球磨法和均质法改善薇菜粉物化及功能性质

符 群，李 卉，王 路，王振宇

（1. 东北林业大学林学院，哈尔滨 150040；2. 哈尔滨工业大学化工与化学学院，哈尔滨 150090）

0 引 言

薇菜，学名紫萁（Osmunda japonica Thunb.），紫萁科（Osmundaceae）紫萁属（Osmunda）多年生真蕨类植物。具有很高的营养价值和经济价值[1]，是中国重要山珍资源和药食同源植物，也是重要的出口创汇菜。薇菜含有丰富的蛋白质、必需氨基酸、纤维素、碳水化合物及矿物质等成分。其蛋白质和必需氨基酸的含量与木耳、竹荪、猴头菌等山珍含量相当[2]。薇菜整株均可入药，其含有大量的黄酮类化合物和Se、Mo等抗癌元素，具有抗菌、凝血、消炎退热[3]、抗氧化、增进人体免疫力、抗癌防癌及延缓衰老的作用，其中促进细胞修复及降血糖等功效明显[4]。

较早进行薇菜研究和开发的国家是日本。日本在对薇菜的生态习性、繁殖技术、人工栽培、加工等研究均处于领先地位。随后韩国也对薇菜进行了深入的研究，韩国学者通过从薇菜中提取出“肉桂鞣质 B-1”，应用于临床退热并取得良好的效果[3]。目前中国对薇菜研究方向多为生态学、种植栽培类和产品粗加工类，薇菜的开发利用还停留在干菜利用阶段，主要以薇菜干和少数复原精制薇菜出口，产品深度加工开发罕见，薇菜的产业化格局尚未形成，存在研究方向单一，产品档次不高，功能性利用不充分导致产品附加值不高的问题，市场开拓力度小，份额低，难以满足市场需要。因此，薇菜的综合利用还有很大的发展空间[4]。

本文通过选取超微粉碎技术中的行星球磨法和高压均质法，将薇菜加工成微米级别的粉体，并对其粉体物性、主要成为及降血糖指标进行测定分析。有效改善物料的物化性质，极大提高了活性物质的提取量，保留了粉体的功能性[5]，为薇菜进一步深加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料试剂

薇菜：采集自吉林长白山，自然风干保存。

α-葡萄糖苷酶（活力≥70万 U/mL），α-淀粉酶（4 000 U/g），对硝基苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷（PNPG）（上海源叶），阿卡波糖（卡博平），Folin-酚试剂（上海蓝季科技）；无水乙醇、3,5-二硝基水杨酸（天津精细化工），酒石酸钾钠（天津市光复科技），Al(NO3)3、NaNO2、NaOH、Na2CO3均为分析纯（天津市致远化学试剂有限公司）

1.2 仪器设备

Quanta 200型扫描电子显微镜（荷兰FEI），SCD 005型离子溅射仪（瑞士BAL-TEC公司），JMF-80型胶体磨（温州市胶体磨厂），SRH60-70型高压均质机（上海申鹿均质机有限公司），ND7-2L行星球磨机（南京南大天尊电子有限公司），BILON-6000Y型喷雾干燥机（上海比朗仪器），FW100高速万能粉碎机（天津泰斯特仪器公司），KSW-5-12A型马弗炉（上海钜晶仪器）。

1.3 薇菜超微粉体制备

1.3.1 常规薇菜粉体的制备

薇菜原料置于60℃烘箱中烘干至残余水分低于3%。以间歇式高速粉碎机粉碎至60目，样品袋封存于干燥器中放置备用。

1.3.2 行星球磨法超微粉碎制备工艺

球磨物料罐中加入常规粉碎薇菜样品 10 g和直径9 mm 刚玉材质小球 100 g，球料质量比 10∶1，转速500 r/min。粉碎时间1 h，所得薇菜粉末过200目筛，置于干燥器中备用[6]。

