湿法球磨对咖啡果皮不溶性膳食纤维组成、结构及功能性质的影响

邓筱语，江虹锐,，刘华南，刘小玲

（1.广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁 530004；2.广西高新农业产业投资集团有限公司，广西百色 533000）

咖啡是世界三大饮料之一，同时也是国际重要的贸易商品。随着中国经济的发展和消费者生活品质的提高，饮用咖啡及其制品现已成为人们常见的一种生活方式。我国咖啡种植产地主要分布于云南省、海南省和四川省，其中云南省咖啡种植面积和产量均占全国的98%以上[1]。随着我国咖啡产业的不断发展，咖啡副产物的高值化利用备受行业关注。咖啡果皮作为咖啡生产加工过程中的主要副产物，约占咖啡果实干重的29%[2]，含有花青素、绿原酸等多种活性物质，具有抗氧化、抗炎的作用[3]。此外，咖啡果皮富含膳食纤维，具有调节肠道菌群、降血糖和降胆固醇等生理功能[4]。因此，咖啡果皮作为食品原料用于新产品的开发有着巨大的潜力。

提高天然植物来源膳食纤维利用率的常用方法是改性处理，包括化学改性、物理改性和生物改性。其中，物理改性有利于保持食品的色泽、质地和风味，能够增强膳食纤维的功能特性[5]，还具有低污染、易操作的优势被广泛应用于食品领域。球磨改性属于物理改性技术，是制备超微粉体的有效手段之一，对改善植物性原料的加工特性有独特的优势。大多数植物性原料纤维性强，韧性较大，导致粉碎困难，能耗加剧。相比于其他物理改性方法，球磨通过碰撞，摩擦和冲击力等组合作用来改变原料的理化性质[6]，具有良好的均质特性和工作效率。球磨包括干法和湿法两种处理方式，相较于干法球磨，湿法球磨能得到更细小、粒度分布更均匀的样品颗粒[7]。SONG 等[8]发现经酶法结合湿法球磨制备柑橘纤维，其黏度、持水力、持油力和膨胀力均得到改善，且提高了其结合胆固醇、葡萄糖吸附和总抗氧化能力。ULLAH 等[9]研究了湿法球磨对豆渣不溶性膳食纤维结构和理化性质的影响，发现湿法球磨能显著提高样品的膨胀力和溶解度。YANG 等[10]在研究中发现，经10 h 以上湿法球磨，脱脂豆渣能够形成纳米级的胶体颗粒，并改善其乳化能力和胆固醇结合能力。目前，关于咖啡果皮膳食纤维的研究较少，且主要集中于水溶性膳食纤维的提取及工艺优化方面[11-12]，有关咖啡果皮膳食纤维的改性研究仅报道了超微粉碎咖啡果皮不溶性膳食纤维[13]和超声改性咖啡果皮水溶性膳食纤维[14]。

本文以碱法提取的咖啡果皮不溶性膳食纤维（coffee peel insoluble dietary fiber，CPIDF）为研究对象，采用湿法球磨对其进行物理改性，研究球磨时间对CPIDF 组成、结构及食品功能性质的影响，以期为拓宽湿法球磨的应用范围和提高咖啡果皮的高值化利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

咖啡果皮 中国热带农业科学院-香料饮料研究所提供；玉米油 益海嘉里食品科技有限公司；热稳定α-淀粉酶（10000 U/mL）、糖化酶（100000 U/g）北京索莱宝科技有限公司；菠萝蛋白酶（300 U/mg）

上海叶源生物科技有限公司；氢氧化钠、盐酸、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、溴化钾、氯化钠、叠氮化钠分析纯，成都科隆化学品有限公司。

