超微粉碎對南瓜粉物化及其粉糊流變性質(zhì)的影響

鄧凱波，黃雅萍，代亞萍，馬曉麗，鄭寶東*

（1.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福州 350002；2.中國-愛爾蘭食品物質(zhì)學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計研究中心，福州 350002；

3.福建省特種淀粉品質(zhì)科學(xué)與加工技術(shù)重點實驗室，福州 350002；4.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，廣東 湛江 524001）

南瓜（Cucurbita moschata Duch）是一種碳源食物，含有維生素E、胡蘿卜素、脂肪、膳食纖維和鈉、鉀、鈣等營養(yǎng)成分[1]，具有促進胃腸道蠕動和排出體內(nèi)膽固醇，減少血脂生成，抗氧化，提高免疫力，抗癌防癌等功效[2]。目前市售南瓜加工產(chǎn)品主要有沖調(diào)飲品、果脯果醬、面餅主食等[3]，南瓜粉為主要產(chǎn)品，在日本、韓國、北歐等國家和地區(qū)應(yīng)用廣泛[4]。

果蔬全粉營養(yǎng)豐富、貯藏穩(wěn)定性好、運輸成本低，可實現(xiàn)原料高效利用，滿足特殊消費人群需要，是有效延長果蔬加工產(chǎn)業(yè)鏈、提高產(chǎn)品附加值和帶動果農(nóng)增收的重要途徑之一[5]。隨著現(xiàn)代食品工業(yè)發(fā)展，傳統(tǒng)普通粉碎技術(shù)已不能適應(yīng)生產(chǎn)需要，新興粉碎技術(shù)迅速發(fā)展，超微粉碎技術(shù)是研究熱點之一。當(dāng)物體顆粒粒徑達到微粒、亞微粒、細末微粒程度時，隨顆粒表面積劇增產(chǎn)生新的物化特性和應(yīng)用價值[6]。Zhang等利用超微粉碎處理枸杞多糖（LBP）發(fā)現(xiàn)，打破多糖鏈和分子間氫鍵作用，導(dǎo)致高分子多糖聚合物降解，提高枸杞多糖抗氧化活性[7]。王軍等通過振動式超微粉碎研究番薯全粗粉物化特性發(fā)現(xiàn)，延長粉碎時間和下調(diào)處理功率使微細粉顆粒顏色更均勻明亮，經(jīng)15 min振動超微粉碎后番薯全粗粉持水性、持油力、吸濕性和溶脹度達最佳，粉末加工性能優(yōu)良[8]。超微粉碎技術(shù)可改善食品顆?？诟校跔I養(yǎng)物質(zhì)吸收，有效利用不易吸收的加工副產(chǎn)物，開發(fā)新型食材，提高資源利用率，減少環(huán)境污染[9]。

本文研究超微粉碎對南瓜粉物化性質(zhì)及粉糊流變性質(zhì)的影響，通過物性測定研究粉體粒徑、流變特性、色差、水溶性及形狀等相關(guān)指標(biāo)，闡述南瓜粉在超微粉碎過程中粉體物化特性及其粉糊流變性質(zhì)變化規(guī)律，為南瓜粉加工應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

密本南瓜購于福州永輝超市，挑選成熟、平均單重為12 kg新鮮南瓜作為試驗材料。所有試劑均為分析純。

1.2 儀器

太陽能-熱泵聯(lián)合干燥系統(tǒng)[YG-KRK-14II（5HP）]由福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)副產(chǎn)品綜合開發(fā)研究所與東莞永淦節(jié)能科技有限公司聯(lián)合研制；納米粉碎機（CJM-SC-A）購自秦皇島市太極環(huán)納米制品有限公司；鹵素快速水分測定儀（SFY-6）購自深圳冠亞科技有限公司；系列全自動測色色差計（ADCI）購自北京辰泰克儀器技術(shù)有限公司；流變儀（MCR301）購自奧地利安東帕公司；激光粒度分析儀（Master sizer 2000）購自英國Malvern公司；傅立葉中遠紅外光譜儀購自德國布魯克公司；場發(fā)射掃描電鏡（Nova NanoSEM 230）購自美國FEI公司。

1.3 方法

1.3.1 南瓜粉制備

選料→清洗→消毒（220 mg·L-1次氯酸溶液）→切半去籽→預(yù)處理→太陽能-熱泵聯(lián)合干燥（至干基含水率＜10%（W/W）→粉碎→過篩（80目）→包裝、備用。