1.3.3 高压均质法超微粉碎制备工艺

准确称取16 g常规粉碎处理后的薇菜粉，加水使得料液比为1:50 g/mL，经胶体磨处理10 min，薇菜物料循环13次左右后进行高压均质[7]。均质压力25 MPa，时间15 min，喷雾干燥进风温度为190℃，出风温度为80℃，进料速度为12.5 mL/min，进料温度为60℃，所得粉末过200目筛，置于干燥器中备用[7]。

1.4 薇菜超微粉体物性指标测定

1.4.1 激光扫描测定粉体粒径

采用激光扫描法[8]，统计出不同超微粉碎处理方法处理后的颗粒粒度，得到粒度大小的正态分布图。

1.4.2 薇菜粉体流动性的测定

试验将3 g样品经玻璃漏斗垂直流至玻璃平板上，漏斗尾端距玻璃平板垂直距离3 cm，流下的样品在玻璃平板上形成圆锥体，测定圆锥表面和水平面的夹角即为样品休止角[9]。

1.4.3 薇菜粉体膨胀力的测定

准确称取1.00 g样品，放入带刻度的玻璃试管中记录体积Vl，加入10 mL蒸馏水，搅拌均匀后，在室温下静置24 h，读出样品此时的体积数为V2[10]。

1.4.4 薇菜粉体持水力、持油力及水溶性的测定

参考 Caparino等[11]方法对薇菜粉体持水力、持油力进行测定。根据Zhao等[12]的方法对薇菜水溶性进行测定。

1.5 薇菜超微粉体主成分含量的测定

1.5.1 薇菜粉体脂肪、可溶性蛋白、多糖及膳食纤维含量的测定

薇菜粉中的脂肪按照 GB5009.6-2016标准测定[13]，可溶性蛋白按照 GB5009.5-2016标准测定[14]，多糖采用蒽酮—硫酸法测定[15]。膳食纤维按照GB5009.88-2014标准测定[16]。

1.5.2 薇菜总多酚含量的测定

样品提取方法：分别取3种粉碎方法的粉体各1 g，在料液比1:50，乙醇体积分数50%，超声温度70℃的条件下超声50 min。离心取上清液，冷藏备用。

0.100 g干燥至恒定质量的没食子酸用蒸馏水定容于100 mL容量瓶中[17]取不同浓度工作液各1 mL，加入体积

分数10%福林酚试剂5 mL后摇匀，反应5 min加入7.5%的碳酸钠溶液4 mL蒸馏水于10 mL容量瓶定容；25℃水浴加热1 h，于765 nm波长下测定吸光值。以吸光度为纵坐标 y，没食子酸浓度（μg/mL）为横坐标 x，线性回归方程：y=0.004 5x+0.004，R2=0.998 7。

式中c为测得的样品溶液的多酚质量浓度，μg/mL；v为供试液体积，mL。

1.5.3 薇菜黄酮含量的测定

标准曲线的绘制：称取芦丁标品 0.014 g定容于50 mL容量瓶中[18]。准确吸取不同浓度芦丁标准溶液，加入5% NaNO2溶液0.75 mL，放置6 min，10%的Al(NO3)3溶液0.75 mL，放置6 min，4% NaOH溶液10 mL，蒸馏水定容于25 mL容量瓶，摇匀，静置15 min后于510 nm处测定吸光度A，以芦丁浓度X（mg/mL）对吸光度Y进行线性回归，得回归方程Y=0.436 7x-0.000 6，R2=0.999 6。

式中C为测定液总多酚/总多酚含量，mg/mL；N为稀释倍数；V为样品体积，mL；M为样品质量，g。

1.6 3种薇菜粉体降血糖指标的测定

2型糖尿病的表现症状为餐后血糖异常升高，而通过抑制人体内α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的活性可以延续葡萄糖的释放，有效控制餐后葡萄糖水平。

