辊式磨及行星球磨对不同硬度小麦的淀粉损伤探析

田建珍，姚 阳，沈莎莎，郑学玲，刘 翀，韩小贤

（河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001）

0 前言

辊式磨粉机与行星球磨机同属机械粉碎设备，但二者的粉碎方式、粉碎机理及应用范围有很大不同.前者利用磨辊的剪切、挤压作用粉碎物料，是小麦制粉的主要设备；后者则是依靠研磨球在研磨罐内的摩擦与撞击作用粉碎样品.由于辊式磨等常规的研磨方式很难将粮食粉状颗粒再细化粉碎，因此，球磨在淀粉等颗粒的进一步细化粉碎研究中采用较多[1-6]，也有用于麸皮中糊粉层的分离提取研究[7].

小麦淀粉是以淀粉粒的形式存在其胚乳细胞中，在研磨粉碎过程中难免会造成颗粒的损伤，其损伤的程度与小麦的籽粒特性、粉碎方式、粉碎强度等多种因素有关.辊式磨粉机与撞击松粉机相结合对小麦粉淀粉损伤的研究报道很多[8-10].小麦籽粒硬度、小麦粉粒度与损伤淀粉含量的关系也已清楚，但在研磨过程中，小麦胚乳颗粒的粉碎状况，以及淀粉颗粒受损伤的过程人们还在不断探索[11-15].球磨作为一种粉碎设备，若对小麦面粉及淀粉进行细化粉碎，其颗粒的形态、粒度及特性会产生哪些变化，球磨粉碎与辊式磨粉机的粉碎有何差异，笔者拟通过粉碎试验进行探讨.选用3 种不同硬度的小麦，在相同的条件下用磨粉机进行研磨，之后分别对小麦粉与淀粉进行球磨处理，通过分析不同硬度的小麦、面粉及淀粉在粉碎过程中颗粒的粒度、表观特性、淀粉的损伤程度等相关特性的变化，探讨颗粒粉碎的一些基本规律，为小麦研磨粉碎的深入研究以及小麦面粉与淀粉的改性提供一些基础数据支撑.

1 材料与方法

1.1 试验材料

在小麦加工厂分别选取3 种不同硬度的小麦：郑麦366、豫麦49-198 和混合软麦，文中依次用1# 麦、2# 麦与3# 麦表示.3 种小麦的籽粒特性见表1.

1.2 主要仪器与设备

SKCS-4100 单籽粒谷物特性测定仪：瑞典Perten 仪器公司；MLU202 型实验磨：瑞士Buhler 公司；XQM-2L 行星式球磨机：长沙米琪设备有限公司；S-3400N 电子扫描电镜仪：日本株式会社高新技术那珂事业所；BT-9300H 型激光粒度仪：丹东市百特仪器有限公司；高速冷冻离心机：美国Beckman 有限公司；冷冻干燥机：北京博仪康实验仪器有限公司；RVA-4 型快速黏度分析仪：澳大利亚Newport Scientific 公司；D8-Advance 型X-射线衍射仪:德国Bruker AXS 仪器公司；FOSS 全自动凯氏定氮仪：丹麦FOSS 福斯仪器有限公司.

表1 小麦籽粒特性Table 1 The grain characteristics of wheat

1.3 试验方法

1.3.1 小麦制粉

用SKCS-4100 系统测试小麦籽粒硬度，参照AACC 26-20 方法，入磨水分及润麦时间分别为：1# 麦15.5%（润麦24 h）；2# 麦14.5%（润麦18 h）；3# 麦：13.5%（润麦16 h）.水分调节之后在Buhler实验磨上研磨制粉.

1.3.2 小麦粉球磨处理

为保证小麦粉样品中淀粉有一定的损伤梯度，同时避免球磨研磨温度的升高对样品特性造成影响.通过反复试验后采取较低转速、较长的研磨时间.

球磨处理小麦粉条件：料球质量比3∶1，球磨转速200 r/min，研磨时间梯度：5、10、15 h.实测粉碎后样品的温度分别为32、35、37 ℃，室温：（14±1）℃.

