廣佛手超微粉的制備及其理化性質(zhì)分析

劉東杰，劉袆帆,2，梁貴強(qiáng)，張任英，謝曦，彭進(jìn)明,2，周昊宇，肖更生，王琴,2

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部嶺南特色食品綠色加工與智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院輕工食品學(xué)院，廣東廣州510225）（2.化學(xué)與精細(xì)化工廣東省實(shí)驗(yàn)室潮州分中心，廣東潮州 521000）

佛手（Citrus medicaL. var.sarcodactylisSwingle）為我國(guó)傳統(tǒng)的名貴中藥材，含有多種生物活性成分，具有多種藥理作用，在醫(yī)藥、食品、日用品、化妝品等行業(yè)已經(jīng)廣泛使用。廣佛手作為佛手的其中一大類，是藥食兩用植物資源。廣佛手由于生長(zhǎng)快、果實(shí)飽滿碩大、產(chǎn)量高而成為目前研究較多的一個(gè)品種[1]。近年來，對(duì)于廣佛手的研究包括佛手的栽培管理[2]、佛手的藥理作用以及佛手的化學(xué)成分[3]。目前對(duì)佛手化學(xué)成分的研究報(bào)道較多，且主要集中在揮發(fā)油、黃酮類、多糖、香豆素類、多酚等物質(zhì)[4]。作為嶺南特色藥食同源成分之一的廣佛手可以作為食品原料，具有突出的醫(yī)學(xué)藥用價(jià)值，在研究與開發(fā)利用方面有一定的商業(yè)價(jià)值。

佛手含有黃酮、多酚、多糖等常見的活性成分[5,6]。超微粉碎技術(shù)對(duì)植物細(xì)胞具有破壁的效果，粉碎過的樣品粉末具有特殊的理化性質(zhì)，并且能在一定程度上促進(jìn)植物體內(nèi)活性成分的提取。通過對(duì)物料進(jìn)行剪切、研磨等方式，將其粉碎至微米或納米級(jí)的微細(xì)顆粒，粉體顆粒分布更加均勻，比表面積增加，空隙率與表面能大[7]，當(dāng)進(jìn)行各種反應(yīng)如生物、化學(xué)反應(yīng)時(shí)接觸面積增大，溶解速度、反應(yīng)速率等就被提高[8]?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于食品加工中[9-11]。在食品加工生產(chǎn)中，采用超微粉碎技術(shù)可以減小原料顆粒并提高食品原料的功能性、理化特性、加工性和質(zhì)量。

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)將超微粉碎技術(shù)應(yīng)用到中藥材、西蘭花、海帶、板栗、香菇、筍干、葡萄皮渣、蘋果渣和柑橘類水果等材料上，并研究了相關(guān)粉體特征，但在佛手超微粉碎加工轉(zhuǎn)化方面研究不足，佛手全粉粉體特征及相關(guān)特性研究未見相關(guān)成果報(bào)道。為了研究不同粒徑的廣佛手粉（FC）在理化性質(zhì)方面和活性成分提取率方面的區(qū)別，利用超微粉碎技術(shù)處理廣佛手，通過色差、持水性、活性物質(zhì)的提取率等指標(biāo)的測(cè)定，對(duì)粉碎后不同粒徑廣佛手粉的物理品質(zhì)特性進(jìn)行研究，旨在提高超微粉碎技術(shù)在廣佛手加工上的應(yīng)用價(jià)值，并且能充分利用廣佛手中的功能活性物質(zhì)，為廣佛手粉在食品加工中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

產(chǎn)自肇慶的廣佛手(Citrus medica'Fingered')。國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司出產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)分析純級(jí)別的無水乙醇、苯酚、濃硫酸、無水葡萄糖、溴化鉀。

1.2 廣佛手粉的制備

將廣佛手藥材置于烘箱，在60 ℃干燥至恒重，使用磨粉機(jī)進(jìn)行粗打粉，得到粗粉A，備用，并將廣佛手粉末命名為FC。將粗粉A分別過20目篩與60目篩，得到FC-1與FC-2；將粗粉A分別超微粉碎5、10和15 min，得到超微粉碎粉FC-3、FC-4和FC-5。

1.3 廣佛手粉粒徑分布

本試驗(yàn)使用Malvern Mastersizer 2000激光衍射粒度分析儀對(duì)廣佛手粒度及其分布進(jìn)行測(cè)定。取一定量FC，參數(shù)選擇氣壓為0.2 MPa、遮光度為0.5%～5%、測(cè)定方式為濕法、分散劑為水的測(cè)定條件進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.4 廣佛手粉體微觀結(jié)構(gòu)觀察

