红花(Carthamus tinctorius L.)是菊科属植物,常将其制成干燥花使用,在我国新疆、辽宁、吉林、河北、都广有栽培[1]。红花作为药食同源作物,有突出的药用价值,具有活血化瘀的功能,对降血压、降血脂、治疗冠心病等有良好的效果[2]。在药理学方面,红花具有抗肿瘤、消炎镇痛、抗氧化等药理活性[3]。由于红花富含黄酮类、生物碱类、甾体类、有机酸类、聚炔类和活性多糖等功能因子,因此具有多种生物活性[4]。此外,红花加工成粉可以较好地保留原有的营养成分,可用于加工红花酒、红花茶等红花产品,也可作为天然色素和香料添加到食品加工领域。
目前,超微粉碎是一种新兴的食品加工技术,通常用于生产微米、亚微米或纳米(100 μm～1 nm)的粉末产品。该技术已经被广泛应用于枸杞[5]、薏米[6]、甜菜浆[7]等原料的加工。与传统机械法制备的粉末相比,超微粉碎可以改变材料的表面、尺寸、光学、机械、化学和催化性能,从而改善其功能特性,如高水溶性、吸附性和流动性,增加生物活性物质的溶出率、提高抗氧化活性[8]。同时,超微粉碎还可以有效地改善产品的食用性和味道,在营养和功能性食品生产中具有很高的应用潜力,有利于提高粉质产品的品质,在粉状产品的开发和制备等方面具有广阔的前景。
本研究以红花粉为原料,研究超微粉碎对其理化特性、结构特性和营养特性的影响。对红花粉的粒径、堆积密度、流动性、水合特性、热力学性质、活性成分溶出量等指标进行测定分析,为红花粉的加工特性提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
红花,购于新疆天鼎红花油有限公司,为干燥红花样品。经测定,初始含水量为(11.5±0.99)%。对色泽进行测定L*为47.87±1.10,b*为17.51±1.07,c*为17.99±2.41;红花多酚含量为(13.79±0.17) mg/g,黄酮含量为(5.21±0.15) mg/g。
盐酸,天津市风船化学试剂科技有限公司;福林酚试剂,Solarbio;没食子酸,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;芦丁,北京索莱宝科技有限公司;无水碳酸钠、NaNO2、NaOH、NaCl,天津市永大化学试剂有限;酚酞,天津欧博凯化工有限公司。
1.2 仪器与设备
ZM200超离心研磨仪,上海圣科仪器设备有限公司;SpectraMax M2多功能酶标仪,美谷分子仪器(上海)有限公司;HHW21.420AII电热恒温水箱,天津市泰斯特仪器有限公司;磨粉机,九阳股份有限公司;XM-P222H无级调功超声波清洗机,小美超声仪器(昆山)有限公司;GL-20GII离心机,上海安亭科学仪器厂;BT-9300S激光粒度仪,丹东百特仪器有限公司;D/MAX-2500X射线衍射仪,日本理学公司;S-4800-Ⅰ场发射电子显微镜,日立(中国)有限公司;DSC 3500 Sirius差示扫描量热仪,德国耐驰仪器制造有限公司;CR-400色差仪,柯尼卡美能达公司。
1.3 实验方法
1.3.1 红花粉的制备
将干红花放入普通磨粉机内进行初步粉碎,过20目筛得到粗粉。取红花粗粉添加至超离心研磨仪中,减少投加量,多次投料,粉碎筛孔径分别为0.5、0.12、0.08 mm,得到3种不同粒径的超微粉碎红花粉。
1.3.2 理化指标的测定
1.3.2.1 粒径
用激光粒度仪测定粉体的粒径分布。取1 g红花粉,以去离子水为分散剂,配制成1 g/100 mL的红花粉悬浮液,用涡旋振荡器使红花粉颗粒混合均匀,将样液转移到激光粒度仪的分散槽中,等遮光率达到15%左右,测量粉体的粒径大小。
1.3.2.2 扫描电子显微镜
用电子显微镜进行电镜扫描,放大120倍进行观察。
1.3.2.3 色泽的测定
