牛潇潇， 梁 亮， 王 宁， 王 杰， 韩育梅

(内蒙古农业大学，呼和浩特 010018)

马铃薯渣是制备马铃薯淀粉的副产物，主要包括水分、膳食纤维(DF)、淀粉、果胶和蛋白质等，各成分含量的波动主要与原料种类和加工工艺有关。目前，马铃薯渣的研究方向主要围绕部分利用和整体利用两部分。部分利用包括果胶、蛋白质、膳食纤维和糖苷生物碱等[1-5]。杨月娇等[6]利用酸处理、酶处理和盐沉处理得到3种不同的马铃薯果胶，其中酸处理果胶的DPPH自由基清除率最高，盐沉处理果胶的羟自由基能力和超氧阴离子清除能力最高。Waliullah[7]利用高静水压结合酶法处理提取马铃薯渣膳食纤维，显著提高了可溶性组分，改善了物化特性。整体利用包括饲料、发酵产品和重金属吸附材料等[8，9]。Piotr等[10]利用热酸法和酶法两种水解方法处理马铃薯渣生产培养基并用于吉兰假丝酵母和毕赤酵母的培养，在48 h后获得39.3%的生物量，这表明马铃薯渣是一种很有前途的酵母单细胞蛋白生产原料。怀宝东等[11]利用好氧-厌氧固态发酵技术处理马铃薯渣，大幅提高其蛋白质含量，是高蛋白饲料的良好原料。两者均改变了马铃薯渣的理化性质，然而有关马铃薯渣在食品中应用的研究仍不充分，特别是马铃薯渣整体作为食品原料的研究较少，马铃薯渣的综合利用效率和新技术开发有待进一步提高。

DF是马铃薯渣中重要组成成分，约占50%(干重)，主要由以纤维素、半纤维素和木质素为代表的不溶性膳食纤维(IDF)和以果胶为代表的可溶性膳食纤维(SDF)组成，IDF含量大幅高于SDF的含量。合理的改性手段可改变IDF和SDF的比例，提高SDF含量，改善其功能特性。相较于化学改性的试剂浪费、生物改性的连续性差，物理改性手段将更适用于大规模生产和集中处理。超微粉碎技术是一种较为新颖的物理改性手段，通过机械作用使物料在剪切力、冲击力和摩擦力的作用下破碎，制成满足实际需求的微米级或纳米级微粒。Li等[12]利用超微粉碎技术制备蒲公英茶粗粉和蒲公英茶细粉，结果表明细粉在色泽、溶解度、黄酮含量以及抗氧化活性实验中表现更好，超微粉碎对提高蒲公英茶的性质有积极作用。Hong等[13]利用球磨处理水杨柳叶，随着球磨时间和次数的增加，水杨柳叶粉的游离酚类代谢物含量和抗氧化活性、水溶性指数、色泽、体积和密度均显著提高。Chun等[14]发现挤压膨化技术联合超微粉碎技术可以显著改变马铃薯皮渣的结构性能，减小粉末的粒度、水合特性和脂肪吸附能力。因此，超微粉碎技术对马铃薯渣的功能特性有积极作用，但缺少粉碎程度(粒度与分布区间)与功能特性的相关研究。

本实验通过超微粉碎处理马铃薯渣，用不同目数的标准筛进行筛分，获得不同粒度的马铃薯渣粉，以未经超微粉碎的马铃薯渣和超微粉碎后未筛分的马铃薯渣作为对照，探究不同粒度马铃薯渣粉在抗氧化能力、葡萄糖吸附能力、胆酸钠吸附能力、胆固醇吸附能力、亚硝酸盐吸附能力和阳离子交换能力方面的差异，为马铃薯渣综合利用及其产品开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

马铃薯渣(湿)，2020年春季批次淀粉生产线副产物。试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

PLS-10L新型超微粉碎机，日立TM4000电子扫描电镜，BT2002激光粒度分布仪，WIGGENS 高剪切均质分散乳化机D-500，HZ-8812S水浴恒温振荡器。

1.3 方法

1.3.1 马铃薯渣粉的制备

马铃薯渣(湿)→除杂→干燥(80 ℃干燥2 h，再在65 ℃条件下干燥至恒重)→初步粉碎→过筛(60目，最大通过粒径0.25 mm)→超微粉碎(10 kW，10 min)→筛分→不同粒度的马铃薯渣粉→密封常温储藏。

