熱處理對不同品種青稞全粉結構及理化特性的影響

景孝男 黨 斌,2 楊希娟,2 張文剛,2 張 杰,2 趙萌萌 陳丹碩 張發林

(1.青海大學農牧學院，青海 西寧 810016；2. 青海省農林科學院青海省青藏高原農產品加工重點實驗室，青海 西寧 810016；3. 青海華實科技投資管理有限公司，青海 西寧 810016；4. 青海省青稞資源綜合利用工程技術研究中心，青海 西寧 810016)

青稞俗稱裸大麥，是藏區農牧民賴以生存的糧食作物之一，其營養豐富均衡，具有“三高兩低(高蛋白、高纖維、高維生素和低脂肪、低糖)”的營養特性，富含β-葡聚糖，具有減緩血糖值、提升飽腹感、提高免疫力及穩定血糖值的功效[1]。但青稞硬度大，種皮厚，其營養物質主要分布在青稞外層結構種皮及胚芽中，堅硬的外層結構保護青稞籽粒內部免受損傷的同時也造成了青稞籽粒難以研磨、加工。

近年來，熱處理方式被廣泛應用于各種全谷物原料中，最常用的技術有過熱蒸汽、遠紅外、微波加熱處理。吳紹華等[2]發現適當的過熱蒸汽處理可以提高全麥粉的加工特性；張月蘭等[3]發現紅外烘烤處理可使小麥總體呈更加金黃的色澤，可更好地保持小麥胚淀粉顆粒和蛋白質的天然微觀結構；任國寶等[4]發現適度的微波輻照處理能夠增加面粉的粉質穩定時間，提高面糊的峰值黏度和回生值。上述研究表明熱處理技術能夠一定程度地改善全谷物的加工特性。

熱處理會對谷物理化性質產生一定影響，但有關熱處理對青稞理化性質的影響尚缺乏系統性研究，尤其是熱處理對不同品種青稞營養成分、粉體特性、微觀結構表征的影響尚未見報道。文章擬以青海主要推廣的3種粒色青稞[昆侖15號(黃粒)、肚里黃(藍粒)、昆侖20號(黑粒)]為原料，研究熱處理方式(過熱蒸汽、遠紅外烘烤、微波烘烤)對青稞微觀結構及理化特性的影響，以期改善青稞全粉的加工特性，為青稞產品開發提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

昆侖15號、昆侖20號和肚里黃青稞：青海省農林科學院；

乙醇、石油醚、甲醇、鹽酸：分析純，天津市富宇精細化工有限公司；

碳酸氫鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

試驗用水為去離子水。

1.2 儀器與設備

過熱蒸汽瞬時滅菌設備：WS-FMD15型，江蘇萬創滅菌設備科技廠區；

格蘭仕微波爐：G80F20CN1L-DG(S0)型，佛山市順德區格蘭仕微波爐電器有限公司；

遠紅外線食品烘爐：CK-2型，廣州市麥盛烘焙設備有限公司；

色差計：WSC-S自動型，日本HITACHI公司；

高分辨掃描電子顯微鏡：JSM-6610型，日本HITACHI公司；

傅里葉變換紅外光譜掃描：Nicolet6700型，美國Thermo Fisher Scientific公司；

X射線衍射儀：D/MAX2500X型，荷蘭帕納科公司；

同步熱分析儀：STA 449 F3型，德國耐馳儀器制造有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品處理 將一定質量的青稞籽粒預處理至水分含量20%[5]，并按以下3種熱處理方式進行處理，冷卻至室溫后貯藏備用。

