單甘酯對(duì)高壓均質(zhì)處理竹筍膳食纖維理化及結(jié)構(gòu)特性的影響

張益嘉,張甫生,李彬,吳良如,鄭炯*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院,重慶,400715)2(西南大學(xué) 西塔學(xué)院,重慶,400715)3(重慶市林業(yè)科學(xué)院,重慶,400036)4(國(guó)家林業(yè)和草原局竹子研究開(kāi)發(fā)中心,浙江 杭州,310012)

竹筍是禾本科(Poaceae)竹亞科(Bambusoideae)多年生常綠草本植物,具有種類多,適應(yīng)性強(qiáng),分布廣等特點(diǎn)[1]。中國(guó)是世界上產(chǎn)竹最多的國(guó)家之一,擁有500多種筍用竹,可食用筍竹200余種,其中品質(zhì)優(yōu)良的筍竹30種以上,鮮筍年產(chǎn)量約2 000萬(wàn)t[2]。但由于鮮筍存在貯藏期短、易木質(zhì)化變質(zhì)等問(wèn)題,故60%以上的筍制品均為加工產(chǎn)品。竹筍加工過(guò)程中產(chǎn)生的筍頭、筍腳等副產(chǎn)物富含纖維素、木質(zhì)素和不溶性的半纖維素等成分,是膳食纖維(dietary fiber, DF)良好的來(lái)源。研究表明,竹筍膳食纖維(bamboo shoots dietary fiber, BSDF)具有比其他DF更好的水油保持能力[3],可以應(yīng)用在肉制品[4]、果醬[5]、面包[6]等食品中。但由于BSDF中不溶性DF含量較高[7],對(duì)產(chǎn)品的口感造成不利影響。因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別采用化學(xué)酸堿法[8]、生物酶法[9]和物理機(jī)械法[10]等方式對(duì)BSDF改性,以提升BSDF品質(zhì)。其中,物理機(jī)械法具有快捷高效、環(huán)境友好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),是最有應(yīng)用前景的DF改性方式之一。

高壓均質(zhì)(high-pressure homogenization, HPH)技術(shù)是一種在食品工業(yè)中廣泛應(yīng)用的微細(xì)化加工方法。在DF處理過(guò)程中,HPH可以使DF分子間的連接鍵斷裂、顆粒細(xì)化、結(jié)構(gòu)疏松[11],顯著減小DF的粒徑[12],提高水溶性DF的含量[13]、改善水合能力[14]。但超微粒子間的強(qiáng)自吸附特性極易使粒子在HPH處理過(guò)程中發(fā)生團(tuán)聚行為,加入合適的乳化劑可以提高DF的表面電位,從而增加顆粒間的排斥作用,有利于解決高壓團(tuán)聚性問(wèn)題。劉成梅等[15]研究發(fā)現(xiàn)復(fù)配乳化劑對(duì)大豆DF懸濁液在微射流瞬時(shí)高壓作用下團(tuán)聚性有顯著影響,能有效改善DF的團(tuán)聚性問(wèn)題。

單硬脂酸甘油酯(glyceryl monostearate, GMS)簡(jiǎn)稱單甘酯,是一種非離子型表面活性劑,已作為分散劑、乳化劑等廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中。因此,我們假設(shè)在HPH處理過(guò)程中,添加GMS能有效減少BSDF的團(tuán)聚行為,使粒徑顯著減小,提升BSDF超細(xì)粒子的分散效果,同時(shí)提高BSDF的理化特性,但目前該假設(shè)尚未被證實(shí)。因此,本文以BSDF為研究對(duì)象,在其HPH改性過(guò)程中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的GMS,測(cè)定處理前后BSDF的粒徑、電位、水合性質(zhì)、持油能力、色澤等理化性質(zhì),同時(shí)分析BSDF熱穩(wěn)定性、微觀結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)特性和相對(duì)結(jié)晶度等變化,并探究其背后的機(jī)制。以期得到一種能有效改善BSDF高壓團(tuán)聚行為的方法,為BSDF高值化利用提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

