粒径对铁皮石斛粉多糖释放及其粉体特性影响

楚秉泉 金唯一 吴芝岳 陈海平 李晓丽 肖功年胡钢亮， 袁海娜

（1浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江 杭州 310058； 2浙江科技大学生物与化学工程学院，浙江 杭州 310023；3杭州千岛湖康诺邦健康产品有限公司，浙江 杭州 311705）

铁皮石斛（Dendrobiumofficinale）具有益胃生津、滋阴清热、润肺益肾等功效，素有“中华九大仙草”之首的美誉，在我国浙江、安徽、云南等地分布较广［1］。多糖是铁皮石斛的主要功效成分［2］，常被作为铁皮石斛深加工、中药炮制、消化代谢研究等过程中的指示性成分［3］。目前，铁皮石斛主要被制成铁皮枫斗、中药片剂/胶囊等用于临床，2019年国家卫生健康委将其列入《按照传统既是食品又是中药材的物质目录管理规定》试点名单［4］，这为铁皮石斛的应用拓展和产业化发展提供了新机遇。

粉体是物料干燥且精细的固体状态，具有易储存运输、保质期长、方便使用等特点，从食品配料到中药组方都是最常见的产品形式之一［5］。在粉体化过程中，原料的结构、物理化学性质和功能特性也随之变化，并产生一些突出的特性如微尺寸效应、光学性能等，大大改变了原料的水合性能、功能活性、生物利用度、风味/口感等［6］。鉴于其独特的潜力，粉体化技术受到广泛关注，尤其在食品新功能原料研究领域［7］。Weng 等［8］将中药粉碎机处理所得的连翘叶粗粉用球磨仪进一步制作细粉，随着球磨时间延长，粉体的水合特性、活性成分释放率及抗氧化活性均显著上升。Ge等［9］研究发现，竹叶在球磨粉碎过程中的流动性和堆积密度均随粒径减小而降低，但水溶性指数增加。Huang 等［10］在以辣木叶为对象的粉体化研究中发现，粉体的持水/油力和流动性随粒径减小而降低，但可溶性膳食纤维含量显著增加。

目前，关于铁皮石斛粉体化研究较少。李娟等［11］以多糖得率为评判标准，采用振动粉碎仪结合正交试验优化了铁皮石斛破壁工艺，平均细胞破壁率可达98.3%。Meng 等［12-13］对不同粒径铁皮石斛粉体进行抗氧化活性分析及总酚、总黄酮溶出率对比，发现粉体抗氧化活性与总酚、总黄酮溶出率呈显著正相关，均随粒径减小先上升后趋于稳定。然而，关于粒径对铁皮石斛粉体特性及其多糖释放影响的研究鲜有报道。作为一种质地坚硬又富含高黏度多糖［14］的药食两用原料，粉体化加工虽可打破铁皮石斛中成分的抗提取屏障，提高多糖溶出率，但粉体粒径减小造成的多糖暴露又会加剧其对水分的吸附和粉体间的粘附。因此，开展粒径对铁皮石斛粉体特性以及功能成分释放的影响研究十分必要，有望为铁皮石斛的精深加工水平提升及高值化利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

铁皮石斛，杭州千岛湖康诺邦健康产品有限公司（产自浙江省温州市雁荡山区域）。

苯酚、硫酸、葡萄糖标准品等，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

Microtrac S3500 激光粒度分析仪，美国Microtrac公司；ASAP 2020 M 比表面积测定仪，麦克默瑞提克（上海）仪器有限公司；800Y 中药粉碎机，永康市铂欧五金制品有限公司；YXQM 行星球磨仪，长沙米淇仪器设备有限公司；ME104E 精密分析天平，梅特勒托利多科技（中国）有限公司（上海）；RC807DP 溶出试验仪，天津市天大天发科技有限公司；SU1510扫描电子显微镜，日立（中国）有限公司（北京）；Chroma Meter CR-400色差计，柯尼卡美能达（中国）投资有限公司；Multiskan SkyHigh全波长酶标仪，赛默飞世尔科技（中国）有限公司（上海）；H1650R 台式高速冷冻离心机，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；移液器，德国艾本德股份公司。

1.3 试验方法

1.3.1 不同粒径铁皮石斛粉体的制备 将新鲜的铁皮石斛原料除杂后低温烘干，每次取约120 g原料用中药粉碎机处理15 s（5 s×3次）得粗粉，然后分批用YXQM行星球磨仪在料球比1∶10、350 r·min-1、10 ℃条件下继续粉碎6 h，再经不同孔径的304 不锈钢分样筛筛分获得［20，50）、［50，80）、［80，100）、［100，150）、［150，200）、［200，250）、［250，300）和≥300 目的8 种粒径范围的粉体，所有粉体的水分含量均为4.3%±0.2%。

