超微粉碎后粒徑對大麥全粉品質(zhì)特性的影響

任曉嬋，常婧瑤，馬曉麗，孔保華，辛 瑩，胡公社，劉 騫,3,

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030；2.美國農(nóng)業(yè)部-農(nóng)業(yè)研究局 國家雜糧和馬鈴薯種質(zhì)資源研究中心，愛達荷亞伯丁 83210；3.黑龍江省綠色食品科學(xué)研究院，黑龍江哈爾濱 150028）

大麥是一種草本植物，在全球范圍內(nèi)的谷物中，大麥的產(chǎn)量僅次于小麥、大米和玉米，至2019年全球大麥的產(chǎn)量達到15679.9萬噸[1]。其中，大麥產(chǎn)量的3/4用作動物飼料，1/5用作啤酒釀造，僅有1/20的大麥用于食用谷物和面包等食品的制作中[2]。大麥中不僅含有豐富的淀粉、蛋白和膳食纖維（比如β-葡聚糖）等物質(zhì)，同時也含有酚類化合物、黃酮、甾醇等生物活性物質(zhì)[3?5]。以此同時，根據(jù)大麥品種的不同，其含有的淀粉性質(zhì)會隨之發(fā)生改變[6]。另外，與有殼大麥相比，無殼大麥含有較高含量的蛋白、β-葡聚糖和抗性淀粉[7?8]。在前期的研究中，從無殼大麥（商品名Transit，品種注冊號CV-348，PI 660128）中提取大麥淀粉并研究其理化和功能特性，發(fā)現(xiàn)Transit大麥淀粉是一種蠟質(zhì)淀粉，其不僅具有很好的膨脹性、吸油性和凍融穩(wěn)定性，還具有較低的回生值[9]。然而，由于從大麥中單一提取淀粉的過程復(fù)雜、耗時且提取成本高，加之提取淀粉后的剩余殘渣中還有大量蛋白質(zhì)、β-葡聚糖、膳食纖維、酚類化合物等物質(zhì)，無法對其進行全組分高效利用。因此，需要找到一種合適的加工方式，將大麥以全粉的方式在食品加工中進行應(yīng)用。

超微粉碎是一種新型食品加工技術(shù)，其主要將原材料粉碎至微米或納米級，已廣泛應(yīng)用于食品加工中[10?12]。采用超微粉碎技術(shù)可以減小原料顆粒并提高食品原料的功能性和理化性，如持水性、膨脹性、溶解度和吸油性等。Wu等[13]探究超微粉碎鰱魚骨后不同粒度骨粉的理化性質(zhì)，結(jié)果表明，粉體粒徑越小，其流動性、溶解度、蛋白質(zhì)、溶解度、電導(dǎo)率和持水性均越好。Zhao等[14]研究超微粉碎技術(shù)在生姜中的應(yīng)用，并對不同粒度生姜顆粒的比表面積、持水性、溶解性、容重和蛋白質(zhì)溶解度進行了研究。結(jié)果表明，隨著粒徑的減小，其比表面積、容重和蛋白質(zhì)的溶解度均增大，溶解性和持水性也明顯改善。此外，超微粉碎技術(shù)還能夠提高淀粉的糊化穩(wěn)定性和消化特性[15?17]。Niu等[18]研究超微粉碎后小麥淀粉的多尺度結(jié)構(gòu)和糊化性能；結(jié)果顯示，超微粉碎降低了淀粉的粒度和結(jié)晶度。隨著這些結(jié)構(gòu)變化，糊化特性發(fā)生改變，表觀粘度降低，糊化穩(wěn)定性提高。然而，關(guān)于超微粉碎后不同粒徑大麥粉的品質(zhì)特性鮮有報道，且超微粉碎后不僅可以改善物料的理化功能特性，而且可以通過減小物料的粒徑從而提高其膳食纖維、β-葡聚糖、蛋白質(zhì)和酚類化合物等物質(zhì)的利用率，達到全粉全組分的高效利用。目前，還未發(fā)現(xiàn)將超微粉碎技術(shù)應(yīng)用于Transit大麥中，且超微粉碎后不同粒徑對Transit大麥全粉品質(zhì)特性的影響也未可知。

