不同粒徑對(duì)黑米粉理化性質(zhì)的影響

易建華， 張志婕， 朱振寶, 董新玲

(1.陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.陜西省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院， 陜西 西安 710048)

0 引言

黑米又叫“紫米”、“烏米”和“血米”，因其顯著的藥用功效，被我國(guó)中醫(yī)稱為“藥米”，黑米中蛋白質(zhì)、維生素、酚物質(zhì)和微量元素含量較豐富，礦物質(zhì)配比適合人體需求，同時(shí)含有人體必需的所有氨基酸，具有抗氧化、降血壓、抗炎癥、清除自由基等價(jià)值[1].中醫(yī)將黑米作為滋陰補(bǔ)腎，清肝利腸的食療材料.但由于黑米表皮含有大量的果膠和纖維素，質(zhì)地堅(jiān)硬，導(dǎo)致黑米難以消化吸收，食品品質(zhì)差，很大程度上限制了黑米資源的開發(fā)利用[2].為解決這些問題，需要對(duì)黑米特殊加工，改善其理化特性，提高其利用率.

超微粉碎是通過機(jī)械力將粗粉碎物料微細(xì)化處理，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的破裂，改變粉體的化學(xué)物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)，從而賦予粉體特殊的體積效應(yīng)和表面積效應(yīng)，使其成為明顯區(qū)別于常規(guī)物質(zhì)顆粒狀態(tài)的一種新形態(tài)[3].已有研究表明，超微粉碎可以降低粉體的粒度，增大粉體的比表面積，從而改善粉體的溶解性和消化特性[4].提高食品原料的利用率[5].超微粉碎在封閉系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，可減小環(huán)境中的微生物和灰塵對(duì)產(chǎn)品的污染[6]，使產(chǎn)品更加綠色環(huán)保[7].

Rosa等[8]研究麩皮超微粉時(shí)發(fā)現(xiàn)，超微粉碎能提高粉體的抗氧化性.Niu等[9]研究表明超微粉碎能降低粉體的粒度，提高全麥面粉的性能.Sehun Choi等[10]研究了黑米在不同研磨條件下的抗氧化能力，其結(jié)果表明隨著粉碎強(qiáng)度的增加，其抗氧化性有所變化.基于已有研究，超微粉碎處理可以改變粉體理化特性和原料利用率.

本實(shí)驗(yàn)主要考察黑米粉粒徑對(duì)黑米的加工性能和產(chǎn)品品質(zhì)的影響.本實(shí)驗(yàn)利用標(biāo)準(zhǔn)篩，將普通粉碎處理的黑米粉篩分出四個(gè)不同粒徑范圍，與黑米超微粉進(jìn)行對(duì)比，研究了五個(gè)粒徑范圍內(nèi)的黑米粉的滑角、酶解時(shí)間、沖調(diào)特性及粉體溶解度、淀粉酶酶解速率等特性.同時(shí)，研究了粉體抗氧化活性與粒徑大小的關(guān)系，為黑米產(chǎn)品的開發(fā)和利用提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

1.1.1 主要試劑

黑米，市售，儲(chǔ)存于4 ℃冰箱中備用；α-淀粉酶，北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；無水乙醇、石油醚，分析純.

1.1.2 主要儀器

高速多功能粉碎機(jī)，武義海納電器有限公司；流化床對(duì)撞式氣流磨，上虞市和力粉體有限公司；快速黏度分析儀，瑞典波通儀器有限公司；示差掃描量熱分析儀，美國(guó)TA公司；激光粒度分析儀，英國(guó)Mastersizer公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 黑米粉的制備

普通粉碎黑米粉的制備：采用多功能粉碎機(jī)對(duì)黑米粉進(jìn)行粉碎處理，經(jīng)過60、80、100、120、200標(biāo)準(zhǔn)篩篩分，得到不同的粒徑范圍的黑米粉體.

超微粉碎黑米粉的制備：利用流化床對(duì)撞式氣流磨對(duì)200目標(biāo)準(zhǔn)篩篩出的黑米粉進(jìn)行超微粉碎處理，粉碎頻率為40 Hz，得到平均粒徑32μm的超微粉體.