将超微粉碎后的样品通过标准筛筛分，根据筛网目数从小到大的排列依次为：100、120、140、160、180、200、300、400、500目，对应的筛网最大通过直径分别为：150、125、105、97、88、75、54、38.5、30 μm。所得样品能通过60目筛但不能通过100目筛的样品记为B100，能通过100目筛但不能通过120目筛的样品记为B120，依次类推分别记B140、B160、B180、B200、B300、B400、B500和B>500(能通过500目标准筛的样品)。未经超微粉碎的样品记为BY(能通过60目标准筛)，超微粉碎后不筛分的样品记为BH。

1.3.2 马铃薯渣粉基础成分测定

淀粉含量测定参照GB/T 5009.9—2016酶水解法；还原糖含量测定参照GB/T 5009.7—2016 高锰酸钾滴定法；脂肪含量测定参照GB/T 5009.6—2016 酸水解法；蛋白质含量测定参照GB/T 5009.5—2016 凯氏定氮法；灰分含量参照GB/T 5009.4—2016 食品中总灰分的测定；含水量参照GB/T 5009.3—2016 直接干燥法；膳食纤维(SDF、IDF和DF)含量参照AOAC 991.43酶质量法。

1.3.3 马铃薯渣粉粒径D10、D50、D90和比表面积的测定

配制质量浓度为1.0%的马铃薯渣粉悬浮液(无水乙醇为连续相)，充分振荡，备用。取适量上述悬浮液分散在样品池中，使仪器遮光率处于10～60，超声波1.5 min除去气泡。D10、D50、D90分别表示样品累积粒度分布分别达到10%、50%和90%时对应的粒径大小。

1.3.4 马铃薯渣粉扫描电镜的测定

采用日立TM4000扫描电子显微镜对马铃薯渣粉进行观察。取适量马铃薯渣粉放于导电胶带上，除去余粉，放入扫描电镜并观测。具体条件：加速电压为15 kV，模式为“Standard”，图片扫描倍数为80～100倍。

1.3.5 马铃薯渣粉葡萄糖吸附能力的测定

葡萄糖吸附能力的测定参照Peerajit等[15]的方法并稍作修改。准确称取1.00 g马铃薯渣粉，依次倒入50、100、200、400 mmol/L的葡萄糖溶液各30 mL，充分混匀，在37 ℃的条件下恒温振荡6 h。取20 mL上清液，在8 000 r/min的条件下离心10 min。测定葡萄糖的浓度并根据公式进行计算。

式中：G为葡萄糖吸附量/mmol/g；c0为溶液中葡萄糖浓度/mmol/L；c为上清液中葡萄糖浓度/mmol/L；V为离心后上清液体积；M为样品质量/g。

1.3.6 马铃薯渣粉胆固醇吸附能力的测定

参考杨晰茗等[16]的方法并稍作修改。胆固醇的测定采用邻苯二甲醛比色法。取新鲜鸡蛋10个，分离蛋黄和蛋清，蛋黄中加入9倍体积的蒸馏水，在10 000 r/min的条件下搅打成均匀的乳液。分别取不同粒度的样品1.00 g，加50 mL搅打均匀的蛋黄乳液，调节pH至7.0，37 ℃恒温振荡2 h，4 000 r/min离心10 min，取上清液测定吸光度值，按照公式计算上清液中的胆固醇质量。

式中：D为胆固醇吸附量/mg/g；m1为吸附前蛋黄乳液的胆固醇质量/mg；m2为上为吸附后上清液中胆固醇质量/mg；m为样品质量/g。

1.3.7 马铃薯渣粉胆酸钠吸附能力的测定

参考朱玉[17]的方法并稍作修改。准确称取1.00 g马铃薯渣粉，放入250 mL锥形瓶中，再加入0.20 g胆酸钠，倒入0.1 mol/L的NaCl溶液，摇匀并调节pH至7，37 ℃振荡水浴 2 h(100 r/min)。移出20 mL左右的液体进行离心，8 000 r/min，10 min。移取上清液1.0 mL至比色管中，再加入1.0 mL 1%糠醛溶液和5 mL 60%硫酸溶液混匀，70 ℃水浴20 min，迅速放入冰水中冷却，测定其吸光度，重复测定3次。计算公式为：

