工业微粉碎粒径控制对全籽粒小麦全麦粉理化品质及保质期的影响

杜昱蒙，刘泽龙，2，*，刘芯羽，3，任晨刚，3，任国宝，3，王满意，3，4

（1.中粮营养健康研究院，北京102209；2.北京工商大学食品与健康学院，北京100048；3.营养健康与食品安全北京市重点实验室，北京102209；4.老年营养食品研究北京市工程实验室，北京102209）

全麦粉是指以整粒小麦为原料，经制粉工艺制成的，且小麦胚乳、胚与麸皮的相对比例与天然颖果基本一致的小麦全粉[1]。全麦粉按制备工艺主要分为两种：一种是全小麦籽粒粉碎法，该方法将未去除麸皮和胚的完整小麦直接粉碎得到全麦粉；另一种是回添法，该方法先将小麦麸皮和胚与胚乳分离，再将分离出来的小麦麸皮和胚等经过粉碎（或/和稳定化）后回添到小麦粉中[2]。目前国内市售全麦粉以回添法为主，产品保质期相对较长，但生产不规范，部分产品并未严格回添胚芽[3-4]。

全籽粒粉碎法历史悠久、工艺简单，包含小麦籽粒中的全部营养成分，出粉率高，所得全麦粉天然纯净，还可降低长粉路及设备等引入的危害物和污染风险[5]。全麦粉虽然被认为是健康营养的原料，但是由于其所含的麸皮颗粒过大，也存在全麦粉制品口感粗糙、气味不佳以及影响营养成分吸收等缺陷[6-7]。目前，石磨、锤磨、辊磨、凹口磨、冲击磨等设备都可用于制作全麦粉。其中，石磨制粉宣称产品拥有良好的营养特性，但制粉过程发热量大，会对淀粉、蛋白和不饱和脂肪酸产生破坏，制得全麦粉麸皮粒径也较大；凹口磨主要为国外设备，可以有效控制全麦粉粒径，但价格高昂；相比前者，本文所述（超）微冲击粉碎技术，既可通过分级式冲击磨对全籽粒中麸皮部分进行高效粉碎，又可良好控制温升，并且相关设备成本较低。因此，它对于减少全麦粉中的麸皮粒径现实有效且经济合理[8]。此外，全籽粒粉碎全麦粉的第二个缺陷是：由于麸皮和胚芽的存在，全麦粉的储藏稳定性相比小麦粉普遍较短，明显缩短了产品的流通周期[9-10]。然而，当使用超细磨粉降低全麦粉中的麸皮颗粒时，又可能进一步增加全麦粉中的脂类与脂酶间的相互作用，从而加剧全麦粉储藏过程中的酸败问题[11]。

全麦粉食品口感问题与全麦粉货架期问题依然是全籽粒全麦粉的两个主要缺陷。虽然此前有关全麦粉粉碎与品质间的研究有很多，但是大多集中于实验室粉碎研究。由于粒径是反映小麦粉碎强度的关键指标，不同粉碎强度会对小麦粉灰分、蛋白质、损伤淀粉含量等产生影响，进而也会影响面团流变特性（粉质和拉伸特性）和面制品品质。因此，本文使用工业冲击磨对小麦进行微粉碎，研究粒径控制对全麦粉理化品质的影响，并探讨粒径及包装方式对全麦粉保质期的影响，为工业化生产全籽粒全麦粉提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

优质白麦：中粮面业（德州）有限公司；氢氧化钾：北京化工厂；无水乙醇、乙醇（95%）、邻苯二甲酸氢钾、酚酞（99%）、浓硫酸、丙酮、石油醚（沸程30℃～60℃）（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；包装膜 [PET/铝箔/PE复合膜；PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate）；PE 为聚乙烯（polyethylene）]：江苏申凯包装高新技术股份有限公司；单层聚丙烯包装盒：台州市祥珑食品容器科技股份有限公司；氮气源（纯度99.99%）：液化空气（天津）有限公司。

