芡实是一年生大型浮叶型水生植物芡(Euryale ferox Salisb.)的种子,有“水中人参”的美誉。此外,芡实在印度、俄罗斯、日本等国家也有分布[1]。芡实种仁俗称“鸡头米”,是一种传统中药材和药食兼用食材[2]。据《神农本草经》、《本草纲目》等典籍记载,芡实具有“益肾固精,补脾止泻,除湿止带”等功效[3-4]。现代分析研究表明,芡实中富含多酚类物质(0.93 mg/g),包括:儿茶素、芦丁、没食子酸等[5-6]。除酚类物质以外,宫照斌从芡实中分离出一类萜烯类物质,具有降血糖及改善胰岛素抵抗作用[7]。SONG等[8]从芡种仁中分离得到3种新的芡实素(euryalins)和16种已知物质,显示出很强的体外抗氧化活性。LIAQUAT等[9]研究发现,芡实中含有丰富的酚类、黄酮、矿物质元素和抗氧化组分。以上研究为芡实药理研究提供了一定的理论依据。
作为一种保健食材,芡实中含有丰富的淀粉(77.5%～78.1%)、蛋白质(9.96%)和矿物元素(0.55%),与谷物类似,属淀粉基食材[10]。有研究表明,芡实淀粉具有难糊化、易老化,低血糖生成指数(glycemic index,GI)等特性[9-10]。但目前有关芡实淀粉的相关研究较少,且不全面,难以解释芡实淀粉的上述特性。因此,有必要对芡实中淀粉颗粒结构和理化功能性质进行深入研究。芡实淀粉属于小颗粒淀粉(2～3 μm),通过电子扫描显微镜(scanning electron microscope, SEM)发现芡实中的淀粉以复粒形式存在,大小不一,有着清晰且光滑的表面,由数以百计甚至千计的淀粉颗粒聚合而成[5]。多酚物质的存在会影响消化酶的活性,从而降低其中淀粉的消化水解[5,9]。此外,在复粒结构中,蛋白质一般以蛋白体形式存在,多分布于淀粉颗粒之间及表面[11]。由此推测,芡实中这种独特的超聚合体的淀粉复粒结构,会对其后续食品加工特性有直接影响,如:糊化、老化、消化水解等。因此,若能破坏这种超聚合的淀粉复粒结构,就可以改善芡实淀粉的糊化特性。然而,芡实淀粉复粒直径一般在10～50 μm[10],要改变或破坏这种复粒结构,普通的粉碎技术难以做到。
超微粉碎技术是一种利用机械动力或者流体动力来克服物料凝聚的物理处理技术,已广泛用于材料制造和食品领域[12]。该技术不仅可增加物料的界面活性和比表面积,还可显著提高其生物利用率。研究表明,经过超微粉碎后的蔬菜粉体的黄酮和总酚生物利用率得到提高,总黄酮溶出量由8.35 mg/g增加到8.92 mg/g、总多酚溶出量由3.44 mg/g增加到3.87 mg/g[13]。此外,经过超微粉碎处理后的鹿骨,钙和蛋白质的溶出量也明显增加,钙溶出量由195.4 mg/g提高到252.9 mg/g,蛋白质溶出量由218.1 mg/g提高到383.4 mg/g,明显提高了人体对鹿骨中营养组分的吸收率[14]。朱煜冬[15]通过动物实验表明,超微芡实粉对链脲佐菌素(streptozocin,STZ)糖尿病小鼠具有降血脂、血糖的作用,但并未指出其中具体的功效因子。
因此,文中采用球磨超微粉碎技术,探讨超微粉碎过程中芡实中淀粉复粒结构的变化及其中部分功效组分(总酚、黄酮)的溶出情况。通过研究,为芡实的后续深加工,提升其中各种营养组分的生物利用率提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 实验材料与试剂
实验材料:芡种仁,取自当年产芡实老熟种子;大豆色拉油,购自当地超市。
主要试剂:芦丁标准品,博美生物科技有限公司;硝酸铝、亚硝酸钠、硫酸亚铁、酒石酸钾钠、磷酸氢钠、磷酸二氢钾、氢氧化钠、95%乙醇,均为分析纯,上海国药集团。
1.2 仪器与设备
