符 群,李 卉,王 路,王振宇
(1. 東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,哈爾濱 150040;2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院,哈爾濱 150090)
薇菜,學(xué)名紫萁(Osmunda japonica Thunb.),紫萁科(Osmundaceae)紫萁屬(Osmunda)多年生真蕨類植物。具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1],是中國(guó)重要山珍資源和藥食同源植物,也是重要的出口創(chuàng)匯菜。薇菜含有豐富的蛋白質(zhì)、必需氨基酸、纖維素、碳水化合物及礦物質(zhì)等成分。其蛋白質(zhì)和必需氨基酸的含量與木耳、竹蓀、猴頭菌等山珍含量相當(dāng)[2]。薇菜整株均可入藥,其含有大量的黃酮類化合物和Se、Mo等抗癌元素,具有抗菌、凝血、消炎退熱[3]、抗氧化、增進(jìn)人體免疫力、抗癌防癌及延緩衰老的作用,其中促進(jìn)細(xì)胞修復(fù)及降血糖等功效明顯[4]。
較早進(jìn)行薇菜研究和開(kāi)發(fā)的國(guó)家是日本。日本在對(duì)薇菜的生態(tài)習(xí)性、繁殖技術(shù)、人工栽培、加工等研究均處于領(lǐng)先地位。隨后韓國(guó)也對(duì)薇菜進(jìn)行了深入的研究,韓國(guó)學(xué)者通過(guò)從薇菜中提取出“肉桂鞣質(zhì) B-1”,應(yīng)用于臨床退熱并取得良好的效果[3]。目前中國(guó)對(duì)薇菜研究方向多為生態(tài)學(xué)、種植栽培類和產(chǎn)品粗加工類,薇菜的開(kāi)發(fā)利用還停留在干菜利用階段,主要以薇菜干和少數(shù)復(fù)原精制薇菜出口,產(chǎn)品深度加工開(kāi)發(fā)罕見(jiàn),薇菜的產(chǎn)業(yè)化格局尚未形成,存在研究方向單一,產(chǎn)品檔次不高,功能性利用不充分導(dǎo)致產(chǎn)品附加值不高的問(wèn)題,市場(chǎng)開(kāi)拓力度小,份額低,難以滿足市場(chǎng)需要。因此,薇菜的綜合利用還有很大的發(fā)展空間[4]。
本文通過(guò)選取超微粉碎技術(shù)中的行星球磨法和高壓均質(zhì)法,將薇菜加工成微米級(jí)別的粉體,并對(duì)其粉體物性、主要成為及降血糖指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定分析。有效改善物料的物化性質(zhì),極大提高了活性物質(zhì)的提取量,保留了粉體的功能性[5],為薇菜進(jìn)一步深加工提供參考。
薇菜:采集自吉林長(zhǎng)白山,自然風(fēng)干保存。
α-葡萄糖苷酶(活力≥70萬(wàn) U/mL),α-淀粉酶(4 000 U/g),對(duì)硝基苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷(PNPG)(上海源葉),阿卡波糖(卡博平),F(xiàn)olin-酚試劑(上海藍(lán)季科技);無(wú)水乙醇、3,5-二硝基水楊酸(天津精細(xì)化工),酒石酸鉀鈉(天津市光復(fù)科技),Al(NO3)3、NaNO2、NaOH、Na2CO3均為分析純(天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司)
Quanta 200型掃描電子顯微鏡(荷蘭FEI),SCD 005型離子濺射儀(瑞士BAL-TEC公司),JMF-80型膠體磨(溫州市膠體磨廠),SRH60-70型高壓均質(zhì)機(jī)(上海申鹿均質(zhì)機(jī)有限公司),ND7-2L行星球磨機(jī)(南京南大天尊電子有限公司),BILON-6000Y型噴霧干燥機(jī)(上海比朗儀器),F(xiàn)W100高速萬(wàn)能粉碎機(jī)(天津泰斯特儀器公司),KSW-5-12A型馬弗爐(上海鉅晶儀器)。