1.2 仪器与设备

试验冲击磨（CR1000）：山东精华工程设备有限公司；气引式粉碎机（FDV）：祐麒机械有限公司；全自动旋风磨（M3100）：波通瑞华科学仪器（北京）有限公司；气调真空包装机（MAP-450）：台州市祥珑食品容器科技有限公司；Titrette?数字瓶口滴定器：德国普兰德公司；马弗炉（SX2-8-10TP）：上海一恒科学仪器有限公司；凯氏定氮仪（8400）：丹麦福斯分析仪器公司；激光粒径仪（Mastersizer 3000）：英国马尔文公司；医用台式离心机（TDZ5-WS）：长沙平凡仪器仪表有限公司；损伤淀粉测定仪（SDmatic）：法国肖邦技术公司；气体分析仪（CheckPoint3）：丹麦丹圣公司。

1.3 方法

1.3.1 全麦粉制备

工业冲击磨微粉碎制粉（以下简称“工业微粉碎”）：将原料小麦投入进料仓，由喂料器送入试验专用工业冲击磨中，通过控制主机、分级器、风机频率等参数，获得粒径从高到低的3种全麦粉1号、2号和3号样品。

为对比工业微粉碎与实验室常用制粉设备在粉碎效果，即粒径分布方面的异同，将1.3.1中工业微粉碎的小麦原料使用以下两种实验室设备进行制粉：（1）气引式粉碎机：匀速进料，粉碎过程电流不超过4 A，获得全麦粉4号。（2）全自动旋风磨：匀速进料，小麦粉碎过筛后，进入收集装置，获得全麦粉5号。

所得全麦粉全部过筛CQ20（51目）[12]。

1.3.2 粒径测试

使用马尔文Mastersizer3000激光粒径仪，采用干法粒径测试系统。参数：气压2 bar；进样速度65%；折射率1.59；颗粒密度1.05 g/m3；背景测量持续时间10 s；样品测量持续时间20 s；背景稳定时间120 s。

1.3.3 常规理化指标检测方法

水分：GB 5009.3-2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》。灰分：GB 5009.4-2016《食品安全国家标准食品中灰分的测定》。蛋白：GB 5009.5-2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》。总膳食纤维：GB 5009.88-2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》。脂肪酸值：GB/T 15684-2015《谷物碾磨制品脂肪酸值的测定》。

1.3.4 损伤淀粉检测

由于损伤淀粉跟全麦粉在形成面团时的保水力、黏稠度、醒发性能有关[13]，因此本研究使用肖邦SD-matic损伤淀粉测定仪对全麦粉的损伤淀粉含量进行测定。损伤淀粉含量结果以肖邦公司专用单位（Unité Chopin Dubois，UCD）和美国谷物化学家协会（American Association of Cereal Chemists，AACC） 标准方法等形式表示[14]。

1.3.5 不同粒径全麦粉（铝箔包装）的保质期测试

采用铝箔袋包装（每包30 g），对1号、2号和3号全麦粉进行长期稳定性试验和加速破坏性试验，以脂肪酸值为评价指标。长期稳定性试验的样品在常温（22±1）℃、湿度50%的条件下进行，取样间隔14 d。加速破坏性试验温度为37℃和47℃，湿度50%。其中，37℃贮藏样品取样时间间隔为7 d、47℃为4 d。根据标准LS/T 3244-2015《全麦粉》规定，以全麦粉的脂肪酸值（以干基KOH计）达到116 mg/100 g时的日期作为保质期参考限。

产品在不同贮存环境参数下的预期保质期通过公式（1）推算[15]。

式中：θ（sT）为实际贮存温度T下食品的保质期，d；θ（sT'）为在T'温度下进行加速破坏性试验得到的保质期，d；ΔTa为较高温度（T'）与实际贮存温度（T）的差值（T'-T），℃；Q10为加速破坏性试验条件下，温差为10℃的两个温度（试验温度T1和T2，T2=T1+10）下的保质期的比率。Q10计算公式见公式（2）。

式中：θs（T1）为在T1温度下进行加速破坏性试验得到的保质期，d；θs（T2）为在T2温度下进行加速破坏性试验得到的保质期，d。

1.3.6 不同包装全麦粉的保质期测试

选取1号样品为代表，分别采用铝箔包装、真空铝箔包装和充氮塑料盒包装（充氮参数：真空时间4.5 s、充气时间8.0 s、封口时间7.0 s、封口温度165℃，气体分析仪显示充氮包装内的氮气纯度≥99.5%），37℃每间隔7 d、47℃每隔4 d测试样品的脂肪酸值。通过公式（1）推算出产品在预期贮存环境参数下的保质期。

