不同粒径竹笋粉的理化性质和功能特性研究

享有“素食第一名”美称的竹笋，正越来越受到人们的欢迎[1-2]。我国竹笋产量居世界之首，有200多种可食用竹笋，竹林面积达33 000 km2，食用竹笋年产量可达500～600万t[3]。竹笋不仅营养丰富，而且还含有丰富的类黄酮、多酚、甾醇等活性物质，具有较高的食用和药用价值[4-6]。除此之外，竹笋中还含有丰富的膳食纤维，具有降低胆固醇、改善肠道菌群等功效[7-8]。竹笋采摘后容易产生褐变、木质化、腐烂等现象，其保鲜、运输难度大，因此一部分鲜笋会被直接加工成笋干、笋丝、清水笋罐头等食品。如何更好地利用竹笋资源，更好地保留其原本的风味和营养价值是亟需解决的问题[9]。

超微粉碎技术是利用物理方法克服物料内部的结合力，即利用机械碾磨或流体动力的途径将固体颗粒粉碎至微米级的过程[10-11]。球磨后的粉末具有良好的溶解性、分散性和吸附性[12]。物料经球磨后，由于粒径的减小和比表面积的增大，其理化性质明显提高[13]，如膳食纤维经球磨后，颗粒粒度变小，比表面积和孔隙率增大，其持水性、膨胀力、粉质特性等物化特性显著提高[14-16]，适口性得到改善，大大提高了人体其营养物质的消化吸收。球磨式粉碎机操作简单、生产能力大、物料适应性强而且方便控制产品粒径[17-18]。本文采用行星球磨式粉碎机对细竹笋进行超微处理，得到不同粒径竹笋粉，分析比较其基本组成、物理特性、吸附能力(胆固醇和NO2-)及化学结构，旨在为竹笋的产品开发提供可靠的科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

毛竹笋，浙江临安；混合氨基酸标准液，日本和光纯业工业株式会社；茚三酮、溴化钾、5-磺基水杨酸、甲基红、溴甲酚绿、柠檬酸、柠檬酸钠、无水乙酸钠、胆固醇、亚硝酸钠、邻苯二甲醛，国药集团；冰乙酸、乙醇，阿拉丁试剂(上海)有限公司，以上试剂均为优级纯。

1.2 仪器与设备

KQ-300E型超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；L-8900氨基酸自动分析仪、Hitachi S-4800型场发射扫描电子显微镜，日本日立公司；UV-5500PC型紫外分光光度计，上海市元析仪器有限公司；JT-DCY-12Y水浴氮吹仪，杭州聚同电子有限公司；Allegra X-12R离心机，贝克曼库尔特有限公司；CJM-SY-B高能纳米冲击磨，秦皇岛市太极环纳米制品有限公司；FTIR-850红外扫描仪，天津港东科技发展股份有限公司；纳米粒度分析仪，Malvern仪器；LS-909激光粒度仪，珠海欧美克仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 不同粒径竹笋粉的制备

将毛竹笋用去离子水清洗3次，在105 ℃的烘箱中烘干至水分含量低于6%，采用普通粉碎机进行粉碎，过80目标准筛但未通过100目标准筛的即为细竹笋粉，平均粒度采用激光粒度仪进行测定。

将经前处理的细竹笋粉通过行星球磨机进行球磨，球磨介质ZrO2，时间30 min、转速500 r/min，球磨后的竹笋粉即为超细竹笋粉，平均粒径使用激光粒度分布仪进行测定。

将经前处理的细竹笋粉通过行星球磨机进行球磨，球磨时间3 h，球磨介质ZrO2，转速500 r/min，得到超微竹笋粉，平均粒径使用激光粒度分布仪进行测定。

1.3.2 成分测定

1.3.2.1 基本成分测定

水分含量采用GB/T 5009.3—2016《食品中水分的测定》中的直接干燥法测定；灰分含量采用GB/T 5009.4—2016《食品中灰分的测定》中的高温灼烧法测定；蛋白质含量采用GB/T 5009.5—2016《食品中蛋白质的测定》中的凯氏定氮法测定。

