《食品科学》：河北农业大学孙纪录教授等：超微粉碎和高压均质联合处理对几丁质理化性质及微观结构的影响

几丁质是自然界中仅次于纤维素的第二大丰富的多糖，由β-1,4-糖苷键连接的N-乙酰基氨基葡萄糖组成，广泛分布于真菌的细胞壁、无脊椎动物和甲壳类动物的外骨骼中，其中甲壳类动物是几丁质的主要来源。近年来，虾、蟹等甲壳类动物的加工和消费量迅速增长，产生了大量的虾蟹壳等副产物，为几丁质的生产提供了丰富的原料。几丁质生物活性的不断发掘推动了几丁质产品在食品、农业和医药等领域的应用。目前，几丁质在食品工业中主要被用作膜材料和抗菌剂等。

河北农业大学食品科技学院的刘 洋、肖 宇、孙纪录*等采用超微粉碎和高压均质两种物理方法联合处理几丁质；测定未处理和处理后的几丁质平均粒径、比表面积、孔隙体积、黏均分子质量、体积密度、振实密度和膨胀比率等理化特性；同时，采用傅里叶变换红外（FTIR）光谱法、元素分析、X射线衍射（XRD）、热重-差示扫描量热（TG-DSC）法、扫描电子显微镜（SEM）对其微观结构进行表征；最后，使用木瓜蛋白酶和纤维素酶对几丁质进行降解，探究超微粉碎和高压均质联合处理对几丁质酶解反应是否起到促进作用。

1、UMG和HPH联合处理对几丁质理化性质的影响

几丁质样品的外观变化

如图1所示，RC经过UMG处理后，UMGC粉末明显细化，并且出现了二次团聚现象；再经过HPH处理，所得UMG-HPHC粉末的质地明显蓬松，并且出现了更多的孔隙。

几丁质样品的粒径变化

由表1可知，UMG和HPH处理会显著降低几丁质的粒径（P＜0.05）。与RC相比，经UMG、HPH以及UMG-HPH处理后，D10、D50、D90和平均粒径均显著减小，其中，UMG-HPHC较RC分别减小99.31%、99.72%、99.82%和99.71%。这表明UMG的连续挤压和冲击力作用以及HPH的高速剪切和对流碰撞作用使几丁质颗粒得到细化，并且两种方法联合处理后粉末细化程度更高。

几丁质样品的比表面积和孔隙体积变化

由表2可知，UMGC、HPHC和UMG-HPHC的比表面积分别较RC增加-37.88%、209.23%和85.11%，孔隙体积分别增大-38.71%、177.42%和29.03%。在球磨仪中进行UMG处理之初，几丁质粒度细化，改变了几丁质的表面结构，使几丁质的表面结构变得更致密；随着UMG处理的进行，几丁质的细小颗粒又发生了二次团聚，最终导致比表面积减小。

几丁质样品的黏均分子质量变化

由表3可知，经UMG、HPH以及UMG-HPH处理后，样品的特性黏度和mv均发生了不同程度的降低。与RC相比，UMGC、HPHC和UMG-HPHC的mv分别降低了75.32%、80.05%和85.80%。由此可以看出，UMG和HPH处理都能使几丁质的mv降低，两种方法联合可以得到更低mv的几丁质。

几丁质样品的体积密度、振实密度及膨胀比变化

由表1、4可知，RC经过UMG处理后平均粒径大幅度降低，导致膨胀比下降。HPHC和UMG-HPHC分别是由RC和UMGC经HPH处理得到的，经振实密度计算的膨胀比较处理前分别增大3.98 倍和1.02 倍，说明HPH能够使几丁质的质地更加蓬松，表明几丁质的孔隙体积变大，这与比表面积及孔隙体积分析结果相印证。

2、UMG和HPH联合处理对几丁质微观结构的影响

FTIR分析结果

由图2可知，UMGC、HPHC和UMG-HPHC的峰位置和形状基本与RC一致，说明UMG和HPH处理对几丁质的化学结构没有明显影响。在3 448 cm-1附近的吸收峰由O—H伸缩振动引起，3 263 cm-1附近的吸收峰由N—H伸缩振动引起，这两个吸收峰受氢键的影响较大。UMGC、HPHC和UMG-HPHC与RC相比，在3 448 cm-1和3 263 cm-1附近吸收峰强度提高，表明UMG和HPH处理破坏了几丁质之间氢键网络，使更多的羟基基团暴露。

脱乙酰度测定结果

由表5可知，通过UMG处理，RC的DD从7.84%下降到6.14%，再继续HPH处理，DD下降到5.84%。而通过HPH单一处理，RC的DD从7.84%下降到3.24%。这些结果表明，UMG和HPH均不能增大几丁质的DD。完全乙酰化几丁质的理论N相对含量为6.9%，本研究中不同几丁质样品的N相对含量在6.08%～6.48%之间，与之对应，UMGC、HPHC和UMG-HPHC的DD均有所降低，尤其是HPH单一处理的样品DD降幅最大。

