不同粒径对黑米粉理化性质的影响

易建华， 张志婕， 朱振宝, 董新玲

(1.陕西科技大学 食品与生物工程学院， 陕西 西安 710021； 2.陕西省产品质量监督检验研究院， 陕西 西安 710048)

0 引言

黑米又叫“紫米”、“乌米”和“血米”，因其显著的药用功效，被我国中医称为“药米”，黑米中蛋白质、维生素、酚物质和微量元素含量较丰富，矿物质配比适合人体需求，同时含有人体必需的所有氨基酸，具有抗氧化、降血压、抗炎症、清除自由基等价值[1].中医将黑米作为滋阴补肾，清肝利肠的食疗材料.但由于黑米表皮含有大量的果胶和纤维素，质地坚硬，导致黑米难以消化吸收，食品品质差，很大程度上限制了黑米资源的开发利用[2].为解决这些问题，需要对黑米特殊加工，改善其理化特性，提高其利用率.

超微粉碎是通过机械力将粗粉碎物料微细化处理，从而实现细胞壁结构的破裂，改变粉体的化学物质成分和结构，从而赋予粉体特殊的体积效应和表面积效应，使其成为明显区别于常规物质颗粒状态的一种新形态[3].已有研究表明，超微粉碎可以降低粉体的粒度，增大粉体的比表面积，从而改善粉体的溶解性和消化特性[4].提高食品原料的利用率[5].超微粉碎在封闭系统内进行，可减小环境中的微生物和灰尘对产品的污染[6]，使产品更加绿色环保[7].

Rosa等[8]研究麸皮超微粉时发现，超微粉碎能提高粉体的抗氧化性.Niu等[9]研究表明超微粉碎能降低粉体的粒度，提高全麦面粉的性能.Sehun Choi等[10]研究了黑米在不同研磨条件下的抗氧化能力，其结果表明随着粉碎强度的增加，其抗氧化性有所变化.基于已有研究，超微粉碎处理可以改变粉体理化特性和原料利用率.

本实验主要考察黑米粉粒径对黑米的加工性能和产品品质的影响.本实验利用标准筛，将普通粉碎处理的黑米粉筛分出四个不同粒径范围，与黑米超微粉进行对比，研究了五个粒径范围内的黑米粉的滑角、酶解时间、冲调特性及粉体溶解度、淀粉酶酶解速率等特性.同时，研究了粉体抗氧化活性与粒径大小的关系，为黑米产品的开发和利用提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

1.1.1 主要试剂

黑米，市售，储存于4 ℃冰箱中备用；α-淀粉酶，北京奥博星生物技术有限责任公司；无水乙醇、石油醚，分析纯.

1.1.2 主要仪器

高速多功能粉碎机，武义海纳电器有限公司；流化床对撞式气流磨，上虞市和力粉体有限公司；快速黏度分析仪，瑞典波通仪器有限公司；示差扫描量热分析仪，美国TA公司；激光粒度分析仪，英国Mastersizer公司.

1.2 实验方法

1.2.1 黑米粉的制备

普通粉碎黑米粉的制备：采用多功能粉碎机对黑米粉进行粉碎处理，经过60、80、100、120、200标准筛筛分，得到不同的粒径范围的黑米粉体.

超微粉碎黑米粉的制备：利用流化床对撞式气流磨对200目标准筛筛出的黑米粉进行超微粉碎处理，粉碎频率为40 Hz，得到平均粒径32μm的超微粉体.

1.2.2 不同粒度范围黑米粉酶解性能测定

(1)淀粉酶完全水解时间的测定

准确称取不同粒径的黑米粉1.00 g置于分液漏斗中，取适量石油醚洗涤2次，无水乙醇洗涤4次，除去其中脂溶性物质.将滤纸上的粉体收集到编号的烧杯中，加入50 ml双蒸水，制成的悬浊液在沸水浴中糊化2 h，取出后使样品完全冷却，然后加入0.050 g的淀粉酶，在水浴磁力搅拌器中55 ℃恒温反应，期间不断搅拌，记录起始时间.每隔2 min滴加碘液作为显色液，直至样品遇碘不变蓝为止.记录完全酶解的时间.

(2)淀粉酶酶解速率的测定[11]

准确称取样品3.00 g，加50 mL超纯水，在98 ℃的恒温水浴锅中反应25 min，使淀粉完全糊化.完全冷却后加入0.05 g淀粉酶，置于磁力搅拌器上边搅拌边55 ℃保温，反应10 min.反应结束后，煮沸使酶失活.将样品糊化液置于已知质量的滤纸上过滤后，再依次用无水乙醇和石油醚洗涤若干次，将滤纸在105 ℃的恒温烘箱中干燥至恒重.称量滤纸质量后，计算残渣质量.

