球磨微細化研磨對發(fā)芽糙米粉物性特征的影響

薛健翼 陳 瑋 賈才華 趙思明 張賓佳 牛 猛 許 燕 郭允棟

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070)

全谷物是指完整，被碾碎、破碎或壓片的谷物，其基本組成包括胚芽、胚乳、淀粉質(zhì)與皮層，其構(gòu)成比例與完整穎果相同[1-3]。隨著糧食制粉與傳統(tǒng)食品加工技術(shù)的發(fā)展，如何讓利用現(xiàn)代食品加工新技術(shù)，減少未充分利用的營養(yǎng)物質(zhì)的損失，使得全谷物食品市場前景非常廣闊。球磨研磨作為一種機械方式是制備超微粉體的有效手段之一，具有研磨均勻、污染小、操作簡單等優(yōu)點，對谷物中營養(yǎng)成分在人體中的生物利用率的提高具有積極作用[4，5]。

糙米，由胚乳(約占總質(zhì)量90%)、胚(2%～3%)和糠層(6%～7%)組成。由于保留了胚芽和糠層，所以富含營養(yǎng)因子，包括油脂、蛋白質(zhì)、膳食纖維等營養(yǎng)素，以及功能活性成分，如米糠脂多糖、維生素、大量的酶類、γ-氨基丁酸、γ-谷維素、阿魏酸等高能球磨能通過磨珠、谷物顆粒間以及球磨室壁對谷物顆粒產(chǎn)生的剪切、沖擊、摩擦和其他力，該過程能減小谷物顆粒的粒度和改變淀粉、膳食纖維等大分子化合物的結(jié)構(gòu)和物化性質(zhì)，并且更有利于全谷物皮層和胚的微細化，從而提高全谷物的生物利用度和營養(yǎng)價值。因此研究以糙米為原料，使用掃描電子顯微鏡(SEM)、傅里葉紅外光譜(FTIR)等現(xiàn)代檢測分析方法確定研磨處理對發(fā)芽糙米粉干燥前后微粒粒徑、微觀形貌特征、水合性能、蛋白二級結(jié)構(gòu)特征的影響，研究所制備的發(fā)芽糙米粉的部分組成和結(jié)構(gòu)上的特征。最后得到了具有良好沖調(diào)性、分散性和口感的發(fā)芽糙米粉，為全谷物類食品在食品工業(yè)中的發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與參考[6-10]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

“鹽豐 47號”水稻稻谷脫殼后的糙米，2019年產(chǎn)于遼寧盤錦；飲用水/食品菌落總數(shù)測試片。

殼聚糖：生物試劑，檸檬酸、檸檬酸鈣：食品級，其他所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

HP250GS型智能人工氣候箱，Mini Zeta 03型濕法高能球磨機，YM 202小型磨粉機，SD-1500型噴霧干燥機，S-4800型掃描電鏡，Mastersizer 2000型激光粒度測定儀，Nicolet iS10型FTIR光譜儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 發(fā)芽糙米的制備

以購買的糙米為原料，參考文獻報道的發(fā)芽條件，在消毒方法、浸泡液、發(fā)芽方法三方面進行改進[11-13]，采用以主要成分為0.01%殼聚糖、4.0 mmol/L檸檬酸和0.4 mmol/L檸檬酸鈣的浸泡液，該復(fù)配浸泡液增強了糙米發(fā)芽過程中富集GABA和降解植酸的效果，浸泡處理12 h，發(fā)芽處理24 h(人工氣候箱條件：溫度為30 ℃、相對濕度為85%～90%、黑暗避光)，制得發(fā)芽糙米。

1.3.2 濕法球磨研磨制備微細化發(fā)芽糙米粉

采用王子逸等[14]的方法，用普通磨粉機、濕法高能球磨機、噴霧干燥機處理。主要控制指標磨珠填充率、珠料比、球磨轉(zhuǎn)速、球磨時間，設(shè)定為磨珠填充率為85%，珠料質(zhì)量比為740∶400，在2 000 r/min的轉(zhuǎn)速下分別破碎0.5、1.0、1.5、2.0 h制得發(fā)芽糙米漿。再進行噴霧干燥，具體參數(shù)為噴霧進風(fēng)口溫度設(shè)置為185 ℃，出風(fēng)口溫度85 ℃，風(fēng)機速度60 Hz，噴嘴通針周期3 s，蠕動泵流速為250 mL/h，將制備得的微細化發(fā)芽糙米粉密封保存?zhèn)溆?。根?jù)球磨時間的長短將發(fā)芽糙米粉分別命名成BM0.5 h-GBRF、BM1.0 h-GBRF、BM1.5 h-GBRF、BM2.0 h-GBRF，由于未球磨處理的發(fā)芽糙米漿粒度較大容易沉淀，噴霧成粉有一定困難并且容易堵塞噴嘴，因此未制備出對應(yīng)的發(fā)芽糙米粉，為了做對照實驗，制備了普通磨粉機磨成的并且過40目篩的糙米粗粉和發(fā)芽糙米粗粉(BR-CF和GBR-CF)。