金佛山方竹筍,重慶市特珍農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司;木瓜蛋白酶(800 U/mg),上海源葉生物技術(shù)有限公司;多力葵花籽油,重慶市北碚區(qū)天生街永輝超市;單硬脂酸甘油酯(化學(xué)純),成都市科隆化工試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

207A型超高壓均質(zhì)機(jī)、10ND型冷凍干燥機(jī),寧波新芝生物科技有限公司;Zetasizer Nano ZS粒度分析儀,英國(guó)馬爾文儀器有限公司;UltraScan PRO型分光測(cè)色儀,美國(guó)Hunter Lab公司;TGA55型熱重分析儀,美國(guó)TA公司;Phenom Pro掃描電鏡,荷蘭Phenom World公司;Spectrum 100型傅里葉紅外光譜儀,美國(guó)Perkin Elmer公司;XRD—7000型X射線衍射分析儀,日本島津公司。

1.3 樣品處理

取新鮮方竹筍,切片后沸水漂燙10 min,熱風(fēng)烘干后粉碎得到方竹筍粗粉。取適量方竹筍粗粉,以料液比1∶20(g∶mL)與蒸餾水混勻,加入800 U/g木瓜蛋白酶,在55 ℃酶解2 h后沸水滅酶,以6 000 r/min離心20 min,棄去上清液,收集沉淀,凍干,粉碎后過(guò)200目篩得BSDF。將上述BSDF制成15 g/L溶液,將BSDF溶液平均分為5份,分別加入0、0.5、1、1.5、2 g/L的GMS,其中以未加入乳化劑GMS的樣品為對(duì)照組(CK)。先于磁力攪拌器下分散30 min,再使用高壓均質(zhì)機(jī)連續(xù)處理6次,收集均質(zhì)后的溶液,每個(gè)樣品分別取5 mL用于粒徑和電位的測(cè)定,其余溶液冷凍干燥以進(jìn)行理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的測(cè)定。

1.4 粒徑和電位的測(cè)定

參照DING等[16]的方法,將樣品用蒸餾水稀釋至1 mg/mL,在25 ℃下采用納米粒度分析儀測(cè)定其粒徑和電位大小。粒徑測(cè)定條件:平衡時(shí)間2 min,激光He-Ne。電位測(cè)定條件:折疊毛細(xì)管間距0.4 cm,鉑電極0.45 cm2,平衡時(shí)間2 min。

1.5 持水力、持油力和膨脹力測(cè)定

參照楊振寰[17]的方法測(cè)定。

1.6 色澤的測(cè)定

使用測(cè)色儀測(cè)定樣品L*、a*、b*值,以CK測(cè)定的L*、a*、b*值作為L(zhǎng)0*、a0*、b0*?？偵瞀的計(jì)算如公式(1)所示:

(1)

1.7 熱重分析

取5～10 mg干燥樣品,使用熱重分析儀,采用熱重(thermogravimetry, TG)和微分熱重(differential thermo gravimetry, DTG)分析法測(cè)定樣品的熱力學(xué)性質(zhì)。試驗(yàn)在充N2條件下進(jìn)行,升溫速率為10 ℃/min,測(cè)定范圍為25～550 ℃。

1.8 微觀結(jié)構(gòu)觀察

采用掃描電子顯微鏡表征BSDF的微觀形貌。用導(dǎo)電膠將少量干燥的粉末樣品固定在金屬片上,表面噴金后置于掃描電鏡中觀察,加速電壓15 kV,放大倍數(shù)250倍。

1.9 紅外光譜分析

取0.2 g片狀樣品放入紅外光譜儀中進(jìn)行分析掃描,測(cè)定溫度25 ℃,掃描次數(shù)64次,分辨率4 cm-1,掃描范圍600～4 000 cm-1。