主要步驟：南瓜清洗并切半去籽后，用實驗室自制小型切片器將南瓜切成4 cm×4 mm×5 cm均勻南瓜片；預(yù)處理：取500 g樣品經(jīng)超聲波輔助漂燙預(yù)處理后，冷卻瀝干；太陽能-熱泵聯(lián)合干燥：放入太陽能-熱泵聯(lián)合干燥室內(nèi)（70℃）干燥至目標(biāo)含水率＜10%（W/W，干基）；粉碎：超微粉碎后80目過篩；包裝、備用：用自封袋包裝置于干燥器中，室溫（25℃）保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 南瓜超微粉制備

將上述南瓜粗粉超微粉碎50 min，每隔5 min取樣，測定粒徑及離散度選取合適的粉碎時間開展后續(xù)研究，其中0 min取樣為粗粉。

1.3.3 粉體粒徑及離散度測定

利用馬爾文激光粒度儀測定超微粉粒徑及離散度[10]。稱取一定量樣品（精確至0.001 g）置于測定容器中，測定過程中使用超聲波分散粉體，以蒸餾水作為分散劑。離散度計算公式如式（1）：

式中，Dn表示有n%的顆粒粒徑小于該數(shù)值。

1.3.4 粉糊流變曲線測定

稱取不同超微粉碎時間南瓜粉樣品，按6%（W/W）加入蒸餾水，攪拌使之充分分散，沸水浴加熱糊化30 min后靜置冷卻。取少量糊化樣品于流變儀測定平臺上，選取直徑為25 mm錐板模具和剪切速率線性變化的旋轉(zhuǎn)測量方法，啟動儀器，刮去多余樣品，加蓋防揮發(fā)槽。恒定溫度為25℃，測定樣品剪切應(yīng)力（T）分別在3 min內(nèi)隨剪切速率（γ）從0～300 s-1遞增過程的變化。采用冪率定律流變曲線作模型擬合分析，計算流變指數(shù)（m）、稠度系數(shù)（k）[11]。

式中，Τ為剪切應(yīng)力（Pa）；γ為剪切速率（s-1）；k為稠度系數(shù)；m為流變指數(shù)。

1.3.5 粉體色澤測定

將南瓜粉裝于透明比色皿中，依據(jù)CIE Lab表色系統(tǒng)，測定并記錄超微粉明亮度指數(shù)L*、紅/綠度指數(shù)a*、黃/藍度b*。每組重復(fù)3次，取平均值。

1.3.6 粉體綜合特性測定

松裝密度測定[12]：參考GB/T 20316.2-2006中堆積密度測定方法。

振實密度測定[13]：參考GB/T 21354-2008中振實密度通用方法測定。

休止角測定[14]：將一漏斗固定在距離水平面一定距離處（H），取粉體適量，使其通過玻璃漏斗自由落在平面上，直到形成圓錐體的最高點接觸漏斗最下端為止，測量此時圓錐體直徑D。平行試驗3次取平均值。計算公式如下：

式中，H為漏斗底部到水平面距離（cm）；D為南瓜粉堆成的圓錐體直徑（cm）；θ為南瓜粉粉體休止角（°）。

滑角測定[15]：稱取3 g樣品，將其平鋪在光滑玻璃板中部，緩緩向上推動玻璃板一端，將平板傾斜至約90%南瓜粉移動，測定平板和水平面夾角即為滑角。每種南瓜粉重復(fù)試驗3次取平均值。

1.3.7 粉體持水性測定

稱取0.5 g南瓜粉溶于20 mL蒸餾水中，室溫磁力攪拌30 min后，3 000 r·min-1離心20 min，除去上層及管壁附著水分，稱取殘留物質(zhì)量，重復(fù)5次，取平均值[16]。計算如式（4）：

式中，m1為樣品質(zhì)量（g）；m2為殘留物質(zhì)量（g）。

1.3.8 粉體持油性測定

將1.5 g南瓜粉和12 mL花生油放入干燥離心管中，電磁攪拌30 min后，3 500 r·min-1離心20 min，棄去上清液并擦干離心管內(nèi)外壁所附油脂和水分，稱取沉淀質(zhì)量，重復(fù)5次，取平均值[17]。計算如式（5）：

