不同粒径对青稞麸皮结构与功能特性及冲调稳定性的影响

王佳欣，黎 阳，李再贵，王丽丽*

（1.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083；2.中国农业科学院农产品加工研究所，北京 100193）

青稞（Hordeum VulgareL.var.NudumHook.f）是一种生长于高原地区的裸大麦，属禾本科大麦属，是藏区人民的主食和青藏高原重要的牲畜饲料[1-3]。与其他谷物相比，青稞具有较高含量的膳食纤维、β-葡聚糖、蛋白质以及不饱和脂肪酸[4-5]。其中膳食纤维具有降低代谢综合征、2型糖尿病、抑郁症、结肠癌风险的功能，并且有利于控制体重、降低血脂、缓解便秘等[6-12]。青稞营养价值高，但是青稞籽粒硬、口感粗糙，加工时需要去除麸皮，青稞麸皮是青稞粉加工中主要的副产物[13]，其含量可占青稞质量的10%～30%。青稞麸皮口感粗糙、感官不良，因此大部分的青稞麸皮用作动物饲料，附加值较低，而目前对青稞麸皮理化特性与加工性能的研究仍相对较少，影响其进一步综合利用。

冲调类膳食纤维产品具有食用、携带及贮藏方便的特点，具有良好的消费需求与市场前景[14]。气流冲击磨是一种利用高速气流使物料相互撞击从而实现超细微粉碎的技术，相较于普通粉碎方式，可产生粒径更为细小且粒径分布相对集中的膳食纤维粉末微粒，是目前超微粉碎的新技术。气流冲击磨能够有效减小粉体的颗粒，并使粉体的物化性质发生显著变化，经超微粉碎后的粉体更容易被人体吸收和利用。由于气流冲击磨在研磨期间升温较小，因此对物料的活性成分影响程度较低，此外，与传统研磨方法相比，气流冲击磨产生更少的粉尘，对环境更加友好，因此在应用过程中具有一定的优势[15]。粉碎是改善麸皮粗糙口感的一种有效手段[16]，可以改善物料的分散性和溶解性，提高面团的吸水和糊化温度、峰值黏度、最终黏度和缩水值，缩短稳定时间并降低抗延展性[17-18]。但粉碎会使物料的粒径减小，对物料的理化及其功能特性产生影响[15]。粒径对决定粉体的物理化学和功能特性起着重要作用，对其与胆汁酸结合、抗氧化能力、水合特性以及肠胃功能有关，会影响转运时间、粪便排泄率和粪便体积等[19-22]。

研究显示微粉碎技术可将食品物料中膳食纤维由几百微米降低至几十或者十几微米，同时不同粒径的膳食纤维理化及功能特性也明显不同。当孜然膳食纤维的粒径由380 μm减小至120 μm时，粒径越小，保水能力越好、吸水膨胀性越大、脂肪吸收能力越强；但是继续减小至106 μm时，保水能力、吸水膨胀性、脂肪吸收能力均有下降的趋势[15]。当竹粉膳食纤维粒径小于25 μm时，随粒径减小，其保水能力、吸水膨胀性增加，而脂肪吸收能力呈先增加后减小的趋势[23]。当锦橙皮渣膳食纤维平均粒径由191.06 μm降至14.01 μm时，保水能力、脂肪吸收能力增强，吸水膨胀性下降[24]。上述研究说明，对于不同物料，粒径减小带来的物料变化是不尽相同的。

青稞麸皮作为富含功能成分较多的谷物副产物一直被低值化利用，因此探究适合青稞麸皮加工的新型技术，阐明其理化功能特性变化规律，对于扩大青稞麸皮在食品体系中的应用、促进青稞资源精深加工与提质增效具有深远的产业意义。本实验采用气流冲击磨将青稞麸皮加工成不同粒径的麸皮粉，并以高速多功能粉碎机制备的粒径较大的青稞麸皮粉为对照，探究青稞麸皮不同粒径对其结构、理化与功能特性的影响，考察不同的粉碎粒径对青稞膳食纤维粉的冲调性能及感官品质等的影响，以期为青稞麸皮的应用开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

