粒度對黑米粉及其淀粉特性的影響

馮文娟，馬 森，孫冰華，王鳳成，王曉曦

河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001

黑米由黑稻谷脫殼制成，以糙米作為主要的食用方式。與拋光后的白米相比，黑米中淀粉含量相對較少，蛋白質(zhì)含量較高，且氨基酸的組成平衡合理[1]。此外，黑米中富含多種酚類化合物，可以抑制腸道α-葡萄糖苷酶和胰α-淀粉酶的活性，降低2型糖尿病和其他代謝疾病如肥胖、高血壓和血脂異常等的發(fā)生風(fēng)險[2]。

目前，粒度作為粉體品質(zhì)的重要影響因素，其對小麥粉特性的影響已經(jīng)被廣泛研究[3-4]，顆粒大小的異質(zhì)性通過比表面積顯著影響粉體的物理化學(xué)性質(zhì)，同時也伴隨有常量營養(yǎng)素(碳水化合物、蛋白質(zhì))含量的變化[5]。黑米中的淀粉含量約為75%，其理化特性對黑米粉制品的加工尤為重要[1]。已有研究證明超微粉碎制得的黑米粉易糊化，酶解速率降低，最終酶解時間縮短，快消化淀粉含量提高[6]。由立式圓盤磨粉機得到的黑米粉的平均粒度(288～379 μm)大于石磨濕法研磨得到的黑米粉的平均粒度(253～336 μm)，且破損淀粉含量、水溶性指數(shù)和吸水指數(shù)更低；隨研磨次數(shù)的增加，干磨法和濕磨法得到的黑米粉的谷值黏度、終值黏度都降低[7]。采用低溫沖擊式磨粉機制得的糙米粉，隨著粒度的減小，其破損淀粉含量增加，淀粉結(jié)晶度降低；在面團水平上，表現(xiàn)為面團黏附性增強、水流動性降低，整體結(jié)構(gòu)更加緊湊；對成品面包進行評價可知，中等粒度的糙米粉更適合用于制作無麩質(zhì)面包[8]。在使用噴流式磨粉機制粉時發(fā)現(xiàn)，粒度為75～<106 μm的米粉與其他粒度(<45 μm，45～<75 μm，106～150 μm)相比，具有最高的面團膨脹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質(zhì)具有較大差異性，但不同粒度黑米粉及其淀粉的特性差異目前尚不明確。

因此，作者以黑米為原料，通過標準篩將高速萬能粉碎機處理后的黑米粉篩分出3個粒度范圍(<0.15 mm、0.15～0.18 mm、<0.18～0.25 mm)，并在此基礎(chǔ)上探究了不同粒度黑米粉的基本組成、水合特性、糊化特性及其淀粉的熱特性、晶體結(jié)構(gòu)、短程有序性、微觀結(jié)構(gòu)，以期為不同粒度黑米粉在工業(yè)化食品生產(chǎn)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

東北黑米(黑珍珠)：十月稻田農(nóng)業(yè)科技有限公司。

溴化鉀、碘化鉀：天津市福晨化學(xué)試劑廠；硫代硫酸鈉、溴甲酚綠：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；硼酸、甲基紅：洛陽市化學(xué)試劑廠；硫酸銅、氫氧化鈉：西隴化工股份有限公司；硫酸鉀：天津市凱通化學(xué)試劑有限公司；硫酸：洛陽昊華化學(xué)試劑有限公司；無水乙醇：天津市天力化學(xué)試劑有限公司；總淀粉、直鏈淀粉/支鏈淀粉試劑盒：愛爾蘭Megazyme公司；其他化學(xué)品均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

JP-1500B高速萬能粉碎機：浙江省永康市久品工貿(mào)有限公司；SDmatic破損淀粉測定儀：法國肖邦技術(shù)公司；FibertecTM 201半自動纖維檢測儀：丹麥福斯分析儀器有限公司；UV 2400紫外分光光度計：上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；快速黏度分析儀：瑞典波通儀器公司；Q20差示掃描量熱儀：美國TA儀器公司；Mini Flex 600 X-射線粉末衍射儀：日本Rigaku公司；Spectrum TWO Quanta傅里葉紅外光譜分析儀：美國Perkin Elmer有限公司；Q250FEG 掃描式電子顯微鏡：美國 FEI 儀器公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 不同粒度黑米粉的制備

使用高速粉碎機對東北黑米進行間歇式粉碎10 s×3，將所得的粗黑米粉經(jīng)60目、80目、100目標準篩，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 不同粒度黑米粉的組成分析

