粒度对黑米粉及其淀粉特性的影响

冯文娟，马 森，孙冰华，王凤成，王晓曦

河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001

黑米由黑稻谷脱壳制成，以糙米作为主要的食用方式。与抛光后的白米相比，黑米中淀粉含量相对较少，蛋白质含量较高，且氨基酸的组成平衡合理[1]。此外，黑米中富含多种酚类化合物，可以抑制肠道α-葡萄糖苷酶和胰α-淀粉酶的活性，降低2型糖尿病和其他代谢疾病如肥胖、高血压和血脂异常等的发生风险[2]。

目前，粒度作为粉体品质的重要影响因素，其对小麦粉特性的影响已经被广泛研究[3-4]，颗粒大小的异质性通过比表面积显著影响粉体的物理化学性质，同时也伴随有常量营养素(碳水化合物、蛋白质)含量的变化[5]。黑米中的淀粉含量约为75%，其理化特性对黑米粉制品的加工尤为重要[1]。已有研究证明超微粉碎制得的黑米粉易糊化，酶解速率降低，最终酶解时间缩短，快消化淀粉含量提高[6]。由立式圆盘磨粉机得到的黑米粉的平均粒度(288～379 μm)大于石磨湿法研磨得到的黑米粉的平均粒度(253～336 μm)，且破损淀粉含量、水溶性指数和吸水指数更低；随研磨次数的增加，干磨法和湿磨法得到的黑米粉的谷值黏度、终值黏度都降低[7]。采用低温冲击式磨粉机制得的糙米粉，随着粒度的减小，其破损淀粉含量增加，淀粉结晶度降低；在面团水平上，表现为面团黏附性增强、水流动性降低，整体结构更加紧凑；对成品面包进行评价可知，中等粒度的糙米粉更适合用于制作无麸质面包[8]。在使用喷流式磨粉机制粉时发现，粒度为75～<106 μm的米粉与其他粒度(<45 μm，45～<75 μm，106～150 μm)相比，具有最高的面团膨胀率和更好的面包加工能力[9]。以上研究均表明，不同粉碎方式得到的不同粒度分布米粉的加工品质具有较大差异性，但不同粒度黑米粉及其淀粉的特性差异目前尚不明确。

因此，作者以黑米为原料，通过标准筛将高速万能粉碎机处理后的黑米粉筛分出3个粒度范围(<0.15 mm、0.15～0.18 mm、<0.18～0.25 mm)，并在此基础上探究了不同粒度黑米粉的基本组成、水合特性、糊化特性及其淀粉的热特性、晶体结构、短程有序性、微观结构，以期为不同粒度黑米粉在工业化食品生产中的应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

东北黑米(黑珍珠)：十月稻田农业科技有限公司。

溴化钾、碘化钾：天津市福晨化学试剂厂；硫代硫酸钠、溴甲酚绿：天津市科密欧化学试剂有限公司；硼酸、甲基红：洛阳市化学试剂厂；硫酸铜、氢氧化钠：西陇化工股份有限公司；硫酸钾：天津市凯通化学试剂有限公司；硫酸：洛阳昊华化学试剂有限公司；无水乙醇：天津市天力化学试剂有限公司；总淀粉、直链淀粉/支链淀粉试剂盒：爱尔兰Megazyme公司；其他化学品均为分析纯。

1.2 仪器与设备

JP-1500B高速万能粉碎机：浙江省永康市久品工贸有限公司；SDmatic破损淀粉测定仪：法国肖邦技术公司；FibertecTM 201半自动纤维检测仪：丹麦福斯分析仪器有限公司；UV 2400紫外分光光度计：上海舜宇恒平科学仪器有限公司；快速黏度分析仪：瑞典波通仪器公司；Q20差示扫描量热仪：美国TA仪器公司；Mini Flex 600 X-射线粉末衍射仪：日本Rigaku公司；Spectrum TWO Quanta傅里叶红外光谱分析仪：美国Perkin Elmer有限公司；Q250FEG 扫描式电子显微镜：美国 FEI 仪器公司。

1.3 试验方法

1.3.1 不同粒度黑米粉的制备

使用高速粉碎机对东北黑米进行间歇式粉碎10 s×3，将所得的粗黑米粉经60目、80目、100目标准筛，得到不同粒度的黑米粉 (<0.15 mm、0.15～0.18 mm、<0.18～0.25 mm)，依次用BR-100、BR-80、BR-60表示。