青稞麸皮由拉萨林涛农业科技开发有限公司提供，品种为‘藏青2000’。

总膳食纤维（total dietary fiber，TDF）测定试剂盒美国Sigma-Aldrich公司；Megazyme淀粉总量检测试剂盒、D-葡萄糖检测试剂盒 爱尔兰Megazyme公司；硫酸、无水乙醚、盐酸、丙酮、磷酸钠 国药集团化学试剂有限公司；硼酸、氢氧化钠、体积分数95%乙醇、冰乙酸、硝酸银、氯化钠 北京化工厂有限责任公司；以上所有试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

SL-250A型高速多功能粉碎机 永康市松青五金厂；LNI-66A气流冲击磨 北京协同创新研究院；Mastersizer3000激光粒度仪 英国马尔文公司；SU8010扫描电子显微镜 日本日立公司；KDY-2980凯氏定氮仪 北京瑞邦兴业科技有限公司；CM-700d分光测色计柯尼卡美能达控股公司。

1.3 方法

1.3.1 青稞麸皮制备

采用多功能粉碎机粉碎青稞麸皮，过40 目筛，筛上物重新粉碎，直至筛下物质量为总质量的95%以上，得到粗青稞麸皮（coarse highland barley bran，CHB）；调节气流冲击磨主机频率为50 Hz、分级机频率为20 Hz、引风机频率为50 Hz，直接粉粹原始青稞麸皮（下同），得到中青稞麸皮（medium highland barley bran，MHB）；调节气流冲击磨主机频率为50 Hz、分级机频率为35 Hz、引风机频率为50 Hz，得到细青稞麸皮（fine highland barley bran，FHB）；调节气流冲击磨主机频率为50 Hz、分级机频率为50 Hz、引风机频率为30 Hz，得到超细青稞麸皮（ultrafine highland barley bran，UHB）。

1.3.2 粒径测定

采用Mastersizer 3000激光粒度仪，采用干法粒径测试系统进行粒径测定。颗粒折射率为1.52，颗粒吸收率为0.1。D50表示一个样品的累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径，通常用来表示平均粒径，D[4,3]表示样品的体积平均粒径，D[3,2]表示样品的表面积平均粒径。

1.3.3 微观结构观察

扫描电子显微镜观察参照Ma Mengmei等[15]的方法并稍作修改。采用SU8010扫描电子显微镜观察青稞麸皮粉颗粒微观形态。用牙签挑取适量待测样品，在称量纸上分散均匀，用内芯为铜片的双面胶的一侧沾取一层样品后贴于准备好的载物台上。将全部样品粘贴完毕后喷金，喷金完成后放入扫描电子显微镜中进行观察（电压10 kV），拍摄具有代表性的颗粒形貌。放大倍数为500、2 000 倍。

1.3.4 膳食纤维组成及质量分数测定

根据参考文献[25]中的方法，测定青稞麸皮中TDF质量分数、可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）质量分数和不可溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）质量分数。

1.3.5 水合特性测定

1.3.5.1 保水能力测定

青稞麸皮保水能力的测定参照Kurek等[26]的方法并稍作修改。称取试样0.5 g，记为m/g，置于50 mL离心管中，对装入样品的离心管再次称质量，记为m1/g，在离心管中加入20 mL蒸馏水，漩涡混匀后在室温下静置24 h。此后将混匀的浆液在4 000×g25 ℃条件下离心10 min，去除上清液后，对离心管及残留物称质量，记为m2/g。保水能力按公式（1）计算。

1.3.5.2 吸水膨胀性测定

青稞麸皮吸水膨胀性的测定参照Sowbhagya等[27]的方法并稍作修改。称取试样0.5 g，记为m/g，置于15 mL离心管中，记录麸皮体积V1/mL，在离心管中加入10 mL蒸馏水，漩涡混匀后在室温下静置18 h，而后记录静置后麸皮体积V2/mL（即除去上清液后的体积）。吸水膨胀性按公式（2）计算。

1.3.5.3 脂肪吸收能力测定

青稞麸皮的脂肪吸收能力的测定参照Kurek等[26]的方法并稍作修改。称取试样0.5 g，记为m/g，置于50 mL离心管中，对装入样品的离心管再次称质量，记为m1/g，在离心管中加入10 mL大豆油，漩涡混匀后在室温下静置1 h，将混匀的浆液在4 000×g25 ℃条件下离心10 min，去除上清液后，对离心管及残留物称质量，记为m2/g。脂肪吸收能力按公式（3）计算。