水分含量按照 GB 5009.3—2016測定，粗蛋白含量按照 GB 5009.5—2016測定，膳食纖維含量按照GB 5009.88—2014測定?？偟矸酆坎捎肕egazyme K-TSTA總淀粉檢測試劑盒測定，直/支鏈淀粉比采用K-AMYL直鏈支鏈淀粉檢測試劑盒測定，破損淀粉含量采用SDmatic 破損淀粉儀測定[9]。

1.3.3 不同粒度黑米粉的水合特性測定

參照Heo等[10]方法，將0.5 g黑米粉與20 mL 去離子水混合，分別在30 ℃和100 ℃下攪拌30 min, 待熱糊冷卻至室溫后，在4 000 r/min 離心15 min, 將上清液在105 ℃下烘干至恒質(zhì)量。

吸水性指數(shù)(WAI)=m2/m0,

水溶性指數(shù)(WS)=m1/m0,

膨脹勢(SP)=m2/(m0× (1-WS)),

式中：m0為樣品干質(zhì)量，g；m1為上清液烘干后的質(zhì)量,g；m2為離心管中膨脹淀粉的質(zhì)量，g。

1.3.4 不同粒度黑米粉的糊化特性測定

參照 GB/T 24852—2010 的方法, 以濕基12%為基準，稱取(25.0±0.1) g 蒸餾水，加入(3.00±0.01) g 黑米粉，上下移動槳葉使樣品混合均勻后放入快速黏度分析儀(RVA)中進行測定，并記錄峰值黏度、谷值黏度、崩解黏度、終值黏度、回生值、峰值時間、糊化溫度等特征值。

1.3.5 不同粒度黑米淀粉的提取

黑米淀粉的提取參照文獻[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熱特性測定

參照褚紹言等[12]使用的方法，準確稱取2.5 mg黑米淀粉于鋁制高壓盤中，使用移液槍加入7.5 μL去離子水，振蕩至水分均勻后密封，在室溫下平衡24 h后用差示掃描量熱儀(DSC)測定。測試條件為以10 ℃/min從30 ℃升至120 ℃。

1.3.7 不同粒度黑米淀粉的晶體結(jié)構(gòu)分析

采用 X 射線衍射法(XRD)測定黑米淀粉的晶體結(jié)構(gòu)。測定條件：特征射線CuKα，掃描范圍4°～40°，掃描速率4°/min，步長0.02°。采用軟件Jade 6.0計算所有樣品的相對結(jié)晶度[13]。

1.3.8 不同粒度黑米淀粉的短程有序性測定

將黑米淀粉樣品加到采樣器中，以空氣為背景進行掃描。測試條件：掃描波數(shù)400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)16次。使用OMNIC 8.2軟件傅里葉去卷積，設(shè)置參數(shù)為半峰寬19 cm-1，增強因子2.1 cm-1，計算指定峰強度的比值。

1.3.9 不同粒度黑米粉及其淀粉的微觀結(jié)構(gòu)觀察

用導(dǎo)電膠將黑米粉和黑米淀粉樣品固定在樣品臺上，噴金處理后采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)，加速電壓10 kV。黑米粉微觀結(jié)構(gòu)的放大倍數(shù)分別為300倍和500倍，黑米淀粉微觀結(jié)構(gòu)的放大倍數(shù)分別為10 000倍和20 000倍。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 26 進行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)由至少3個測量值的平均值±標準偏差表示，用單因素方差分析法(ANOVA) 檢驗，顯著性水平為P<0.05。采用 Origin 2018 分析數(shù)據(jù)并制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同粒度黑米粉的組成分析

由表 1可知，隨著黑米粉粒度減小，水分含量、膳食纖維含量、總淀粉含量和直/支鏈淀粉比降低，而粗蛋白和破損淀粉含量增加。不同樣品之間除粗蛋白含量外，其他指標的差異性顯著(P<0.05)。水分含量的降低主要與粉碎時間的延長和粉碎時溫度升高導(dǎo)致的水分散失有關(guān)[13-14]，而其他指標的變化則主要與該組分在黑米結(jié)構(gòu)中的分布有關(guān)。黑米有堅韌的皮層，不易粉碎，粉碎后黑米中蛋白質(zhì)在米糠和胚乳之間分布較為均勻，所以不同粒度之間的粗蛋白含量差異不顯著。與蛋白不同，淀粉在胚乳中分布較多，而在米糠中分布較少；膳食纖維在米糠中分布多，而在胚乳中分布較少，所以隨著粒度的減小兩者的含量均變化顯著(P<0.05)。此外，膳食纖維含量的減小與測定過程中的損失也有關(guān)，顆粒越小測定時損失越嚴重[15]。直鏈淀粉含量較高的黑米粉通常具有較高的糊化溫度，而直鏈淀粉含量較低的黑米粉通常具有較高的膨脹能力[16]。值得注意的是，大量的損傷淀粉會使直鏈淀粉和支鏈淀粉的分子量降低，導(dǎo)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組分含量

