沙棘(Hippophae rhamnoidesL.)风味独特,营养价值较高,被誉为“绿色黄金”。中国不仅是世界上天然沙棘种质资源最丰厚的国家,还是人工种植沙棘面积最大的国家[1]。沙棘叶是沙棘产业的副产物,由于技术及经济的制约,大部分沙棘叶被丢弃,资源浪费严重。研究显示,沙棘叶具有调节血脂、抗氧化、抗肿瘤等功效。例如,沙棘叶中的L-白坚木醇可以抑制α-淀粉酶的活性,降低总甘油三酯和非酯化脂肪酸含量[2];沙棘叶可以增加阿勒泰羔羊体内氨基酸和碳水化合物的含量,增加血清中总蛋白和总胆固醇含量,从而使不饱和脂肪酸含量逐渐降低[3];沙棘叶冻干提取物在大鼠全层烧伤创面愈合的修复过程中,提供了细胞保护、氧化还原稳态、细胞增殖、上皮再形成、血管生成和皮肤水合作用,减弱了氧化应激、炎症反应并增强了生物能激活[4]。
超微粉碎技术是近二十年发展起来的新的食品加工技术,指通过一系列机械作用(摩擦、碰撞和剪切力)将原料粉碎至微米级甚至纳米级粉体,而不添加化学品或产生污染物的过程,是一种绿色和可持续的方法。超微粉碎包含干法超微粉碎和湿法超微粉碎。经粉碎后,粉体颗粒粒径减小、比表面积增大、表面活性强、持水性、持油性等理化特性显著提高,适口性增强,大大提升了人体对其营养物质的消化与吸收。例如,麸皮微粉化增加了其可溶性膳食纤维含量、总多酚含量和抗氧化性能[5]。因此超微粉碎技术被广泛地应用于玉米秸秆[6]、竹笋[7]、杂粮[8]、枸杞[9]、淀粉[10]等原料的加工处理中。但是,关于沙棘叶茶粉的应用至今还未见报道。本研究通过粗粉碎、干法超微粉碎、湿法超微粉碎这3种方式制备不同粒径沙棘茶粉,探究超微粉碎对沙棘茶粉结构和理化特性的影响,为开发利用沙棘叶茶提供理论基础,同时也为开拓超微粉碎技术在茶叶领域的加工应用提供借鉴。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
沙棘叶乳酸菌发酵茶制备:将沙棘叶(2021年6月,采摘于山西古交,鲜叶自然阴干备用)清洗后沥干水,蒸青15 min,趁热用揉捻机揉捻,将揉捻好的沙棘叶按一定比例接种已活化处理的植物乳杆菌(实验室保藏),在37 ℃恒温培养箱发酵3 h后取出,放入真空干燥箱(80 ℃下干燥时间3 h,真空度-400～-600 kPa)干燥,干燥后样品即为沙棘叶乳酸菌发酵茶。
NaOH、K2SO4、CuSO4、乙酸钠、乙酰丙酮、2-(N-吗啉代)乙烷磺酸、对硝基苯酚、三羟甲基氨基甲烷,试剂均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司;热稳定α-淀粉酶液、蛋白酶液、淀粉葡萄糖苷酶液,均为分析纯,上海蓝季生物科技有限公司;菜籽油为市售。
1.2 材料与仪器
SHX 型智能生化培养箱,上海华连医疗器械有限公司;THW-220-280 新款茶叶揉捻机,长沙腾汇电子科技有限公司;YXQM-2L行星式球磨机,长沙米淇仪器设备有限公司;600Y 高速多功能粉碎机,永康市铂欧五金制品有限公司;CTFD-10S冷冻干燥机,青岛永合创信电子科技有限公司;ZetaPlus 纳米粒度及zeta电位分析仪,BROOKHAVEN有限公司;ZEISS Gemini 300 扫描电子显微镜,东莞市三本精密仪器有限公司;SC-10 色差仪,深圳市三恩时科有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 不同粒径沙棘茶粉的制备
将沙棘叶乳酸菌发酵茶利用高速多功能粉碎机粉碎,电压220 V,额定功率550 W,电机转速30 000 r/min,时间1 min,重复2次,每次间隔2 min,过60目筛,取筛下物装袋即为粗粉碎的沙棘茶粉(coarse ground sea buckthorn tea powder,CST);将经前处理的CST利用行星式球磨机球磨,单向运行,罐体为玛瑙罐,球磨介质为玛瑙球,球料比10∶1(g∶g),转速600 r/min,时间5 h,所得粉体即为干法超微粉碎的沙棘茶粉(dry ultrafine grinding of sea buckthorn tea powder,DST);将经前处理的CST用25 ℃蒸馏水配制成质量分数10 %的茶粉悬浮液,利用行星式球磨机球磨,单向运行,罐体为玛瑙罐,球磨介质为玛瑙球,球料比4∶1(g∶g),转速600 r/min,时间5 h,即得茶粉浆,一部分样品直接取出于4 ℃冰箱冷藏,用于测定粒度和ζ电位;另一部分样品通过冷冻干燥(-18 ℃预冷冻 12 h 后于真空冷冻干燥机中冷冻干燥,冷肼温度为-40 ℃,真空度<10.0 Pa,时间10 h)后其疏松块状体用研钵轻轻捣碎成粉末,所得粉体即为湿法超微粉碎的沙棘茶粉 (wet ultrafine pulverized sea buckthorn tea powder,WST),测定其他指标。
