不同粒径对超微粉碎大麦全粉品质特性的影响

任晓婵，张风雪，常婧瑶，马晓丽，孔保华，胡公社，刘骞,2*

1(东北农业大学 食品学院，黑龙江 哈尔滨，150030)2(黑龙江省绿色食品科学研究院，黑龙江 哈尔滨，150028) 3(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)

根据大麦表面是否有外壳包被可将其分为有壳大麦(hulled barley)和无壳大麦(hull-less barley)[1]，与有壳大麦相比，无壳大麦含有更丰富的蛋白、β-葡聚糖和抗性淀粉等营养物质[2]。Juile无壳大麦是一种新型食品大麦，与传统无壳大麦相比，其具有更好的抗冻性和较低的回生值[3]，应用价值较高。目前，对于无壳大麦的研究多集中在无壳大麦淀粉方面，发现其具有较好的溶胀性，持水性、持油性及体外消化性[4]。尽管无壳大麦淀粉具有良好的加工特性，但是单独提取淀粉的过程复杂、耗时且成本较高，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[3]，无法对其进行全组分的高效利用。因此，将无壳大麦以全粉的方式应用于食品加工中是非常有意义的。研究发现，由无壳大麦通过粉碎制得无壳大麦全粉保留了完整大麦的全部营养成分，如复杂碳水化合物、抗性淀粉和膳食纤维、蛋白质、维生素、矿物质和植物化学物质(异黄酮、植物甾醇和生物碱)等[5]，使之具有较好的功能特性，成为营养和功能成分的极佳来源。尽管大麦全粉的营养价值高，但经普通粉碎获得的全粉溶解性较低且利用大麦全粉所制产品的口感较差。因此，有研究发现可通过超微粉碎技术减小大麦全粉粒径以达到改善全粉的口感和理化功能特性的目的[6]。

超微粉碎是一种将物料粒径减小至微米或纳米的技术，其基于表面效应、光学效应、量子效应和宏观量子效应等对物料的理化功能特性产生影响[6]。相较于常规机械粉碎，超微粉碎后的物料粒径更小，品质更佳。ZHAO等[7]将生姜茎进行超微粉碎处理后，研究不同粒度生姜茎粉的理化功能及表面特性的变化，结果表明超微粉碎后的生姜茎粉粒径较小且分布均匀，体积密度、静止角和滑动角增大，溶解性显著增加(P<0.05)。ZHANG等[8]研究发现超微粉碎后的黑莓枸杞粉有良好的分散性和保水性，同时，其花青素含量明显增加，抗氧化活性不断增强。此外，超微粉碎技术还能够提高糊化稳定性、降低回生值。NIU等[9]将小麦淀粉进行超微粉碎，发现随着小麦淀粉粒径的减小，表观黏度降低，糊化稳定性提高。ZHANG等[10]利用超微粉碎制作了5种不同粒径的薏苡仁粉，研究发现随着薏苡仁粉粒径的减小，其糊化温度从65.04 ℃降至62.78 ℃，且峰值黏度、最终黏度和回生值也不断降低。尽管超微粉碎可以提高物料的功能理化特性，改善糊化稳定性，降低回生值，还可以通过减小粒径提高其膳食纤维、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。然而，目前关于超微粉碎对无壳大麦全粉的品质特性鲜有报道，且超微粉碎后不同粒径对无壳大麦全粉品质特性的影响也未可知。

本文测定了不同粒径大麦全粉的基本组成(水分、蛋白质和淀粉含量)、溶解性、膨润力、持水性、吸油性和色差，还通过扫描电子显微镜和快速黏度分析仪测定不同粒径大麦全粉的形貌变化和糊化特性，以探究超微粉碎后不同粒径对Juile无壳大麦全粉的品质特性的影响，并与常规粉碎的Juile无壳大麦全粉进行了比较。以期为大麦全粉的综合利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

无壳大麦(商品名Juile，品种注册号CV-351, PI 665006)，美国农业部-农业研究局国家杂粮和马铃薯种子资源中心；D-葡萄糖(GOPOD)检测试剂盒K-GLUC、D-葡萄糖标准液、淀粉葡萄糖苷酶(amyloglucosidase，AGS)，爱尔兰威克洛Megazyme国际公司；实验用水均为去离子水；其他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；AL-104型精密电子分析天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司；RVA-4型快速黏度分析仪，澳大利亚Newport科学仪器公司；HH4型数显恒温水浴锅，上海力辰邦西仪器科技有限公司；SU 8010扫描电子显微镜，日本日立集团；Vortex-5涡旋混合器，江苏海门其林贝尔仪器制造有限公司；ZE-6000型色差仪，日本登宿株式会社；GL-21M高速冷冻离心机，湖南湘仪离心机仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 大麦全粉制备