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的吸水性指數(shù)和膨脹勢最大，BR-60的最小，不同樣品之間吸水性指數(shù)和膨脹勢沒有顯著的差異。這與de la Hera等[5]對米粉的研究結(jié)果一致。同樣地，Zhang等[18]指出用干磨(D5078.90 μm)和輥磨(D50108.10 μm)得到的糯米粉的吸水性指數(shù)和膨脹勢沒有顯著差異。而Qin等[19]指出用旋風(fēng)磨粉機磨粳米粉時，粒度<75 μm時出現(xiàn)顯著不同的吸水性指數(shù)和膨脹勢。BR-100的水溶性指數(shù)顯著高于其他粒度的黑米粉，這可能歸因于更多可溶性物質(zhì)的釋放。在100 ℃下，淀粉發(fā)生糊化，相比于30 ℃下的樣品，水合特性指數(shù)均升高，BR-60 的吸水性指數(shù)和膨脹勢增加的程度最大，而BR-100 的水溶性指數(shù)增加程度最大，即顆粒的完整性影響了黑米粉在熱處理下與水的相互作用。

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，隨著黑米粉粒度減小，峰值黏度、谷值黏度、終值黏度均減小，這可能是因為黑米粉粒度減小導(dǎo)致黑米麩的粒度減小，纖維的吸水作用增強，影響了淀粉糊化系統(tǒng)中可利用水的運輸，導(dǎo)致糊化黏度降低[19]。另外，回生值和峰值時間隨粒度的減小也有所降低，相比于BR-60黑米粉，BR-80黑米粉的糊化溫度顯著下降(P<0.05)，而衰減值在三組之間無顯著性差異。粒度的減小增加了淀粉與水的接觸表面積，淀粉晶體結(jié)構(gòu)被破壞有利于水分子通過表面孔狀通道進入淀粉顆粒內(nèi)部，從結(jié)構(gòu)排列較為松散的中央?yún)^(qū)及通道向內(nèi)部擴散，進而導(dǎo)致糊化溫度和峰值時間降低。同時，粒度的減小使淀粉在相應(yīng)溫度下膨脹后的有效體積減小，從而使黏度下降。

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熱特性

圖1為不同粒度黑米淀粉的DSC曲線，由圖1可知,3個粒度區(qū)間的樣品都顯示有1個典型的吸熱峰，且隨著粒度的減小峰谷面積減小。結(jié)合表4可以看出，隨著黑米淀粉粒度減小，其糊化起始溫度、糊化峰值溫度、糊化終止溫度及糊化焓均降低。糊化峰值溫度和糊化焓的變化不顯著，糊化起始溫度和糊化終止溫度的變化顯著(P<0.05)。研究表明DSC測定的糊化焓更多地反映了淀粉晶體結(jié)構(gòu)破壞時所吸收的能量而非雙螺旋結(jié)構(gòu)破壞時所需的能量[20]。所以，糊化焓降低反映了小粒度黑米淀粉晶體結(jié)構(gòu)可能被破壞。同時，粒度減小時，淀粉表面的復(fù)合脂含量減少，與非淀粉成分之間的非共價力可能被機械力破壞，也會導(dǎo)致糊化溫度降低[21]。

圖1 不同粒度黑米淀粉的DSC曲線

表4 不同粒度黑米淀粉的熱特性

2.5 不同粒度黑米淀粉的晶體結(jié)構(gòu)

由圖2可知，不同粒度黑米淀粉均在2θ為 15°、17°、18°、23°處有衍射峰出現(xiàn)，表現(xiàn)出典型的A-型晶體結(jié)構(gòu)特征。相對結(jié)晶度是晶體衍射面積與衍射圖總面積的比值，為結(jié)晶度的衡量標準。由表5可知，隨著黑米淀粉粒度減小，對應(yīng)淀粉的相對結(jié)晶度顯著下降。BR-80的相對結(jié)晶度相比于BR-60下降了28.16%，BR-100的相對結(jié)晶度相比于BR-80下降了25.74%。說明持續(xù)的粉碎可能破壞了部分氫鍵，導(dǎo)致連續(xù)結(jié)晶區(qū)域減少，但是不涉及晶體類型的變化。這與使用球磨處理小麥淀粉和使用氣流粉碎處理玉米淀粉時對晶體結(jié)構(gòu)的影響研究結(jié)果一致[22-23]。