多功能粉碎机 永康市红太阳机电有限公司；TLE204E 分析天平 梅特勒-托利多仪器上海有限公司；DSX-280B 型手提式压力蒸汽灭菌器 上海申安医疗器械厂；QM-DK2 低温行星球磨机 南京莱步科技实业有限公司；Zetasizer Nano ZS90 纳米粒度电位仪 英国马尔文仪器有限公司；PHS-3E 型pH计 上海仪电科学仪器股份有限公司；FD-1D-50 真空冷冻干燥机 北京博医康实验仪器公司；F16502扫描电镜 荷兰飞纳公司；Nicolet iS10 傅里叶红外光谱仪 美国赛默飞世尔科技公司；T25 高速均质机 德国IKA 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 CPIDF 的提取 参考LIU 等[15]的方法并稍加修改。将干燥的咖啡果皮经多功能粉碎机粉碎后过100 目筛，过筛后的咖啡果皮粗粉按料液比1:20（w/w）分散于蒸馏水中，用1 mol/L NaOH 调节分散液pH 至12，将咖啡果皮粉分散液用压力蒸汽灭菌器在110 ℃下加热处理30 min 后，经8000 r/min离心10 min，弃去上清，沉淀加入蒸馏水离心清洗2次，将清洗后的沉淀重新分散于蒸馏水中，用1 mol/L HCl 调pH 至7，于8000 r/min 离心10 min 取沉淀冻干得到CPIDF。

1.2.2 球磨改性CPIDF 的制备 将冻干的CPIDF使用多功能粉碎机粉碎后过100 目筛，加入蒸馏水配制成2%（w/v）的CPIDF 分散液，按球液质量比4:1 将分散液与氧化锆球磨珠（球磨珠直径分别为3 和1 mm，质量比为2:3）混合，球磨转速300 r/min，分别处理0、4、8、12 h，得到球磨样品CPIDF-0、CPIDF-4、CPIDF-8 和CPIDF-12，冻干后备用。

1.2.3 CPIDF 成分分析 根据GB 5009.88-2014《食品安全国家标准 食品中膳食纤维的测定》对样品中总膳食纤维（total dietary fiber，TDF）、不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）和可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）含量进行测定。

1.2.4 粒径及ζ-电位测定 将样品用去离子水配制成0.01%（w/v）分散液，使用纳米粒度仪测定样品粒径。用5 mmol/L 磷酸盐缓冲液（pH7）将样品配制成至0.01%（w/v）分散液，于25 ℃测定样品电位，其中，颗粒折射率与分散剂折射率分别为1.47 和1.33。

1.2.5 悬浮性质表征 将球磨后的样品用蒸馏水稀释成1%的分散液，移至玻璃样品瓶中静置3 d，考察其悬浮稳定性。

1.2.6 CPIDF 结构表征

1.2.6.1 扫描电镜观察 取少量样品均匀分布于粘有导电胶的显微镜载物台上，喷金处理后分别在1000 倍和10000 倍的放大倍数下观察样品的颗粒形态。

1.2.6.2 傅里叶红外光谱分析 将样品与KBr 按质量比1:100 混合研磨压片，在400～4000 cm-1的波数范围内进行扫描，扫描次数为32 次，分辨率为2 cm-1。

1.2.7 持水力测定 参考YAN 等[16]的方法并稍加修改。将0.2 g 样品与10 mL 蒸馏水混合，于25 ℃放置3 h 后经4000 r/min 离心20 min，弃去上清后称重。按式（1）计算持水力。

式中：m 表示样品质量，g；m1表示离心管重量，g；m2表示沉淀和离心管总重量，g。

1.2.8 持油力测定 参考YAN 等[16]的方法并稍加修改。将0.2 g 样品与10 mL 玉米油混合，于25 ℃放置3 h 后经4000 r/min 离心20 min，弃去上清后称重。按式（2）计算持油力。

式中：m 表示样品质量，g；M1表示离心管重量，g；M2表示沉淀和离心管总重量，g。

1.2.9 膨胀力测定 参考SOWBHAGYA 等[17]的方法并稍加修改。将0.2 g 样品置于刻度试管中并读取体积，加入10 mL 蒸馏水混合，于25 ℃放置24 h后读取样品吸水膨胀后的体积。按式（3）计算膨胀力。