1.3.6 阳离子交换能力测定

青稞麸皮的阳离子交换能力的测定参照陆红佳等[28]的方法并稍作修改。称取2 g样品，记为m/g，放入50 mL离心管中，加入15 mL 0.1 mol/L的盐酸标准溶液，漩涡混匀，25 ℃水浴振荡24 h，转速为150 r/min。将酸化后的混浊液倒入铺有滤纸的玻璃漏斗中过滤，用蒸馏水洗涤至滤液中不含有氯离子为止（用10 g/100 mL的硝酸银溶液检测），将洗涤好的滤渣放入40 ℃的干燥箱中干燥12 h。称取0.25 g干燥样品，使其溶解于100 mL 5 g/100 mL的氯化钠溶液中混匀，以酚酞为指示剂，用0.01 mol/L的氢氧化钠溶液滴定，至溶液由无色变为粉红色，记录氢氧化钠的体积V/mL。阳离子交换能力按公式（4）计算。

1.3.7 葡萄糖吸收能力测定

青稞麸皮的葡萄糖吸收能力测定参照Peerajit等[29]的方法并稍作修改。称取1 g的样品3 份，记为m/g，分别置于10 mL 50、100、200 mmol/L的葡萄糖溶液中，此时的各葡萄糖溶液浓度记为c1/（mmol/L），于37 ℃孵育6 h，直至麸皮粉对葡萄糖溶液的吸收达到饱和后对其离心（1 000×g、20 min），取上清液，上清液体积记为V/mL，上清液葡萄糖浓度记为c2/（mmol/L）。葡萄糖浓度采用D-葡萄糖检测试剂盒测定。葡萄糖吸收能力按公式（5）计算。

1.3.8 色泽测定

参照GB/T 5492—2008《粮油检验 粮食、油料的色泽、气味、口味鉴定》[30]，采用CM-700d分光测色计，分别测量a*、b*、L*值以表征样品色泽。

1.3.9 稳定性测定

稳定性测定参考唐遵峰[31]的方法并稍作改动，称取5 g青稞麸皮粉，放入100 mL离心管中，倒入40 mL 80 ℃的开水搅拌均匀，静止3 min，测量上清液高度H1/cm和冲调液总高度H/cm，根据公式（6）计算稳定性指数K。若K≤5，则稳定性极好；若5＜K≤10，则稳定性较好；若10＜K≤20，则稳定性较差；若K≥20，则稳定性极差。继续延长测试时间至10、30 min，观察样品稳定性。

1.3.10 结块率测定

结块率测定参考乐梨庆等[14]的方法并稍作修改，称取5 g青稞麸皮粉，记为m/g，放入100 mL离心管中，倒入40 mL 80 ℃的开水搅拌均匀，静止10 min后加40 mL水稀释，用已知质量为m1/g的20 目筛网过滤，将筛网烘干至恒质量m2/g，根据公式（6）计算结块率。

1.3.11 感官评价

感官评价参考冯飞[32]的方法并稍作修改，将40 g青稞麸皮粉用200 mL 80 ℃水溶解，组织10 人专业评价小组，对青稞麸皮粉的外观、气滋味、口感、组织状态和冲调性进行评价，评价采用百分制，感官评价评分标准如表1所示。

表1 感官评价评分标准Table 1 Criteria for sensory evaluation of highland barley bran

1.4 数据统计与分析

每个实验重复3 次，实验数据用均值±标准差表示。采用SPSS 25.0软件进行数据分析处理，用单因素方差分析、Duncan’s多重比较法检验数据显著性差异，P＜0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 不同参数气流冲击磨处理后的青稞麸皮粒径分布

如图1所示，经过不同参数条件的气流冲击磨处理后，青稞麸皮样品的粒径分布基本呈单峰，粒径较为均一。由表2可知，粉碎后得到的4 种不同粒径样品的平均粒径（D50）分别为164.0 μm（CHB）、53.2 μm（MHB）、33.4 μm（FHB）和23.2 μm（UHB）。同时，随D50的降低，D[4,3]与D[3,2]的差值逐渐减小，这表明粒径分布变窄，粒径均一性增强，不同颗粒间的理化性质更为接近[33]。