本文利用超微粉碎技術(shù)處理Transit大麥，通過基本組成（水分含量、蛋白含量、淀粉含量）、色差、溶解性、膨潤力、持水性、吸油性、粘度和回生值等指標的測定對粉碎后不同粒徑大麥粉的品質(zhì)特性進行研究，旨在通過超微粉碎技術(shù)提高大麥的應(yīng)用價值，充分利用大麥中的功能性物質(zhì)，同時為大麥粉在食品加工中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

無殼大麥（商品名Transit，品種注冊號CV-348,PI 660128） 美國農(nóng)業(yè)部-農(nóng)業(yè)研究局國家雜糧和馬鈴薯種子資源中心；實驗用水 均為去離子水；其它試劑 均為國產(chǎn)分析純。

HMB-400 B實驗型超微粉碎機 北京環(huán)亞天元機械技術(shù)有限公司；DFT 50手提式粉碎機 溫嶺市林大機械有限公司；JD 500-2電子天平 鄭州南北儀器設(shè)備有限公司；RVA-4型快速黏度分析儀 澳大利亞Newport科學(xué)儀器公司；DK-8B水浴鍋 余姚市東方電工儀器廠；SU 8010掃描電子顯微鏡 日本日立集團；ZE-6000型色差儀 日本登宿株式會社；TG 16-WS臺式高速離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 大麥粉制備 參照Ahmed等[19]的方法并稍有修改，將大麥經(jīng)普通粉碎機進行粗磨，并過50目的篩子得到常規(guī)粉碎全粉；而后將常規(guī)粉碎全粉經(jīng)超微粉碎機器超微粉碎30 min后，并稱量5份150 g/份的大麥粉分別過120、160、200、240和280目的篩子，得到<120、<96、<75、<61和<54 μm的大麥粉，并根據(jù)公式（1）計算得率：

1.2.2 掃描電子顯微鏡分析 將處理好的樣品置于離子濺射儀中，而后蒸鍍鉑金膜，掃描電鏡在2000×放大倍數(shù)下進行觀察與拍照。

1.2.3 基本成分測定

1.2.3.1 水分含量 按照GB 5009.3-2016食品安全國家標準 食品中水分的方法測定。

1.2.3.2 蛋白質(zhì)含量 按照GB 5009.5-2016食品安全國家標準 食品中蛋白質(zhì)的方法測定。

1.2.3.3 淀粉含量 淀粉含量測量參照Liu等[20]的方法。取25 mg樣品加入5 mL 0.5 mol/L NaOH，磁力攪拌60 min，結(jié)束后向其中加入30 mL乙酸鈉緩沖液，再加入5 mL 0.5 mol/L鹽酸中和并渦旋。取2 mL上述溶液加入到15 mL玻璃管中，相同程序制作樣品空白，再加入10 μL淀粉葡萄糖苷酶原液并渦旋，后置于37 ℃水浴鍋中溫育45 min。每隔15 min取出渦旋并放回。溫育結(jié)束后，加入8 mL 50 mmol/L磷酸鹽緩沖液（pH7.40）并渦旋。將0.4 mL上述懸浮液轉(zhuǎn)移到比色皿中，再加入1 mL GOPOD溶液，然后將比色皿渦旋并放在37 ℃的水浴鍋中30 min，510 nm處通過分光光度計測量吸光度。根據(jù)上述整個程序制備試劑空白，試劑空白不添加任何樣品。差。數(shù)據(jù)分析使用SPSS Statistix 22軟件，繪圖工具使用Sigmaplot 14軟件。