参照AHMED等[11]的方法并稍有修改，将大麦经普通粉碎机进行粗磨，并过50目筛子得到粒径为<300 μm的常规粉碎全粉；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/份的大麦全粉分别过120、160、200、240、280目筛，得到<120、<96、<75、<61和<54 μm的大麦全粉，得率按公式(1)计算：

(1)

1.2.2 扫描电子显微镜分析

取适量不同粒径的大麦全粉粉末于离子溅射仪中，再蒸镀铂金膜，在5 kV电压下将放大倍数调至2 000后进行扫描电镜的观察与拍照。

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 食品中水分的测定》进行测定。

1.2.3.2 蛋白含量

按照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》进行测定。

1.2.3.3 淀粉含量

参照LIU等[12]的方法并稍作修改。取25 mg样品加入5 mL 0.5 mol/L NaOH溶液，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(pH 7.40)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[D-葡萄糖(GOPOD)检测试剂盒K-GLUC]溶液，然后将比色皿涡旋并放在37 ℃的水浴锅中30 min，510 nm处测量吸光度。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。淀粉含量按公式(2)计算：

(2)

式中：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

参照赵神彳等[3]的方法测定。

1.2.4.2 持水性

参照赵神彳等[4]的方法。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6 000 r/min离心20 min，除去上清液并称其质量。持水性按公式(3)计算：

(3)

1.2.4.3 吸油性

将样品和花生油以1∶10质量比涡旋混匀后磁力搅拌30 min，然后以5 000 r/min离心20 min，而后弃去上清液。吸油性计算如公式(4)所示：

(4)

式中：m0，样品的质量，g；m1，离心管的质量，g；m2，离心后沉淀和离心管的质量，g。

1.2.5 色差分析

利用色差仪进行色差测定。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D 65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。结果显示为L*、a*和b*值。白度值按公式(5)计算：

(5)

1.2.6 糊化特性测定

参照赵神彳等[4]的方法。称取大麦全粉样品于铝盒内，并加入25 mL水，而后将其置于快速黏度分析仪进行测定。

1.3 数据处理

所有实验均重复3次，结果表示为平均值±标准差。数据分析使用SPSS 22软件，绘图工具使用Sigmaplot 14软件。

2 结果与分析

2.1 不同粒径大麦全粉的得率

如表1所示，其中，<120 μm的大麦全粉的得率最大(95.04%)，<54 μm的大麦全粉的得率最小(81.75%)，且随着粒径的减小，大麦全粉的得率不断减小。原因可能是随着孔径的减小，通过筛子的大麦全粉数量也在减小，导致得率逐渐降低。

2.2 不同粒径大麦全粉的微观形态

扫描电子显微镜的观察结果如图1所示，大麦全粉的微观形态经超微粉碎后发生显著变化。粒径越小，大麦全粉颗粒越均匀。牛潇潇等[13]将马铃薯渣进行超微粉碎后，过筛得到不同粒度的马铃薯渣粉，发现随着粒径的减小，颗粒越细碎且马铃薯渣粉颗粒大小越均一。与常规粉碎全粉(图1-a)相比，超微粉碎后的大麦全粉(图1-b～图1-f)的颗粒结构被破坏，颗粒多呈碎片状，粒径逐渐减小。此外，如图1-e所示，当大麦全粉粒径<61 μm时，颗粒间会呈现聚集现象，这可能是在机械粉碎的作用下，大麦全粉的颗粒表面性能被激活，粒径较小的颗粒间交互面积增加，使得其更容易团簇聚集[14]。JIANG等[14]研究发现辣木叶颗粒随着粒径的减小，比表面积不断增大，静止角和滑动角不断增大，流动性增强，使得颗粒间的聚集力增强，同时由于颗粒较小容易吸水导致颗粒团簇聚集，这与本试验结果相一致。

a-常规粉碎全粉；b-<120 μm的大麦全粉；c-<96 μm的大麦全粉；d-<75 μm的大麦全粉；e-<61 μm的大麦全粉；f-<54 μm的大麦全粉图1 不同粒径大麦全粉的微观结构(×2 000)Fig.1 Microstructure of barley flour of different particle size (×2 000)

