中，加入4 mL 花生油后振蕩混勻后于37 ℃恒溫水浴1 h，冷卻至室溫后在4000 r/min 條件下離心20 min，棄去上層花生油并用濾紙吸干殘油，記錄其質量。花椒籽粉的持油力按式（3）計算：

1.2.3.5 膨脹力測定 花椒籽粉的吸水膨脹力測定參照Kuniak 等[15]的方法并稍作修改：稱取0.5 g花椒籽粉置于15 mL 量筒中，輕微敲擊量筒壁5～8次使粉末表面平整內部無空隙，讀取初始體積；移取10 mL 去離子水加入樣品中，混勻并靜置24 h 后，讀取吸水膨脹后樣品的體積。花椒籽的吸水膨脹力按式（4）計算：

1.2.3.6 振實密度測定 花椒籽粉振實密度的測定參照陳璁等[16]的方法并稍作修改：稱取花椒籽粉10 g 于50 mL 量筒中，剛開始輕微振蕩樣品，以防因粉體內部空氣排出使蓬松樣品外溢，待樣品振蕩緊實后將量筒豎直從3～4 cm 高處反復振落至實驗平臺上，直至量筒內的粉體體積不再降低為止，讀取最終體積。花椒籽粉的振實密度按式（5）計算：

1.2.3.7 休止角測定 花椒籽粉休止角的測定參照Huang 等[17]的方法并稍作修改：將漏斗垂直固定在漏斗底端距水平桌面3 cm 高度的鐵架臺上，并在桌面上放置一塊透明玻璃板，將3 g 花椒籽粉經玻璃漏斗勻速滑落至玻璃板上堆積成物料圓錐體，借助游標卡尺記錄圓錐體的半徑和高度。花椒籽的休止角按式（6）計算：

式中：H 為花椒籽粉堆成的圓錐體的高度（mm）；R 為圓錐體底面圓的半徑（mm）。

1.2.3.8 滑角測定 花椒籽粉滑角的測定參照Huang等[17]的方法并稍作修改：將10 g 花椒籽粉倒入玻璃板固定的一端上，保持每次物料的初始位置不變，緩慢傾斜玻璃板直到花椒籽粉開始滑動，借助游標卡尺記錄平面長度和頂部距桌面的垂直距離。花椒籽粉的滑角按式（7）計算：

式中：h 為樣品初始位置距離桌面的垂直距離（mm）；L 為玻璃平板的長度（mm）。

1.2.4 微觀形貌分析 采用SU8020 場發射掃描電子顯微鏡觀察花椒籽粉的微觀形態。取適量花椒籽粉固定于載物臺上，真空噴金處理后進行掃描電子顯微鏡觀察。儀器工作具體參數：加速電壓為3 kV；放大倍數為5000 倍。

1.3 數據處理

所有實驗均進行3 次平行，結果表示為平均值±標準差，采用SPSS 26.0 軟件對數據進行處理，并用ANOVA 和Duncan 檢驗（P<0.05）進行統計分析，用Origin 9.0 軟件進行數據統計與處理。

2 結果與分析

2.1 花椒籽基本成分

由表1 可知，青花椒籽的基本成分中含量最高的是膳食纖維，約占干基總重的69.50%，其中可溶性膳食纖維占2.49%、不可溶膳食纖維占67.00%；蛋白質含量約為9.95%，這與瞿瑗等[18]報道的青花椒籽9.77%的蛋白質含量相近，且可能與花椒籽的品種與產地相關。除此之外，青花椒籽的粗脂肪含量約為1.92%、灰分含量約為15.50%。

表1 花椒籽基本成分（以干基計）Table 1 Basic components of Zanthoxylum bungeanum seeds (dry basis)

2.2 超微粉碎對花椒籽膳食纖維的影響

圖1 展示了不同粒徑花椒籽粉的可溶性膳食纖維（SDF）、不可溶膳食纖維（IDF）、總膳食纖維（TDF）含量。如圖1 所示，與花椒籽粗粉相比，花椒籽經超微粉碎后，其SDF 含量可從2.49%增加到3.36%，但并無顯著性差異（P>0.05），說明超微粉碎一定程度上有助于提高膳食纖維中SDF 的比例。此外，超微粉碎處理的花椒籽粉其SDF 含量升高可能與粉體粒徑變小、表面積增大、從而更有利于測定過程中SDF 的溶出有關[19]。從TDF 的含量變化來看，ZBSM-SG5 中TDF 的含量顯著高于粗粉（P<0.05），這可能與粉碎時間延長后顆粒發生團聚導致粉體蛋白質和油脂等成分的去除率降低有關，從而導致測得TDF 的測定值變大。

圖1 不同粒徑對花椒籽超微粉膳食纖維含量的影響（以干基計）Fig.1 Effect of different particle sizes on dietary fiber content of superfine powder of Zanthoxylum bungeanum (dry basis)