(1) 過熱蒸汽：取青稞籽粒300 g，用過熱蒸汽瞬時滅菌設備對青稞籽粒進行處理。處理溫度190 ℃，處理時間70 s。

(2) 遠紅外烘烤：取青稞籽粒100 g平鋪于烘盤上，上、下火150 ℃烘烤40 min。

(3) 微波烘烤：取青稞籽粒100 g平鋪于玻璃器皿中，微波功率800 W下處理150 s。

1.3.2 青稞全粉營養成分測定

(1) 水分：參照GB 5009.3—2010。

(2) 脂肪含量：參照GB/T 5009.6—2003。

(3) 總膳食纖維：參照GB 5009.88—2014。

(4) 灰分：參照GB 5009.4—2010。

(5) 總淀粉：采用TOTAL STARCH試劑盒。

(6) 粗蛋白：參照GB 5009.5—2016。

1.3.3 青稞全粉的色度和結構表征

(1) 色度：采用色差計進行檢測，同一樣品測定3次取平均值。

(2) 電子顯微形態觀察：參照文獻[6]并稍作改動，取適量青稞麩皮粉樣品置于樣品臺上，于真空噴鍍儀內使樣品噴金導電，采用掃描電子顯微鏡觀察樣品表觀結構，電壓為15 kV。

(3) 熱分析：準確稱取3 mg樣品和6 mg去離子水于鋁制坩堝中，加蓋密封。采用差示掃描量熱法測定樣品的熱力學性質，并在充N2的條件下進行試驗，升溫速率10 ℃/min，測定范圍22～200 ℃[7-8]。

(4) 傅里葉變換紅外光譜掃描：參照曹龍奎等[9]的方法。

(5) X射線衍射：參照曹龍奎等[9]的方法。

1.3.4 青稞全粉的粉體特性分析

(1) 休止角與滑角：參照易甜等[10]的方法。

(2) 膨脹力：參照符群等[11]的方法。

(3) 堆積密度與振實密度：參照陳如等[12-13]的方法。

(4) 持水性和持油性：參照Li等[14]的方法。

(5) 糊化特性：參照趙萌萌等[15]的方法。

1.4 數據處理

所有試驗均重復3次，利用Excel、Origin 2019和SPSS 25軟件進行數據統計分析及繪圖，顯著性差異采用LSD多重比較法，相關性分析采用Pearson雙側檢驗法。

2 結果與分析

2.1 熱處理對青稞全粉營養成分的影響

由表1可知，青稞經熱處理后粗蛋白含量均略微上升，但差異不顯著，與鄧家汶等[2]的結果一致；粗脂肪含量均顯著上升(P<0.05)，其中過熱蒸汽處理的增幅最大，其次是遠紅外烘烤和微波烘烤，主要是由于谷物中的脂肪一部分與淀粉或蛋白相結合，另一部分則以游離脂酸的形式存在，適度處理使脂肪與蛋白的結合力變弱，從而使部分結合脂肪由結合態變為游離態[16]?？偟矸酆烤陆?，其中微波烘烤的下降幅度最大，下降了11.38%，而過熱蒸汽處理的下降了2.04%，遠紅外烘烤的下降了9.17%，可能是由于熱處理導致部分淀粉分解為糊精或還原糖[17]，導致青稞中總淀粉含量降低，與申瑞玲等[18]的結果一致?；曳趾烤兴仙?，可能是熱處理過程中，水分含量下降，青稞籽粒皮層產生微膨化效果[19]，降低了青稞麩皮的韌性，使青稞麩皮在制粉過程中更容易破碎，灰分含量上升，與趙波[1]的結果一致。粗纖維含量顯著上升(P<0.05)，其中遠紅外烘烤的上升幅度最大，上升了29.10%，而微波烘烤和過熱蒸汽的分別上升了15.53%，8.17%，可能是由于高溫條件下，分子運動加劇，易于膳食纖維溶出[20]。

表1 熱處理對青稞全粉營養成分的影響?

