Effect of Ball Milling on the Structure and Properties of Insoluble Dietary Fiber in Jackfruit Peel
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摘要: 为改善水不溶性膳食纤维（Insoluble dietary fiber，IDF）的口感和功能特性，以菠萝蜜果皮IDF为对象，采用行星球磨对其进行干法粉碎处理。通过表征分析及研究其理化性质的变化，探究不同球磨时间对菠萝蜜果皮IDF的微观形貌、化学结构、晶相结构和比表面积以及功能特性的影响。结果表明，球磨改性使IDF原有的纤维束状结构被破坏，粒径变小，比表面积增大，球磨时间18 h时，IDF的平均粒最小，比表面积最大，球磨改性不影响IDF的化学组成和结晶结构。随球磨时间延长，IDF的持水力、结合水力、溶胀性和阳离子交换能力呈先增大后减小的变化趋势，持油力总体呈下降趋势。球磨时间为18 h时，其持水力、结合水力最高，分别为4.6和4.3 g/g，阳离子交换能力也最强。研究表明球磨对菠萝蜜果皮IDF具有很好的粉碎改性效果并能改善其功能特性。Abstract: To improve the taste and functional properties of water-insoluble dietary fibre (IDF), the IDF of jackfruit peel was dryly ground by planetary ball milling. With characterization and properties analysis, the effect of ball milling time on the morphology, chemical structure, crystalline structure, specific surface area and functional properties of jackfruit peel IDF were investigated. From the results, the original fibre structure of IDF was destroyed, the particle size became smaller and the specific surface area increased after ball milling. With 18 h of ball milling time, there was the smallest average particle size and the largest specific surface area of IDF. Moreover, with ball milling modification, the chemical composition and crystal structure of IDF were not changed. With the ball milling time prolonging, the water holding capacity, binding capacity, swelling ability and cation exchange capacity of IDF increased first and then decreased, and there also existed the declined trend of oil holding capacity. It presented the highest water holding capacity (4.6 g/g), the highest binding capacity (4.3 g/g), and the strongest cation exchange capacity by 18 h milling time. In this study, ball milling exhibited good performance in jackfruit peel IDF grinding and modification, which also improved its functional properties.
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Keywords:
- jackfruit /
- dietary fiber /
- ball milling time /
- superfine grinding