2.3 超微粉碎對花椒籽粉粒徑的影響

粉體粒徑是衡量超微粉碎對物料處理效果的直接指標[20]。由表2 可知，花椒籽粉的平均粒徑D50從大到小分別為粗粉CK>ZBSM-SG1>ZBSMSG3>ZBSM-SG5>ZBSM-SG10>ZBSM-SG20。與粗粉D50（94.06 μm）相比，ZBSM-SG1 的D50即可減小至71.63 μm，說明超微粉碎技術可顯著降低花椒籽粉的粒徑（P<0.05），且隨著超微粉碎時間的延長，花椒籽粉的粉體粒徑不斷減小并呈現顯著差異（P<0.05），具體表現為ZBSM-SG1 與ZBSM-SG20 相比，其D50由71.63 μm 減小到7.69 μm、D90由210.46 μm 減小到24.51 μm，其中花椒籽經超微粉碎處理3 min 后所得粉體的平均粒度可達超微粉級別（D50<10～25 μm）[21]。同時，隨著花椒籽粉D50的降低，其D[4,3]與D[3,2]的差值逐漸減小，從154.38 減小到11.99，Span 值從3.73減小到3.02，說明花椒籽粉粒度分布越集中、均一性逐步增強[22]，這一點也從圖2（峰變窄）可得到驗證。另外，由圖2 可知，隨著粉碎時間的延長，ZBSM-SG10 與ZBSM-SG20 出現了一定程度的顆粒團聚，這可能是因為在超微粉碎的過程中，粉體比表面積的增大引起了分離自由能的增加，從而導致粉末發生聚集（ZBSM-SG20 的Asf值（1611.67±7.00）m2/g 顯著大于ZBSM-SG10 的（955.71±2.37）m2/g（P<0.05））。陳如[23]的實驗也發現蘋果粉在超微粉碎超過10 min 后即會出現團聚現象，且時間延長其團聚現象更甚。

圖2 不同粉碎時間的花椒籽粉粒徑分布圖Fig.2 Particle size distribution of Zanthoxylum bungeanum seed powder at different grinding times

表2 不同粉碎時間對花椒籽超微粉粒徑的影響Table 2 Effect of different grinding time on particle size of Zanthoxylum bungeanum seed superfine powder

2.4 超微粉碎對花椒籽色澤的影響

色澤是表征粉體感官品質的一項重要指標[24]。圖3 為不同粒徑花椒籽粉的直觀形態，由圖3 可知利用超微粉碎與普通粉碎得到的花椒籽粉差異較大，其中花椒籽粗粉（圖3A）顆粒較為粗糙而花椒籽超微粉（圖3B～圖3F）的粉質更均勻細膩、蓬松度更高。且隨著超微粉碎時間的延長，可發現花椒籽粉的顏色逐漸由黑褐色變成黃褐色，即超微粉碎技術一定程度上會影響花椒籽粉的色澤。進一步地，對花椒籽粉進行色度測定（表3），隨著粉碎時間的延長，L*值從40.41 增加到44.15，漲幅6.59%；同時，a*值從2.43增加到5.07，漲幅54.10%，超微粉色澤趨向紅色；b*值也從4.54 增加到7.79，漲幅43.20%，即色澤趨向黃色，與肉眼觀察的超微粉顏色變化一致。整體來說，隨著超微粉碎時間的延長，花椒籽粉與標準白板間的總色差△E逐漸減小，花椒籽粉的色澤呈現出明顯的改觀。

圖3 不同粒徑的花椒籽粉形態圖片Fig.3 Photos of Zanthoxylum bungeanum seeds powder with different particle sizes

表3 不同粉碎時間對花椒籽超微粉色澤的影響Table 3 Effect of different grinding time on the color of Zanthoxylum bungeanum seed ultrafine powder

2.5 超微粉碎對花椒籽粉持水/油力的影響

水合性質作為衡量膳食纖維功能性強弱的一個重要指標，持水力和持油力是表征水合性質的兩個重要指標，持水/油力越大，水合性越好。由圖4 可知，與普通粉碎相比，超微粉碎能夠顯著提高花椒籽粉的持水持油能力（P<0.05），其中持水力從1.1 g/g 增加到1.65 g/g，持油力從0.65 g/g 增加到1.16 g/g。一方面，這可能與花椒籽超微粉的比表面積較大、結構相對松散，更易與水/油分子接觸有關；另一方面，超微粉碎會促進物料中SDF 的溶出和親水基團的外露，從而提高粉體與水分子間的相互作用；再者，膳食纖維的分子微晶結構在超微粉碎過程中也會發生一定程度的斷裂，進而增強其持水/油能力[25]。

圖4 不同粒徑對花椒籽超微粉持水/油力的影響Fig.4 Effects of different particle sizes on water/oil holding capacity of Zanthoxylum bungeanum seed superfine powder