1.10 X射線衍射分析

參照萬(wàn)婕等[18]的方法,采用步進(jìn)掃描法,Cu-Kα靶,步長(zhǎng)0.02°,工作電壓40 kV,電流40 mA,掃描范圍5°～60°,掃描速率2 °/min。相對(duì)結(jié)晶度(relative crystallinity, RC)按公式(2)計(jì)算:

(2)

式中:Ac,結(jié)晶區(qū)域峰面積,Aa,非晶區(qū)域峰面積。

1.11 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)均重復(fù)3次,采用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用Origin 2018對(duì)數(shù)據(jù)繪圖,運(yùn)用SPSS 21.0進(jìn)行差異顯著性分析,P<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 GMS對(duì)HPH處理BSDF粒徑和電位的影響

粒徑分布的改善對(duì)DF的理化性能有很好的促進(jìn)作用[19]。由圖1-a可知,與CK相比,GMS添加組粒徑均顯著減小,且隨著GMS添加量的增加,樣品粒徑先減小后增大,各組間粒徑差異顯著,表明GMS能有效抑制BSDF的團(tuán)聚行為。當(dāng)GMS添加量為1.0 g/L時(shí),粒徑達(dá)到最小值430.25 nm,較未處理組減小47.22%。這可能是因?yàn)镚MS能通過(guò)表面改性增加HPH處理后BSDF粒子的表面電荷,增大粒子間的靜電排斥作用和位阻效應(yīng),使分散體系排斥能大于吸附能,從而減少溶液的團(tuán)聚,使添加GMS的實(shí)驗(yàn)組粒徑均顯著減小。但HPH處理后,GMS在BSDF溶液中分散度減小,導(dǎo)致其增加粒子表面電位的能力變?nèi)?使BSDF的團(tuán)聚現(xiàn)象明顯,粒徑增大。

a-粒徑;b-電位

Zeta電位能夠反映分散體系的穩(wěn)定性[20]。DF溶液的電位絕對(duì)值越大,則粒子間的靜電排斥力越大,可以防止絮凝和凝聚,提高溶液穩(wěn)定性[21]。如圖1-b所示,各實(shí)驗(yàn)組電位的絕對(duì)值在添加GMS后均顯著增大,均高于25 mV,說(shuō)明乳化劑穩(wěn)定效果好[11]。且各組的電位均為負(fù)值,說(shuō)明顆粒表面具有帶負(fù)電荷的基團(tuán)[22]。隨著GMS添加量的增加,電位絕對(duì)值先增大后減小,在GMS添加量為1 g/L時(shí)電位絕對(duì)值達(dá)到最大值32.3 mV,此時(shí)溶液有良好的分散能力。研究表明,GMS添加量對(duì)BSDF的再分散有顯著影響。當(dāng)GMS添加量不足時(shí),顆粒間的靜電斥力小于吸引力,易使物料團(tuán)聚;當(dāng)GMS添加過(guò)量時(shí),BSDF會(huì)發(fā)生吸附飽和現(xiàn)象,使其表面的親水性降低從而破壞了體系的平衡[23]。

2.2 GMS對(duì)HPH處理BSDF持水力、持油力、膨脹力的影響

良好的持水力、持油力和膨脹力有利于減少產(chǎn)品的脫水和收縮,延長(zhǎng)產(chǎn)品的保質(zhì)期[24]。如表1所示,添加GMS使HPH處理的BSDF的持水力、持油力和膨脹力先增大后減小。在GMS添加量為1 g/L時(shí),與CK相比,BSDF的持水力、持油力、膨脹力分別提高了25.18%、32.33%、43.95%。研究表明,HPH處理使BSDF粒徑減小,纖維顆粒結(jié)構(gòu)展開(kāi),包裹在顆粒中的親水基團(tuán)暴露,使其與水的結(jié)合能力增強(qiáng),從而使持水力和膨脹力提高[17]。添加GMS后,樣品的表面電荷增加,使粒子間的靜電排斥作用和位阻效應(yīng)增大,BSDF粒徑減小,進(jìn)而使持水力和膨脹力顯著增大。持油力的提升與BSDF體積密度降低、多孔性和毛細(xì)管吸引力作用增強(qiáng)有關(guān)[25]。在HPH處理過(guò)程中添加GMS,使樣品顆粒細(xì)化,分散性、孔隙率提高,增加了BSDF與油的接觸面積,導(dǎo)致持油力提高[26]。

