龙眼俗称“桂圆”,隶属于无患子科(Sapindaceae),龙眼属(Dimocarpus Lour.),是国家药食两用植物[1]。 传统中医和现代药理研究均有证据表明,龙眼具有增强免疫、抗氧化、抗衰老、抗肿瘤和降血糖等多种生物活性[2]。 我国是世界上龙眼栽培面积最广和产量最大的国家(约占50%以上),国内龙眼主产区集中在海南、广东、广西、福建等地区,此外,龙眼在泰国、印度、越南、孟加拉国、毛里求斯等地产量较高[3]。 由于龙眼成熟期集中,鲜果不耐贮藏,我国龙眼产业面临着巨大的鲜销和加工压力,且贸易逆差趋势明显;近年来,我国鲜龙眼的年加工量约30 ～40 万t,占总产量的20% ～25%,且70%以干制为主,龙眼加工制品不到总产量的20%,存在加工水平低、产品加工形式单一及产品附加值低等问题[4]。
对果蔬进行干燥制粉,是近年来果蔬加工的新趋势之一。 果蔬制粉不仅能保持果蔬的丰富营养、便于贮藏和运输,还有利于缓解鲜销压力,进一步拓宽二次加工产品形式,延长果蔬加工产业链并有效实现原料综合利用[5]。 超微粉碎技术是果蔬制粉领域的热门技术,通过物理的剪切挤压等手段来破坏物料的内部凝聚力,可使物料粒径极大程度减小,显著提高粉体的物理性能,充分保留粉体生物活性和营养成分的同时,改善其口感,十分符合现代食品加工行业“高效、优质、环保”的发展方向。 超微粉碎技术已运用于多种常规品种(南瓜、苦瓜、百合、红枣、木瓜等)及一些高纤维品种(芹菜、香菇等)果蔬加工中。 然而,对于龙眼这类高糖含量的黏性物料,常规超微粉碎技术面临巨大挑战。 由于龙眼果肉(假种皮)中富含糖类物质(糖含量约为16% ～28%,其中主要包括蔗糖、葡萄糖、果糖和多糖),属于黏性物料(其黏性行为归因于低分子糖和有机酸),故其在常规超微粉碎条件下制备成超微粉体(粒径10 ～25 μm)的难度增加[6]。 针对这一问题,本研究尝试采用乙醇浸泡对龙眼肉干进行预处理,溶出部分可溶性糖类物质,以降低物料整体黏性,从而缓解粉碎过程中的团聚现象,使得粉碎效率和粉体均匀度提高[7]。 此外,乙醇预处理可有效降低粉体中可溶性糖含量及减少辅料的添加,在保留龙眼原有风味与活性成分的同时,也有助于低糖人群(如高血糖、糖尿病患者)的食用[8]。贾牛群等[9]将龙眼肉干与一定比例的辅料混合低温制备龙眼果肉全粉,发现粉碎时间30 ～50 min 条件下所得龙眼果肉全粉的粒度低于106 μm 的比例约为60%,且流动性和溶解性较好。 然而,这种添加辅料的做法可能影响粉体的风味、营养功能或物化特性。 此外,尚未见单独以龙眼果肉为原料制备龙眼超微粉的报道。
在前期预实验中,发现龙眼肉干在未经乙醇浸泡处理(浸泡时间0 h)的情况下直接进行低温超微粉碎时,会出现严重的团聚与粘壁现象,无法形成均匀的超微粉体。 因此,本文从节约能耗、提高龙眼粉品质的角度出发,结合前期的预实验结果,以经乙醇浸泡不同时间预处理后的龙眼肉干为原料,不添加任何辅料或加工助剂,采用低温超微粉碎成功制备龙眼超微粉。 在此基础上,系统研究乙醇浸泡预处理结合超微粉碎过程对龙眼超微粉理化特性的影响。
1 材料与方法
1.1 原料与试剂
本实验使用的主要材料与试剂包括：龙眼肉干(市售,品种为“储良”),高州市屋梁岭生态农业有限公司;无水乙醇(AR),广东光华科技股份有限公司;溴化钾(AR),天津恒创立达科技发展有限公司;其他试剂均为国产分析纯。
1.2 仪器与设备
DHG-9013A 电热鼓风干燥箱,常州杰博森仪器有限公司;WZJ-12B 振动超微粉碎机,济南倍力粉技术工程有限公司;LA-960S 激光粒度仪,日本HORIBA 公司;Zeiss Merlin 扫描电子显微镜,德国卡尔蔡司股份公司;Nicolet iS50 傅里叶变换红外光谱仪,美国赛默飞世尔科技公司;NS-800 色差仪,深圳市君达时代仪器有限公司;HAAKE MARS 60 流变仪,美国赛默飞世尔科技公司。