1.3.1 常規(guī)薇菜粉體的制備
薇菜原料置于60℃烘箱中烘干至殘余水分低于3%。以間歇式高速粉碎機(jī)粉碎至60目,樣品袋封存于干燥器中放置備用。
1.3.2 行星球磨法超微粉碎制備工藝
球磨物料罐中加入常規(guī)粉碎薇菜樣品 10 g和直徑9 mm 剛玉材質(zhì)小球 100 g,球料質(zhì)量比 10∶1,轉(zhuǎn)速500 r/min。粉碎時(shí)間1 h,所得薇菜粉末過(guò)200目篩,置于干燥器中備用[6]。
1.3.3 高壓均質(zhì)法超微粉碎制備工藝
準(zhǔn)確稱取16 g常規(guī)粉碎處理后的薇菜粉,加水使得料液比為1:50 g/mL,經(jīng)膠體磨處理10 min,薇菜物料循環(huán)13次左右后進(jìn)行高壓均質(zhì)[7]。均質(zhì)壓力25 MPa,時(shí)間15 min,噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度為190℃,出風(fēng)溫度為80℃,進(jìn)料速度為12.5 mL/min,進(jìn)料溫度為60℃,所得粉末過(guò)200目篩,置于干燥器中備用[7]。
1.4.1 激光掃描測(cè)定粉體粒徑
采用激光掃描法[8],統(tǒng)計(jì)出不同超微粉碎處理方法處理后的顆粒粒度,得到粒度大小的正態(tài)分布圖。
1.4.2 薇菜粉體流動(dòng)性的測(cè)定
試驗(yàn)將3 g樣品經(jīng)玻璃漏斗垂直流至玻璃平板上,漏斗尾端距玻璃平板垂直距離3 cm,流下的樣品在玻璃平板上形成圓錐體,測(cè)定圓錐表面和水平面的夾角即為樣品休止角[9]。
1.4.3 薇菜粉體膨脹力的測(cè)定
準(zhǔn)確稱取1.00 g樣品,放入帶刻度的玻璃試管中記錄體積Vl,加入10 mL蒸餾水,攪拌均勻后,在室溫下靜置24 h,讀出樣品此時(shí)的體積數(shù)為V2[10]。
1.4.4 薇菜粉體持水力、持油力及水溶性的測(cè)定
參考 Caparino等[11]方法對(duì)薇菜粉體持水力、持油力進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)Zhao等[12]的方法對(duì)薇菜水溶性進(jìn)行測(cè)定。
1.5.1 薇菜粉體脂肪、可溶性蛋白、多糖及膳食纖維含量的測(cè)定
薇菜粉中的脂肪按照 GB5009.6-2016標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定[13],可溶性蛋白按照 GB5009.5-2016標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定[14],多糖采用蒽酮—硫酸法測(cè)定[15]。膳食纖維按照GB5009.88-2014標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定[16]。
1.5.2 薇菜總多酚含量的測(cè)定
樣品提取方法:分別取3種粉碎方法的粉體各1 g,在料液比1:50,乙醇體積分?jǐn)?shù)50%,超聲溫度70℃的條件下超聲50 min。離心取上清液,冷藏備用。
0.100 g干燥至恒定質(zhì)量的沒(méi)食子酸用蒸餾水定容于100 mL容量瓶中[17]取不同濃度工作液各1 mL,加入體積
分?jǐn)?shù)10%福林酚試劑5 mL后搖勻,反應(yīng)5 min加入7.5%的碳酸鈉溶液4 mL蒸餾水于10 mL容量瓶定容;25℃水浴加熱1 h,于765 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光值。以吸光度為縱坐標(biāo) y,沒(méi)食子酸濃度(μg/mL)為橫坐標(biāo) x,線性回歸方程:y=0.004 5x+0.004,R2=0.998 7。
式中c為測(cè)得的樣品溶液的多酚質(zhì)量濃度,μg/mL;v為供試液體積,mL。
