粒徑對鐵皮石斛粉多糖釋放及其粉體特性影響

楚秉泉 金唯一 吳芝岳 陳海平 李曉麗 肖功年胡鋼亮， 袁海娜

（1浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院，浙江 杭州 310058； 2浙江科技大學生物與化學工程學院，浙江 杭州 310023；3杭州千島湖康諾邦健康產(chǎn)品有限公司，浙江 杭州 311705）

鐵皮石斛（Dendrobiumofficinale）具有益胃生津、滋陰清熱、潤肺益腎等功效，素有“中華九大仙草”之首的美譽，在我國浙江、安徽、云南等地分布較廣［1］。多糖是鐵皮石斛的主要功效成分［2］，常被作為鐵皮石斛深加工、中藥炮制、消化代謝研究等過程中的指示性成分［3］。目前，鐵皮石斛主要被制成鐵皮楓斗、中藥片劑/膠囊等用于臨床，2019年國家衛(wèi)生健康委將其列入《按照傳統(tǒng)既是食品又是中藥材的物質(zhì)目錄管理規(guī)定》試點名單［4］，這為鐵皮石斛的應用拓展和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了新機遇。

粉體是物料干燥且精細的固體狀態(tài)，具有易儲存運輸、保質(zhì)期長、方便使用等特點，從食品配料到中藥組方都是最常見的產(chǎn)品形式之一［5］。在粉體化過程中，原料的結構、物理化學性質(zhì)和功能特性也隨之變化，并產(chǎn)生一些突出的特性如微尺寸效應、光學性能等，大大改變了原料的水合性能、功能活性、生物利用度、風味/口感等［6］。鑒于其獨特的潛力，粉體化技術受到廣泛關注，尤其在食品新功能原料研究領域［7］。Weng 等［8］將中藥粉碎機處理所得的連翹葉粗粉用球磨儀進一步制作細粉，隨著球磨時間延長，粉體的水合特性、活性成分釋放率及抗氧化活性均顯著上升。Ge等［9］研究發(fā)現(xiàn)，竹葉在球磨粉碎過程中的流動性和堆積密度均隨粒徑減小而降低，但水溶性指數(shù)增加。Huang 等［10］在以辣木葉為對象的粉體化研究中發(fā)現(xiàn)，粉體的持水/油力和流動性隨粒徑減小而降低，但可溶性膳食纖維含量顯著增加。

目前，關于鐵皮石斛粉體化研究較少。李娟等［11］以多糖得率為評判標準，采用振動粉碎儀結合正交試驗優(yōu)化了鐵皮石斛破壁工藝，平均細胞破壁率可達98.3%。Meng 等［12-13］對不同粒徑鐵皮石斛粉體進行抗氧化活性分析及總酚、總黃酮溶出率對比，發(fā)現(xiàn)粉體抗氧化活性與總酚、總黃酮溶出率呈顯著正相關，均隨粒徑減小先上升后趨于穩(wěn)定。然而，關于粒徑對鐵皮石斛粉體特性及其多糖釋放影響的研究鮮有報道。作為一種質(zhì)地堅硬又富含高黏度多糖［14］的藥食兩用原料，粉體化加工雖可打破鐵皮石斛中成分的抗提取屏障，提高多糖溶出率，但粉體粒徑減小造成的多糖暴露又會加劇其對水分的吸附和粉體間的粘附。因此，開展粒徑對鐵皮石斛粉體特性以及功能成分釋放的影響研究十分必要，有望為鐵皮石斛的精深加工水平提升及高值化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鐵皮石斛，杭州千島湖康諾邦健康產(chǎn)品有限公司（產(chǎn)自浙江省溫州市雁蕩山區(qū)域）。

