不同粒徑對超微粉碎大麥全粉品質特性的影響

任曉嬋，張風雪，常婧瑤，馬曉麗，孔保華，胡公社，劉騫,2*

1(東北農業大學 食品學院，黑龍江 哈爾濱，150030)2(黑龍江省綠色食品科學研究院，黑龍江 哈爾濱，150028) 3(美國農業部-農業研究局，國家雜糧和馬鈴薯種質資源研究中心，愛達荷 亞伯丁，83210)

根據大麥表面是否有外殼包被可將其分為有殼大麥(hulled barley)和無殼大麥(hull-less barley)[1]，與有殼大麥相比，無殼大麥含有更豐富的蛋白、β-葡聚糖和抗性淀粉等營養物質[2]。Juile無殼大麥是一種新型食品大麥，與傳統無殼大麥相比，其具有更好的抗凍性和較低的回生值[3]，應用價值較高。目前，對于無殼大麥的研究多集中在無殼大麥淀粉方面，發現其具有較好的溶脹性，持水性、持油性及體外消化性[4]。盡管無殼大麥淀粉具有良好的加工特性，但是單獨提取淀粉的過程復雜、耗時且成本較高，加之提取淀粉后的剩余殘渣中還有大量蛋白質、β-葡聚糖、膳食纖維、酚類化合物等物質[3]，無法對其進行全組分的高效利用。因此，將無殼大麥以全粉的方式應用于食品加工中是非常有意義的。研究發現，由無殼大麥通過粉碎制得無殼大麥全粉保留了完整大麥的全部營養成分，如復雜碳水化合物、抗性淀粉和膳食纖維、蛋白質、維生素、礦物質和植物化學物質(異黃酮、植物甾醇和生物堿)等[5]，使之具有較好的功能特性，成為營養和功能成分的極佳來源。盡管大麥全粉的營養價值高，但經普通粉碎獲得的全粉溶解性較低且利用大麥全粉所制產品的口感較差。因此，有研究發現可通過超微粉碎技術減小大麥全粉粒徑以達到改善全粉的口感和理化功能特性的目的[6]。

超微粉碎是一種將物料粒徑減小至微米或納米的技術，其基于表面效應、光學效應、量子效應和宏觀量子效應等對物料的理化功能特性產生影響[6]。相較于常規機械粉碎，超微粉碎后的物料粒徑更小，品質更佳。ZHAO等[7]將生姜莖進行超微粉碎處理后，研究不同粒度生姜莖粉的理化功能及表面特性的變化，結果表明超微粉碎后的生姜莖粉粒徑較小且分布均勻，體積密度、靜止角和滑動角增大，溶解性顯著增加(P<0.05)。ZHANG等[8]研究發現超微粉碎后的黑莓枸杞粉有良好的分散性和保水性，同時，其花青素含量明顯增加，抗氧化活性不斷增強。此外，超微粉碎技術還能夠提高糊化穩定性、降低回生值。NIU等[9]將小麥淀粉進行超微粉碎，發現隨著小麥淀粉粒徑的減小，表觀黏度降低，糊化穩定性提高。ZHANG等[10]利用超微粉碎制作了5種不同粒徑的薏苡仁粉，研究發現隨著薏苡仁粉粒徑的減小，其糊化溫度從65.04 ℃降至62.78 ℃，且峰值黏度、最終黏度和回生值也不斷降低。盡管超微粉碎可以提高物料的功能理化特性，改善糊化穩定性，降低回生值，還可以通過減小粒徑提高其膳食纖維、β-葡聚糖、蛋白質和酚類化合物等物質的利用率，達到全粉全組分的高效利用。然而，目前關于超微粉碎對無殼大麥全粉的品質特性鮮有報道，且超微粉碎后不同粒徑對無殼大麥全粉品質特性的影響也未可知。

本文測定了不同粒徑大麥全粉的基本組成(水分、蛋白質和淀粉含量)、溶解性、膨潤力、持水性、吸油性和色差，還通過掃描電子顯微鏡和快速黏度分析儀測定不同粒徑大麥全粉的形貌變化和糊化特性，以探究超微粉碎后不同粒徑對Juile無殼大麥全粉的品質特性的影響，并與常規粉碎的Juile無殼大麥全粉進行了比較。以期為大麥全粉的綜合利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

無殼大麥(商品名Juile，品種注冊號CV-351, PI 665006)，美國農業部-農業研究局國家雜糧和馬鈴薯種子資源中心；D-葡萄糖(GOPOD)檢測試劑盒K-GLUC、D-葡萄糖標準液、淀粉葡萄糖苷酶(amyloglucosidase，AGS)，愛爾蘭威克洛Megazyme國際公司；實驗用水均為去離子水；其他試劑均為國產分析純。