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菠萝蜜，又称为大树菠萝、木菠萝等，属于热带水果，其果实硕大，产量高，营养丰富，味道清甜，香气浓郁，因此有“热带珍果”之称[1]。菠萝蜜中可食用部分仅占果实的43.2%，而不可食的果皮等约占60%[2]。菠萝蜜果皮中含有丰富的多酚、黄酮、多糖等生物活性物质以及大量不溶性膳食纤维[3-4]。由于加工利用技术的缺乏，在菠萝蜜加工中产生大量的果皮通常当作废弃物丢掉，造成环境污染和资源浪费[5-6]，因此，开展菠萝蜜果皮加工利用技术研究具有重要意义[7]。
膳食纤维（Dietary fiber，DF）分为可溶性膳食纤维（Soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纤维（Insoluble dietary fiber，IDF）[8]，是指能抗人体小肠消化吸收、可在人体大肠部分或全部发酵的可食用的植物性成分、碳水化合物及其相类似物质的总称，对人体消化有重要作用[9-11]。大部分植物性膳食纤维为IDF，如直接将IDF添加到食品中可能会对食品的色泽、口感、质地和风味产生不利影响[12]，这使得IDF在食品加工领域的应用受到很大限制[13]。为改善IDF的功能性质并拓宽其在食品工业中的应用范围，人们开展了大量有关膳食纤维改性的研究[14-15]，常见的改性方法有物理改性、化学改性、生物改性、联合改性等等[16]。超微粉碎属于一种物理改性方法，主要是通过超微粉碎技术极大程度地降低IDF的粒径，改变IDF的吸水性、比表面积、孔隙等特性，进而改善产品的口感[17]，超微粉碎能使物料分布更加均匀，在提高溶解性、持水力、持油力方面有重要优势[18]；相对于其他改性方法而言，超微粉碎操作简便，过程相对环保。球磨处理是超微粉碎的一种常见手段，对改善植物性食品原料的加工特性具有独特优势，通过如碰撞、摩擦、冲击等机械作用来改变原料的物理结构和特性，以此来满足生产需要[19]。现有的研究表明，通过球磨处理的物料具有较好的理化性质表现。樊华等[20]通过酶法、球磨辅助酶法、碱辅助酶法、球磨联合碱辅助酶法四种方法提取SDF，结果显示有球磨加入的提取方法对SDF生物功能活性有更好的表现效果；汤彩碟等[21]利用机械球磨处理方竹笋全粉，结果显示机械球磨技术可以有效改善方竹笋全粉的感官性能、功能和加工特性。曹琦琦等[22]利用球磨粉碎百香果皮纤维粉，结果显示经球磨处理后的纤维粉的膨胀力、持水力等理化性质以及抗氧化活性有着更好的表现。而有关菠萝蜜果皮膳食纤维的研究不多，且主要集中在膳食纤维提取工艺优化方面[23-26]，有关菠萝蜜膳食纤维改性的研究则未见有报道。
为填补菠萝蜜膳食纤维球磨改性的研究空白，本文以超声波辅助酶法提取的菠萝蜜果皮IDF为对象，采用行星球磨对其进行微细化改性，研究IDF在不同球磨时间处理下持水力、结合水力、溶胀性和持油力的变化，并对其结构和功能特性进行表征分析，以期为菠萝蜜果皮的高值化利用提供依据。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
菠萝蜜果皮 购于广州市农贸市场；α-淀粉酶 2000 U/g，江苏锐阳生物科技有限公司；大豆油 广州益海粮油工业有限公司；浓盐酸、硝酸银、氯化钠、氢氧化钠、溴化钾、磷酸二氢钾 均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。
FW100型组织粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司；PM型行星球磨机 南京驰顺科技发展有限公司；AL204型电子分析天平 瑞士Mettler Toledo公司；BK-POLR型透反射偏光显微镜 重庆奥特光学仪器有限责任公司；XL-30 ESEM型环境扫描电子显微镜 荷兰菲利浦电子光学有限公司；VERTEX 70型傅里叶变换红外光谱仪 德国Bruker公司；Mastersizer 2000型激光粒度分析仪 英国马尔文仪器有限公司；D8ADVANCE型X射线衍射仪 德国Bruker公司；H/T16MM型台式高速离心机 湖南赫西仪器装备有限公司；101-1A型电热鼓风干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司；Scientz-ⅡD型超声波细胞破碎机 宁波新芝生物科技有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 菠萝蜜果皮膳食纤维的提取
菠萝蜜果皮预处理：将新鲜菠萝蜜果皮用水清洗干净，置于电热鼓风干燥箱中55 ℃下烘干至恒重，用组织粉碎机打成粉状，过筛（80目）后密封贮存，置于4 ℃冰箱冷藏备用。