1.2.3 不同粒度范围黑米粉溶解性能的测定[12]

用超纯水配置2%的黑米粉悬浊液50 mL，95 ℃恒温水浴中保温30 min，期间不断搅拌.然后，以3 000 rpm离心25 min ，收集上清液，先蒸干大部分溶剂后，置于105 ℃烘箱中干燥至恒重.样品的溶解度可以由公式(1)计算求得：

(1)

式(1)中：S-溶解度(%)；A-干燥后物质的质量(g)；W-样品质量(g).

1.2.4 不同粒度范围黑米粉滑角的测定[13]

准确称取不同粒径的黑米粉3.00 g，放置于10 cm×10 cm的玻璃板上，将平板倾斜至约90%的黑米粉开始移动为止，测定玻璃板与起始面的夹角，即为各样品的滑角.

1.2.5 不同粒度范围黑米粉糊化温度的测定[14]

取不同粒径的黑米粉制成25 mL 8%的悬浊液，置于烧杯中，一边搅拌，一边小火加热，用温度计实时显示淀粉糊的温度，记录淀粉糊开始出现黏胶状的温度，即为开始糊化温度，和淀粉糊均一稳定，不再分层时的温度，即为糊化结束温度.少量异常颗粒不计，测定3次，取平均.

1.2.6 不同粒度范围黑米粉RVA特性的测定

参照GB/T 24853-2010测定样品的水分含量，然后根据GB/T 24853-2010的要求，添加适量的水制成悬浊液，依据NY/T 1753-2009中的方法测定样品溶液的糊化特性.

1.2.7 不同粒度范围黑米粉持水力和持油力的测定

(1)持水力的测定

准确称取样品1.00 g置于100 mL烧杯中，加入50 mL蒸馏水，25 ℃恒温水浴磁力搅拌30 min，收集溶液2 000 rpm，离心30 min，用滤纸擦干离心管壁的水后，称量离心管中样品质量.样品的持水力Q可以由公式(2)计算得到：

(2)

式(2)中：m2-离心后样品的质量(g)；m1-样品粉末的质量(g).

(2)持油力的测定

准确称取样品1.00 g置于烧杯中，加入食用油20 g，室温静置1 h后，3 000 rpm离心20 min，除去油层后，用滤纸擦干离心管表面的油，称量样品质量，持油力L可由公式(3)计算得到：

(3)

式(3)中：w2-离心后样品的质量(g)；w1-样品粉末的质量(g).

1.2.8 不同粒度范围黑米粉阳离子交换力的测定

准确称取0.500 g样品，加100 mL NaCl溶液(5%)磁力搅拌5 min，测定溶液pH，记录数据.然后逐次加入NaOH溶液(0.01 mol/L)0.1 mL，磁力搅拌5 min，测定溶液pH，直至NaOH的添加量达到0.1 mL，得到NaOH添加量与溶液pH变化的关系图.

1.2.9 不同粒度范围黑米粉抗性淀粉含量的测定

(1)淀粉的提取

取适量黑米粉体，按1∶5的加水量加入蒸馏水，于室温下浸泡2 h后，调节样品溶液至中性后，加入1.8%的中性蛋白酶，45 ℃反应8 h，3 000 rpm离心15 min，刮起上层黑色物质后，溶解再次离心.反复多次直至得到白色的淀粉为止.收集粉体于45 ℃烘箱中干燥，得到淀粉粗提物，备用.

(2)含糖量的测定

取200 mg淀粉样品，加入0.2 mol/L的醋酸钠缓冲液(pH 5.2)15 mL，摇匀后沸水糊化30 min，期间每隔5 min在涡旋仪上震荡5 min，反应结束后，冷却至室温，向样品中加入5 mL混合酶液(1 mL 15 u/mL的糖化酶和4 mL的猪胰酶290 u/mL)立即放入37 ℃水浴锅中搅拌，开始计时，同时取0.5 mL样品溶液沸水浴6 min灭酶活后，用DNS法测含糖量.分别在20 min、120 min时取出50μL样品溶液，沸水浴6 min灭酶活后，用DNS法测含糖量.将最后样品溶液反应240 min后，灭活测含糖量.快消化淀粉含量RDS可由公式(4)计算得到、慢消化淀粉含量SDS可由公式(5)计算得到、抗性淀粉含量RS可由公式(6)计算得到：

(4)

(5)

(6)

式(4)～(6)中：G0-未酶解样品溶液的葡萄糖含量(mg/g)；G20-样品溶液酶解20 min时的葡萄糖含量(mg/g)；G120-样品溶液酶解120 min时的葡萄糖含量(mg/g)；G240-样品溶液酶解240 min时的葡萄糖含量(mg/g).