苯酚、硫酸、葡萄糖標準品等，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 儀器與設備

Microtrac S3500 激光粒度分析儀，美國Microtrac公司；ASAP 2020 M 比表面積測定儀，麥克默瑞提克（上海）儀器有限公司；800Y 中藥粉碎機，永康市鉑歐五金制品有限公司；YXQM 行星球磨儀，長沙米淇儀器設備有限公司；ME104E 精密分析天平，梅特勒托利多科技（中國）有限公司（上海）；RC807DP 溶出試驗儀，天津市天大天發(fā)科技有限公司；SU1510掃描電子顯微鏡，日立（中國）有限公司（北京）；Chroma Meter CR-400色差計，柯尼卡美能達（中國）投資有限公司；Multiskan SkyHigh全波長酶標儀，賽默飛世爾科技（中國）有限公司（上海）；H1650R 臺式高速冷凍離心機，湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司；移液器，德國艾本德股份公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 不同粒徑鐵皮石斛粉體的制備 將新鮮的鐵皮石斛原料除雜后低溫烘干，每次取約120 g原料用中藥粉碎機處理15 s（5 s×3次）得粗粉，然后分批用YXQM行星球磨儀在料球比1∶10、350 r·min-1、10 ℃條件下繼續(xù)粉碎6 h，再經(jīng)不同孔徑的304 不銹鋼分樣篩篩分獲得［20，50）、［50，80）、［80，100）、［100，150）、［150，200）、［200，250）、［250，300）和≥300 目的8 種粒徑范圍的粉體，所有粉體的水分含量均為4.3%±0.2%。

1.3.2 粉體粒徑分布及比表面積測定

1.3.2.1 粒徑分布測定 使用Microtrac S3500 激光粒度分析儀分析不同目數(shù)鐵皮石斛粉的粒徑分布。根據(jù)獲得的粒徑分布曲線，確定代表粒徑（d）的d10、d50和d90值（μm）［12］。

1.3.2.2 比表面積分析 根據(jù)Brunauer-Emmett-Teller（BET）原理，使用ASAP 2020 M 比表面積測定儀測定不同粒徑鐵皮石斛粉的比表面積（m2·g-1）［15］。

1.3.2.3 粉體中多糖溶出率測定 參考《中華人民共和國藥典 2020 年版 四部》［16］通則中的“0931 溶出度與釋放度測定法”中第三法，精密稱取不同粒徑鐵皮石斛粉體3.000 g，置于溶出杯中，加入150 mL 超純水，在75 r·min-1、（37±0.5）℃條件下進行溶出試驗，分別于5、10、15、20、25、30、60、90、180 min取各溶出杯中溶液4 mL，同時補充同溫度超純水4 mL，溶出液立即采用0.45 μm 濾膜過濾，測定多糖含量。測定方法參考Dubios等［17］，經(jīng)苯酚-硫酸法顯色后采用酶標儀測定OD490nm值，以葡萄糖標準品制作標準曲線，換算得溶出液中多糖濃度為m（mg·mL-1），按公式（1）計算溶出率：

式中，275.1 表示鐵皮石斛中多糖的真實含量（mg·g-1DW），測定方法參考文獻［14］。所有試驗均設置3個平行。

1.3.4 鐵皮石斛粉的粉體特性研究

1.3.4.1 粉體流動特性分析 粉體流動特性指標有Carr’s指數(shù)、滑動角和休止角等，其中，Carr’s指數(shù)測定參照Muttakin 等［18］的方法；滑動角和休止角的測定參照Liang等［19］的方法。所有試驗均設置3個平行。

1.3.4.2 粉體水合特性分析 粉體的水合特性主要包括持水能力（water holding capacity，WHC）、溶脹能力（water swelling capacity，WSC）和水溶性指數(shù)（water solubility index，WSI）等［6］，均參照Meng 等［12］的方法進行測定。所有試驗均設置3個平行。

1.3.4.3 粉體顯微狀態(tài)觀察 使用掃描電子顯微鏡在5 kV 加速電壓和10～15 mm 工作距離下，對鐵皮石斛粉體樣本進行形態(tài)學表征。用厚10 nm 的鉑金涂覆樣品以使樣品導電。

1.3.4.4 色差分析 使用Chroma Meter CR-400色差計測定不同粒徑鐵皮石斛粉體的顏色。該裝置使用標準白色表面校準板校準（L*=93.39，a*=-0.14，b*=3.27）。色差計測量的是樣品的反射顏色，以Hunter 的顏色值表示?？偵钭兓é）按照公式（2）計算：

