超微粉碎對(duì)4 種雜糧粉理化性質(zhì)及功能特性的影響

王 博，姚軼俊，李枝芳，王立峰

（南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023）

我國(guó)是一個(gè)雜糧生產(chǎn)大國(guó)，不僅雜糧資源豐富，而且產(chǎn)量居世界前列。近年來(lái)，隨著生活水平的提高，人們開(kāi)始追求飲食的多樣化與均衡化，雜糧作為功能性膳食越發(fā)受到們的關(guān)注[1-2]。與大宗主糧相比，雜糧由于其富含酚類(lèi)等功能性成分，因此具有良好的生理功能[3-4]。王秋[5]研究指出雜糧粉具有降血壓的生理功能，該功能主要來(lái)源于雜糧粉的一些活性基團(tuán)，比如可溶性膳食纖維中的側(cè)鏈基團(tuán)，這些活性基團(tuán)能產(chǎn)生類(lèi)似弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的作用。Ou Shiyi等[6]研究發(fā)現(xiàn)雜糧中的部分結(jié)構(gòu)可以吸附葡萄糖以阻礙葡萄糖的擴(kuò)散，使得腸道內(nèi)葡萄糖的有效濃度降低，從而能降低餐后的血糖水平。另有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，雜糧中的部分活性成分能夠抑制胰脂肪酶活力，降低脂肪的消化與吸收[7]，因此能夠起到降低血液中脂質(zhì)含量的作用；此外雜糧可通過(guò)對(duì)食物中脂肪的吸附以降低脂肪的消化，也能夠起到降脂與降膽固醇的作用[8]。然而由于雜糧質(zhì)地緊密且不易熟化，其功能價(jià)值并未得到充分利用。因此，改善雜糧的適口性、提高雜糧產(chǎn)品功能性價(jià)值是擴(kuò)大中國(guó)雜糧產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)、發(fā)展雜糧加工行業(yè)的關(guān)鍵。

超微粉碎技術(shù)作為近20 年開(kāi)始迅速發(fā)展的新技術(shù)，是指利用機(jī)器或者流體動(dòng)力將物料顆粒粉碎至微米級(jí)粉體的過(guò)程，由于粉碎細(xì)度遠(yuǎn)超普通粉碎方式，得到的粉體比表面積大、表面活性強(qiáng)，且會(huì)出現(xiàn)普通粉體所不具備的特殊功能，因此被廣泛的應(yīng)用于藥品、食品及材料工程中[9]。趙穎等[10]使用超微粉碎技術(shù)加工處理飼料，唐雁[11]則將超微粉碎技術(shù)應(yīng)用于無(wú)機(jī)鹽類(lèi)鈣制劑，加工后的粉體粒徑均達(dá)到了亞微米級(jí)。在食品中，超微粉碎通常用作提高有效成分溶出、優(yōu)化功能性質(zhì)以及改善口感。此外超微粉碎能顯著改變淀粉類(lèi)食物的組分與微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其理化性質(zhì)與功能特性的改變。如蕎麥經(jīng)超微粉碎后，其淀粉顆粒晶體受到破壞，相對(duì)結(jié)晶度降低，糊化溫度與熱吸收焓降低[12]，表明超微粉碎對(duì)雜糧粉的影響達(dá)到了分子層面。氣流式超微粉碎作為超微粉碎技術(shù)的一種，相比其他機(jī)械碾磨方式，具有避免局部過(guò)熱、粉碎粒度均一穩(wěn)定以及不需要助磨劑等優(yōu)點(diǎn)，這使得食品原料在粉碎過(guò)程中能最大限度保留原本的活性物質(zhì)，并能避免污染，其工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)率較高，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中具有良好的應(yīng)用前景[13-15]。

為了改善雜糧粉的理化特性、提高其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)4 種我國(guó)常見(jiàn)雜糧進(jìn)行超微粉碎加工，研究該技術(shù)對(duì)于雜糧粉性質(zhì)的影響，以期為超微粉碎在雜糧加工產(chǎn)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

薏米產(chǎn)自遼寧遼陽(yáng)，紅豆、蕎麥產(chǎn)自山西大同，青稞產(chǎn)自青海西寧；色拉油為市售。

葡萄糖氧化酶、胰脂肪酶 美國(guó)Sigma公司；其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