DS-4-500型立式行星式球磨机,上海杜斯仪器有限公司;FA22048型电子分析天平,上海越平科学仪器有限公司;ZG-HTY-800型多功能粉碎机,广东志高集团;NR60CP型色差仪,深圳市三恩时科技有限公司;Techmaster型快速粘度分析仪,波通瑞华科学有限公司;L550型离心机,湘仪实验室仪器有限公司;JL-1166型激光粒度分布测试仪,成都精新粉体测试设备有限公司;XRD型X-射线衍射仪,美国Bruker公司;JSM-6510LV型扫描电子显微镜,日本电子株式会社。
1.3 试验方法
1.3.1 芡实粉超微粉碎实验设计
球磨法制备超微粉,主要影响因素包括:球磨机转速、样品处理量(料球比)、研磨球直径和研磨时间等,各因素水平设置如下:
球磨机转速:100、200、300 r/min;料球比:1∶10、1∶20、1∶30(g/g);研磨球直径:4、8、10 mm;研磨时间:10、20、30 min。
1.3.2 超微芡实粉的制备
先将芡种仁用多功能粉碎机粉碎,过40目筛网,混合均匀后,装入自封袋内,备用。根据实验设计,在相应的球磨机参数下对芡实粉进行超微粉碎,所得超微样品分别装入自封袋内,以备后续分析。
1.3.3 芡实粉理化功能性质分析
采用CIE Lab (L*、a*、b*)色差仪测定色差。
取1.5 g样品于40 mL离心管中,加入12.5 mL去离子水,混匀,40 ℃水浴中静置20 min后,离心(4 000 r/min,15 min),再倒出上清液,称量离心管内沉淀质量并记录。按公式(1)计算样品持水性[16]:
持水性
(1)
取1.5 g样品于40 mL离心管中,加入12.5 mL大豆油,混匀,40 ℃水浴中静置20 min后,离心(4 000 r/min,15 min),再倒出上层豆油,称量离心管内沉淀质量并记录。按公式(2)计算样品持油性[16]。
持油性
(2)
采用福林酚法,参考文献[17]的方法对样品中的总酚进行提取和测定。
参考文献[18]的方法提取总黄酮并测定。
1.3.4 芡实粉粒径分布分析
利用激光粒度仪测定粉体的粒径及其分布[16]。
1.3.5 芡实粉中淀粉结晶度测定
淀粉颗粒结晶度采用X-衍射仪(X-ray diffraction,XRD)进行测定。使用载玻片将芡实粉轻轻压在铝盘上,并在10°～40°的衍射角(2θ)扫描,扫描速率为2°/min[16,19]。
1.3.6 芡实粉微观结构观察
采用SEM进行观测[19]。
1.4 数据分析
采用Excel软件进行图表绘制,使用SPSS软件进行数据分析。所有数据重复测定3次,最终结果以平均值±标准差表示。
2 结果与分析
2.1 球磨机转速
2.1.1 转速对芡实粉理化功能性质的影响
采用料球比1∶20,用直径6 mm玛瑙球研磨20 min,不同转速下所得超微芡实粉亮度、吸水性、吸油性以及总黄酮、总酚含量变化如表1所示。随着转速增加,芡实粉的亮度、吸水性、吸油性等均有显著增加(P≤0.05)。表明球磨机转速越高,对芡实粉颗粒的碾磨作用越强,随着芡实粉细度增加,由于反光效应,其颜色变浅,亮度(L*)增加。此外,转速的增加,芡实粉吸水性和吸油性也显著增加,与处理前芡实粉(CK)相比,吸水性和吸油性分别增加了148.35%和30.48%。这是芡实粉粒径降低、比表面积增加的直接效果,吸水性增幅明显高于吸油性,这与芡实粉中亲水性组分含量高有关。随着转速增加,总黄酮和总酚溶出量也有一定增加,但变化不显著。这种变化可以理解为是因芡实粉粒径变小,总黄酮和总酚溶出量增加与超微粉碎过程中产热导致部分总黄酮和总酚物质损失的一种综合结果。
表1 转速对芡实粉理化功能性质的影响
Table 1 Effect of rotation rate on the physicochemical functional properties of Euryale ferox(gorgon nut) powder