1.3.3 粉體粒度測定

采用Mastersizer 2000激光粒度測定儀，將水作為分散劑，分別設(shè)置折射率和吸收率為1.53和0.1。將樣品均勻分散到水中，在2 000 r/min 下進行攪拌，并測定D10、D50、D90、D[4,3]、D[3,2]和計算分布跨度值span，其中span值按公式(1)計算：

人文精神是一種普遍的人類自我關(guān)懷，表現(xiàn)為對人的尊嚴、價值、命運的維護，追求和關(guān)切，對人類遺留下來的各種精神文化現(xiàn)象的高度珍視，對一種全面發(fā)展的理想人格的肯定和塑造。而人文學(xué)科是集中表現(xiàn)人文精神的知識教育體系，它關(guān)注的是人類價值和精神表現(xiàn)。人文精神的含義與初中政治教學(xué)的目標是相符合的，即教育學(xué)生融入生活，悅納自己、學(xué)習(xí)社會規(guī)則，關(guān)注個人發(fā)展等。

span=(D90-D10)/D50

(1)

1.3.4 微觀形貌

首先準備好導(dǎo)電雙面膠，并將其貼于樣品臺上，接著將待測樣品粘在雙面膠上，觀察面朝上，將樣品臺放到離子濺射鍍膜儀中鍍金處理，10 min后將樣品臺取出放入掃描電鏡樣品室進行觀察，并拍攝糙米和發(fā)芽糙米的表面、橫斷面、胚芽部分、胚乳透明部分和堊白部分的SEM照片。

1.3.5 水合性能測定

準確稱量m=0.5 g(干計)樣品，加入10 mL 30 ℃的水，置于30 ℃的水浴鍋中，振蕩30 min后，在4 000 r/min條件下離心15 min，將上清液和沉淀物分離，沉淀物質(zhì)量為X1，上清液放在干燥至恒重的鋁盒中，在105 ℃下烘干至恒重，烘干物的質(zhì)量為X2，吸水指數(shù)(WAI)、水溶性指數(shù)(WSI)和膨脹力(SP)按照式(2)～式(4)計算：

(2)

(3)

(4)

1.3.6 蛋白二級結(jié)構(gòu)與淀粉有序性分析

使用Nicolet iS10傅里葉紅外光譜儀進行中紅外測試，稱取適量粉體，使用ATR法在波數(shù)為4 000～500 cm-1的范圍(中紅外)內(nèi)進行紅外測試，對得出來的譜圖進行ATR校正，并使用Peakfit軟件進行分峰擬合。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理與分析

2 結(jié)果與分析

2.1 球磨微細化及噴霧干燥前后的顆粒粒徑

如表1所示，在球磨0～2 h內(nèi)，平均粒徑與球磨時間呈負相關(guān)，球磨2 h后，D50、D90、D[3,2]和D[4,3]隨著球磨時間的延長分別減少88%、93%、60%及90%；球磨0～0.5 h內(nèi)，平均粒徑減小得最快，之后在球磨0.5～2.0 h平均粒徑減小速度逐漸放緩；表中所有樣品的體積平均粒徑(D[4,3])均大于表面積平均粒徑(D[3,2])，一般大顆粒對D[4,3]貢獻較大，而小顆粒對D[3,2]貢獻較大，因此可以說明總體上樣品顆粒分散且整體顆粒較大。在球磨0.5～2.0 h內(nèi)，分布跨度span值隨著球磨時間的增加而減小，即說明球磨時間的延長使得發(fā)芽糙米漿的粒徑分布變窄[16]。

表1 不同球磨時間發(fā)芽糙米漿平均粒徑和span值

如圖1所示，未球磨的發(fā)芽糙米漿的粒度呈現(xiàn)三峰分布，隨著球磨時間的延長，在粒度20～1 000 μm處的峰逐漸向細粒度處移動，并且峰值急劇減小，當(dāng)球磨時間達到1.5 h時候，該峰幾乎消失，該峰的形成可能與未充分粉碎的胚乳塊或糊粉層有關(guān)；在1～20 μm處的峰位置幾乎沒有偏移，其峰值逐漸增加，直至球磨時間為1.5 h達到最大，推測該區(qū)域的主要成分是胚乳因破碎而得的淀粉粒(粒徑一般為3～8 μm)；在0.1～1 μm處的峰，先是在球磨0.5 h后向小粒度處移動并且峰值大大減小，然后在球磨1.0 h和1.5 h時的峰值有增加。球磨1.5 h和球磨2.0 h的發(fā)芽糙米漿的粒度呈現(xiàn)雙峰分布。