1.3.2 不同粒度黑米粉的组成分析

水分含量按照 GB 5009.3—2016测定，粗蛋白含量按照 GB 5009.5—2016测定，膳食纤维含量按照GB 5009.88—2014测定。总淀粉含量采用Megazyme K-TSTA总淀粉检测试剂盒测定，直/支链淀粉比采用K-AMYL直链支链淀粉检测试剂盒测定，破损淀粉含量采用SDmatic 破损淀粉仪测定[9]。

1.3.3 不同粒度黑米粉的水合特性测定

参照Heo等[10]方法，将0.5 g黑米粉与20 mL 去离子水混合，分别在30 ℃和100 ℃下搅拌30 min, 待热糊冷却至室温后，在4 000 r/min 离心15 min, 将上清液在105 ℃下烘干至恒质量。

吸水性指数(WAI)=m2/m0,

水溶性指数(WS)=m1/m0,

膨胀势(SP)=m2/(m0× (1-WS)),

式中：m0为样品干质量，g；m1为上清液烘干后的质量,g；m2为离心管中膨胀淀粉的质量，g。

1.3.4 不同粒度黑米粉的糊化特性测定

参照 GB/T 24852—2010 的方法, 以湿基12%为基准，称取(25.0±0.1) g 蒸馏水，加入(3.00±0.01) g 黑米粉，上下移动桨叶使样品混合均匀后放入快速黏度分析仪(RVA)中进行测定，并记录峰值黏度、谷值黏度、崩解黏度、终值黏度、回生值、峰值时间、糊化温度等特征值。

1.3.5 不同粒度黑米淀粉的提取

黑米淀粉的提取参照文献[11]，采用酶法提取不同粒度的黑米粉(<0.15 mm、0.15～0.18 mm、<0.18～0.25 mm)，依次用BS-100、BS-80、BS-60表示。

1.3.6 不同粒度黑米淀粉的热特性测定

参照褚绍言等[12]使用的方法，准确称取2.5 mg黑米淀粉于铝制高压盘中，使用移液枪加入7.5 μL去离子水，振荡至水分均匀后密封，在室温下平衡24 h后用差示扫描量热仪(DSC)测定。测试条件为以10 ℃/min从30 ℃升至120 ℃。

1.3.7 不同粒度黑米淀粉的晶体结构分析

采用 X 射线衍射法(XRD)测定黑米淀粉的晶体结构。测定条件：特征射线CuKα，扫描范围4°～40°，扫描速率4°/min，步长0.02°。采用软件Jade 6.0计算所有样品的相对结晶度[13]。

1.3.8 不同粒度黑米淀粉的短程有序性测定

将黑米淀粉样品加到采样器中，以空气为背景进行扫描。测试条件：扫描波数400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描次数16次。使用OMNIC 8.2软件傅里叶去卷积，设置参数为半峰宽19 cm-1，增强因子2.1 cm-1，计算指定峰强度的比值。

1.3.9 不同粒度黑米粉及其淀粉的微观结构观察

用导电胶将黑米粉和黑米淀粉样品固定在样品台上，喷金处理后采用扫描电子显微镜(SEM)观察样品的微观结构，加速电压10 kV。黑米粉微观结构的放大倍数分别为300倍和500倍，黑米淀粉微观结构的放大倍数分别为10 000倍和20 000倍。

1.4 数据处理

采用SPSS 26 进行统计分析，数据由至少3个测量值的平均值±标准偏差表示，用单因素方差分析法(ANOVA) 检验，显著性水平为P<0.05。采用 Origin 2018 分析数据并制图。