1.3 实验方法
1.3.1 样品预处理及超微粉制备
分别称取200 g 龙眼肉干,以料液比1∶3(g∶mL)于80%(体积分数)乙醇溶液中浸泡,每隔12 h 混匀样品并更换一次浸泡液,浸泡时间分别为24、36、48、60 h。 预处理完成后用蒸馏水冲洗样品以去除表面残留乙醇,沥干后用打浆机打浆,在50 ℃的烘箱中干燥48 h,并置于干燥器中回软24 h 后计重,保存备用。 将干燥后的样品分别放入振动式超微振荡粉碎机(功率1.5 kW)中,在-15 ℃的条件下超微粉碎10 min,制得龙眼超微粉,粉体样品均置于干燥器中4 ℃保存备用。
1.3.2 粒径检测
称取适量龙眼超微粉加入到100 mL 蒸馏水中,并使用磁力搅拌器搅拌至溶解。 采用激光粒度仪测量样品的粒径分布,样品折射率设定为1.60,分散介质折射率为1.33,遮光比控制在10% ～20%,截断下限为5%,截断上限为10%。 每个样品重复测定3次,结果以D10、D50、D90 和Span 来表示,其中Span 按公式(1)计算：
式中：Span 为样品的粒径分布宽度(离散度);D10、D50、D90分别为颗粒粒径累计分布达到10%、50%、90%时所对应的粒径值。
1.3.3 色度测定
使用色差仪测量样品的颜色差异,并分别以L*值(白/黑)、a*值(红/绿)和b*值(黄/蓝)表示,每个样品重复测定3 次。
1.3.4 扫描电镜分析
将适量的粉末样品放置在贴有胶带的样品台上,确保其均匀铺开,并使用气流清除多余的粉末。 随后,将样品台置于真空喷镀仪中进行真空喷金处理,以便扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)观察并收集图像数据。 在加速电压15 kV 下观察样品形态,并在500 倍和100 倍的放大倍数下获取图像。
1.3.5 傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared,FTIR)分析
分别精密称取待测样品粉末与KBr 混合,于玛瑙研钵中研磨均匀,压成透明圆片,使用红外光谱仪扫描,扫描次数32 次,分辨率4 cm-1,扫描范围4 000 ～400 cm-1。
1.3.6 堆密度测定
堆密度的测定参考丁华等[8] 的方法并稍作修改：将10.00 g 龙眼超微粉样品置于50 mL 量筒中振实,直至量筒内的粉体体积不再减少,每个样品重复测定3 次,堆密度按公式(2)计算：
式中：ρ 为样品的堆密度,g/mL;m 为样品的质量,g;V为样品的体积,mL。
1.3.7 休止角与滑角测定
休止角的测定参考Hou 等[10]的方法略作调整。具体操作如下：将玻璃漏斗水平固定在一定高度,然后取适量的龙眼超微粉倒入漏斗中振动筛落,用量角器测量下方圆锥状粉末堆与桌面形成的夹角(α)即可;滑角的测定方法：将平板伸入托盘中,将龙眼超微粉均匀地洒在托盘中直到平板被粉末完全覆盖,然后将托盘缓缓降低至其与平板完全分离,以角度测量工具测量平板上残留的粉末与平板形成的夹角(β)即可,每个样品均重复测定3 次。
1.3.8 持水力测定
准确称取龙眼超微粉样品1.00 g(m1)于100 mL烧杯中,加入50 mL 蒸馏水,室温下电磁搅拌30 min后,于2 000 r/min 离心30 min,弃去上清液并用滤纸吸干残液后称重(m2)[11]。 每个样品重复测定3 次,持水力(water holding capacity,WHC) 按公式(3)计算：
式中：WHC 为样品的持水力,g/g;m2为样品吸水后的质量,g;m1为样品吸水前的质量,g。
1.3.9 膨胀力测定