1.3.3 淀粉球磨处理

淀粉的制备方法采用马丁法[16]，制得的淀粉采用冷冻干燥设备进行干燥.

球磨处理淀粉条件：料球质量比3∶1，球磨转速350 r/min，研磨时间梯度：2、4、6 h，室温：（14±1）℃.为避免温度过高，每处理1 h 冷却（40±1）min.

1.3.4 电子扫描电镜观察

用镊子取少许的淀粉颗粒放到具有导电作用的双面胶上，固定在载物台上，对其进行喷金，然后用电子扫描显微镜观察，放大倍数为800 和3 000.

1.3.5 基本组分及相关特性测定

小麦粉水分含量测定采用GB 5497—85；粗蛋白含量测定采用GB/T 5009.5—2010；粗淀粉测定采用1%盐酸旋光法；湿面筋含量测定采用GB/T 5506.4—2008；损伤淀粉含量测定采用损伤淀粉试剂盒测定，参照AACC 76—31 方法；沉降值测定参照AACC 56—61A 方法；降落数测定采用GB/T 1036—2008；糊化特性测定执行GB/T 14490—2008.

1.3.6 数据处理

用SPSS17.0 分析软件对试验数据进行处理和差异性分析，并用origin8.5 进行制图.

2 结果与分析

2.1 辊式磨研磨后不同硬度小麦的出粉率及损伤淀粉含量变化

布勒实验磨皮磨系统采用齿辊，将胚乳从皮层上逐步剥刮分离出来送往心磨，心磨以出粉为主并配置了光辊.该研磨系统1M 磨是主要的出粉部位，取粉率最高，其次是2M 磨，各道皮磨出粉较少.表2 为辊式磨不同系统的取粉率，可以看出，各系统出粉符合上述规律，但不同硬度小麦之间差异较大.1# 麦的1M 磨取粉率高达40.42%，3#麦仅为26.95%；3# 麦各道皮磨的取粉率均高于1#、2# 麦.由此可见，在研磨条件相同的条件下，小麦籽粒硬度差异对研磨效果会产生较大影响.1#、2# 麦由于硬度较高，造渣、心性能好，送往1M 磨的物料较多，1M 磨取粉率相应较高；3# 麦硬度较低，麦皮与胚乳不易分离，且胚乳易于磨碎成粉，各道皮磨的取粉率相应提高，使得送往1M 磨的物料相对减少，加之筛理分级性能较差，故1M 磨及总取粉率都受到影响.

表2 不同系统取粉率Table 2 Yield of different wheat millstreams %

图1 显示了不同系统小麦面粉中损伤淀粉含量的变化，可以看出，心磨粉的损伤淀粉含量均略高于皮磨粉，且小麦硬度越高差异越显著.此结果与Yu jinglin 等[17]的实验结果相同.心磨系统研磨轧距较小，加之心磨物料均已经过了齿辊的研磨，所以心磨粉的损伤淀粉含量相对较高.1#、2# 麦与3# 麦相比，各道小麦粉的损伤淀粉含量均明显增大，可见硬度对小麦淀粉损伤的影响较大.

图1 不同系统小麦粉损伤淀粉含量Fig.1 Damaged starch content of wheat flour

2.2 辊式磨与球磨研磨后小麦面粉的颗粒特征及特性变化

2.2.1 辊式磨研磨后小麦面粉的颗粒特征

用电子扫描显微镜观察3 种不同硬度小麦粉的表观特征，结果见图2.在相同条件下经实验磨粉机研磨后，不同硬度小麦面粉的表观特征有较大差异.1#麦面粉中除少量散落的淀粉颗粒外，还可看到淀粉颗粒仍被蛋白质基质包裹的团粒；2#麦面粉中部分淀粉呈单颗粒游离状态且表面黏结有蛋白，也有部分淀粉颗粒被蛋白质组织包裹；3#麦面粉中淀粉颗粒大部分呈游离状态，小部分被蛋白质组织包裹，但呈现松散状态.