HMB-400 B實驗型超微粉碎機，北京環亞天元機械技術有限公司；DFT 50手提式粉碎機，溫嶺市林大機械有限公司；AL-104型精密電子分析天平，北京賽多利斯儀器系統有限公司；RVA-4型快速黏度分析儀，澳大利亞Newport科學儀器公司；HH4型數顯恒溫水浴鍋，上海力辰邦西儀器科技有限公司；SU 8010掃描電子顯微鏡，日本日立集團；Vortex-5渦旋混合器，江蘇海門其林貝爾儀器制造有限公司；ZE-6000型色差儀，日本登宿株式會社；GL-21M高速冷凍離心機，湖南湘儀離心機儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 大麥全粉制備

參照AHMED等[11]的方法并稍有修改，將大麥經普通粉碎機進行粗磨，并過50目篩子得到粒徑為<300 μm的常規粉碎全粉；而后將常規粉碎全粉經超微粉碎機器超微粉碎30 min后，并稱量5份150 g/份的大麥全粉分別過120、160、200、240、280目篩，得到<120、<96、<75、<61和<54 μm的大麥全粉，得率按公式(1)計算：

(1)

1.2.2 掃描電子顯微鏡分析

取適量不同粒徑的大麥全粉粉末于離子濺射儀中，再蒸鍍鉑金膜，在5 kV電壓下將放大倍數調至2 000后進行掃描電鏡的觀察與拍照。

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 食品中水分的測定》進行測定。

1.2.3.2 蛋白含量

按照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》進行測定。

1.2.3.3 淀粉含量

參照LIU等[12]的方法并稍作修改。取25 mg樣品加入5 mL 0.5 mol/L NaOH溶液，磁力攪拌60 min，結束后向其中加入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。溫育結束后，加入8 mL 50 mmol/L磷酸鹽緩沖液(pH 7.40)并渦旋。將0.4 mL上述懸浮液轉移到比色皿中，再加入1 mL GOPOD[D-葡萄糖(GOPOD)檢測試劑盒K-GLUC]溶液，然后將比色皿渦旋并放在37 ℃的水浴鍋中30 min，510 nm處測量吸光度。根據上述整個程序制備試劑空白，試劑空白不添加任何樣品。淀粉含量按公式(2)計算：

(2)

式中：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

參照趙神彳等[3]的方法測定。

1.2.4.2 持水性

參照趙神彳等[4]的方法。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6 000 r/min離心20 min，除去上清液并稱其質量。持水性按公式(3)計算：

(3)

1.2.4.3 吸油性

將樣品和花生油以1∶10質量比渦旋混勻后磁力攪拌30 min，然后以5 000 r/min離心20 min，而后棄去上清液。吸油性計算如公式(4)所示：

(4)

式中：m0，樣品的質量，g；m1，離心管的質量，g；m2，離心后沉淀和離心管的質量，g。

1.2.5 色差分析

利用色差儀進行色差測定。取適量樣品粉末鋪于色差儀的樣品杯內，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。設置參數：使用D 65光源和一個直徑8 mm測量區和直徑50 mm照明區的10°觀察角。結果顯示為L*、a*和b*值。白度值按公式(5)計算：

(5)

1.2.6 糊化特性測定

參照趙神彳等[4]的方法。稱取大麥全粉樣品于鋁盒內，并加入25 mL水，而后將其置于快速黏度分析儀進行測定。

1.3 數據處理

所有實驗均重復3次，結果表示為平均值±標準差。數據分析使用SPSS 22軟件，繪圖工具使用Sigmaplot 14軟件。

2 結果與分析

2.1 不同粒徑大麥全粉的得率

如表1所示，其中，<120 μm的大麥全粉的得率最大(95.04%)，<54 μm的大麥全粉的得率最小(81.75%)，且隨著粒徑的減小，大麥全粉的得率不斷減小。原因可能是隨著孔徑的減小，通過篩子的大麥全粉數量也在減小，導致得率逐漸降低。

2.2 不同粒徑大麥全粉的微觀形態

掃描電子顯微鏡的觀察結果如圖1所示，大麥全粉的微觀形態經超微粉碎后發生顯著變化。粒徑越小，大麥全粉顆粒越均勻。牛瀟瀟等[13]將馬鈴薯渣進行超微粉碎后，過篩得到不同粒度的馬鈴薯渣粉，發現隨著粒徑的減小，顆粒越細碎且馬鈴薯渣粉顆粒大小越均一。與常規粉碎全粉(圖1-a)相比，超微粉碎后的大麥全粉(圖1-b～圖1-f)的顆粒結構被破壞，顆粒多呈碎片狀，粒徑逐漸減小。此外，如圖1-e所示，當大麥全粉粒徑<61 μm時，顆粒間會呈現聚集現象，這可能是在機械粉碎的作用下，大麥全粉的顆粒表面性能被激活，粒徑較小的顆粒間交互面積增加，使得其更容易團簇聚集[14]。JIANG等[14]研究發現辣木葉顆粒隨著粒徑的減小，比表面積不斷增大，靜止角和滑動角不斷增大，流動性增強，使得顆粒間的聚集力增強，同時由于顆粒較小容易吸水導致顆粒團簇聚集，這與本試驗結果相一致。