不溶性膳食纤维提取：采用超声波辅助酶化学法提取菠萝蜜膳食纤维。称取5.000 g干燥菠萝蜜皮粉，按料液比1:25加入适量蒸馏水，α-淀粉酶用量为0.5wt%（以原料重量计），混合均匀，置于超声波细胞粉碎机中，25 ℃下288 W超声波20 min，再用缓冲溶液（0.20 mol/L磷酸二氢钾溶液）调节溶液体系pH为6.0，置于50 ℃恒温水浴锅中酶解1 h时间，沸水浴5 min灭酶后冷却至室温，加入浓度为6%氢氧化钠溶液至pH为10，置于恒温水浴锅中，60 ℃下碱解2 h，冷却至室温，抽滤，用丙酮和无水乙醇有机溶剂洗涤，以除去其中可溶性色素和糖类等杂质，然后用蒸馏水洗涤至中性，干燥，得IDF。
1.2.2 菠萝蜜果皮IDF的球磨改性
采用干磨法，将一定量的菠萝蜜果皮IDF粉末放入行星球磨机的玛瑙罐中，并放入氧化锆球（Φ=11.1 mm），其中料球质量比为1:5，球磨转速为250 r/min，启动球磨机进行研磨，考察球磨时间（3、6、9、12、18、24 h）对改性IDF结构和性能的影响。
1.2.3 菠萝蜜果皮IDF的表征
表征方法参考相关资料，并根据本研究实际情况作出相应调整，具体参数如下：
采用透反射偏光显微镜观察IDF粉末的形态结构。测试条件：放大倍率为400×。
扫描电子显微镜（SEM）观察IDF粉末的表面形貌[27]。测试条件：加速电压为20.0 kV；放大倍率为1000×；工作距离7.2~7.6 nm；分辨率为50 μm。
傅里叶红外变换光谱仪（FT-IR）表征IDF的化学组成[28]。测试条件：波数范围1000~4000 cm−1，以空气为背景进行测量。
激光粒度分析仪分析IDF粉末粒径[29]。测试条件：在激光强度升至10%~15%时，由激光粒度分析仪自动测定其比表面积、表面积平均粒径和体积平均粒径。
X射线衍射分析仪（XRD）对IDF粉末晶体结构进行表征[30]。测试条件：Cu靶；管压：30 kV；管流：30 mA；2θ扫描范围：10°~80°；步长：0.02；扫描速度：4°/min；扫描模式：连续性扫描。
1.2.4 菠萝蜜果皮IDF理化性质的测定
1.2.4.1 持水力的测定
准确称取0.100 g样品，置于10 mL 离心管中，加蒸馏水5 mL，在室温下浸泡24 h后，在3500 r/min的速度下离心0.5 h，取出，倾去上层溶液，甩干水分，称重。持水力（g/g）计算公式为[31]：
持水力(WHC)=m2−m1m1 (1) 式中：m1为干样品质量，g；m2为湿样品质量，g。
1.2.4.2 结合水力的测定
准确称取0.100 g样品浸泡于5 mL蒸馏水中，在3500 r/min条件下离心处理1 h，小心去除上清液，残留物置于多孔玻璃上静置1 h，称重该残留物。120 ℃干燥2 h后再次称重，两者差值即为所结合的水重量，换算成每克IDF所结合水的克数即为样品的结合水力（g/g）。结合水力的计算公式为[32]：
结合水力(WBC)=m3−m1m1 (2) 式中：m1为干样品质量，g；m3为湿样品质量，g。
1.2.4.3 溶胀性的测定
准确称取样品0.100 g，置于量筒中，加蒸馏水5 mL，放置24 h，不断搅拌，观察其自由膨胀体积，计算每克纤维的膨胀体积（mL/g）。溶胀性的计算公式为[33]：
溶胀性(SWC)=V2−V1M (3) 式中：V1为溶胀前干样品体积，mL；V2为溶胀后样品体积，mL；M为干样品质量，g。
1.2.4.4 持油力的测定
准确称取质量为0.100 g干样品于试管中，加入20 mL的大豆油，混合均匀，每隔5 min振荡一次，30 min后，将其置于转速为3500 r/min的离心机中离心30 min，取出，除去上层油，称重[34]，测定其持油力（g/g）。
持油力(OHC)=m4−m1m1 (4) 式中：m1为干样品质量，g；m4为除油后样品质量，g。
1.2.4.5 阳离子交换能力的测定
称取1.000 g样品浸入100 mL 0.1 mol/L的盐酸溶液中，于4 ℃的冰箱中静止48 h后，用去离子水洗涤去除过量的酸，再用0.1 mol/L硝酸银溶液鉴定至无沉淀生成为止，离心留沉淀，105 ℃干燥至恒重。称取0.500 g样品，将其分散于100 mL质量分数为5%（C）的氯化钠溶液中，用0.1 mol/L氢氧化钠滴定，振摇三角瓶，记录溶液体系的pH[35]。
1.3 数据处理
实验数据重复三次，并使用IBM SPSS Statistics 26软件在P<0.05水平上对实验结果进行Duncan差异显著性分析，相关作图采用Origin 2019b 32Bit、JADE 5.0进行绘图。
2. 结果与分析
2.1 球磨时间对不溶性膳食纤维结构形态的影响
2.1.1 微观形貌观察
由图1可以看出，球磨时间对菠萝蜜果皮IDF的形态有明显影响。球磨时间为3 h时，IDF粉体纤维仍保持原有的纤维束状结构。随着球磨时间的增加，IDF的纤维束状结构逐渐因研磨作用而断裂，变成短的束状或颗粒状。球磨时间为18 h时IDF粉体纤维几乎被完全破坏，呈分散态的微小颗粒。