1.2.10 不同粒度范围黑米粉抗氧化活性的测定

(1)DPPH自由基清除率

取5 g样品加入45 mL(80%)乙醇溶液，50℃超声处理15 min后，于50 ℃水浴锅中提取1 h，取出后以2 000 rpm离心15 min，取上清液0.3 mL,加入4.7 mL的DPPH溶液(0.1 mmol/L)混匀，避光反应30 min，于517 nm处测吸光度.样品的DPPH自由基清除率M可以公式(7)计算得到：

(7)

式(7)中：A2-样品与DPPH混合溶液吸光度；A1-样品与4.7 mL乙醇混合溶液的吸光度值；A0-0.3 mL乙醇溶液与DPPH溶液混合后的吸光度.

(2)总还原力

取1.5 mL上清液，与1.5 mLPBS(pH6.6)和3 mL(1 mg/mL)铁氰化钾溶液混匀，于50 ℃水浴保温20 min，快速冷却后加入4 mLTCA溶液(10%)终止反应.取上述溶液3 mL，加入2 mL蒸馏水与0.54 mL(0.1%)的FeCL3混匀，静置10 min，于700 nm测吸光度值.

2 结果与讨论

2.1 不同粉碎粒度范围黑米粉酶解性能比较

酶解速率和最终酶解时间可以表征了粉体的消化吸收性能.酶解性能越好的粉体，越易被消化吸收.如图1所示，黑米粉的酶解性能与粉体的粒径大小有关，粉体的完全酶解时间和酶解速率都随着粒径的减小而减小.本实验结果与徐群英等[11]研究结果相反，这可能是由于黑米颗粒中坚硬的胚及胚乳被包裹，粉碎困难.小粒径粉体淀粉含量较少，导致最终酶解时间随着粉体粒径的减小而降低.在测定酶解速率时，淀粉酶与底物的结合作用受到果皮粉末的抑制.由于，小粒径粉体的果皮含量较多，抑制作用较明显，因此酶解速率随着粉体粒径的减小而降低.

图1 不同粒度范围黑米粉酶解时间和酶解速率

2.2 不同粒度范围黑米粉的冲调性和溶解性比较

冲调性能通常用来衡量粉体在水中溶解是否迅速，分散是否均匀，实验研究了不同粉体在室温下的冲调性能，其结果如表1所示.

表1 不同粒度范围的黑米粉冲调性能比较

由表1可知，粉体粒径越小，粉体在水中的分散性能越高，分散的溶液越稳定.上述结果表明，经过超微粉碎处理的粉体更适合用于生产速溶食品.

溶解性与粉体在水中的溶解能力正相关，是衡量粉体冲调性能的重要指标.由图2可以看出,随着黑米粉粒径的减小,粉体的溶解力逐渐增加.其中，超微粉的溶解性为19.1%，较粒径范围为180～250μm的粉体的溶解性提高了41%.这可能是因为随着粒径的减少,粉体与水的接触面积逐渐增加，溶液的孔隙百分率随着粒径的减小也逐渐增加，更有利于水溶性成分的溶解，从而导致溶解率增大.综上所述，超微粉碎处理可以提高粉体的冲调性能.

图2 不同粒度范围黑米粉的溶解度

2.3 不同粒度范围黑米粉滑角比较

粉体的滑角大小，放映了粉体的流动性，粉体的滑角越大，其流动性越差.图3表明，粉体的滑角随着粉体粒径的减小而增大.超微粉碎处理后粉体的滑角显著增大.这可能是由于小粒径粉体比表面积较大，颗粒之间具有更好的吸附力和凝聚性，粉体的表面聚合力更大，因而吸附性能增强所导致.

图3 不同粒度范围黑米粉的滑角

2.4 不同粒径范围黑米粉的糊化温度

粉体的开始糊化温度和结束糊化温度表明物料糊化的难易程度，糊化温度越低，物料糊化越容易.糊化的难易程度可以影响原料的加工特性.

不同粒度范围黑米粉糊化温度见表2所示.由表2可知，随着黑米粉的粒径减小，粉体的糊化开始温度和糊化结束温度都降低.淀粉糊化是指生淀粉的水溶液被加热时，水分子进入淀粉微晶束，导致胶束状态全部崩解，淀粉分子被分散为单分子，同时，分散的淀粉分子被水所包围而形成均一稳定、有粘性的糊状溶液的过程.本实验中，粉状颗粒减小，为水分子的进入和缔合提供了更大的空隙，更有利于淀粉的糊化[15].综上所述，超微粉碎处理，能降低粉体的糊化温度，提高粉体的热加工性能.