1.6.1 α-葡萄糖苷酶抑制率

100 μL不同浓度待测液、阿卡波糖溶液及芦丁溶液，加入 15 μL 的α-葡萄糖苷酶溶液 50 μL，37℃水浴 10 min，加入10 mg/mL的PNPG溶液50 μL，37℃水浴15 min，加入1 mol/L的Na2CO3溶液10 μL终止反应，用酶标仪在波长为405 nm处测定吸光度A1，另取100 μL磷酸缓冲溶液代替酶解液，测定其吸光值 A0，测定只有酶解反应体系的吸光值为A2[19]。

1.6.2 α-淀粉酶抑制率

40 μL不同浓度待测液、阿卡波糖溶液及芦丁溶液，以同体积的 0.1 mol/L磷酸盐缓冲液作为空白对照于25 mL比色管中，加入200 μL α-淀粉酶溶液，在37 ℃水浴中使酶活化 10 min，添加 100 μL底物可溶性淀粉（1.0 g/100 mL）水浴反应10 min，加入1.0 μL DNS终止反应，进行沸水浴5 min，冷却至室温后加入10 mL蒸馏水稀释540 nm处测吸光度Ax，另取和反应溶液等量的磷酸缓冲溶液代替反应体系测定吸光度 Ay，再测定只有酶解反应体系的吸光度为Az[20]。

1.7 数据处理

所有实验结果均平行测定3次，采用Origin8.6绘制柱状图，SPSS17.0进行数据整理及Duncans’差异显著性分析，P＜0.05为显著。

2 结果与分析

2.1 薇菜超微粉体物性指标测定结果分析

2.1.1 超微粉碎对粉体物性的影响

按照1.4方法对薇菜粉体物性进行测定，测定结果如表1所示。

表1 3种粉碎方法对粉体物性的影响Table 1 Effects of three smash methods on physical properties of powders

由表 1可以看出，行星球磨法和高压均质法粉碎后的粉体粒径分别是常规粉碎粉体粒径的1/48和1/65，差距极其显著（P＜0.01）；经过粉碎处理的超微粉休止角比起初筛粉均差异显著（P＜0.05），这是由于超微粉碎后，粉粒的粒径变小，比表面积增大，孔隙度增加。这使得粉粒表面的聚合力、摩擦力增大，导致其休止角增大。因此，超微处理后的超微粉在流动性上略低，但可以通过其他工艺进行优化，如造粒技术等[21]；粒度较大的常规薇菜粉的粉体膨胀力极显著（P＜0.01）高于2种超微粉碎粉体。这是由于薇菜原料中的纤维成分较多，粉碎前，较多水分被大量纤维束缚，超微粉碎可以打碎原料纤维结构，纤维的长链大幅度减少而短链增多，导致粉末对水分的束缚力降低，膨胀力减小[22]；经过 2种粉碎工艺处理的超微粉水溶性较未处理的初筛粉均有所提高，这应该是由于粉体粒径的降低，粉体的比表面积增加，与水的接触面积增加，有利于水溶成分更加充分的溶解。而高压均质工艺制备的粉体水溶性较行星球磨粉碎的粉体水溶性又有13%的提高[23]。

2.1.2 电镜观察粉体形态及粒径的变化

通过激光粒度仪测定高压均质法的正态分布图如图1所示，行星球磨法的正态分布图如图2所示。

通过图 1可知，高压均质粉碎后的薇菜粉体粒径通过激光粒度测试仪测得最小粒径为 216.3 nm，最大粒径为272.8 nm，平均粒径为259.3 nm。其正态分布图集中说明粉体粒度较为均匀。

通过图 2可知，行星球磨粉碎后的薇菜粉体粒径通过激光粒度测试仪测得最小粒径为 796.6 nm，最大粒径为1 004.9 nm，平均粒径为897 nm。其正态分布图集中说明粉体粒度较为均匀。

图1 高压均质激光测粒正态图Fig.1 High-pressure homogenization laser measuring diameter normalization diagram

图2 行星球磨激光测粒正态图Fig.2 Planetary ball milling laser measuring diameter normalization

