动态高压微射流处理对方竹笋膳食纤维理化及结构特性的影响

汤彩碟 张甫生 杨金来 吴良如 郑 炯

(1.西南大学食品科学学院，重庆 400715；2.食品科学与工程国家级实验教学示范中心(西南大学)，重庆 400715；3.国家林业和草原局竹子研究开发中心，浙江 杭州 310012)

方竹(Chimonobambusaquadrangularis)属禾本科竹亚科寒竹属植物，方竹属有15种，主要分布于中国、日本、印度和马来西亚等地，在中国有4种。其中，被誉为“世界一绝、中国独有”的金佛山方竹是世界竹类中的特有品种，集中分布于海拔较高的重庆市南川区和万盛经济开发区、贵州省桐梓县近邻的金佛山林区以及云南省镇雄县[1]。方竹笋因其形态方正，肉厚鲜美，营养丰富，被誉为“竹笋之冠”[2]，其富含蛋白质、氨基酸、膳食纤维、维生素、矿物质等营养成分[3]。研究[4]表明，竹笋膳食纤维(bamboo shoot dietary fiber，BSDF)的摄入可以降低患高血压、糖尿病、肥胖症和某些胃肠道疾病的风险。Elleuch等[5]研究表明BSDF可以改善乳制品的口感，提高其黏度；郑炯等[6]研究发现添加BSDF可以有效改善黄桃果酱的质地和颜色，赋予其更好的涂抹性；Nirmala等[3]发现BSDF可以提高食物的持水力、持油力和膨胀力等。然而，BSDF中不溶性膳食纤维含量高达92%[7]，作为食品功能性配料添加时可能会对食品的颜色、质地、口感等产生不利影响[8]。近年来，为了提升BSDF品质，拓展其应用范围，国内外研究人员先后采用酸碱法[9]、生物酶法[10-11]和物理机械法[12]等方法对其进行改性，其中，物理改性是一种高效、快捷、绿色环保的BSDF改性方法。

动态高压微射流(dynamic high pressure micro-fluidization, DHPM)技术是一种新兴的物理改性方法，可对流体混合物料进行强烈剪切、高速撞击、压力瞬时释放、高频振荡、膨爆和气穴等一系列综合作用，从而起到很好的超微化、微乳化和均一化效果[13]。研究[14-15]发现，DHPM可以有效改善膳食纤维水化性能，均匀分散纤维颗粒，使其组织松散、提高透光率，以及减弱膳食纤维分子内的氢键作用降低其结晶度等。江文韬等[16]采用DHPM改性百香果壳膳食纤维后，其膳食纤维二次粒度显著降低，达到了微米级水平；曹慧慧等[17]发现DHPM处理可以提高玉米芯膳食纤维的溶解性、持水力、持油力、膨胀力和抗氧化等特性；Cheng等[18]研究发现利用DHPM处理豆渣淀粉的不溶性膳食纤维，能有效减小其粒径，诱导膨化形态，提高其持水力。研究拟采用DHPM处理从方竹笋中提取BSDF，测定处理前后BSDF粒径、持水力、膨胀力等理化性质，同时利用红外光谱仪、热重分析仪、扫描电镜等手段表征处理前后其官能团特性、热稳定性和微观形态等变化，以期为BSDF的改性提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜方竹笋：重庆市南川金佛山；

木瓜蛋白酶：800 U/mg，上海源叶生物科技有限公司；

金龙鱼葵花籽食用植物调和油：市售；

KBr：分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

数显恒温水浴锅：HH-ZK8型，巩义市予化仪器有限责任公司；

中草药粉碎机：FW135型，天津市泰斯特仪器有限公司；

超高压均质机：Scientz-207A型，宁波新芝生物科技有限公司；

超微流动态高压纳米分散机：M-110EH-30型，加拿大Microfluidics公司；

ZS粒度分析仪：Zetasizer Nano型，英国马尔文仪器有限公司；

冷冻干燥机：SCIENTZ-10ND型，宁波新芝生物技术有限公司；

傅里叶红外光谱仪：Spectrum100型，美国PerkinElmer公司；

X射线衍射分析仪：XRD-7000型，日本岛津公司；

热重分析仪：TGA55型，美国TA公司；

扫描电镜：ProX型，荷兰Phenom World公司。

1.3 样品处理

1.3.1 预处理 取新鲜方竹笋，剥皮去壳，洗净切片，沸水漂烫7 min，60 ℃下烘干，粉碎过80目筛，得到方竹笋粉，备用。

1.3.2 竹笋膳食纤维(BSDF)粉末制备 取一定量方竹笋粉，加入木瓜蛋白酶800 U/g，料液比(m方竹笋粉末∶V水)1∶20(g/mL)，55 ℃酶解2 h，沸水灭酶10 min，用蒸馏水清洗后过滤，收集滤渣，冷冻干燥，粉碎得BSDF粉末。