除此之外，3 000 倍的电镜图清晰地展示了1#麦面粉中淀粉颗粒表面受到损伤的状态，位于较大面粉颗粒表层的多个淀粉粒表面显示有深浅不一的伤痕.此现象与Sakhare 等[18]以及Yu jinglin等[17]电镜观察的淀粉损伤状态有较大差异.Sakhare电镜图中所标注的皮磨及心磨系统粉中的损伤淀粉均为散落的单粒淀粉.Yu jinglin 的电镜图中显示的从不同系统面粉提取出的淀粉中，其淀粉颗粒受损端面大多不整齐拟似受过侵蚀.

以往的研磨实验也表明，在相同的条件下，筛理分级后的小麦面粉其粒度越小损伤淀粉含量越高[8-9，19].图2 显示，并非较大的面粉颗粒不易受到损伤，而是因为仅伤到了颗粒外层的淀粉，故颗粒越大，其损伤淀粉所占的比重越小.在研磨粉碎的过程中，较大颗粒胚乳反而与磨辊表面接触的几率较高，硬度较高时，更易造成淀粉颗粒表面的刮伤与擦伤.

小麦胚乳中蛋白质与淀粉颗粒的结合程度不同，在粉碎过程中呈现不同的特性.硬麦蛋白质与淀粉颗粒结合紧密，在粉碎过程中，多数情况下颗粒是从蛋白质基质与淀粉颗粒交界处破碎，也有将淀粉颗粒直接破碎[17].除此之外，淀粉颗粒表面的擦伤、切伤应该也是淀粉损伤的一个原因，只是不易观察到.

在2# 麦与3# 麦面粉的电镜图中未观察到损伤淀粉（或许与观察视野及其他因素有关，毕竟损伤淀粉所占的比重较小）.

图2 辊式磨研磨后小麦粉电镜扫描图Fig.2 SEM photographs of wheat flour from roller mill ground

2.2.2 行星球磨研磨后小麦面粉的颗粒特征

图3 是3 种不同硬度小麦面粉经行星球磨研磨5 h、15 h 后的电子扫描电镜图.经过5 h 的球磨研磨后，1# 麦面粉中除单粒淀粉外，仍能看到一些淀粉颗粒与蛋白质基质紧密结合的团粒，只是粒度减小了许多；2#麦与3#麦面粉中看到的主要是单粒淀粉，许多淀粉粒外层已剥落破损.而经过15 h球磨研磨后，3 种小麦面粉中与蛋白质基质结合的淀粉颗粒均已散落开来，蛋白质基质碎片被进一步粉碎，难与小淀粉颗粒分清.大的淀粉颗粒在磨球的挤压与摩擦作用下，形态发生明显的变化，淀粉颗粒直径增大，厚度减小，表面粗糙且形状不规则.1# 麦面粉中淀粉的变形尤为明显，在磨球较大的压力和撞击作用下，淀粉颗粒产生较大的塑性变形、破裂、成块或成片的剥落；相比之下，3# 麦面粉的破碎程度更高.

图3 球磨研磨后小麦面粉电镜扫描图Fig.3 SEM photographs of wheat flour from ball mill ground

2.2.3 辊式磨与球磨研磨后小麦面粉的粒度变化

表3 为3 种不同硬度小麦经辊式磨和球磨研磨后小麦面粉的粒度，结果显示，3 种不同硬度的小麦经实验磨粉机研磨后其面粉粒度差异显著.1#麦与2# 麦面粉的D90 与D50 明显高于3# 麦面粉的对应值，由此说明硬度高的小麦面粉含大颗粒的粉粒较多，这与电镜图结果一致.

采用200 r/min 的转速，经球磨机研磨5 h 后，1# 麦与2# 麦面粉的D90 由83.43～83.54 μm 减小至44.61～45.10 μm，而3# 麦面粉的D90 则由69.71 μm 减小至47.73 μm，可见1# 麦与2# 麦面粉的D90 减幅较大.3 种小麦面粉的D50 也有所减小，但幅度较小.说明球磨机研磨过程中大颗粒物料更容易被粉碎.然而，随着球磨研磨时间延长至10 h 和15 h 后，小麦面粉粒径的变化幅度很小，2# 与3# 麦面粉的粒径甚至稍有增大.可见当物料粒径减小到一定程度后，仅靠延长研磨时间来减小颗粒的粒径收效甚微.

