多尺度研磨下蓝莓果渣（BP）粉微结构变化对酚类释放能力、挥发性有机化合物（VOCs）谱与颜色的影响：组织—细胞尺度间研磨的优化作用

《Foods》：Effects of Microstructural Changes on the Phenolic Release Capacity, Volatile Profile and Color Property of Blueberry Pomace Powders at Multi-Grinding Scales

　　

蓝莓果渣（BP）粉富含生物活性化合物并具有果香，使其成为有前景的食品配料。微粉化（micronization）可改善其微结构、酚类释放、香气和颜色。本研究应用粗研磨和超细研磨制备了三种尺度的五种不同粒径BP粉：植物尺度（>500 μm）、组织尺度（100–500 μm）和细胞尺度（10–100 μm）。结果和相关性分析表明，在组织尺度与细胞尺度之间的中间研磨条件下，颗粒孔隙率增加和粒径减小的微结构变化增强了酚类释放能力。然而，细胞尺度颗粒中的酚类含量下降，归因于研磨导致的热降解。此外，共鉴定出45种挥发性有机化合物（VOCs）。值得注意的是，细胞研磨尺度通过增加孔体积（PV）、比表面积（SSA）以及减小粒径，富集了果香和烘焙香气。另外，与对照相比，研磨增强了粉末亮度和红度。总之，综合考虑微结构、功能成分、香气和颜色，研磨20 min、粒径大多在10–100 μm之间且少量在100–200 μm之间，是蓝莓果渣的优选方法。

蓝莓加工产业快速发展，蓝莓果渣（blueberry pomace, BP）作为果汁和葡萄酒加工的主要固体副产物大量产生。BP占鲜蓝莓重量的20–30%，保留大量生物活性成分、香气和滋味，但当前主要用于堆肥、饲料或农业废弃物处理，资源浪费严重。BP经干燥和粉碎可制成富含花青素、膳食纤维和浓郁香气的全食品粉。然而，常规热风干燥和普通粉碎所得食品粉口感粗糙、冲泡能力弱、滋味和香气平淡，产品质量和消费者接受度低。粉体生产涉及预处理、干燥和研磨条件；现有BP粉研究多关注干燥预处理、抗氧化成分、膳食纤维及溶胀、持水等性质。越来越多研究表明，粒径和颗粒微结构（如表面面积、孔隙率、纤维素结晶度等）与不同研磨尺度相关，即植物尺度（>500 μm）、组织尺度（100–500 μm）和细胞尺度（10–100 μm），并可影响食品粉性质。近期研究还显示，抹茶粉、红花粉等香气谱也会受研磨尺度影响；颜色感知亦是消费者接受的关键因素。尽管球磨广泛用于制备多尺度食品粉，但其对BP粉微结构、酚类释放能力和香气谱的具体影响尚未被探索。因此，研究人员旨在研究多尺度研磨对BP粉颗粒微结构及其酚类释放和香气谱的影响，并建立微结构参数、酚类释放含量与VOCs变化之间的相关性，为增值BP粉的定向加工提供见解。

研究人员采用粗研磨和超细球磨制备了植物尺度、组织尺度和细胞尺度共五种粒径的BP粉，系统分析微结构、酚类释放能力、挥发性成分和颜色，并进行相关分析。结论表明，酚类释放并非在最小细胞尺度最高，SBP20对多酚和黄酮均持续获得最高提取值；20 min球磨为优选条件，所得BP粉大多数颗粒为10–100 μm，少量为100–200 μm，可平衡酚类释放、香气、颜色和能效。该研究为蓝莓果渣微粉化提供了理论依据，并提示未来需在中试规模验证结果、评价感官特性和贮藏稳定性，并将策略扩展至其他果蔬渣。

关键技术方法概述：样本为2025年购自中国天津市场的10 kg新鲜蓝莓果实（Vaccinium corymbosum, cv. Bluecrop）。研究人员经榨汁收集湿BP，40 °C热风干燥2天至水分约7%，分取40 g进行粗研磨（RT-34，1.00 mm筛，CBP）和球磨（UBE-F2L，锆珠，450 rpm，5、10、20、30 min，SBP5–SBP30）。采用激光粒度仪测粒径分布，氮吸附/脱附结合BJH和BET法测孔径、SSA和PV；水浸提1–30 min测多酚和黄酮释放；HS-GC-IMS（MXT-5柱）测VOCs；色差仪测L*、a*、b*和ΔE*；SPSS进行ANOVA和Duncan检验，SIMCA建立PCA、OPLS-DA和VIP模型，Origin进行Spearman相关分析。