采用色差仪测定红花粉体的L*、a*、b*值。
1.3.2.4 容积密度的测定
参照ZHANG等[5]方法并修改。将粉末样品填充到10 mL容量瓶中,振实,直至粉末样品填充至容量瓶刻度,称取容量瓶和样品的总质量。容积密度由以下公式计算:
容积密度
(1)
式中:m2,容量瓶和样品的总质量,g;m1,容量瓶的质量,g。
1.3.2.5 水合特性的测定
水溶性、持水力、溶胀性的测定均参考陈如等[9]的测定方法。
水溶性的测定:称取一定量的样品,然后将样品和水以0.02∶1的质量比混合,放在80 ℃水浴锅中水浴30 min,取出冷却,6 000 r/min离心10 min,取其上清液在105 ℃条件下烘干,称量烘干后的质量。水溶性按下列公式(2)计算:
水溶性
(2)
式中:m1,称取的样品质量,g;m2,样品烘干后的质量,g。
持水力的测定:取一定量的红花粉加入离心管中,然后样品和水以0.02∶1的质量比混合,放在60 ℃水浴锅中30 min,冷却后离心,倾去上清液,称取剩余质量。持水力按下列公式(3)计算:
持水力
(3)
式中:m,离心管的质量,g;m1,红花粉样品的质量,g;m2,离心后去除上清液的质量,g。
溶胀性的测定:准确称一定量的样品,放入带有刻度的试管中,记录体积V1,加入10 mL蒸馏水,振荡摇匀静置,24 h后,记录体积V2。溶胀性按下列公式(4)计算:
溶胀性
(4)
式中:m,样品的质量,g;V1,样品放入试管中的体积,mL;V2,加入蒸馏水之后的体积,mL。
1.3.2.6 流动性的测定
休止角的测定参照任爱清等[10]方法,将两个漏斗上下摆放固定在试管架后,放置在坐标纸上方,记录下方漏斗下端出口距离坐标纸的距离(H),将粉体倒入上方漏斗,自由流出,流出的粉体在坐标纸上形成圆锥,等形成的圆锥尖碰到下方漏斗的出口,记录坐标纸上圆锥体的半径(R/cm)。休止角按下列公式(5)计算:
(5)
式中:θ,休止角,°;H,下方漏斗下端出口距离坐标纸的距离,cm;R,坐标纸上圆锥体的半径,cm。
滑动角参照文献[10]的方法测定,将长7.5 cm(H)、宽3.5 cm的玻璃板水平置于桌面上,并将其一端固定。然后将红花粉(1 g)超微粉置于玻璃板非固定端,然后缓慢抬起非固定端直至红花粉开始滑动。记下此时玻璃板非固定端升高的高度(L)。滑动角按以下公式(6)计算:
(6)
式中:θ,滑动角,°;H,玻璃板长度,cm;L,玻璃板非固定端升高的高度,cm。
1.3.2.7 热力学性质测定
准确称量3 mg样品放入铝制坩埚中,加盖密封。在差示扫描热量仪上进行热分析,测定样品的热力学性质,试验在充N2的条件下进行,升温速率为10 ℃/min,测定范围为20～300 ℃[11]。
1.3.2.8 X-射线衍射测定
参照曹龙奎等[12]方法进行测定。
1.3.2.9 总酚、总黄酮含量的测定
总酚、总黄酮的提取:将1 g的红花粉末中加入体积分数为80%甲醇水溶液,超声波提取30 min后离心10 min(4 ℃,10 000×g),收集上清液,滤渣重复提取2次,合并上清液。总酚含量采用Folin比色法测定,总黄酮含量采用NaNO2-Al(NO3)3-NaOH法进行测定。
1.3.2.10 阳离子交换能力的测定
参照张丽媛等[13]方法测定,称取0.1 g红花粉末,加入2 mL 0.1 mol/L盐酸并摇匀,在常温条件下放置24 h后用过滤,用去离子水重复冲洗除去多余的盐酸溶液,残留物转入锥形瓶内,加入20 mL 50 g/L NaCl溶液,室温下搅拌30 min,加入5 g/L酚酞乙醇溶液作为指示剂,用0.1 mol/L NaOH溶液进行滴定。用蒸馏水代替HCl溶液,测定空白消耗的NaOH溶液的量。阳离子交换能力(E)计算如公式(7)所示:
(7)