图1 不同参数气流冲击磨处理后的青稞麸皮粒径分布情况Fig.1 Particle size distribution of highland barley bran with different particle sizes

表2 不同参数气流冲击磨处理后的青稞麸皮粒径Table 2 Particle size of highland barley bran with different particle sizes

2.2 不同参数气流冲击磨处理后的青稞麸皮微观结构

如图2所示，D50为164.0 μm时，CHB各组分均具有较为完整的结构，膳食纤维呈大片状存在，结构完整，表面较为光滑，有少许浅浅的沟壑存在。当物料被粉碎至D50为53.2 μm时，膳食纤维被撕裂，部分膳食纤维以小片状存在，以大片状存在的膳食纤维出现裂痕。当物料被粉碎至D50为33.4 μm时，FHB各组分被打碎，呈小团块状，各组分在变得更细小的同时也变得更加分散；纤维表面出现较大的裂口以及孔隙，部分小颗粒物质（如淀粉等）开始附着于纤维表面。气流冲击磨进一步将D50减小至23.2 μm时，膳食纤维基本呈小片状存在，且表面有较多孔隙，此时，由于小颗粒表面的原子能量处于一种不稳定的状态，蛋白、淀粉等小颗粒进一步向膳食纤维附着，小颗粒团聚在一起，团块间隙增大。

图2 不同粒径的青稞麸皮粉扫描电子显微镜照片Fig.2 Scanning electron micrographs of highland barley bran powders with different particle sizes

2.3 不同参数气流冲击磨处理后的青稞麸皮膳食纤维组成

膳食纤维是青稞麸皮的主要组成成分，如表3所示，TDF质量分数达51%以上，远高于米糠（27.04%）、橘皮（36.9%）[15]中的TDF质量分数，这说明青稞麸皮可以作为良好的提取膳食纤维的原料来源。在这些膳食纤维中，IDF占比达90%以上，SDF质量分数较低，约占麸皮总质量的4%，与小麦麸皮SDF质量分数相当而高于谷子麸皮SDF质量分数（1.75%）[34]。SDF吸水膨胀能力较强，可以增加食糜黏度，具有良好的生理功能，例如调节免疫、降低血糖和血浆胆固醇等。IDF具有多孔性，有利于增加粪便的体积，对肠胃道产生容积作用，具有增加饱腹感、缓解便秘等作用。此外，在微生物的发酵作用下麸皮中IDF可以转化为SDF，进一步促进结肠部位的肠道益生菌的增殖和短链脂肪酸的产生。

表3 不同粒径青稞麸皮的膳食纤维质量分数Table 3 Dietary fiber contents of highland barley bran with different particle sizes

膳食纤维良好的功能特性使青稞麸皮具有功能性产品开发方面的潜力。一些研究表明，微粉化可以提高膳食纤维中SDF质量分数[35]。然而本实验结果表明，随着青稞麸皮粒径减小，膳食纤维质量分数基本不变，且IDF与SDF占比无显著差异。这表明采用气流冲击磨处理可显著改变粒度分布，但麸皮中TDF质量分数及IDF/SDF不受粒径大小的影响。这可能是因为青稞麸皮中的IDF主要为木质素、纤维素和半纤维素[36]，而气流冲击磨属于物理处理，没有破坏木质素、纤维素和半纤维素中的糖苷键，因此IDF难以转化为SDF。