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2016 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，以平均值±標準偏差（Mean±SD）表示，采用SPSS 19.0 軟件對數(shù)據(jù)進行t檢驗和顯著性分析，P＜0.05 為差異具有統(tǒng)計學意義，用OriginPro 2017軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 粉體的粒徑分布及比表面積

由表1 可知，經(jīng)不同篩網(wǎng)篩分后鐵皮石斛粉體粒徑與篩網(wǎng)孔大小變化一致，在d50水平上的粒徑范圍是35.9～572.4 μm，但由于不同標準篩的最大通過直徑并非呈現(xiàn)線性變化，且差值并非某一固定值，導致各粉體樣本的粒徑分布較廣，故在實際生產(chǎn)中可以通過優(yōu)化粉體化技術和參數(shù)獲得有相似中值粒徑的目標粉體，或縮小篩網(wǎng)孔徑范圍獲得類似粒徑分布的樣品。比表面積同為粉體重要特征指標，本研究采用氣體吸附法測定了不同粒徑鐵皮石斛粉體的比表面積，隨著粒徑減小，比表面積逐漸增大，在［150，200）目與［200，250）目的變化幅度最大，增幅為68.1%（表1），推測這兩種粒徑樣本之間較大的比表面積差異可能會反映在粉體水合特性（如持水能力、溶脹能力等）和成分溶出特性差異上。

表1 鐵皮石斛粉體的粒徑分布及比表面積Table 1 Particle size distribution and specific surface area of D.officinale powder

2.2 不同粒徑鐵皮石斛粉體中多糖溶出率

由圖1 可知，鐵皮石斛粉體中多糖溶出率隨處理時間延長而增加，但除［50，80）目/180 min（35.5%）外，其余組的多糖溶出率均在30%以下。多糖溶出率隨粒徑減?。繑?shù)的增加）呈先上升后下降趨勢。溶出時間在前30 min時，不同粒徑粉體的溶出率變化不大，以［100，200）目的溶出率稍高；而在60～180 min 時，則以［50，200）目的粉體多糖溶出率最高，但≥200 目粒徑粉體中多糖的溶出率反而出現(xiàn)了較大下降。因此，在鐵皮石斛粉體化加工中并非時間越長、粒徑越小越好，當達到一定程度之后，粒徑變化反而不利于鐵皮石斛功能成分多糖的釋放。

圖1 粒徑和時間對鐵皮石斛粉體中多糖溶出率的影響Fig.1 Effects of particle size and time on dissolution of polysaccharides from D.officinale powder

2.3 不同粒徑鐵皮石斛粉的粉體特性

2.3.1 粉體的流動性 由表2 可知，反映鐵皮石斛粉體流動性的3 個指標（休止角、滑動角和Carr’s 指數(shù)）總體上隨粒徑減小而增大，尤其是［200，250）目粉體的休止角和Carr’s指數(shù)顯著高于［150，200）目的粉體（P＜0.05），且≥200 目的鐵皮石斛粉體流動性變?yōu)椤胺浅２睢钡乃健?/p>

表2 鐵皮石斛粉體的休止角、滑動角和Carr’s指數(shù)Table 2 The repose angle，slide angle，and Carr’s index of D.officinale powder

2.3.2 粉體的水合特性 由圖2-A可知，鐵皮石斛粉體的WHC隨粒徑減小先升高后降低。粗粉［20，100）目間的WHC 無顯著差異（P＞0.05），但［100，200）目出現(xiàn)顯著上升（P＜0.05），［100，150）目和［150，200）目的WHC 分別為9.97 和11.22 g·g-1，隨后出現(xiàn)急劇下降，如［200，250）目的WHC 僅為［150，200）目的64.2%。WSC 的變化與WHC 較為一致，同樣以［150，200）目時的WSC 值最大（23.16 mL·g-1），顯著高于其他粒徑組（P＜0.05）（圖2-B）。鐵皮石斛粉體的WSI隨粒徑減小呈先升后降趨勢，從最高的42.70%［50～80）目降至最低的24.59%（≥300 目），在［50，200）目較為穩(wěn)定且處于高位（圖2-C）。