表3 研磨后小麦面粉粒度变化Table 3 Particle size distribution of wheat flour from ball mill ground

2.2.4 辊式磨与球磨研磨后小麦面粉的理化指标变化

辊式磨与球磨研磨后小麦面粉的理化指标见表4.

表4 不同损伤程度小麦面粉理化指标Table 4 Physical and chemical indicators of wheat flour from ball mill ground %

表4 数据显示，各项理化指标中面粉的损伤淀粉含量变化幅度最大.经实验磨粉机研磨后，3种不同硬度的小麦面粉中的损伤淀粉含量差异显著，1#麦面粉中损伤淀粉含量达8.18%，3# 麦面粉仅为3.88%.还可看出，3 种不同硬度的小麦面粉经球磨机研磨后，其损伤淀粉含量的增幅有较大差异.研磨5 h 后，1# 麦与2# 麦面粉的损伤淀粉含量的增幅较小，而延长至10 h 和15 h 后增幅明显提高.3# 麦面粉在研磨5 h 后，其损伤淀粉含量就显著增大，随着研磨时间的延长仍有较大增幅.由此可见，研磨物料的粒度，以及淀粉粒与蛋白质基质的结合紧密程度对球磨研磨中淀粉粒的损伤程度有较大影响.

球磨与辊式磨粉机研磨虽然都属于机械粉碎，但对物料的作用时间和强度有很大不同.磨粉机的研磨区域较短，3# 麦胚乳颗粒由于强度较低，在研磨区域内相对较容易粉碎成细小颗粒的面粉，周转研磨的次数较少，故损伤淀粉含量相对较低；球磨机则是持续不断的对物料进行较高强度的粉碎，在相同的作用力及作用时间内，3# 麦面粉由于淀粉颗粒与蛋白质基质的结合相对较弱，淀粉颗粒易于与蛋白分离，而与磨球接触的几率增大，更容易被粉碎，故淀粉损伤含量较高.

2.3 辊式磨与球磨研磨后小麦淀粉的颗粒特征及损伤淀粉含量变化

2.3.1 辊式磨与行星球磨研磨后小麦淀粉的颗粒特征

3 种不同硬度小麦淀粉的电镜扫描图和粒度分布情况见图4 和表5.

图4 淀粉的电镜扫描图Fig.4 SEM photographs of wheat starch

表5 小麦淀粉粒度分布Table 5 Particle size distribution of wheat isolated starch from ball mill ground

由图4 可以看出，经辊式磨研磨后分离出的淀粉均呈现光滑的颗粒表面，多为大小不一的椭圆形和圆形.而经过6 h 球磨处理后，虽然有一些小麦淀粉颗粒在磨球撞击与挤压作用下破碎，而另一些颗粒则是以塑性变形为主，淀粉颗粒仅被压扁变形.在相同的扫描电镜视野中观察到，淀粉粒表面粗糙凹凸不平，形状不规则；厚度变薄了，同时一些大颗粒的直径明显变大了；还有一些淀粉颗粒部分断裂，一些淀粉受到磨球的撞击，挤压在一起成为片状.球磨处理6 h 后，3 种不同硬度小麦淀粉外形变化有一定差异，但与小麦硬度的相关性不明显.

从表5 可以看出，3 种不同硬度小麦淀粉颗粒分别经过球磨2 h、4 h、6 h 后，随着球磨时间的延长，小麦淀粉的平均粒径（D50）、体积平均粒径、面积平均粒径均呈现逐渐增加的趋势，这与电镜观察结果相一致.

本试验所观察球磨研磨后小麦淀粉颗粒的表观特征与Gabriela 等[14]观察到的经碟片磨机械损伤后的小麦淀粉颗粒表观特征有较大差异，但粒度均有所增大，且形成原因相近.