1.3.2 粉碎方式对沙棘茶粉颗粒形态和粒径的影响
1.3.2.1 粉体颗粒形态观察
依次蘸取待测样品置于导电胶上,使用离子溅射仪进行喷金,加速电压3 kV,通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)进行形貌观测,放大倍数为200、1 000、4 000倍。
1.3.2.2 粉体颗粒Zeta电位及粒度的测定
参照LU等[11]的方法,并且稍作修改。将不同粒径的沙棘茶粉配制成质量分数0.1%悬浮液,超声波处理15 min,使粒子分散均匀,溶液达到稳定状态,使用Zeta电位及粒度分析仪进行粉体粒度及电位的测定。每个样品重复测3次,取平均值。
1.3.3 化学成分测定
根据GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》测定沙棘茶粉中脂肪含量;根据 GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》测定沙棘茶粉中蛋白质含量;参照陈海银[12]的方法测定沙棘茶粉中黄酮、茶多酚含量;根据 GB 5009.88—2014《食品安全国家标准 食品中膳食纤维的测定》测定沙棘茶粉中总膳食纤维(total dietary fiber,TDF)、不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber,IDF)、可溶性膳食纤维(soluble dietary fiber,SDF)含量。
1.3.4 不同粒径沙棘茶粉理化特性测定
1.3.4.1 色泽测定
将待测样品压平置于平板上,使用SC-10 色差仪,光源D65,测量直径8 mm, 样品CST为标准,测定样品色泽。测试结果用L*、a*、b*和ΔE*表示,各样品重复测3次,取其平均值。
1.3.4.2 持水性测定
参照ZHOU等[13]的方法,并且稍作修改。准确称取0.50 g不同粒径的沙棘茶粉,置于50 mL锥形瓶内,加25 mL蒸馏水,室温(25±1) ℃条件下磁力搅拌30 min,立刻在4 000 r/min 条件下离心30 min,弃上清液,称质量。每个样品重复测3次,取其平均值。按公式(1)计算持水性:
持水性
(1)
式中:m0,样品的质量,g;m1,离心管的质量,g;m2,弃上清液后湿沉淀和离心管的质量,g。
1.3.4.3 持油性测定
参照XIAO等[14]的方法,并且稍作修改。称取3.00 g不同粒径的沙棘茶粉,置于50 mL锥形瓶内,加12 mL菜籽油,室温(25±1) ℃下磁力搅拌30 min,立刻在4 000 r/min 下离心30 min,弃上层菜籽油,称其质量。每个样品重复测3次,取其平均值。按公式(2)计算持油性:
持油性
(2)
式中:m0,样品的质量,g;m1,离心管的质量,g;m2,弃上层菜籽油后湿沉淀和离心管的质量,g。
1.3.4.4 休止角测定
参照王维浩等[15]的方法,并且稍作修改。称取3.00 g不同粒径的沙棘茶粉,置于玻璃漏斗中,垂直流下至玻璃板上,漏斗尾端与玻璃板间的垂直距离为3 cm,垂直流下的粉体会在玻璃板上形成一个圆锥体,测量此圆锥体表面与玻璃板的夹角即为粉体的休止角。每个样品重复测3次,取其平均值。按公式(3)计算休止角(θ):
(3)
式中:H,粉体高度,cm;r,圆锥体半径,cm。
1.3.4.5 润湿性测定
湿润性参照时东杰等[16]的方法测定。
1.4 数据处理
采用SPSS 22.0 软件进行差异显著性分析,以P<0.05表示差异显著;图形绘制使用Origin 2018 软件;每个样品测试3次,实验结果以平均值±标准差表示。
2 结果与讨论
2.1 不同粉碎方式对沙棘茶粉粒径和形态的影响
2.1.1 不同粒径粉体颗粒Zeta电位及粒度分析