式中，m1為樣品質(zhì)量（g）；m2為殘留物質(zhì)量（g）。

1.3.9 粉體水溶性測定

溶解性測定[18]：稱取一定質(zhì)量南瓜粉于離心管中（精確至0.001 g），按照樣品與水為0.02：1加入蒸餾水，80℃下水浴振蕩30 min后，3 500 r·min-1離心15 min，然后將上清液在105℃下烘干至恒重。溶解性計算如式（6）：

式中，M1為樣品質(zhì)量（g）；M2為上清液烘干后質(zhì)量（g）。

溶脹度測定[19]：準(zhǔn)確稱取約0.5 g南瓜粉于玻璃試管中，記錄樣品體積，加入蒸餾水10 mL，振蕩使其均勻分散，置于25℃水浴鍋恒溫24 h后，記錄充分溶脹后體積。計算溶脹度如式（7）：

式中，v1為加水前樣品體積（mL）；v2為溶脹后樣品體積（mL）；m為樣品質(zhì)量（g）。

1.3.10 粉體結(jié)構(gòu)特點測定

粉體微觀結(jié)構(gòu)[20]：發(fā)射掃描電鏡觀察超微粉碎的南瓜粉微觀形態(tài)。

粉體紅外光譜測定[21]：采用KBr壓片法，分別將南瓜粉原樣和不同粉碎時間的南瓜微粉與適量純KBr均勻研磨，置于磨具中，在壓片機上壓成透明薄片，南瓜粉與KBr質(zhì)量比為1：200，傅里葉變換紅外光譜儀分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007和DPS v7.5軟件處理和分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 超微粉碎時間對南瓜粉粒徑的影響

粒徑尺寸與分布是衡量超微粉碎效果最直接指標(biāo)，可影響一系列粉體特征改變。南瓜粉粒徑及離散度分析結(jié)果見表1。隨粉碎時間增加，南瓜粉粒徑逐漸減小。粉碎15 min后南瓜粉平均粒徑D50降至21.90 μm，達到微粉級（粒徑D50范圍10～25 μm）。在粉碎30 min后，南瓜粉粒徑D50變化不顯著（P＞0.05），說明納米粉碎機對南瓜粉粉碎能力約為12 μm。隨粉碎時間變化，南瓜微粉離散度呈先增后減趨勢，離散度越小表明粉體中不飽和顆粒數(shù)越少，粒徑越集中。因此，隨粉碎程度增大，粉體顆粒越均勻。故選取粉碎時間為10、15、20和25 min作后續(xù)研究。

2.2 超微粉碎時間對南瓜粉糊流變性質(zhì)的影響

2.2.1 不同超微粉碎時間下南瓜粉糊的流變曲線

圖1a為經(jīng)不同超微粉碎時間獲得南瓜粉糊流變曲線[6%（W/V），25℃]，圖1b為10～25 min樣品組粉糊流變曲線局部放大圖。相同測試條件下，粗粉糊和微粉糊流變曲線具有不同變化趨勢。粗粉糊中，隨剪切速率逐漸增加，剪切應(yīng)力迅速增加后逐漸減小，且南瓜粗粉糊剪切應(yīng)力始終大于南瓜微粉糊。由圖1b可知，當(dāng)剪切應(yīng)力為0時，所有曲線均不過原點，表明南瓜微粉糊為無屈服應(yīng)力的假塑性流體。剪切速率越大，剪切應(yīng)力越大，其中10 min組在剪切速率為0～150 s-1時，剪切應(yīng)力響應(yīng)更為強烈；但不同粉碎時間的流變曲線均呈迅速上升后逐漸趨于平緩趨勢，表現(xiàn)假塑性流體特征。隨粉碎時間延長，在同一剪切速率下，剪切應(yīng)力逐漸減少，曲線彎曲程度下降。

表1 超微粉碎時間對南瓜粉粒徑和離散度的影響Table 1 Effects of ultrafine grinding time on the particle sizes and dispersion of pumpkin powder

2.2.2 不同超微粉碎時間下南瓜淀粉糊的流動模型

通過一元非線性回歸分析，得出不同時間南瓜粉糊稠度系數(shù)k，流變指數(shù)m及決定系數(shù)R2，結(jié)果見表2。除10 min樣品組外，其余處理時間下南瓜粉糊R2均在0.98～0.99，說明冪率定律可較好擬合不同粉碎時間的南瓜粉糊流動特性曲線。當(dāng)保持測定溫度和濃度相同條件下，k值隨粉碎時間增加而減小，m值隨粉碎時間增加而增加。表明超微粉碎時間越短，南瓜粉糊稠度越大，流動性越小，粒徑越小，越偏離牛頓流體。