1.5.3 薇菜黃酮含量的測(cè)定
標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制:稱取蘆丁標(biāo)品 0.014 g定容于50 mL容量瓶中[18]。準(zhǔn)確吸取不同濃度蘆丁標(biāo)準(zhǔn)溶液,加入5% NaNO2溶液0.75 mL,放置6 min,10%的Al(NO3)3溶液0.75 mL,放置6 min,4% NaOH溶液10 mL,蒸餾水定容于25 mL容量瓶,搖勻,靜置15 min后于510 nm處測(cè)定吸光度A,以蘆丁濃度X(mg/mL)對(duì)吸光度Y進(jìn)行線性回歸,得回歸方程Y=0.436 7x-0.000 6,R2=0.999 6。
式中C為測(cè)定液總多酚/總多酚含量,mg/mL;N為稀釋倍數(shù);V為樣品體積,mL;M為樣品質(zhì)量,g。
2型糖尿病的表現(xiàn)癥狀為餐后血糖異常升高,而通過(guò)抑制人體內(nèi)α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的活性可以延續(xù)葡萄糖的釋放,有效控制餐后葡萄糖水平。
1.6.1 α-葡萄糖苷酶抑制率
100 μL不同濃度待測(cè)液、阿卡波糖溶液及蘆丁溶液,加入 15 μL 的α-葡萄糖苷酶溶液 50 μL,37℃水浴 10 min,加入10 mg/mL的PNPG溶液50 μL,37℃水浴15 min,加入1 mol/L的Na2CO3溶液10 μL終止反應(yīng),用酶標(biāo)儀在波長(zhǎng)為405 nm處測(cè)定吸光度A1,另取100 μL磷酸緩沖溶液代替酶解液,測(cè)定其吸光值 A0,測(cè)定只有酶解反應(yīng)體系的吸光值為A2[19]。
1.6.2 α-淀粉酶抑制率
40 μL不同濃度待測(cè)液、阿卡波糖溶液及蘆丁溶液,以同體積的 0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液作為空白對(duì)照于25 mL比色管中,加入200 μL α-淀粉酶溶液,在37 ℃水浴中使酶活化 10 min,添加 100 μL底物可溶性淀粉(1.0 g/100 mL)水浴反應(yīng)10 min,加入1.0 μL DNS終止反應(yīng),進(jìn)行沸水浴5 min,冷卻至室溫后加入10 mL蒸餾水稀釋540 nm處測(cè)吸光度Ax,另取和反應(yīng)溶液等量的磷酸緩沖溶液代替反應(yīng)體系測(cè)定吸光度 Ay,再測(cè)定只有酶解反應(yīng)體系的吸光度為Az[20]。
所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果均平行測(cè)定3次,采用Origin8.6繪制柱狀圖,SPSS17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及Duncans’差異顯著性分析,P<0.05為顯著。
2.1.1 超微粉碎對(duì)粉體物性的影響
按照1.4方法對(duì)薇菜粉體物性進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定結(jié)果如表1所示。
表1 3種粉碎方法對(duì)粉體物性的影響Table 1 Effects of three smash methods on physical properties of powders