1.3.2 粉体粒径分布及比表面积测定

1.3.2.1 粒径分布测定 使用Microtrac S3500 激光粒度分析仪分析不同目数铁皮石斛粉的粒径分布。根据获得的粒径分布曲线，确定代表粒径（d）的d10、d50和d90值（μm）［12］。

1.3.2.2 比表面积分析 根据Brunauer-Emmett-Teller（BET）原理，使用ASAP 2020 M 比表面积测定仪测定不同粒径铁皮石斛粉的比表面积（m2·g-1）［15］。

1.3.2.3 粉体中多糖溶出率测定 参考《中华人民共和国药典 2020 年版 四部》［16］通则中的“0931 溶出度与释放度测定法”中第三法，精密称取不同粒径铁皮石斛粉体3.000 g，置于溶出杯中，加入150 mL 超纯水，在75 r·min-1、（37±0.5）℃条件下进行溶出试验，分别于5、10、15、20、25、30、60、90、180 min取各溶出杯中溶液4 mL，同时补充同温度超纯水4 mL，溶出液立即采用0.45 μm 滤膜过滤，测定多糖含量。测定方法参考Dubios等［17］，经苯酚-硫酸法显色后采用酶标仪测定OD490nm值，以葡萄糖标准品制作标准曲线，换算得溶出液中多糖浓度为m（mg·mL-1），按公式（1）计算溶出率：

式中，275.1 表示铁皮石斛中多糖的真实含量（mg·g-1DW），测定方法参考文献［14］。所有试验均设置3个平行。

1.3.4 铁皮石斛粉的粉体特性研究

1.3.4.1 粉体流动特性分析 粉体流动特性指标有Carr’s指数、滑动角和休止角等，其中，Carr’s指数测定参照Muttakin 等［18］的方法；滑动角和休止角的测定参照Liang等［19］的方法。所有试验均设置3个平行。

1.3.4.2 粉体水合特性分析 粉体的水合特性主要包括持水能力（water holding capacity，WHC）、溶胀能力（water swelling capacity，WSC）和水溶性指数（water solubility index，WSI）等［6］，均参照Meng 等［12］的方法进行测定。所有试验均设置3个平行。

1.3.4.3 粉体显微状态观察 使用扫描电子显微镜在5 kV 加速电压和10～15 mm 工作距离下，对铁皮石斛粉体样本进行形态学表征。用厚10 nm 的铂金涂覆样品以使样品导电。

1.3.4.4 色差分析 使用Chroma Meter CR-400色差计测定不同粒径铁皮石斛粉体的颜色。该装置使用标准白色表面校准板校准（L*=93.39，a*=-0.14，b*=3.27）。色差计测量的是样品的反射颜色，以Hunter 的颜色值表示。总色差变化（ΔE）按照公式（2）计算：

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016 进行数据统计，以平均值±标准偏差（Mean±SD）表示，采用SPSS 19.0 软件对数据进行t检验和显著性分析，P＜0.05 为差异具有统计学意义，用OriginPro 2017软件绘图。

2 结果与分析

2.1 粉体的粒径分布及比表面积

由表1 可知，经不同筛网筛分后铁皮石斛粉体粒径与筛网孔大小变化一致，在d50水平上的粒径范围是35.9～572.4 μm，但由于不同标准筛的最大通过直径并非呈现线性变化，且差值并非某一固定值，导致各粉体样本的粒径分布较广，故在实际生产中可以通过优化粉体化技术和参数获得有相似中值粒径的目标粉体，或缩小筛网孔径范围获得类似粒径分布的样品。比表面积同为粉体重要特征指标，本研究采用气体吸附法测定了不同粒径铁皮石斛粉体的比表面积，随着粒径减小，比表面积逐渐增大，在［150，200）目与［200，250）目的变化幅度最大，增幅为68.1%（表1），推测这两种粒径样本之间较大的比表面积差异可能会反映在粉体水合特性（如持水能力、溶胀能力等）和成分溶出特性差异上。

表1 铁皮石斛粉体的粒径分布及比表面积Table 1 Particle size distribution and specific surface area of D.officinale powder

2.2 不同粒径铁皮石斛粉体中多糖溶出率

由图1 可知，铁皮石斛粉体中多糖溶出率随处理时间延长而增加，但除［50，80）目/180 min（35.5%）外，其余组的多糖溶出率均在30%以下。多糖溶出率随粒径减小（目数的增加）呈先上升后下降趋势。溶出时间在前30 min时，不同粒径粉体的溶出率变化不大，以［100，200）目的溶出率稍高；而在60～180 min 时，则以［50，200）目的粉体多糖溶出率最高，但≥200 目粒径粉体中多糖的溶出率反而出现了较大下降。因此，在铁皮石斛粉体化加工中并非时间越长、粒径越小越好，当达到一定程度之后，粒径变化反而不利于铁皮石斛功能成分多糖的释放。