1.2.2 不同粒度范圍黑米粉酶解性能測(cè)定

(1)淀粉酶完全水解時(shí)間的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取不同粒徑的黑米粉1.00 g置于分液漏斗中，取適量石油醚洗滌2次，無水乙醇洗滌4次，除去其中脂溶性物質(zhì).將濾紙上的粉體收集到編號(hào)的燒杯中，加入50 ml雙蒸水，制成的懸濁液在沸水浴中糊化2 h，取出后使樣品完全冷卻，然后加入0.050 g的淀粉酶，在水浴磁力攪拌器中55 ℃恒溫反應(yīng)，期間不斷攪拌，記錄起始時(shí)間.每隔2 min滴加碘液作為顯色液，直至樣品遇碘不變藍(lán)為止.記錄完全酶解的時(shí)間.

(2)淀粉酶酶解速率的測(cè)定[11]

準(zhǔn)確稱取樣品3.00 g，加50 mL超純水，在98 ℃的恒溫水浴鍋中反應(yīng)25 min，使淀粉完全糊化.完全冷卻后加入0.05 g淀粉酶，置于磁力攪拌器上邊攪拌邊55 ℃保溫，反應(yīng)10 min.反應(yīng)結(jié)束后，煮沸使酶失活.將樣品糊化液置于已知質(zhì)量的濾紙上過濾后，再依次用無水乙醇和石油醚洗滌若干次，將濾紙?jiān)?05 ℃的恒溫烘箱中干燥至恒重.稱量濾紙質(zhì)量后，計(jì)算殘?jiān)|(zhì)量.

1.2.3 不同粒度范圍黑米粉溶解性能的測(cè)定[12]

用超純水配置2%的黑米粉懸濁液50 mL，95 ℃恒溫水浴中保溫30 min，期間不斷攪拌.然后，以3 000 rpm離心25 min ，收集上清液，先蒸干大部分溶劑后，置于105 ℃烘箱中干燥至恒重.樣品的溶解度可以由公式(1)計(jì)算求得：

(1)

式(1)中：S-溶解度(%)；A-干燥后物質(zhì)的質(zhì)量(g)；W-樣品質(zhì)量(g).

1.2.4 不同粒度范圍黑米粉滑角的測(cè)定[13]

準(zhǔn)確稱取不同粒徑的黑米粉3.00 g，放置于10 cm×10 cm的玻璃板上，將平板傾斜至約90%的黑米粉開始移動(dòng)為止，測(cè)定玻璃板與起始面的夾角，即為各樣品的滑角.

1.2.5 不同粒度范圍黑米粉糊化溫度的測(cè)定[14]

取不同粒徑的黑米粉制成25 mL 8%的懸濁液，置于燒杯中，一邊攪拌，一邊小火加熱，用溫度計(jì)實(shí)時(shí)顯示淀粉糊的溫度，記錄淀粉糊開始出現(xiàn)黏膠狀的溫度，即為開始糊化溫度，和淀粉糊均一穩(wěn)定，不再分層時(shí)的溫度，即為糊化結(jié)束溫度.少量異常顆粒不計(jì)，測(cè)定3次，取平均.

1.2.6 不同粒度范圍黑米粉RVA特性的測(cè)定

參照GB/T 24853-2010測(cè)定樣品的水分含量，然后根據(jù)GB/T 24853-2010的要求，添加適量的水制成懸濁液，依據(jù)NY/T 1753-2009中的方法測(cè)定樣品溶液的糊化特性.

1.2.7 不同粒度范圍黑米粉持水力和持油力的測(cè)定

(1)持水力的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取樣品1.00 g置于100 mL燒杯中，加入50 mL蒸餾水，25 ℃恒溫水浴磁力攪拌30 min，收集溶液2 000 rpm，離心30 min，用濾紙擦干離心管壁的水后，稱量離心管中樣品質(zhì)量.樣品的持水力Q可以由公式(2)計(jì)算得到：

(2)

式(2)中：m2-離心后樣品的質(zhì)量(g)；m1-樣品粉末的質(zhì)量(g).

(2)持油力的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取樣品1.00 g置于燒杯中，加入食用油20 g，室溫靜置1 h后，3 000 rpm離心20 min，除去油層后，用濾紙擦干離心管表面的油，稱量樣品質(zhì)量，持油力L可由公式(3)計(jì)算得到：

(3)

式(3)中：w2-離心后樣品的質(zhì)量(g)；w1-樣品粉末的質(zhì)量(g).

