粉碎對(duì)谷物主要成分及面團(tuán)品質(zhì)的影響

段嬌嬌，覃小麗，金劍波，葉正榮，易川虎，劉雄,*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715) 2(昌都市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，西藏 昌都，854000) 3(昌都君親農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司，西藏 昌都，854000)

谷物食品是全球飲食的主要來源，為人類提供膳食纖維、碳水化合物、維生素、蛋白質(zhì)和多種礦物質(zhì)[1]。淀粉是大多數(shù)谷物的主要成分，通常占谷物重量的50%以上。膳食纖維也是谷物重要組成成分，近年來功能性產(chǎn)品越來越受到消費(fèi)者青睞，特別是全谷物食品[2]。從谷物麩皮中提取的膳食纖維對(duì)人體具有很多益處，如促進(jìn)益生菌生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)血糖、降低冠心病風(fēng)險(xiǎn)等[3-4]。谷物制粉即將谷物的種子或根莖破碎成粉末，以便于面制品的進(jìn)一步制作與加工[5]，是谷物最傳統(tǒng)而廣泛的加工形式，粉碎對(duì)谷物的作用主要為碰撞和剪切[6],此過程中谷物粒度減小[7]，糊粉層與胚乳脫離。由于淀粉顆粒的暴露和外界機(jī)械力作用的加強(qiáng)，破損淀粉含量增加，淀粉的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)[8]，如糊化特性、膨脹性、溶解性以及結(jié)晶度發(fā)生變化，在很大程度上影響面粉功能性和面制品的質(zhì)量[9-10]。隨著谷物粉碎，麩皮的物理性質(zhì)也發(fā)生一定的變化，顯著影響面筋蛋白的形成，影響面團(tuán)品質(zhì)[11]。顆粒粒徑分布是影響谷物應(yīng)用最重要的因素。本文從淀粉分子、晶體、顆粒3個(gè)水平綜述了粉碎對(duì)谷物淀粉結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的改變及對(duì)面團(tuán)糊化特性、熱力學(xué)特性的影響；從膳食纖維的粒徑大小、吸水性及其與淀粉、蛋白互作3個(gè)角度來綜述粉碎對(duì)谷物膳食纖維性質(zhì)的改變及對(duì)面團(tuán)流變學(xué)性質(zhì)、面制品品質(zhì)的影響，以期為谷物粉碎領(lǐng)域的深入發(fā)展及生產(chǎn)中的進(jìn)一步應(yīng)用提供借鑒。

1 粉碎對(duì)谷物淀粉性質(zhì)的影響

已有大量研究證實(shí)了粉碎對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)及功能特性的影響[12-13]。淀粉在谷物顆粒中，不僅與其他成分以鑲嵌結(jié)合的方式存在于谷物胚乳中[14]，其自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是極其復(fù)雜的。比較普遍且被眾多學(xué)者所接受的說法是淀粉結(jié)構(gòu)分為6個(gè)層次[12,14-15]，如圖1所示。

圖1 淀粉結(jié)構(gòu)的六水平示意圖[11, 14]Fig.1 Six levels of starch structure

TRAN等[12]研究表明,在同等破碎強(qiáng)度下，不同的粉碎機(jī)所得到的大米淀粉分子降解程度不同；也有研究表明在相同的低溫研磨過程中，不同植物來源的分離淀粉在樣品顆粒的破壞、雙螺旋體和結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞、淀粉分子的降解等方面沒有表現(xiàn)出線性關(guān)系[13]。這些研究都說明了粉碎對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)影響的程度大小不僅與淀粉的植物來源有關(guān)，也與粉碎工藝有關(guān)，故可通過改變粉碎條件(如溫度和機(jī)械力)，從而實(shí)現(xiàn)在各個(gè)結(jié)構(gòu)水平上獨(dú)立控制。