式中:E,阳离子交换能力,mmol/g,V0,样品消耗的NaOH溶液体积,mL;V1,空白消耗的NaOH溶液体积,mL;m,样品干质量,g;0.1,NaOH溶液浓度,mol/L。
1.3.2.11 数据处理
采用Excel 2019进行数据处理,Origin 2021绘制图表,显著性分析使用SPSS 25软件,实验重复3次,以“平均值±标准偏差”表示结果。
2 结果与讨论
2.1 红花粉的粒径分布
粒径大小(D10、D50、D90)是衡量超微粉碎效果的直接指标[14],其中,D10、D50、D90分别代表样品的累计粒度分布数达到10%、50%和90%时所对应的粒径。通常,D50用来表示物料的平均粒径。由表1可以看出,3种红花粉的平均粒径逐渐减小(P<0.05),微粉A、B、C在D50上的平均粒径分别为197.90、149.63、73.68 μm。说明超微粉碎能够提高粉体粉碎程度,改变粉体的粒径大小,使其更加均匀细腻。
表1 红花粉的粒径测定结果
Table 1 Particle size of red pollen
样品粒径/μmD10D50D90微粉A49.82±6.77a197.90±14.71a498.45±3.04a微粉B23.29±4.19b149.63±13.95b445.50±11.87b微粉C9.77±0.57c73.68±4.42c223.70±8.20c
注:表中同一列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05),相同小写字母表示差异不显著(P>0.05)(下同)。
2.2 电子显微镜形态观察
图1为不同粒径的红花粉在放大120倍下的微观结构变化。由图1-a可知,微粉A的颗粒较大,形状不规则,呈现圆形颗粒和碎片状。经过超微粉碎后,微粉B、C的颗粒大小逐渐减小且形状更加规则。同时随着粒径的减小,粉末颗粒之间开始聚集,有些小颗粒会附着在大颗粒表面,这是由于超微粉碎产生机械作用使颗粒的粒径减小,导致它们之间的吸附性增强,发生团聚。有研究表明超微粉碎能改变粉体的表面结构,有利于活性物质的溶出,进而使其理化性质发生变化[11]。
a-微粉A;b-微粉B;c-微粉C
图1 红花粉扫描电镜图(×120倍)
Fig.1 SEM photograph of safflower powder with different particle sizes
2.3 不同粒径对红花粉色泽的影响
色泽是干制品评价的重要指标,不同粒径红花粉的色泽如表2所示。随着粒径的降低,红花粉的亮度值增大,但是微粉B、C之间无显著性差异(P>0.05),微粉C的亮度值最高,说明粒径降低能够提高粉末制品的亮度,这与任晓禅等[15]超微粉碎大麦全粉的结果一致,原因是超微粉碎使粒径变小后,暴露了更多的纤维素和半纤维素的内部结构,因此粉末亮度值提高。同时,a*降低,b*提高,说明红花粉逐渐趋向与绿色和黄色,可能是由于粉碎过程中红花的色素发生了分解和转化,黄值增加,还可能是由于酚类化合物的聚集和粉碎过程中内部黄色物质的暴露[16]。
表2 红花粉的色泽测定结果
Table 2 Color of safflower powder with different particle sizes
样品L∗a∗b∗微粉A54.14±1.16a23.88±0.46a27.09±0.61a微粉B55.91±0.71b23.79±0.12a28.08±0.58ab微粉C56.25±0.57b21.94±0.48b29.17±1.34b
2.4 不同粒径对红花粉容积密度的影响
