超微粉碎后粒径对大麦全粉品质特性的影响

任晓婵，常婧瑶，马晓丽，孔保华，辛 莹，胡公社，刘 骞,3,

（1.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨 150030；2.美国农业部-农业研究局 国家杂粮和马铃薯种质资源研究中心，爱达荷亚伯丁 83210；3.黑龙江省绿色食品科学研究院，黑龙江哈尔滨 150028）

大麦是一种草本植物，在全球范围内的谷物中，大麦的产量仅次于小麦、大米和玉米，至2019年全球大麦的产量达到15679.9万吨[1]。其中，大麦产量的3/4用作动物饲料，1/5用作啤酒酿造，仅有1/20的大麦用于食用谷物和面包等食品的制作中[2]。大麦中不仅含有丰富的淀粉、蛋白和膳食纤维（比如β-葡聚糖）等物质，同时也含有酚类化合物、黄酮、甾醇等生物活性物质[3−5]。以此同时，根据大麦品种的不同，其含有的淀粉性质会随之发生改变[6]。另外，与有壳大麦相比，无壳大麦含有较高含量的蛋白、β-葡聚糖和抗性淀粉[7−8]。在前期的研究中，从无壳大麦（商品名Transit，品种注册号CV-348，PI 660128）中提取大麦淀粉并研究其理化和功能特性，发现Transit大麦淀粉是一种蜡质淀粉，其不仅具有很好的膨胀性、吸油性和冻融稳定性，还具有较低的回生值[9]。然而，由于从大麦中单一提取淀粉的过程复杂、耗时且提取成本高，加之提取淀粉后的剩余残渣中还有大量蛋白质、β-葡聚糖、膳食纤维、酚类化合物等物质，无法对其进行全组分高效利用。因此，需要找到一种合适的加工方式，将大麦以全粉的方式在食品加工中进行应用。

超微粉碎是一种新型食品加工技术，其主要将原材料粉碎至微米或纳米级，已广泛应用于食品加工中[10−12]。采用超微粉碎技术可以减小原料颗粒并提高食品原料的功能性和理化性，如持水性、膨胀性、溶解度和吸油性等。Wu等[13]探究超微粉碎鲢鱼骨后不同粒度骨粉的理化性质，结果表明，粉体粒径越小，其流动性、溶解度、蛋白质、溶解度、电导率和持水性均越好。Zhao等[14]研究超微粉碎技术在生姜中的应用，并对不同粒度生姜颗粒的比表面积、持水性、溶解性、容重和蛋白质溶解度进行了研究。结果表明，随着粒径的减小，其比表面积、容重和蛋白质的溶解度均增大，溶解性和持水性也明显改善。此外，超微粉碎技术还能够提高淀粉的糊化稳定性和消化特性[15−17]。Niu等[18]研究超微粉碎后小麦淀粉的多尺度结构和糊化性能；结果显示，超微粉碎降低了淀粉的粒度和结晶度。随着这些结构变化，糊化特性发生改变，表观粘度降低，糊化稳定性提高。然而，关于超微粉碎后不同粒径大麦粉的品质特性鲜有报道，且超微粉碎后不仅可以改善物料的理化功能特性，而且可以通过减小物料的粒径从而提高其膳食纤维、β-葡聚糖、蛋白质和酚类化合物等物质的利用率，达到全粉全组分的高效利用。目前，还未发现将超微粉碎技术应用于Transit大麦中，且超微粉碎后不同粒径对Transit大麦全粉品质特性的影响也未可知。

本文利用超微粉碎技术处理Transit大麦，通过基本组成（水分含量、蛋白含量、淀粉含量）、色差、溶解性、膨润力、持水性、吸油性、粘度和回生值等指标的测定对粉碎后不同粒径大麦粉的品质特性进行研究，旨在通过超微粉碎技术提高大麦的应用价值，充分利用大麦中的功能性物质，同时为大麦粉在食品加工中的应用提供数据支持和理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

无壳大麦（商品名Transit，品种注册号CV-348,PI 660128） 美国农业部-农业研究局国家杂粮和马铃薯种子资源中心；实验用水 均为去离子水；其它试剂 均为国产分析纯。