式（2）中，A0=樣品的吸光值，A1=樣品空白相對于試劑空白的吸光值，A2=試劑空白的吸光值，K=葡萄糖溶液標準曲線的斜率，Ws=樣品的水分含量。

1.2.4 水化特性測定

1.2.4.1 溶解性與膨潤力 溶解性與膨潤力參照趙神彳等[9]方法測定并稍有改動。精確稱取0.25 g樣品粉末于50 mL離心管中，加入24.75 mL水，沸水中攪拌加熱20 min。待其冷卻至室溫后，以6000 r/min離心20 min后，分別將上清液和沉淀在105 ℃烘箱中烘干至恒重。計算公式：

1.2.4.2 持水性 持水性參照趙神彳等[9]的方法并稍有改動。精確稱取0.25 g樣品粉末于10 mL離心管中，加入4.75 mL水，沸水中加熱20 min。待其冷卻至室溫后，以6000 r/min離心20 min，除去上清液體并稱其質(zhì)量。持水性計算公式：

1.2.4.3 吸油性 吸油性參照趙神彳等[9]的方法并稍有改動。將1.00 g樣品和10 mL花生油置于離心管中，渦旋混勻后磁力攪拌30 min。結(jié)束后在室溫（25 ℃）下將混合物以5000 r/min離心20 min，保留沉淀。吸油性計算公式：

式中：m0是樣品的重量，g；m1為離心管的重量，g；m2為離心后沉淀和離心管的重量，g。

1.2.5 顏色分析 利用ZE-6000型色差儀進行顏色指標測定。取適量樣品粉末鋪于色差儀的樣品杯內(nèi)，樣品要沒過樣品杯的底面但不高于樣品杯的高度，用勺子按壓緊實后置于色差儀上進行測定。設(shè)置參數(shù)：使用D65光源和一個直徑8 mm測量區(qū)和直徑50 mm照明區(qū)的10°觀察角。通過測定得到L*、a*和b*值。采用白色標準板進行校準。白度值的計算公式為：

1.2.6 糊化特性測定 糊化特性參照趙神彳等[9]的方法。稱取3.00 g大麥全粉樣品于快速粘度分析儀的專用鋁盒內(nèi)，并加入25 mL水，而后將鋁盒置于快速粘度分析儀上進行機械攪拌，測定完成后并記錄數(shù)值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有實驗均重復(fù)3次，結(jié)果表示為平均值±標準

2 結(jié)果與分析

2.1 不同粒徑大麥全粉的得率

不同目數(shù)大麥粉的得率如表1所示。隨著粒徑的減小，大麥粉的得率不斷減小。其中，得率最大的是<120 μm的大麥粉，達到69.82%（P<0.05）；得率最小的是<54 μm的大麥粉，為49.09%（P<0.05）。這是由于120、160、200、240和280目篩子的孔徑分別為120、96、75、61和54 μm，隨著孔徑的減小，導(dǎo)致通過篩子的大麥粉數(shù)量也在減小，得率逐漸降低。

表1 不同粒徑大麥粉的得率Table 1 Yield of barley flour of different particle size

2.2 不同粒徑大麥全粉的微觀形態(tài)

大麥粉的微觀形態(tài)可通過掃描電子顯微鏡觀察，常規(guī)粉碎全粉（圖1a ）表面光滑圓潤，與其他不同粒徑大麥粉相比，顆粒完整，碎片較少；經(jīng)超微粉碎后（圖1b～圖1f ），大麥粉粒徑減小，碎片化明顯，表面粗糙程度增加，由于其粒徑減小，比表面積增加，可能會影響大麥粉粉體的表面活性[21]。此外，當大麥粉顆粒過小時，顆粒之間將會出現(xiàn)聚集團簇現(xiàn)象，牛瀟瀟等[22]發(fā)現(xiàn)由于粒徑減小，受超微粉碎和篩子篩分的摩擦影響，增強了顆粒間的靜電力，導(dǎo)致其顆粒間團簇聚集。許青蓮等[23]也發(fā)現(xiàn)了相同的結(jié)果，經(jīng)超微粉碎后，小顆粒容易團簇成大團塊。

