竹笋是禾本科(Poaceae)竹亚科(Bambusoideae)多年生常绿草本植物,具有种类多,适应性强,分布广等特点[1]。中国是世界上产竹最多的国家之一,拥有500多种笋用竹,可食用笋竹200余种,其中品质优良的笋竹30种以上,鲜笋年产量约2 000万t[2]。但由于鲜笋存在贮藏期短、易木质化变质等问题,故60%以上的笋制品均为加工产品。竹笋加工过程中产生的笋头、笋脚等副产物富含纤维素、木质素和不溶性的半纤维素等成分,是膳食纤维(dietary fiber, DF)良好的来源。研究表明,竹笋膳食纤维(bamboo shoots dietary fiber, BSDF)具有比其他DF更好的水油保持能力[3],可以应用在肉制品[4]、果酱[5]、面包[6]等食品中。但由于BSDF中不溶性DF含量较高[7],对产品的口感造成不利影响。因此,国内外学者分别采用化学酸碱法[8]、生物酶法[9]和物理机械法[10]等方式对BSDF改性,以提升BSDF品质。其中,物理机械法具有快捷高效、环境友好、操作简单等优点,是最有应用前景的DF改性方式之一。
高压均质(high-pressure homogenization, HPH)技术是一种在食品工业中广泛应用的微细化加工方法。在DF处理过程中,HPH可以使DF分子间的连接键断裂、颗粒细化、结构疏松[11],显著减小DF的粒径[12],提高水溶性DF的含量[13]、改善水合能力[14]。但超微粒子间的强自吸附特性极易使粒子在HPH处理过程中发生团聚行为,加入合适的乳化剂可以提高DF的表面电位,从而增加颗粒间的排斥作用,有利于解决高压团聚性问题。刘成梅等[15]研究发现复配乳化剂对大豆DF悬浊液在微射流瞬时高压作用下团聚性有显著影响,能有效改善DF的团聚性问题。
单硬脂酸甘油酯(glyceryl monostearate, GMS)简称单甘酯,是一种非离子型表面活性剂,已作为分散剂、乳化剂等广泛应用于食品工业中。因此,我们假设在HPH处理过程中,添加GMS能有效减少BSDF的团聚行为,使粒径显著减小,提升BSDF超细粒子的分散效果,同时提高BSDF的理化特性,但目前该假设尚未被证实。因此,本文以BSDF为研究对象,在其HPH改性过程中添加不同质量分数的GMS,测定处理前后BSDF的粒径、电位、水合性质、持油能力、色泽等理化性质,同时分析BSDF热稳定性、微观结构、官能团特性和相对结晶度等变化,并探究其背后的机制。以期得到一种能有效改善BSDF高压团聚行为的方法,为BSDF高值化利用提供新思路。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
金佛山方竹笋,重庆市特珍农业开发有限公司;木瓜蛋白酶(800 U/mg),上海源叶生物技术有限公司;多力葵花籽油,重庆市北碚区天生街永辉超市;单硬脂酸甘油酯(化学纯),成都市科隆化工试剂厂。
1.2 仪器与设备
207A型超高压均质机、10ND型冷冻干燥机,宁波新芝生物科技有限公司;Zetasizer Nano ZS粒度分析仪,英国马尔文仪器有限公司;UltraScan PRO型分光测色仪,美国Hunter Lab公司;TGA55型热重分析仪,美国TA公司;Phenom Pro扫描电镜,荷兰Phenom World公司;Spectrum 100型傅里叶红外光谱仪,美国Perkin Elmer公司;XRD—7000型X射线衍射分析仪,日本岛津公司。
1.3 样品处理
取新鲜方竹笋,切片后沸水漂烫10 min,热风烘干后粉碎得到方竹笋粗粉。取适量方竹笋粗粉,以料液比1∶20(g∶mL)与蒸馏水混匀,加入800 U/g木瓜蛋白酶,在55 ℃酶解2 h后沸水灭酶,以6 000 r/min离心20 min,弃去上清液,收集沉淀,冻干,粉碎后过200目筛得BSDF。将上述BSDF制成15 g/L溶液,将BSDF溶液平均分为5份,分别加入0、0.5、1、1.5、2 g/L的GMS,其中以未加入乳化剂GMS的样品为对照组(CK)。先于磁力搅拌器下分散30 min,再使用高压均质机连续处理6次,收集均质后的溶液,每个样品分别取5 mL用于粒径和电位的测定,其余溶液冷冻干燥以进行理化性质和结构的测定。
1.4 粒径和电位的测定
参照DING等[16]的方法,将样品用蒸馏水稀释至1 mg/mL,在25 ℃下采用纳米粒度分析仪测定其粒径和电位大小。粒径测定条件:平衡时间2 min,激光He-Ne。电位测定条件:折叠毛细管间距0.4 cm,铂电极0.45 cm2,平衡时间2 min。