1.1 對(duì)淀粉分子結(jié)構(gòu)及酶解性、溶解性的影響

淀粉分子主要包括支鏈淀粉和直鏈淀粉2種分子。研究表明，支鏈分子比直鏈分子更易降解。TRAN等[12]和DHITA等[13]觀察到，水稻籽粒的淀粉顆粒在經(jīng)過錘式粉碎和低溫研磨后，支鏈分子降解為更小的相當(dāng)于直鏈分子的尺寸。同樣，也有研究發(fā)現(xiàn)燕麥籽粒在粉碎后支鏈分子量從8.37×108降低至4.32×108[16]。究其原因，一方面可能由于降解多發(fā)生于支鏈分子的分支處和α-(1,6) 糖苷鍵處；另一方面，支鏈分子比直鏈分子的分子量大，更易受到外界剪切作用，且由于非晶片區(qū)的無定型結(jié)構(gòu)比位于晶體區(qū)的雙螺旋結(jié)構(gòu)更靈活多變，故直鏈分子對(duì)剪切的敏感性更低。

淀粉分子的降解作用也會(huì)導(dǎo)致淀粉酶解性和溶解性的改變。DEVI等[17]研究發(fā)現(xiàn)，超微粉碎可能使淀粉的雙螺旋構(gòu)造發(fā)生解聚，從而促進(jìn)淀粉的支鏈分子裂解，淀粉溶解性增加。也有研究發(fā)現(xiàn)隨著粉碎時(shí)間增長(zhǎng)，玉米淀粉的酶解效率明顯增加[18]。由于存在于支鏈分子雙螺旋結(jié)構(gòu)中的α- (1,4) 糖苷鍵比僅集中于無定形區(qū)的α- (1,6) 糖苷鍵對(duì)剪切作用更敏感[13, 19]，隨著粉碎強(qiáng)度增加，支鏈分子不斷裂解和浸出，導(dǎo)致支直鏈淀粉的比例發(fā)生改變，增強(qiáng)了α-淀粉酶對(duì)無定形淀粉的敏感性，加速淀粉分子的降解，從而使淀粉溶解性增加，酶解性也大大提高。

1.2 對(duì)淀粉晶體結(jié)構(gòu)及熱力學(xué)性質(zhì)的影響

淀粉的晶體結(jié)構(gòu)分為晶體區(qū)和非晶片區(qū)，由支鏈分子的分支呈雙螺旋旋轉(zhuǎn)而成，結(jié)晶程度用結(jié)晶度來表示。粉碎會(huì)破壞淀粉的分子結(jié)構(gòu)，使螺旋結(jié)構(gòu)和支鏈分子裂解，此過程必然導(dǎo)致淀粉晶體構(gòu)造的破壞[20]，甚至改變淀粉的結(jié)晶度和晶體類型。謝濤等[21]研究發(fā)現(xiàn)X-衍射圖譜的特征衍射峰隨著超微粉碎時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減弱，淀粉的結(jié)晶度逐漸降低，非結(jié)晶區(qū)增多。這說明超微粉碎產(chǎn)生的機(jī)械力效應(yīng)破壞了淀粉的結(jié)晶區(qū)，淀粉結(jié)晶度降低，使其轉(zhuǎn)變成無定形的非晶體構(gòu)造。胡飛等[22]在研究馬鈴薯淀粉粉碎時(shí)間與其熱特性(如相變吸熱峰等)變化時(shí)，也得到了相似的結(jié)論。相變吸熱峰是粉碎過程中的機(jī)械作用使淀粉從多晶態(tài)變?yōu)榉蔷B(tài)的相變所引起的，隨著粉碎過程中淀粉晶格畸變現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，淀粉的晶格扭變和無定形程度越高，最終導(dǎo)致淀粉晶體完全無定形化，相變吸熱峰消失。而水分相變吸熱峰是水分揮發(fā)的結(jié)果，它的增強(qiáng)是由于粉碎使淀粉內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，部分長(zhǎng)鏈斷裂，導(dǎo)致大量水分子滲入淀粉內(nèi)部并與之結(jié)合[22]。