项目0 r/min (CK)100 r/min200 r/min300 r/min亮度(L∗)89.21±0.18a90.72±0.18a93.12±0.10b93.69±0.13b吸水性/(g/g)0.91±0.01a1.33±0.01a1.74±0.02b2.26±0.04c吸油性/(g/g)1.05±0.02a1.11±0.04a1.27±0.01b1.37±0.02c总黄酮/(mg/g)0.14±0.01a0.14±0.01a0.15±0.01a0.16±0.01a总酚/(mg/g)0.67±0.02a0.67±0.02a0.68±0.02a0.70±0.02a
注:同一行数据后不同字母表示具有显著性差异(P≤0.05)(下同)。
2.1.2 转速对芡实粉粒径分布的影响
如图1所示,随着转速的增加,小粒径芡实粉占比快速增加,而粗粒径粉显著降低(P≤0.05)。与CK相比,100 r/min的转速即可将样品中占比70.81%、粒径>10 μm的芡实粉降低至12.00%,同时,0～1 μm和1～10 μm粒径占比分别增加了2.71倍和1.76倍,分别达到29.12%和58.88%。当转速增加至300 r/min时,所得超微芡实粉中小粒径粉末(0～1 μm)占比72.47%,是CK样品(7.84%)的9.24倍。对于行星式球磨机而言,转速是影响超微粉碎效果的重要参数。
图1 转速对芡实粉粒径分布的影响
Fig.1 Effect of rotation rate on the particle size distribution of gorgon nut powder
2.2 芡实粉与研磨球质量比(料球比)
2.2.1 料球比对芡实粉理化功能性质的影响
采用200 r/min转速、直径6 mm玛瑙球研磨20 min,不同料球比下所得超微芡实粉理化功能性质和粒径分布如表2和图2所示。由于实验所用研磨玛瑙球的直径是统一的,因此,其质量增加也意味着其数量增加,在芡实粉质量一定的情况下,研磨球数量增加会加大对原料的超微粉碎效果。实验结果显示,随着研磨球质量的增加(1∶5、1∶10、1∶20、1∶30),芡实粉亮度、总黄酮和总酚溶出量变化不显著,但是其吸水性、吸油性有明显变化(P≤0.05)。与料球比1∶5相比,吸水性和吸油性呈显著增加趋势,在1∶30时分别增加了47.69%和59.85%。
图2 料球比对芡实粉粒径分布的影响
Fig.2 Effect of material ball ratio on the particle size distribution of gorgon nut powder
表2 料/球比对芡实粉理化功能性质的影响
Table 2 Effect of material/ball ratio on the physicochemical functional properties of gorgon nut powder
项目1∶51∶101∶201∶30亮度(L∗)93.72±0.12a94.06±0.03a93.50±0.05a93.52±0.22a吸水性/(g/g)2.16±0.03a2.30±0.03b3.04±0.03c3.19±0.01c吸油性/(g/g)1.37±0.02a1.83±0.03b2.04±0.01c2.19±0.04c总黄酮/(mg/g)0.15±0.02a0.16±0.02a0.15±0.01a0.16±0.01a总酚/(mg/g)0.72±0.01a0.74±0.01a0.71±0.01a0.71±0.02a
2.2.2 料球比对芡实粉粒径分布的影响
如图2所示,当料球比1∶5时,研磨球质量最小(数量少),所得超微芡实粉中1～10 μm和>10 μm的粉末占比最大,分别为68.34%和20.23%,0～1 μm的粉末含量最低,只有11.43%。随着研磨球质量增加,所得超微芡实粉中0～1 μm的粉末含量显著增加(P≤0.05),在1∶30时达到77.82%,1～10 μm和>10 μm的粉末占比也最低。该结果与表2的结果分析基本一致。
2.3 研磨球直径
2.3.1 研磨球直径对芡实粉理化功能性质的影响