BLH-5601錘式旋風(fēng)磨 浙江伯利恒儀器設(shè)備有限公司；J-50氣流粉碎機(jī) 意大利Tecnologia Meccanica公司；Zetasizer Nano Zs90激光粒度儀 英國(guó)馬爾文公司；HWCL-3恒溫水浴鍋 鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；TGL16M高速冷凍離心機(jī) 長(zhǎng)沙湘智離心機(jī)儀器有限公司；TM3000掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM） 日本株式會(huì)社日立那珂有限公司；84-1磁力攪拌器 上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司；101-34S電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海蘇進(jìn)儀器設(shè)備廠；SpectraMax M2e多功能酶標(biāo)儀 美國(guó)Molecular Devices公司。

1.3 方法

1.3.1 雜糧超微粉碎處理

將4 種雜糧（薏米、紅豆、青稞、蕎麥）置于錘式旋風(fēng)磨中粉碎，收集得到粗粉。將4 種雜糧粗粉于60 ℃電熱鼓風(fēng)干燥中干燥至水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%備用。打開(kāi)氣流粉碎機(jī)，環(huán)流氣壓調(diào)至1.2 MPa，文丘里氣壓調(diào)至1.0 MPa，進(jìn)樣器的螺桿轉(zhuǎn)速調(diào)至140 r/min以保證每種雜糧的粉碎時(shí)間相同。在進(jìn)樣器中加入一種雜糧粗粉，待粉碎完成后收集樣品，清理機(jī)器，再進(jìn)行下一種雜糧粉的超微粉碎。測(cè)定超微粉粒徑，對(duì)超微粉和粗粉進(jìn)行其他指標(biāo)的測(cè)定。

1.3.2 雜糧超微粉粒徑的測(cè)定

取適量蒸餾水加入激光粒度儀容器內(nèi)，加入超微粉樣品，待樣品分散均勻，測(cè)定超微粉的粒徑及其粒徑分布。

1.3.3 雜糧粗粉及超微粉溶解度的測(cè)定

稱取0.50 g樣品與50 mL蒸餾水一同加入200 mL的燒杯中，分別在50、70、90 ℃的恒溫水浴下連續(xù)攪拌30 min，再于6 000 r/min下離心15 min，取出上清液于105 ℃烘干至恒質(zhì)量，收集殘留物。樣品的溶解度按公式（1）計(jì)算。

式中：m1表示樣品的質(zhì)量/g；m2表示殘留物的質(zhì)量/g。

1.3.4 雜糧粗粉及超微粉微觀結(jié)構(gòu)觀察

采用SEM對(duì)4 種雜糧的粗粉與超微粉進(jìn)行微觀形態(tài)的觀察。將樣品粉末粘附于黑色膠帶上，并對(duì)其噴金，然后進(jìn)行SEM觀察。

1.3.5 雜糧粗粉及超微粉陽(yáng)離子交換能力的測(cè)定

參考滕碩[16]的方法并稍作修改。各樣品分別稱取0.50 g置于200 mL燒杯中，加入50 mL 0.05 mol/L的鹽酸溶液，并磁力攪拌6 h，用蒸餾水洗滌數(shù)次直至中性，于6 000 r/min下離心15 min并棄去上清液，殘留物置于105 ℃烘箱中干燥至恒質(zhì)量備用。準(zhǔn)確稱取0.1 g酸化后的樣品，用0.02 mol/L的NaOH溶液進(jìn)行滴定。陽(yáng)離子交換能力以每千克酸化形式樣品的物質(zhì)的量計(jì)。樣品的陽(yáng)離子交換能力按式（2）計(jì)算。

式中：c表示滴定用的NaOH溶液的濃度/（mol/L）；V表示滴定時(shí)消耗的NaOH溶液的體積/mL；m表示酸化形式樣品的質(zhì)量/g。

1.3.6 雜糧粗粉及超微粉葡萄糖束縛力的測(cè)定

于4 個(gè)200 mL錐形瓶中分別加入0.50 g樣品與100 mL不同濃度葡萄糖溶液（5、10、50、100 mmol/L），在37 ℃下在磁力攪拌6 h使樣品吸附葡萄糖，于6 000 r/min下離心15 min，取上清液用糖化酶法測(cè)定葡萄糖的濃度[17]。樣品的葡萄糖束縛力用公式（3）計(jì)算。