1.3 對(duì)淀粉顆粒結(jié)構(gòu)及面團(tuán)消化率、流變學(xué)、熱力學(xué)特性的影響

粉碎對(duì)淀粉顆粒的影響主要表現(xiàn)為淀粉顆粒粒徑分布的改變和破損淀粉含量的增加[23]，進(jìn)而影響面粉的物理化學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用特性[24]。BARRERA等[25]的研究表明，相比于質(zhì)地柔軟的品種，硬質(zhì)谷物顆粒對(duì)碾磨的耐受性更高，得到的破損淀粉含量也更高。顆粒大小是生化反應(yīng)中的一個(gè)重要的因素，顆粒尺寸的減小會(huì)導(dǎo)致單位表面積的增大，進(jìn)而影響面粉的理化性質(zhì)[26]。傅茂潤等[27]研究糯米淀粉在超微粉碎過程中的理化性質(zhì)變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，淀粉粒徑逐漸減小，其溶解性和酶解率也呈明顯增大趨勢(shì)。這可能由于粉碎處理得到了更多的淀粉碎片[28]，淀粉結(jié)構(gòu)變得松散，表面粗糙不平，導(dǎo)致?lián)p傷淀粉更易吸水膨脹，對(duì)酶的敏感性提高，保水能力下降，對(duì)面團(tuán)的流變特性有潛在的負(fù)面影響[29]。也有報(bào)道稱酶解作用同時(shí)又反過來促進(jìn)淀粉的崩解，進(jìn)而可能改變面團(tuán)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)，使面團(tuán)的形成時(shí)間和穩(wěn)定性降低[30]。當(dāng)破損淀粉含量繼續(xù)增加，面團(tuán)的延展性降低，黏結(jié)力增高，內(nèi)聚力降低，對(duì)面團(tuán)流變學(xué)特性產(chǎn)生不利影響。除此之外，淀粉的消化率也會(huì)受到破損淀粉含量的影響。ABEBE等[31]發(fā)現(xiàn)，用磨盤粉碎淀粉會(huì)使葡萄糖含量和消化指數(shù)變高，這可能由于磨盤粉碎使得淀粉粒徑變小，破損淀粉含量變高，增加了淀粉對(duì)酶的敏感性，加快了淀粉消化速率，這與LI等[14]的研究結(jié)果一致。

糊化是指淀粉顆粒凝膠化之后溶解于水中的現(xiàn)象，它包含了顆粒的吸水膨脹、分子的浸出直至整個(gè)顆粒的崩解[23]。ASHIDA等[32]研究表明，不同品種和粉碎方式所導(dǎo)致的破損淀粉含量和淀粉粒徑大小的差異也會(huì)引起快速粘度分析儀圖譜的不同，說明淀粉粒度分布和損傷淀粉含量會(huì)影響面粉的糊化和熱力學(xué)特性，進(jìn)而對(duì)面條等終產(chǎn)品的品質(zhì)產(chǎn)生影響。中間產(chǎn)物的熱力學(xué)性質(zhì)能很好地預(yù)測(cè)食品終產(chǎn)物的蒸煮烹飪過程，可用來調(diào)控中間產(chǎn)品的功能性質(zhì)[34]。糊化特性可用快速粘度分析儀來測(cè)定，可作為衡量面粉的蒸煮食用品質(zhì)的重要指標(biāo)[33](表1)。

2 粉碎對(duì)谷物膳食纖維性質(zhì)的影響

近年來，膳食纖維逐漸成為新的研究熱點(diǎn)。大量研究表明,膳食纖維對(duì)維持人體健康起著重要的作用[35]。鑒于其良好的生理功能，繼蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、維生素、礦物質(zhì)和水六大營養(yǎng)素之后，它被人們譽(yù)為“第七大營養(yǎng)素”[36]。粉碎后的膳食纖維粒徑大小和吸水性發(fā)生改變[37]，且與淀粉、蛋白會(huì)發(fā)生交互作用(如圖2所示)。不同于精制粉，全麥粉在粉碎過程中往往會(huì)帶入大量麩皮，當(dāng)粉碎到一定粒度，麩皮粒徑變小，均勻地混雜在面粉中。面團(tuán)在形成過程中由于麩皮的存在會(huì)增大吸水率，且麩皮與淀粉、蛋白發(fā)生交互作用，會(huì)影響面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)面團(tuán)流變學(xué)性質(zhì)及面制品品質(zhì)產(chǎn)生影響[38]。

A-精制粉；B、C、D、E-全粉，粒徑分別為125、96、72、43 μm;SSG-小淀粉顆粒；LSG-大淀粉顆粒；DSG-破損淀粉；WB-麩皮；PM-蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖2 粉碎對(duì)全粉面條的微觀結(jié)構(gòu)作用示意圖[38]Fig.2 Effect of superfine grinding on the microstructure of whole-wheat noodles