容积密度是评估粉体充填物性的关键参数之一,容积密度越大,粉体的充填物性越好[9]。例如,在制备片剂或胶囊产品时,通常需要粉末高容积密度,因为高容积密度有利于产品的成型。由图2可以看出,不同粒径红花粉体的容积密度范围是0.47～0.66 g/mL,且随着粒径的减小容积密度呈上升趋势,不同粒径之间差异显著(P<0.05),说明超微粉碎可改变粉体的容积密度,提高粉体的充填物性。这可能是物料经超微粉碎后使颗粒以及颗粒间的缝隙减小,颗粒间的内部结构更加紧密,增加了颗粒间的摩擦力,颗粒间进行静电吸附,导致其容积密度增加[17]。同时,对于颗粒体系,分子间力主要是范德华力和内聚力,与颗粒尺寸成反比。因此,在粉碎过程之后,粉末的粒度显著减小,分子间力增强,使得粉末易于团聚[18],而且这一结论与样品表面形貌的分析一致。ZHANG等[5]、张丽媛等[13]研究发现,超微粉随着粒径的减小,容积密度都有不同程度的提高,与本文的结果一致,但陈如等[9]的研究中,苹果全粉的容积密度结果相反,主要是因为粉末的容积密度不仅与粉末粒径大小有关,而且不同样品间的相互作用力和黏附趋势有所不同,所以导致容积密度有不同的变化。
图2 不同粒径红花粉的容积密度
Fig.2 Bulk density of safflower powder with different particle sizes
2.5 不同粒径对红花粉水合特性的影响
反应粉体水合特性的指标主要有水溶性、持水力、溶胀性等,水溶性能够体现食用品质,与食品中组分的消化和吸收有关,水溶性的大小主要与粉体和水溶液之间的接触面积有关[19]。由表3可以看出,红花粉的水溶性随着粒径的减小呈现先升高后降低的趋势,其中,微粉A、微粉B之间的水溶性存在显著差异(P<0.05),微粉B具有最高的水溶性。原因可能在于粒径减小后,粉体的比表面积和空隙率增加,使粉体暴露更多的具有极性基团的分子,从而增加与水分子的接触面积和位点,使粉体的亲水性增强。与微粉A、B相比,微粉C的水溶性略有降低但差异不显著,原因可能是粒径减小到一定程度时,颗粒表面的静电吸附会导致颗粒相互吸附、粘连成团,从而影响了水分向粉体内部扩散所致[20]。BIMAL的研究中,芦笋叶粉的水溶性从25.74%增加到32.47%,他认为粉碎会导致细胞壁多糖的多孔基质结构受损,这使它们能够通过氢键保持水分。随着粒径的减小,水溶性的增加可能是由于表面积的增加,因此导致极性基团和水结合位点的更广泛暴露[21]。左力旭等[14]、HONG等[16]的研究中水溶性随着粒径减小呈现逐渐升高的现象,与本实验的结果存在差异,可能是实验条件、粉体原料的性质不同,这些因素可能影响了粉体与水的相互作用,从而影响水溶性的结果。但陈如等[9]研究发现,超微粉的水溶性也随粒径减小而降低,是因为较小的粒径增强了粉体与水的结合力以及粉体间的相互作用力,导致分子团聚,从而降低水溶性。
表3 不同粒径红花粉的水合特性
Table 3 The hydration characteristics of safflower powder with different particle sizes
水合特性微粉A微粉B微粉C水溶性/%33.33±2.89b40.00±0.00a36.67±2.89ab持水力/%13.04±0.63c17.89±0.84b19.46±0.02a溶胀性/(mL/g)8.73±0.06c9.80±0.10b10.27±0.12a
持水力评估粉末亲水性的重要指标,指潮湿材料在受到外部作用力时保持水分的能力,反映了材料与水的结合强度,当材料吸水质量增加时,持水力随之增强,同时,不同粒径的样品表现出不同的持水力,因为粒径会影响材料的表观特性,进一步影响持水能力[22]。红花粉的持水力随着粒径的减小而显著增加(P<0.05),从13.04%增加到了19.46%。可能是红花在进行超微粉碎时,由于机械作用会使粉体的比表面积和孔隙度增大,增多活性位点,导致粉体表面的羟基以及其他官能团更易与水分子结合,因此持水力增加。红花中的纤维素和半纤维素中存在亲水基团,使其更有助于与水结合,从而导致较高的持水力。在ZHONG等[23]的研究中,随着石榴皮超微粉粒径的减小持水力也出现了增加了情况,但山楂超微粉比粗粉的持水力降低了9.9%[24],造成差异的原因可能是原材料的固有特性、工艺条件或实验工艺操作的不同而导致粉末对水分子束缚能力下降,从而出现持水力下降的现象。
