超微粉碎对4 种杂粮粉理化性质及功能特性的影响

王 博，姚轶俊，李枝芳，王立峰

（南京财经大学食品科学与工程学院，江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心，江苏 南京 210023）

我国是一个杂粮生产大国，不仅杂粮资源丰富，而且产量居世界前列。近年来，随着生活水平的提高，人们开始追求饮食的多样化与均衡化，杂粮作为功能性膳食越发受到们的关注[1-2]。与大宗主粮相比，杂粮由于其富含酚类等功能性成分，因此具有良好的生理功能[3-4]。王秋[5]研究指出杂粮粉具有降血压的生理功能，该功能主要来源于杂粮粉的一些活性基团，比如可溶性膳食纤维中的侧链基团，这些活性基团能产生类似弱酸性阳离子交换树脂的作用。Ou Shiyi等[6]研究发现杂粮中的部分结构可以吸附葡萄糖以阻碍葡萄糖的扩散，使得肠道内葡萄糖的有效浓度降低，从而能降低餐后的血糖水平。另有相关研究发现，杂粮中的部分活性成分能够抑制胰脂肪酶活力，降低脂肪的消化与吸收[7]，因此能够起到降低血液中脂质含量的作用；此外杂粮可通过对食物中脂肪的吸附以降低脂肪的消化，也能够起到降脂与降胆固醇的作用[8]。然而由于杂粮质地紧密且不易熟化，其功能价值并未得到充分利用。因此，改善杂粮的适口性、提高杂粮产品功能性价值是扩大中国杂粮产业优势、发展杂粮加工行业的关键。

超微粉碎技术作为近20 年开始迅速发展的新技术，是指利用机器或者流体动力将物料颗粒粉碎至微米级粉体的过程，由于粉碎细度远超普通粉碎方式，得到的粉体比表面积大、表面活性强，且会出现普通粉体所不具备的特殊功能，因此被广泛的应用于药品、食品及材料工程中[9]。赵颖等[10]使用超微粉碎技术加工处理饲料，唐雁[11]则将超微粉碎技术应用于无机盐类钙制剂，加工后的粉体粒径均达到了亚微米级。在食品中，超微粉碎通常用作提高有效成分溶出、优化功能性质以及改善口感。此外超微粉碎能显著改变淀粉类食物的组分与微观结构，导致其理化性质与功能特性的改变。如荞麦经超微粉碎后，其淀粉颗粒晶体受到破坏，相对结晶度降低，糊化温度与热吸收焓降低[12]，表明超微粉碎对杂粮粉的影响达到了分子层面。气流式超微粉碎作为超微粉碎技术的一种，相比其他机械碾磨方式，具有避免局部过热、粉碎粒度均一稳定以及不需要助磨剂等优点，这使得食品原料在粉碎过程中能最大限度保留原本的活性物质，并能避免污染，其工艺简单、产率较高，在实际工业生产中具有良好的应用前景[13-15]。

为了改善杂粮粉的理化特性、提高其营养价值，本实验通过对4 种我国常见杂粮进行超微粉碎加工，研究该技术对于杂粮粉性质的影响，以期为超微粉碎在杂粮加工产业的实际应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

薏米产自辽宁辽阳，红豆、荞麦产自山西大同，青稞产自青海西宁；色拉油为市售。

葡萄糖氧化酶、胰脂肪酶 美国Sigma公司；其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

BLH-5601锤式旋风磨 浙江伯利恒仪器设备有限公司；J-50气流粉碎机 意大利Tecnologia Meccanica公司；Zetasizer Nano Zs90激光粒度仪 英国马尔文公司；HWCL-3恒温水浴锅 郑州长城科工贸有限公司；TGL16M高速冷冻离心机 长沙湘智离心机仪器有限公司；TM3000扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM） 日本株式会社日立那珂有限公司；84-1磁力搅拌器 上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司；101-34S电热鼓风干燥箱 上海苏进仪器设备厂；SpectraMax M2e多功能酶标仪 美国Molecular Devices公司。