圖1 不同時間濕法球磨過程中發(fā)芽糙米勻漿粒度分布變化

考慮到成本能耗以及粉碎效果，選取2 h作為生產(chǎn)發(fā)芽糙米粉的球磨時間，如圖2所示，在將發(fā)芽糙米漿噴霧干燥處理后，樣品由雙峰分布趨近于單峰正態(tài)分布，并且主峰位置向粒徑增大方向偏移。表2顯示了噴霧干燥后，發(fā)芽糙米微粒的D50增加了55%，D50的增加可能是由于噴霧干燥處理使得單體淀粉粒部分凝膠化而膨脹；D90減小了37%，這可能是因為在噴霧干燥處理過程中一些大的復(fù)合淀粉粒在高壓的作用下分散成單體或更小的復(fù)合體；同理，這也解釋了為什么比表面積平均粒徑D[3,2]顯著增加以及體積平均粒徑D[4,3]減小了20%。圖2反映了噴霧干燥后微粒在體積粒度變化不大的情況下，span值只增加了1.25，說明噴霧干燥會使微粒的粒度分布稍微變寬[17]。

圖2 噴霧干燥前后發(fā)芽糙米微粒的粒度分布圖

表2 噴霧干燥前后發(fā)芽糙米微粒的粒徑

2.2 發(fā)芽糙米粉微觀形貌特征

如圖3，通過普通干法粉碎制得的發(fā)芽糙米粗粉的SEM圖(圖3a～圖3c)，呈現(xiàn)出形狀不規(guī)則、大小不統(tǒng)一的多面體結(jié)構(gòu)，應(yīng)該是顆粒較大的胚乳塊或者糊粉層；由圖3f、圖3i、圖3l和圖3o可以看出，通過濕法球磨和噴霧干燥制得的微粒表面有多個凹陷，并呈現(xiàn)出骷髏狀和中間薄、周圍厚的餅狀，與相同體積的圓球狀顆粒相比，比表面積遠遠增大，這有利于在復(fù)水時增大粉體和水的接觸面積以及通過毛細管作用提升潤濕性能，從而促進發(fā)芽糙米粉的充分溶解[18]。這個現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是糙米漿霧滴從噴嘴噴出時，溫度較高，干燥過程中水分從內(nèi)部遷移到霧滴表面同時帶走大量熱量，導(dǎo)致霧滴內(nèi)部形成負壓，微粒外殼因此坍縮，最后形成了這種不規(guī)則的形狀。由圖3d、圖3g、圖3f、圖3m可看出，隨著球磨時間的延長，小粒徑微粒聚集成團聚體的現(xiàn)象明顯減少，這是因為復(fù)合淀粉粒在球磨過程中受到反復(fù)碰撞、摩擦、沖擊、剪切，不僅會表面受損，還會破碎成細小顆粒，這些細小顆粒的粒徑分布也會在這些機械力的作用下變得均勻，因此在噴霧干燥后，顆粒會變得細小而均勻，因此小顆粒聚集成團聚體的現(xiàn)象明顯減少[19]。

2.3 發(fā)芽糙米粉水合性能

從圖4可看出發(fā)芽處理對糙米粗粉(BR-CF和GBR-CF)經(jīng)過球磨處理后，發(fā)芽糙米粉的WSI、WAI和SP均有顯著增加；與normal相比，經(jīng)過球磨處理2 h和噴霧干燥處理后，發(fā)芽糙米粉的WSI增加了約12倍，WAI增加了約58%以及SP增加了約1.5倍，總的水合性能顯著增強，溶于冷水能力大大增強，即球磨能夠使發(fā)芽糙米預(yù)糊化。這是因為濕法球磨顯著地減小了糙米粉的粒徑，增大了毛細管吸力、孔隙度和比表面積，影響水結(jié)合位點的性質(zhì)和數(shù)量，因此能夠大大加強水合特性。除此之外，球磨會造成發(fā)芽糙米粉的破損淀粉含量的增加，也增加了其吸水性[20，21]。