a-常規粉碎全粉；b-<120 μm的大麥全粉；c-<96 μm的大麥全粉；d-<75 μm的大麥全粉；e-<61 μm的大麥全粉；f-<54 μm的大麥全粉圖1 不同粒徑大麥全粉的微觀結構(×2 000)Fig.1 Microstructure of barley flour of different particle size (×2 000)

2.3 不同粒徑大麥全粉的基本成分

如表2所示，與常規粉碎的大麥全粉相比，經超微粉碎的樣品水分含量顯著降低(P<0.05)，這可能是由于超微粉碎的機械剪切力和摩擦力使得粉體的水分損失，導致超微粉碎全粉的水分含量較低[14]。但經超微粉碎后，隨著大麥全粉粒徑的減小，水分含量顯著增大(P<0.05)。其中，粒徑<54 μm的大麥全粉的水分含量最大，可能是由于粒徑越小，大麥全粉顆粒越易聚集團簇，顆粒越易吸潮，使得水分含量不斷增大[15]。常規粉碎后的大麥全粉蛋白含量最低(13.23%)，經超微粉碎后的樣品蛋白含量顯著增加(P<0.05)，但不同粒徑樣品間無顯著差異(P>0.05)。造成這一結果的原因可能是顆粒中蛋白質含量較高的部分被機械分解成更小的顆粒，蛋白質多儲存在顆粒較小的面粉中，因此顆粒越小蛋白含量越高[11]。淀粉是大麥的主要成分，與常規粉碎全粉相比，超微粉碎后的淀粉含量較大，且淀粉含量隨粒徑的減小不斷增大，最大含量可達到36.07%(<54 μm)。這是由于超微粉碎使得大麥全粉顆粒結構被破壞，且粒徑越小，結構破壞程度越大，使得淀粉能更好地溶出細胞[15]。

表2 不同粒徑大麥全粉的基本成分Table 2 The basic components of barley flour of different particle size

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

如圖2所示，溶解性最高的是粒徑<54 μm的大麥全粉，最小的是常規粉碎全粉，且隨著粒徑的減小，溶解性顯著增大(P<0.05)，這可能是由于超微粉碎破壞了大麥全粉的顆粒結構，且隨著粒徑的不斷減小，粉體的比表面積不斷增大，從而導致其溶解性增強[8]。此外，粉體的幾何結構如孔隙度和形狀也會影響溶解性。ZHANG等[10]研究發現經超微粉碎后，粉體的形狀不斷減小、孔隙率不斷增大，導致各組分在溶解過程中的擴散速率和水化速率加快，使得溶解性增強。同時，經超微粉碎后的大麥全粉中的膳食纖維組分也會發生改變，由不溶性纖維向可溶性纖維轉化，且隨著粒徑的減小，可溶性膳食纖維含量不斷增大，這也將導致樣品的溶解性不斷增大[16]。

膨潤力是衡量樣品水合性能的重要指標之一。如圖2所示，膨潤力隨粒徑變化的趨勢與溶解性相反。其中，常規粉碎全粉的膨潤力最高，超微粉碎后，隨著粒徑的減小，膨潤力顯著降低(P<0.05)，這可能是由于大麥全粉受到機械剪切作用，膳食纖維長鏈轉化成短鏈，使得膳食纖維的空間三維結構被破壞，且可溶性物質的溶出量增加，對水的吸收能力減小，進而導致膨潤力降低[17]。

圖2 不同粒徑大麥全粉的溶解性和膨潤力Fig.2 Solubility and swelling power of barley flour with different particle size注：不同字母表示差異顯著(P<0.05)(下同)

2.4.2 持水性

持水性是評價樣品保水性能的指標。大麥全粉的持水性如圖3所示，常規粉碎全粉的持水性較超微粉碎后大麥全粉的持水性低，可能由于超微粉碎使得大麥全粉的比表面積增大，導致水化作用增強，持水性增加[8,10]。經超微粉碎后，<120 μm和<96 μm的大麥全粉的持水性差異性不顯著(P>0.05)，但隨著粒徑的減小，持水性顯著降低(P<0.05)。這一結果主要是受粒度大小的影響，隨著粒徑的減小，比表面積增大，顆粒結構被破壞，導致維持水分的基質減少，持水性降低[18]。此外，YUAN等[19]認為持水性還與膳食纖維總含量呈正相關，而超微粉碎后隨著粒徑的減小，總膳食纖維含量不斷降低，因此持水性不斷降低。