1.3.2.2 总氨基酸测定

总氨基酸测定采用国标GB 5009.124—2016《食品中氨基酸的测定》，略有改进。分析条件：日立L-8900 氨基酸分析仪；色谱柱：日立2622C磺酸型阳离子树脂分离柱(4.6 m×60 mm，3 μm)；检测器：荧光检测器；流动相：柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液。取1 g样品加到玻璃水解管中，加入10 mL 6 mol/L的HCl溶液，加重蒸酚3～4滴，冷却5 min，向水解管中充入一定量的N2，在N2环境下迅速封管，110 ℃水解22 h。冷却后打开水解管，将水解液全部移至50 mL容量瓶中，用去离子水清洗、过滤及定容。取2 mL定容溶液反复真空干燥2次，最后蒸干，然后加0.02 mol/L柠檬酸钠缓冲液1 mL，过0.22 μm滤膜过滤后上机。

1.3.2.3 游离氨基酸测定

游离氨基酸的测定参照GB/T 5009.124—2016《食品中氨基酸的测定》，略有改进。准确称取样品5.00 g置于150 mL锥形瓶中，加入60 mL去离子水，100 ℃沸水浴提取1 h，每15 min振摇1次。取出冷却，将提取液过滤至100 mL 容量瓶，残渣用20 mL去离子水分2次洗涤，洗出溶液与提取液合并后定容至100 mL。取5.0 mL定容后的液体于15 mL离心管中，加入10%磺基水杨酸溶液5.0 mL，离心15 min (10 000 r/min、4 ℃)，取上清液过0.22 μm滤膜，待测。

1.3.3 物理性质测定

1.3.3.1 粒径测定

使用激光粒度仪测定竹笋粉粒径。

1.3.3.2 持水性的测定

持水性(water retention capacity，WRC)的测定参考LYU等[19]的方法并略作修改。准确称取1.00 g样品(m1)，并加入40 mL去离子水。室温放置24 h后，6 000 r/min离心10 min，去除上清液，将离心管壁上残留的水分用滤纸吸干。称重(m2),105 ℃烘5 h，称重(m3)，按照公式(1)计算持水性：

(1)

1.3.3.3 膨胀力的测定

膨胀力(water swelling capacity，WSC)的测定参照LYU等[19]的方法并略作修改，准确称取1.00 g样品(m4)，加入10.0 mL蒸馏水于25 mL量筒内，其体积记为V1。充分振荡后室温静置24 h，读取液体中样品的体积V2。膨胀力按照公式(2)计算：

(2)

1.3.3.4 溶解度测定

参照范明月等[20]的方法并稍作改动。将不同粒径竹笋粉用蒸馏水配制成质量分数为3%的溶液，30 ℃恒温水浴5 min后，倒入离心管中摇匀，1 000 r/min离心10 min，测定离心管中沉淀物的高度以及溶液的总高度。以沉淀高度/溶液总高表示溶解度，比值越小溶解性越大。

1.3.4 吸附能力测定

1.3.4.1 NO2-吸附能力的测定

NO2-吸附能力(nitrite ion adsorption capacity，NIAC)测定参考GB 5009.33—2010《食品中亚硝酸盐与硝酸盐的测定》。准确称取1.00 g样品和60.0 mL NaNO2(5.002 μg/mL)于100 mL锥形瓶内，调节pH，分别模拟人体胃酸环境(pH 2.0)和肠道环境(pH 7.0)，加入转子在37 ℃水浴中反应120 min，测量NO2-的残留量[21]。按公式(3)计算NIAC：

(3)

式中：ρ1，原始溶液中的NO2-质量浓度，μg/mL；ρ2，吸附平衡时上清液中的NO2-质量浓度，μg/mL；m5，竹笋粉质量，g；V3，NaNO2溶液体积，mL。

1.3.4.2 胆固醇吸附能力的测定

胆固醇吸附能力(cholesterol adsorption capacity，CAC)的测定参照GB 5009.128—2016《食品中胆固醇的测定》，略作修改。取新鲜鸡蛋蛋黄，按料液比1∶9(g∶mL)加入蒸馏水，搅拌均匀形成乳化液。准确称取1.00 g样品和60.0 mL蛋黄乳化液于100 mL锥形瓶内，分别调节pH至2.0和7.0，在模拟人体胃酸环境和肠道环境下对胆固醇吸附能力进行测定。37 ℃水浴30、60、90、120、180 min，冷却到室温后，6 000 r/min离心20 min。收集上清液，在550 nm下测量吸光度值。胆固醇吸附能力表示为1 g竹笋粉样品吸收的胆固醇量，计算如公式(4)所示：

