机械球磨处理对方竹笋全粉理化特性及微观结构的影响

方竹(Chimonobambusa quadrangularis)属禾本科竹亚科寒竹属植物，主要分布于中国、日本、印度和马来西亚等地。其中，被誉为“世界一绝、中国独有”的金佛山方竹是世界竹类中的特有品种，集中分布于重庆市南川区、万盛经济开发区和贵州省桐梓县近邻的金佛山林区以及云南省镇雄县[1]。方竹笋因其形态方正，肉厚鲜美，营养丰富，被誉为“竹笋之冠”，其富含蛋白质、氨基酸、膳食纤维、维生素等营养成分。然而，由于新笋易褐变和木质化，采摘后不能长期保存，故有60%以上的鲜笋均被加工为笋干、清水笋、发酵笋等产品[2-3]。加工过程中会产生笋头、笋脚等副产物，其占比高达原料的50%以上，这些副产物除小部分被加工为饲料外，大都被随意丢弃，造成原料浪费和环境污染[4]。关于竹笋加工副产物利用的研究，目前主要集中于膳食纤维、多糖、黄酮等功能活性成分的提取[5-7]，缺乏资源综合利用方面的研究，极大地限制了其高值化利用及工业化产品的开发。

机械球磨是一种新型超微粉碎技术，在食品加工中的应用日渐广泛。其主要原理是利用外部机械力，在高转速条件下使样品颗粒、研磨罐和研磨球之间产生碰撞、摩擦和剪切等综合作用，实现颗粒的变形、断裂、微粉化[8]。研究表明，机械球磨处理能最大程度地保留植物性原料的营养成分，提高其生物活性[9]。在大颗粒原料粉碎至微粉的过程中，其形态特征变化不仅影响物料粒径和粒度分布，也影响物料有效成分的功能或性质，例如改善柑橘全果粗浆流变特性[10]、使燕麦麸蛋白粉表现出较低的储能和损耗模量[11]、增强蜂花粉的抗氧化作用[12]等。目前机械球磨技术可用于竹笋膳食纤维的改性[13]，但利用球磨技术制备竹笋超微全粉的研究较少，机械球磨处理对方竹笋全粉(Chimonobambusa quadrangularis powderm，CQP)理化特性及微观结构的影响尚不清楚。因此，本研究以方竹笋加工副产物为原料，采用机械球磨处理得到方竹笋超微全粉，测定处理前后其基本成分、粒径、持水力等理化性质和粉体综合特性，同时分析全粉官能团特性、热稳定性和微观形态等变化，以期为方竹笋加工副产物的高值化利用奠定前期基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

金佛山方竹笋的笋头、笋脚等加工副产物，重庆特珍食品有限公司；金龙鱼葵花籽食用植物调和油，重庆市北碚区天生街永辉超市。

1.2 仪器与设备

BM6pro 行星式球磨仪，美国GRINDER公司；FW135 中草药粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司；箱式电阻炉，上海一恒科学仪器有限公司；凯氏定氮仪，重庆市瑞利电子仪器设备有限公司；紫外可见分光光度仪，北京普析通用仪器有限责任公司；1580车速台式离心机，香港基因有限公司；Mastersizer 3000激光粒度仪，英国马尔文仪器有限公司；UltraScan PRO分光测色仪，美国 HunterLab 公司；Spectrum 100 傅里叶红外光谱仪，美国 Perkin Elmer 公司；TGA55 热重分析仪，美国 TA 公司；Phenom Pro 扫描电镜，荷兰Phenom World 公司。

1.3 球磨处理

取方竹笋笋头、笋脚等加工副产物，切片后用沸水漂烫8 min，60 ℃烘干(含水量<8%)。用中草药粉碎机粉碎后过80目筛得到方竹笋粗粉，在球磨转速350 r/min、球磨时间5 h，小球直径3 mm固定条件下，每次取15.0 g方竹笋粗粉于行星球磨机中，分别设置球料质量比1∶1、3∶1、5∶1、7∶1、9∶1进行机械球磨处理，以未处理的方竹笋粗粉作为对照组(CK)，最后对球磨处理前后的方竹笋全粉进行理化特性及微观结构的测定。