HMB-400 B实验型超微粉碎机 北京环亚天元机械技术有限公司；DFT 50手提式粉碎机 温岭市林大机械有限公司；JD 500-2电子天平 郑州南北仪器设备有限公司；RVA-4型快速黏度分析仪 澳大利亚Newport科学仪器公司；DK-8B水浴锅 余姚市东方电工仪器厂；SU 8010扫描电子显微镜 日本日立集团；ZE-6000型色差仪 日本登宿株式会社；TG 16-WS台式高速离心机 湖南湘仪实验室仪器开发有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 大麦粉制备 参照Ahmed等[19]的方法并稍有修改，将大麦经普通粉碎机进行粗磨，并过50目的筛子得到常规粉碎全粉；而后将常规粉碎全粉经超微粉碎机器超微粉碎30 min后，并称量5份150 g/份的大麦粉分别过120、160、200、240和280目的筛子，得到<120、<96、<75、<61和<54 μm的大麦粉，并根据公式（1）计算得率：

1.2.2 扫描电子显微镜分析 将处理好的样品置于离子溅射仪中，而后蒸镀铂金膜，扫描电镜在2000×放大倍数下进行观察与拍照。

1.2.3 基本成分测定

1.2.3.1 水分含量 按照GB 5009.3-2016食品安全国家标准 食品中水分的方法测定。

1.2.3.2 蛋白质含量 按照GB 5009.5-2016食品安全国家标准 食品中蛋白质的方法测定。

1.2.3.3 淀粉含量 淀粉含量测量参照Liu等[20]的方法。取25 mg样品加入5 mL 0.5 mol/L NaOH，磁力搅拌60 min，结束后向其中加入30 mL乙酸钠缓冲液，再加入5 mL 0.5 mol/L盐酸中和并涡旋。取2 mL上述溶液加入到15 mL玻璃管中，相同程序制作样品空白，再加入10 μL淀粉葡萄糖苷酶原液并涡旋，后置于37 ℃水浴锅中温育45 min。每隔15 min取出涡旋并放回。温育结束后，加入8 mL 50 mmol/L磷酸盐缓冲液（pH7.40）并涡旋。将0.4 mL上述悬浮液转移到比色皿中，再加入1 mL GOPOD溶液，然后将比色皿涡旋并放在37 ℃的水浴锅中30 min，510 nm处通过分光光度计测量吸光度。根据上述整个程序制备试剂空白，试剂空白不添加任何样品。差。数据分析使用SPSS Statistix 22软件，绘图工具使用Sigmaplot 14软件。

式（2）中，A0=样品的吸光值，A1=样品空白相对于试剂空白的吸光值，A2=试剂空白的吸光值，K=葡萄糖溶液标准曲线的斜率，Ws=样品的水分含量。

1.2.4 水化特性测定

1.2.4.1 溶解性与膨润力 溶解性与膨润力参照赵神彳等[9]方法测定并稍有改动。精确称取0.25 g样品粉末于50 mL离心管中，加入24.75 mL水，沸水中搅拌加热20 min。待其冷却至室温后，以6000 r/min离心20 min后，分别将上清液和沉淀在105 ℃烘箱中烘干至恒重。计算公式：

1.2.4.2 持水性 持水性参照赵神彳等[9]的方法并稍有改动。精确称取0.25 g样品粉末于10 mL离心管中，加入4.75 mL水，沸水中加热20 min。待其冷却至室温后，以6000 r/min离心20 min，除去上清液体并称其质量。持水性计算公式：

1.2.4.3 吸油性 吸油性参照赵神彳等[9]的方法并稍有改动。将1.00 g样品和10 mL花生油置于离心管中，涡旋混匀后磁力搅拌30 min。结束后在室温（25 ℃）下将混合物以5000 r/min离心20 min，保留沉淀。吸油性计算公式：