圖2 不同粒度黑米淀粉的XRD譜圖

2.6 不同粒度黑米淀粉的短程有序性

淀粉中直鏈淀粉和支鏈淀粉的短鏈部分可形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，又被定義為短程有序結(jié)構(gòu)。這些雙螺旋分子鏈通過分子間的相互作用力以一定的空間點陣在淀粉顆粒的某些區(qū)域形成晶體，又稱為長程有序結(jié)構(gòu)，可通過2.5中測定的相對結(jié)晶度來表征。淀粉紅外光譜吸收帶在800～1 300 cm-1對C—C和C—O伸縮區(qū)的短程結(jié)構(gòu)變化很敏感，1 047 cm-1處的紅外光譜吸收帶對淀粉聚集態(tài)結(jié)構(gòu)中的有序結(jié)構(gòu)的量敏感，1 022 cm-1處的紅外光譜吸收帶是非晶區(qū)淀粉的特征，對應(yīng)淀粉大分子的無規(guī)線團結(jié)構(gòu)。994 cm-1處的譜帶則與C-6處羥基的分子內(nèi)氫鍵有關(guān)，對應(yīng)淀粉大分子的羥基間所形成的氫鍵結(jié)構(gòu)[24]。圖3為用Origin處理后的原始紅外光譜圖(截取波數(shù)為800～1 200 cm-1)，但其吸收峰不明顯。在研究中用OMNIC 8.2軟件對圖譜進行了去卷積處理(半峰寬19 cm-1，增強因子2.1 cm-1)，增加了光譜的分辨率，能更加精確地識別吸收峰的位置并進行峰強度的計算。峰強度比值A(chǔ)1 047/1 022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，隨著粒度的減小，淀粉短程有序性降低，這與長程有序性及熱特性的結(jié)果一致，意味著機械破壞力也導(dǎo)致了淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)受損。結(jié)合長程有序的結(jié)果，推測這種破壞主要涉及淀粉中支鏈淀粉的分支部分和整個晶體結(jié)構(gòu)中的分子間作用力，而不涉及側(cè)鏈間的距離及簇內(nèi)鏈的分支密度。

圖3 不同粒度黑米淀粉的紅外光譜

表5 不同粒度黑米淀粉的相對結(jié)晶度和短程有序結(jié)構(gòu)

2.7 不同粒度黑米粉及淀粉的微觀結(jié)構(gòu)

由圖4可知，對于BR-60和 BR-80的黑米粉，可以明顯觀察到纖維結(jié)構(gòu)的存在，而BR-100的黑米粉由于較強的靜電作用，顆粒間團簇聚集，粉體表面可以觀察到更多機械力產(chǎn)生的溝壑。黑米淀粉顆粒呈現(xiàn)多角形，隨著粒度的減小，多角形的表面變得凹凸不平，淀粉顆粒表面損傷增多，變得不平滑，表面積增加。

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

3 結(jié)論

采用高速萬能粉碎機結(jié)合篩分的方式獲得3個粒度區(qū)間的黑米粉，隨著粒度減小，黑米粉中蛋白和破損淀粉含量增加，而膳食纖維、總淀粉及直/支鏈淀粉比減小。在對水合特性的研究中，只有水溶性指數(shù)表現(xiàn)出顯著的差異(P<0.05)，吸水性指數(shù)和膨脹勢沒有顯著的差異，但小粒度的黑米粉表現(xiàn)出更大的水溶性指數(shù)和膨脹勢。小粒度黑米粉的糊化黏度、糊化溫度及糊化焓都較小。通過對相應(yīng)黑米淀粉晶體結(jié)構(gòu)和短程有序性的測定，發(fā)現(xiàn)存在晶體結(jié)構(gòu)和雙螺旋結(jié)構(gòu)的損傷，可觀察到大量的損傷淀粉。因此，將黑米粉應(yīng)用到食品中時，應(yīng)充分考慮粒度對粉體特性的調(diào)控作用。作者詳細分析了高速萬能粉碎機處理后不同粒度黑米粉及其淀粉的特性，為不同粒度黑米粉的工業(yè)化應(yīng)用提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。此外，在后續(xù)研究中可就粒度對黑米淀粉與蛋白及脂肪之間相互作用的影響進行深入探討，以期為黑米粉的進一步開發(fā)利用提供理論基礎(chǔ)。