2.3.2 辊式磨与行星球磨研磨后小麦淀粉的损伤含量变化

图5 显示从3 种小麦粉中提取的淀粉的损伤含量均低于面粉中的相应值，与Yu jinglin 等[17]测试实验磨的系统粉与淀粉的损伤含量变化呈相同趋势.分析其原因可能与淀粉分离过程中已损伤淀粉的流失有关（有待进一步考证）.图5 显示，不同硬度小麦的淀粉经球磨研磨后，其损伤淀粉含量急剧增加，并随着球磨时间的延长，损伤淀粉含量逐渐增加.其原因应与研磨淀粉时球磨采用了较高的转速（350 r/min）有关，磨球的作用惯性力与其转速的平方成正比，作用力越大淀粉越易造成损伤.比较3 种不同硬度的小麦淀粉，其损伤程度的增幅有一定差异，3# 麦在研磨2 h 后的增幅高于1#、2# 麦的值，说明其更易造成损伤.

图5 淀粉的损伤含量Fig.5 Damaged starch content of isolated starch

图6 为1# 麦与3# 麦淀粉的X-射线衍射图谱，2# 麦淀粉的X-射线衍射图谱与1# 麦图谱相近.可以看出，经辊式磨研磨后提取的2 种不同硬度小麦淀粉（图中0 h），在15°、17°、18°、23°均有较强的衍射峰，其中17°、18°附近为相连的双峰，另外在20°有一较弱的单峰.小麦淀粉粒晶体结构呈现典型的“A 型”特征.Yu jinglin 等[17]的实验也证实辊式磨粉机研磨对不同硬度小麦淀粉的结晶度没有太大影响.

小麦淀粉经球磨研磨后，均随着处理时间的延长，衍射峰的强度逐渐减弱，此结果与文献[21-22]的研究结果相同.但2 种不同硬度小麦淀粉衍射峰值变化的强度有所不同.1# 麦淀粉经球磨处理2 h、4 h 后，衍射峰的强度呈梯度下降，球磨6 h后衍射峰几乎消失.而3# 麦淀粉经球磨处理2 h后，衍射峰的强度就明显减弱；处理4 h 后仅有微弱的峰值，6 h 后衍射峰几乎消失.试验结果与损伤淀粉含量的变化相近似.由此可见，硬度低的小麦淀粉在球磨过程中，晶体结构更易遭到破坏.

图6 淀粉的X-射线衍射图谱Fig.6 X-ray diffraction properties of isolated starch

3 结论

在辊式磨粉机研磨过程中，硬度较高的胚乳颗粒易于造成淀粉损伤的结论得到了进一步验证，扫描电镜图清晰显示了磨辊在硬麦粉中较大颗粒的表层淀粉上留下的伤痕.由此推测，虽然细小粉粒中损伤淀粉含量一般较高，但并不意味着较大胚乳颗粒不易受到损伤，研磨过程中较大胚乳颗粒与磨辊表面接触的几率较高，在硬度较高时可能更易造成淀粉粒的刮伤与擦伤.因为仅伤到了颗粒外层的淀粉，损伤淀粉在颗粒中所占比重较小，使其损伤淀粉含量相对较低.

行星球磨与辊式磨粉机的粉碎机理明显不同，因而对淀粉的损伤呈现不同的规律，硬度越低的小麦面粉及淀粉越易造成淀粉颗粒的损伤.提高球磨转速，延长粉碎时间，均可增大淀粉颗粒的损伤，但研磨温度及动力消耗也会随之增高.

辊式磨粉机研磨不同硬度的小麦，虽然也能造成淀粉颗粒的损伤，但并未改变其淀粉晶体结构.行星球磨则不仅可使小麦粉及淀粉的颗粒形状发生明显改变，还可改变淀粉的晶体结构，进而会对小麦粉及淀粉的品质特性造成影响[22]，有待进行深入研究.

行星球磨是依靠磨球强烈的撞击与挤压作用粉碎物料，研磨6～15 h 后，虽然有些颗粒被粉碎，而有些颗粒则产生明显的塑性变形，另一些颗粒则被挤压在一起，尺寸反而变大.可见本试验采取的研磨强度，并未有效地使颗粒进一步细化，但鉴于淀粉的晶体结构已被破坏，只要采取一些措施打碎黏结的颗粒，应该能使颗粒进一步细化，这些还需要进一步的试验验证.

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