2.1 對(duì)膳食纖維吸水率及面團(tuán)糊化、老化、消化的影響

研究發(fā)現(xiàn)粉碎后的膳食纖維對(duì)面團(tuán)的吸水性、淀粉的降解和老化及面制品的消化特性具有一定的積極作用[39]。GUJRAL等[40]通過混合實(shí)驗(yàn)儀發(fā)現(xiàn)用粉碎后的大麥麩皮代替小麥麩皮形成的面團(tuán)使吸水率增加至71.5%，使淀粉降解減少了26.44%，且此面團(tuán)制成的面制品具有更低的消化率和更高的抗消化淀粉含量。這是由于大麥麩皮中的β-葡聚糖使面團(tuán)產(chǎn)生更大的黏度，使淀粉更難水解，對(duì)淀粉酶的敏感性也降低，使得淀粉不易降解和消化。這與COLLAR等[41]的研究結(jié)論一致，用40%大麥粉(富含粉碎的膳食纖維)替代小麥粉制成的面包含有更少的快速消化淀粉和更低的淀粉消化率。此外，粉碎后的膳食纖維提取物被證實(shí)在加入小麥粉后會(huì)引起淀粉凝膠化和回生值的顯著變化[42-43]。WANG等[44]在小麥面團(tuán)中添加5 g/100g比例的燕麥β-葡聚糖(燕麥膳食纖維中的一種成分)，試驗(yàn)組顯示更高的糊化溫度，更低的峰值黏度、回生值和衰減值，該結(jié)果表明燕麥β-葡聚糖能在一定程度上使淀粉顆粒穩(wěn)定，使淀粉糊化過程更難進(jìn)行，抑制了淀粉凝膠的形成和老化回生現(xiàn)象的發(fā)生。膳食纖維對(duì)淀粉的上述影響歸結(jié)為以下3點(diǎn)原因：(1)粉碎使得膳食纖維粒徑減小，表面積變大，具有更強(qiáng)的水吸附能力，與淀粉形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，導(dǎo)致淀粉水吸收率減小，因此需要更高的糊化溫度來克服糊化過程水的缺失；(2)粉碎后，谷物顆粒組織遭到破壞，膳食纖維環(huán)繞在淀粉周圍，從而阻礙了淀粉顆粒和水的結(jié)合；(3)粉碎后的膳食纖維夾雜在淀粉之間，對(duì)面團(tuán)中淀粉的稀釋作用導(dǎo)致了峰值黏度、衰減值和回生值的減小。但若膳食纖維粒徑過小，分布更廣，對(duì)糊化后的淀粉分子重排的阻礙作用會(huì)降低，使得淀粉糊在低溫條件下穩(wěn)定性變差，更易老化。

2.2 對(duì)膳食纖維與淀粉、蛋白交互作用及面團(tuán)流變學(xué)特性的影響

鑒于膳食纖維對(duì)人體積極的生理作用，很多學(xué)者嘗試將富含膳食纖維的副產(chǎn)品添加至面制品等食品中，制成功能性食品。但有研究表明這些物質(zhì)的加入會(huì)對(duì)面團(tuán)的流變學(xué)特性產(chǎn)生負(fù)面影響，隨著添加量的增加，面制品的食用品質(zhì)也會(huì)下降[40]。IZYDORCZYK[45]的報(bào)道稱從粉質(zhì)曲線可看出，當(dāng)面粉中添加20%富含大麥纖維的成分可顯著提高面團(tuán)的吸水性，削弱面團(tuán)筋力，對(duì)面團(tuán)延展性產(chǎn)生不利影響。添加麩皮對(duì)面團(tuán)及面制品的影響，一方面在于粉碎后的膳食纖維由于粒徑的減小和表面積的增大導(dǎo)致面團(tuán)吸水性增強(qiáng)；另一方面可能與麩皮和淀粉及面筋蛋白的交互作用有關(guān)。面筋蛋白和小麥淀粉分別作為骨架和填料[46]，在面團(tuán)中會(huì)形成面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)面團(tuán)流變學(xué)特性及終產(chǎn)品品質(zhì)起著關(guān)鍵作用。而粉碎后的麩皮會(huì)打破蛋白和淀粉的最佳比例，且可能包裹一部分淀粉和蛋白，從而阻止蛋白分子的互相交聯(lián)和蛋白網(wǎng)絡(luò)對(duì)淀粉的包裹作用，阻礙面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，不利于面團(tuán)的延展，從而對(duì)面團(tuán)和面制品產(chǎn)生不利影響[47]。