溶胀性的大小与颗粒的吸水膨胀性、颗粒间的孔隙率、颗粒对水的束缚能力等有关。溶胀性与粉体对水中的稳定性呈正相关关系,溶胀性大的粉体易溶于水后,稳定性、悬浮性较好。从表2可以看出,红花粉的溶胀性从8.73 mL/g增加到10.27 mL/g,随着粒径的减小而增大,不同微粉之间差异显著(P<0.05),说明超微粉碎能明显改善粉体的溶胀性。粉末经过超微粉碎之后,颗粒间能通过团聚、黏附作用来增大其对水的束缚能力和膨胀力,使粉末的体积膨胀变大[25]。
2.6 不同粒径对红花粉流动性的影响
休止角和滑动角是评价粉体流动性的重要指标,与摩擦系数和原料颗粒性质有关,休止角和滑动角越小,粉体的流动性越好[26]。如图3所示,红花粉随着粒径的减小,粉体的休止角和滑动角逐渐减小(P<0.05),休止角从42.11°降低到34.63°,滑动角从45.02°降低到28.04°,说明红花粉的流动性随着粒径的减小逐渐增强。有研究表明,石斛粉的粒径从350 μm降低到130 μm时,滑动角和休止角分别降低了6.22°和2.15°,增加了石斛粉的流动性[27]。这说明随着粉体粒径减小,粉体间更容易出现团聚,在重力作用下成团滑落,导致流动性增加。WENG等[28]的研究中连翘粉流动性随粒径减小而降低,与本文结果相反,粒径更小的粉末颗粒间相互作用更强,导致颗粒聚集体聚集形成锥形结构。此外,更细的粉末暴露更多的油,这会影响休止角和滑动角。
图3 不同粒径红花粉的流动性
Fig.3 Fluidity of safflower powder with different particle sizes
2.7 不同粒径对红花粉热力学特性的影响
由图4的DSC曲线可知,3种粒径红花粉均出现吸收峰,可能是红花粉吸热出现了水分蒸发。微粉A、B、C的吸热峰值温度变化不大,范围在112.20～119.10 ℃,其中,微粉A的吸热峰值温度最高为119.10 ℃。这3种粒径红花粉的吸热面积分别为80.90、93.95和95.65 J/g(P<0.05),说明随着粒径的减小,粉体的吸热面积逐渐增大,需要更多的热量来破坏氢键来释放水分。吸热面积的大小能够代表吸收热量的多少,吸热面积越小,说明吸收的热量少,粉体更易于分解,使其热稳定性降低[11]。因此,本研究表明,随着红花粉粒径的减小,粉体的热稳定性越高。
图4 不同粒径红花粉的DSC曲线
Fig.4 DSC curves of red pollen with different particle sizes
2.8 不同粒径红花粉的X射线衍射分析
X射线衍射光谱能较好地表征每个样品的晶体组成及晶型结构。图5为不同粒径红花粉的X射线衍射图,3种粒径红花粉的衍射角相同,在21°左右,为纤维素典型的I型晶体结构,说明红花粉的主要成分是纤维素和半纤维素。微粉A、B、C的特征衍射峰位置无明显差异,红花粉的主要结晶类型相同,超微粉碎后没有出现新的特征峰,说明并未破坏红花粉的结晶区域、晶体尺寸以及结构,夏晓霞等[29]研究也发现,超微粉碎对枣粉的分子结构和晶体结构没有影响。李佳宸[30]的研究中,藜麦麸皮粉的粒径减小未改变衍射峰的位置,但是强度发生了变化,说明超微粉碎设备强烈的振动机械力尽管松化了纤维素的结晶结构,但是样品的纤维素晶体类型没有发生改变。
图5 不同粒径红花粉的X射线衍射图像
Fig.5 X-ray diffraction images of red pollen with different particle sizes