圖1 不同粒徑大麥粉的微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of barley meal with different particle sizes

2.3 不同粒徑大麥全粉的基本成分

不同粒徑大麥粉的基本成分（水分、蛋白質(zhì)、淀粉）含量如表2所示。常規(guī)粉碎全粉的水分含量顯著大于其它粒徑大麥粉的水分含量（P<0.05），可達到8.39%。造成這一現(xiàn)象的原因可能有兩個，一個是在超微粉碎過程中，機械的摩擦力和剪切力造成粉體的水分損失，另一個可能是超微粉碎后粉體結(jié)構(gòu)被破壞，維持水分的能力降低[24]，使得超微粉碎后大麥粉的水分含量比常規(guī)粉碎全粉的大麥粉的水分含量低。除常規(guī)粉碎全粉外，隨著粒徑的減小，大麥粉的水分含量呈現(xiàn)顯著增加的趨勢（P<0.05），其中最大的是<54 μm的大麥粉，水分含量可達到7.90%，最小的是<120 μm的大麥粉，水分含量為6.52%。這主要由于超微粉碎后，隨著粒徑減小，顆粒間相互聚集，造成吸潮現(xiàn)象，使得水分含量隨著粒徑的減小而增大[25]。此外，超微粉碎后大麥粉中的蛋白質(zhì)含量隨著粒徑的減小而增大，但差異性不顯著（P>0.05）。其中，蛋白質(zhì)含量最小的是常規(guī)粉碎全粉，為15.05%；蛋白質(zhì)含量最大的為<54 μm的大麥粉，有16.79%。最后，超微粉碎后大麥粉中的淀粉含量隨著粒徑的減小而增大，最小的是常規(guī)粉碎全粉（42.16%），含量最大的是<54 μm的大麥粉（47.49%）。這可能是因為超微粉碎后隨著粒徑的減小，大麥粉的比表面積增大，蛋白質(zhì)及淀粉能夠更好地溶出細胞，從而導(dǎo)致二者的含量增加[14?15,26]。此外，楊璐[27]發(fā)現(xiàn)超微粉碎后，淀粉與蛋白質(zhì)結(jié)合的大顆粒物質(zhì)被破壞，淀粉含量增加。

表2 不同粒徑大麥粉的基本成分Table 2 Basic components of barley flour of different particle sizes

2.4 不同粒徑大麥全粉的水化特性

2.4.1 溶解性與膨潤力 不同粒徑大麥粉的溶解性及膨潤力如圖2所示，大麥粉的溶解性隨著粒徑的增大而顯著增大（P<0.05），其中，常規(guī)粉碎全粉的溶解性最小，最大的是<54 μm和<61 μm的大麥粉。相同的結(jié)果也出現(xiàn)在鄧凱波等[28]的研究結(jié)果中。造成這一現(xiàn)象原因可能是經(jīng)超微粉碎后，大麥粉顆粒被破壞，粒徑減小，比表面積增大，使得大麥粉中可溶性物質(zhì)暴露出來[12]；此外，超微粉碎后大麥粉中的膳食纖維會發(fā)生改變，不溶性膳食纖維會轉(zhuǎn)換成可溶性膳食纖維，這是由于不溶性膳食纖維中的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的機械分解導(dǎo)致的，這些產(chǎn)物會進一步轉(zhuǎn)化為一些小分子化合物，且隨著粒徑的減小，不溶性膳食纖維的含量轉(zhuǎn)化為可溶性膳食纖維的含量增大，增加其在水中的溶解性[10]。Du等[29]研究發(fā)現(xiàn)，青稞膳食纖維經(jīng)超微粉碎后，不溶性膳食纖維含量下降，可溶性膳食纖維含量提高，總膳食纖維含量提高，表明膳食纖維中的成分發(fā)生轉(zhuǎn)化。膨潤力也是影響大麥粉水化性能的重要因素之一。其中，膨潤力最小的是<54 μm的大麥粉，膨潤力最大的是常規(guī)粉碎全粉。同時經(jīng)超微粉碎后，隨著粒徑的減小，大麥粉的膨潤力顯著降低（P<0.05）。主要原因是超微粉碎后，粒徑減小，使得粉體中纖維等長鏈減小、短鏈增加，致使粉體對水束縛力相對減弱，膨潤力降低[29]。