由表 1可以看出,行星球磨法和高壓均質(zhì)法粉碎后的粉體粒徑分別是常規(guī)粉碎粉體粒徑的1/48和1/65,差距極其顯著(P<0.01);經(jīng)過(guò)粉碎處理的超微粉休止角比起初篩粉均差異顯著(P<0.05),這是由于超微粉碎后,粉粒的粒徑變小,比表面積增大,孔隙度增加。這使得粉粒表面的聚合力、摩擦力增大,導(dǎo)致其休止角增大。因此,超微處理后的超微粉在流動(dòng)性上略低,但可以通過(guò)其他工藝進(jìn)行優(yōu)化,如造粒技術(shù)等[21];粒度較大的常規(guī)薇菜粉的粉體膨脹力極顯著(P<0.01)高于2種超微粉碎粉體。這是由于薇菜原料中的纖維成分較多,粉碎前,較多水分被大量纖維束縛,超微粉碎可以打碎原料纖維結(jié)構(gòu),纖維的長(zhǎng)鏈大幅度減少而短鏈增多,導(dǎo)致粉末對(duì)水分的束縛力降低,膨脹力減小[22];經(jīng)過(guò) 2種粉碎工藝處理的超微粉水溶性較未處理的初篩粉均有所提高,這應(yīng)該是由于粉體粒徑的降低,粉體的比表面積增加,與水的接觸面積增加,有利于水溶成分更加充分的溶解。而高壓均質(zhì)工藝制備的粉體水溶性較行星球磨粉碎的粉體水溶性又有13%的提高[23]。
2.1.2 電鏡觀察粉體形態(tài)及粒徑的變化
通過(guò)激光粒度儀測(cè)定高壓均質(zhì)法的正態(tài)分布圖如圖1所示,行星球磨法的正態(tài)分布圖如圖2所示。
通過(guò)圖 1可知,高壓均質(zhì)粉碎后的薇菜粉體粒徑通過(guò)激光粒度測(cè)試儀測(cè)得最小粒徑為 216.3 nm,最大粒徑為272.8 nm,平均粒徑為259.3 nm。其正態(tài)分布圖集中說(shuō)明粉體粒度較為均勻。
通過(guò)圖 2可知,行星球磨粉碎后的薇菜粉體粒徑通過(guò)激光粒度測(cè)試儀測(cè)得最小粒徑為 796.6 nm,最大粒徑為1 004.9 nm,平均粒徑為897 nm。其正態(tài)分布圖集中說(shuō)明粉體粒度較為均勻。
圖1 高壓均質(zhì)激光測(cè)粒正態(tài)圖Fig.1 High-pressure homogenization laser measuring diameter normalization diagram
圖2 行星球磨激光測(cè)粒正態(tài)圖Fig.2 Planetary ball milling laser measuring diameter normalization
相比高壓均質(zhì)法,行星球磨法的平均粉體粒徑是高壓均質(zhì)的3.46倍,這是由于高壓均質(zhì)的操作方法是將均質(zhì)的液體噴粉干燥,在高溫高壓作用下粉體內(nèi)部纖維素及一些大分子物質(zhì)破壞更完全,水溶性更好,所以在將高壓均質(zhì)粉體放入超純水中測(cè)量粒徑時(shí),形成了較為穩(wěn)定的懸濁液狀態(tài),沉淀少粒度均勻。常規(guī)粉體粒徑過(guò)大,入水即刻沉淀,無(wú)法用激光粒度儀對(duì)其粒徑進(jìn)行測(cè)定。
2.1.3 超微粉碎處理對(duì)粉體持水力及持油力的影響
持水力及持油力按照1.4.4的方法進(jìn)行操作計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)圖3。
圖3 3種粉碎方法對(duì)薇菜粉體持水力與持油力的影響Fig.3 Effect of 3 treatments on water holding capacity and oil holding capacity of Osmunda japonica Thunb
由圖 3可看出,高壓均質(zhì)和行星球磨法的持水力分別是常規(guī)粉碎法的2.43倍和2.44倍、持油力分別是常規(guī)粉碎法的 1.99倍和 1.52倍,持水力和持油力均有顯著(P<0.05=提高。這是由于粉碎過(guò)程中,2種工藝各自的剪切力使顆粒破碎崩裂,粉體比表面積增加,促進(jìn)了水分子和游離羥基的結(jié)合,水合能力也隨之增強(qiáng)。從微觀角度來(lái)看,持油力與分子表面的親脂親水集團(tuán)的性質(zhì)、物理截留作用有很大關(guān)系[24-25]。不溶性的或較為疏水性的、小顆粒及低密度的蛋白質(zhì)能截留和吸收數(shù)量較多的油。超微粉碎處理后的薇菜粉,隨著粒度的減小、疏水基團(tuán)顯露增多,會(huì)結(jié)合數(shù)量更多的油,從而使持油力增強(qiáng)。
2.2.1 脂肪含量的結(jié)果分析