粉体的粒径大小不仅可以衡量沙棘茶粉的品质,还可以改变其物料特性。D10、D50、D90分别代表样品粒径累积分布为10%、50%、90%时所对应的粒径。D50为粒径的中值,常用来表示粉体的平均粒径,具有代表性。CST、DST、WST的粒径如表1所示。
表1 不同粒径沙棘茶粉粉体颗粒粒度
Table 1 Different sizes of sea buckthorn tea powder particle size
类别粒径/nmD10D50D90离散度CST488.63±6.35c967.50±22.63a1915.67±64.76a1.47±0.03aDST758.53±25.15a830.43±27.54b909.10±30.15b0.18±0.00bWST582.63±19.52b637.83±21.39c698.27±23.38c0.18±0.00b
注:同一列数据后不同小写字母表示样品间差异显著(P<0.05)(下同)。
由表1可知, D50从大到小排序为:CST(967.50 nm)>DST(830.43 nm)>WST(637.83 nm),表明超微粉碎可以使粉体粒径显著减小,并且通过湿法超微粉碎得到的粉体粒径显著小于干法超微粉碎的粉体粒径。可能原因是:(1)茶叶中膳食纤维在湿的状态下容易吸水膨胀得到伸展,组织相对来说更疏松,比干法粉碎时更易断裂;(2)湿法超微粉碎有水作介质,在研磨中不仅可以降低罐体温度,提升研磨效率,还可以增加粉体与研磨球的碰撞频率。不同粉碎方式可以显著改变粉体粒径大小,随着粉碎强度增加,粉体粒径逐渐减小,粒径分布变窄, 粉体更均匀,质感细腻[17]。
不同粒径沙棘茶粉ζ电位如图1所示。3种样品ζ电位都为负值,颗粒均带负电荷。但不同粉碎方式可以显著影响粉体颗粒的表面电荷,经过干法超微粉碎后,ζ电位绝对值从29.31增加到34.28,增加了16.96%,差异显著(P<0.05)。经过湿法超微粉碎后,ζ电位绝对值从29.31增加到39.75,增加了35.62%,差异显著(P<0.05)。以上结果表明超微粉碎可以显著增加粉体颗粒表面电荷。这可能是由于粉体中IDF基质被破坏、暴露出更多极性基团及更多带电的SDF所致[18]。
图1 不同粉碎方式对沙棘茶粉体颗粒电位的影响
Fig.1 Effect of different crushing methods on particle potential of sea buckthorn tea powder
2.1.2 不同粒径粉体颗粒形态分析
不同粒径沙棘茶粉粉体颗粒形态如图2所示。粗粉碎不彻底,粉体中还存有未被粉碎的叶杆,且粉体呈现出高度团聚的形态,这与其较低的ζ电位(-29.31)有关,此时粉体间静电排斥力较小,容易发生团聚现象。超微粉碎可以充分粉碎茶叶中物质,显著改变粉体的形态。经干法超微粉碎后,粉体颗粒显著减小,因其ζ电位显著增加,粉体间静电排斥增加,团聚现象减弱。经湿法超微粉碎后,粉体结构变得疏松多孔,但也有团聚发生,这可能是由于粉碎后经冷冻干燥,粉体发生团聚,增大粉体粒径。同时,仍可看到一部分单独存在的纳米颗粒。上述结果表明,超微粉碎能使粉体粒径发生显著改变,甚至改变颗粒-颗粒间的相互作用。ZHAO等[19]在米糠不溶性膳食纤维的超微处理中也观察到SEM形态发生了类似的变化。
1-放大200倍,2-放大1 000倍,3-放大4 000倍 a-CST 1;b-DST 1;c-WST 1;d-CST 2;e-DST 2; f-WST 2;g-CST 3;h-DST 3;i-WST 3
图2 不同粒径沙棘茶粉扫描电镜图
Fig.2 SEM images of sea buckthorn tea powder with different particle sizes
2.2 不同粒径沙棘茶粉化学成分分析