圖1 不同超微粉碎時間下南瓜粉糊流變曲線Fig.1 Flow curves of pumpkin powder paste under different ultrafine grinding time

表2 不同超微粉碎時間下南瓜粉流變特征參數(shù)Table 2 Rheological parameters of pumpkin powder paste under different ultrafine grinding time

2.3 超微粉碎時間對南瓜粉色澤的影響

超微粉碎時間可顯著影響南瓜粉色澤（見表3）。與粗粉相比，南瓜微粉L*值和b*值顯著升高，a*值顯著降低（P＜0.05），主要是由于超微粉碎致南瓜粉粒徑減小，混合均勻度提高且比表面積增大，一方面使粉末樣品光反射面平整而趨于鏡面反射，亮度增強，另一方面物料內(nèi)部顯露，影響物料顏色；隨粉碎時間增加，不同微粉間L*值和a*值逐漸升高，b*值則逐漸降低，可能是經(jīng)超微粉碎后，破壞南瓜粉中類胡蘿卜素成分，南瓜微粉黃色變淺。色澤是感官評價重要指標(biāo)，色澤改善有利于提高其加工特性和產(chǎn)品附加值。

2.4 超微粉碎時間對南瓜粉物性的影響

超微粉碎時間對南瓜粉物性影響見表4。南瓜微粉振實密度和松裝密度均顯著小于粗粉（P＜0.05），隨粉碎時間增加，微粉間振實密度和松裝密度值差異不顯著（P＞0.05）。南瓜微粉休止角和滑角均顯著大于粗粉（P＜0.05）。

表3 超微粉碎時間對南瓜粉色澤的影響Table 3 Effect of ultrafine grinding time on pumpkin powder color

2.5 不同超微粉碎時間對南瓜粉加工特性的影響

由表5可知，在持水性和持油性方面，0 min粗粉明顯高于微粉；不同粉碎時間下微粉持水性差異顯著（P＜0.05），粉碎時間越長持水性越低，而持油性變化不顯著（P＜0.05）。在溶脹度方面，隨粒徑逐漸減小，溶脹性顯著降低（P＜0.05），但粉碎時間達15 min后，溶脹度無顯著變化（P＞0.05）。在溶解性方面，超微粉碎時間越長，微粉溶解性越好，但變化趨勢較為緩慢；粗粉與微粉之間差異更為顯著（P＜0.05），15 min組溶解性比粗粉提高20.55%。故粉碎時間15 min以上時樣品各項加工特性均較好。

2.6 超微粉碎時間對南瓜粉微觀結(jié)構(gòu)的影響

超微粉碎前后粉體顆粒尺寸差異顯著（P＜0.05）。粉碎0 min粗粉粉體粒徑較大，存在塊狀、形狀不規(guī)則現(xiàn)象（見圖2A），而粉碎后聚集體消失，微粒之間存在較少凝聚。隨超微粉碎時間延長，粒徑逐漸減小，顆粒形狀逐漸趨于一致，形狀逐漸規(guī)則化（見圖2B～E）。

表4 不同超微粉碎時間對南瓜粉物性的影響Table 4 Effect of ultrafine grinding time on the properties of matter of pumpkin powder

表5 不同超微粉碎時間對南瓜粉加工特性的影響Table 5 Effect of ultrafine grinding time on the processing characteristics of pumpkin powder

圖2 不同超微粉碎時間對南瓜粉微觀結(jié)構(gòu)的影響（放大倍數(shù)500×）Fig.2 Effect of ultrafine grinding time on the morphology of pumpkin powder(Magnification 500×)

2.7 不同超微粉碎時間下南瓜粉紅外光譜分析

由圖3可知，5種南瓜粉紅外光譜相近，波峰位置及形狀相似性較高，均在2 950～3 000、1 625～1 630、1 375～1 380、1 200～1 250和500～600 cm-1處出現(xiàn)明顯吸收峰。2 950～3 000和1 200～1 250 cm-1峰分別表明-OH和C-O基團伸縮振動，屬于糖類物質(zhì)基團的吸收峰。1625～1630 cm-1處吸收峰表明-C=O基團伸縮振動，可能為酰胺類化合物。1 375～1380cm-1處吸收峰表明可能存在硝基化合物。