准确称取龙眼超微粉样品5.00 g 于量筒中,轻微敲击量筒壁使粉末表面平整、内部无空隙,记录体积为V1,然后向量筒中加入50 mL 蒸馏水,搅拌均匀后于室温静置24 h,记录体积为V2[8]。 每个样品重复测定3 次,膨胀力按公式(4)计算：
式中：E 为样品的膨胀力,mL/g;V2 为样品吸水后的体积,g;V1为样品吸水前的体积,g。
1.3.10 流变学特性检测
参照Zheng 等[12]的方法有所改动。 准确称取龙眼超微粉样品5.00 g 于100 mL 烧杯中,加入蒸馏水(85 ℃)20.0 g,并搅拌2 min 得到龙眼超微粉悬浮液。待悬浮液冷却至室温后,使用配有PP60 平板(直径35 mm)的HAAKE Mars 60 流变仪分析其表观黏度。参数如下：在25 ℃的条件下进行检测,板间距设定为1 mm,剪切速率的测定范围为0.01 ～200 s-1。 每个样品重复测定3 次,流变学特性按公式(5)计算：
式中：τ 为样品的剪切应力,Pa;Y 为样品的剪切速率,s-1;K 为样品的黏度一致性指数,Pa·sn;n 为样品的流动行为指数。
1.4 数据处理与分析
实验结果以“平均值± 标准差”表示,采用SPSS Statistics 18.0 软件进行方差分析(ANOVA),通过邓肯检验进行显著性分析,P ＜0.05 表示差异显著;并采用Origin 2018 软件作图。
2 结果与分析
2.1 乙醇浸泡预处理对龙眼超微粉品质及微观结构的影响
2.1.1 粒径分布
粉体的粒径不仅影响其感官品质,还会改变粉体的理化和功能特性。 D10、D50、D90 分别表示粉体粒径小于某一值时累计率为10%、50%、90%,其中D50 为粒径的中值,最有代表性[13]。 经不同时间乙醇浸泡预处理后,龙眼超微粉的粒径分布数据如表1 所示。龙眼超微粉的粒径在D10、D90、D50 前期均呈下降趋势,表明随着乙醇浸泡时间的延长,能有效溶出龙眼肉干中的游离糖和小分子糖类,削弱了颗粒间的糖桥作用,从而降低了物料的内部粘聚力,使其在机械粉碎时更容易断裂成更小的颗粒,减小龙眼超微粉的平均粒径,其中D90 数值变化尤为明显[14]。 在D50 后期的粒径分布略有回升,可能因粉体粒径减小至一定程度时,比表面积急剧增大,粉体颗粒表面活性增大,进而引发团聚,形成表观粒径较大的“假颗粒”[15]。Span 值是衡量粒径分布的宽度,其值越小,说明粒径分布越窄,颗粒大小越均匀[13]。 Span 值呈现先上升后下降的趋势,结果表明,适当延长乙醇浸泡时间(48 h)可在获得较小粒径的同时使粒径分布更加集中。
表1 不同时间乙醇浸泡预处理龙眼超微粉的粒径分布
Table 1 Particle size distribution of superfine longan powder pretreated with different ethanol soaking times
乙醇浸泡时间/hD10/μmD50/μmD90/μmSpan 2448.52 ±0.87a 193.96 ±1.74a 855.01 ±2.02a 4.06 ±0.13d 3635.50 ±1.34b 98.01 ±1.37b 664.94 ±2.73b 6.55 ±0.18a 4818.44 ±0.90c 42.19 ±1.28d 261.80 ±1.93c 5.81 ±0.12b 6010.76 ±1.02d 50.53 ±0.80c 227.93 ±1.97d 4.16 ±0.07c
注：同列小写字母不同表示差异显著(P ＜0.05)。
2.1.2 色度