將佛手粉樣品粘到導(dǎo)電膠上，緩慢放入Oxford Quorum SC7620濺射鍍膜儀噴金45 s，取出載有樣品載物臺(tái)放在TESCAN MIRA LMS掃描電子顯微鏡的樣品支架上，設(shè)置電壓為3 kV，觀察樣品顆粒的表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)，分別放大500、1000和1500倍[12,13]，進(jìn)行拍照保存。

1.5 廣佛手粉的紅外光譜測(cè)定

采用KBr壓片法，將FC與適量的純KBr研磨混勻，用油壓機(jī)壓成透明薄片。薄片用傅里葉紅外光譜儀（Thermo Scientific Nicolet iS50）進(jìn)行掃描，設(shè)置波數(shù)400～4000 cm-1，掃描次數(shù)32次，分辨率4 cm-1。

1.6 廣佛手粉色差分析

利用CR-400型色差儀進(jìn)行色差測(cè)定。開機(jī)后使用白板進(jìn)行校正，校正后測(cè)試樣品，采用白板標(biāo)準(zhǔn)板（L0*=95.36，a0*=-0.75，b0*=1.03）進(jìn)行校準(zhǔn)。測(cè)定參數(shù)為L(zhǎng)*、a*和b*，其中L*表示為亮度值，a*表示為紅綠值，b*表示為黃藍(lán)值。

1.7 廣佛手粉的水溶性測(cè)定

準(zhǔn)確稱量1.00 g樣品，溶于50 mL去離子水中，磁力攪拌1 h，后離心（4000 r/min，15 min），取上清液于105 ℃烘干至恒重。計(jì)算公式如下：

式中：

Q——樣品的水溶性，%；

m1——稱取樣品的質(zhì)量，g；

m2——處理后樣品的質(zhì)量，g。

1.8 廣佛手粉的持水性測(cè)定

持水性參照梁琪等[14]的方法。精確稱取0.25 g FC（m1）于10 mL 離心管中，加入4.75 mL水，沸水20 min，樣品冷卻到室溫后，以6000 r/min轉(zhuǎn)速，離心20 min，去除上清液體，樣品稱質(zhì)量（m2）。持水性計(jì)算公式如下：

式中：

H——樣品的持水性，g/g；

m1——稱取樣品的質(zhì)量，g；

m2——處理后樣品的質(zhì)量，g。

1.9 廣佛手多糖提取

分別稱取不同粒徑大小5 g FC，按照1:30（g/mL）料液比例加入蒸餾水，在90 ℃水浴中浸提2 h。離心（4500 r/min，10 min）后收集上清液，于50 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至100 mL。加入4倍體積φ=95%乙醇，于4 ℃醇沉12 h。離心（4500 r/min，20 min），移去乙醇上清液，保留多糖沉淀，冷凍干燥，即得水提多糖，并采用苯酚-硫酸法[15]測(cè)定FCP的含量。

式中：

Y——多糖提取率，%；

W1——多糖質(zhì)量，g；

W2——FC質(zhì)量，g；

P——多糖純度，%。

1.10 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

2 結(jié)果與討論

2.1 不同廣佛手粉粒徑分布分析

通過超微粉碎得到五種不同粒徑的FC的正態(tài)分布見圖1，從圖1可以看出FC-1、FC-2、FC-3、FC-4、FC-5的D50分別為1342.97、297.65、24.64、21.55、20.01 μm。另外，隨著粒徑的減少，粒徑分布曲線圖呈現(xiàn)越來越對(duì)稱的趨勢(shì)，推測(cè)可能超微粉碎能將粉末粒徑控制在一定的范圍內(nèi)，微粉的粒徑分布范圍較窄，粉體的均一性較好。

圖1 五種不同粒徑的FC的粒徑正態(tài)分布Fig.1 Normal particle size distribution of Finger Citron powder with 5 different particle sizes