XRD分析结果

由图3可见，2θ在19.2°附近为几丁质的主衍射峰，同时在9.4°、23.4°和26.3°附近有较小的衍射弱峰，呈现出典型的几丁质晶体结构。与RC相比，UMGC、HPHC和UMG-HPHC的衍射峰位置没有明显变化，说明几丁质的晶型没有发生改变。但是，衍射峰强度均有所降低，说明在处理过程中几丁质结晶结构被破坏。结晶度与分子内和分子间氢键有着紧密关系，结晶度降低表明几丁质的氢键网络被破坏，这与FTIR光谱分析结果一致。

4TG-DSC综合分析结果

由图4A可见，几丁质的热分解过程主要分为3 个阶段。第一个热分解阶段发生在40～140 ℃，该阶段的质量损失是由几丁质分子内部的自由水和结合水逐渐蒸发引起，HPHC和UMG-HPHC蒸发速率明显高于RC，是由于结晶结构阴碍水的进出，低结晶度几丁质的蒸发速率更快，蒸发温度相对降低。

第二个质量损失阶段发生在200～450 ℃，这是样品质量损失率最高的阶段，主要原因是几丁质的分解。由于经过UMG处理的几丁质粒径减小，经过HPH处理的几丁质比表面积增加，孔隙体积扩大，所以UMGC、HPHC和UMG-HPHC受热面积增大，受热更加均匀，使其分解速率加快。450 ℃之后，几丁质分解进入平缓的第三个阶段，此阶段主要是热解残余物缓慢分解产生碳和灰分。

由图4B可见，由于几丁质的自由水和结合水的蒸发，所有样品均在150 ℃之前有较宽的吸热峰。4 个样品的峰值不同，可能与结晶度有关。UMG-HPHC的峰值出现在94.14 ℃，较其他样品峰值延迟，是因为结晶度的降低使几丁质的吸水能力增强。

扫描电子显微镜观察结果

由图5可见，未经过处理的RC表面光滑、结构有序、孔洞分布均匀（图5A1、A2）；经UMG处理后的UMGC结构被破坏，表面呈现堆叠现象，孔洞消失（图5B1、B2），并且可以观察到几丁质团聚形成聚集体，当几丁质颗粒足够小时，其粗糙度和颗粒表面的凹凸度等发生改变，都可能引起几丁质发生聚集，这也是比表面积减小的原因；经HPH处理后的HPHC结构遭到严重破坏，形成杂乱的网状多孔结构，并且能够清晰地看到疏松多孔的蓬松结构（图5C1、C2）；UMG-HPHC的微观结构（图5D1、D2）和HPHC相似，具有疏松多孔的蓬松结构。以上结果表明，UMG和HPH处理对几丁质的结构有明显影响。

3、UMG和HPH联合处理对几丁质的酶解效率的影响

如图6所示，木瓜蛋白酶和纤维素酶降解4 种样品的还原糖产量均为UMG-HPHC＞HPHC＞UMGC＞RC。在木瓜蛋白酶和纤维素酶对几丁质的降解中，UMG-HPHC的还原糖产量比RC分别提高了6.05 mg/mL和0.87 mg/mL，表明UMG和HPH处理对木瓜蛋白酶和纤维素酶降解几丁质有积极作用，并且UMG和HPH联合处理效果最佳，体现出一定的协同增效作用。经过联合处理的改性几丁质mv降低、结晶度减小、比表面积增大，形成网状多孔结构。这些理化性质和微观结构的变化均有助于改善几丁质的溶解度，并可能增加酶与底物的结合位点，从而提高酶对几丁质的降解效果。

结论

综上，UMG和HPH联合处理有效改善了几丁质的理化和结构特性，作为一种操作简单且对环境友好的处理方式，可作为促进几丁质酶促降解的一条有效途径，同时提高几丁质的应用潜力。

本文《超微粉碎和高压均质联合处理对几丁质理化性质及微观结构的影响》来源于《食品科学》2022年43卷19期102-109页，作者：刘洋，肖宇，马爱进，桑亚新，孙纪录。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20210802-024。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

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Food Science of Animal Products（ISSN: 2958-4124, e-ISSN : 2958-3780）是一本国际同行评议、开放获取的期刊，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心主办，中国食品杂志社《食品科学》编辑团队运营，属于食品科学与技术学科，旨在报道动物源食品领域最新研究成果，涉及肉、水产、乳、蛋、动物内脏、食用昆虫等原料，研究内容包括食物原料品质、加工特性，营养成分、活性物质与人类健康的关系，产品风味及感官特性，加工或烹饪中有害物质的控制，产品保鲜、贮藏与包装，微生物及发酵，非法药物残留及食品安全检测，真实性鉴别，细胞培育肉，法规标准等。

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