圖2 不同粒徑鐵皮石斛粉體持水能力（A）、溶脹能力（B）和水溶性指數(shù)（C）變化Fig.2 Changes of water holding capacity （A），swelling capacity （B），and water solubility index （C） in D.officinale powder with different particle sizes

2.3.3 粉體的表面微觀結構 不同粒徑鐵皮石斛粉體的表面微觀結構見圖3，可見顆粒隨目數(shù)降低而減小，低目數(shù)［20，100）目的粉體呈塊狀且附著細小粒子，≥100目時，球體顆粒破碎程度加劇，且目數(shù)越大（粒徑越?。┧槠絿乐兀▓D3-A），但高目數(shù)（≥200目）時，粒徑的降低反而促進了粉體的團聚現(xiàn)象（圖3-B）。

圖3 不同粒徑鐵皮石斛粉體的表面微觀結構掃描電鏡圖Fig.3 Scanning electron microscope images of D.officinale powder with different particle sizes

2.3.4 粉體的色差 色澤是食用性粉體在使用過程的一個重要感官指標。L*、a*和b*值分別表示亮度、紅度（+）/（-）綠度和黃度（+）/（-）藍度，ΔE代表總色差。如圖4 所示，隨著粉體粒徑的減小，L*值（圖4-A）呈現(xiàn)上升趨勢，尤其以［150，200）目（69.00）與［200，250）目（75.06）的粉體L*值出現(xiàn)顯著提高，兩者的差值為6.06。a*值（圖4-B）變化拐點出現(xiàn)在［150，200）目（1.33）與［200，250）目（-1.44）之間，數(shù)值從正值變成負值。b*值（圖4-C）拐點同樣出現(xiàn)在［150，200）目（17.07）與［200，250）目（19.61）之間，兩者差值為2.55。鐵皮石斛粉體的總色差ΔE值（圖4-D）隨粒徑減小整體呈顯著下降趨勢，以≥ 300 目時的ΔE值（22.17）最小。

圖4 不同粒徑鐵皮石斛粉體的色差變化Fig.4 Color changes of D.officinale powder with different particle sizes

3 討論

鐵皮石斛粉體中多糖溶出率幾乎均低于30%，提示還需將粉體化與其他深加工技術聯(lián)合以進一步促進鐵皮石斛中多糖釋放；同時，鐵皮石斛粉體越細，其多糖溶出率并非越高，≥200 目粉體中多糖溶出率反而出現(xiàn)下降。這是因為，一方面粉體粒徑降低引起比表面積和表面能增大，顆粒間出現(xiàn)較強的相互吸引力，使粒子產(chǎn)生團聚而影響多糖釋放［6］；另一方面粉體在溶出過程中存在溶出-吸附平衡，粒徑減少造成比表面積增大，雖在一定程度上促進了粉體中成分的溶出，但粒徑過小造成其表面能增加又加大了粉體對極性成分的吸附力，反而不利于成分的溶出［20］。

鐵皮石斛粉體的流動性參數(shù)（休止角、滑動角和Carr’s指數(shù)）隨粒徑減小而變大（流動性變差），同樣表現(xiàn)為≥200 目粉體流動性顯著變差，可能原因是，≥200目的鐵皮石斛粉體比表面積急劇增大引起顆粒間的接觸點和互作面積增加，造成粉體間的吸附力變大，從而正向地影響了粉體的休止角和滑動角［21］，不利于粉體的流動；同時，粉體中富含多糖類親水性物質(zhì)，也會隨粉體粒徑減?。ū缺砻娣e增大）而暴露量增加，樣品更易吸收空氣中的水分，引起粉體顆粒間粘附性增加，使得流動性變差［22］。本研究結果與Zhang等［23］對不同粒徑煙草葉粉流動性分析結果以及馬千程等［24］對蘋果皮全粉的研究結果一致。