研究结果：

3.1 微结构变化
3.1.1 粒径分布：通过激光粒度分析发现，随球磨时间延长，BP粉粒径分布曲线逐渐左移，粒径减小。CBP和SBP5中D₉₀>500 μm、D₅₀为100–300 μm，主要为植物和组织尺度。SBP10的D₅₀降至32.23 μm（细胞尺度），但D₉₀仍>500 μm（植物尺度），样品异质性显著，源于较软、较脆组分优先粉碎，而木质和纤维组分因机械韧性较强仍较完整。SBP20粒径范围为7.93–166.33 μm（D₁₀–D₉₀），D₅₀为23.20 μm，对应组织和细胞尺度。SBP30粒径降至7.47–88.30 μm（D₁₀–D₉₀），D₅₀为21.60 μm，全部属于细胞尺度。随球磨由20 min延长至30 min，细胞结构逐渐破裂。Span值变化显示，CBP因大颗粒占主导而最低；10 min内球磨使粒径两极化和分布变宽，随后微米颗粒比例增加使均匀性增强。结果证明球磨可有效将BP粒径降至微米尺度并形成更集中分布。

3.1.2 比表面积（SSA）、平均孔径（APS）和孔体积（PV）：氮吸附/脱附结果显示，不同研磨尺度BP粉的SSA、PV和APS发生显著变化。随球磨进行，SSA增加，尤其SBP20至SBP30显著增加；球磨20–30 min时，BP组织和细胞结构破裂，粒径减小并暴露内部孔，使SSA增大。PV从CBP至SBP30显著增加，与BP组织和细胞壁结构破坏及内部颗粒孔爆裂有关。孔径分布曲线几乎相同，所有样品均呈现微孔结构，介孔直径2–10 nm贡献高。球磨因内部孔暴露而增加PV，30 min时最大；APS在10 min内增加，随后逐渐降低。

3.2 酚类释放能力：水浸提动态释放结果显示，多酚和黄酮提取量随球磨时间至20 min增加。SBP30所有颗粒处于细胞尺度时，提取酚类成分下降，可能由细胞区室破坏导致酶催化氧化、表面积增加提高氧可及性以及球磨过程热降解引起。SBP20和SBP30快速且增强的释放能力表明，组织和细胞尺度球磨可通过细胞破坏改变微结构，使酚类以易提取的可溶性结合形式存在，并削弱细胞壁屏障。CBP、SBP5和SBP10细胞壁结构较完整，酚类分布于细胞壁基质且部分为结合形式，释放有限。SBP20对多酚和黄酮均持续最高。多酚方面，SBP20与SBP30在20 min无显著差异，SBP10与SBP30在30 min无显著差异，说明超过20 min球磨对酚类释放无显著增益；黄酮方面，各样品各浸提时间均显著不同，表明黄酮释放对研磨尺度持续敏感。综合考虑能耗和提取效率，研磨至组织与细胞尺度之间粒径为BP最有利加工方式。

3.3 基于GC-IMS的挥发性有机化合物（VOCs）分析
3.3.1 BP中VOCs的鉴定：HS-GC-IMS共检测到45种VOCs，包括12种醇、8种醛、6种酯、5种吡嗪、4种酮、4种酸、3种酚类、2种呋喃和1种萜。指纹分析显示，随研磨时间延长，部分VOC水平逐渐下降，如3-sec-butyl-2-methoxypyrazine、α-terpineol、decanal、1-menthol、diethyl butanedioate和2-methylisoborneol；部分持续增加，如sesamol、ethyl heptanoate、2-hexanol、isopentyl acetate、4-methylphenol、2-ethylpyrazine、furaneol、2,3-diethyl-5-methylpyrazine和pentanoic acid。微结构变化使挥发性代谢物更易释放，导致GC-IMS检测到的VOCs种类和含量增加。20 min后继续粉碎时，平均粒径无显著变化，但VOCs含量明显改变，可能由美拉德反应、脂质氧化和球磨积累热导致的热分解引起；表明BP粉香气形成是动态过程。前期研究显示≥60 °C干燥可增强独特花果香，与本研究中随研磨时间增加（≥20 min）积累热有助于富集香气一致。

3.3.2 多元统计分析：PCA得分图显示PC1和PC2分别解释44.9%和17.9%的总方差，累计贡献62.8%。长时间球磨样品分布模式不同，可能与组织完整性和细胞结构逐渐破坏有关；球磨至10 min的BP粉分布相对相似，可能与早期细胞结构破坏有限有关。20 min后样品间距离显著，表明组织完整性破坏和细胞结构坍塌导致VOCs显著差异。OPLS-DA模型R²X=0.960、R²Y=0.947、Q²=0.727，预测能力优良；置换检验Q²回归线截距为?1.2，低于零，模拟可靠稳定。VIP>1的20类VOCs可作为潜在判别标志物，包括5种醇（phenylethyl alcohol、citronellol、1-octanol、2-octanol、3-octanol）、3种醛（heptanal、2-phenylacetaldehyde、decanal）、3种吡嗪（2,5-dimethylpyrazine、2-ethylpyrazine、2,3-diethyl-5-methylpyrazine）、3种酮（2-hexanone、1-Octen-3-one、furaneol）、2种酯（diethyl butanedioate、isopentyl acetate）、2种酸（pentanoic acid、hexanoic acid）和2种呋喃（2-acetylfuran、2-pentylfuran）。这些化合物在不同研磨尺度BP粉区分中起重要作用。