式中：m 表示样品质量，g；V1表示样品体积，mL；V2表示吸水膨胀后的样品体积，mL。

1.2.10 CPIDF 乳化能力分析

1.2.10.1 乳液的制备 将CPIDF 用蒸馏水配制成1%（w/v）的分散液，按油水比1:9 通过高速剪切机以12000 r/min 剪切2 min 后得到乳液，并加入0.02%（w/v）叠氮化钠抑制微生物生长。

1.2.10.2 乳化指数的测定 将新制备的乳液转移至玻璃样品瓶中，于25 ℃下放置1 d 后对样品进行观察，用刻度尺量取并记录液体总高度和乳化层高度，按式（4）计算乳化指数（emulsification index，EI）[18]。

1.2.10.3 CPIDF 乳液稳定性分析 将制备好的乳液在60、80、100 ℃的水浴中加热30 min 后冷却至25 ℃，测定乳液的EI，研究乳液的热稳定性。使用0.1 mol/L HCl 或0.1 mol/L NaOH 溶液调节CPIDF分散液pH 至2、7、9，测定乳液的EI，研究乳液在不同pH 下的稳定性；向CPIDF 分散液中加入NaCl，使分散液的离子强度为0、50、100、200 mmol/L，记录乳液于25 ℃放置1 d 的数据，测定乳液的EI，研究乳液在不同离子强度环境下的稳定性。将制备好的乳液在25 ℃下贮藏30 d，并记录1、5、15、30 d的数据，测定乳液的EI，研究乳液的贮藏稳定性。

1.3 数据处理

结果以平均值±标准偏差表示，使用Origin 2022进行数据绘图，使用SPSS 21.0 进行单因素方差分析，设置P<0.05 为差异显著，所有试验均至少重复3 次。

2 结果与分析

2.1 球磨时间对CPIDF 成分的影响

随着球磨时间的延长，CPIDF 中TDF 和IDF 含量显著下降（P<0.05），SDF 含量从1.73%增至3.50%（表1）。这是由于球磨的机械力使样品颗粒减小，同时对纤维素晶体产生破坏[19]，促进膳食纤维中部分IDF（纤维素、半纤维素和木质素）降解[20]，转变为SDF 和其他可溶的小分子物质。SDF 可以保留水分、减少小肠对葡萄糖的吸收，并作为益生元起到调节人体肠道菌群的作用。CHITRAKAR 等[21]研究不同球磨时间处理芦笋叶膳食纤维也得到了类似的结果，球磨时间的延长使芦笋叶IDF 含量降低，SDF含量增加。

表1 不同球磨时间处理CPIDF 的膳食纤维含量、粒径、ζ-电位及功能性质Table 1 Dietary fiber content,particle size,ζ-potential and functional properties of modified CPIDF with different ball milling times

2.2 球磨时间对CPIDF 颗粒粒径、ζ-电位和悬浮特性的影响

球磨时间对CPIDF 粒径的影响如表1 所示。球磨4 h 后，CPIDF-4 粒径为1001.73 nm，显著低于未经球磨的CPIDF-0 样品粒径（2355.67 nm）（P<0.05），说明湿法球磨能有效减小CPIDF 的粒径。当球磨时间从4 h 延长至12 h 时，CPIDF 粒径由1001.73 nm 降至745.57 nm，且8 h 以上的球磨处理能将CPIDF 颗粒转化为有良好水分散性的亚微米级颗粒。

不同球磨时间CPIDF 的ζ-电位均为负值（表1），说明球磨改性对颗粒表面带负电性质没有影响。样品的ζ-电位绝对值随球磨时间的延长从18.57 mV显著增至24.90 mV（P<0.05），说明球磨改性能够增加CPIDF 在溶液中的稳定性。这可能与球磨处理降低了IDF 的结晶度导致颗粒表面更多极性基团（如羟基）暴露以及SDF 含量的增加有关[22]。