1.3 方法

1.3.1 杂粮超微粉碎处理

将4 种杂粮（薏米、红豆、青稞、荞麦）置于锤式旋风磨中粉碎，收集得到粗粉。将4 种杂粮粗粉于60 ℃电热鼓风干燥中干燥至水分质量分数低于5%备用。打开气流粉碎机，环流气压调至1.2 MPa，文丘里气压调至1.0 MPa，进样器的螺杆转速调至140 r/min以保证每种杂粮的粉碎时间相同。在进样器中加入一种杂粮粗粉，待粉碎完成后收集样品，清理机器，再进行下一种杂粮粉的超微粉碎。测定超微粉粒径，对超微粉和粗粉进行其他指标的测定。

1.3.2 杂粮超微粉粒径的测定

取适量蒸馏水加入激光粒度仪容器内，加入超微粉样品，待样品分散均匀，测定超微粉的粒径及其粒径分布。

1.3.3 杂粮粗粉及超微粉溶解度的测定

称取0.50 g样品与50 mL蒸馏水一同加入200 mL的烧杯中，分别在50、70、90 ℃的恒温水浴下连续搅拌30 min，再于6 000 r/min下离心15 min，取出上清液于105 ℃烘干至恒质量，收集残留物。样品的溶解度按公式（1）计算。

式中：m1表示样品的质量/g；m2表示残留物的质量/g。

1.3.4 杂粮粗粉及超微粉微观结构观察

采用SEM对4 种杂粮的粗粉与超微粉进行微观形态的观察。将样品粉末粘附于黑色胶带上，并对其喷金，然后进行SEM观察。

1.3.5 杂粮粗粉及超微粉阳离子交换能力的测定

参考滕硕[16]的方法并稍作修改。各样品分别称取0.50 g置于200 mL烧杯中，加入50 mL 0.05 mol/L的盐酸溶液，并磁力搅拌6 h，用蒸馏水洗涤数次直至中性，于6 000 r/min下离心15 min并弃去上清液，残留物置于105 ℃烘箱中干燥至恒质量备用。准确称取0.1 g酸化后的样品，用0.02 mol/L的NaOH溶液进行滴定。阳离子交换能力以每千克酸化形式样品的物质的量计。样品的阳离子交换能力按式（2）计算。

式中：c表示滴定用的NaOH溶液的浓度/（mol/L）；V表示滴定时消耗的NaOH溶液的体积/mL；m表示酸化形式样品的质量/g。

1.3.6 杂粮粗粉及超微粉葡萄糖束缚力的测定

于4 个200 mL锥形瓶中分别加入0.50 g样品与100 mL不同浓度葡萄糖溶液（5、10、50、100 mmol/L），在37 ℃下在磁力搅拌6 h使样品吸附葡萄糖，于6 000 r/min下离心15 min，取上清液用糖化酶法测定葡萄糖的浓度[17]。样品的葡萄糖束缚力用公式（3）计算。

式中：c0表示吸附前葡萄糖溶液的浓度/（mmol/L）；c1表示吸附后葡萄糖溶液的浓度/（mmol/L）；m表示待测样品的质量/g。

1.3.7 杂粮粗粉及超微粉胰脂肪酶活力抑制率的测定

胰脂肪酶活力抑制率参考王秋[5]的方法测定。配制0.1 mol/L pH 7.2的磷酸钠缓冲液，将100 mg胰脂肪酶溶于100 mL磷酸钠缓冲溶液，制得胰脂肪酶溶液。称取各样品0.50 g于100 mL锥形瓶中，加入10 mL色拉油、50 mL磷酸钠缓冲液和10 mL胰脂肪酶溶液，于37 ℃下磁力搅拌1 h后沸水浴10 min灭活。用0.1 mol/L的NaOH溶液滴定所释放的游离脂肪酸的量。胰脂肪酶活力抑制率定义为产生的自由脂肪酸量与不加入杂粮粉的空白对照组相比降低的比例。样品的胰脂肪酶活力抑制率按式（4）计算。

式中：V0表示滴定空白对照组消耗的NaOH溶液体积/mL；V1表示滴定实验组消耗的NaOH溶液体积/mL。

1.3.8 杂粮粗粉及超微粉持油力的测定

持油力参照于晓红等[18]的方法测定。称取5.00 g样品于100 mL烧杯中，加入20 mL色拉油，电磁搅拌30 min后，在2 000 r/min下离心30 min，除去上层的色拉油。样品的持油力按公式（5）计算。