(4)

式中：ρ3，原始蛋黄溶液的胆固醇质量浓度，μg/mL；ρ4，吸附平衡时上清液的胆固醇质量浓度，μg/mL；m6，样品质量，g；V5，原蛋黄溶液体积，mL；V4，上清液体积，mL。

1.3.5 红外光谱

称取一定量干燥样品，在研钵中硏磨至极细，与溴化钾混合压成半透明薄片，用傅里叶红外光谱仪进行分析，扫描范围为400～4 000 cm-1。

1.3.6 扫描电镜观察

将干燥样品用导电胶粘在样品座上，于氮气环境下用离子溅射法渡一层铂金膜，通过扫描电子显微镜对样品进行观察分析。

1.4 数据分析

每个实验进行3次，数据显示为平均值±标准偏差。数据的统计分析包括方差和SPSS 20.0版的Duncan’s检验。组间差异显著性水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 不同粒径竹笋粉基本成分分析

粉体的粒径与其持水性、膨胀力、吸附能力等理化性质和功能特性密切相关[22]。不同粒径竹笋粉的基本成分如表1所示。经超微粉碎后，超微竹笋粉的营养成分与细竹笋粉存在差异，主要表现在超微竹笋粉的灰分含量显著增加，而水分含量显著降低(6.13 g/100 g),这与杨茉等[23]的研究结果相同。这是由于在球磨过程中物料间的摩擦使竹笋粉的温度升高，促进水分蒸发；随着粒径的下降，蛋白质含量略微降低，可能是在超微粉碎过程中，由于机械力的影响，蛋白质的结构被破坏。超细竹笋粉和超微竹笋粉的营养成分也存在差异，主要是因为不同的粉碎程度所造成的。

表1 不同粒径竹笋粉的基本成分 单位：g/100 g

Table 1 Basic components of bamboo shoot powder with different particle size

注：同行不同字母表示组间差异显著(P<0.05)(下同)

2.2 粒径分析

不同加工工艺得到的竹笋粉的粒径分布、比表面积等见表2。细竹笋粉的平均粒度为(182.66±1.07)μm，超细竹笋粉为(90.41±0.31)μm，超微竹笋粉为(18.43±0.43)μm。竹笋粉经球磨粉碎后，机械强力的碾磨或流体动力使竹笋粉颗粒加速，发生剧烈的相互碰撞、反复摩擦、高速剪切，从而使竹笋粉的粒径显著减小[20]。

表2 不同竹笋粉的理化性质
Table 2 Physicochemical properties of bamboo shoot powder with different particle size

2.3 不同粒径竹笋粉的物理性质

比表面积是衡量超微粉物料特性的重要参数，在一定程度上，比表面积大小与物料颗粒的粒径、形状、表面缺陷及孔结构密切相关；同时，比表面积对物料的其他许多物理及化学性能会产生很大影响，如吸附性、持水性和溶胀性等[24]。由表2可知，超微竹笋粉的比表面积最大为(597.20±9.28) m2/kg，是细竹笋粉的8倍，同时其持水性和膨胀力分别提高了25%和65.62%。这可能是因为竹笋粉经超微粉碎后，其粒径减小，纤维素致密的组织结构被破坏成疏松的结构，更多的亲水性基团暴露出来，比表面积增大，加大了与水的接触面积，接触部位增多，分散性增强[25]，所以超微竹笋粉的持水性和溶胀性明显高于细竹笋粉。

2.4 不同粒径竹笋粉的溶解性

由图1可知，随着竹笋粉粒度的不断减小，其溶解度不断增加，其中细竹笋粉、超细竹笋粉溶解度没有明显的变化，但显著低于超微竹笋粉的溶解度。这是因为当粉体的粒度减小时，破碎程度变大，其比面积增大，这不仅增加了粉体与水分子之间的有效接触面积，而且还大大缩短了水分子进入粉体的距离，增加了水与羟基的结合机会，从而使溶解性增大。