2.3 不同粒径大麦全粉的基本成分

如表2所示，与常规粉碎的大麦全粉相比，经超微粉碎的样品水分含量显著降低(P<0.05)，这可能是由于超微粉碎的机械剪切力和摩擦力使得粉体的水分损失，导致超微粉碎全粉的水分含量较低[14]。但经超微粉碎后，随着大麦全粉粒径的减小，水分含量显著增大(P<0.05)。其中，粒径<54 μm的大麦全粉的水分含量最大，可能是由于粒径越小，大麦全粉颗粒越易聚集团簇，颗粒越易吸潮，使得水分含量不断增大[15]。常规粉碎后的大麦全粉蛋白含量最低(13.23%)，经超微粉碎后的样品蛋白含量显著增加(P<0.05)，但不同粒径样品间无显著差异(P>0.05)。造成这一结果的原因可能是颗粒中蛋白质含量较高的部分被机械分解成更小的颗粒，蛋白质多储存在颗粒较小的面粉中，因此颗粒越小蛋白含量越高[11]。淀粉是大麦的主要成分，与常规粉碎全粉相比，超微粉碎后的淀粉含量较大，且淀粉含量随粒径的减小不断增大，最大含量可达到36.07%(<54 μm)。这是由于超微粉碎使得大麦全粉颗粒结构被破坏，且粒径越小，结构破坏程度越大，使得淀粉能更好地溶出细胞[15]。

表2 不同粒径大麦全粉的基本成分Table 2 The basic components of barley flour of different particle size

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

如图2所示，溶解性最高的是粒径<54 μm的大麦全粉，最小的是常规粉碎全粉，且随着粒径的减小，溶解性显著增大(P<0.05)，这可能是由于超微粉碎破坏了大麦全粉的颗粒结构，且随着粒径的不断减小，粉体的比表面积不断增大，从而导致其溶解性增强[8]。此外，粉体的几何结构如孔隙度和形状也会影响溶解性。ZHANG等[10]研究发现经超微粉碎后，粉体的形状不断减小、孔隙率不断增大，导致各组分在溶解过程中的扩散速率和水化速率加快，使得溶解性增强。同时，经超微粉碎后的大麦全粉中的膳食纤维组分也会发生改变，由不溶性纤维向可溶性纤维转化，且随着粒径的减小，可溶性膳食纤维含量不断增大，这也将导致样品的溶解性不断增大[16]。

膨润力是衡量样品水合性能的重要指标之一。如图2所示，膨润力随粒径变化的趋势与溶解性相反。其中，常规粉碎全粉的膨润力最高，超微粉碎后，随着粒径的减小，膨润力显著降低(P<0.05)，这可能是由于大麦全粉受到机械剪切作用，膳食纤维长链转化成短链，使得膳食纤维的空间三维结构被破坏，且可溶性物质的溶出量增加，对水的吸收能力减小，进而导致膨润力降低[17]。

图2 不同粒径大麦全粉的溶解性和膨润力Fig.2 Solubility and swelling power of barley flour with different particle size注：不同字母表示差异显著(P<0.05)(下同)

2.4.2 持水性

持水性是评价样品保水性能的指标。大麦全粉的持水性如图3所示，常规粉碎全粉的持水性较超微粉碎后大麦全粉的持水性低，可能由于超微粉碎使得大麦全粉的比表面积增大，导致水化作用增强，持水性增加[8,10]。经超微粉碎后，<120 μm和<96 μm的大麦全粉的持水性差异性不显著(P>0.05)，但随着粒径的减小，持水性显著降低(P<0.05)。这一结果主要是受粒度大小的影响，随着粒径的减小，比表面积增大，颗粒结构被破坏，导致维持水分的基质减少，持水性降低[18]。此外，YUAN等[19]认为持水性还与膳食纤维总含量呈正相关，而超微粉碎后随着粒径的减小，总膳食纤维含量不断降低，因此持水性不断降低。