式中：F为胆固酸钠吸附量/mg/g；m0为初始胆酸钠质量/mg；m1为吸附后上清液中胆酸钠质量/mg；m为样品质量/g。

1.3.8 马铃薯渣粉亚硝酸钠吸附能力的测定

参照罗白玲[18]的方法并稍作修改。分别准确称取1.00 g样品于150 mL 锥形瓶中，加入50 mL亚硝酸钠 (200 μg/mL)溶液，调节锥形瓶中液体的pH为2.0，37 ℃振荡水浴2 h(100 r/min)，过滤弃去初滤液20.0 mL 后用移液管移取1.0 mL 的样品溶液，按照标准曲线的方法测定亚硝酸钠的含量，重复测定3次。计算公式为：

式中：Y为亚硝酸钠吸附量/mg/g；m1为吸附前亚硝酸钠质量/mg；m2为吸附后亚硝酸钠质量/mg；m为样品质量/g。

1.3.9 马铃薯渣粉抗氧化活性的测定

DPPH自由基清除能力的测定参照刘洋等[19]； ABTS自由基清除能力的测定参照唐明明等[20]；羟基自由基清除能力的测定参照孟祥河等[21]。

1.3.10 马铃薯渣粉阳离子交换能力的测定

参照莎日娜等[22]的方法，在锥形瓶中加入1.00 g样品和15 mL 0.1 mol/L HCl溶液，置于37 ℃的恒温培养箱中24 h。将样品取出后用真空泵进行抽滤，用去离子水冲洗滤渣，直至过滤液与AgNO3溶液不发生反应，将滤渣转移到锥形瓶中，加入100 mL 15%氯化钠溶液，摇匀，加入酚酞，用浓度为0.1 mol/L 的氢氧化钠溶液进行滴定，淡红色为滴定终点。同时以去离子水代替氯化氢溶液作为空白实验并记录氢氧化钠溶液所用体积。计算阳离子交换力公式为：

式中：YL为阳离子交换能力/mL/g；v1为测定时所用氢氧化钠溶液的体积/mL；v0为空白实验所用的氢氧化钠体积/mL；m为样品质量/g。

1.4 数据分析

所有实验均进行3次重复。采用Excel软件对实验数据进行整理和制表；使用SPSS23软件进行Duncan显著性分析，P<0.05表示差异显著；使用Origin 2018制图。

2 结果与分析

2.1 粒度对马铃薯渣粉基础成分的影响

不同粒度和粉碎前后的马铃薯渣粉各成分含量如表1所示。对比超微粉碎前后的样品，只有总膳食纤维含量发生显著变化，淀粉、脂肪含量、还原糖含量、蛋白质含量、灰分含量和含水量没有明显差异，这表明超微粉碎并未对马铃薯渣的组分产生明显影响。随马铃薯渣粉粒度的降低，淀粉含量、蛋白质含量、灰分含量和含水量呈现升高趋势，但增量较小，对马铃薯渣粉功能特性的影响有限。各样品的还原糖含量和脂肪含量基本没有显著性差异，可推测二者并非影响功能特性的主要因素。然而，马铃薯渣的总膳食纤维含量与粒径的减小呈现正相关，且不同粒度的马铃薯渣粉之间差异显著，由55.60%(B100)降至40.93%(B>500)。造成这一现象的原因为超微粉碎的机械作用使膳食纤维结构破环严重，部分非膳食纤维组分分离，膳食纤维总量下降。

表1 马铃薯渣粉的基础成分组成/%

不同类型马铃薯渣粉SDF、IDF和DF含量如图1所示。对比BY和BH，超微粉碎对马铃薯渣的改性效果明显，SDF含量上升，更有利于人体健康[23]。随着粒度的降低DF和IDF含量均显著降低，SDF含量显著上升，原因是超微粉碎改变了马铃薯渣中IDF和SDF的空间结构，生成或者暴露出分子量更小的化合物[24,25]。同时，比表面积的增加以及更多亲水基团暴露也会导致部分IDF向SDF转化，也可能是包裹在IDF结构内部的SDF被释放出来，Kong等[26]在利用蒸汽爆破技术联合超微粉碎技术处理小麦麸皮及李菁等[27]利用超微粉碎技术处理豆渣时也得出类似结论。