2.9 不同粒径对红花粉总酚、总黄酮溶出量的影响
红花中含有丰富的黄酮类、酚类化合物,酚类化合物是植物衍生的次级代谢产物,有抗氧化、抗癌、抗衰老作用以及生物活性[3]。不同粒径的总酚、总黄酮溶出量如图6所示,随着粒径的减小,3种微粉的总黄酮、总酚的溶出量呈上升趋势。总黄酮、总酚的含量分别由5.66、14.27 mg/g提升至7.71、15.22 mg/g。但是微粉B和微粉C的总黄酮含量并没有显著性差异,说明超微粉碎破坏了植物细胞壁,从而增强了粉末的多孔性,粒径小的粉体具有较高的比表面积,因此与提取溶剂接触的表面积增大、接触更充分,可以提高提取率,使黄酮、多酚类物质快速、充分地释放出来。何运等[31]的研究中也表明,桑叶超微粉的黄酮溶出率更高。黄酮与提取溶剂接触表面积增大、接触更充分,可提高其中黄酮的提取率,说明超微粉碎可以提高红花中有效营养成分的溶出能力和粉体利用率,更利于其中营养素的吸收利用。
图6 不同粒径红花粉的总黄酮、总酚溶出量
Fig.6 Dissolution of total flavonoids and total phenols from red pollen with different particle sizes
2.10 不同粒径对红花粉阳离子交换能力的影响
粉末可与胃肠道中的Na+、K+阳离子进行交换,以降低血液中的Na+/K+比值,进而达到降血压的效果[13]。此外,红花粉中膳食纤维的羧基和羟基也能结合阳离子,使其在消化道中的含量发生变化,通过稀释离子的瞬间浓度并且延长转化时间,来影响消化道内的酸碱度、渗透压和氧化还原电势,形成一个有利于消化和吸收的缓冲环境[11]。因此,红花粉的阳离子交换能力与其保健功效密切相关。由图7可以看出,与微粉A相比,微粉B的阳离子能力明显增加(P<0.05),可能是红花粉体在结构上具有羧基、羟基等侧链基团并具有弱酸性阳离子交换功能,当小粒径的红花粉暴露在阳离子环境中时,它的比表面积加大,使得分子内羧基、羟基侧链基团暴露得更加明显,阳离子交换的越多。张丽媛等[13]研究发现,超微粉碎0～20 min苹果粉的阳离子能力有不同程度的提高,在30 min后降低,本实验中微粉B与微粉C之间阳离子交换能力没有显著性差异,说明当粒径减小一定程度时,因粒径间吸附掩盖了部分基团,与阳离子接触的总有效侧链基团数量没有明显增加,所以导致阳离子交换能力变化不明显[9]。
图7 不同粒径红花粉的阳离子交换能力
Fig.7 Cation exchange capacity of safflower powder with different particle sizes
3 结论
本文采用超微粉碎方法制备了3种不同粒径的红花粉,平均粒径分别为197.90、149.63和73.68 μm。结果表明:经超微粉碎后,红花粉体更加细腻均匀,色泽表现更加明亮。在理化性质方面,红花粉的容积密度从0.47 g/mL提升到了0.66 g/mL,提高了红花的充填物性,红花粉的水溶性、持水力和溶胀性分别提升了10.02%、49.23%和17.64%。而且随着粒径的减小,红花粉具体更强的热稳定性,使其在高温下更不易被分解。在营养物质方面,总酚和总黄酮的溶出量分别从5.66、14.27 mg/g提升至7.71、15.22 mg/g,阳离子交换能力从0.12 mmol/g增加到0.14 mmol/g,增加了主要活性物质的溶出量。但是超微粉碎并未改变红花粉的晶体结构,均为纤维素I型晶体结构。超微粉碎有效改善了红花粉的理化性质,能够破碎红花粉的细胞壁,增大活性营养成分溶出,提高营养价值及活性成分的利用率。
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