1.5 持水力、持油力和膨胀力测定
参照杨振寰[17]的方法测定。
1.6 色泽的测定
使用测色仪测定样品L*、a*、b*值,以CK测定的L*、a*、b*值作为L0*、a0*、b0*。总色差ΔE的计算如公式(1)所示:
(1)
1.7 热重分析
取5～10 mg干燥样品,使用热重分析仪,采用热重(thermogravimetry, TG)和微分热重(differential thermo gravimetry, DTG)分析法测定样品的热力学性质。试验在充N2条件下进行,升温速率为10 ℃/min,测定范围为25～550 ℃。
1.8 微观结构观察
采用扫描电子显微镜表征BSDF的微观形貌。用导电胶将少量干燥的粉末样品固定在金属片上,表面喷金后置于扫描电镜中观察,加速电压15 kV,放大倍数250倍。
1.9 红外光谱分析
取0.2 g片状样品放入红外光谱仪中进行分析扫描,测定温度25 ℃,扫描次数64次,分辨率4 cm-1,扫描范围600～4 000 cm-1。
1.10 X射线衍射分析
参照万婕等[18]的方法,采用步进扫描法,Cu-Kα靶,步长0.02°,工作电压40 kV,电流40 mA,扫描范围5°～60°,扫描速率2 °/min。相对结晶度(relative crystallinity, RC)按公式(2)计算:
(2)
式中:Ac,结晶区域峰面积,Aa,非晶区域峰面积。
1.11 数据处理
所有试验均重复3次,采用Excel 2019进行数据处理,采用Origin 2018对数据绘图,运用SPSS 21.0进行差异显著性分析,P<0.05为差异显著。
2 结果与分析
2.1 GMS对HPH处理BSDF粒径和电位的影响
粒径分布的改善对DF的理化性能有很好的促进作用[19]。由图1-a可知,与CK相比,GMS添加组粒径均显著减小,且随着GMS添加量的增加,样品粒径先减小后增大,各组间粒径差异显著,表明GMS能有效抑制BSDF的团聚行为。当GMS添加量为1.0 g/L时,粒径达到最小值430.25 nm,较未处理组减小47.22%。这可能是因为GMS能通过表面改性增加HPH处理后BSDF粒子的表面电荷,增大粒子间的静电排斥作用和位阻效应,使分散体系排斥能大于吸附能,从而减少溶液的团聚,使添加GMS的实验组粒径均显著减小。但HPH处理后,GMS在BSDF溶液中分散度减小,导致其增加粒子表面电位的能力变弱,使BSDF的团聚现象明显,粒径增大。
a-粒径;b-电位
图1 GMS对HPH处理的BSDF粒径和电位的影响
Fig.1 Effect of GMS on particle size and potential of HPH-treated BSDF
注:不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)(下同)。
Zeta电位能够反映分散体系的稳定性[20]。DF溶液的电位绝对值越大,则粒子间的静电排斥力越大,可以防止絮凝和凝聚,提高溶液稳定性[21]。如图1-b所示,各实验组电位的绝对值在添加GMS后均显著增大,均高于25 mV,说明乳化剂稳定效果好[11]。且各组的电位均为负值,说明颗粒表面具有带负电荷的基团[22]。随着GMS添加量的增加,电位绝对值先增大后减小,在GMS添加量为1 g/L时电位绝对值达到最大值32.3 mV,此时溶液有良好的分散能力。研究表明,GMS添加量对BSDF的再分散有显著影响。当GMS添加量不足时,颗粒间的静电斥力小于吸引力,易使物料团聚;当GMS添加过量时,BSDF会发生吸附饱和现象,使其表面的亲水性降低从而破坏了体系的平衡[23]。
2.2 GMS对HPH处理BSDF持水力、持油力、膨胀力的影响
良好的持水力、持油力和膨胀力有利于减少产品的脱水和收缩,延长产品的保质期[24]。如表1所示,添加GMS使HPH处理的BSDF的持水力、持油力和膨胀力先增大后减小。在GMS添加量为1 g/L时,与CK相比,BSDF的持水力、持油力、膨胀力分别提高了25.18%、32.33%、43.95%。研究表明,HPH处理使BSDF粒径减小,纤维颗粒结构展开,包裹在颗粒中的亲水基团暴露,使其与水的结合能力增强,从而使持水力和膨胀力提高[17]。添加GMS后,样品的表面电荷增加,使粒子间的静电排斥作用和位阻效应增大,BSDF粒径减小,进而使持水力和膨胀力显著增大。持油力的提升与BSDF体积密度降低、多孔性和毛细管吸引力作用增强有关[25]。在HPH处理过程中添加GMS,使样品颗粒细化,分散性、孔隙率提高,增加了BSDF与油的接触面积,导致持油力提高[26]。