1.2.8 不同粒度范圍黑米粉陽離子交換力的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取0.500 g樣品，加100 mL NaCl溶液(5%)磁力攪拌5 min，測(cè)定溶液pH，記錄數(shù)據(jù).然后逐次加入NaOH溶液(0.01 mol/L)0.1 mL，磁力攪拌5 min，測(cè)定溶液pH，直至NaOH的添加量達(dá)到0.1 mL，得到NaOH添加量與溶液pH變化的關(guān)系圖.

1.2.9 不同粒度范圍黑米粉抗性淀粉含量的測(cè)定

(1)淀粉的提取

取適量黑米粉體，按1∶5的加水量加入蒸餾水，于室溫下浸泡2 h后，調(diào)節(jié)樣品溶液至中性后，加入1.8%的中性蛋白酶，45 ℃反應(yīng)8 h，3 000 rpm離心15 min，刮起上層黑色物質(zhì)后，溶解再次離心.反復(fù)多次直至得到白色的淀粉為止.收集粉體于45 ℃烘箱中干燥，得到淀粉粗提物，備用.

(2)含糖量的測(cè)定

取200 mg淀粉樣品，加入0.2 mol/L的醋酸鈉緩沖液(pH 5.2)15 mL，搖勻后沸水糊化30 min，期間每隔5 min在渦旋儀上震蕩5 min，反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，向樣品中加入5 mL混合酶液(1 mL 15 u/mL的糖化酶和4 mL的豬胰酶290 u/mL)立即放入37 ℃水浴鍋中攪拌，開始計(jì)時(shí)，同時(shí)取0.5 mL樣品溶液沸水浴6 min滅酶活后，用DNS法測(cè)含糖量.分別在20 min、120 min時(shí)取出50μL樣品溶液，沸水浴6 min滅酶活后，用DNS法測(cè)含糖量.將最后樣品溶液反應(yīng)240 min后，滅活測(cè)含糖量.快消化淀粉含量RDS可由公式(4)計(jì)算得到、慢消化淀粉含量SDS可由公式(5)計(jì)算得到、抗性淀粉含量RS可由公式(6)計(jì)算得到：

(4)

(5)

(6)

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

1.2.10 不同粒度范圍黑米粉抗氧化活性的測(cè)定

(1)DPPH自由基清除率

取5 g樣品加入45 mL(80%)乙醇溶液，50℃超聲處理15 min后，于50 ℃水浴鍋中提取1 h，取出后以2 000 rpm離心15 min，取上清液0.3 mL,加入4.7 mL的DPPH溶液(0.1 mmol/L)混勻，避光反應(yīng)30 min，于517 nm處測(cè)吸光度.樣品的DPPH自由基清除率M可以公式(7)計(jì)算得到：

(7)

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

(2)總還原力

取1.5 mL上清液，與1.5 mLPBS(pH6.6)和3 mL(1 mg/mL)鐵氰化鉀溶液混勻，于50 ℃水浴保溫20 min，快速冷卻后加入4 mLTCA溶液(10%)終止反應(yīng).取上述溶液3 mL，加入2 mL蒸餾水與0.54 mL(0.1%)的FeCL3混勻，靜置10 min，于700 nm測(cè)吸光度值.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同粉碎粒度范圍黑米粉酶解性能比較

酶解速率和最終酶解時(shí)間可以表征了粉體的消化吸收性能.酶解性能越好的粉體，越易被消化吸收.如圖1所示，黑米粉的酶解性能與粉體的粒徑大小有關(guān)，粉體的完全酶解時(shí)間和酶解速率都隨著粒徑的減小而減小.本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與徐群英等[11]研究結(jié)果相反，這可能是由于黑米顆粒中堅(jiān)硬的胚及胚乳被包裹，粉碎困難.小粒徑粉體淀粉含量較少，導(dǎo)致最終酶解時(shí)間隨著粉體粒徑的減小而降低.在測(cè)定酶解速率時(shí)，淀粉酶與底物的結(jié)合作用受到果皮粉末的抑制.由于，小粒徑粉體的果皮含量較多，抑制作用較明顯，因此酶解速率隨著粉體粒徑的減小而降低.

圖1 不同粒度范圍黑米粉酶解時(shí)間和酶解速率

2.2 不同粒度范圍黑米粉的沖調(diào)性和溶解性比較

沖調(diào)性能通常用來衡量粉體在水中溶解是否迅速，分散是否均勻，實(shí)驗(yàn)研究了不同粉體在室溫下的沖調(diào)性能，其結(jié)果如表1所示.