2.2 熱處理對青稞全粉結構表征的影響

2.2.1 色度值 由表2可知，經熱處理后，青稞亮度值(L*)顯著下降(P<0.05)，下降幅度為過熱蒸汽>遠紅外烘烤>微波烘烤，可能是過熱蒸汽、微波和遠紅外烘焙處理使青稞全粉的灰分含量升高，引起青稞粉亮度值降低[21]；紅綠值(a*)和黃藍值(b*)顯著增加(P<0.05)，增加幅度為遠紅外烘烤>過熱蒸汽>微波烘烤。研究[22]發現，熱處理會導致谷物發生輕微的美拉德和焦糖化反應，使麥麩的黃色和紅色加深。溫度和時間是美拉德反應中最重要的影響因素，遠紅外烘烤時間最長，因此，其對青稞粉的a*值和b*值的影響更大。過熱蒸汽和微波烘烤對a*值和b*值的影響相對較低，可能是由于處理時間短，參與美拉德反應的蛋白和還原糖含量較低[23]；從總色差值(ΔE)可以看出，經熱處理后，青稞總色差均低于對照組，說明3種處理方式均未對青稞本身的色澤造成破壞，仍保持其原有的色澤。

表2 熱處理對青稞全粉色度值的影響?

2.2.2 電鏡掃描 由圖1可知，對照組中淀粉顆粒飽滿，球體結構輪廓清晰且表面附著蛋白質基質。經過熱蒸汽處理后，淀粉顆粒與蛋白質基質脫離發生塌陷變形，表面粗糙且有不同程度的凸起，可能是由于淀粉糊化和蛋白質變性造成的[24]；經遠紅外烘烤后，一部分淀粉顆粒仍保持球體結構但體積明顯膨脹，可能是由于遠紅外烘烤處理對青稞全粉中的淀粉起到了一定的膨化作用[3]；經微波烘烤后，淀粉粒表面的蛋白質基質與淀粉粒脫離，小淀粉顆粒破裂，大淀粉顆粒仍保持結構完整，可能是由于微波烘烤在淀粉粒中產生較大的蒸氣壓，結構強度較小的小淀粉顆粒破裂。綜上，遠紅外和微波烘烤的青稞全粉淀粉結構保存更完整，過熱蒸汽處理后淀粉結構破壞嚴重。

圖1 熱處理后青稞全粉電鏡圖

2.2.3 熱分析 由表3可知，過熱蒸汽和微波烘烤使青稞全粉糊化溫度上升，遠紅外烘烤降低了青稞全粉的糊化溫度。昆侖15號經過熱蒸汽處理后糊化焓增加了33.61%，經遠紅外和微波烘烤后糊化焓分別降低了39.22%和30.07%；肚里黃經過熱蒸汽、遠紅外和微波烘烤后糊化焓分別增加了1.55%，16.08%，1.87%；昆侖20號經過熱蒸汽、遠紅外和微波烘烤后糊化焓分別降低了13.02%，62.68%，7.67%。糊化溫度和糊化焓的降低，可以降低糊化所需的能量，從而縮短蒸煮時間，降低加工難度[25]。綜上，昆侖15號和昆侖20號適宜使用遠紅外烘烤，肚里黃適宜使用過熱蒸汽處理。

表3 熱處理對青稞全粉熱分析的影響?

2.2.4 X射線衍射 由圖2可知，經熱處理后，青稞樣品的衍射峰強度明顯增大，結晶特性發生明顯變化。2θ均在15.3°，17.4°，18.1°，20.1°，23.3°(峰1～峰5)處有明顯的衍射峰，呈A型淀粉晶型，與文獻[26]報道一致。其中，2θ為17.4°和18.1°處的衍射峰是相連的雙峰，20.1°處的主峰是一種內源性淀粉脂質化合物[27-28]。與原青稞全粉相比，經過熱蒸汽處理后峰1、峰2、峰4和峰5被抑制消失，在20.1°處結晶峰(峰3)變得尖銳，吸收峰增強，結晶度顯著下降。這可能是由于過熱蒸汽的水分子吸收了強輻射熱，變成高能水分子，穿透在淀粉顆粒內部，作用于淀粉結晶區，螺旋結構發生轉變，結晶結構遭到破壞所導致[29]。經遠紅外烘烤后5個衍射峰位置并未改變，與對照組相比峰形變得清晰，說明遠紅外烘烤未改變青稞粉的結晶特性。經微波烘烤后，可以觀察到峰3和峰4，其余吸收峰變得彌散未被觀察到，可能是由于微波烘烤破壞了淀粉的微觀結構[30-31]。