1.4 数据统计与分析

使用SPSS 16.0进行数据统计分析。部分结果以平均值±标准差表示，指标内部的均值比较采用单因素方差分析，多重比较采用邓肯法[16]，采用95%置信度（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 全麦粉的粒径分布

全麦粉的粒径分布见图1。

图1 全麦粉的粒径分布Fig.1 Particle size distribution of the whole wheat flour samples

由图1可见，采用工业微粉碎法制备的全麦粉1号、2号、3号粒径整体上逐渐减小，其D90（90%粉体小于该粒径） 分别为（281.0±21.5）、（147.0±17.0）、（123.5±1.5）μm。对比常用的实验室设备，气引式粉碎机和旋风磨粉碎全麦粉粒径的D90分别为（173.0±10.5）μm（4号）和（357.0±16.3）μm（5号）。上述全麦粉的粒径分布普遍存在2个～3个重叠峰，根据标准筛筛分筛上物占比（样品1号～5号100目的筛上物质量占比分别为：19.0%、6.0%、1.1%、2.7%和 20.5%）与表观（颜色），以及根据文献资料，判断由小到大分别对应的主要是小麦籽粒中富胚乳的部分和富麸皮部分[17]。从分布特征判定，工业微粉碎的全麦粉粒径随着粉碎强度的增加，富麸皮部分的尺寸获得了进一步的降低。1号全麦粉粒径分布曲线形态和旋风磨粉碎的样品（5号）形态相似。气引式粉碎机的粒径分布峰分离度较大，说明该方式可使得麸皮获得更充分的粉碎，但可能造成胚乳部分的过度粉碎，从而影响全麦粉中损伤淀粉的含量[9]。

2.2 全麦粉理化指标

全麦粉样品的理化指标见表1。

表1 全麦粉样品的理化指标Table 1 Proximate composition and fatty acid value of the whole wheat flours

全麦粉样品的水分含量与粉碎程度在试验范围内呈现负相关。样品中的灰分、总膳食纤维含量均较原料小麦有所下降，但在1号和2号全麦粉间无显著性差异（P＞0.05），随着3号粒径的进一步减小，灰分和膳食纤维含量有较明显的下降，这可能与部分小麦麸皮被分级器阻留有关。淀粉含量随粉碎程度提升呈现显著性降低（P＜0.05），样品与原料间以及样品之间在蛋白含量方面的差异不显著（P＞0.05），这与文献报道结果一致[18-19]。全麦粉脂肪酸值较原料小麦有较明显升高，但均未超过60 mg/100 g，仍维持在较低的水平。全麦粉样品感官品质良好，具有小麦特有的香气，无哈喇味。根据标准LS/T 3244-2015《全麦粉》规定，理化指标应符合水分≤13.5%，灰分（干基）≤2.2%，总膳食纤维≥9.0%，脂肪酸值（以干基KOH计）≤116 mg/100 g。由表1可知，本试验中经工业微粉碎设备粉碎获得的全麦粉样品的相关指标均符合上述标准。

2.3 全麦粉损伤淀粉含量

工业微粉碎全麦粉样品损伤淀粉含量见表2。

表2 工业微粉碎全麦粉样品损伤淀粉Table 2 Damaged starch content of the industrial fine ground whole wheat flours

损伤淀粉含量是影响面团流变学特性及面制品品质的重要因素之一。根据表2可知，随粉碎强度增强，对小麦施加的外力增大，全麦制粉过程中损伤淀粉的含量从4.1%到5.7%（AACC）逐步升高，与全麦粉粒径呈现负相关，这也与此前的报道相一致[20-21]。损伤淀粉的含量与小麦粉的粉质、吸水率、糊化特性、面团与面制品的质地、面条等制品的蒸煮损失等方面关联性强[22]。不同用途的小麦粉对损伤淀粉含量的要求不同，一般发酵食品对损伤淀粉的含量要求较高，而非发酵食品则要求含量会相对较低[23]。根据宋永泉等报道并结合样品加工特性的试验结果[14]，推测2号和3号全麦粉适合用于制作发酵食品，1号粉可能适合用于挂面、面条粉等。此外，还可根据实际需要改变粉碎工艺，调整全麦粉中的损伤淀粉含量。