表1 GMS对HPH处理的BSDF持水力、持油力和膨胀力的影响
Table 1 Effect of GMS on water holding capacity, oil holding capacity, and swelling capacity of HPH-treated BSDF
样品/(g/L)持水力/(g/g)持油力/(g/g)膨胀力/(mL/g)012.71±0.32c9.96±0.17d7.19±0.39c0.514.28±0.56b11.00±0.62c8.91±0.29b1.015.91±0.70a13.18±0.38a10.35±0.68a1.513.87±0.34b12.29±0.46b8.04±0.76bc2.012.96±0.21c11.74±0.99bc7.39±0.80c
2.3 GMS对HPH处理BSDF色泽的影响
样品的色泽受粒径以及微观形态的影响较大[27]。如表2所示,与CK相比,GMS添加组的L*值显著提升,且在GMS添加量为1 g/L时达到最大值90.96,不同GMS添加量对BSDF的a*值影响较小,而b*值显著降低,表明GMS的添加使BSDF黄色成分降低但对绿色成分影响较小。处理组的ΔE均大于3.5,GMS添加量为1 g/L时达到10.50,表明添加GMS后BSDF颜色变化显著。一方面,GMS的添加使BSDF颗粒分散更均匀,比表面积增大,导致整体折光率变大,色泽变浅;另一方面,冷冻干燥时水分散失会使BSDF亮度减小,纤维网络的破坏使得BSDF结构松散,也会影响BSDF的色泽,添加GMS使HPH处理后冷冻干燥的BSDF拉伸面积有较大增加,有利于提高BSDF的L*值。综上,GMS的添加有利于提高HPH处理后BSDF亮度值,可以在食品生产中添加而不影响其原本色泽,具有较好的潜在应用价值。
表2 GMS对HPH处理的BSDF颜色的影响
Table 2 Effect of GMS on the color of HPH-treated BSDF
样品/(g/L)L∗a∗b∗ΔE080.70±0.68d-0.04±0.03a8.32±0.59a-0.585.67±1.89bc-0.17±0.09b6.93±0.38b5.17±1.25c1.090.96±1.27a-0.07±0.01ab6.15±0.54bc10.50±1.21a1.587.11±0.41b-0.19±0.02b6.07±0.45c6.80±0.25b2.083.32±0.62c-0.18±0.06b5.63±0.71c3.76±0.93c
2.4 BSDF的热重分析
如图2所示,BSDF的热分解主要分为3个阶段。第1个热分解阶段发生在40～100 ℃,这是因为BSDF分子内部的自由水和结晶水逐渐蒸发[12],导致失重率开始下降。第2个热分解阶段发生在200～350 ℃,在350 ℃左右失重峰最明显,这主要是由纤维素和半纤维素自身的热降解导致的[28]。当温度>350 ℃是第3个热分解阶段,少量木质素和热解残余物被缓慢分解为碳和灰分,BSDF的失重逐渐减缓后趋于平稳。当GMS添加量为1 g/L时,失重速率(DTG)和失重率(TG)均达到最小值,这可能是由于HPH处理过程中部分GMS与BSDF结合不够紧密,当溶液进入高压均质机后,GMS与BSDF具有不同的速度,使BSDF撞击导致内部氢键等断裂,减少了热分解断键时所需的能量[26]。且此时BSDF平均粒径显著减小,使颗粒受热更均匀,热分解速率加快[29]。综上,GMS添加会使HPH处理的BSDF部分纤维结构被破坏,分子聚合度下降,热稳定性下降。
a-TG;b-DTG
图2 GMS对HPH处理的BSDF热重分析图
Fig.2 Thermal analysis of HPH-treated BSDF by GMS
2.5 BSDF的微观结构