色度是衡量产品感官品质和加工条件是否温和的关键指标,色泽改善有利于提高加工特性和产品附加值[16]。 由表2 可知,乙醇浸泡时间对粉体色泽有显著影响(P ＜0.05)。 随着浸泡时间延长至48 h,亮度(L*值)因部分可溶性成分(如糖类、氨基酸等)被乙醇-水体系溶出而显著提高;但进一步延长至60 h时,L*值略有回落,推测是因过度浸泡导致物料结构软化、超微粉碎后颗粒过细,影响了光散射效率所致。与此同时,红色度(a*值)与黄色度(b*值)均随浸泡时间持续下降,这可能是因为乙醇处理可有效移除部分可溶性固形物,从而减少了在后续加工与贮藏中潜在参与非酶褐变(如美拉德反应)的底物[8,17]。 结果表明,48 h 乙醇浸泡处理在提升亮度与降低红黄色调之间取得了较好平衡。
表2 不同时间乙醇浸泡预处理龙眼超微粉的色度值
Table 2 Color values of superfine longan powder pretreated with different ethanol soaking times
乙醇浸泡时间/hL*a*b*2469.93 ±0.15c3.93 ±0.09a17.84 ±0.39a 3667.99 ±0.69d2.43 ±0.07b15.52 ±0.44b 4873.64 ±0.38a1.57 ±0.17c14.04 ±0.25c 6072.53 ±0.30b0.63 ±0.10d11.00 ±0.29d
注：同列右肩不同的小写字母表示具有显著差异(P ＜0.05)。
2.1.3 表观形貌
扫描电镜的观察结果如图1 所示,龙眼肉干经过不同时间的乙醇浸泡预处理及低温超微粉碎后,所得龙眼超微粉的微观结构发生了显著变化。 随着乙醇浸泡时间的延长,大颗粒龙眼超微粉的数量明显减少,且颗粒粘结情况逐渐改善,并趋于碎片状,粒径逐渐减小的同时颗粒变得更均匀,这一结果与前述粒径分布结果匹配。 然而,扫描电镜观察发现(图1-D、图1-d),乙醇浸泡60 h 预处理所得龙眼超微粉在放置过程中部分颗粒出现了重新聚集的状态,可能是在机械粉碎的作用下,龙眼肉干粉的颗粒粒径减小,其表面性能被激活,粒径较小的颗粒间交互面积增加,使其更容易团簇聚集[18]。 综合表1 的粒径数据、色度结果及扫描电镜观察,乙醇浸泡48 h 的样品在获得较小且分布集中的粒径、最佳亮度的同时,其微观形貌也呈现出相对均匀、分散良好的状态(图1-C、图1-c),表明该处理时间在粉碎效果、色泽与粉体结构之间达到了较优平衡。
图1 不同时间乙醇浸泡预处理龙眼超微粉的扫描电镜图
Fig.1 Scanning electron micrographs of superfine longan powder pretreated with different ethanol soaking times
注：A ～D：乙醇浸泡时间分别为24、36、48、60 h,放大倍数为100 ×;a ～d：乙醇浸泡时间分别为24、36、48、60 h,放大倍数为500 ×。
2.1.4 红外光谱
红外光谱可以描述粉末颗粒的分子特征,通过光谱可以检测到新基团的存在。 经不同时间乙醇浸泡预处理后所得龙眼超微粉的红外光谱图如图2 所示。各样品特征峰出峰位置基本一致,表明无新的官能团生成,乙醇浸泡时间对其红外光谱特征吸收影响较小,龙眼超微粉分子结构大致相同。 其中,3 380 cm-1 处的宽峰是由O—H 伸缩振动引起的,表明粉体中可能含有氢键结合的醇及酚类化学物;2 925 cm-1 处特征吸收归属于非对称C—H 伸缩振动,说明分子结构中甲基和亚甲基含量较高;1 735 cm-1、1 649 cm-1 及1 415 cm-1处有较强吸收峰,分别归属于对称与非对称C==O 伸缩振动及C—H 弯曲振动,表明粉体中可能含有带羧基的糖醛酸结构;1 140 cm-1、1 100 cm-1及1 055 cm-1处有连续特征吸收峰,归属于葡萄吡喃糖环上的C—O—C 伸缩振动,表明存在α 型吡喃糖结构,且1 055 cm-1处强吸收峰表明有单糖以吡喃糖苷的形式存在;927 cm-1、775 cm-1 为β 型糖苷键变角振动的特征吸收峰,表明存在β 型吡喃糖结构;638 cm-1处为醇结构的特征吸收峰[19]。 综上,龙眼超微粉中含有α 型和β 型端基差向异构共存的吡喃环多糖、糖醛酸等糖类,还可能含微量蛋白质,这与刘慧君[20]的研究结果相似。 80%乙醇浸泡时间主要影响龙眼超微粉中物质特征吸收峰的强弱,这可能是乙醇浸泡影响了糖类大分子聚合度,使得更多葡萄糖苷键、氢键等基团暴露所致。