2.4 粒径对全麦粉（铝箔包装）保质期的影响

脂肪酸值的变化见图2和图3。

在小麦整粒粉碎及储藏过程中，由于脂肪酶、脂肪氧合酶等酶类的作用以及抗氧化物质的损失，麸皮和胚芽中大量的脂类物质更容易被分解和氧化，不利于全麦粉储藏。脂肪酸值是衡量全麦粉保质期的主要指标[24]。由图2可知，1号～3号不同粒径的工业微粉碎全麦粉在室温（25℃）条件下，脂肪酸值达到116 mg/100 g的时长分别为50、42、27 d，与文献报道的未经特殊处理的全麦粉一般30 d～45 d保质期基本吻合[25]。同理，根据图3测算出全麦粉在37℃和47℃下加速试验的保质期后，计算出1号～3号全麦粉的Q10为2.1、2.2、2.2，这和T/CNFIA 001-2017《食品保质期通用指南》给出的一般食品的Q10约为2基本吻合。进而预测出各自的保质期为48、40、28 d。该结果与上述长期稳定性试验的结果基本一致，因此下文使用加速试验研究不同包装对工业微粉碎全麦粉保质期的影响。

图2 在长期稳定性试验中工业微粉碎全麦粉脂肪酸值的变化Fig.2 Changes in fatty acid value of the industrial fine ground whole wheat flours in a long-term storage test

图3 在加速破坏性试验（37、47℃）中工业微粉碎全麦粉脂肪酸值的变化Fig.3 Changes in fatty acid value of the industrial fine ground whole wheat flours in an accelerated storage test（37，47 ℃）

2.5 不同包装对全麦粉保质期的影响

在加速破坏性试验（37、47℃）中不同包装对1号全麦粉脂肪酸值的影响见图4。

图4 在加速破坏性试验（37、47℃）中不同包装对1号全麦粉脂肪酸值的影响Fig.4 Effect of packages on the fatty acid value of whole wheat flour 1#in an accelerated storage test（37，47 ℃）

不同包装的全麦粉经过37℃和47℃储藏后样品脂肪酸值均明显上升。47℃下储藏样品的脂肪酸值上升速率明显高于储藏于37℃下的样品。根据图4测算出全麦粉在37℃和47℃下加速试验的保质期后，得到全麦粉在铝箔包装、真空铝箔包装和充氮包装条件下的Q10分别为：2.1、2.2和2.0。进而推算出3种包装的未处理全麦粉在常温（25℃）下的保质期为51、38、64d。根据Doblado-Maldonado等的报道，虽然小麦粉脂肪的酶促水解酸败基本不需要氧气，但是在较高温度环境下低氧比有氧条件仍能减少脂肪酸的产生[10]。本研究中，充氮处理的全麦粉脂肪酸值在加速试验条件下较铝箔包装样品有所下降，说明充氮包装中的低氧环境对全麦粉中脂肪的分解有一定的抑制作用，相比铝箔包装的全麦粉保质期可延长约25%。但是，真空铝箔包装样品的脂肪酸值普遍大于铝箔包装样品，保质期仅为铝箔包装的75%。这说明真空铝箔包装非但不能有效延缓全麦粉的保质期，反而由于真空铝箔包装增加了粉体间的接触从而加快了品质劣变。

3 结论

全籽粒小麦经过工业化微粉碎加工后，样品中的灰分、总膳食纤维含量均较原料小麦有所下降，脂肪酸值有明显上升但均在60 mg/100 g以内；随着粉碎程度的提高（粒径降低），全麦粉中的水分、淀粉逐渐降低；损伤淀粉含量与粒径呈负相关，但整体可控制在较低水平（4.1%～5.7%）；灰分和膳食纤维含量在D90=123 μm的样品中降幅最大。

不同粒径全麦粉的室温保质期为27 d～50 d，随着全麦粉粒径的降低保质期逐渐缩短，相比铝箔袋包装，充氮包装可延长样品保质期约25%，而真空铝箔包装样品的保质期为铝箔包装的约75%。

综上所述，小麦微粉碎加工引起产品水分等组分含量变化，在制粉前应注意在润麦等环节预先调整，并根据产品质控要求对粒径进行控制；同时，还应注意粒径与脂肪酸值的负相关性对产品保质期的影响。全籽粒全麦粉不宜采用真空铝箔包装的方式储藏，在成本允许的前提下尽量选用充氮包装以延长产品保质期。