2.4 不同参数气流冲击磨处理后的青稞麸皮水合特性

不同粒径青稞麸皮的水合特性检测结果如表4所示，当青稞麸皮的D50从164.0 μm（CHB）减小到23.2 μm（UHB）时，保水能力由4.12 g/g下降至2.76 g/g，降低近2/3；当青稞麸皮的D50减小到53.2 μm（MHB）时，脂肪吸收能力降至CHB的86%，继续减小粒径至23.2 μm（UHB），脂肪吸收能力维持不变，与53.2 μm（MHB）时没有显著差异。一般来讲，纤维保水能力和脂肪吸收能力主要受颗粒间堆积作用、孔隙大小以及分子水结合能力三者共同作用的影响。保水能力和脂肪吸收能力随着粒径减小而降低可能是由两方面原因导致：1）随着气流冲击磨粉碎强度的增加，青稞麸皮基质不断破碎变小，部分糊粉层细胞壁结构被破坏，使其对水分和油脂的束缚能力变差，这与赵萌萌等对青稞麸皮的研究结果[13]一致；2）超微粉碎导致的粒径减小破坏了麸皮颗粒间的堆积作用，减小了孔隙的形成，影响了对水分和油脂的截留，从而导致保水能力和脂肪吸收能力下降。当青稞麸皮的D50从164.0 μm（CHB）减小到33.4 μm（FHB）时，吸水膨胀性升高；当D50继续减小到23.2 μm（UHB）时，吸水膨胀性下降，可见吸水膨胀性的变化与保水能力的变化并不一致。研究认为随着材料粒径降低，颗粒数量增加，堆积体积增大；颗粒比表面积增加，吸附到颗粒表面的水分将增加，这都导致吸水膨胀性增加。但纤维的显微结构显示，粒径减小到一定程度后，麸皮纤维素基质、糊粉层细胞壁结构被显著破坏，大颗粒之间空隙被小粒径颗粒填充，导致麸皮堆积体积降低，这可能是吸水膨胀性先增高后下降的原因[37]。

表4 不同粒径青稞麸皮的水合特性Table 4 Hydration properties of highland barley bran with different particle sizes

2.5 不同参数气流冲击磨处理后的青稞麸皮阳离子交换能力

由于膳食纤维的化学结构中包含羧基、羟基和氨基等侧链基团，因此可以产生类似弱酸性阳离子交换树脂的作用。阳离子交换能力高的膳食纤维可以诱捕、破坏和分解脂质乳剂，从而减少脂质和胆固醇的扩散和吸收[38]，同时，高阳离子吸附能力的膳食纤维还可以增强对重金属的吸附，增强膳食纤维对肠道有害物质的清除作用[39]。

不同粒径青稞麸皮的阳离子交换能力如表5所示，当青稞麸皮的D50由164.0 μm（CHB）减小到23.2 μm（UHB）时，阳离子交换能力显著增强（P＜0.05）。这可能是因为粒径的减小使更多的类似弱酸性阳离子交换树脂作用的基团暴露，从而使得阳离子交换能力增加。这与对姜渣的研究结果一致，当姜渣膳食纤维的粒径减小到150 μm时，姜渣膳食纤维的阳离子吸附能力可提高至200.04 mmol/kg[28]。

表5 不同粒径青稞麸皮的阳离子交换能力和葡萄糖吸收能力Table 5 Cation exchange capacity and glucose absorption capacity of highland barley bran with different particle sizes

2.6 不同参数气流冲击磨处理后的青稞麸皮葡萄糖吸收能力

葡萄糖吸收能力是考察膳食纤维在肠道消化过程中对葡萄糖抑制和转运能力的指标。采用3 种不同浓度的葡萄糖（50、100、200 mmol/L）评估不同粒径青稞麸皮的葡萄糖吸收能力，结果如表5所示。当D50由164.0 μm（CHB）减小到23.2 μm（UHB），葡萄糖吸收能力无显著性变化，即粒径的减小对葡萄糖吸收能力几乎不产生影响。这可能是因为粒径的减小并没有提高麸皮中SDF的含量，而高黏度的SDF是导致的葡萄糖分子截留、葡萄糖扩散延迟的重要因素，因此青稞麸皮粒径的减小对葡萄糖吸收能力没有影响。

但葡萄糖吸收能力与葡萄糖浓度基本成正比。以UHB为例，当葡萄糖浓度从50 mmol/L增加至200 mmol/L时，葡萄糖吸收能力由0.77 mmol/g提高至2.24 mmol/g。即随着葡萄糖浓度的提高，青稞麸皮的葡萄糖吸收能力也会增大，这一变化与孜然膳食纤维对葡萄糖吸收能力的研究结果[15]一致。