表2 不同粉碎粒度小米粉的糊化温度

2.5 不同粒径范围黑米粉的糊化特性

黏度是反映粉体中淀粉品质的重要指标，测定淀粉黏度随温度的变化规律，可以更好地评估样品在面制品中的应用特性.用RVA-TM型快速粘度分析仪测定各粒度范围内的黑米粉的糊化曲线，从表 3 可以看出，黑米粉的峰值黏度、最低黏度、崩解值、最终黏度、回生值都随粉体粒度的变小而下降；比较 5不同粒度范围黑米粉的峰值时间发现，超微粉碎的峰值时间最长；糊化温度最低.其中，超微粉的崩解值较其他样品明显较小，崩解值反映淀粉糊的热稳定性，崩解值越大，淀粉的热稳定性越差[16].回生值的大小反映了粉体的抗老化程度.超微粉碎处理后粉体的回生值为194 cP，较粒径范围为75～120μm的粉体显著降低.超微粉碎处理能显著提高粉体的抗老化性，从而显著提高粉体加工性能.

2.6 不同粒度范围黑米粉持水力和持油力的测定

持水性、持油性是衡量黑米中膳食纤维的吸附性能的理化指标.粉体的持水力较大时，冲调粉对水的吸附性也越好.持油力高的粉体能够吸附油脂，进而减少人体对于胆固醇的吸收.所以粉体的持水力、持油力越大，生理活性也就越好.目前研究表明[17]，青稞麸皮超微粉的持水力和持油力显著提高.

由图4可知，持水力和持油力随着粉体粒径的减小逐渐增大.其中，前三组持水力较接近，从第四组开始，粉体的持水力较前组增加.这可能是因为随着粉体粒径的减小，粉体的孔隙率增加，比表面积增大，导致粉体的膳食纤维裸露程度增大，从而导致粉体的持水力和持油力增大[18].

表3 不同粒度范围黑米粉RVA测定结果

图4 不同粒度范围黑米粉的持水力和持油力

2.7 不同粒度范围黑米粉阳离子交换率的测定

阳离子交换力能显示粉体对消化道酸性环境的缓冲作用的程度.由于粉体的膳食纤维结构中具有一些羧基和羟基之类的侧链团，这些基团可与阳离子进行可逆交换[19]，其交换程度越强，对胃酸性体系的缓冲作用越强.同时，粉体的阳离子交换率能反应粉体在消化道中与Na+、K+等阳离子交换的难易程度，阳离子交换能力越大，越有利于粉体降低血液中的Na+/K+比值，从而起到降低血压的作用.

由图5可知，粉体粒径越小，加入相同体积NaOH溶液时，溶液的pH值变化越小，阳离子交换能力越强.这可能是因为粉体的粒径减小导致粉体的比表面积增大，进而侧链基团裸露程度增大，使得粉体与溶液的接触面积增大，粉体的阳离子交换能力增强[20].

图5 不同粒度范围黑米粉的阳离子交换力

2.8 不同粒度范围黑米粉抗性淀粉含量的测定

快消化淀粉为小肠中20 min内可以被消化吸收的淀粉，慢性淀粉是小肠中20～120 min内被消化吸收的淀粉，抗性淀粉为不会被小肠消化吸收的淀粉.

由图6可知，随着粉体粒径的减小，粉体的快消化淀粉含量逐渐增加，抗性淀粉的含量逐渐减小.这可能是因为，随着粉体粒径的减小，粉体的比表面积增大，粉体与淀粉酶和糖苷酶接触的机会变大，导致粉体的消化速率增大，使得粉体的快消化淀粉含量增大，消化吸收更容易.

图6 不同粒度范围黑米粉的淀粉含量

2.9 不同粒度范围黑米粉抗氧化活性的测定

DPPH接受自由基清除剂提供的氢(H)原子，自身被还原为DPPH2，颜色由紫色变为黄色.反应体系的颜色越浅，粉体对DPPH的清除力越大.在抗氧化剂存在时，溶液中的三价铁被还原为二价铁，形成普鲁士蓝复合物.生成络合物的量越大，体系的吸光度最大，粉体的还原力越强.

图7表明，随着粉体粒径的减小，粉体的DPPH自由基清除率和总还原力逐渐增大，其中，超微粉的自由基清除率和总还原力较前一组增大的程度较大.这可能是随着粉体粒径的减小，黑米的黄酮和多酚等具有抗氧化活性的物质得以更好的释放，导致粉体的自由基清除率和抗氧化活性都增大.实验结果表明，超微粉碎技术能显著提高粉体中活性物质的释放率，改善粉体的性能.

图7 不同粒度范围黑米粉的抗氧化活性

3 结论

研究发现，黑米粉粉体的理化性质与粒径的大小密切相关.黑米粉的酶解速率和完全酶解时间，以及流动性随粉体粒度的减小而降低.超微粉碎黑米粉冲调性能好、溶解度增大，糊化特性得到改善.超微粉碎技术改善了黑米的加工和食用性能，对黑米资源开发和利用具有重要意义.