相比高压均质法，行星球磨法的平均粉体粒径是高压均质的3.46倍，这是由于高压均质的操作方法是将均质的液体喷粉干燥，在高温高压作用下粉体内部纤维素及一些大分子物质破坏更完全，水溶性更好，所以在将高压均质粉体放入超纯水中测量粒径时，形成了较为稳定的悬浊液状态，沉淀少粒度均匀。常规粉体粒径过大，入水即刻沉淀，无法用激光粒度仪对其粒径进行测定。

2.1.3 超微粉碎处理对粉体持水力及持油力的影响

持水力及持油力按照1.4.4的方法进行操作计算，结果见图3。

图3 3种粉碎方法对薇菜粉体持水力与持油力的影响Fig.3 Effect of 3 treatments on water holding capacity and oil holding capacity of Osmunda japonica Thunb

由图 3可看出，高压均质和行星球磨法的持水力分别是常规粉碎法的2.43倍和2.44倍、持油力分别是常规粉碎法的 1.99倍和 1.52倍，持水力和持油力均有显著（P＜0.05＝提高。这是由于粉碎过程中，2种工艺各自的剪切力使颗粒破碎崩裂，粉体比表面积增加，促进了水分子和游离羟基的结合，水合能力也随之增强。从微观角度来看，持油力与分子表面的亲脂亲水集团的性质、物理截留作用有很大关系[24-25]。不溶性的或较为疏水性的、小颗粒及低密度的蛋白质能截留和吸收数量较多的油。超微粉碎处理后的薇菜粉，随着粒度的减小、疏水基团显露增多，会结合数量更多的油，从而使持油力增强。

2.2 薇菜超微粉体主成分含量的结果分析

2.2.1 脂肪含量的结果分析

按照1.5.1的国标进行测定分析3种处理方式下不同粉体脂肪的含量，结果见图4。

图4 3种处理方法对薇菜粉体脂肪含量的影响Fig.4 Effect of threetreatments on fat content of Osmunda japonica Thunb

由图 4可知，脂肪含量方面高压均质法、行星球磨干法显著高于常规粉碎，原因应为超微粉处理使粉体与溶剂接触更充分，更容易被提取，且高压均质工艺有高温操作，更容易使脂肪游离于粉粒外侧，导致高压均质粉碎显著（P＜0.05）高于行星球磨粉碎和常规破碎的粉体。

2.2.2 可溶性多糖和可溶性蛋白的结果分析

按照1.5.1的国标进行测定分析可溶性多糖和可溶性蛋白的含量，结果如图5所示。

图5 3种处理方法对薇菜可溶性蛋白、多糖含量的影响Fig.5 Effects of three treatments on soluble protein and polysaccharide content of Osmunda japonica Thunb

由图 5可看出，经超微粉碎处理后，由于粉体粒径的减小，表面积增大，与溶剂的接触面积增加，使得测得的可溶性多糖和蛋白的量均有所提升，而高压均质工艺制备的超微粉可能由于整个环节的温度较高，可溶性成分溶出量较另一工艺也有一定程度的增加。

2.2.3 膳食纤维溶出量的结果分析

按照 1.5.1的国标进行测定分析薇菜中膳食纤维的含量，结果如图6所示。

图6 3种处理方法对薇菜膳食纤维的影响Fig.6 Effects of three treatments on dietary fiber of Osmunda japonica Thunb

由图 6可看出，经超微粉碎处理后薇菜粉体的总膳食纤维同常规粉碎粉体差别不大，可溶性膳食纤维的含量显著（P＜0.05）增加，不可溶性膳食纤维含量减少。说明超微粉碎物理破壁技术可以有效粉碎粉体内部的纤维，将长链纤维变为短链纤维，这一性状改变有利于活性物质的分离提取。这与高志明等[26]研究超微粉对膳食纤维影响中的试验结果相似。

2.2.4 总黄酮和总多酚提取量的结果分析

取1 mL供试样液，加入9 mL蒸馏水，振荡摇匀后取1 mL置于试管中，按照上述方法在765 nm处测定溶液吸光值，按照公式（2）计算薇菜总多酚提取量（以没食子酸当量计）。