图2 不同时间乙醇浸泡预处理龙眼超微粉的红外光谱图
Fig.2 FTIR spectra of superfine longan powder pretreated with different ethanol soaking times
2.2 乙醇浸泡预处理对龙眼超微粉粉体特性的影响
2.2.1 堆密度
堆密度是反映粉体加工过程中的填充性,堆密度越大,粉体填充性越好[21]。 由图3 可知,乙醇浸泡时间在24、36、48、60 h 时,对应的堆密度分别为(0.56 ±0. 02)、(0. 48 ± 0. 01)、(0. 47 ± 0. 01)、(0.45 ±0.01) g/mL。 乙醇浸泡预处理24 h 所得龙眼超微粉的堆密度最大,且随着乙醇浸泡时间的延长,龙眼超微粉的堆密度逐渐降低。 其主要的原因可能是乙醇浸泡预处理时间延长,会促进原料可溶性成分的溶出,超微粉的粒径逐渐减小,粉体的比表面积增大,颗粒间的接触面积变大,表面聚合能增大,颗粒容易团聚成假的大颗粒,使空隙增大,进而导致堆密度变小[11]。
图3 不同时间乙醇浸泡预处理龙眼超微粉的堆密度
Fig.3 The bulk density of superfine longan powder pretreated with different ethanol soaking times
注：不同小写字母表示差异显著(P ＜0.05)(下同)。
2.2.2 休止角、滑角
休止角、滑角可反映粉体流动性,数值越大则表明粉体的流动性越差。 由图4 可知,随着乙醇浸泡预处理时间延长,龙眼超微粉的休止角和滑角分别从(38.3±2.1)°、(41.3 ±5.5)°显著增大到(53.7 ±1.2)°、(67.3 ±4.2)°,表明龙眼超微粉粉体流动性随预处理时间的延长而显著变差。 主要原因可能是随着龙眼超微粉粒径显著减小(表1)及比表面积增大,颗粒间的摩擦力变大,从而增加了颗粒间的黏着力和引力,使得颗粒更不易分散和流动,该变化规律与潘思轶等[22]、Sakurai 等[23]的研究结果相似。
图4 不同时间乙醇浸泡预处理龙眼超微粉的休止角及滑角
Fig.4 The angle of repose and angle of slide of superfine longan powder pretreated with different ethanol soaking times
2.2.3 持水力和膨胀力
粉体的持水力是粉体对水分的吸附和保持能力的体现,受到粉体粒度、结构、表面特性及环境条件等多种因素的影响[24]。 图5-A 显示,随着乙醇浸泡预处理时间增加,龙眼超微粉的持水力逐渐增加,并在乙醇浸泡预处理60 h 后达到最大值(5.77 ±0.32) g/g,且与较短时间处理组(24、36、48 h)均存在显著性差异,而前3 组间无显著变化。 这表明持水力的显著提升依赖于充分的处理时间(≥60 h),可能因为更长的浸泡使物料内部结构充分松弛、亲水性成分更完全暴露,小颗粒物质与水接触更多,从而在后续水合中实现更高的持水容量[25]。 膨胀力是反映样品水合能力的重要参数。 膨胀力的大小不但与颗粒的吸水膨胀性有关,还与颗粒的粒径密切相关[18]。 