CPIDF 在不同球磨时间处理后的悬浮稳定性随着球磨时间的延长得到改善（图1）。CPIDF-8 和CPIDF-12 分散液在贮藏3 d 后未发生沉降，具有良好的分散稳定性，而未经球磨处理的CPIDF-0 在水相中容易沉降。这是由于CPIDF 的悬浮稳定性与颗粒尺寸和表面电荷有关，CPIDF 经球磨处理后粒径显著减小（P<0.05），ζ-电位绝对值显著增大（表1）。研究发现，由于样品粒径在较短的湿法球磨时间下不能被均匀地减小，导致悬浮稳定性不佳，而当球磨时间延长至8 h 时，样品粒径减小显著（P<0.05）且能够均匀分散在体系中，表现出良好的悬浮稳定性[23]。此外，SDF 含量的增加能够赋予体系更高的黏度[9]，且SDF 含量的增加与样品粒径的减小呈正相关[24]。说明本实验中球磨处理后CPIDF 的SDF 含量增加和粒径减小的主要原因均是球磨处理的机械力作用。

图1 不同球磨时间CPIDF 分散液在4 ℃下贮藏3 d 的外观图Fig.1 Appearance plots of CPIDF dispersions at different ball milling times stored at 4 ℃ for 3 d

2.3 球磨时间对CPIDF 颗粒微观结构的影响

不同湿法球磨时间处理CPIDF 的扫描电镜观察结果如图2 所示。未经球磨处理的CPIDF-0 颗粒体积较大，表面光滑。经球磨处理后的CPIDF 粒径减小，颗粒表面出现空洞和裂缝，不规则碎片逐渐增多。此外，经球磨处理后的CPIDF 颗粒碎片呈聚集状态，这可能与球磨处理后颗粒表面活性、表面静电吸引力增强有关[25]。XIAO 等[26]在球磨柚子皮不溶性膳食纤维的研究中也观察到类似的扫描电镜形态变化，球磨处理使膳食纤维颗粒粒径减小，比表面积增大。球磨时间对CPIDF 颗粒微观结构的扫描电镜结果与CPIDF 的粒径结果趋势一致，说明湿法球磨处理能有效减小CPIDF 的粒径。

2.4 球磨时间对CPIDF 傅里叶红外光谱的影响

CPIDF 样品经不同球磨时间处理后具有相似的傅里叶红外光谱图，除在一定特征谱带峰的吸收强度有变化外，未出现新的吸收峰，说明球磨后的CPIDF没有形成新的官能团（图2）。3000～3700 cm-1处的宽吸收峰由纤维素和半纤维素中O-H 的伸缩振动产生，球磨后该峰强度减弱，这可能与球磨处理导致纤维素分子间的氢键断裂有关[27]；2922 cm-1处的吸收峰由多糖甲基和亚甲基上的C-H 伸缩振动产生，球磨处理后该峰强度变弱说明CPIDF 中部分纤维素链间氢键断裂和部分亚甲基被破坏[28]；1624 cm-1处的吸收峰代表纤维素和水分子间的氢键，球磨后呈现出较弱的峰，这是由于球磨产生的机械力破坏了CPIDF中的氢键，从而降低了CPIDF 中结合水的含量[29]。球磨处理使CPIDF 中纤维素和半纤维素内的氢键遭到破坏，随着氢键数量的减小，样品比表面积和孔隙率会增加[24]，有利于增加CPIDF 的持水力和持油力。1514 cm-1处为不同木质素基团的伸缩振动带[24]，与CPIDF-0 相比，CPIDF-12 此处的峰值强度明显减弱，说明球磨处理能将部分木质素降解。1064 cm-1处的吸收峰为纤维素和半纤维素中糖苷键（C-O-C）的伸缩振动产生[22]，896 cm-1处为多糖中β-糖苷键的特征吸收峰[30]，球磨后峰值均下降，这是由于球磨使CPIDF 中的部分纤维素和半纤维素降解重排，并形成新的无定形纤维素和小分子的可溶性多糖[31]。