2.3 對(duì)膳食纖維粒徑及面制品品質(zhì)的影響

膳食纖維的添加會(huì)破壞面筋蛋白結(jié)構(gòu)，對(duì)面團(tuán)流變學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生不利影響，因此改善富含膳食纖維的面團(tuán)品質(zhì)迫在眉睫。有研究顯示增大粒徑可減小麩皮對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的不利影響[48]，但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)麩皮粒徑越小，面制品品質(zhì)越佳[49]，可見麩皮粒徑是影響面團(tuán)及面制品品質(zhì)的重要因素。當(dāng)麥麩尺寸過小，面粉吸水增加，面團(tuán)形成時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間均下降，面筋網(wǎng)絡(luò)的形成也受到阻礙，面包產(chǎn)品的體積和質(zhì)量下降[50]；而當(dāng)麥麩粒度過大，面條硬度、膠著性、咀嚼度下降[51]。粒徑過大或過小都會(huì)對(duì)面團(tuán)及面制品產(chǎn)生劣變效果[52]，但在一定尺寸范圍內(nèi)(根據(jù)谷物來源和目標(biāo)產(chǎn)品的不同而有所變動(dòng))，麥麩粒度減小，面團(tuán)延展性逐步增強(qiáng)[53]。故選擇合適的粉碎加工方式，改變大顆粒麩皮的比例[54]，得到合適粒度的麩皮十分必要，粉碎方式及控制條件應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加以選擇。

3 總結(jié)與展望

膳食纖維攝入量與多種疾病的預(yù)防密切相關(guān)，提高全谷物的攝入量是全民飲食的大勢(shì)所趨。選擇合適的粉碎方式和加工條件可以更好地發(fā)揮谷物膳食纖維的功能特性，從而獲得更好品質(zhì)的面團(tuán)和面制品。全麥粉碎工藝一般分為整粒粉碎和麩皮回添2種形式。麩皮回添是先將皮層和胚乳分離，再分別進(jìn)行粉碎，當(dāng)達(dá)到不同的粉碎要求后將麩皮按原比例進(jìn)行回添得到全麥粉。此過程中麩皮粒徑?jīng)Q定了全麥面團(tuán)的加工性質(zhì)和面制品的食用品質(zhì)，因此應(yīng)結(jié)合終產(chǎn)品的需求，選擇合適的麩皮粒度進(jìn)行回添。相比于麩皮回添，整粒粉碎效率更高、更便于實(shí)際操作。但此方式往往伴隨著谷物淀粉結(jié)構(gòu)的改變和物化性質(zhì)、功能性質(zhì)的變化。破損淀粉和淀粉粒徑是影響面團(tuán)流變學(xué)和熱力學(xué)等加工性能和面制品品質(zhì)的重要因素。因此在谷物加工過程中，應(yīng)格外注意谷物的質(zhì)地，選擇溫和的粉碎方式，嚴(yán)格控制加工條件，必要時(shí)應(yīng)采取一定手段減少破損淀粉的產(chǎn)生，如粉碎前的浸麥預(yù)處理、回潮增濕、浸漬增濕，以及粉碎過程中采用濕法粉碎、間歇粉碎等，從而減輕外界摩擦、碰撞、剪切等應(yīng)力對(duì)晶體結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)的破壞，保持良好的面粉品質(zhì)。

此外，酸面團(tuán)發(fā)酵技術(shù)在全谷物面制品工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，它能夠改善發(fā)酵食品的質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味、消化性及功能性質(zhì)。谷物發(fā)酵往往利用微生物的代謝與谷物各成分間的相互作用，且通過控制系統(tǒng)條件改變谷物中某些酶活，如淀粉酶、蛋白酶、半纖維素酶和植酸酶等，使發(fā)酵食品具有更好的營養(yǎng)價(jià)值和食用價(jià)值[55]。因此用于發(fā)酵的谷物在粉碎時(shí)應(yīng)特別注意溫度、酸度等外界條件的控制，盡量降低谷物各成分的損失及內(nèi)源酶的破壞程度，以保證谷物發(fā)酵的效果和發(fā)酵面制品的質(zhì)量?？傊蜏?、低損傷的機(jī)械粉碎方式將受到未來谷物加工行業(yè)的青睞。