表1 不同粒度范圍的黑米粉沖調(diào)性能比較

由表1可知，粉體粒徑越小，粉體在水中的分散性能越高，分散的溶液越穩(wěn)定.上述結(jié)果表明，經(jīng)過超微粉碎處理的粉體更適合用于生產(chǎn)速溶食品.

溶解性與粉體在水中的溶解能力正相關(guān)，是衡量粉體沖調(diào)性能的重要指標(biāo).由圖2可以看出,隨著黑米粉粒徑的減小,粉體的溶解力逐漸增加.其中，超微粉的溶解性為19.1%，較粒徑范圍為180～250μm的粉體的溶解性提高了41%.這可能是因?yàn)殡S著粒徑的減少,粉體與水的接觸面積逐漸增加，溶液的孔隙百分率隨著粒徑的減小也逐漸增加，更有利于水溶性成分的溶解，從而導(dǎo)致溶解率增大.綜上所述，超微粉碎處理可以提高粉體的沖調(diào)性能.

圖2 不同粒度范圍黑米粉的溶解度

2.3 不同粒度范圍黑米粉滑角比較

粉體的滑角大小，放映了粉體的流動(dòng)性，粉體的滑角越大，其流動(dòng)性越差.圖3表明，粉體的滑角隨著粉體粒徑的減小而增大.超微粉碎處理后粉體的滑角顯著增大.這可能是由于小粒徑粉體比表面積較大，顆粒之間具有更好的吸附力和凝聚性，粉體的表面聚合力更大，因而吸附性能增強(qiáng)所導(dǎo)致.

圖3 不同粒度范圍黑米粉的滑角

2.4 不同粒徑范圍黑米粉的糊化溫度

粉體的開始糊化溫度和結(jié)束糊化溫度表明物料糊化的難易程度，糊化溫度越低，物料糊化越容易.糊化的難易程度可以影響原料的加工特性.

不同粒度范圍黑米粉糊化溫度見表2所示.由表2可知，隨著黑米粉的粒徑減小，粉體的糊化開始溫度和糊化結(jié)束溫度都降低.淀粉糊化是指生淀粉的水溶液被加熱時(shí)，水分子進(jìn)入淀粉微晶束，導(dǎo)致膠束狀態(tài)全部崩解，淀粉分子被分散為單分子，同時(shí)，分散的淀粉分子被水所包圍而形成均一穩(wěn)定、有粘性的糊狀溶液的過程.本實(shí)驗(yàn)中，粉狀顆粒減小，為水分子的進(jìn)入和締合提供了更大的空隙，更有利于淀粉的糊化[15].綜上所述，超微粉碎處理，能降低粉體的糊化溫度，提高粉體的熱加工性能.

表2 不同粉碎粒度小米粉的糊化溫度

2.5 不同粒徑范圍黑米粉的糊化特性

黏度是反映粉體中淀粉品質(zhì)的重要指標(biāo)，測(cè)定淀粉黏度隨溫度的變化規(guī)律，可以更好地評(píng)估樣品在面制品中的應(yīng)用特性.用RVA-TM型快速粘度分析儀測(cè)定各粒度范圍內(nèi)的黑米粉的糊化曲線，從表 3 可以看出，黑米粉的峰值黏度、最低黏度、崩解值、最終黏度、回生值都隨粉體粒度的變小而下降；比較 5不同粒度范圍黑米粉的峰值時(shí)間發(fā)現(xiàn)，超微粉碎的峰值時(shí)間最長(zhǎng)；糊化溫度最低.其中，超微粉的崩解值較其他樣品明顯較小，崩解值反映淀粉糊的熱穩(wěn)定性，崩解值越大，淀粉的熱穩(wěn)定性越差[16].回生值的大小反映了粉體的抗老化程度.超微粉碎處理后粉體的回生值為194 cP，較粒徑范圍為75～120μm的粉體顯著降低.超微粉碎處理能顯著提高粉體的抗老化性，從而顯著提高粉體加工性能.

2.6 不同粒度范圍黑米粉持水力和持油力的測(cè)定

持水性、持油性是衡量黑米中膳食纖維的吸附性能的理化指標(biāo).粉體的持水力較大時(shí)，沖調(diào)粉對(duì)水的吸附性也越好.持油力高的粉體能夠吸附油脂，進(jìn)而減少人體對(duì)于膽固醇的吸收.所以粉體的持水力、持油力越大，生理活性也就越好.目前研究表明[17]，青稞麩皮超微粉的持水力和持油力顯著提高.