以上结果说明，湿法球磨处理破坏了CPIDF 分子中的氢键，使部分纤维素、半纤维素和木质素降解重排，且随球磨时间的延长，变化更为明显。

2.5 球磨时间对CPIDF 持水力、持油力和膨胀力的影响

持水力、持油力和膨胀力是衡量膳食纤维性能的重要指标。CPIDF 经球磨处理后，其持水力、持油力和膨胀力随球磨时间的延长而显著提高（P<0.05，表1）。与未经球磨处理的CPIDF-0 相比，CPIDF-12 的持水力从7.00 g/g 增加到17.12 g/g，持油力从2.60 g/g 增加到9.64 g/g，膨胀力从3.91 mL/g 增加到6.90 mL/g。这是由于经球磨改性后，CPIDF 暴露出更多的亲水、亲油基团（图3），且CPIDF 粒径减小（表1），比表面积增大，SDF 含量增加[32]，从而引起CPIDF 的持水力、持油力和膨胀力提高。易甜等[33]也发现了球磨使得锦橙皮渣膳食纤维的持水力、持油力和膨胀力显著提升。与其他球磨处理时间相比，CPIDF-12 的持水力、持油力和膨胀力均达到最大值。高持水力的膳食纤维能够增加食品的保水性，避免引起脱水收缩从而提高产品质量。而高持油力的膳食纤维可以改善食品的感官特性，使高脂肪食品更加稳定，有助于延长保质期[34]。此外，高持水力和高膨胀力的膳食纤维可以增加人体排便量和促进排便速度，从而减轻直肠压力，有效预防肠道疾病[35]。与罗白玲[13]使用超微粉碎改性咖啡果皮不溶性膳食纤维的结果相比，本研究中CPIDF-12 的持水力和持油力分别是其的2.5 倍和3.2 倍，表现出更优的性质。这可能是因为湿法球磨能使样品获得更小的粒径，有更大的比表面积并暴露出更多的亲水、亲油基团，导致持水力和持油力增加。结果表明，经湿法球磨处理后的CPIDF 呈现出良好的持水、持油和膨胀性质，能够应用于食品增强体系中水和油的稳定性研究，对食品质构和营养价值产生影响。

图3 不同球磨时间CPIDF 的傅里叶红外光谱图Fig.3 Fourier transform infrared spectroscopy spectra of CPIDF with different ball milling times

2.6 球磨时间对CPIDF 乳化性的影响

不同球磨时间CPIDF 制备的乳液外观和EI 如图4 所示。随着球磨时间的延长，乳液乳化层有明显的增高趋势。CPIDF-0 制备的乳液底部有明显沉淀（图4a），这可能是由于未经球磨处理的CPIDF粒径较大，易发生沉降，使乳液两相界面失稳，乳化效果不佳。EI 可以表征乳化剂的乳化活性[36]，乳液EI 越高，说明乳化剂的乳化活性越强。由图4b 可知，CPIDF-4 制备的乳液EI 为88.45%，是CPIDF-0 的2.2 倍。CPIDF-8 和CPIDF-12 制备的乳液EI 均为100%，表现出良好的乳化能力。这是因为随着球磨时间的延长，CPIDF 粒径减小、比表面积增大，易于紧密排列并吸附在油水界面上，使乳液体系保持稳定[37]。结果表明，湿法球磨能有效改善CPIDF 的乳化能力。

图4 不同球磨时间CPIDF 制备的乳液外观（a）和EI（b）Fig.4 Emulsion appearance (a) and EI (b) with different ball milling times of CPIDF

2.7 球磨CPIDF 乳液稳定性分析

不同温度对CPIDF 乳液稳定性的影响如图5a所示。在不同热处理下，经球磨处理的CPIDF 制备的乳液EI 均优于未经球磨的CPIDF-0。当加热至80 ℃时，CPIDF-4 制备的乳液EI 由97.73%降至89.79%，而CPIDF-8 和CPIDF-12 制备的乳液EI仍保持为100%。随着温度升高至100 ℃时，乳液逐渐变得不稳定，CPIDF-4、CPIDF-8 和CPIDF-12制备的乳液EI 均下降显著（P<0.05），分别为85.96%、92.14%和93.81%。结果表明，球磨8 h 以上的CPIDF制备的乳液在80 ℃下具备良好的热稳定性。