式中：c0表示吸附前葡萄糖溶液的濃度/（mmol/L）；c1表示吸附后葡萄糖溶液的濃度/（mmol/L）；m表示待測(cè)樣品的質(zhì)量/g。

1.3.7 雜糧粗粉及超微粉胰脂肪酶活力抑制率的測(cè)定

胰脂肪酶活力抑制率參考王秋[5]的方法測(cè)定。配制0.1 mol/L pH 7.2的磷酸鈉緩沖液，將100 mg胰脂肪酶溶于100 mL磷酸鈉緩沖溶液，制得胰脂肪酶溶液。稱取各樣品0.50 g于100 mL錐形瓶中，加入10 mL色拉油、50 mL磷酸鈉緩沖液和10 mL胰脂肪酶溶液，于37 ℃下磁力攪拌1 h后沸水浴10 min滅活。用0.1 mol/L的NaOH溶液滴定所釋放的游離脂肪酸的量。胰脂肪酶活力抑制率定義為產(chǎn)生的自由脂肪酸量與不加入雜糧粉的空白對(duì)照組相比降低的比例。樣品的胰脂肪酶活力抑制率按式（4）計(jì)算。

式中：V0表示滴定空白對(duì)照組消耗的NaOH溶液體積/mL；V1表示滴定實(shí)驗(yàn)組消耗的NaOH溶液體積/mL。

1.3.8 雜糧粗粉及超微粉持油力的測(cè)定

持油力參照于曉紅等[18]的方法測(cè)定。稱取5.00 g樣品于100 mL燒杯中，加入20 mL色拉油，電磁攪拌30 min后，在2 000 r/min下離心30 min，除去上層的色拉油。樣品的持油力按公式（5）計(jì)算。

式中：m1表示樣品的質(zhì)量/g；m2表示吸附色拉油后樣品的質(zhì)量/g。

1.3.9 雜糧粗粉及超微粉DPPH自由基清除率的測(cè)定

1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-d i p h e n y l-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基清除率的測(cè)定參照Li Yanhong等[19]的方法。稱取一定量的DPPH，用無(wú)水乙醇配制成0.04 mg/mL的DPPH溶液。取2 mL 10 mg/mL的樣品溶液，加入2 mL DPPH溶液，混合均勻，室溫放置30 min后，在6 000 r/min下離心15 min，取上清液于517 nm波長(zhǎng)處測(cè)吸光度（A1）。并用相同方法測(cè)定2 mL無(wú)水乙醇與2 mL DPPH溶液的混合液的吸光度（A0），以及2 mL樣品溶液與2 mL無(wú)水乙醇的混合液的吸光度（A2）。用20 mg/L的VC溶液作為陽(yáng)性對(duì)照[20]。樣品對(duì)DPPH自由基的清除率用公式（6）計(jì)算。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

每種樣品設(shè)置3 個(gè)平行，數(shù)據(jù)分析采用SPSS 20.0軟件，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用方差分析進(jìn)行鄧肯氏檢驗(yàn)，以P＜0.05表示差異顯著。采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 4 種雜糧超微粉的粒徑分布

圖1 雜糧超微粉粒徑的累計(jì)分布Fig. 1 Cumulative particle size distribution of superfine coarse cereal flours

以氣流粉碎機(jī)對(duì)4 種雜糧粗粉進(jìn)行超微粉碎，得到的4 種雜糧超微粉的粒徑分布結(jié)果如圖1所示。其中，蕎麥與青稞的超微粉在粒徑30 μm以下有著較高的分布；紅豆超微粉的平均粒徑較高，但分布范圍較窄，粉體的均一性較好，可能與紅豆中蛋白質(zhì)含量較高有關(guān)；薏米超微粉平均粒徑也較大，但粉體均一性差。所有超微粉都存在大粒徑峰值，且多為雙峰分布，兩峰之間的粒徑都有粉體分布，這可能是由于樣品在超微粉碎處理后顆粒粒度減小，導(dǎo)致其表面活性變高，引發(fā)團(tuán)聚現(xiàn)象，使大量顆粒團(tuán)聚成大尺度的顆粒[21]。

2.2 4 種雜糧粗粉和超微粉的溶解度

圖2 雜糧粉超微粉碎前后的溶解性Fig. 2 Solubility of coarse cereal flours before and after superfine grinding

由圖2可知，超微粉碎能極顯著提高粉體的溶解度。一方面，粉體粒徑的減小增加了其表面積，與水的接觸面積增大，從而提高粉體溶解性；另一方面，超微粉碎使得粉體顆粒破碎，其中一些不溶性成分內(nèi)部分子鏈斷裂從而變?yōu)榭扇苄猿煞諿8]，并且顆粒內(nèi)部可溶性成分被釋放，使得粉體的溶解性提高。溫度越低，超微粉碎提高粉體溶解度的效率越高。在4 種雜糧粉中，蕎麥超微粉的溶解度最高，在50、70、90 ℃時(shí)溶解度分別為36.6%、49.9%、52.4%，相比超微粉碎前分別提高了69.4%、53.0%、31.3%。