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图 1 不同球磨时间下菠萝蜜果皮IDF的显微镜图（400×）Figure 1. Micrograph of jackfruit peel IDF under different ball milling time (400×)从图2的SEM图可看出，经不同球磨时间处理的菠萝蜜果皮IDF的微观形貌发生了明显变化。球磨前期（3~6 h），IDF仍含有较多形状不规则、长短不一的树枝状和分叉状纤维结构形态。球磨中期（9~12 h），IDF的树枝状和分叉状纤维结构明显减少，粒状和片状颗粒比例增多，而不规则结构的增多会导致团聚现象[31]，这与杨茉等[36]的研究结果类似。球磨后期（18~24 h），IDF天然网络结构完全被破坏，粉体呈颗粒状，颗粒大小集中在1~40 μm内，大部分颗粒大小在10 μm左右。
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图 2 菠萝蜜果皮IDF经不同球磨时间处理后的扫描电镜图（1000×）Figure 2. SEM of jackfruit peel IDF treated with different ball milling time (1000×)2.1.2 红外光谱分析
由图3可知，菠萝蜜果皮IDF在3200～3500 cm−1处的宽峰是分子内或分子间羟基（O-H）的伸缩振动峰，说明菠萝蜜果皮IDF中有大量的-OH，存在着处于缔合状态的氢键。在2929 cm−1附近的吸收峰是亚甲基（C-H2）的伸缩振动峰，1734 cm−1附近为半纤维素羰基（C=O）的伸缩振动，1641 cm−1处是木质素中苯环的特征吸收峰，1157 cm−1处为纤维素、半纤维素C-O-C键的伸缩振动，1162 cm−1是纤维素的特征吸收峰（可能为醚键C-O-C的不对称伸缩振动），这与张艳莉等[37]、栗俊广等[38]研究结果类似。1032~1242 cm−1附近为纤维素和半纤维素 C-O 键的伸缩振动，这与纤维素的结构基本相符[39]。球磨后菠萝蜜果皮IDF的羟基吸收峰发生了蓝移。当球磨时间为24 h时，由原来的3412 cm−1移至3386 cm−1，即行星球磨处理使羟基吸收峰逐渐向低波数方向移动，且随着球磨时间的增加，波数移动的越多，O-H特征峰的吸收强度越来越大，这可能与图6中粉体持水性的增强有关。总的来说，IDF经球磨改性后，其不可溶性成分可能朝着可溶性成分转变，但其基团结构和主要成分类别并没有发生改变。
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图 3 不同球磨时间的菠萝蜜果皮IDF红外光谱图注：图中字母分别为原膳食纤维（a）；球磨处理6 h（b）；球磨处理18 h（c）；球磨处理24 h（d）。Figure 3. Infrared spectra of jackfruit peel IDF at different ball milling time2.1.3 激光粒度分析
由图4和表1可知，球磨时间对菠萝蜜果皮IDF的比表面积、表面积平均粒径和体积平均粒径具有显著影响。随球磨时间增加，IDF的比表面积呈先增大后减小的趋势变化，而表面平均粒径和体积平均粒径都呈先减小后增大的变化趋势。球磨时间为18 h时，IDF的比表面积最大，是球磨3 h的2.9倍，表面积平均粒径和体积平均粒径都最小，分别为10.201和35.775 μm，因为随着球磨时间的增加，IDF颗粒长时间受球磨介质的摩擦、剪切和高频振动作用被粉碎细化，原有的颗粒结构被破坏，粒径不断减小，同时增大了比表面积；但球磨时间过长，IDF粉体受范德华力的吸引或体系总表面能的极小化驱动力，导致IDF产生团聚现象，最终表现为比表面积减小，平均粒径增加[40]。
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图 4 不同球磨时间的菠萝蜜果皮IDF粒径分布图Figure 4. Particle size distribution of jackfruit peel IDF with different ball milling time表 1 不同球磨时间处理的样品比表面积及粒径Table 1. Specific surface area and particle size of samples treated at different milling time球磨时间（h） 比表面积（m2/g） 表面积平均粒径（μm） 体积平均粒径（μm） 3 0.201 29.896 153.213 6 0.297 20.186 130.141 9 0.377 15.925 96.361 12 0.457 13.131 54.229 18 0.588 10.201 35.775 24 0.506 11.827 39.435 2.1.4 XRD对菠萝蜜果皮IDF的表征与晶相分析