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

2.4.3 吸油性

由图4可知，超微粉碎对大麦全粉的吸油性有不利影响。其中，常规粉碎全粉的吸油性最大，但随着粒径从120 μm减小到54 μm，吸油性逐渐降低。其原因可能与多糖链形成的多孔基质结构有关，由于多糖链的结构被破坏，导致其吸油性不断降低[2]。同时，HUANG等[20]发现吸油性的降低也可能是由于在粉碎过程中蛋白质表面的极性氨基酸残基被破坏所导致。

图4 不同粒径大麦全粉的持水性Fig.4 Oil absorbency of barley flour of different particle size

2.5 不同粒径大麦全粉的色差变化

颜色直接影响消费者对食品的接受度。不同粒径大麦全粉的色差如表3所示。

表3 不同粒径大麦全粉的色差变化Table 3 Color difference of barley flour with different particle size

与常规粉碎的大麦全粉相比，经超微粉碎的样品亮度值显著增加(P<0.05)，这可能是由于超微粉碎后的大麦全粉的比表面积增大，使得更容易暴露纤维素和半纤维素的内部结构，从而使超微粉碎后大麦全粉的亮度值较常规粉碎大麦全粉的亮度值高[21]。但超微粉碎后，随着粒径的减小，亮度值则不断降低。原因可能是随着粒径的减小，大麦全粉的色素被破坏导致亮度值降低[22]。随着粒径的减小，白度值不断增大，且在<54 μm时达到最大，这可能由于超微粉碎导致大麦全粉受到机械高温的影响，大麦全粉中的色素发生降解，白度值增大[22]。此外，粒径的减小也会造成大麦全粉的反射因素增大，导致白度值增加[21]。

2.6 不同粒径大麦全粉的糊化特性

食品原料的糊化特性在食品应用中起着关键作用，表4为不同粒径大麦全粉的糊化特性。随着粒径的减小，糊化温度逐渐增大。可能是由于粒径的减小，小颗粒淀粉含量不断增大，抑制了淀粉颗粒在糊化过程中的膨胀，导致糊化温度增高[3]。经超微粉碎后，峰值黏度随着粒径的减小不断降低，其下降原因可能与大麦全粉的膨润力有关[23]。赵神彳等[3]研究发现膨润力的降低会导致其峰值黏度降低，由图2可知，大麦全粉的膨润力随粒径的减小而减小。衰减值表示在糊化过程中淀粉颗粒膨胀破裂的程度[23]，由表4可知，超微粉碎后的大麦全粉的衰减值随粒径的减小而降低，但较常规粉碎全粉高。最终黏度表征淀粉在加热和冷却过程中形成黏性糊状物或凝胶的能力[24]。其随粒径的减小而减小，这可能由于膨润力的降低和蛋白膳食纤维等物质在糊化过程中对水的竞争导致其黏度降低[25]。此外，回生值是测定淀粉回生程度和凝胶能力的指标。回生值随粒径的减小而显著降低(P<0.05)，可能由于随着粒径的减小，淀粉损伤逐渐增大，导致其回生值降低。同时，除了淀粉对糊化特性的影响，其他因素如蛋白质、膳食纤维和脂类的存在及其与淀粉的相互作用和颗粒大小等也会影响其糊化特性。YUAN等[19]研究发现蛋白质的存在会抑制淀粉颗粒的膨胀，从而降低其糊化黏度。最后，研究发现较低的回生值和较高衰减值表明样品的烹饪质量高，因此随着粒径的减小，大麦全粉的加工特性越好。

表4 不同粒径大麦全粉的糊化特性Table 4 Gelatinization characteristics of barley flour with different particle size

3 结论与讨论

本文对经超微粉碎处理后不同粒径的Juile无壳大麦全粉的品质特性进行研究，发现随着大麦全粉的粒径逐渐减小，粒度趋于均匀，颗粒表面逐渐光滑，大麦全粉的蛋白含量和淀粉含量分别由13.23%、32.01%增大至14.18%、36.07%。由于粒径的减小，大麦全粉的膨润力和持水性逐渐降低，但相比于常规粉碎处理的大麦全粉，超微粉碎处理使得大麦全粉的溶解性增强。同时，随着颗粒减小，进一步导致黏度降低，回生值由386减小至274 mPa·s，延缓大麦全粉的老化，提高大麦全粉的稳定性。综上可知，超微粉碎技术可以提高无壳大麦的品质特性，为基于大麦的功能性食品开发提供了理论参考。