2.3 4 種雜糧粗粉和超微粉的微觀結(jié)構(gòu)

圖3 雜糧粉超微粉碎前后的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)Fig. 3 SEM morphology of coarse cereal flours before and after superfine grinding

由圖3可以看出，超微粉碎后雜糧粉顆粒明顯減小，雜糧原有的組織結(jié)構(gòu)被破壞。其中蕎麥粉的變化最明顯，超微粉碎使較大的淀粉顆粒破碎成小顆粒；所有超微粉碎后的雜糧顆粒表面均有部分片狀突出，這可能是超微粉碎使粉體顆粒內(nèi)部多糖結(jié)構(gòu)暴露的結(jié)果[4]；另外，雜糧超微粉顆粒出現(xiàn)了不同程度的團(tuán)聚現(xiàn)象，與粒徑分析結(jié)果相符。

2.4 4 種雜糧粗粉和超微粉的陽(yáng)離子交換能力

圖4 雜糧粉超微粉碎前后的陽(yáng)離子交換能力Fig. 4 Cation exchange capacity of coarse cereal flours before and after superfine grinding

由圖4可知，超微粉碎極顯著提高了雜糧粉的陽(yáng)離子交換能力，其中紅豆與蕎麥超微粉的陽(yáng)離子交換能力最強(qiáng)，分別為648.7 mmol/kg和592.8 mmol/kg，且超微粉碎對(duì)蕎麥粉的陽(yáng)離子交換能力提升最為顯著，提升率為81.4%。滕碩[16]、李煥霞[22]以及湯小明[23]等的研究表明粒徑的減小與粉體的陽(yáng)離子交換能力提高直接相關(guān)。一方面，超微粉碎降低了粉體的粒徑，并使部分大顆粒破碎，使得部分活性基團(tuán)暴露，從而提高了陽(yáng)離子交換能力；另一方面，超微粉碎能將雜糧粉中部分不可溶膳食纖維變?yōu)榭扇苄陨攀忱w維，使粉體中活性基團(tuán)增多，從而提高陽(yáng)離子交換能力。

2.5 4 種雜糧粗粉和超微粉的葡萄糖束縛力

圖5 雜糧粉超微粉碎前后的葡萄糖束縛力Fig. 5 GAC of coarse cereal flours before and after superfine grinding

由圖5可以看出，在初始濃度不同的葡萄糖溶液條件下，超微粉碎對(duì)雜糧粉的葡萄糖束縛力均有極顯著提高，在低葡萄糖濃度下提高更為明顯。其中蕎麥超微粉的葡萄糖束縛力最高，在初始葡萄糖濃度為5、10、50、100 mmol/L時(shí)分別達(dá)到了0.126、0.152、0.198、0.256 mmol/g，與超微粉碎前相比分別提高了84.8%、54.4%、43.7%、30.0%。Protonotariou等[24]的研究表明超微粉碎使得粉體粒徑減小，比表面積增大，能顯著提高粉體的表面活性，從而提高雜糧粉對(duì)葡萄糖的吸附量，并延長(zhǎng)吸附時(shí)間。另外，超微粉碎對(duì)膳食纖維結(jié)構(gòu)有剪切作用，能提高雜糧粉中可溶性膳食纖維的含量，有利于粉體對(duì)葡萄糖的吸附。Fuentes-Alventosa[25]、Whelton[26]、Zhu Kexue[27]等的研究也表明膳食纖維的這種變化還對(duì)抑制葡萄糖擴(kuò)散與降低糖類(lèi)吸收有直接作用。同時(shí)，超微粉碎使粉體微粒的空間結(jié)構(gòu)變得松散，提高了其對(duì)葡萄糖的包裹能力，這也是超微粉葡萄糖束縛能力提高的原因之一[27]。

2.6 4 種雜糧粗粉和超微粉的胰脂肪酶活力抑制率

圖6 雜糧粉超微粉碎前后的胰脂肪酶活力抑制率Fig. 6 Anti-pancreatic lipase activity of coarse cereal flours before and after superfine grinding