图1 不同竹笋粉的溶解度
Fig.1 Solubility of bamboo shoot powder with different particle size 注：不同字母表示组间差异显著(P<0.05)(下同)

2.5 不同粒径竹笋粉的氨基酸含量分析

氨基酸标准品的色谱图如图2所示，不同粒径竹笋粉的氨基酸含量见表3。竹笋粉中含有17种氨基酸(除了色氨酸)，其中包含7种人体必需氨基酸。竹笋粉中含量较高的4种氨基酸分别为：赖氨酸、亮氨酸、精氨酸、缬氨酸；含量较低的氨基酸分别为：γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)、酪氨酸、苏氨酸和丝氨酸。不同粒径竹笋粉的氨基酸含量不同，除亮氨酸含量为超细竹笋粉最高，GABA含量为细竹笋粉含量最高外，其余氨基酸的含量超微竹笋粉均显著(P>0.05)高于细竹笋粉和超细竹笋粉。细竹笋粉的总氨基酸含量为(124.57±2.34)mg/g，必需氨基酸的含量为(81.57±1.56)mg/g；超细竹笋粉的总氨基酸含量为(133.56±2.08)mg/g，必需氨基酸的含量为(87.80±1.82)mg/g，超微竹笋粉的总氨基酸含量为(138.08±1.92)mg/g，必需氨基酸的含量为(88.76±1.02)mg/g。超细竹笋粉、超微竹笋粉呈现出随着粒径减小，总氨基酸和必需氨基酸的含量略微增长的趋势，这是由于在超微粉碎过程中，竹笋细胞结构被破坏，细胞壁、细胞膜、原生质和细胞间质中的氨基酸被释放出来，从而使氨基酸含量有所增加。

图2 氨基酸标准品色谱图
Fig.2 Chromatogram of standard amino acids

表3 不同粒径竹笋粉的氨基酸含量 单位：mg/g

Table 3 Amino acid content of bamboo shoot powder with different particle size

2.6 不同粒径竹笋粉的化学结构

不同粒径竹笋粉的红外光谱图如图3所示。3 421 cm-1附近的强吸收峰为分子中羟基的伸缩振动峰；2 927 cm-1附近的吸收峰为有机物C—H的拉伸振动吸收峰；1 745 cm-1附近的吸收峰为半纤维素羰基(CO)的伸缩振动峰，1 050 cm-1附近的峰是纤维素、半纤维素(CO)的伸缩振动峰[26]。该研究与程姣姣等[27]在研究豆渣超微粉制备工艺中官能团的分析相同。1 044 cm-1处有个较宽的吸收峰为磷酸盐的拉伸运动吸收峰。由此可以看出球磨对毛竹笋中各组分主要官能团影响不大，不同粒径竹笋粉的化学结构大致相同，在超微粉碎过程中并没有因为受到物理作用而导致其组分中官能团的变化，而仅仅只是破坏了其表面结构，导致其粒径减小，比表面积增大。这与朱怡婷等[28]在研究超微粉碎对毛竹笋微观结构及营养成分的影响结果一致。经球磨处理后羟基峰蓝移，某些糖类特征吸收峰增强，可能是由于纤维素、半纤维素、木质素等大分子受到剧烈机械力作用，发生分子链断裂现象，分子聚合度有减小趋势，更多葡萄糖苷键、氢键等基团暴露，使超微粉与水分子结合得更快更紧密。

图3 不同粒径竹笋粉的红外光谱图
Fig.3 FT-IR spectra of bamboo shoot powder with different particle size

2.7 不同粒径竹笋粉的表面结构分析

图4为不同粒径竹笋粉在电镜下的表面结构图，未经行星球磨机粉碎的细竹笋粉粒径仍然较大，表面形状各异，多为不规则多边形，大小也不均匀，明显可见竹笋粉较大的纤维结构，竹笋粉多数呈团状形式存在，结构紧密且孔隙小(图4-a)。超细竹笋粉在同一放大倍数下粒径明显变小，表面形状较为规则，大多呈现出椭圆形或球形，大小也较为均匀(图4-b)。经行星球磨机粉碎的超微竹笋粉片状纤维结构明显被破坏，形状更加规则，大多呈椭圆形或球型，大小也更加均匀，没有明显的较大颗粒。与CHITRAKAR等[16]的研究结果相似。行星球磨后竹笋粉的粒径变小，粒径分布更均匀，竹笋粉纤维结构明显变小，但是峰形位置和数量没有发生明显变化，说明行星球磨对竹笋粉纤维分子结构没有太大影响。

a-细竹笋粉；b-超细竹笋粉；c-超微竹笋粉
图4 不同粒径竹笋粉的电镜图
Fig.4 SEM images of bamboo shoot powder with different particle size