2.6 超微粉碎對花椒籽粉膨脹力的影響

膨脹力是膳食纖維預防便秘、腸癌等生理功能的重要物理指標[26]。由圖5 可知，與普通粉碎相比，超微粉碎能夠顯著提高花椒籽粉的膨脹力至ZBSMSG20 的2.35 mL/g（P<0.05）。隨著超微粉碎時間的延長，粉體膨脹力越大，當超微粉碎時間較短時，ZBSM-SG1、ZBSM-SG3、ZBSM-SG5 粉體間的膨脹力無顯著差異（P>0.05），進一步延長粉碎時間，粉體的膨脹力顯著增大（P<0.05），其中ZBSM-SG20 的膨脹力是ZBSM-SG1 的1.53倍；這可能與花椒籽粉中膳食纖維網絡結構在較高粉碎強度下被破壞、親水基團更多的暴露出來有關[27]。推測超微粉碎可輔助花椒籽粉開發防便秘產品。

圖5 不同粒徑對花椒籽超微粉膨脹力的影響Fig.5 Effect of different particle sizes on the swelling power of Zanthoxylum bungeanum seed superfine powder

2.7 超微粉碎對花椒籽粉振實密度的影響

振實密度是反映粉體堆砌致密性的重要指標，振實密度越大，粉體的致密性越好，顆粒間的空隙越小越容易壓片成型[28]。由圖6 可知，超微粉碎技術會明顯降低花椒籽粉的振實密度（P<0.05），可由粗粉的0.83 g/mL 下降到ZBSM-SG20 的0.61 g/mL；并隨著粉碎時間的延長，花椒籽粉的振實密度逐漸下降，并在處理10 min 后呈現出顯著性降低（P<0.05），這可能是由于顆粒發生團聚而導致粒間空隙增大，進而使得振實密度減小，即超微粉碎制備的花椒籽粉相對不易壓縮、成形性較差。

圖6 不同粒徑對花椒籽超微粉振實密度的影響Fig.6 Effect of different particle sizes on the compaction density of Zanthoxylum bungeanum seed superfine powder

2.8 超微粉碎對花椒籽粉休止角和滑角的影響

休止角和滑角是評價粉體流動性的重要指標，其大小與粉體的粒徑、濕度、電荷等因素有關，休止角和滑角越小，表明粉體的流動性越好[29]。由圖7可知，本研究中所制備的花椒籽粉休止角均大于45°，即流動性較差[30]；且與粗粉相比，超微粉碎處理還會顯著增大花椒籽粉的休止角，降低粉體的流動性，其中ZBSM-SG1 的休止角為48.33°，顯著高于粗粉的44.63°（P<0.05），但超微粉碎的處理程度不會顯著影響花椒籽粉的休止角。就花椒籽粉的滑角而言，與普通粉碎粗粉相比，超微粉碎得到的花椒籽粉其滑角顯著增大（P<0.05），同樣地，處理時間不會顯著影響花椒籽粉的休止角（P>0.05）。綜上所述，超微粉碎技術相比于普通粉碎技術，會明顯降低花椒籽粉的流動性，且粉體粒徑的大小也會對花椒籽粉的流動性有一定影響。

圖7 不同粒徑對花椒籽超微粉休止角/滑角的影響Fig.7 Effect of different particle sizes on angle of repose/slip of Zanthoxylum bungeanum seed superfine powder

2.9 超微粉碎對花椒籽微觀形貌的影響

花椒籽粗粉和5 種不同花椒籽超微粉的掃描電鏡形貌如圖8 所示。花椒籽粗粉（圖8A）呈現為較為完整的塊狀及相對平滑的表面，經超微粉碎處理1 min 后的花椒籽粉顆粒表面有明顯的纖維束脈絡結構（圖8B），且隨著粉碎時間的延長，粉體呈現出不完整的碎片狀，且顆粒粒徑越來越小均一性增強，并可觀察到纖維斷裂的現象，表明纖維束也被粉碎得更徹底。

圖8 不同花椒籽粉的電鏡掃描圖Fig.8 Electron microscope scan of different Zanthoxylum bungeanum seed powder

3 結論

超微粉碎技術能夠顯著改善花椒籽粉的品質特性，一方面，其可通過破壞纖維束提高花椒籽粉SDF 的含量，從2.49%增加到3.36%。經超微粉碎技術處理，能夠得到粉體均一、比表面積大的花椒籽超微粉（D50=7.69 μm）；另一方面，超微粉碎技術可顯著改善花椒籽粉的色澤及其理化性質，顯著提高其持水/油力、膨脹力、休止角和滑角（P<0.05），并降低其振實密度（P<0.05）；再者，超微粉碎強度，即處理時間也會影響花椒籽粉的理化性質，過度超微粉碎會導致顆粒團聚從而對營養物質溶出、粉體的流動性產生負面影響。綜上，超微粉碎技術在花椒籽粉的品質改性中具有較強的可行性，花椒籽微粉作為潛在的食品原輔料具有廣泛的開發應用前景；未來需依據其開發方向合理選擇超微粉碎處理強度。

? The Author(s) 2024.This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).