如圖6所示，超微粉碎顯著提高了雜糧粉的胰脂肪酶活力抑制率，其中青稞超微粉的抑制率最高，為18.5%，對(duì)比超微粉碎前提升了48.9%。董生昭[28]與張忠[29]的研究表明皂苷類(lèi)化合物與多酚類(lèi)化合物能有效抑制胰脂肪酶活力，而超微粉碎能顯著提高功能性成分如多酚的溶出率[30]，并使得普通粉體中未暴露的活性基團(tuán)暴露出來(lái)。因此，超微粉碎能夠提高粉體胰脂肪酶活力抑制率。

2.7 4 種雜糧粗粉和超微粉的持油力

圖7 雜糧粉超微粉碎前后的持油力Fig. 7 Oil holding capacity of coarse cereal flours before and after superfine grinding

由圖7可知，超微粉碎后雜糧粉的持油力極顯著提高，其中青稞超微粉持油力最高，為26.3%，對(duì)比超微粉碎前提高了61.2%。超微粉碎改變了雜糧原有的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使得大量活性基團(tuán)暴露，其中親油基團(tuán)的暴露增加了雜糧粉的持油力；同時(shí)超微粉碎提高了粉體可溶性膳食纖維的含量，這也導(dǎo)致了粉體持油力的上升[25]；超微粉碎還降低粉體的粒徑，增加其表面能，使得粉體對(duì)油脂吸附能力提高；最后，超微粉碎使得粉體空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變得松散，使得粉體能夠吸附更多的油脂[31-32]。

2.8 4 種雜糧粗粉和超微粉的DPPH自由基清除率

圖8 雜糧粉超微粉碎前后的DPPH自由基清除率Fig. 8 DPPH radical scavenging capacity of coarse cereal flours before and after superfine grinding

由圖8可知，雖然樣品質(zhì)量濃度（10 mg/mL）較高，超微粉碎前4 種雜糧粉的DPPH自由基清除率仍然較低，且品種間差異不大，但超微粉碎后薏米粉與蕎麥粉的自由基清除率分別極顯著提高至84.3%與94.1%；而紅豆超微粉的自由基清除率則沒(méi)有顯著變化。Karki等[33]研究發(fā)現(xiàn)，蕎麥提取物對(duì)DPPH自由基有較好的清除作用，但本實(shí)驗(yàn)中超微粉碎前蕎麥的DPPH自由基清除率并不高；Zhang Min[3]和Zhong Chen[34]等的研究表明，超微粉碎能夠提高樣品的抗氧化能力。因此，粗雜糧粉內(nèi)只有少量游離的抗氧化活性物質(zhì)，而經(jīng)過(guò)超微粉碎后，粉體顆粒結(jié)構(gòu)被破壞，原先處于結(jié)合狀態(tài)或被包埋的多酚、黃酮等抗氧化物質(zhì)被釋放，使得具有較強(qiáng)抗氧化能力的雜糧粉未經(jīng)提取過(guò)程便表現(xiàn)出了較高的自由基清除率。這與張美霞等[30]的研究中超微粉碎能提高多酚類(lèi)物質(zhì)含量的結(jié)果相符。此外，薏米與蕎麥中多糖及多酚類(lèi)抗氧化物質(zhì)較豐富[34-35]，而紅豆中蛋白質(zhì)含量較高，其抗氧化活性物質(zhì)主要為多肽類(lèi)[36]，本實(shí)驗(yàn)中超微粉碎難以使此類(lèi)物質(zhì)游離釋放；同時(shí)超微粉碎的過(guò)程會(huì)帶來(lái)雜糧粉自身的氧化，這可能是紅豆超微粉的DPPH自由基清除率未能顯著提升的原因。由于氣流式超微粉碎低溫自磨的特點(diǎn)，對(duì)樣品抗氧化及食用品質(zhì)的負(fù)面影響較小，因此超微粉碎對(duì)紅豆以外的3 種雜糧粉的DPPH自由基清除率提升效果極顯著。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)對(duì)4 種雜糧粉以同等速率進(jìn)行氣流式超微粉碎，研究了4 種雜糧粉在超微粉碎前后理化性質(zhì)與功能特性的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超微粉碎對(duì)雜糧粉理化性質(zhì)與功能特性均有顯著的影響，其中蕎麥粉與青稞粉的性質(zhì)變化最大。經(jīng)超微粉碎后蕎麥粉的理化性質(zhì)與降糖及抗氧化功能特性提升最為顯著，陽(yáng)離子交換能力提升81.4%，葡萄糖束縛力在葡萄糖濃度為100 mmol/L時(shí)增加了30.0%；青稞超微粉則具有最佳的降脂功能，胰脂肪酶活力抑制率與持油力在超微粉碎后分別提升了48.9%與61.2%。