图1 粒径和时间对铁皮石斛粉体中多糖溶出率的影响Fig.1 Effects of particle size and time on dissolution of polysaccharides from D.officinale powder

2.3 不同粒径铁皮石斛粉的粉体特性

2.3.1 粉体的流动性 由表2 可知，反映铁皮石斛粉体流动性的3 个指标（休止角、滑动角和Carr’s 指数）总体上随粒径减小而增大，尤其是［200，250）目粉体的休止角和Carr’s指数显著高于［150，200）目的粉体（P＜0.05），且≥200 目的铁皮石斛粉体流动性变为“非常差”的水平。

表2 铁皮石斛粉体的休止角、滑动角和Carr’s指数Table 2 The repose angle，slide angle，and Carr’s index of D.officinale powder

2.3.2 粉体的水合特性 由图2-A可知，铁皮石斛粉体的WHC随粒径减小先升高后降低。粗粉［20，100）目间的WHC 无显著差异（P＞0.05），但［100，200）目出现显著上升（P＜0.05），［100，150）目和［150，200）目的WHC 分别为9.97 和11.22 g·g-1，随后出现急剧下降，如［200，250）目的WHC 仅为［150，200）目的64.2%。WSC 的变化与WHC 较为一致，同样以［150，200）目时的WSC 值最大（23.16 mL·g-1），显著高于其他粒径组（P＜0.05）（图2-B）。铁皮石斛粉体的WSI随粒径减小呈先升后降趋势，从最高的42.70%［50～80）目降至最低的24.59%（≥300 目），在［50，200）目较为稳定且处于高位（图2-C）。

图2 不同粒径铁皮石斛粉体持水能力（A）、溶胀能力（B）和水溶性指数（C）变化Fig.2 Changes of water holding capacity （A），swelling capacity （B），and water solubility index （C） in D.officinale powder with different particle sizes

2.3.3 粉体的表面微观结构 不同粒径铁皮石斛粉体的表面微观结构见图3，可见颗粒随目数降低而减小，低目数［20，100）目的粉体呈块状且附着细小粒子，≥100目时，球体颗粒破碎程度加剧，且目数越大（粒径越小）碎片化越严重（图3-A），但高目数（≥200目）时，粒径的降低反而促进了粉体的团聚现象（图3-B）。

图3 不同粒径铁皮石斛粉体的表面微观结构扫描电镜图Fig.3 Scanning electron microscope images of D.officinale powder with different particle sizes

2.3.4 粉体的色差 色泽是食用性粉体在使用过程的一个重要感官指标。L*、a*和b*值分别表示亮度、红度（+）/（-）绿度和黄度（+）/（-）蓝度，ΔE代表总色差。如图4 所示，随着粉体粒径的减小，L*值（图4-A）呈现上升趋势，尤其以［150，200）目（69.00）与［200，250）目（75.06）的粉体L*值出现显著提高，两者的差值为6.06。a*值（图4-B）变化拐点出现在［150，200）目（1.33）与［200，250）目（-1.44）之间，数值从正值变成负值。b*值（图4-C）拐点同样出现在［150，200）目（17.07）与［200，250）目（19.61）之间，两者差值为2.55。铁皮石斛粉体的总色差ΔE值（图4-D）随粒径减小整体呈显著下降趋势，以≥ 300 目时的ΔE值（22.17）最小。

图4 不同粒径铁皮石斛粉体的色差变化Fig.4 Color changes of D.officinale powder with different particle sizes

3 讨论

铁皮石斛粉体中多糖溶出率几乎均低于30%，提示还需将粉体化与其他深加工技术联合以进一步促进铁皮石斛中多糖释放；同时，铁皮石斛粉体越细，其多糖溶出率并非越高，≥200 目粉体中多糖溶出率反而出现下降。这是因为，一方面粉体粒径降低引起比表面积和表面能增大，颗粒间出现较强的相互吸引力，使粒子产生团聚而影响多糖释放［6］；另一方面粉体在溶出过程中存在溶出-吸附平衡，粒径减少造成比表面积增大，虽在一定程度上促进了粉体中成分的溶出，但粒径过小造成其表面能增加又加大了粉体对极性成分的吸附力，反而不利于成分的溶出［20］。