不同粒径沙棘茶粉化学成分含量如表2 所示,粉体蛋白质含量无显著差异(P>0.05)。与CST相比,WST中脂肪含量显著增加(P<0.05),增加了7%,可能原因是粉体粒径减小,其表面积和孔隙增大,导致更多的脂肪成分暴露出来,这与HE等[20]的研究结果一致。与CST相比,DST、WST粉体黄酮含量显著降低(P<0.05),这可能是因为在粉碎过程中温度过高,黄酮被氧化,导致超微粉碎后粉体黄酮含量降低。与CST相比,WST中茶多酚含量显著降低(P<0.05),可能是因为湿法超微粉碎过程中粉碎强度过大,粉体受到较强的综合作用力,破坏了多酚结构,导致其含量降低。与CST相比,DST、WST的SDF、IDF和TDF含量均显著增加(P<0.05),其中SDF的增加量分别达到了15.47%和22.58%;SDF/IDF 的比值从14.98%分别增加到16.54%和17.56%,说明超微粉碎主要增加了可溶性纤维(SDF)的含量。纤维素是大分子多糖,由葡萄糖经β-(1,4)糖苷键连接而成,含有高度有序的结晶区域和无定形区域[21],超微粉碎可以使沙棘茶粉中膳食纤维组分重新分布[22]。经超微粉碎粉体粒径减小,纤维素结晶区被破坏,比表面积增加及暴露出更多亲水基团,可能导致部分 IDF(半纤维素、纤维素和木质素)转化成 SDF,或者是包裹在 IDF 结构内部的 SDF 被释放出来。这与HUANG等[23]的研究结果一致,由于颗粒结构和物理化学性质发生改变,颗粒尺寸减小导致IDF 转化成 SDF。
表2 不同粒径对沙棘茶粉粉体化学成分的影响(干物质)
Table 2 Effect of different particle size on chemical composition of sea buckthorn tea powder(dry matter)
样品脂肪/%蛋白质/%黄酮/%茶多酚/%IDF/[g·(100 g)-1]SDF/[g·(100 g)-1]TDF/[g·(100 g)-1]SDF/IDF/%CST3.00±0.01b22.15±0.08a3.93±0.05a10.56±0.20a41.84±0.13b6.27±0.24c48.11±0.37b14.98DST2.89±0.02c22.39±0.16a3.61±0.10b10.65±0.16a43.72±0.26a7.23±0.09b50.96± 0.35a16.54WST3.21±0.03a22.41±0.06a3.18±0.04c8.40±0.23b43.73±0.02a7.68±0.20a51.41±0.22a17.56
2.3 不同粒径沙棘茶粉理化特性分析
2.3.1 不同粒径粉体颗粒色泽分析
由表3可知,不同粉碎方式可以显著影响粉体的色泽。与粗粉碎相比,超微粉碎的L*值显著增加(P<0.05),表明其粉体亮度显著提升,原因是随着研磨过程中机械力、剪切力的增强,粉体粒径减小,表面积增大,反射光线增多,导致亮度增加。其中,DST亮度显著高于WST(P<0.05),可能是因为湿法超微粉碎可以加剧粉体中的糖类、氨基酸、蛋白质等发生美拉德反应,造成粉体褐变,导致粉体亮度降低。a*值指示红绿色调,a*为正值,表明样品色泽偏红,a*为负值,表明样品色泽偏绿;b*值指示黄蓝色调,b*为正值,表明样品色泽偏黄,b*为负值,表明样品色泽偏蓝。与粗粉碎相比,超微粉碎的a*、b*值均显著增加(P<0.05),DST的a*、b*值分别增加了21.4%和5.5%,WST的a*、b*值分别增加了10.1%和6.7%,表明粉体更红更黄。出现这种现象的原因可能是:(1)随着粉体粒径减小,茶粉中的有色物质更容易暴露,从而导致色泽的改变,这与ISLAM等[24]的研究一致;(2)在超微粉碎过程中温度过高,黄酮易被氧化,导致粉体红黄程度的加深。ΔE*指示样品色差值,与粗粉碎相比,超微粉碎后ΔE*值增加,说明超微粉碎对粉体色泽不均、色泽暗淡等不足有明显的改善作用。
表3 不同粒径对沙棘茶粉粉体色泽的影响
Table 3 Effect of the same particle size on the color of sea buckthorn tea powder
样品L∗a∗b∗ΔE∗CST37.99±0.47c5.93±0.03c29.51±0.01cDST52.48±0.21a7.20±0.01a31.14±0.03b14.67±0.21aWST42.12±0.47b6.53±0.02b31.50±0.01a4.63±0.41b
2.3.2 不同粒径粉体颗粒持水性、持油性分析