图1 不同粒度马铃薯渣粉的可溶性膳食纤维(SDF)含量、不溶性膳食纤维(IDF)含量和总膳食纤维(DF)含量

2.2 马铃薯渣粉的粒径分布

不同筛分方式能获得不同粒径分布的马铃薯渣粉，比表面积的改变影响其功能性质。如表2所示，对比BY和BH的粒径分布，其D10、D50和D90均明显降低，比表面积增加了257.35%，一定程度上反映了超微粉碎对马铃薯渣的粉碎效果。B100～B>500的中值粒径(D50)下降，其比表面显著上升，表明超微粉碎对马铃薯渣粉物料改性显著。特别是比表面积增加，使膳食纤维的活性基团的暴露程度增加，将影响其与葡萄糖、胆固醇和亚硝酸盐等物质的吸附能力，与罗白玲[28]研究超微粉碎处理咖啡果皮不溶性膳食纤维的结果相似。

表2 马铃薯渣粉的粒径分布和比表面积

2.3 马铃薯渣粉的扫描电镜分析

如图2所示，对比BY和BH，可以看出超微粉碎会使马铃薯渣颗粒破裂，其更趋近于球体，结合比表面积的改变，更多的基团暴露出来，进而使功能特性发生改变。在100倍的观测条件下，B100～B>500的马铃薯渣粉颗粒逐步减小，背景中碎屑增多，颗粒的均匀程度逐步提升，这与粒径分布的结果一致。B400、B500和B>500中可看到较小的聚集，这是由于马铃薯渣颗粒较小(粒度)和绝缘性好的特点，在超微粉碎过程中和筛分过程中物料与粉碎内壁相互摩擦导致粉体带电，静电力增加所致[29]。

注：B100～B>500和BY均在15 kV，放大倍数100倍的条件下拍摄；BH在15 kV，放大倍数80倍条件下拍摄。图2 不同粒度马铃薯渣的扫描电镜图

2.4 粒度对马铃薯渣粉功能特性的影响

2.4.1 粒度对马铃薯渣粉葡萄糖吸附能力的影响

如图3所示，其最高吸附量分别出现在B120、B>500、B>500和 B>500处。随着葡糖糖浓度的上升，马铃薯渣粉的葡萄糖吸收量均有大幅提升，表明在50～400 mmol/L的浓度下，马铃薯渣葡萄糖吸附能力与葡萄糖浓度呈正相关。对比BY和BH，可看出在100～400 mmol/L的浓度范围内，超微粉碎对马铃薯渣葡萄糖吸附能力影响显著，这与比表面积的改变密切相关。当葡萄糖浓度为50 mmol/L时，各类型的马铃薯渣粉葡萄糖吸附能力没有显著差异，推测为葡萄糖浓度不足，已被完全吸收。除50 mmol/L组外，随着粒度的减小，马铃薯渣粉的葡萄糖吸附量逐渐增大，原因可能为SDF含量的上升有助于形成黏性水化层包裹葡萄糖分子，也可能为更多活性基团的暴露并结合更多的葡萄糖分子。

图3 不同粒度马铃薯渣粉的葡萄糖吸附能力

2.4.2 粒度对马铃薯渣粉胆固醇吸附能力的影响

如图4所示，BH的胆固醇吸附能力高于BY，表明超微粉碎直接影响马铃薯渣胆固醇的吸附能力。从整体看，pH7组对的各马铃薯渣粉的胆固醇吸附能力显著高于pH2组，可以一定程度模拟人体同时消化道内的环境，表明在肠道中马铃薯渣粉与胆固醇结合的更紧密，有助于减少人体对胆固醇的消化和吸收。在2组中，胆固醇吸附能力随着粒度减小呈现出先升高后降低的趋势，B300和B400分别在pH2和pH7的时候有最高的胆固醇吸附量，后者为前者的2.17倍，其原因是膳食纤维的空间结构能拦截并存储一定量的胆固醇，超微粉碎部分破坏了马铃薯渣膳食纤维的多孔结构，与之相反的是超微粉碎有助于比表面积的增加和活性基团的暴露，有助于增加粉体与胆固醇的接触面积，二者共同作用，在较低的粉碎程度时胆固醇的吸附能力与粒度呈现负相关，在较高的粉碎程度时呈正相关。