铁皮石斛粉体的流动性参数（休止角、滑动角和Carr’s指数）随粒径减小而变大（流动性变差），同样表现为≥200 目粉体流动性显著变差，可能原因是，≥200目的铁皮石斛粉体比表面积急剧增大引起颗粒间的接触点和互作面积增加，造成粉体间的吸附力变大，从而正向地影响了粉体的休止角和滑动角［21］，不利于粉体的流动；同时，粉体中富含多糖类亲水性物质，也会随粉体粒径减小（比表面积增大）而暴露量增加，样品更易吸收空气中的水分，引起粉体颗粒间粘附性增加，使得流动性变差［22］。本研究结果与Zhang等［23］对不同粒径烟草叶粉流动性分析结果以及马千程等［24］对苹果皮全粉的研究结果一致。

铁皮石斛粉体的水合特性（WHC、WSC 和WSI）随粒径减小呈先升后降趋势。Jiang 等［25］采用球磨仪对三种橘皮纤维进行持续粉碎发现，随着粉碎时间延长（粒径减小），橘皮纤维的WHC和WSI先升后降；同样，在一项关于粒径对玉米皮粉体特性影响的研究中也发现，细小颗粒（200～400目）玉米皮粉的WHC和WSC均随粒径减小先增后减［26］。铁皮石斛粗纤维和半纤维素含量很高，粉体化能够增加物料中不溶性纤维的毛细管吸力和孔隙度，影响水结合位点的性质和数量，还可以使得植物纤维素和半纤维素中的亲水基团暴露，从而提高物料的水合能力［27］。但过度的粉体化使这些多糖链形成的亲水性多孔结构被破坏甚至坍塌，反而会导致粉体WHC 和WSC 降低［28］。本研究铁皮石斛粉体WSI 结果与Huang 等［10］、牛潇潇等［29］的结论相悖，他们解释的原因是超微粉碎可促进不溶性膳食纤维向可溶性膳食纤维转化，进而提高WSI值，提示铁皮石斛即使粉体化加工至300 目也并未较好地促进其中的不溶性膳食纤维向可溶性膳食纤维转化。

植物粉体的功能特性还取决于颗粒的表面组成和表面特征［30］，这也是一些粉体特性能够更好地解释和表征颗粒表面以及它们与环境之间的物理和/或化学相互作用的原因之一。采用扫描电镜对粉体表面微观结构进行表征，虽然粉体化可以使铁皮石斛粉的碎片化增多，但高目数（≥200 目）粉体中明显观察到粒子间吸附加剧，与前期测定的粉体WHC和WSI等物理性质在≥200目时反而减弱的结果匹配。

铁皮石斛粉体色泽变化与其内在质量改变密切相关，是粉体对光的反射与衍射等光学现象的总体表现。不同粒径铁皮石斛粉体的颜色参数（L*、a*、b*和ΔE值）变化差异较大。［200，250）目样本的L*值较［150，200）目显著提高（即亮度增大），可能原因是粒径降低致使比表面积增大、粉体对光的反射增强。a*值变化拐点出现在［150，200）目与［200，250）目之间，且数值从正值变成负值，此差异说明粉体颜色从红色开始变绿，可能解释是更细的粉碎使得铁皮石斛内部叶绿素暴露增加（偏绿），而此前烘干造成的铁皮石斛外表面（偏红）色泽被混入更多叶绿素，对于铁皮石斛粉体来说，保持或者提高原料本身的绿色十分必要。b*值变化趋势表明粉体化提高了铁皮石斛的黄度，可能与粒径减小引起粉体中酚类物质暴露量增加、进而加剧酚类氧化概率有关［31］。粉体的总色差ΔE值随目数减小而降低，也与前人的研究结果一致［13］。

总之，在植物原料的粉体化处理时，针对不同原料特性、组织结构及其成分的含量组成，采用的粉体化技术和参数需要不断优化，以获得品质优、工艺成本低的粉体产品。

4 结论

不同粒径铁皮石斛粉体中多糖的溶出率及其粉体特性差异较大。多糖溶出率随粉体粒径减小总体呈先升后降趋势，拐点出现在200 目前后，且几乎所有粉体的多糖溶出率均不足30%，可能与铁皮石斛多糖含量高、黏度大有关。粉体流动性随粒径减小而降低，≥200 目粉体的流动性属于“非常差”水平；粉体的水合特性（WHC、WSC 和WSI）随粒径变小先升后降，最高点出现在［150，200）目样本中；此外，色差分析也表明在［150，200）目与［200，250）目粉体之间，L*、a*、b*和ΔE值的变化幅度最大，主要与粉体的比表面积在［150，200）目与［200，250）目之间急剧增大有关。综上所述，将铁皮石斛粉体化加工至［150，200）目可保证粉体细度同时兼具一定的流动性和较高水合特性，能较好满足工业化应用的需求。