持水性、持油性是指样品在受到压力或离心力时可吸附水、油的能力。如表4 所示,与CST相比,DST的持水性、持油性显著降低(P<0.05),分别降低了28.53%和20.63%。这可能是因为在干法超微粉碎中破坏了沙棘茶粉的细胞结构,细胞破损增加,造成其对水分子和油脂的束缚力减弱,从而导致DST粉体持水性、持油性降低。这与JIN等[25]的研究结果一致。与CST相比,WST的持水性、持油性显著增加(P<0.05),分别增加了22.32%和95.24%。这可能是因为经湿法超微粉碎后粉体颗粒粒径减小,比表面积增加,水分、油脂与粉体之间接触增加,导致WST粉体持水性、持油性增加;湿法超微粉碎破坏粉体中的膳食纤维,暴露出大量亲水基团、亲油基团,这些基团与水分、油脂相结合,导致WST粉体持水性、持油性增加。这与YANG 等[26]的研究结果一致。
表4 不同粒径对沙棘茶粉粉体理化指标的影响
Table 4 Effects of different particle size on physicochemical indexes of sea buckthorn tea powder
样品持水性/(g·g-1)持油性/(g·g-1)休止角/°润湿性/sCST3.54±0.13b1.26±0.03b50.19±0.00a195.33±1.53aDST2.53±0.04c1.00±0.05c46.19±0.31b13.00±0.00bWST4.33±0.29a2.46±0.10a43.13±0.27c2.00±0.00c
2.3.3 不同粒径粉体颗粒休止角分析
休止角能反映粉体的流动性,其大小与粉体的粒径、湿度、电荷等因素有关[27],休止角越小,粉体的流动性能越好。不同粒径沙棘茶粉休止角如表4所示,与粗粉碎沙棘茶粉相比,超微粉碎后粉体休止角显著降低(P<0.05),说明超微粉碎后粉体具有更好的流动性,并且湿法超微粉碎效果强于干法超微粉碎。可能原因是:超微粉碎可以使粉体粒径显著降低,且湿法超微粉碎处理后的粉体粒径更小,颗粒更易团聚,在重力作用下易成团滑落,导致粉体流动性增加;超微粉碎后,粉体颗粒圆润程度为:WST>DST>CST,在滑动过程中摩擦力减小,使得粉体流动性增加。
2.3.4 不同粒径粉体颗粒润湿性分析
润湿性可以反映粉体对水的亲和能力,润湿时间长,则表明粉体润湿性弱,润湿时间短,结果则相反。粉体润湿性强表明其加工性能好,更利于人体消化吸收。不同粒径沙棘茶粉润湿性如表4所示,与CST相比,DST、WST粉体润湿性显著降低(P<0.05),分别降低了93.34%、98.98%,说明超微粉碎后的粉体对水的亲和能力更强,并且湿法超微粉碎处理后的粉体亲水能力显著强于干法超微粉碎(P<0.05)。可能原因是:(1)随着粉碎强度增加,细胞破碎程度增加,暴露出更多的亲水基团与水分子结合,缩短粉体被浸润的时间;(2)由于粉体粒径减小,粉体颗粒黏性增加,易发生团聚现象,在浸润过程中粉体重力增加,下沉速度加快,因此超微粉碎后粉体润湿性好。
3 结论
本研究采用3种不同粉碎方式制备不同粒径沙棘茶粉,对粉体结构、化学成分及部分食品加工特性进行了比较。与CST相比,DST粉体粒径显著减小到了830.43 nm,ζ电位绝对值显著增加了16.96%,减弱了粉体团聚现象;膳食纤维含量显著增加,特别是SDF增加了15.47%,且SDF/IDF 值从14.98%增加到16.54%,说明干法超微粉碎主要增加了SDF的含量,茶多酚含量也略有增加,但是脂肪含量和黄酮含量显著降低;粉体亮度得到显著提升,但是持水性、持油性、润湿性显著降低,说明粉体与水、油亲和能力下降。对WST而言,与CST相比,其粉体粒径显著减小到了637.83 nm,ζ电位绝对值显著增加了35.62%;膳食纤维含量显著增加,特别是SDF增加了22.58%,且SDF/IDF 值从14.98%增加到17.56%,说明湿法超微粉碎主要增加了SDF的含量,但是黄酮、茶多酚含量显著降低;粉体亮度得到显著提升,持水性、持油性显著增加了22.32%、5.24%,休止角、润湿性显著减小,说明粉体与水油结合能力、流动性能得到大大提升。总体而言,超微粉碎能使粉体粒径显著减小,达到纳米级别,减弱团聚现象;并提高粉体亮度,增加粉体流动性;此外,超微粉碎后沙棘茶粉膳食纤维尤其是可溶性膳食纤维含量显著增加,但黄酮含量显著降低。综上所述,超微粉碎有效改善了沙棘茶粉的粒径、化学成分和理化特性,且湿法超微粉碎效果优于干法超微粉碎,但考虑到粉体制备过程中湿法超微粉碎操作工序较复杂、耗时长,经济成本高等因素,可以选择干法超微粉碎这一较为简便、快捷的粉碎方法,将为沙棘叶茶产业的未来开发提供理论依据。
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