1.3.3 BSDF改性 取BSDF粉末过200目筛，以料液比(mBSDF粉末∶V水)1∶100(g/mL)加蒸馏水混匀，于磁力搅拌器下分散30 min，25 ℃高压均质机预处理两次。将预处理溶液分别于50，100，150，200 MPa微射流压力下均质处理5次，处理过程中开启微射流冷却系统保持温度为25 ℃，以未进行高压微射流处理的样品为对照(CK)。收集均质后的溶液，每个样品分别取10 mL用于粒径分布测定，其余溶液冷冻干燥，研磨成粉进行理化性质和结构的测定。

1.4 理化性质测定

1.4.1 粒径测定 根据文献[11]。

1.4.2 持水力 参照Chen等[19-20]的方法并修改。取0.5 g 经DHPM处理过的BSDF粉末于离心管中，加入20 mL蒸馏水，混匀，室温放置6 h，4 500 r/min离心15 min，收集沉淀物称重。按式(1)计算其持水力。

(1)

式中：

CWH——持水力，g/g；

m1——BSDF粉末质量，g；

m2——离心管质量，g；

m3——沉淀物重量，g。

1.4.3 持油力 参照Chen等[19-20]的方法并修改。取0.5 g 经DHPM处理过的BSDF粉末于离心管中，加入20 mL食用油，混匀，室温放置6 h，4 500 r/min离心15 min，用滤纸吸干BSDF表面多余的油脂，收集沉淀物称重。按式(2)计算其持油力。

(2)

式中：

COH——持油力，g/g；

m1——BSDF粉末质量，g；

m2——离心管质量，g；

m4——沉淀物重量，g。

1.4.4 膨胀力 参照Chen等[19-20]的方法并修改。取0.3 g 经DHPM处理过的BSDF粉末,于10 mL量筒中，读取体积，再加入8 mL蒸馏水，振荡混匀，静置24 h后读取体积。按式(3)计算其膨胀力。

(3)

式中：

CS——膨胀力，mL/g；

m——BSDF粉末质量，g；

V1——BSDF粉末体积，mL；

V2——BSDF粉末吸水后体积，mL。

1.5 结构测定

1.5.1 红外光谱分析 参照汪楠等[11]的方法。

1.5.2 X射线衍射(XRD) 参照万婕等[13]的方法。采用步进扫描法，靶：Cu-Kα，角度步长0.02°，工作电压40 kV，电流40 mA，扫描范围5°～60°，扫描速率6(°)/min。根据分峰法计算相对结晶度。

1.5.3 热重分析 参照汪楠等[11]的方法。

1.5.4 微观结构 将BSDF粉末固定于双面导电样品台上，喷涂金层使其具有导电性，然后用扫描电镜观察样品的微观结构。扫描电镜电压10 kV，放大倍数1 000倍。

1.6 数据处理

2 结果与分析

2.1 对BSDF理化性质的影响

2.1.1 粒径分布 BSDF粒径是影响其持水力、持油力和膨胀力大小的关键因素[21]。由表1可知，DHPM处理能显著影响BSDF粒度分布和平均粒径(P<0.05)。当处理压力为0～150 MPa时，随着处理压力的增大，d0.1、d0.5、d0.9所对应的粒径分别由(297±43)，(1 986±315)，(3 606±530)nm减小至(143±24)，(578±67)，(1 493±220)nm，差异显著(P<0.05)，表明BSDF粒径分布更为集中，同时BSDF的平均粒径也显著减小(P<0.05)。当处理压力为150 MPa时，BSDF平均粒径达到最小，为(370±11)nm，比未处理样品下降了58.70%。这可能是DHPM的强烈剪切、高速冲击和高频振动等作用使物料颗粒被膨化和细化[22]，导致颗粒均一、分布集中且平均粒径减小。当处理压力为200 MPa时，BSDF平均粒径反而增大(532±2)nm，与Liu等[23]的结论一致，这可能是当颗粒粒径减小，比表面积增大时，其表面的范德华力和静电吸引力也随之增大，颗粒之间因为吸引力的增大而重新聚集[23]。

表1 DHPM处理对BSDF粒径分布的影响†

2.1.2 持水力、持油力和膨胀力 由表2可知，随着处理压力的增大，BSDF的持水力、持油力和膨胀力先增大后减小，当处理压力为150 MPa时，BSDF的持水力、持油力和膨胀力均达最大值，分别为(13.46±0.45)g/g、(9.77±0.11)g/g和(7.87±0.76)mL/g，较未处理组分别提高了47.74%，50.54%，61.27%，差异显著(P<0.05)。这与涂宗才等[24]的结果相似。当处理压力为200 MPa时，持水力、持油力和膨胀力均有不同程度的减小。