图5 不同条件对CPIDF 乳液稳定性的影响Fig.5 Effect of different conditions on the stability of CPIDF emulsions

不同pH 对CPIDF 乳液稳定性的影响如图5b所示。与未经球磨的CPIDF-0 相比，经球磨处理的CPIDF 在不同pH 下制备的乳液EI 无显著变化（P>0.05）。其中，CPIDF-8 和CPIDF-12 制备的乳液EI 均为100%，未出现乳析，表现出良好的稳定性。结果表明，pH 条件对球磨处理后的CPIDF 制备的乳液无显著影响（P>0.05），即经球磨处理后的CPIDF 稳定的乳液具备良好的耐酸耐碱性。HE 等[38]在研究中也得到相似的结果，经高压均质改性的金针菇不溶性膳食纤维制备的乳液在不同温度（4、25、60 ℃）和pH（3、7、9）处理后EI 均变化不明显，具有良好的稳定性。

不同离子强度对CPIDF 乳液稳定性的影响如图5c 所示。经球磨处理的CPIDF 在不同离子强度下制备的乳液EI 均优于未经球磨的CPIDF-0。当NaCl 浓度从0 mmol/L 增加到50 mmol/L，CPIDF-4制备的乳液EI 由88.10%显著降至78.09%（P<0.05），这是因为NaCl 的加入会与乳滴表面的负电荷产生静电屏蔽作用[39]，导致稳定性下降，乳析现象明显；但当NaCl 浓度增至100～200 mmol/L 时，CPIDF-4 乳液EI 得到提高，这是因为在高盐浓度下，CPIDF 间的相互作用因静电斥力的屏蔽而增强，导致黏度增加，同时可以增强吸附在油滴表面的CPIDF 间相互作用，使形成的乳液网络体系增强[40]，而在0～200 mmol/L 的NaCl 浓度处理下，CPIDF-8 和CPIDF-12 制备的乳液EI 均为100%，表现出良好的稳定性。这可能是由于CPIDF 在乳液体系中形成致密的网络结构起到了良好的空间位阻效应，有效减弱了絮凝的发生。与谭天仪等[41]发现NaCl 浓度为50～350 mmol/L时，对湿磨8 h 的豆渣稳定的乳液EI 变化不显著结果相似。

贮藏时间对CPIDF 乳液稳定性的影响如图5d所示。在整个贮藏期间，未经球磨的CPIDF-0 制备的乳液EI 显著降低（P<0.05），而经球磨处理的CPIDF制备的乳液在放置30 d 后表现出较好的贮藏稳定性。这可能是由于球磨处理后的CPIDF 颗粒粒径减小，部分IDF 在球磨过程中转变为SDF，使分散液黏度增加[9]，有利于形成乳液并增加乳液黏度使乳液液滴的迁移速率降低，提高乳液的稳定性。同时，经球磨处理后的颗粒ζ-电位绝对值增加也有助于乳液的稳定。LU 等[42]也发现经湿法球磨处理后的苹果渣颗粒制备的乳液其贮藏稳定性相较于苹果渣粗粉得到明显提高。

3 结论

本研究对不同湿法球磨时间改性后的CPIDF组成和功能性质进行了研究，结果表明，随着球磨时间的延长，CPIDF 的粒径减小，SDF 含量和ζ-电位绝对值增加。球磨前后CPIDF 微观形貌发生明显改变，在机械力的作用下CPIDF 颗粒尺寸减小，比表面积增大，颗粒表面从光滑变得粗糙。球磨处理没有改变CPIDF 的官能团特征，但破坏了其分子间的氢键。此外，球磨处理显著改善了CPIDF 的功能性质，其持水力、持油力、膨胀力和乳化能力随球磨时间的延长而增强，当球磨8 h 以上时，CPIDF 制备的乳液表现出了良好的稳定性。本研究中，经湿法球磨改性后的CPIDF 表现出良好的功能性质，揭示了其可作为食品级固体乳化剂的潜力，为咖啡果皮的高值化利用提供了理论依据，经改性后的CPIDF 在食品生产过程中的应用性有待进一步研究。