1.4 基本成分测定

水分测定：直接干燥法，参照GB 5009.3—2016《食品中水分的测定》；脂肪含量的测定：索氏抽提法，参照GB 5009.6—2016《食品中脂肪的测定》；总膳食纤维含量测定：参照 GB 5009.88—2014《食品中膳食纤维的测定》；灰分含量的测定：高温灼烧法，参照GB 5009.4—2010《食品中灰分的测定》；蛋白质含量测定：凯氏定氮法，参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》；总糖测定：蒽酮比色法[14]。

1.5 粒径测定

参考易甜等[15]的方法，取样品0.10 g，加入含20 mL蒸馏水的试管中，充分摇匀；用滴管吸取试管中的悬浊液，缓慢加入到含500 mL蒸馏水的烧杯中，以2 500 r/min转速搅拌；注意观察遮光度数值变化，当遮光度达到6%～20%时，停止加样，采用激光粒度仪测定样品的粒度分布。

1.6 持水力、持油力和膨胀力测定

1.6.1 持水力(water holding capacity,WHC)

取0.5 g(m1)经机械球磨处理的方竹笋全粉放入离心管(m2)中，加入20 mL蒸馏水，混合均匀后在室温下放置6 h，4 500 r/min离心15 min，收集沉淀物称重(m3)。根据公式(1)计算其WHC：

(1)

1.6.2 持油力(oil holding capacity，OHC)

取0.5 g(m1)经机械球磨处理的方竹笋全粉放入离心管(m2)中，加入20 mL食用油，混合均匀后室温下放置6 h，4 500 r/min离心15 min，用滤纸吸干表面多余的油脂，收集沉淀物称重(m3)。根据公式(2)计算其OHC:

(2)

1.6.3 膨胀力(swelling force，SC)

取1.0 g(m)经机械球磨处理的方竹笋全粉，放入10 mL量筒中读取体积(V1)，再加入8 mL蒸馏水，振荡混匀，静置24 h后读取体积(V2)。根据公式(3)计算其SC:

(3)

1.7 色泽的测定

参考黄山等[13]的方法，使用UltraSan PRO测色仪测定样品的颜色特征。开机后首先用黑白板校正，矫正完成后测定样品L*、a*、b*值，以表示CK测定值，重复测定6次，其中L*表示亮度，a*表示红绿度，b*表示黄蓝度。根据公式(4)计算其总色差ΔE，ΔE<1.5表示颜色与未处理组差异小；1.5≤ΔE≤3.0表示差异明显；ΔE>3.0表示差异极显著。

(4)

1.8 阳离子交换能力测定

参考赵萌萌等[16]的方法，称取0.5 g经机械球磨处理的方竹笋全粉样品置于150 mL干燥的锥形三角瓶中，加入100 mL质量分数5%的NaCl溶液，磁力搅拌5 min后用pH计测定溶液的pH值。再分别加入0.1 mL 0.01 mol/L NaOH溶液，磁力搅拌5 min后测定各溶液的pH值，直到NaOH体积总量加到1.0 mL。用折线图表示NaOH体积与pH值的变化趋势。

1.9 粉体综合特性

1.9.1 休止角测定

参考王阳等[17]的方法，将玻璃漏斗垂直固定于铁架台上，使漏斗下端距离坐标纸的高度(H)为3.0 cm。将干燥的方竹笋全粉缓慢地倒入漏斗中，使粉末自然下落直至坐标纸上粉末锥体顶端刚好接触到漏斗下端停止，读取锥体直径2R(cm)，根据公式(5)计算休止角：

休止角

(5)

1.9.2 滑角测定

参考李状等[18]的方法并加以改动，准确称取3.00 g方竹笋全粉置于水平放置的玻璃板上，缓慢倾斜玻璃板直至粉体表面开始滑动。记录此时玻璃板与水平面所成的角度。

1.9.3 堆积密度测定

参照 GB/T 20316.2—2006《普通磨料 堆积密度的测定 第2部分：微粉》进行测定。

1.9.4 振实密度测定

参照 GB/T 21354—2008《粉末产品 振实密度测定通用方法》进行测定。

1.10 傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)

取1 mg干燥至恒重的方竹笋粉末，放入玛瑙研钵中，加入100 mg干燥的KBr粉末，研磨均匀。取0.05 g研磨后的混合粉末，均匀平铺于压片模具中，抽气加压，维持2 min左右。将压制成的薄片迅速放入红外光谱仪中进行扫描测定，扫描次数：32次，分辨率：4 cm-1，扫描范围：500～4 000 cm-1。