表2 DHPM处理对BSDF持水力、持油力和膨胀力的影响†

持水力和膨胀力一般与样品的密度、亲水基团的暴露程度和表面孔隙率有关。当处理压力为0～150 MPa时，纤维物料在动态高压微射流均质机的撞击腔内被分散为多股细流，并在极小的空间内发生强烈的高速撞击，撞击过程中大量动能会瞬间转化为热能等其他形式的能量，从而产生巨大的压力差作用，使物料颗粒发生细化膨化作用[13]，导致BSDF比表面积增大，组织更加疏松，更多的亲水基团暴露，水合性提高[25]。持油力一般取决于BSDF表面性质、颗粒间的疏水性等[26]，DHPM处理使BSDF粒径减小，比表面积增大，组织疏松、孔隙率提高，持油力提高。而当处理压力为200 MPa时，BSDF粒径减小，比表面积增大，同时表面的范德华力和静电吸引力也增大，颗粒发生团聚，其对水分和油脂的束缚减小，水合性质和持油力均有所下降[27]。研究[28]表明，较高的持水力、持油力和膨胀力可以改善食品的黏度和质地，与促进肠道蠕动、降低胆固醇和降血糖等多种功能特性有关。宋玉等[29]研究发现改性后的BSDF可改善香肠中脂肪含量过高的缺点，并提高香肠中的蛋白质和水分含量。因此，在一定处理压力范围内，可利用DHPM改性BSDF，使其作为功能性配料被应用于肉制品、面制品、果蔬制品等食品中。

2.2 对BSDF结构特征的影响

图1 DHPM处理BSDF的红外光谱图

2.2.2 X-射线衍射分析 纤维类物料的持水力、持油力、膨胀力等与其内部的晶体结构密切相关[32]。由图2可知，当衍射角为14°～24°时，BSDF有明显的衍射峰，主衍射峰在22°处，表明BSDF呈典型的纤维素和半纤维素晶体结构，且DHPM处理后，BSDF衍射峰的位置与未处理样品基本一致，说明DHPM处理不会改变BSDF的晶体结构。比较BSDF的相对结晶度(RC)可知，随着DHPM处理压力的增大，BSDF的RC有明显的减小，当处理压力为150 MPa时，RC由未处理的45.96%减小至37.38%。研究[15]表明，纤维类样品中同时存在结晶区和非结晶区，结晶区结构致密、分子取向良好，非结晶区氢键结合量少、分子排列无序。DHPM强烈的剪切空穴作用使BSDF物料细化膨化，纤维素分子之间的氢键断裂，内部结构变得松散，部分结晶区转化为无序的非结晶区，BSDF结晶度减小，晶体有序度下降。

2.2.3 热重分析 由图3可知，BSDF的热分解过程大致由3个阶段组成。第1个热分解阶段是水分挥发阶段，温度为40～100 ℃，BSDF分子失去游离水、物理吸附水和分子内部的结晶水，温度较低时BSDF主要失去易蒸发流失的游离水[35]，因此在50 ℃左右失重速率达到该阶段的最大。第2个失重阶段发生在200～350 ℃，是热分解过程的主要阶段，BSDF的主要组成成分纤维素、半纤维素和木质素通过各种自由基反应和重排反应进一步降解成低分子量的挥发性产物[36]；此温度范围内BSDF的失重率和失重速率显著增大，在300 ℃左右有明显的失重峰；且随着处理压力的增大，BSDF在该过程的失重速率和失重率先增加后减少，当处理压力为150 MPa时，失重速率和失重率均达最大，4.81%/℃和48.98%。结合图1和图2分析，可能是由于DHPM处理后，BSDF内部分的糖苷键、氢键等断裂，减少了热分解断键时所需的能量[30]。同时DHPM处理后BSDF粒径分布更集中且平均粒径显著减小(P<0.05)，颗粒受热更均匀，热分解速率加快。当温度>350 ℃时，BSDF进入第3个热分解阶段，此阶段中BSDF的失重率和失重速率趋于平稳，焦炭进一步降解，残渣中的碳含量越来越高，直至样品热解完全，反应结束。综上，DHPM处理使BSDF分子内部的部分键断裂，使其颗粒细化，降低了BSDF的热稳定性。

图2 DHPM处理BSDF的X-射线衍射图

图3 DHPM处理 BSDF 的热重分析图

2.2.4 微观结构分析 由图4可知，未经DHPM处理的BSDF呈片状结构，表面光滑，存在少量的裂隙，颗粒较大且形状不一。而经DHPM处理后，BSDF表面开始变得粗糙，部分发生断裂和破碎，颗粒分布更加均匀，且随着处理压力的增大，颗粒尺寸先增大后减小。这可能是DHPM强烈不规则的剪切、空穴等作用使BSDF内部的氢键等断裂，分子量减小，组织松散，比表面积增大，更多基团得以暴露，其理化性质得到改善，与持水力、持油力和膨胀力结果分析一致。但当处理压力为200 MPa时，BSDF颗粒尺寸反而明显增大，可能与DHPM处理后BSDF表面活性改变和吸附性增大有关[31]。

3 结论

研究了不同压力动态高压微射流处理对竹笋膳食纤维理化及结构特性的影响。结果表明，经动态高压微射流处理后，竹笋膳食纤维粒径显著减小(P<0.05)，持水力、持油力和膨胀力均得到明显提高，当处理压力为150 MPa时效果最佳。通过红外光谱、X射线衍射、热重和扫描电镜分析，经动态高压微射流处理后，竹笋膳食纤维呈片状结构，表面粗糙，组织疏松，晶体有序度下降，热稳定性降低。综上，动态高压微射流处理可以有效改善竹笋膳食纤维的理化和结构特性，是一种有效的物理改性方法。