在200 r/min转速、料球比1∶30,采用不同直径的玛瑙球研磨20 min,所得超微芡实粉理化功能性质和粒径分布如表3和图3所示。随研磨球直径的增加,所得超微芡实粉的亮度、总黄酮和总酚溶出量变化均不显著,但吸水性和吸油性均呈显著降低趋势(P≤0.05),最大降幅达29.39%和19.00%。这是因为在一定的料球比下,研磨球直径越大,其数量必然越少,对芡实粉的机械粉碎效果也会降低,影响其粉末的进一步粉碎。
图3 研磨球直径对芡实全粉粒径分布的影响
Fig.3 Effect of grinding ball diameter on the particle size distribution of gorgon nut powder
表3 研磨球直径对芡实粉理化功能性质的影响
Table 3 Effect of grinding ball diameter on the physicochemical functional properties of gorgon nut powder
项目4 mm6 mm8 mm10 mm亮度(L∗)93.50±0.14a92.64±0.19a92.27±0.10a91.74±0.64a吸水性/(g/g)2.79±0.02a2.45±0.01b2.01±0.01c1.97±0.01c吸油性/(g/g)2.21±0.03a2.14±0.01b2.11±0.01b1.79±0.02c总黄酮/(mg/g)0.167±0.01a0.173±0.02a0.171±0.01a0.169±0.01a总酚/(mg/g)0.72±0.01a0.74±0.01a0.73±0.02a0.73±0.01a
2.3.2 研磨球直径对芡实粉粒径分布的影响
图3的结果表明,随着研磨球直径增加,所得超微芡实粉中,粒径在0～1 μm的超细粉末占比显著降低(P≤0.05),而粒径在1～10 μm和>10 μm的较粗粉末占比显著增加(P≤0.05)。其中,采用4 mm研磨球所得芡实粉中粒径0～1 μm的超细粉末占比最高,达到71.03%,1～10 μm和>10 μm的粉末占比最低,分别为:20.66%和8.31%(图3)。因此,就超微芡实粉的制备而言,选择直径4 mm研磨球较合适。
2.4 研磨时间
2.4.1 研磨时间对芡实粉理化功能性质的影响
在转速200 r/min、料球比1∶30,研磨球直径4 mm下,研磨时间对芡实粉理化功能性质和粒径分布如表4和图4所示。随着研磨时间的增加,芡实粉亮度变化不显著,总黄酮溶出量增加不显著,但总酚溶出量有明显增加(P≤0.05);吸水性和吸油性呈明显地增加趋势,最大增幅分别为183%和31.55%,但随研磨时间延长,其增幅逐渐降低(表4)。
图4 研磨时间对芡实全粉粒径分布的影响
Fig.4 Effect of grinding time on the particle size distribution of gorgon nut powder
表4 研磨时间对芡实全粉部分功能理化性质的影响
Table 4 Effect of grinding time on the physicochemical functional properties of gorgon nut powder
项目5 min10 min20 min30 min亮度(L∗)92.47±0.02a92.86±0.08a92.94±0.31a93.09±0.17a吸水性/(g/g)2.05±0.01a3.23±0.03b3.81±0.05c3.88±0.04c吸油性/(g/g)1.87±0.01a2.09±0.03a2.27±0.03b2.46±0.02b总黄酮/(mg/g)0.17±0.01a0.17±0.01a0.18±0.02a0.18±0.04a总酚/(mg/g)0.72±0.01a0.74±0.01a0.78±0.02b0.77±0.01b