式中：m0是样品的重量，g；m1为离心管的重量，g；m2为离心后沉淀和离心管的重量，g。

1.2.5 颜色分析 利用ZE-6000型色差仪进行颜色指标测定。取适量样品粉末铺于色差仪的样品杯内，样品要没过样品杯的底面但不高于样品杯的高度，用勺子按压紧实后置于色差仪上进行测定。设置参数：使用D65光源和一个直径8 mm测量区和直径50 mm照明区的10°观察角。通过测定得到L*、a*和b*值。采用白色标准板进行校准。白度值的计算公式为：

1.2.6 糊化特性测定 糊化特性参照赵神彳等[9]的方法。称取3.00 g大麦全粉样品于快速粘度分析仪的专用铝盒内，并加入25 mL水，而后将铝盒置于快速粘度分析仪上进行机械搅拌，测定完成后并记录数值。

1.3 数据处理

所有实验均重复3次，结果表示为平均值±标准

2 结果与分析

2.1 不同粒径大麦全粉的得率

不同目数大麦粉的得率如表1所示。随着粒径的减小，大麦粉的得率不断减小。其中，得率最大的是<120 μm的大麦粉，达到69.82%（P<0.05）；得率最小的是<54 μm的大麦粉，为49.09%（P<0.05）。这是由于120、160、200、240和280目筛子的孔径分别为120、96、75、61和54 μm，随着孔径的减小，导致通过筛子的大麦粉数量也在减小，得率逐渐降低。

表1 不同粒径大麦粉的得率Table 1 Yield of barley flour of different particle size

2.2 不同粒径大麦全粉的微观形态

大麦粉的微观形态可通过扫描电子显微镜观察，常规粉碎全粉（图1a ）表面光滑圆润，与其他不同粒径大麦粉相比，颗粒完整，碎片较少；经超微粉碎后（图1b～图1f ），大麦粉粒径减小，碎片化明显，表面粗糙程度增加，由于其粒径减小，比表面积增加，可能会影响大麦粉粉体的表面活性[21]。此外，当大麦粉颗粒过小时，颗粒之间将会出现聚集团簇现象，牛潇潇等[22]发现由于粒径减小，受超微粉碎和筛子筛分的摩擦影响，增强了颗粒间的静电力，导致其颗粒间团簇聚集。许青莲等[23]也发现了相同的结果，经超微粉碎后，小颗粒容易团簇成大团块。

图1 不同粒径大麦粉的微观结构Fig.1 Microstructure of barley meal with different particle sizes

2.3 不同粒径大麦全粉的基本成分

不同粒径大麦粉的基本成分（水分、蛋白质、淀粉）含量如表2所示。常规粉碎全粉的水分含量显著大于其它粒径大麦粉的水分含量（P<0.05），可达到8.39%。造成这一现象的原因可能有两个，一个是在超微粉碎过程中，机械的摩擦力和剪切力造成粉体的水分损失，另一个可能是超微粉碎后粉体结构被破坏，维持水分的能力降低[24]，使得超微粉碎后大麦粉的水分含量比常规粉碎全粉的大麦粉的水分含量低。除常规粉碎全粉外，随着粒径的减小，大麦粉的水分含量呈现显著增加的趋势（P<0.05），其中最大的是<54 μm的大麦粉，水分含量可达到7.90%，最小的是<120 μm的大麦粉，水分含量为6.52%。这主要由于超微粉碎后，随着粒径减小，颗粒间相互聚集，造成吸潮现象，使得水分含量随着粒径的减小而增大[25]。此外，超微粉碎后大麦粉中的蛋白质含量随着粒径的减小而增大，但差异性不显著（P>0.05）。其中，蛋白质含量最小的是常规粉碎全粉，为15.05%；蛋白质含量最大的为<54 μm的大麦粉，有16.79%。最后，超微粉碎后大麦粉中的淀粉含量随着粒径的减小而增大，最小的是常规粉碎全粉（42.16%），含量最大的是<54 μm的大麦粉（47.49%）。这可能是因为超微粉碎后随着粒径的减小，大麦粉的比表面积增大，蛋白质及淀粉能够更好地溶出细胞，从而导致二者的含量增加[14−15,26]。此外，杨璐[27]发现超微粉碎后，淀粉与蛋白质结合的大颗粒物质被破坏，淀粉含量增加。