紅外光譜圖峰形無明顯變化，表明粉碎后主要成分未發(fā)生改變，超微粉碎處理未破壞南瓜粉有效成分。

圖3 不同超微粉碎時間對南瓜粉紅外光譜的影響Fig.3 Effect of ultrafine grinding time on FTIR spectrum of pumpkin powder

3 討論

本研究中南瓜粉在超微粉碎的流體動力作用下克服其內(nèi)部凝聚力并發(fā)生破碎，粒徑逐漸減小，粗粉經(jīng)超微粉碎15 min粒徑可降至21.90 μm，達微粉級。其微粉振實和松裝密度均顯著小于粗粉（P＜0.05），因經(jīng)超微粉碎后，微粉粒徑減小，顆粒比表面積增大，顆粒間空隙加大，可夾帶和吸附更多空氣，與粗粉相比更膨松[16]，經(jīng)超微粉碎后南瓜粉更蓬松。一般而言，休止角＜40°，表示流動性較好[22]。隨粉碎時間延長，顆粒比表面積增大，表面電荷增加，顆粒間引力和黏著力增加，微粉粉體流動性減弱[23]，因此微粉休止角和滑角均顯著大于粗粉（P＜0.05）。安靜林等研究結(jié)果表明，球磨粉碎南瓜粉底角正切值隨粉碎粒度變小而增大，流動性漸強[10]。因此，為改善南瓜微粉流動性，在南瓜微粉后續(xù)加工中，有必要添加適當(dāng)抗結(jié)劑或分散劑等加工助劑。

經(jīng)超微粉碎后，微粉粒徑、細胞群逐漸減小，碎片增多，細胞中可溶性成分溶出，微粉持水性下降[24]。此外，南瓜膳食纖維長鏈發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂，短鏈增加，膳食纖維成分變化影響其對水分和油脂束縛能力，導(dǎo)致微粉持水性和持油性小于粗粉，溶脹性降低[25]。粒徑減小導(dǎo)致微粉與水接觸面積增大，超微粉碎瞬時破壞南瓜粉中不溶于水物質(zhì)，南瓜微粉溶解性顯著提高。但考慮生產(chǎn)實際，15 min超微粉碎時間更為合理。

沖調(diào)類粉糊是南瓜粉深加工重要的應(yīng)用領(lǐng)域，故超微粉碎對南瓜粉糊流變性質(zhì)的影響尤為重要。本研究中南瓜粗粉糊剪切應(yīng)力始終大于南瓜微粉糊，因為南瓜粗粉粒徑較大（200～210 μm），高分子均以無規(guī)則的線團形式存在，相互纏結(jié)，對粉糊流動性產(chǎn)生黏性阻力，剪切應(yīng)力增大[11]。此外，由于隨粉碎時間延長，淀粉粒徑減小，淀粉糊流動時阻力降低，剪切應(yīng)力下降[26]。同時，由于粒徑、顆粒潤脹程度逐漸減小，曲線逐漸趨于平穩(wěn)。另外，粉碎時間較短時，淀粉分子質(zhì)量較大，曲線達到最大彎曲度時剪切速率較大[27]。說明超微粉碎時間和南瓜粉中淀粉分子質(zhì)量呈正相關(guān)，南瓜粉粉碎時間越短，樣品剪切越明顯；粉碎時間越長，南瓜微粉抗剪切能力越弱。

4 結(jié)論

南瓜粉經(jīng)超微粉碎，粒徑逐漸減小，粗粉超微粉碎15 min可達超微粉級別；顆粒比表面積逐漸增加，形狀逐漸趨于一致，形狀逐漸規(guī)則化，其物化性質(zhì)發(fā)生變化。與粗粉相比，南瓜微粉振實和松裝密度明顯減小，休止角和滑角顯著增加；但隨粉碎時間增加，各指標(biāo)在南瓜微粉之間變化較小。經(jīng)超微粉碎后南瓜粉更加蓬松。微粉持水性、持油性和容脹度均有所減小，而溶解性明顯增加。15 min的適度超微粉碎可較好改善南瓜粉物化特性及其粉糊流變特性，對南瓜深加工技術(shù)開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。