图4 不同粒度马铃薯渣粉的胆固醇吸附能力

2.4.3 粒度对马铃薯渣粉胆酸钠吸附能力的影响

如图5所示，对比BH和BY，超微粉碎后对马铃薯渣胆酸钠吸附能力有显著影响。随着粒度降低，马铃薯渣粉的胆酸钠吸附能力呈现上升趋势，在B>500时最大。原因为超微粉碎使马铃薯渣的比表面积增大，极性集团更多暴露，在pH为7时更易与胆酸钠结合，也可能是SDF含量的增加使黏度上升，更多的胆酸钠被束缚。对比pH为7时马铃薯渣粉的胆固醇吸附能力和胆酸钠吸附能力，发现二者峰值出现在不同粒度的样品上，分别是B400和B>500，这不仅与马铃薯渣膳食纤维空间结构的改变及IDF和SDF比例的改变有关，而且与胆固醇与胆酸钠在溶液环境中存在的状态有关，有待进一步研究证实。

图5 不同粒度马铃薯渣粉的胆酸钠吸附能力

2.4.4 粒度对马铃薯渣粉亚硝酸钠吸附能力的影响

亚硝酸盐现已被证实是致癌物亚硝胺的前体物质，易在胃部和小肠发生硝化反应，严重危害人体健康[30]。膳食纤维是亚硝酸盐的良好结合体，可有效减缓硝化反应的发生，达到预防胃癌的目的[31]。如图6所示，粉碎前后的样品BY和BH具有不同的亚硝酸盐吸附能力，后者是前者的1.32倍，差异极显著，可能具有更好的防癌效果。随着粒度的减小，马铃薯渣粉的亚硝酸钠能力逐步提高，在B>500时达到最高，是B100的1.71倍，原因与葡萄糖吸附能力一致。

图6 不同粒度马铃薯渣粉的亚硝酸钠吸附能力

2.4.5 粒度对马铃薯渣粉抗氧化活性的影响

如图7所示，对比BY和BH，DPPH自由基、ABTS自由基和羟基自由基清除能力均显著提高。不同粒度的马铃薯渣超微粉的DPPH自由基、ABTS自由基和羟基自由基清除能力随着粒度的降低呈均现上升趋势，在B>500处达到了最大值。这既由超微粉碎使马铃薯渣SDF含量上升，活性基团暴露程度提高以及增大了自由基接触的概率引起，也由具有抗氧化活性的小分子物质更多溶出导致，这些小分子可能来源于马铃薯渣包含的类黄酮及酚类物质，也可能来自美拉德反应产物[32]。

图7 不同粒度的马铃薯渣粉的DPPH自由基清除能力、ABTS自由基清除能力和羟基自由基清除能力

2.4.6 粒度对马铃薯渣粉阳离子交换能力的分析的影响

高盐饮食会导致人体消化道内Na+增多，是高血压的诱因之一[33]。膳食纤维活性基团(如氨基和羧基)将对以Na+为主要代表的阳离子产生作用，可适度降低其含量，减少吸收，维护内环境稳态。如图8所示，BY和BH的阳离子交换能力分别为0.35、0.47 mL/g，二者有显著性差异，这与超微粉碎增加了极性基团的暴露程度密切相关。随着粒度的降低，马铃薯渣粉的阳离子交换能力显著提高，其中B>500的阳离子交换能力是B100的2.18倍，与葡萄糖吸附能力、胆酸钠吸能力的结果一致。

图8 不同粒度的马铃薯渣粉的阳离子交换能力

3 结论

超微粉碎技术影响马铃薯渣的各基础成分的含量，尤其对SDF含量和IDF含量和空间结构有显著影响，因而引起其功能特性的改变。粒径测定和扫描电镜观察的结果表明标准筛筛分有效改善了马铃薯渣粉的粒径分布，得到了颗粒更均匀、均一性更好的样品。同时，各马铃薯渣粉的比表面积差异显著，更多的活性基团暴露和空间结构的改变提升了与葡萄糖、胆固醇、胆酸钠、亚硝酸钠和阳离子的结合能力以及DPPH自由基、ABTS自由基和羟基自由基的清除能力。除胆固醇吸附能力的最大值出现B300(pH 2)和B400(pH 7)外，其余功能特性的峰值均出现在样品B>500，表明粒度较小的马铃薯渣粉具有更好的功能特性，这不仅与DF含量及结构有关，而且与活性物质的暴露有关。