表1 GMS對(duì)HPH處理的BSDF持水力、持油力和膨脹力的影響

2.3 GMS對(duì)HPH處理BSDF色澤的影響

樣品的色澤受粒徑以及微觀形態(tài)的影響較大[27]。如表2所示,與CK相比,GMS添加組的L*值顯著提升,且在GMS添加量為1 g/L時(shí)達(dá)到最大值90.96,不同GMS添加量對(duì)BSDF的a*值影響較小,而b*值顯著降低,表明GMS的添加使BSDF黃色成分降低但對(duì)綠色成分影響較小。處理組的ΔE均大于3.5,GMS添加量為1 g/L時(shí)達(dá)到10.50,表明添加GMS后BSDF顏色變化顯著。一方面,GMS的添加使BSDF顆粒分散更均勻,比表面積增大,導(dǎo)致整體折光率變大,色澤變淺;另一方面,冷凍干燥時(shí)水分散失會(huì)使BSDF亮度減小,纖維網(wǎng)絡(luò)的破壞使得BSDF結(jié)構(gòu)松散,也會(huì)影響B(tài)SDF的色澤,添加GMS使HPH處理后冷凍干燥的BSDF拉伸面積有較大增加,有利于提高BSDF的L*值。綜上,GMS的添加有利于提高HPH處理后BSDF亮度值,可以在食品生產(chǎn)中添加而不影響其原本色澤,具有較好的潛在應(yīng)用價(jià)值。

表2 GMS對(duì)HPH處理的BSDF顏色的影響

2.4 BSDF的熱重分析

如圖2所示,BSDF的熱分解主要分為3個(gè)階段。第1個(gè)熱分解階段發(fā)生在40～100 ℃,這是因?yàn)锽SDF分子內(nèi)部的自由水和結(jié)晶水逐漸蒸發(fā)[12],導(dǎo)致失重率開(kāi)始下降。第2個(gè)熱分解階段發(fā)生在200～350 ℃,在350 ℃左右失重峰最明顯,這主要是由纖維素和半纖維素自身的熱降解導(dǎo)致的[28]。當(dāng)溫度>350 ℃是第3個(gè)熱分解階段,少量木質(zhì)素和熱解殘余物被緩慢分解為碳和灰分,BSDF的失重逐漸減緩后趨于平穩(wěn)。當(dāng)GMS添加量為1 g/L時(shí),失重速率(DTG)和失重率(TG)均達(dá)到最小值,這可能是由于HPH處理過(guò)程中部分GMS與BSDF結(jié)合不夠緊密,當(dāng)溶液進(jìn)入高壓均質(zhì)機(jī)后,GMS與BSDF具有不同的速度,使BSDF撞擊導(dǎo)致內(nèi)部氫鍵等斷裂,減少了熱分解斷鍵時(shí)所需的能量[26]。且此時(shí)BSDF平均粒徑顯著減小,使顆粒受熱更均勻,熱分解速率加快[29]。綜上,GMS添加會(huì)使HPH處理的BSDF部分纖維結(jié)構(gòu)被破壞,分子聚合度下降,熱穩(wěn)定性下降。