2.7 不同参数气流冲击磨处理后的青稞麸皮色泽

色泽是食品感官的重要指标之一，膳食纤维颜色过深会限制其在食品中的使用，因此改善膳食纤维色泽非常必要[40]。如表6所示，随粒径的减小，青稞麸皮的L*值显著增大，从CHB的77.71增加到最高82.80（UHB），亮度提高；a*值由CHB的3.33向绿色方向偏移，最大偏移至2.36（UHB）；b*值由CHB的14.26向蓝色方向偏移，最小偏移至13.65（FHB），当粒经继续减小时，b*值变化不明显。总之，粒径减小后，青稞麸皮的色泽得到改善。这是因为随粒径减小，比表面积增大，反射增大，色泽随之变浅。这与锦橙[24]、苹果[41]的色泽变化研究结果一致。色泽的变浅可能有利于使青稞麸皮在食品中有更广的应用。

表6 不同粒径青稞麸皮的色泽Table 6 Color parameters of highland barley bran with different particle sizes

2.8 不同参数气流冲击磨处理后的青稞麸皮感官品质

为了评估青稞麸皮应用于冲调粉的可能性，对青稞麸皮的冲调特性和口感进行评价。如表7、图3所示，随粒度的减小，青稞麸皮粉感官综合评分提高。CHB色泽不均匀，夹杂较多浅色或深色颗粒。随粒径减小，色泽更为均匀，色泽的接受度更高。4 种粒径的青稞麸皮在气滋味方面无显著性差异，总体评分较低，因此在气滋味方面需要改善，这也表明，与气滋味较好的原料复配以改善青稞麸皮食品的风味可能是一个重要方向。4 种不同粒径的青稞麸皮在口感方面有较明显的差异，当粉碎粒径减小至23.2 μm（UHB）时，颗粒粗糙感完全消失，入口柔和细腻。4 种粒径的青稞麸皮冲调性均较好，只有极少量的结块，且随粒径的减小，结块程度降低，这与结块性实验结果一致。4 种不同粒径的青稞麸皮冲调后都有较好的稳定性，均没有发生严重的分层，这与稳定性实验结果一致。且随粒径的减小，感官评价一致性增加，这表明UHB组织状态和接受度均更优。综合感官评价结果可见，小粒径青稞麸皮（UHB）的口感评分最高，这可能是因为随着青稞麸皮粒径的降低，具有片层结构的大粒径麸皮逐渐变成了颗粒结构。在口腔咀嚼过程中，越接近圆形结构的颗粒与口腔的摩擦力越小，颗粒感越弱，最终呈现出爽滑的口感。冲调粉的稳定性和结块性是决定冲调类产品品质的重要因素。青稞麸皮冲调样品静置时间延长至10 min或30 min时，随时间延长稳定性越来越差，但UHB的稳定性始终优于其他样品，说明粒度对其稳定性有一定影响。研究表明超微麸皮对水和油脂有较好的吸附能力，这使得其具有一定乳化潜力[13]。虽然青稞麸皮粒径的减小造成保水能力和油脂吸附能力的下降，但是下降后的青稞麸皮保水能力和油脂吸附能力仍然高于超微粉碎的小麦麸皮[13]，因此小粒径的青稞麸皮（UHB）具有较好的冲调稳定性和最低的结块率。

图3 不同粒径青稞麸皮的感官品质与稳定性Fig.3 Sensory evaluation radar chart and stability evaluation of highland barley bran with different particle sizes

表7 不同粒径青稞麸皮的感官品质Table 7 Sensory evaluation of highland barley bran with different particle sizes

3 结 论

气流冲击磨粉碎技术可高效降低青稞麸皮的粒径（D50从164.0 μm（CHB）下降至23.2 μm（UHB）），得到亚微米级青稞麸皮（UHB），粒径呈较为均一的正态分布，且未影响青稞麸皮膳食纤维的组成及质量分数。随粒径逐渐降低，麸皮片状结构的完整性被破坏，当粒径进一步降低，麸皮结构由片状变为颗粒状，其保水能力和脂肪吸收能力随之下降，吸水膨胀性先升高后下降，阳离子交换能力增强，葡萄糖吸收能力稳定。与未处理青稞麸皮相比，粒径降低显著改善了麸皮口感的粗糙性，粒径最低的UHB样品有良好的冲调稳定性和感官特性，具有可作为冲调粉的开发潜力。