取样液1 mL按照1.5.3方法进行测定，于510 nm处测定吸光度，按照公式（3）计算薇菜总黄酮提取量（以芦丁当量计）

图7 3种处理方法对薇菜粉总黄酮总多酚提取量的影响Fig.7 Effect of three treatments on extraction of total flavonoids and total ployphenol of Osmunda japonica Thunb

由图 7可看出，通过球磨法和均质法，薇菜粉体总黄酮提取量分别增加71.5、81.7 mg/mL，总多酚提取量分别增加7.4，8.8 g/100g。总黄酮、总多酚的提取量均显著（P＜0.05）高于常规粉碎粉体，说明两种超微粉碎法对薇菜纤维成分破坏得更完全，更有利于溶剂的提取溶出[27]。

2.3 3种方法处理薇菜粉体降血糖指标结果分析

以阿卡波糖为对照，根据1.6的方法对3种粉体的α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶抑制率进行测定。

图8 3种处理方法薇菜粉的降血糖指标测定Fig.8 Determination of hypoglycemic index of three kinds of treatment methods of Osmunda japonica Thunb

由图8可看出，以阿卡波糖和芦丁为对照，2种超微粉提取物的α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶抑制率均优于常规粉碎的提取物，说明经过超微粉碎处理后的薇菜粉体，增加了其活性物质的提取量，而高压均质的适度高温操作，并未对原料本身的活性造成破坏，说明超微粉碎不仅可以增加化合物的提取量同时也能很好的保留其活性成分[28]。

3 讨 论

本文以薇菜常规粉体为对照，通过行星球磨法和高压均质法分别对薇菜进行超微粉碎处理，观察其粉体物性、主要成分含量和降血糖指标的变化并进行比较分析。通过激光测粒观察得知，薇菜经超微粉碎后纤维结构大部分被破坏，粒度较为均匀，粉体比表面积增加，此结果与李翠玲在冬桑叶超微粉制备[29]中的研究结果相似。薇菜粉体膨胀力显著降低，水溶性增加，说明超微粉后粉体内长链纤维素大幅度减少而短链增加，导致其对水分的束缚力降低，使得粉体膨胀力降低，而这种物性的改变有利于水溶成分的暴露并更加充分的溶解，且高压均质的各个工艺环节中温度较高，使得粉体的基团暴露更多，水溶性更高[30]。食品中主成分的溶出和提取量共同影响着食品的食用性和营养性，微粉化在能提高活性成分溶出的同时，对其功能性也有很好的保留[31]。由此可见，超微粉碎对薇菜粉体物性的改变有利于提高薇菜类食品的加工性能，生产高附加值薇菜产品。

4 结 论

试验结果表明，经超微粉碎后行星球磨法、高压均质法粉体粒径分别是常规粉体的1/48和1/65，已达到微米细胞破壁级粉碎，经超微粉碎处理后，由于粉体粒径的减小，表面积增大，与溶剂的接触面积增加，使得测得的可溶性多糖和蛋白的量均有所提升，而高压均质工艺制备的超微粉可能由于整个环节的温度较高，可溶性成分溶出量较另一工艺也有一定程度的增加。行星球磨法和高压均质法的持水力分别是常规粉碎法的2.44倍和2.43倍、持油力分别是常规粉碎法的1.52倍和1.99倍；总黄酮提取量分别增加71.5、81.7 mg/mL，总多酚提取量分别增加7.4，8.8 g/100g。通过对降血糖指标进行测定，2种超微粉提取物的α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶抑制率均优于常规粉碎的提取物。说明经超微粉碎物理破壁后的粉体与溶剂充分接触，有效提高了主要成分的溶出和提取量，且有效保留了物质的活性成分。其中，在提取量和活性成分保留方面，高压均质法要优于行星球磨法。

综上可见，超微粉碎有效提高了薇菜的利用率，改善食品的营养性和食用性，增强了薇菜的加工性能。对于薇菜原料加工的广度和深度具有参考性。

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