2.8 不同粒径竹笋粉NIAC的比较

亚硝酸盐在酸性条件下，经肠道微生物作用会转化为致癌物质——N-亚硝胺。不同粒径的竹笋粉的NIAC如表4所示。在pH 2.0(模拟胃酸环境)和pH 7.0(模拟肠道环境)时，竹笋超微粉对的吸附量为410.22和398.56 μg/g，而细竹笋粉对的吸附量为298.68和289.42 μg/g，NIAC分别提高了37.34%和37.71%，表明球磨处理后，竹笋粉的粒径变小，暴露出更多的活性位点，提高了竹笋粉对亚硝酸盐的吸附能力。但是竹笋粉对亚硝酸盐的吸附作用受反应体系中酸碱度的影响，在pH 2.0时其吸附性能大于pH 7.0时，这与YANG等[29]研究高速剪切协同酶改性的竹笋膳食纤维对的吸附实验结果相似。

表4 不同粒径竹笋粉的NIAC 单位：μg/g

Table 4 NIAC of bamboo shoot powder with different particle size

2.9 不同粒径竹笋粉的胆固醇吸附能力比较

图5显示了不同粒径竹笋粉在pH 2.0(模拟胃酸环境)和pH 7.0(模拟肠道环境)条件下的胆固醇吸附能力。pH对不同粒径竹笋粉的胆固醇吸附能力有显著影响。细竹笋粉、超细竹笋粉、超微竹笋粉在pH 7.0时胆固醇的最大吸附量分别为4.01、4.12、4.28 mg/g，而在pH 2.0时其最大吸附量分别为2.96、3.11、3.36 mg/g，pH 7.0时竹笋粉的胆固醇吸附量显著高于pH 2.0时(P<0.05)。吸附时间在0～60 min时，竹笋粉随着吸附时间的增加而增大，在60 min时达到最大值。吸附时间在60～180 min时，吸附量又随着时间的增加而降低，逐渐趋于稳定。而不管是在pH 2.0 还是pH 7.0，竹笋超微粉对胆固醇的吸附量高于超细竹笋粉，超细竹笋粉对胆固醇的吸附量高于细竹笋粉，表明超微处理显著提高了超微竹笋粉的胆固醇吸附能力。

a-pH 2.0；b-pH 7.0
图5 不同粒径竹笋粉的胆固醇吸附能力比较
Fig.5 Cholesterol adsorption capacity of bamboo shoot powder with different particle size

3 结论

本实验对不同粒径竹笋粉的基本成分、物理特性、功能特性及化学结构进行了初步探索。结果发现，超微竹笋粉的营养成分与细竹笋粉有较大的差异，主要表现在超微竹笋粉的水分含量显著降低，蛋白质含量降低，灰分含量显著增加，可能是在超微粉碎过程中，蛋白质的结构被破坏。超细竹笋粉和超微竹笋粉的营养成分也存在差异，主要是不同的粉碎程度所造成的。不同粒径竹笋粉的氨基酸含量不同，且呈现粒径越小，总氨基酸和必需氨基酸的含量略微增长的趋势。竹笋粉经超微粉碎处理后，其比表面积增加，同时超微竹笋粉的持水性和膨胀力也明显高于细竹笋粉。红外光谱结果显示，细竹笋粉和超微竹笋粉的化学结构相似，超微粉碎对竹笋粉的化学结构没有显著影响。扫描电镜结果显示，球磨后的超微竹笋粉粒度变小，形状更加规则，大多呈椭圆形或球型，大小也更加均匀，没有明显的较大颗粒。功能特性研究表明超微处理显著提高了竹笋粉对亚硝酸盐和胆固醇的吸附能力。综上所述，行星球磨处理有效改善了竹笋粉的理化性质和功能特性，作为一种高效、绿色的处理方式，可为超微粉体的开发利用提供科学参考。