鐵皮石斛粉體的水合特性（WHC、WSC 和WSI）隨粒徑減小呈先升后降趨勢。Jiang 等［25］采用球磨儀對三種橘皮纖維進行持續(xù)粉碎發(fā)現(xiàn)，隨著粉碎時間延長（粒徑減?。?，橘皮纖維的WHC和WSI先升后降；同樣，在一項關于粒徑對玉米皮粉體特性影響的研究中也發(fā)現(xiàn)，細小顆粒（200～400目）玉米皮粉的WHC和WSC均隨粒徑減小先增后減［26］。鐵皮石斛粗纖維和半纖維素含量很高，粉體化能夠增加物料中不溶性纖維的毛細管吸力和孔隙度，影響水結合位點的性質(zhì)和數(shù)量，還可以使得植物纖維素和半纖維素中的親水基團暴露，從而提高物料的水合能力［27］。但過度的粉體化使這些多糖鏈形成的親水性多孔結構被破壞甚至坍塌，反而會導致粉體WHC 和WSC 降低［28］。本研究鐵皮石斛粉體WSI 結果與Huang 等［10］、牛瀟瀟等［29］的結論相悖，他們解釋的原因是超微粉碎可促進不溶性膳食纖維向可溶性膳食纖維轉(zhuǎn)化，進而提高WSI值，提示鐵皮石斛即使粉體化加工至300 目也并未較好地促進其中的不溶性膳食纖維向可溶性膳食纖維轉(zhuǎn)化。

植物粉體的功能特性還取決于顆粒的表面組成和表面特征［30］，這也是一些粉體特性能夠更好地解釋和表征顆粒表面以及它們與環(huán)境之間的物理和/或化學相互作用的原因之一。采用掃描電鏡對粉體表面微觀結構進行表征，雖然粉體化可以使鐵皮石斛粉的碎片化增多，但高目數(shù)（≥200 目）粉體中明顯觀察到粒子間吸附加劇，與前期測定的粉體WHC和WSI等物理性質(zhì)在≥200目時反而減弱的結果匹配。

鐵皮石斛粉體色澤變化與其內(nèi)在質(zhì)量改變密切相關，是粉體對光的反射與衍射等光學現(xiàn)象的總體表現(xiàn)。不同粒徑鐵皮石斛粉體的顏色參數(shù)（L*、a*、b*和ΔE值）變化差異較大。［200，250）目樣本的L*值較［150，200）目顯著提高（即亮度增大），可能原因是粒徑降低致使比表面積增大、粉體對光的反射增強。a*值變化拐點出現(xiàn)在［150，200）目與［200，250）目之間，且數(shù)值從正值變成負值，此差異說明粉體顏色從紅色開始變綠，可能解釋是更細的粉碎使得鐵皮石斛內(nèi)部葉綠素暴露增加（偏綠），而此前烘干造成的鐵皮石斛外表面（偏紅）色澤被混入更多葉綠素，對于鐵皮石斛粉體來說，保持或者提高原料本身的綠色十分必要。b*值變化趨勢表明粉體化提高了鐵皮石斛的黃度，可能與粒徑減小引起粉體中酚類物質(zhì)暴露量增加、進而加劇酚類氧化概率有關［31］。粉體的總色差ΔE值隨目數(shù)減小而降低，也與前人的研究結果一致［13］。

總之，在植物原料的粉體化處理時，針對不同原料特性、組織結構及其成分的含量組成，采用的粉體化技術和參數(shù)需要不斷優(yōu)化，以獲得品質(zhì)優(yōu)、工藝成本低的粉體產(chǎn)品。

4 結論

不同粒徑鐵皮石斛粉體中多糖的溶出率及其粉體特性差異較大。多糖溶出率隨粉體粒徑減小總體呈先升后降趨勢，拐點出現(xiàn)在200 目前后，且?guī)缀跛蟹垠w的多糖溶出率均不足30%，可能與鐵皮石斛多糖含量高、黏度大有關。粉體流動性隨粒徑減小而降低，≥200 目粉體的流動性屬于“非常差”水平；粉體的水合特性（WHC、WSC 和WSI）隨粒徑變小先升后降，最高點出現(xiàn)在［150，200）目樣本中；此外，色差分析也表明在［150，200）目與［200，250）目粉體之間，L*、a*、b*和ΔE值的變化幅度最大，主要與粉體的比表面積在［150，200）目與［200，250）目之間急劇增大有關。綜上所述，將鐵皮石斛粉體化加工至［150，200）目可保證粉體細度同時兼具一定的流動性和較高水合特性，能較好滿足工業(yè)化應用的需求。