按照1.5.1的國(guó)標(biāo)進(jìn)行測(cè)定分析3種處理方式下不同粉體脂肪的含量,結(jié)果見(jiàn)圖4。
圖4 3種處理方法對(duì)薇菜粉體脂肪含量的影響Fig.4 Effect of threetreatments on fat content of Osmunda japonica Thunb
由圖 4可知,脂肪含量方面高壓均質(zhì)法、行星球磨干法顯著高于常規(guī)粉碎,原因應(yīng)為超微粉處理使粉體與溶劑接觸更充分,更容易被提取,且高壓均質(zhì)工藝有高溫操作,更容易使脂肪游離于粉粒外側(cè),導(dǎo)致高壓均質(zhì)粉碎顯著(P<0.05)高于行星球磨粉碎和常規(guī)破碎的粉體。
2.2.2 可溶性多糖和可溶性蛋白的結(jié)果分析
按照1.5.1的國(guó)標(biāo)進(jìn)行測(cè)定分析可溶性多糖和可溶性蛋白的含量,結(jié)果如圖5所示。
圖5 3種處理方法對(duì)薇菜可溶性蛋白、多糖含量的影響Fig.5 Effects of three treatments on soluble protein and polysaccharide content of Osmunda japonica Thunb
由圖 5可看出,經(jīng)超微粉碎處理后,由于粉體粒徑的減小,表面積增大,與溶劑的接觸面積增加,使得測(cè)得的可溶性多糖和蛋白的量均有所提升,而高壓均質(zhì)工藝制備的超微粉可能由于整個(gè)環(huán)節(jié)的溫度較高,可溶性成分溶出量較另一工藝也有一定程度的增加。
2.2.3 膳食纖維溶出量的結(jié)果分析
按照 1.5.1的國(guó)標(biāo)進(jìn)行測(cè)定分析薇菜中膳食纖維的含量,結(jié)果如圖6所示。
圖6 3種處理方法對(duì)薇菜膳食纖維的影響Fig.6 Effects of three treatments on dietary fiber of Osmunda japonica Thunb
由圖 6可看出,經(jīng)超微粉碎處理后薇菜粉體的總膳食纖維同常規(guī)粉碎粉體差別不大,可溶性膳食纖維的含量顯著(P<0.05)增加,不可溶性膳食纖維含量減少。說(shuō)明超微粉碎物理破壁技術(shù)可以有效粉碎粉體內(nèi)部的纖維,將長(zhǎng)鏈纖維變?yōu)槎替溊w維,這一性狀改變有利于活性物質(zhì)的分離提取。這與高志明等[26]研究超微粉對(duì)膳食纖維影響中的試驗(yàn)結(jié)果相似。
2.2.4 總黃酮和總多酚提取量的結(jié)果分析
取1 mL供試樣液,加入9 mL蒸餾水,振蕩搖勻后取1 mL置于試管中,按照上述方法在765 nm處測(cè)定溶液吸光值,按照公式(2)計(jì)算薇菜總多酚提取量(以沒(méi)食子酸當(dāng)量計(jì))。
取樣液1 mL按照1.5.3方法進(jìn)行測(cè)定,于510 nm處測(cè)定吸光度,按照公式(3)計(jì)算薇菜總黃酮提取量(以蘆丁當(dāng)量計(jì))
圖7 3種處理方法對(duì)薇菜粉總黃酮總多酚提取量的影響Fig.7 Effect of three treatments on extraction of total flavonoids and total ployphenol of Osmunda japonica Thunb
由圖 7可看出,通過(guò)球磨法和均質(zhì)法,薇菜粉體總黃酮提取量分別增加71.5、81.7 mg/mL,總多酚提取量分別增加7.4,8.8 g/100g??傸S酮、總多酚的提取量均顯著(P<0.05)高于常規(guī)粉碎粉體,說(shuō)明兩種超微粉碎法對(duì)薇菜纖維成分破壞得更完全,更有利于溶劑的提取溶出[27]。
以阿卡波糖為對(duì)照,根據(jù)1.6的方法對(duì)3種粉體的α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶抑制率進(jìn)行測(cè)定。