3.4 颜色特性：色差仪结果显示，研磨时间显著影响L*、a*和b*。L*由CBP的45.85±0.90增至SBP5的52.30±1.11和SBP10的53.28±0.62，随后降至SBP20的49.07±0.39和SBP30的48.42±0.79；a*呈相似趋势。b*在SBP5至SBP20中相对稳定于1.66–1.71，但SBP30降至1.38±0.08，与CBP无显著差异。以CBP为对照，SBP5、SBP10、SBP20和SBP30的ΔE分别9.41、11.11、7.35和7.13，均超过视觉阈值（ΔE>3），表明可感知颜色变化。SBP10的ΔE最大，与最高L*和a*一致，b*变化较小，说明总色差主要由亮度和红度增加驱动。中度研磨（5–10 min）减小粒径、增加SSA、改变光反射和散射，从而增强亮度；同时破坏细胞壁，促进内部花青素等色素释放和表面暴露，增强红度。过度研磨（20–30 min）可能产生局部热，导致热敏花青素部分降解、美拉德反应和颗粒聚集，使L*、a*和ΔE下降。总体，研磨时间对BP颜色呈非单调效应，10 min为改善粉末亮度和红度并最大化总色差的最佳研磨时间。

3.5 相关性分析：Spearman相关分析显示，MPS与SSA和PV显著负相关，PS与APS正相关，反映球磨过程中BP颗粒结构逐步演变。早期研磨主要减小粒径和分离组织，继续研磨则破坏细胞壁和胞内结构，暴露内部孔并增加SSA和PV。多酚和黄酮释放与PV正相关，与MPS负相关，表明酚类释放受两种互补效应控制：粒径减小缩短扩散路径并增加外部接触面积；细胞壁破裂和内部孔暴露增加可及内部表面和孔体积，使胞内和结合酚类更易提取。SBP20处于组织和细胞之间，持续显示最高多酚和黄酮提取。SBP30虽具有更小MPS和更高SSA/PV，但酚类释放未进一步增加甚至下降，说明超过20 min过度研磨引入热降解、酶催化氧化和氧可及性增加，抵消进一步结构破坏的益处。VOCs方面，DVOCs与SSA和PV显著负相关、与MPS正相关，说明随研磨进行逐渐损失；IVOCs与MPS显著负相关、与SSA和PV正相关，说明随研磨增加。同时损失和形成表明BP粉香气是研磨的动态结果，而非简单保留过程。相关分析表明，仅靠粒径减小不足以解释BP粉品质，内部孔暴露、SSA和PV增加及细胞壁破坏程度同样重要。

讨论部分总结：该研究讨论指出，球磨多尺度研磨可逐步破坏BP组织和细胞结构，改变粒径、SSA、PV和APS。酚类释放并不在最小细胞尺度最大化，中间研磨尺度最利于平衡细胞壁破坏、孔暴露与降解。VOCs变化表明香气形成是动态过程，既有挥发、氧化和热降解导致的损失，也有美拉德反应、脂质氧化和热分解导致的新挥发物形成。颜色变化呈非单调，过度研磨导致花青素降解、美拉德反应和颗粒聚集。相关性分析进一步说明，粒径减小不足以单独解释品质，内部孔暴露、SSA/PV和细胞壁破坏同等重要。

结论翻译：本研究阐明了多尺度球磨如何调控蓝莓果渣（BP）粉的微结构、酚类释放、挥发性成分谱和颜色，并确定了最佳研磨终点。粒径随研磨时间逐渐减小。研磨使SSA从0.26增至0.47 m²/g，PV从4.37×10^?4增至6.87×10^?4 cm³/g，APS先升高后降低，表明细胞逐步破坏和孔暴露。酚类释放并未在最小细胞尺度最大化。SBP20对多酚和黄酮均持续获得最高提取值；延长研磨至30 min未显著改善多酚释放，甚至降低提取的酚类成分，可能由于热降解和氧化。相关分析支持该结论：MPS与SSA和PV负相关，酚类释放与PV正相关、与MPS负相关。因此，组织水平和细胞水平之间的中间研磨尺度在细胞壁破坏、孔暴露和降解之间提供最佳平衡。GC-IMS鉴定出45种VOCs，20类VIP>1可用于区分研磨尺度。细胞尺度研磨通过增加PV/SSA和降低粒径富集果香和烘焙香气。颜色变化非单调，10 min时ΔE最大，而20 min仍超过视觉阈值。总体而言，在本研究条件下，20 min球磨最佳，产生大多数颗粒10–100 μm、少量100–200 μm的BP粉，平衡酚类释放、香气、颜色和能效。这些发现为蓝莓果渣微粉化提供理论依据。未来工作应在中试规模验证这些结果，评价感官特性和贮藏稳定性，并将该策略扩展到其他果蔬渣。