表2 不同粒径大麦粉的基本成分Table 2 Basic components of barley flour of different particle sizes

2.4 不同粒径大麦全粉的水化特性

2.4.1 溶解性与膨润力 不同粒径大麦粉的溶解性及膨润力如图2所示，大麦粉的溶解性随着粒径的增大而显著增大（P<0.05），其中，常规粉碎全粉的溶解性最小，最大的是<54 μm和<61 μm的大麦粉。相同的结果也出现在邓凯波等[28]的研究结果中。造成这一现象原因可能是经超微粉碎后，大麦粉颗粒被破坏，粒径减小，比表面积增大，使得大麦粉中可溶性物质暴露出来[12]；此外，超微粉碎后大麦粉中的膳食纤维会发生改变，不溶性膳食纤维会转换成可溶性膳食纤维，这是由于不溶性膳食纤维中的半纤维素、纤维素和木质素的机械分解导致的，这些产物会进一步转化为一些小分子化合物，且随着粒径的减小，不溶性膳食纤维的含量转化为可溶性膳食纤维的含量增大，增加其在水中的溶解性[10]。Du等[29]研究发现，青稞膳食纤维经超微粉碎后，不溶性膳食纤维含量下降，可溶性膳食纤维含量提高，总膳食纤维含量提高，表明膳食纤维中的成分发生转化。膨润力也是影响大麦粉水化性能的重要因素之一。其中，膨润力最小的是<54 μm的大麦粉，膨润力最大的是常规粉碎全粉。同时经超微粉碎后，随着粒径的减小，大麦粉的膨润力显著降低（P<0.05）。主要原因是超微粉碎后，粒径减小，使得粉体中纤维等长链减小、短链增加，致使粉体对水束缚力相对减弱，膨润力降低[29]。

图2 不同粒径大麦粉的溶解性和膨润力Fig.2 Solubility and swelling power of barley flour with different particle sizes

2.4.2 持水性 不同粒径大麦粉的持水性如图3所示，经超微粉碎处理的大麦粉的持水性较常规粉碎全粉的持水性大，其中，持水性最大的是<120 μm和<96 μm大麦粉，且差异性不显著（P>0.05）；除此之外，其它粒径大麦粉的持水性随着粒径的减小依次减小，这与邓凯波等[28]的研究结果是一致的。出现上述情况的原因可能是水化作用受颗粒大小和几何结构（如孔隙度和形状）的影响[30−31]。超微粉碎后，随着大麦粉粒径的不断减小，颗粒间会发生团簇行为，使得大麦粉颗粒间相互作用力增大，影响大麦粉与水分子之间的相互作用，导致大麦粉持水性下降[28]。也可能是超微粉碎破坏了不溶性膳食纤维的多糖链，且粒径越小，破坏程度越大，而这些多糖链可以通过氢键保持一定量的水分，从而使超微粉碎后大麦粉的持水性逐渐减小[11]。

图3 不同粒径大麦粉的持水性Fig.3 Water holding capacity of barley flour of different particle sizes

2.4.3 吸油性 粉体的油脂结合能力是评价其亲脂能力的重要参数[32]。如表3所示，不同粒径大麦粉的吸油性差异显著（P<0.05），其中，吸油性最大的是常规粉碎全粉，其次是<120 μm的大麦粉，而吸油性最小的是<54 μm的大麦粉，且随着粒径的减小，大麦粉的吸油性显著降低（P<0.05），说明超微粉碎大大降低了大麦粉的吸油性。这可能有两种原因：一方面，粉碎增加了亲水基团的暴露，导致粉体的吸油性降低；另一方面，粒径减小，使得大麦粉对油脂的吸附性能降低[31]。这与Huang等[33]的研究结果一致。

表3 不同粒径大麦粉的吸油性Table 3 Oil absorbency of barley flour with different particle sizes