1.11 热重分析

取5～6 mg干燥方竹笋粉末用同步热分析仪进行热重分析，采用热重法和微分热重分析法测定样品的热力学性质。试验条件：充N2，升温速率：10 ℃/min，测定范围：0～500 ℃。

1.12 微观结构

将方竹笋粉末固定在双面导电的样品台上，喷涂金层使其具有导电性，然后用扫描电镜观察样品的微观结构并拍照记录。扫描电镜电压：10 kV，放大倍数：1 000倍。

1.13 数据处理

采用Excel 2016进行数据处理，所有结果均采用(x±s)表示；运用Origin 2019对数据处理绘图；运用SPSS 21.0对试验数据用Duncan法进行差异显著性分析，P<0.05为差异显著；所有试验均重复3次。

2 结果与分析

2.1 基本成分

机械球磨处理对方竹笋全粉基本成分的影响如表1所示。与CK相比，处理组全粉基本成分呈现不同的变化规律。随着球料比增大，方竹笋全粉的水分、脂肪和灰分含量无显著变化(P>0.05)，总糖含量增加，蛋白质和膳食纤维含量略微下降。球磨过程产生的强烈剪切、碰撞等作用破坏了方竹笋的纤维大分子结构，部分小分子可溶性糖释放使得总糖含量的提高[19]。此外，方竹笋中蛋白质和膳食纤维含量大约为40%和30%，在6种基本成分中占比最高，是方竹笋的主要成分，说明方竹笋全粉是一种高蛋白、高纤维的食品。

表1 机械球磨处理对方竹笋全粉基本成分影响 单位：%

Table 1 Effect of ball milling treatment on basic ingredients of CQP

注：同列上标不同字母表示各处理间差异显著(P<0.05)(下同)

2.2 粒径分布

粒径变化是最能直接衡量机械球磨处理效果的指标，粒径大小和分布状态的变化可引起物料特性一系列的变化，如粉体的颜色、密度、流动性等感官特性。由表2可知，机械球磨处理能显著影响全粉的粒径分布和粒径大小(P<0.05)。随着小球质量的增加，粉体的Dx(10)、Dx(50)、Dx(90)所对应的粒径显著减小(P<0.05)，当球料比为9∶1时，达到最小，较未处理组分别减小了69.93%、92.33%、94.15%。这可能是由于小球质量增加使得球磨过程中物料与小球的接触点增加，碰撞、摩擦和剪切等作用更强，使得颗粒进一步细化[13]。全粉中大颗粒物质对D[4,3]贡献较大，而小颗粒物质对D[3,2]贡献更大[20]。随着球料比增大，粉体的D[4,3]、D[3,2]均显著减小(P<0.05)，且两者的差值也从134.73减小至3.39。这表明方竹笋粉体整体粒径减小，颗粒形状更规则，分布更均匀[10,21]。这与相关研究利用球磨处理柑橘全果粗浆[10]、燕麦麸蛋白粉[11]得到的试验结果一致。

表2 机械球磨处理对方竹笋全粉粒径分布的影响
Table 2 Effect of ball milling treatment on particle size distribution of CQP

注：Dx(10)、Dx(50)、Dx(90)分别表示粉末粒径累计分布达到10%、50%和90%时对应的粒径值；D[4,3]、D[3,2]分别表示体积平均粒径和表面积平均粒径

2.3 持水力、持油力、膨胀力

高膳食纤维食品减轻油腻、增强饱腹感等作用一般与其较高的WHC、OHC和SC有关。表3结果表明，球磨处理后方竹笋全粉的WHC、OHC和SC显著下降(P<0.05)。这与赵萌萌等[16]、何运等[22]分别采用超微粉碎处理青稞麸皮粉和桑叶粉的结果相似。在球料比为9∶1时，与CK相比，全粉WHC、OHC和SC分别下降了17.87%、42.71%、30.21%。研究表明，物料粒径减小比表面积增大，更多亲水基团暴露，会引起物料WHC、SC的增大[13]。然而，球磨处理强烈的剪切撞击等作用会破坏粉体中较大的纤维组织，失去粗粉的保水网状结构，仅依靠溶胀吸水，造成粉体对水分的束缚能力下降[22]，进而导致其WHC、SC的下降。OHC主要与粉体中持油物质有关。球磨处理后，粉体的粒径减小，测量持油力离心后其结构致密、空隙变小，填充在其中的油脂减少进而导致持油力下降[18]。

表3 机械球磨处理对方竹笋全粉WHC、OHC、SC的影响
Table 3 Effect of ball milling treatment on the WHC, OHC and SC of CQP