2.4 發(fā)芽糙米粉蛋白二級結(jié)構(gòu)與淀粉有序性

從圖5可以看出發(fā)芽后，GBR在2 853 cm-1處的峰的峰高明顯下降，在1 709 cm-1處的峰則消失了，這表明發(fā)芽處理會引起糙米中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化而使一些基團改變或消失。同時可看出通過濕法球磨和噴霧干燥處理的樣品沒有新吸收峰出現(xiàn)，舊吸收峰也未消失，這表明濕法球磨和噴霧干燥處理沒有引起樣品發(fā)生明顯的化學(xué)變化[22]。

注：GBR-CF表示發(fā)芽糙米經(jīng)過普通干法磨粉且過40目篩制備的發(fā)芽糙米粗粉；BMx h-GBRF表示發(fā)芽糙米經(jīng)過高能濕法球磨x h和噴干制成的發(fā)芽糙米粉。下同。圖3 不同球磨時間的發(fā)芽糙米粉的SEM圖

注：WSI、SP、WAI分別表示水溶性指數(shù)、膨脹力和吸水指數(shù)的折線圖。圖上的不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖4 發(fā)芽糙米粉的水合性能比較

圖5 發(fā)芽糙米粉的紅外光譜圖

表3 發(fā)芽糙米粉的蛋白二級結(jié)構(gòu)特征

由表3可看出發(fā)芽處理引起樣品的β-折疊和無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量顯著降低，而β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)含量顯著增加，α-螺旋結(jié)構(gòu)含量變化不顯著。該結(jié)果表明發(fā)芽會引起糙米蛋白質(zhì)發(fā)生水解折疊，構(gòu)象變得更為舒展，可能是因為發(fā)芽過程會產(chǎn)生蛋白酶對蛋白質(zhì)進行水解，從而使蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)發(fā)生這樣的變化。再經(jīng)過濕法球磨和噴霧干燥處理后，由表3看出樣品的β-折疊結(jié)構(gòu)含量繼續(xù)減小，β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)含量繼續(xù)增大，無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量減小，對α-螺旋的結(jié)構(gòu)含量無顯著影響。該結(jié)果表明濕法球磨的機械力作用以及噴霧干燥的高溫高濕條件也會引起蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的伸展。

在1 047 cm-1和1 022 cm-1波數(shù)處的吸光值分別代表淀粉有序和無定形結(jié)構(gòu)的信息，其比值可表征淀粉顆粒中有序結(jié)構(gòu)與無定形結(jié)構(gòu)的相對含量。如表4所示，發(fā)芽處理只引起糙米淀粉紅外指數(shù)少量減小；與普通干法粉碎制得的發(fā)芽糙米粉(normal)相比，球磨處理制得的發(fā)芽糙米粉的淀粉紅外指數(shù)有了顯著的減小，而2 h以內(nèi)，球磨時間的長短對淀粉紅外指數(shù)大小不產(chǎn)生顯著影響，這可能是因為在球磨過程中淀粉分子受到剪切力的影響，其原有的氫鍵結(jié)合方式、螺旋結(jié)構(gòu)和有序結(jié)構(gòu)受到破壞，而向無序化轉(zhuǎn)變[23]。

表4 發(fā)芽糙米粉的淀粉紅外指數(shù)

3 結(jié)論

球磨研磨處理發(fā)芽糙米具有明顯的降低粒徑作用，粒度分布集中于10～100 μm，球磨微細化處理讓發(fā)芽糙米的淀粉顆粒形貌與晶體結(jié)構(gòu)遭到了破壞，部分微粒外殼坍塌，噴霧干燥后顆粒變得細小且均勻，小顆粒的團聚現(xiàn)象減少；球磨研磨處理后發(fā)芽糙米的β-折疊結(jié)構(gòu)含量繼續(xù)減小，β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)含量繼續(xù)增大，無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量減小引起蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的伸展，相比普通干法粉碎，淀粉紅外指數(shù)顯著減小，受剪切力影響，有序結(jié)構(gòu)遭到破壞。與傳統(tǒng)粉碎方法相比，高能球磨能通過磨珠、谷物顆粒間以及球磨室壁對谷物顆粒產(chǎn)生的剪切、沖擊、摩擦和其他力，該過程能減小谷物顆粒的粒度和改變淀粉、膳食纖維等大分子化合物的結(jié)構(gòu)和物化性質(zhì)，并且更有利于全谷物皮層和胚的微細化，從而提高全谷物的生物利用度和營養(yǎng)價值。經(jīng)過球磨處理2 h和噴霧干燥處理后，發(fā)芽糙米粉總的水合性能顯著增強，采用高能濕法球磨結(jié)合噴霧干燥生產(chǎn)了高GABA，低植酸，粒徑微細且分布均勻，顏色更白，具有良好溶解性、分散性和口感的發(fā)芽糙米粉，并且經(jīng)過沖調(diào)后形成了具備良好黏彈性的米漿。