由圖4可知，持水力和持油力隨著粉體粒徑的減小逐漸增大.其中，前三組持水力較接近，從第四組開始，粉體的持水力較前組增加.這可能是因?yàn)殡S著粉體粒徑的減小，粉體的孔隙率增加，比表面積增大，導(dǎo)致粉體的膳食纖維裸露程度增大，從而導(dǎo)致粉體的持水力和持油力增大[18].

表3 不同粒度范圍黑米粉RVA測(cè)定結(jié)果

圖4 不同粒度范圍黑米粉的持水力和持油力

2.7 不同粒度范圍黑米粉陽離子交換率的測(cè)定

陽離子交換力能顯示粉體對(duì)消化道酸性環(huán)境的緩沖作用的程度.由于粉體的膳食纖維結(jié)構(gòu)中具有一些羧基和羥基之類的側(cè)鏈團(tuán)，這些基團(tuán)可與陽離子進(jìn)行可逆交換[19]，其交換程度越強(qiáng)，對(duì)胃酸性體系的緩沖作用越強(qiáng).同時(shí)，粉體的陽離子交換率能反應(yīng)粉體在消化道中與Na+、K+等陽離子交換的難易程度，陽離子交換能力越大，越有利于粉體降低血液中的Na+/K+比值，從而起到降低血壓的作用.

由圖5可知，粉體粒徑越小，加入相同體積NaOH溶液時(shí)，溶液的pH值變化越小，陽離子交換能力越強(qiáng).這可能是因?yàn)榉垠w的粒徑減小導(dǎo)致粉體的比表面積增大，進(jìn)而側(cè)鏈基團(tuán)裸露程度增大，使得粉體與溶液的接觸面積增大，粉體的陽離子交換能力增強(qiáng)[20].

圖5 不同粒度范圍黑米粉的陽離子交換力

2.8 不同粒度范圍黑米粉抗性淀粉含量的測(cè)定

快消化淀粉為小腸中20 min內(nèi)可以被消化吸收的淀粉，慢性淀粉是小腸中20～120 min內(nèi)被消化吸收的淀粉，抗性淀粉為不會(huì)被小腸消化吸收的淀粉.

由圖6可知，隨著粉體粒徑的減小，粉體的快消化淀粉含量逐漸增加，抗性淀粉的含量逐漸減小.這可能是因?yàn)椋S著粉體粒徑的減小，粉體的比表面積增大，粉體與淀粉酶和糖苷酶接觸的機(jī)會(huì)變大，導(dǎo)致粉體的消化速率增大，使得粉體的快消化淀粉含量增大，消化吸收更容易.

圖6 不同粒度范圍黑米粉的淀粉含量

2.9 不同粒度范圍黑米粉抗氧化活性的測(cè)定

DPPH接受自由基清除劑提供的氫(H)原子，自身被還原為DPPH2，顏色由紫色變?yōu)辄S色.反應(yīng)體系的顏色越淺，粉體對(duì)DPPH的清除力越大.在抗氧化劑存在時(shí)，溶液中的三價(jià)鐵被還原為二價(jià)鐵，形成普魯士藍(lán)復(fù)合物.生成絡(luò)合物的量越大，體系的吸光度最大，粉體的還原力越強(qiáng).

圖7表明，隨著粉體粒徑的減小，粉體的DPPH自由基清除率和總還原力逐漸增大，其中，超微粉的自由基清除率和總還原力較前一組增大的程度較大.這可能是隨著粉體粒徑的減小，黑米的黃酮和多酚等具有抗氧化活性的物質(zhì)得以更好的釋放，導(dǎo)致粉體的自由基清除率和抗氧化活性都增大.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超微粉碎技術(shù)能顯著提高粉體中活性物質(zhì)的釋放率，改善粉體的性能.

圖7 不同粒度范圍黑米粉的抗氧化活性

3 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，黑米粉粉體的理化性質(zhì)與粒徑的大小密切相關(guān).黑米粉的酶解速率和完全酶解時(shí)間，以及流動(dòng)性隨粉體粒度的減小而降低.超微粉碎黑米粉沖調(diào)性能好、溶解度增大，糊化特性得到改善.超微粉碎技術(shù)改善了黑米的加工和食用性能，對(duì)黑米資源開發(fā)和利用具有重要意義.