2.4 色泽

表4是机械球磨处理对方竹笋全粉色泽的影响。由表4可知，机械球磨处理显著影响全粉的色泽(P<0.05)。与CK相比，方竹笋全粉的L*值由84.65±0.12提高至94.33±0.17，表明处理组亮度提高；而表征红色度和黄色度的a*和b*值均显著减小(P<0.05)；ΔE显著增大(P<0.05)，且均大于5，表明粉体颜色变化差异显著[13]。这与黄山等[13]、赵萌萌等[16]、李壮等[18]试验结果相似。一方面，这可能是球磨过程中产生的碰撞、剪切和摩擦等作用使类胡萝卜素等深色物质部分降解[13]，导致粉体整体颜色变浅且更均匀；另一方面，球磨处理使颗粒粒度减小、比表面积增大，引起反射因数的增大，从而使粉体颜色变浅[15]。

表4 机械球磨处理对方竹笋全粉色泽的影响
Table 4 Effect of ball milling treatment on chrominance of CQP

注：-表示无数据

2.5 阳离子交换

粉体可与人体胃肠道中的阳离子 Na+、K+进行交换，降低血液中的 Na+/K+比值，从而起到降血压作用[23]。同时粉体中膳食纤维表面的羧基、羟基的侧链基团可结合阳离子，改变阳离子在消化道的瞬间浓度，使消化道产生更好的缓冲环境，利于食物的消化吸收[24]。机械球磨处理对方竹笋全粉阳离子交换能力的影响如图1所示。随着NaOH溶液体积的增加，溶液pH先快速上升，在NaOH溶液体积增加到5 mL时，pH升高速度放缓，最后稳定在10左右。pH值越小，说明粉体的阳离子交换能力越强，其营养价值越高[23]。与CK相比，处理组样品溶液pH值略有降低，表明机械球磨可以增强全粉的阳离子交换能力，这与陈如[23]探究超微粉碎对苹果全粉及其膳食纤维物化性质的影响试验结果相似。结合表1分析，这可能与球磨处理使粉体粒径减小，比表面积增大，暴露在外的羟基、羧基等侧链基团数量增加有关[16]。

图1 机械球磨处理方竹笋全粉阳离子交换能力的影响
Fig.1 Effect od ball milling treatment on cation exchange capacity of CQP

2.6 粉体综合特性

粉体综合特性是一项表征粉体状态的基本指标，对粉体的加工特性有较大影响。粉体流动性常用休止角或滑角来表示，休止角表示物料颗粒之间集聚能力，而滑角则表示物料颗粒在接触面上的附着能力[17]。休止角和滑角越小，表明粉体的流动性越好，其中当休止角小于30°时，流动性较好，休止角大于45°时，流动性差[15]。如表5所示，当球料比为9∶1时，粉体休止角和滑角较CK组分别增大了39.72%和22.74%。说明球磨处理使得方竹笋粉体流动性减弱。这可能是因为随着方竹笋全粉粒径的减小，其比表面积增大，相互作用力增强，使得表面聚合力、摩擦力增大，颗粒相互间的黏附性增强，集聚更为紧密[25]。

堆积密度和振实密度是反映粉体填充性的指标之一，堆积密度和振实密度越大，说明粉体填充性越好[16]。随着球料比增加，方竹笋全粉的堆积密度和振实密度显著下降(P<0.05)，当球料比为9∶1时，较CK组两者分别下降了64.67%、55.03%，表明球磨处理使得全粉不易压缩，其疏松性、填充性和成形性相对较差[19]。这可能是粉体间相互作用力增强后，团聚成大颗粒导致孔隙率增加，粉体间空气增多，密度变小。

表5 机械球磨处理对方竹笋全粉粉体特性的影响
Table 5 Effect of ball milling treatment on powder characteristics of CQP