圖2 不同粒徑大麥粉的溶解性和膨潤力Fig.2 Solubility and swelling power of barley flour with different particle sizes

2.4.2 持水性 不同粒徑大麥粉的持水性如圖3所示，經(jīng)超微粉碎處理的大麥粉的持水性較常規(guī)粉碎全粉的持水性大，其中，持水性最大的是<120 μm和<96 μm大麥粉，且差異性不顯著（P>0.05）；除此之外，其它粒徑大麥粉的持水性隨著粒徑的減小依次減小，這與鄧凱波等[28]的研究結(jié)果是一致的。出現(xiàn)上述情況的原因可能是水化作用受顆粒大小和幾何結(jié)構(gòu)（如孔隙度和形狀）的影響[30?31]。超微粉碎后，隨著大麥粉粒徑的不斷減小，顆粒間會發(fā)生團簇行為，使得大麥粉顆粒間相互作用力增大，影響大麥粉與水分子之間的相互作用，導(dǎo)致大麥粉持水性下降[28]。也可能是超微粉碎破壞了不溶性膳食纖維的多糖鏈，且粒徑越小，破壞程度越大，而這些多糖鏈可以通過氫鍵保持一定量的水分，從而使超微粉碎后大麥粉的持水性逐漸減小[11]。

圖3 不同粒徑大麥粉的持水性Fig.3 Water holding capacity of barley flour of different particle sizes

2.4.3 吸油性 粉體的油脂結(jié)合能力是評價其親脂能力的重要參數(shù)[32]。如表3所示，不同粒徑大麥粉的吸油性差異顯著（P<0.05），其中，吸油性最大的是常規(guī)粉碎全粉，其次是<120 μm的大麥粉，而吸油性最小的是<54 μm的大麥粉，且隨著粒徑的減小，大麥粉的吸油性顯著降低（P<0.05），說明超微粉碎大大降低了大麥粉的吸油性。這可能有兩種原因：一方面，粉碎增加了親水基團的暴露，導(dǎo)致粉體的吸油性降低；另一方面，粒徑減小，使得大麥粉對油脂的吸附性能降低[31]。這與Huang等[33]的研究結(jié)果一致。

表3 不同粒徑大麥粉的吸油性Table 3 Oil absorbency of barley flour with different particle sizes

2.5 不同粒徑大麥全粉的顏色變化

原材料的顏色是其加工中重要的品質(zhì)之一。不同粒徑大麥粉的顏色結(jié)果如表4所示，與常規(guī)粉碎全粉相比，不同粒徑大麥粉的亮度值和白度值均顯著增大（P<0.05）。亮度值最大的是<54 μm的大麥粉，其次是<61 μm的大麥粉；白度值亮最大的是<54 μm的大麥粉，其次是<61 μm的大麥粉。Huang等[33]研究發(fā)現(xiàn)，色差主要受顆粒大小所影響，粒徑減小使纖維素和半纖維素的表面積增加，纖維素和半纖維素的內(nèi)部結(jié)構(gòu)暴露出來，從而影響粉體的顏色。Hu等[34]發(fā)現(xiàn)粒徑對綠茶粉的顏色同樣具有顯著影響。

表4 不同粒徑大麥粉的顏色變化Table 4 Color difference of barley flour with different particle sizes