2 结果与分析

2.1 不同粒度黑米粉的组成分析

由表 1可知，随着黑米粉粒度减小，水分含量、膳食纤维含量、总淀粉含量和直/支链淀粉比降低，而粗蛋白和破损淀粉含量增加。不同样品之间除粗蛋白含量外，其他指标的差异性显著(P<0.05)。水分含量的降低主要与粉碎时间的延长和粉碎时温度升高导致的水分散失有关[13-14]，而其他指标的变化则主要与该组分在黑米结构中的分布有关。黑米有坚韧的皮层，不易粉碎，粉碎后黑米中蛋白质在米糠和胚乳之间分布较为均匀，所以不同粒度之间的粗蛋白含量差异不显著。与蛋白不同，淀粉在胚乳中分布较多，而在米糠中分布较少；膳食纤维在米糠中分布多，而在胚乳中分布较少，所以随着粒度的减小两者的含量均变化显著(P<0.05)。此外，膳食纤维含量的减小与测定过程中的损失也有关，颗粒越小测定时损失越严重[15]。直链淀粉含量较高的黑米粉通常具有较高的糊化温度，而直链淀粉含量较低的黑米粉通常具有较高的膨胀能力[16]。值得注意的是，大量的损伤淀粉会使直链淀粉和支链淀粉的分子量降低，导致糊化黏度降低，吸水率增加[17]。

表1 不同粒度黑米粉的基本组分含量

2.2 不同粒度黑米粉的水合特性

表2列出了不同粒度黑米粉在30 ℃和100 ℃下的水合特性。在30 ℃下，BR-80的吸水性指数和膨胀势最大，BR-60的最小，不同样品之间吸水性指数和膨胀势没有显著的差异。这与de la Hera等[5]对米粉的研究结果一致。同样地，Zhang等[18]指出用干磨(D5078.90 μm)和辊磨(D50108.10 μm)得到的糯米粉的吸水性指数和膨胀势没有显著差异。而Qin等[19]指出用旋风磨粉机磨粳米粉时，粒度<75 μm时出现显著不同的吸水性指数和膨胀势。BR-100的水溶性指数显著高于其他粒度的黑米粉，这可能归因于更多可溶性物质的释放。在100 ℃下，淀粉发生糊化，相比于30 ℃下的样品，水合特性指数均升高，BR-60 的吸水性指数和膨胀势增加的程度最大，而BR-100 的水溶性指数增加程度最大，即颗粒的完整性影响了黑米粉在热处理下与水的相互作用。

表2 不同粒度黑米粉的水合特性

2.3 不同粒度黑米粉的糊化特性

由表3可知，随着黑米粉粒度减小，峰值黏度、谷值黏度、终值黏度均减小，这可能是因为黑米粉粒度减小导致黑米麸的粒度减小，纤维的吸水作用增强，影响了淀粉糊化系统中可利用水的运输，导致糊化黏度降低[19]。另外，回生值和峰值时间随粒度的减小也有所降低，相比于BR-60黑米粉，BR-80黑米粉的糊化温度显著下降(P<0.05)，而衰减值在三组之间无显著性差异。粒度的减小增加了淀粉与水的接触表面积，淀粉晶体结构被破坏有利于水分子通过表面孔状通道进入淀粉颗粒内部，从结构排列较为松散的中央区及通道向内部扩散，进而导致糊化温度和峰值时间降低。同时，粒度的减小使淀粉在相应温度下膨胀后的有效体积减小，从而使黏度下降。

表3 不同粒度黑米粉的糊化特性

2.4 不同粒度黑米淀粉的热特性

图1为不同粒度黑米淀粉的DSC曲线，由图1可知,3个粒度区间的样品都显示有1个典型的吸热峰，且随着粒度的减小峰谷面积减小。结合表4可以看出，随着黑米淀粉粒度减小，其糊化起始温度、糊化峰值温度、糊化终止温度及糊化焓均降低。糊化峰值温度和糊化焓的变化不显著，糊化起始温度和糊化终止温度的变化显著(P<0.05)。研究表明DSC测定的糊化焓更多地反映了淀粉晶体结构破坏时所吸收的能量而非双螺旋结构破坏时所需的能量[20]。所以，糊化焓降低反映了小粒度黑米淀粉晶体结构可能被破坏。同时，粒度减小时，淀粉表面的复合脂含量减少，与非淀粉成分之间的非共价力可能被机械力破坏，也会导致糊化温度降低[21]。