如图3所示,5组样品均为片状且表面粗糙,部分发生断裂和破碎,这可能是因为HPH处理时BSDF与均质阀发生猛烈撞击,使得BSDF颗粒的形貌发生较大变化,即转变为片状多分支的颗粒结构[26]。与CK相比,添加GMS的BSDF样品凝聚性减小,表面更为光滑平整,结构较分散且颗粒大小形状不一。在GMS添加量为1.0 g/L时片状样品的颗粒尺寸最小,分散度最好,表面平整度最高。而当GMS添加量继续增加时,样品颗粒尺寸增大,团聚现象明显。这可能是因为GMS能通过表面改性增加HPH处理后BSDF粒子的表面电荷,增大粒子间的静电排斥作用和位阻效应,使团聚性减弱,分散性增强,理化性质得到改善,这与前文粒径分析结果一致。DF的多孔和折叠结构可以增加比表面积,暴露更多的极性基团,从而促进水的吸附和结合,进一步提升其在食品工业中的应用效果[30]。
a-CK;b-0.5 g/L GMS;c-1.0 g/L GMS;d-1.5 g/L GMS;e-2.0 g/L GMS
图3 GMS对HPH处理的BSDF微观结构的影响(×250)
Fig.3 Effect of GMS on microstructure of HPH-treated BSDF (×250)
2.6 BSDF的红外光谱分析
如图4所示,与CK相比,添加GMS后样品的整体峰型和位置基本无差异,说明GMS不影响HPH处理后BSDF的官能团种类,仅改变部分吸收峰强度。3 279 cm-1附近的宽吸收带是由纤维素和半纤维素中分子内或分子间O—H基团伸缩振动引起的,经过GMS表面改性后吸收峰形状更尖锐,峰强度略增强,这可能是因为GMS的撞击作用使BSDF内部分糖苷键断裂,形成氢键的羟基增多,同时氢键的缔合程度提高[11]。2 920 cm-1处的小尖峰是多糖甲基和亚甲基的C—H伸缩振动所致[31]。1 625 cm-1附近的吸收峰是由C
O的非对称伸缩振动引起的,表明BSDF中含有醛基或羧基[11]。与CK相比,添加GMS后峰强度增强,表明添加GMS使BSDF在HPH处理后含有的醛基或羧基数量增加。这可能是由GMS在HPH处理过程中促进了BSDF中纤维素和半纤维素等部分结构被破坏。1 535 cm-1处的弱峰是芳香族木质素的特征吸收峰[32]。1 032 cm-1处的强吸收峰是由纤维素和半纤维素中C—O伸缩振动产生的[33]。900 cm-1处是β-糖苷键的吸收峰,表明BSDF含有β-糖苷键,这可能是因为HPH处理后纤维素、半纤维素等糖单元之间的连接断裂,使BSDF的β-糖苷键暴露[17]。
图4 GMS对HPH处理的BSDF的红外光谱图
Fig.4 FTIR spectra of HPH-treated BSDF by GMS
2.7 BSDF的X射线衍射分析
X-射线衍射是一种检测多晶体系结晶度与结晶性质的有效手段[33]。如图5所示,GMS改性前后BSDF的X射线衍射图形状相似,且衍射峰的位置基本一致,表明GMS的加入没有改变BSDF的晶体结构。
图5 GMS对HPH处理的BSDF的X-射线衍射图
Fig.5 X-ray diffraction diagrams of HPH-treated BSDF by GMS
各组均在15°和22°左右处有显著的衍射峰,说明BSDF呈典型的纤维素和半纤维素晶体结构[34]。比较BSDF的RC可知,随着GMS添加量增大,BSDF的RC先减小后增大,当GMS添加量为1 g/L时,RC由未处理的38.69%减小至28.66%。研究表明,纤维素类物质是由70%有序结晶区和30%无序非晶态区组成的[34]。在HPH处理过程中,部分GMS与BSDF结合不够紧密,当溶液进入高压均质机后,GMS与均质阀撞击后具有较大动能,与BSDF碰撞在其表面形成多个小孔,使分子间氢键断裂,部分结晶区转化为无序的非结晶区,导致BSDF结晶度减小[27]。综上,GMS的添加能促使HPH处理的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。
3 结论
HPH处理BSDF过程中,添加GMS后BSDF的粒径显著减小,电位、持水力、持油力和膨胀力提高,色泽亮白,当GMS添加量为1 g/L时效果最佳。通过热重分析、扫描电镜、红外光谱和X射线衍射分析可知,添加GMS后,BSDF颗粒尺寸减小,分散度增加,表面平整度提高,晶体有序度下降,热稳定性降低。综上,GMS表面改性处理可有效改善BSDF高压下团聚的问题,为今后BSDF的开发利用提供新的参考。
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