2.6 不同粒徑大麥全粉的糊化特性

超微粉碎處理會減小大麥粉的粒徑，從而影響淀粉的溶脹性和膠凝性，進而影響RVA曲線[35]。不同粒徑大麥粉的糊化特性和糊化曲線如表5和圖4所示，隨著粒徑的減小，大麥粉的起糊溫度從68.15 ℃（<120 μm）增加至71.50 ℃（<54 μm），<120 μm的大麥粉的糊化溫度最低（68.15 ℃）。糊化溫度升高可能是由于隨著粒徑的減小，小顆粒淀粉含量增加，以及大麥粉的顆粒破損程度增大，一些抑制淀粉膨脹的內(nèi)容物被釋放出來，導(dǎo)致糊化溫度升高[9]。峰值黏度隨著粒徑的減小而減小，其中<54 μm的大麥粉的峰值黏度最小，可能是由于隨著粒徑的減小，膨潤力（持水性）降低，導(dǎo)致了較小的峰值黏度[9]?？赡苁浅⒎鬯楹螅篼湻垲w粒受到破損，分子量減小，進而影響其黏度；此外，糊化中高溫使得多糖的糖苷鍵被破壞，大麥粉不耐剪切，使得黏度較低[36]；由持水性結(jié)果可知，隨著粒徑的減小，持水力降低，也會使大麥粉粘度降低[37]。最小黏度、最終黏度和衰減度也隨著粒徑的減小而減小，與Niu等[38]結(jié)果相似，回生值也隨著粒徑的減小而減小。最終粘黏度與大麥粉粉體的膨脹穩(wěn)定性有著密切的關(guān)系，隨著粒徑的減小，溶脹性的降低，大麥粉的終值下降[28]。衰減度與大麥粉的耐熱性有關(guān)[35]，衰減度降低，表明大麥粉的耐熱性也提高，這也與糊化溫度升高相聯(lián)系。Niu等[18]同樣研究超微粉碎后全麥面粉的糊化特性，發(fā)現(xiàn)糊化后大麥粉中的淀粉顆粒分解，直鏈淀粉滲出使糊化黏度降低。此外，蛋白和膳食纖維也會影響糊化特性，其通過抑制淀粉顆粒溶脹，從而降低糊化黏度[39]。

表5 不同粒徑大麥粉的糊化特性Table 5 Gelatinization characteristics of barley flour with different particle sizes

圖4 不同粒徑大麥粉的糊化曲線圖Fig.4 Pasting curves of barley flour with different particle sizes

3 結(jié)論

本文對經(jīng)超微粉碎處理和常規(guī)粉碎處理的大麥的品質(zhì)特性進行研究，發(fā)現(xiàn)通過超微粉碎設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的壓縮、沖擊、摩擦和剪切作用，大麥粉內(nèi)聚力受到高剪切和破壞，食品基質(zhì)結(jié)構(gòu)破裂，粒徑減小，從而改善大麥粉的結(jié)構(gòu)及品質(zhì)特性。隨著大麥粉結(jié)構(gòu)的破壞，粒徑的減小，可溶性物質(zhì)和功能性物質(zhì)的溶出增強，使得蛋白和淀粉含量分別由15.05%、42.16%增加至16.79%、47.49%。相比于常規(guī)粉碎處理的大麥粉，超微粉碎處理使得可溶性膳食纖維含量增加，導(dǎo)致大麥粉的溶解性增強。同時由于顆粒減小，分子量降低，使得大麥粉的膨潤力和持水性降低，進一步導(dǎo)致黏度降低，回生值由836.5 cp減小至242.00 cp，能夠延緩大麥粉的老化，提高大麥粉的穩(wěn)定性。綜上可知，超微粉碎技術(shù)可以改善大麥的品質(zhì)特性，為基于大麥的功能性食品開發(fā)提供了理論參考。