如图5-B 所示,随着乙醇浸泡预处理时间由24 h 延长至60 h,龙眼超微粉的膨胀力由(5.07 ±0.30) mL/g 缓慢增加至(5.92 ±0.18) mL/g。 结果显示,乙醇浸泡预处理使得龙眼超微粉与水结合的能力增强,可能是由于随着超微粉粒径减小及比表面积增大,部分亲水基团暴露导致的[18]。 经数据对比发现,持水力与膨胀力的变化趋势不完全一致,这可能因为持水力主要依赖于亲水基团的暴露与结合,而膨胀力不仅受粒径影响,还与粉体颗粒形成的三维网状结构的完整性有关。当粒径过小时,网状结构可能被破坏,从而限制了体积的膨胀[25]。
图5 不同时间乙醇浸泡预处理龙眼超微粉的持水力和膨胀力
Fig.5 The water holding capacity and swelling force of superfine longan powder pretreated with different ethanol soaking times
2.2.4 黏度
流变特性是评价粉体复水后体系加工适用性的关键。 在固形物含量为20. 0% (质量分数)的条件下,不同时间预处理龙眼超微粉悬浮液的表观黏度随剪切速率的变化如图6 所示。 所有样品均表现出典型的剪切稀化行为,即表观黏度随剪切速率增加而显著下降,表明该悬浮液体系为假塑性流体(非牛顿流体),该类流体可赋予食品更佳的口感,在咀嚼时黏度迅速恢复,有利于吞咽[14,26]。 这一现象主要源于悬浮颗粒网络或絮凝结构在剪切作用下被破坏,以及颗粒沿流动方向的取向排列,从而降低了流动阻力,表观黏度下降[27]。 值得注意的是,在相同的剪切速率下,悬浮液的表观粘度随乙醇浸泡预处理时间的延长而系统性地升高,这一趋势与粉体粒径的显著减小(表1)相关联。 根据悬浮液流变学原理,在固含量不变的情况下,颗粒粒径减小导致其比表面积急剧增大,从而增强了颗粒间及颗粒与连续相(水)间的流体力学相互作用与摩擦,宏观上表现为体系粘度的增加[28]。 此外,随着预处理时间延长,粒径减小可能促进了粉体中更多亲水组分(如多糖)的溶出,这些溶出物也会贡献于体系黏度的整体提升[7-8]。 综上所述,乙醇浸泡预处理通过改变粉体的粒径与表面性质,系统地调控了其悬浮液的流变行为,使其同时具备非牛顿流体的剪切稀化特性与因超微化而增强的体系黏度。
图6 不同时间乙醇浸泡预处理龙眼超微粉的剪切-黏度曲线
Fig.6 Shear-viscosity curves of superfine longan powder pretreated with different ethanol soaking times
3 结论与讨论
本研究在无辅料添加的条件下,采用乙醇浸泡预处理结合低温超微粉碎的方法,成功制备出龙眼超微粉,探究了不同预处理时间(24、36、48、60 h)对粉体理化性质、功能特性及结构性质的影响。 研究结果表明,随着乙醇浸泡时间的延长,粉体粒径逐渐减小、分布更趋均匀;亮度(L*值)提高,红色度(a*值)与黄色度(b*值)降低;表观黏度随剪切速率增加显著下降,呈现非牛顿流体特征。 预处理后粉体休止角与滑角增大、堆密度降低,流动性下降;而持水能力与膨胀力增加,表明其水结合能力提高;红外光谱分析表明,乙醇浸泡预处理未破坏龙眼超微粉的主要化学基团结构。 综合比较,48 h 预处理在粒径、色泽及微观结构方面综合效果最佳。 综上所述,在无辅料添加的条件下,乙醇浸泡预处理结合低温超微粉碎的方法可有效改善龙眼超微粉的粉体性质,相较于传统制粉工艺,该法能够提升龙眼超微粉粉体品质,迎合控糖人群的需求,为龙眼等高糖粘性物料的超微粉碎加工提供了一种可行且有效的技术路径。
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