表1為五種FC的粒徑分布測(cè)定結(jié)果。中位直徑D50是應(yīng)用中評(píng)價(jià)粉體粒度的典型指標(biāo)，常用來表示粒徑的平均粒度，代表粉末的累計(jì)粒度分布百分比達(dá)到50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑?？梢钥闯?，普通粉碎（FC-1、FC-2）和超微粉碎的平均粒徑有顯著差異（P＜0.05），從表中可以看出，各種粒徑的粉末在D10～D100中，數(shù)量是呈上升趨勢(shì)的，但是在D50范圍內(nèi)：FC-1＞FC-2＞FC-3＞FC-4＞FC-5，說明超微粉碎能夠顯著降低粉末的粒徑大小。本試驗(yàn)表明，隨著FC粒徑的減小，即每單位重量的粉體中將含有更多的顆粒，從而粉體的比表面積顯著增大，與外界的接觸面積增大，另外與其他物質(zhì)攪拌時(shí)更容易混合均勻，這個(gè)特征也為超微粉碎粉末的物理特性提供了參考。

表1 五種FC的粒徑大小、比表面積和離散程度Table 1 Determination results of particle size distribution of 5 kinds of Finger Citron powder

2.2 不同粒徑廣佛手粉的微觀結(jié)構(gòu)差異

為了觀察不同粒徑FC的外觀形狀特征，利用掃描電子顯微鏡（SEM）在放大倍數(shù)為500、1000和1500倍下分別進(jìn)行觀察，不同粒徑廣佛手的電子顯微鏡圖如圖2所示。在超微粉碎的作用下，F(xiàn)C顆粒在沖擊、剪切、摩擦等機(jī)械作用力下，稍大一點(diǎn)的顆粒發(fā)生碎解，大多數(shù)顆粒逐漸變成不規(guī)則的多面體，表面略粗糙。由圖中可以看出，五種不同粒徑的FC具有較完整的組織結(jié)構(gòu)，其中FC-1和FC-2顆粒粒徑較大，而且形狀大小不一、溝壑較為清晰、形狀呈不規(guī)則片狀結(jié)構(gòu)、桿狀和束狀結(jié)構(gòu)。微粉FC-3、微粉FC-4、微粉FC-5粒隨著超微粉碎時(shí)間的增加，其粒徑明顯減小，顆粒越細(xì)碎且顆粒大小越均一，粉末顆粒間的間隙減小，分布也較為均勻，溝壑不明顯、多為橢圓形球形。這與牛瀟瀟等[16]在馬鈴薯超微粉中的研究結(jié)果一致。超微粉碎時(shí)間越久，組織破壞程度明顯增大（圖2中1500倍下不同粒徑粉體表面），有助于改善粉末的性質(zhì)，如水溶性和持水性。此外，隨著超微粉碎的時(shí)間增加，部分粉末顆粒間呈現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，這可能是在超微粉碎的作用下，粒徑不斷減少，顆粒表面性能被激活，微小顆粒之間的交互面積增加，吸附作用力增大，導(dǎo)致分子間發(fā)生粘結(jié)聚集現(xiàn)象。Jiang等[17]發(fā)現(xiàn)隨著辣木葉顆粒粒徑的減小，其比表面積不斷增大，顆粒間的聚集力增強(qiáng)，同時(shí)由于顆粒的減小吸水性增強(qiáng)，導(dǎo)致顆粒更容易聚集在一起。

圖2 不同粒徑FC微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Scanning electron microscopic images of 5 kinds of finger citron powder

2.3 不同粒徑廣佛手粉紅外光譜比較分析

為了觀察不同粒徑對(duì)FC內(nèi)部官能團(tuán)的影響，五種不同粒徑的FC的紅外光譜測(cè)定結(jié)果如圖3所示，不同粒徑的FC紅外光譜圖相似，只是強(qiáng)度出現(xiàn)差異，說明粉碎程度對(duì)FC的官能團(tuán)沒有明顯影響，Meng等[18]對(duì)鐵皮石斛超微粉研究也有同樣的結(jié)論。在3385 cm-1與2928 cm-1處均有1個(gè)吸收較強(qiáng)的吸收峰，分別為O-H伸縮振動(dòng)和C-H伸縮振動(dòng)，1200～1000 cm-1是C-O-H的伸縮振動(dòng)和C-O-C糖苷鍵振動(dòng)，表明樣品為多糖[19]。五種多糖均在1744～1631 cm-1左右出現(xiàn)吸收峰，猜測(cè)是糖醛酸存在下，羧基基團(tuán)的C=O鍵的伸縮振動(dòng)，與糖醛酸含量測(cè)定結(jié)果相符合[20,21]。在1417 cm-1處附近寬的吸收峰，是由C-H鍵的變形振動(dòng)引起的。1240 cm-1處吸收峰，是由于S=O的伸縮振動(dòng)引起的，表明多糖含有硫酸基團(tuán)[21]。在1250～1015 cm-1區(qū)間，有吸收較強(qiáng)的峰出現(xiàn)，表明存在吡喃糖苷鍵。818 cm-1處，是α-型糖苷鍵特征吸收峰[22]。919 cm-1和779 cm-1分別是吡喃環(huán)的非對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)。結(jié)果表明，不同粒徑的FC吸收峰的位置基本沒有發(fā)生改變，峰波強(qiáng)度隨粒徑減小，強(qiáng)度增大，說明超微粉碎粒徑?jīng)]有改變粉末的官能團(tuán)，即其超微粉碎沒有改變粉體的化學(xué)組成。