圖8 3種處理方法薇菜粉的降血糖指標(biāo)測(cè)定Fig.8 Determination of hypoglycemic index of three kinds of treatment methods of Osmunda japonica Thunb
由圖8可看出,以阿卡波糖和蘆丁為對(duì)照,2種超微粉提取物的α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶抑制率均優(yōu)于常規(guī)粉碎的提取物,說(shuō)明經(jīng)過(guò)超微粉碎處理后的薇菜粉體,增加了其活性物質(zhì)的提取量,而高壓均質(zhì)的適度高溫操作,并未對(duì)原料本身的活性造成破壞,說(shuō)明超微粉碎不僅可以增加化合物的提取量同時(shí)也能很好的保留其活性成分[28]。
本文以薇菜常規(guī)粉體為對(duì)照,通過(guò)行星球磨法和高壓均質(zhì)法分別對(duì)薇菜進(jìn)行超微粉碎處理,觀察其粉體物性、主要成分含量和降血糖指標(biāo)的變化并進(jìn)行比較分析。通過(guò)激光測(cè)粒觀察得知,薇菜經(jīng)超微粉碎后纖維結(jié)構(gòu)大部分被破壞,粒度較為均勻,粉體比表面積增加,此結(jié)果與李翠玲在冬桑葉超微粉制備[29]中的研究結(jié)果相似。薇菜粉體膨脹力顯著降低,水溶性增加,說(shuō)明超微粉后粉體內(nèi)長(zhǎng)鏈纖維素大幅度減少而短鏈增加,導(dǎo)致其對(duì)水分的束縛力降低,使得粉體膨脹力降低,而這種物性的改變有利于水溶成分的暴露并更加充分的溶解,且高壓均質(zhì)的各個(gè)工藝環(huán)節(jié)中溫度較高,使得粉體的基團(tuán)暴露更多,水溶性更高[30]。食品中主成分的溶出和提取量共同影響著食品的食用性和營(yíng)養(yǎng)性,微粉化在能提高活性成分溶出的同時(shí),對(duì)其功能性也有很好的保留[31]。由此可見(jiàn),超微粉碎對(duì)薇菜粉體物性的改變有利于提高薇菜類食品的加工性能,生產(chǎn)高附加值薇菜產(chǎn)品。
試驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)超微粉碎后行星球磨法、高壓均質(zhì)法粉體粒徑分別是常規(guī)粉體的1/48和1/65,已達(dá)到微米細(xì)胞破壁級(jí)粉碎,經(jīng)超微粉碎處理后,由于粉體粒徑的減小,表面積增大,與溶劑的接觸面積增加,使得測(cè)得的可溶性多糖和蛋白的量均有所提升,而高壓均質(zhì)工藝制備的超微粉可能由于整個(gè)環(huán)節(jié)的溫度較高,可溶性成分溶出量較另一工藝也有一定程度的增加。行星球磨法和高壓均質(zhì)法的持水力分別是常規(guī)粉碎法的2.44倍和2.43倍、持油力分別是常規(guī)粉碎法的1.52倍和1.99倍;總黃酮提取量分別增加71.5、81.7 mg/mL,總多酚提取量分別增加7.4,8.8 g/100g。通過(guò)對(duì)降血糖指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,2種超微粉提取物的α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶抑制率均優(yōu)于常規(guī)粉碎的提取物。說(shuō)明經(jīng)超微粉碎物理破壁后的粉體與溶劑充分接觸,有效提高了主要成分的溶出和提取量,且有效保留了物質(zhì)的活性成分。其中,在提取量和活性成分保留方面,高壓均質(zhì)法要優(yōu)于行星球磨法。
綜上可見(jiàn),超微粉碎有效提高了薇菜的利用率,改善食品的營(yíng)養(yǎng)性和食用性,增強(qiáng)了薇菜的加工性能。對(duì)于薇菜原料加工的廣度和深度具有參考性。
[參 考 文 獻(xiàn)]
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