2.5 不同粒径大麦全粉的颜色变化

原材料的颜色是其加工中重要的品质之一。不同粒径大麦粉的颜色结果如表4所示，与常规粉碎全粉相比，不同粒径大麦粉的亮度值和白度值均显著增大（P<0.05）。亮度值最大的是<54 μm的大麦粉，其次是<61 μm的大麦粉；白度值亮最大的是<54 μm的大麦粉，其次是<61 μm的大麦粉。Huang等[33]研究发现，色差主要受颗粒大小所影响，粒径减小使纤维素和半纤维素的表面积增加，纤维素和半纤维素的内部结构暴露出来，从而影响粉体的颜色。Hu等[34]发现粒径对绿茶粉的颜色同样具有显著影响。

表4 不同粒径大麦粉的颜色变化Table 4 Color difference of barley flour with different particle sizes

2.6 不同粒径大麦全粉的糊化特性

超微粉碎处理会减小大麦粉的粒径，从而影响淀粉的溶胀性和胶凝性，进而影响RVA曲线[35]。不同粒径大麦粉的糊化特性和糊化曲线如表5和图4所示，随着粒径的减小，大麦粉的起糊温度从68.15 ℃（<120 μm）增加至71.50 ℃（<54 μm），<120 μm的大麦粉的糊化温度最低（68.15 ℃）。糊化温度升高可能是由于随着粒径的减小，小颗粒淀粉含量增加，以及大麦粉的颗粒破损程度增大，一些抑制淀粉膨胀的内容物被释放出来，导致糊化温度升高[9]。峰值黏度随着粒径的减小而减小，其中<54 μm的大麦粉的峰值黏度最小，可能是由于随着粒径的减小，膨润力（持水性）降低，导致了较小的峰值黏度[9]。可能是超微粉碎后，大麦粉颗粒受到破损，分子量减小，进而影响其黏度；此外，糊化中高温使得多糖的糖苷键被破坏，大麦粉不耐剪切，使得黏度较低[36]；由持水性结果可知，随着粒径的减小，持水力降低，也会使大麦粉粘度降低[37]。最小黏度、最终黏度和衰减度也随着粒径的减小而减小，与Niu等[38]结果相似，回生值也随着粒径的减小而减小。最终粘黏度与大麦粉粉体的膨胀稳定性有着密切的关系，随着粒径的减小，溶胀性的降低，大麦粉的终值下降[28]。衰减度与大麦粉的耐热性有关[35]，衰减度降低，表明大麦粉的耐热性也提高，这也与糊化温度升高相联系。Niu等[18]同样研究超微粉碎后全麦面粉的糊化特性，发现糊化后大麦粉中的淀粉颗粒分解，直链淀粉渗出使糊化黏度降低。此外，蛋白和膳食纤维也会影响糊化特性，其通过抑制淀粉颗粒溶胀，从而降低糊化黏度[39]。

表5 不同粒径大麦粉的糊化特性Table 5 Gelatinization characteristics of barley flour with different particle sizes

图4 不同粒径大麦粉的糊化曲线图Fig.4 Pasting curves of barley flour with different particle sizes

3 结论

本文对经超微粉碎处理和常规粉碎处理的大麦的品质特性进行研究，发现通过超微粉碎设备内部产生的压缩、冲击、摩擦和剪切作用，大麦粉内聚力受到高剪切和破坏，食品基质结构破裂，粒径减小，从而改善大麦粉的结构及品质特性。随着大麦粉结构的破坏，粒径的减小，可溶性物质和功能性物质的溶出增强，使得蛋白和淀粉含量分别由15.05%、42.16%增加至16.79%、47.49%。相比于常规粉碎处理的大麦粉，超微粉碎处理使得可溶性膳食纤维含量增加，导致大麦粉的溶解性增强。同时由于颗粒减小，分子量降低，使得大麦粉的膨润力和持水性降低，进一步导致黏度降低，回生值由836.5 cp减小至242.00 cp，能够延缓大麦粉的老化，提高大麦粉的稳定性。综上可知，超微粉碎技术可以改善大麦的品质特性，为基于大麦的功能性食品开发提供了理论参考。