2.7 FTIR分析

图2为机械球磨处理前后方竹笋全粉的FTIR图。球磨处理后样品整体的峰型和位置与CK相比未出现较大差异，这说明处理后方竹笋全粉的官能团未发生变化，但是部分吸收峰的强度有变化。3 300～3 600 cm-1处宽而圆滑的吸收峰是纤维素和半纤维素分子内或分子间O—H伸缩振动产生的[26]，经球磨处理后，此处吸收峰形状更尖锐，峰强度略增强，表明此处部分糖苷键断裂，形成氢键的羟基增多，同时氢键的缔合程度提高[27]。2 928 cm-1处的吸收峰是糖类甲基和亚甲基上C—H的收缩振动[13]。1 642 cm-1处的吸收峰由 CO的非对称伸缩振动产生，表明方竹笋全粉中含有醛基或羧基[27]。与CK相比，处理组在此处的强度增强，表明球磨处理使方竹笋含有的醛基或羧基数量增加。1 536 cm-1处是仲酰胺基的酰胺Ⅱ吸收带。1 046 cm-1处的强吸收峰是纤维素和半纤维中C—O收缩振动产生的[13]，898 cm-1处是β-糖苷键的特征吸收峰，说明全粉中含有β-糖苷键，处理前后此处峰蓝移且峰强度增强，这可能是由于纤维素、半纤维素等再处理过程中分子链断裂，分子聚合度下降，释放出部分小分子可溶性糖，使得糖类的特征吸收峰增强[19]。

图2 机械球磨处理方竹笋全粉的FTIR图
Fig.2 FTIR spectra of CQP treated by ball milling

2.8 热重分析

机械球磨处理前后方竹笋全粉热分解过程变化如图3所示。全粉的热分解过程大致由3个阶段组成。第1个热分解阶段是水分挥发阶段，温度为100～150 ℃，分子失去游离水、物理吸附水和分子内部的结晶水[27]。第2个失重阶段发生在200～350 ℃左右，是热分解过程的主要阶段，全粉的主要组成成分纤维素、半纤维素等通过各种自由基反应和重排反应进一步降解成低分子质量的挥发性产物[28]。球磨处理后，方竹笋在此阶段的失重率和失重速率明显增大，热分解开始温度由228.44 ℃降至195.37 ℃，最大失重速率所对应的温度从298.42 ℃降至271.42 ℃，且随着小球质量增加，此阶段全粉的失重率明显升高，当球料比为9∶1时，失重率达到最大。在 350 ℃之后，热分解过程进入第3阶段，该阶段中全粉的主要成分已被热分解，少量木质素和热解残余物在该阶段缓慢分解产生碳和灰分，粉体失重率和失重速率均减缓并最终趋于平稳。综上，机械球磨处理使方竹笋全粉的部分纤维结构被破坏，分子聚合度下降，粉体的热稳定性下降。

a-CK；b-1∶1；c-3∶1；d-5∶1；e-7∶1；f-9∶1
图3 机械球磨处理方竹笋全粉的热重分析图
Fig.3 Thermal analysis of CQP treated by ball milling

2.9 微观结构

图4是方竹笋全粉经机械球磨处理后放大1 000倍的微观结构变化图。由图4-a可知未经处理的方竹笋全粉表面光滑，存在少量的裂隙，颗粒较大且形状不一。而经球磨处理的方竹笋全粉表面粗糙并出现较多裂痕，表面孔隙率提高，且随着小球质量的增加，颗粒尺寸显著减小，分布更为均匀(图4-b～图4-f)。在球料比达到7∶1时，颗粒分布呈现密集状态，并发生一定程度的团聚现象，这可能与机械球磨处理后方竹笋全粉表面活性和表面静电吸引力改变有关[13]。方竹笋全粉微观结构发生显著变化的原因可能是球磨处理产生的高速剪切、摩擦、碰撞等作用使粉体发生不规则的破碎、断裂，纤维类大分子长链变为短链，颗粒尺寸减小分布均匀[29]。

a-CK；b-1∶1；c-3∶1；d-5∶1；e-7∶1；f-9∶1
图4 机械球磨处理方竹笋全粉的扫描电镜(×1 000)图
Fig.4 Scanning electron microscope images of CQP treated by ball milling

3 结论

本文研究了在不同球料质量比条件下，机械球磨处理对方竹笋全粉理化特性及微观结构影响。结果表明，球磨处理使方竹笋粉体WHC、OHC、SC、堆积密度和振实密度显著下降，休止角和滑角显著增大，阳离子交换能力增强，颜色变浅。通过FTIR光谱、热重和扫描电镜分析，经球磨处理后，全粉内部的纤维大分子链断裂，颗粒表面粗糙，分布集中均匀，热稳定性降低。综上，机械球磨技术可有效改善方竹笋全粉的感官性能、加工与功能特性，是实现方竹笋副产物综合利用的有效途径，可为方竹笋超微粉作为食品原辅料提供理论依据，具有潜在的应用开发前景。