图1 不同粒度黑米淀粉的DSC曲线

表4 不同粒度黑米淀粉的热特性

2.5 不同粒度黑米淀粉的晶体结构

由图2可知，不同粒度黑米淀粉均在2θ为 15°、17°、18°、23°处有衍射峰出现，表现出典型的A-型晶体结构特征。相对结晶度是晶体衍射面积与衍射图总面积的比值，为结晶度的衡量标准。由表5可知，随着黑米淀粉粒度减小，对应淀粉的相对结晶度显著下降。BR-80的相对结晶度相比于BR-60下降了28.16%，BR-100的相对结晶度相比于BR-80下降了25.74%。说明持续的粉碎可能破坏了部分氢键，导致连续结晶区域减少，但是不涉及晶体类型的变化。这与使用球磨处理小麦淀粉和使用气流粉碎处理玉米淀粉时对晶体结构的影响研究结果一致[22-23]。

图2 不同粒度黑米淀粉的XRD谱图

2.6 不同粒度黑米淀粉的短程有序性

淀粉中直链淀粉和支链淀粉的短链部分可形成双螺旋结构，又被定义为短程有序结构。这些双螺旋分子链通过分子间的相互作用力以一定的空间点阵在淀粉颗粒的某些区域形成晶体，又称为长程有序结构，可通过2.5中测定的相对结晶度来表征。淀粉红外光谱吸收带在800～1 300 cm-1对C—C和C—O伸缩区的短程结构变化很敏感，1 047 cm-1处的红外光谱吸收带对淀粉聚集态结构中的有序结构的量敏感，1 022 cm-1处的红外光谱吸收带是非晶区淀粉的特征，对应淀粉大分子的无规线团结构。994 cm-1处的谱带则与C-6处羟基的分子内氢键有关，对应淀粉大分子的羟基间所形成的氢键结构[24]。图3为用Origin处理后的原始红外光谱图(截取波数为800～1 200 cm-1)，但其吸收峰不明显。在研究中用OMNIC 8.2软件对图谱进行了去卷积处理(半峰宽19 cm-1，增强因子2.1 cm-1)，增加了光谱的分辨率，能更加精确地识别吸收峰的位置并进行峰强度的计算。峰强度比值A1 047/1 022和A1 022/994表示淀粉的短程有序程度，A1 047/1 022越大代表短程有序性越好，A1 022/994越小代表短程有序性越好。由表5可知，随着粒度的减小，淀粉短程有序性降低，这与长程有序性及热特性的结果一致，意味着机械破坏力也导致了淀粉的双螺旋结构受损。结合长程有序的结果，推测这种破坏主要涉及淀粉中支链淀粉的分支部分和整个晶体结构中的分子间作用力，而不涉及侧链间的距离及簇内链的分支密度。

图3 不同粒度黑米淀粉的红外光谱

表5 不同粒度黑米淀粉的相对结晶度和短程有序结构

2.7 不同粒度黑米粉及淀粉的微观结构

由图4可知，对于BR-60和 BR-80的黑米粉，可以明显观察到纤维结构的存在，而BR-100的黑米粉由于较强的静电作用，颗粒间团簇聚集，粉体表面可以观察到更多机械力产生的沟壑。黑米淀粉颗粒呈现多角形，随着粒度的减小，多角形的表面变得凹凸不平，淀粉颗粒表面损伤增多，变得不平滑，表面积增加。

注：BR-X-1、BR-X-2分别为放大300倍和500倍的黑米粉，BS-X-1、BS-X-2分别为放大10 000倍和20 000倍的黑米淀粉。

3 结论

采用高速万能粉碎机结合筛分的方式获得3个粒度区间的黑米粉，随着粒度减小，黑米粉中蛋白和破损淀粉含量增加，而膳食纤维、总淀粉及直/支链淀粉比减小。在对水合特性的研究中，只有水溶性指数表现出显著的差异(P<0.05)，吸水性指数和膨胀势没有显著的差异，但小粒度的黑米粉表现出更大的水溶性指数和膨胀势。小粒度黑米粉的糊化黏度、糊化温度及糊化焓都较小。通过对相应黑米淀粉晶体结构和短程有序性的测定，发现存在晶体结构和双螺旋结构的损伤，可观察到大量的损伤淀粉。因此，将黑米粉应用到食品中时，应充分考虑粒度对粉体特性的调控作用。作者详细分析了高速万能粉碎机处理后不同粒度黑米粉及其淀粉的特性，为不同粒度黑米粉的工业化应用提供了可靠的数据支撑。此外，在后续研究中可就粒度对黑米淀粉与蛋白及脂肪之间相互作用的影响进行深入探讨，以期为黑米粉的进一步开发利用提供理论基础。