由图5可看出，对照样品（a）与经过不同球磨时间处理的样品的XRD衍射图谱基本一致，各图中特征衍射峰位置变化不大，主要结晶类型相同，特征衍射峰主要集中在2θ=22°左右，2θ角为15.85°、21.59°、33.86°左右各有衍射峰出现，002面峰较尖锐，101面峰则重迭，呈圆钝形的特点，是纤维素典型的Ⅰ型晶体结构[41]，球磨处理并未改变菠萝蜜果皮IDF的结晶结构属性，纤维晶区基本未受影响[26]。但球磨处理前后峰面积减少，表明球磨改性可能使IDF非结晶区的结构及内部分子部分结晶结构被破坏，分子聚合能力降低，这可能与可溶性成分增加有关[42]。
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图 5 不同球磨时间处理后IDF样品的X射线衍射图注：（a）：原样品；（b）：3 h；（c）：9 h；（d）：12 h；（e）：18 h；（f）：24 h。Figure 5. X-ray diffraction patterns of IDF samples treated with different milling time2.2 球磨时间对IDF理化性质的影响
2.2.1 球磨时间对IDF持水力和结合水力、溶胀性和持油力的影响
由图6可知，菠萝蜜果皮IDF经球磨改性处理后，随球磨时间的延长，菠萝蜜果皮IDF的持水力、结合水力呈先增大后减小的趋势，在球磨时间为18 h时，改性菠萝蜜果皮IDF粉的持水力和结合水力均达到最大值，分别为4.6和4.3 g/g，与球磨时间为3 h改性的IDF相比，分别增大了64.3%和72.0%。从图7可看出，经球磨改性后的菠萝蜜果皮IDF的溶胀性变化相对急剧，但持油力变化相对平缓，总体呈下降趋势。当球磨时间为12 h时，其溶胀性最大（14.3 mL/g）。球磨3 h时，菠萝蜜果皮IDF粉持油力达到最高值（7.7 g/g），继续球磨，总体的持油力呈下降趋势。
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图 6 球磨时间对IDF持水力和结合水力的影响注：图中不同小写字母表示显著差异，P<0.05，图7同。Figure 6. Effect of ball milling time on water holding capacity and binding capacity of IDF![]()
图 7 球磨时间对IDF溶胀性和持油力的影响Figure 7. Effect of ball milling time on swelling and oil holding capacity of IDF在球磨初期，随着球磨时间的增加，菠萝蜜膳食纤维的结构在球磨介质的研磨作用下受到一定程度的破坏，亲水基团外露，持水力和结合水力上升[43]；但球磨时间过长，IDF被粉碎过度，IDF的分子结构和侧链基团遭到一定程度的破坏，虽然接触面积增大，但个体的结合水力下降，从而导致整体的水合能力变差[44-47]。而球磨时间增长，IDF粒径变小，使其水合能力下降，颗粒之间阻力的相对值也增大，导致颗粒不易吸水膨胀，这也解释了球磨12 h后膳食纤维粉体溶胀性下降的原因[48]。球磨初期持油力的上升（未经处理的IDF原料持油力为6.0 g/g）可能是由于超微粉碎在破坏菠萝蜜果皮细胞结构时暴露出大量的亲油基团，并且粒径变小会使IDF空隙变大，最终使得IDF持油力增强[49-50]。球磨中后期持油力整体呈下降趋势，可能是由于球磨过度导致亲油基团的破坏，并且粉体团聚会导致油脂无法很好接触[51]，造成持油力下降。
2.2.2 球磨时间对膳食纤维阳离子交换能力的影响
由图8可以看出，球磨改性后的菠萝蜜果皮IDF比未经改性的IDF的阳离子交换能力有明显的增强，且随球磨时间的增加，IDF的阳离子交换能力呈现先增大后减小的趋势。当球磨时间为18 h时，IDF的阳离子交换能力最强。这是由于一定程度的超微粉碎处理可使IDF粉末样品中的一些分子基团和侧链基团暴露出来，从而改善了样品的阳离子交换能力[52]。但球磨时间过长，膳食纤维粉被过度粉碎，粉体粒径变小，容易产生团聚现象，引起膳食纤维结构上的空间位阻效应，而空间位阻效应是指分子中的原子或基团彼此靠近而引起的空间阻碍作用，这可能会导致催化剂催化效率降低、减少原子或基团的接触面积，进而影响化学反应效率，这会抑制膳食纤维粉的一些分子基团或侧链基团和离子产生充分接触，同时过度粉碎会破坏分子基团与侧链基团[53]，最终导致IDF粉末样品的阳离子交换能力降低。
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图 8 球磨时间对IDF阳离子交换能力的影响Figure 8. Effect of ball milling time on cation exchange capacity of IDF3. 结论