圖3 不同粒徑的FC的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectra of five different particle sizes of finger citron powder

2.4 超微粉碎對(duì)粉體色澤的影響

原材料的顏色是其加工中重要的品質(zhì)之一，同時(shí)色澤是干制品重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。不同粒徑FC的顏色結(jié)果如表2所示，超微粉碎FC體與常規(guī)粉碎FC相比亮度值（L*）差異顯著（P＜0.05），隨著粒徑的降低，粉體的亮度值增大，但FC-4和FC-5的亮度無明顯差異，表明超微粉碎技術(shù)使粉體粒徑更小時(shí)，會(huì)使得粉體看起來更透亮有光澤，粉末的亮度會(huì)提高。本實(shí)驗(yàn)使用低溫超溫粉碎，因此不存在FC隨著粉碎的時(shí)間延長(zhǎng)不斷升溫受熱導(dǎo)致的氧化褐變，亮度值保持相對(duì)穩(wěn)定，這一點(diǎn)與其他超微粉碎研究結(jié)果不同[23]。a*表示粉體的紅綠值，數(shù)值越大粉體越紅，F(xiàn)C隨著粒徑的減小紅度呈減小的趨勢(shì)且差異顯著；b*表示粉體黃藍(lán)值，數(shù)值越大粉體越黃，F(xiàn)C隨著粒徑的減小黃度呈先增大后減小的趨勢(shì)且差異顯著，說明FC的顏色受粒徑的顯著影響。

表2 不同粒徑的FC的色差值結(jié)果Table 2 Results of color difference of different particle sizes of finger citron powder

此外，F(xiàn)C-5偏差最?。é*值為17.45），其次為FC-4和FC-3，偏差最大的是FC-2與FC-1。褚飛洋[24]對(duì)超微紅茶粉的色差研究也得到了類似的結(jié)論。色差主要受顆粒大小所影響，粒徑減少混合均勻度提高，同時(shí)表比面積增大，并且粒徑減小使粉末內(nèi)部物質(zhì)（例如纖維素和半纖維素）結(jié)構(gòu)暴露出來，從而影響粉體的顏色。當(dāng)粉體粒徑降低到60 μm以下時(shí)，由于粉質(zhì)更均一，細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞程度基本一致，顏色也趨于穩(wěn)定。

2.5 不同粒徑廣佛手粉水溶性分析

水溶性是表征粉體溶解度的重要指標(biāo)，水溶性越高，粉末的溶解性越好。由圖4可知，本研究中五種不同粒徑的FC-1～FC-5的水溶性分別是：18.40%、27.09%、39.42%、54.88%、64.49%，超微粉碎后的FC水溶性顯著增加（P＜0.05），且粒徑越小水溶性越好。Gong等[25]對(duì)香菇粉理化性質(zhì)的研究中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。粒徑對(duì)水溶性的影響，可能是由于超微粉碎破壞了FC的顆粒結(jié)構(gòu)，且粒徑越小，粉體的比表面積越大，使其水溶性增強(qiáng)[26]。Zhang等[14]研究發(fā)現(xiàn)，物料在經(jīng)過超微粉碎后，隨著其顆粒粒徑的不斷減小，致密纖維結(jié)構(gòu)被打破，結(jié)構(gòu)變得更加松散，孔隙率會(huì)不斷增大，使水分與粉體能更充分地接觸，導(dǎo)致粉末在溶解過程中的水化速率加快，從而增強(qiáng)水溶性。也有可能是在超微粉碎機(jī)內(nèi)各種強(qiáng)作用力下，組成細(xì)胞壁的部分不溶性的半纖維素和果膠類化合物會(huì)發(fā)生了鏈接鍵的斷裂或者熔融現(xiàn)象，從而使不溶物質(zhì)轉(zhuǎn)化成水溶性聚合物成分。