2.4.2 研磨时间对芡实粉粒径分布的影响
如图4所示,随研磨时间的增加,芡实粉中粒径0～1 μm的超细粉末占比明显增加,粒径1～10 μm和>10 μm的粉末占比明显降低。其中,研磨时间30 min时,粒径0～1 μm的超细粉末占比最高,达到85.04%,粒径1～10 μm和>10 μm的粉末占比最低,分别为13.74%和0。该结果从侧面解释了超细粉末占比增加是表4中超微芡实粉吸水性和吸油性显著增加的主要原因。
综上,研磨球转速、料球比、研磨球直径、研磨时间等因素对超微芡实粉理化功能性质和粒径分布都有较明显的影响,尤其是其吸水性和吸油性。通过分析超微芡实粉粒径分布,可以较好的解释其吸水性和吸油性变化。此外,实验结果显示,超微粉碎过程中,芡实粉中的总黄酮和总酚溶出量变化总体并不显著,与一些文献报道[13,16]不一致。原因可能与原料本身特性以及总黄酮和总酚类物质的提取和分析方法不同有关。
2.5 超微芡实全粉颗粒结构及形貌变化
为了更直观地了解超微粉碎过程中芡实粉微观结构的变化,尤其是其中淀粉颗粒的形貌特征,除了分析其理化功能性质和粒径外,还可借助其他方法,如XRD和SEM,从芡实淀粉颗粒的结晶度、完整性、淀粉颗粒微观结构等变化来分析。
XRD图像中,尖锐峰代表结晶区,弥散峰则代表亚结晶区和无定形区[20]。XRD图谱(图5)显示,粉碎前芡实粉中淀粉颗粒在衍射角2θ为15°、17°、18°和23°处分别有强的衍射峰,说明芡实淀粉的结晶类型为A型[21]。经超微粉碎后,芡实淀粉晶体衍射峰的尖峰基本消失,变为弥散峰衍射,表明此时淀粉颗粒的结晶结构被严重破坏。
a-芡实粉;b-超微芡实粉
图5 芡实粉超微粉碎前后XRD图谱
Fig.5 The X-ray diffraction patterns of gorgon nut powder before and after ultrafine grinding
注:超微芡实粉制备条件:转速200 r/min、料球比1∶30,研磨球直径4 mm,研磨30 min(下同)。
从SEM照片可知,超微粉碎前的芡实粉中淀粉颗粒以超级聚合的复粒结构为主,其中淀粉颗粒间排列紧密,且淀粉颗粒形态完整,呈较规则的多边形(图6-a、图6-b)。经超微粉碎后,多数复粒结构被破坏,形成更多更小的复粒,颗粒间结构松散,且颗粒形态不规则,呈碎片状(图6-c、图6-d)。说明经过超微粉碎处理后,不仅使芡实粉中复粒结构被破坏,且淀粉颗粒本身的完整性也遭到破坏。SEM照片与XRD图谱可相互印证超微芡实粉颗粒的结构变化。
a-芡实粉(×1 000);b-芡实粉(×5 000);c-超微芡实粉(×1 000);d-超微芡实粉(×5 000)
图6 芡实粉超微粉碎前后SEM照片
Fig.6 SEM photos of gorgon nut powder before and after ultrafine grinding
3 结论
实验选取芡实为研究对象,借助理化分析、粒径分布和XRD、SEM等方法,分析了球磨机转速、料球比、研磨球直径和研磨时间等参数对芡实粉理化功能性质的影响。实验结果表明,超微芡实粉的适宜工艺参数为:转速为200 r/min,用料量研磨球质量比为1∶30,研磨球直径为4 mm,研磨时间为30 min。在此条件下,所得超微芡实粉中总黄酮溶出量增加不显著,但总酚溶出量有明显增加(P≤0.05);超细粉末(粒径0～1 μm)占比达到85.04%,粒径1～10 μm和>10 μm的粉末占比分别降低至13.74%和0;超微芡实粉吸水性和吸油性得到显著增强,分别为3.88 g/g、2.46 g/g。XRD图谱和SEM图显示,芡实粉中淀粉复粒结构碎裂,淀粉颗粒完整性及其晶体结构遭到严重破坏。说明采用超微粉碎方法可明显改变芡实全粉的粒径分布,进而改善其理化功能性质。
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