圖2 熱處理后青稞全粉X射線衍射圖譜及相對結晶度Figure 2 X-ray diffraction pattern and relative crystallinity of highland barley powder afterdifferent stabilization treatments

2.2.5 傅里葉變換紅外光譜掃描 由圖3可知，3 700～3 000 cm-1處出現較強的寬展圓滑的吸收峰是O—H的伸縮振動產生的[31]，熱處理前后，青稞均在3 400 cm-1處出現吸收峰；在2 932 cm-1處出現一個弱吸收峰，是糖類甲基C—H的反對稱伸縮振動所致[31]；1 656 cm-1處有一個較大的吸收峰，為—COOH的吸收峰，表明青稞全粉中含有康、糖醛酸[32]；1 000～1 200 cm-1處是糖類C—O的收縮振動，其中1 160 cm-1處是半纖維素和纖維素C—O—C伸縮振動所致[33]；1 049 cm-1處的吸收峰是由糖環C—O—C的C—O伸縮振動所致，是多糖類另一特征吸收峰[34]；綜上，不同品種的青稞經熱處理后無新的基團生成，粉體結構未發生改變。

圖3 熱處理后青稞全粉的傅里葉變換紅外光譜圖Figure 3 Fourier transform infrared spectrum of highland barley powder after different stabilization treatments

2.3 熱處理對青稞全粉粉體特性的影響

2.3.1 膨脹力 由圖4可知，處理前不同品種青稞之間膨脹力差異不顯著。經熱處理后，青稞膨脹力顯著增加(P<0.05)，增加幅度為過熱蒸汽>微波烘烤>遠紅外烘烤。綜上，熱處理會顯著增加青稞粉的膨脹力，其中過熱蒸汽處理的效果最顯著。

同一品種不同處理之間字母不同表示差異顯著(P<0.05)圖4 熱處理后青稞全粉的膨脹力

2.3.2 持水性和持油性 由圖5可知，經熱處理后，青稞的持油性有所下降，持水性顯著增加(P<0.05)。其中處理前肚里黃與昆侖20號的持水性相當，均小于昆侖15號的，過熱蒸汽處理后的持水性增幅最大，分別為75.11%，111.07%，87.25%，微波烘烤的次之。處理前昆侖15號與肚里黃的持油性相當，均小于昆侖20號的，遠紅外烘烤后的持油性下降幅度最大，分別為13.60%，16.04%，19.17%。綜上，熱處理有利于青稞持水性的增加和持油性的降低。

2.3.3 休止角與滑角 由圖6可知，經熱處理后，青稞休止角和滑角均有所增加，說明流動性下降。其中熱處理前昆侖15號與昆侖20號的休止角相當，均大于肚里黃的。經熱處理后昆侖15號的休止角變化不顯著，肚里黃經過熱蒸汽和遠紅外烘烤后休止角顯著增加(P<0.05)，微波烘烤的變化不顯著；昆侖20號經遠紅外和微波烘烤后休止角顯著增加(P<0.05)，過熱蒸汽處理的變化不顯著；熱處理前昆侖20號的滑角最大，其次是肚里黃和昆侖15號的。經熱處理后，青稞粉的滑角均顯著增加(P<0.05)，其中昆侖15號和昆侖20號經遠紅外和微波烘烤后的增加幅度最大，分別為33.80%，11.19%；肚里黃經遠

同一品種不同處理之間字母不同表示差異顯著(P<0.05)圖5 熱處理后青稞全粉的持水性和持油性Figure 5 The water and oil holding properties of the whole highland barley powder afterdifferent stabilization treatments