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

2.4.3 吸油性

由圖4可知，超微粉碎對大麥全粉的吸油性有不利影響。其中，常規粉碎全粉的吸油性最大，但隨著粒徑從120 μm減小到54 μm，吸油性逐漸降低。其原因可能與多糖鏈形成的多孔基質結構有關，由于多糖鏈的結構被破壞，導致其吸油性不斷降低[2]。同時，HUANG等[20]發現吸油性的降低也可能是由于在粉碎過程中蛋白質表面的極性氨基酸殘基被破壞所導致。

圖4 不同粒徑大麥全粉的持水性Fig.4 Oil absorbency of barley flour of different particle size

2.5 不同粒徑大麥全粉的色差變化

顏色直接影響消費者對食品的接受度。不同粒徑大麥全粉的色差如表3所示。

表3 不同粒徑大麥全粉的色差變化Table 3 Color difference of barley flour with different particle size

與常規粉碎的大麥全粉相比，經超微粉碎的樣品亮度值顯著增加(P<0.05)，這可能是由于超微粉碎后的大麥全粉的比表面積增大，使得更容易暴露纖維素和半纖維素的內部結構，從而使超微粉碎后大麥全粉的亮度值較常規粉碎大麥全粉的亮度值高[21]。但超微粉碎后，隨著粒徑的減小，亮度值則不斷降低。原因可能是隨著粒徑的減小，大麥全粉的色素被破壞導致亮度值降低[22]。隨著粒徑的減小，白度值不斷增大，且在<54 μm時達到最大，這可能由于超微粉碎導致大麥全粉受到機械高溫的影響，大麥全粉中的色素發生降解，白度值增大[22]。此外，粒徑的減小也會造成大麥全粉的反射因素增大，導致白度值增加[21]。

2.6 不同粒徑大麥全粉的糊化特性

食品原料的糊化特性在食品應用中起著關鍵作用，表4為不同粒徑大麥全粉的糊化特性。隨著粒徑的減小，糊化溫度逐漸增大?？赡苁怯捎诹降臏p小，小顆粒淀粉含量不斷增大，抑制了淀粉顆粒在糊化過程中的膨脹，導致糊化溫度增高[3]。經超微粉碎后，峰值黏度隨著粒徑的減小不斷降低，其下降原因可能與大麥全粉的膨潤力有關[23]。趙神彳等[3]研究發現膨潤力的降低會導致其峰值黏度降低，由圖2可知，大麥全粉的膨潤力隨粒徑的減小而減小。衰減值表示在糊化過程中淀粉顆粒膨脹破裂的程度[23]，由表4可知，超微粉碎后的大麥全粉的衰減值隨粒徑的減小而降低，但較常規粉碎全粉高。最終黏度表征淀粉在加熱和冷卻過程中形成黏性糊狀物或凝膠的能力[24]。其隨粒徑的減小而減小，這可能由于膨潤力的降低和蛋白膳食纖維等物質在糊化過程中對水的競爭導致其黏度降低[25]。此外，回生值是測定淀粉回生程度和凝膠能力的指標?；厣惦S粒徑的減小而顯著降低(P<0.05)，可能由于隨著粒徑的減小，淀粉損傷逐漸增大，導致其回生值降低。同時，除了淀粉對糊化特性的影響，其他因素如蛋白質、膳食纖維和脂類的存在及其與淀粉的相互作用和顆粒大小等也會影響其糊化特性。YUAN等[19]研究發現蛋白質的存在會抑制淀粉顆粒的膨脹，從而降低其糊化黏度。最后，研究發現較低的回生值和較高衰減值表明樣品的烹飪質量高，因此隨著粒徑的減小，大麥全粉的加工特性越好。

表4 不同粒徑大麥全粉的糊化特性Table 4 Gelatinization characteristics of barley flour with different particle size

3 結論與討論

本文對經超微粉碎處理后不同粒徑的Juile無殼大麥全粉的品質特性進行研究，發現隨著大麥全粉的粒徑逐漸減小，粒度趨于均勻，顆粒表面逐漸光滑，大麥全粉的蛋白含量和淀粉含量分別由13.23%、32.01%增大至14.18%、36.07%。由于粒徑的減小，大麥全粉的膨潤力和持水性逐漸降低，但相比于常規粉碎處理的大麥全粉，超微粉碎處理使得大麥全粉的溶解性增強。同時，隨著顆粒減小，進一步導致黏度降低，回生值由386減小至274 mPa·s，延緩大麥全粉的老化，提高大麥全粉的穩定性。綜上可知，超微粉碎技術可以提高無殼大麥的品質特性，為基于大麥的功能性食品開發提供了理論參考。