圖4 不同粒徑FC對(duì)水溶性的影響Fig.4 Effect of different particle size on water solubility of Finger Citron powder

圖5 不同粒徑FC對(duì)持水性的影響Fig.5 Effect of different particle size of Finger Citron powder on water holding capacity

2.6 不同粒徑廣佛手粉持水性分析

持水性是評(píng)價(jià)物料保水性能的指標(biāo)。由圖可知，五種粉末的持水性分別是：15.51%、12.43%、9.61%、9.14%、8.64%。隨著粒徑的減小，F(xiàn)C的持水性顯著降低（P＜0.05）。這可能由于隨著粒徑的減小，粉粒的比表面積增大，顆粒的結(jié)構(gòu)遭到超微粉碎機(jī)械力破壞，破壞了粉末內(nèi)的親水基團(tuán)，使親水基團(tuán)不能與水結(jié)合，水化作用增強(qiáng)，導(dǎo)致持水性降低[27]。有研究表明樣品的持水性還與樣品維持水分的基質(zhì)有關(guān)[28]，例如膳食纖維含量，隨著超微粉碎時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，粉末的粒徑不斷減小，粉末中含有的膳食纖維結(jié)構(gòu)可能被粉碎破壞，例如部分長(zhǎng)鏈分子纖維素被機(jī)械剪切成短鏈分子，導(dǎo)致總膳食纖維含量不斷降低，而膳食纖維對(duì)水有束縛作用，導(dǎo)致樣品對(duì)水分子的束縛力減少，引起樣品的持水性不斷降低。粒徑降低到一定程度后，持水性相對(duì)穩(wěn)定。

2.7 超微粉碎對(duì)廣佛手多糖提取率的影響

有文獻(xiàn)報(bào)道和常規(guī)粗粉相比，超微粉碎使水稻秸稈、小麥秸稈的可溶性糖含量提高約2倍[29]，南瓜超微粉碎后多糖的提取率高于粗粉1倍[30]。圖6所示是不同粒徑的廣佛手多糖的得率，超微粉FC-3、FC-4多糖得率高于未經(jīng)過超微處理的粗粉FC-1，F(xiàn)C-2，這與上述報(bào)道結(jié)果相符，說明超微粉碎能在一定程度內(nèi)提高廣佛手多糖的得率。而隨著粒徑的減小，廣佛手多糖得率先增加后降低，F(xiàn)C-4時(shí)得率達(dá)到最高值，為7.68%。其次是FC-3、FC-5及FC-2，分別為6.86%、6.51%、6.40%。廣佛手多糖得率隨著粒徑減小出現(xiàn)先增加后降低的原因可能是粒徑較大時(shí)（FC-1/2/3），多糖未能完全被釋放出來；而FC-5粉碎時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致超微粉碎時(shí)受到各種外力的作用，可能對(duì)多糖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了破壞，從而使多糖物質(zhì)損失，導(dǎo)致多糖類提取率提高不多。但是總體來說，超微粉碎可提高廣佛手多糖的提取率。

圖6 不同粒徑的FC多糖的得率Fig.6 The extraction rate of polysaccharide in different particle sizes of finger citron powder

3 結(jié)論

廣佛手經(jīng)超微粉碎處理后，粒徑顯著減小，細(xì)膩度增加，并且隨著粒徑的減小，顆粒粒度越細(xì)碎且更均一，粉末顆粒間的間隙減小，分布也更為均勻，且其比表面積顯著增大，粉末的離散程度也呈上升趨勢(shì)。粒徑降低到60 μm后，粉體的亮度值達(dá)到最大且基本不再改變。超微粉碎并沒有改變粉體的化學(xué)組成，只是通過改變粉體表面物理性質(zhì)改變其水溶性和持水性。隨著粒度的減小，F(xiàn)C的水溶性顯著增大，持水性則顯著減小，最小粒徑D50為20.01 μm的粉體水溶性高達(dá)64.49%，持水性僅有8.64%。多糖得率在一定范圍內(nèi)隨著粒徑的減小，先增加后降低，其中粒徑D50為21.55 μm的超微粉最高，達(dá)到了7.68%。超微粉碎是一種廣佛手有效加工方式，有效提高其中活性多糖的提取效率，并改變其粉體的理化性質(zhì)。