a-TG;b-DTG

2.5 BSDF的微觀結(jié)構(gòu)

如圖3所示,5組樣品均為片狀且表面粗糙,部分發(fā)生斷裂和破碎,這可能是因?yàn)镠PH處理時(shí)BSDF與均質(zhì)閥發(fā)生猛烈撞擊,使得BSDF顆粒的形貌發(fā)生較大變化,即轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺疃喾种У念w粒結(jié)構(gòu)[26]。與CK相比,添加GMS的BSDF樣品凝聚性減小,表面更為光滑平整,結(jié)構(gòu)較分散且顆粒大小形狀不一。在GMS添加量為1.0 g/L時(shí)片狀樣品的顆粒尺寸最小,分散度最好,表面平整度最高。而當(dāng)GMS添加量繼續(xù)增加時(shí),樣品顆粒尺寸增大,團(tuán)聚現(xiàn)象明顯。這可能是因?yàn)镚MS能通過(guò)表面改性增加HPH處理后BSDF粒子的表面電荷,增大粒子間的靜電排斥作用和位阻效應(yīng),使團(tuán)聚性減弱,分散性增強(qiáng),理化性質(zhì)得到改善,這與前文粒徑分析結(jié)果一致。DF的多孔和折疊結(jié)構(gòu)可以增加比表面積,暴露更多的極性基團(tuán),從而促進(jìn)水的吸附和結(jié)合,進(jìn)一步提升其在食品工業(yè)中的應(yīng)用效果[30]。

a-CK;b-0.5 g/L GMS;c-1.0 g/L GMS;d-1.5 g/L GMS;e-2.0 g/L GMS

2.6 BSDF的紅外光譜分析

圖4 GMS對(duì)HPH處理的BSDF的紅外光譜圖

2.7 BSDF的X射線衍射分析

X-射線衍射是一種檢測(cè)多晶體系結(jié)晶度與結(jié)晶性質(zhì)的有效手段[33]。如圖5所示,GMS改性前后BSDF的X射線衍射圖形狀相似,且衍射峰的位置基本一致,表明GMS的加入沒(méi)有改變BSDF的晶體結(jié)構(gòu)。

圖5 GMS對(duì)HPH處理的BSDF的X-射線衍射圖

各組均在15°和22°左右處有顯著的衍射峰,說(shuō)明BSDF呈典型的纖維素和半纖維素晶體結(jié)構(gòu)[34]。比較BSDF的RC可知,隨著GMS添加量增大,BSDF的RC先減小后增大,當(dāng)GMS添加量為1 g/L時(shí),RC由未處理的38.69%減小至28.66%。研究表明,纖維素類物質(zhì)是由70%有序結(jié)晶區(qū)和30%無(wú)序非晶態(tài)區(qū)組成的[34]。在HPH處理過(guò)程中,部分GMS與BSDF結(jié)合不夠緊密,當(dāng)溶液進(jìn)入高壓均質(zhì)機(jī)后,GMS與均質(zhì)閥撞擊后具有較大動(dòng)能,與BSDF碰撞在其表面形成多個(gè)小孔,使分子間氫鍵斷裂,部分結(jié)晶區(qū)轉(zhuǎn)化為無(wú)序的非結(jié)晶區(qū),導(dǎo)致BSDF結(jié)晶度減小[27]。綜上,GMS的添加能促使HPH處理的BSDF分子內(nèi)部的部分鍵斷裂,使其顆粒細(xì)化,降低了BSDF的熱穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

HPH處理BSDF過(guò)程中,添加GMS后BSDF的粒徑顯著減小,電位、持水力、持油力和膨脹力提高,色澤亮白,當(dāng)GMS添加量為1 g/L時(shí)效果最佳。通過(guò)熱重分析、掃描電鏡、紅外光譜和X射線衍射分析可知,添加GMS后,BSDF顆粒尺寸減小,分散度增加,表面平整度提高,晶體有序度下降,熱穩(wěn)定性降低。綜上,GMS表面改性處理可有效改善BSDF高壓下團(tuán)聚的問(wèn)題,為今后BSDF的開(kāi)發(fā)利用提供新的參考。