同一品種不同處理之間字母不同表示差異顯著(P<0.05)圖6 熱處理對青稞全粉休止角與滑角的影響Figure 6 Effects of different stabilization treatments on Angle of repose and Angle of slip of whole barley powder

紅外烘烤后的增加幅度最大，為17.14%。綜上，遠紅外和微波烘烤會使青稞休止角和滑角顯著增大(P<0.05)，流動性變差。這主要是因為青稞全粉中膳食纖維含量高，經熱處理后膳食纖維結構被破壞，表面變得粗糙，在磨粉過程中更易破碎為更小的顆粒，導致密度變大，粉體之間靜摩擦系數增大，流動性變差[35]。

2.3.4 堆積密度與振實密度 由圖7可知，熱處理前，各青稞樣品之間的堆積密度與振實密度差異不顯著，經熱處理后青稞粉的堆積密度與振實密度均顯著增加(P<0.05)。其中昆侖15號和肚里黃經過熱蒸汽處理后的堆積密度增幅最大，其次是遠紅外和微波烘烤，分別增加了22.52%，18.21%，11.31%。昆侖20號經遠紅外烘烤后的堆積密度增幅最大，其次是過熱蒸汽和微波烘烤，分別增加了21.81%，11.73%，12.71%。昆侖15號、肚里黃、昆侖20號經遠紅外烘烤后的振實密度增幅最大，分別為80.43%，77.03%，90.53%。綜上，經熱處理后的青稞全粉更易壓縮，其疏松性、填充性和成型性相對較好[36]。

2.3.5 糊化特性 由表4可知，昆侖15號和肚里黃經過熱蒸汽處理后，其峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、崩解值和回生值均顯著提升(P<0.05)，而經遠紅外和微波烘烤后顯著下降(P<0.05)。昆侖20號經3種熱處理后的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、崩解值和回生值均顯著下降(P<0.05)。由于過熱蒸汽處理溫度高，導致脂質與蛋白質之間結合力減弱，脂類轉向與淀粉結合，油脂會滲透到淀粉分子內部并與其中的直鏈淀粉分子形成復合物，而這種復合物會顯著降低淀粉顆粒的膨脹性，從而使青稞全粉的黏度提高。青稞經熱處理后，糊化溫度均呈不同程度的上升，可能是熱處理導致谷物中淀粉交聯度增加，從而導致其糊化溫度升高[37]。研究[38]表明，糊化特性與面制品的各種性質有著密切關系，面粉生產出來的蛋糕、面包、面條及饅頭等往往具有更好的質構和口感。因此，過熱蒸汽處理青稞將有利于改善青稞全粉的加工特性，提高面制品品質。

同一品種不同處理之間字母不同表示差異顯著(P<0.05)圖7 熱處理后青稞全粉的堆積密度與振實密度Figure 7 Bulk density and vibrational density of highland barley powder after different stabilization treatments

表4 熱處理對青稞全粉糊化特性的影響?Table 4 Effects of different stabilization treatments on total pulverization characteristics of highland barley

3 結論

3種熱處理方式均對青稞微觀結構及理化特性具有一定影響。經熱處理后，青稞全粉的粗蛋白、粗脂肪、粗纖維及灰分含量均增加，而其總淀粉含量均減少；青稞全粉亮度下降，組織形態和晶體結構改變，但未顯著改變青稞的官能團結構；青稞全粉的膨脹力、堆積密度、振實密度、持水性、糊化溫度均顯著增加(P<0.05)，但其持油性顯著降低(P<0.05)；此外，過熱蒸汽處理增加了青稞全粉的各黏度值、回生值及崩解值，而微波及遠紅外烘烤的則反之。綜合分析，過熱蒸汽處理的青稞粉的理化性質較好，因此可優先推薦其作為青稞的熱處理方式。青稞全粉在貯藏過程中會發生一系列復雜的理化變化，因此后續可繼續探索熱處理對青稞貯藏穩定性的影響。