球磨改性使菠萝蜜IDF的微观形貌发生显著变化，原有的纤维状结构被破坏，粒径变小，比表面积增大，球磨时间为18 h时，IDF表面积平均粒径最小为10.201 μm，比表面积最大，是球磨3 h的2.9倍；球磨作用不会改变IDF的化学组成和结晶结构，但其非结晶区和部分结晶区遭到一定程度的破坏，分子聚合度降低。球磨改性对IDF的理化性质也有明显影响，随球磨时间延长，IDF的持水力、结合水力、溶胀性和阳离子交换能力呈先增大后减小的变化趋势，持油力总体呈下降趋势。球磨时间为18 h时，其持水力、结合水力最高，分别为4.6和4.3 g/g，阳离子交换能力也最强。
通过探究不同球磨时间对菠萝蜜膳食纤维结构与理化性质的影响可知，进行球磨处理后的菠萝蜜果皮IDF具有较好的理化性质与较为理想的微观结构形态，具有巨大的发展潜力，研究结果能为合理利用开发菠萝蜜副产物提供一定理论依据参考。
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图 1 不同球磨时间下菠萝蜜果皮IDF的显微镜图（400×）
Figure 1. Micrograph of jackfruit peel IDF under different ball milling time (400×)
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图 2 菠萝蜜果皮IDF经不同球磨时间处理后的扫描电镜图（1000×）
Figure 2. SEM of jackfruit peel IDF treated with different ball milling time (1000×)
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图 3 不同球磨时间的菠萝蜜果皮IDF红外光谱图
注：图中字母分别为原膳食纤维（a）；球磨处理6 h（b）；球磨处理18 h（c）；球磨处理24 h（d）。
Figure 3. Infrared spectra of jackfruit peel IDF at different ball milling time
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图 4 不同球磨时间的菠萝蜜果皮IDF粒径分布图
Figure 4. Particle size distribution of jackfruit peel IDF with different ball milling time
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图 5 不同球磨时间处理后IDF样品的X射线衍射图
注：（a）：原样品；（b）：3 h；（c）：9 h；（d）：12 h；（e）：18 h；（f）：24 h。
Figure 5. X-ray diffraction patterns of IDF samples treated with different milling time
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图 6 球磨时间对IDF持水力和结合水力的影响
注：图中不同小写字母表示显著差异，P<0.05，图7同。
Figure 6. Effect of ball milling time on water holding capacity and binding capacity of IDF
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图 7 球磨时间对IDF溶胀性和持油力的影响
Figure 7. Effect of ball milling time on swelling and oil holding capacity of IDF
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图 8 球磨时间对IDF阳离子交换能力的影响
Figure 8. Effect of ball milling time on cation exchange capacity of IDF
表 1 不同球磨时间处理的样品比表面积及粒径
Table 1 Specific surface area and particle size of samples treated at different milling time
球磨时间（h） 比表面积（m2/g） 表面积平均粒径（μm） 体积平均粒径（μm） 3 0.201 29.896 153.213 6 0.297 20.186 130.141 9 0.377 15.925 96.361 12 0.457 13.131 54.229 18 0.588 10.201 35.775 24 0.506 11.827 39.435 
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