式中：m1表示样品的质量/g；m2表示吸附色拉油后样品的质量/g。

1.3.9 杂粮粗粉及超微粉DPPH自由基清除率的测定

1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-d i p h e n y l-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基清除率的测定参照Li Yanhong等[19]的方法。称取一定量的DPPH，用无水乙醇配制成0.04 mg/mL的DPPH溶液。取2 mL 10 mg/mL的样品溶液，加入2 mL DPPH溶液，混合均匀，室温放置30 min后，在6 000 r/min下离心15 min，取上清液于517 nm波长处测吸光度（A1）。并用相同方法测定2 mL无水乙醇与2 mL DPPH溶液的混合液的吸光度（A0），以及2 mL样品溶液与2 mL无水乙醇的混合液的吸光度（A2）。用20 mg/L的VC溶液作为阳性对照[20]。样品对DPPH自由基的清除率用公式（6）计算。

1.4 数据统计与分析

每种样品设置3 个平行，数据分析采用SPSS 20.0软件，结果以平均值±标准差表示，采用方差分析进行邓肯氏检验，以P＜0.05表示差异显著。采用Origin 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 4 种杂粮超微粉的粒径分布

图1 杂粮超微粉粒径的累计分布Fig. 1 Cumulative particle size distribution of superfine coarse cereal flours

以气流粉碎机对4 种杂粮粗粉进行超微粉碎，得到的4 种杂粮超微粉的粒径分布结果如图1所示。其中，荞麦与青稞的超微粉在粒径30 μm以下有着较高的分布；红豆超微粉的平均粒径较高，但分布范围较窄，粉体的均一性较好，可能与红豆中蛋白质含量较高有关；薏米超微粉平均粒径也较大，但粉体均一性差。所有超微粉都存在大粒径峰值，且多为双峰分布，两峰之间的粒径都有粉体分布，这可能是由于样品在超微粉碎处理后颗粒粒度减小，导致其表面活性变高，引发团聚现象，使大量颗粒团聚成大尺度的颗粒[21]。

2.2 4 种杂粮粗粉和超微粉的溶解度

图2 杂粮粉超微粉碎前后的溶解性Fig. 2 Solubility of coarse cereal flours before and after superfine grinding

由图2可知，超微粉碎能极显著提高粉体的溶解度。一方面，粉体粒径的减小增加了其表面积，与水的接触面积增大，从而提高粉体溶解性；另一方面，超微粉碎使得粉体颗粒破碎，其中一些不溶性成分内部分子链断裂从而变为可溶性成分[8]，并且颗粒内部可溶性成分被释放，使得粉体的溶解性提高。温度越低，超微粉碎提高粉体溶解度的效率越高。在4 种杂粮粉中，荞麦超微粉的溶解度最高，在50、70、90 ℃时溶解度分别为36.6%、49.9%、52.4%，相比超微粉碎前分别提高了69.4%、53.0%、31.3%。

2.3 4 种杂粮粗粉和超微粉的微观结构

图3 杂粮粉超微粉碎前后的微观结构形态Fig. 3 SEM morphology of coarse cereal flours before and after superfine grinding

由图3可以看出，超微粉碎后杂粮粉颗粒明显减小，杂粮原有的组织结构被破坏。其中荞麦粉的变化最明显，超微粉碎使较大的淀粉颗粒破碎成小颗粒；所有超微粉碎后的杂粮颗粒表面均有部分片状突出，这可能是超微粉碎使粉体颗粒内部多糖结构暴露的结果[4]；另外，杂粮超微粉颗粒出现了不同程度的团聚现象，与粒径分析结果相符。

2.4 4 种杂粮粗粉和超微粉的阳离子交换能力

图4 杂粮粉超微粉碎前后的阳离子交换能力Fig. 4 Cation exchange capacity of coarse cereal flours before and after superfine grinding

由图4可知，超微粉碎极显著提高了杂粮粉的阳离子交换能力，其中红豆与荞麦超微粉的阳离子交换能力最强，分别为648.7 mmol/kg和592.8 mmol/kg，且超微粉碎对荞麦粉的阳离子交换能力提升最为显著，提升率为81.4%。滕硕[16]、李焕霞[22]以及汤小明[23]等的研究表明粒径的减小与粉体的阳离子交换能力提高直接相关。一方面，超微粉碎降低了粉体的粒径，并使部分大颗粒破碎，使得部分活性基团暴露，从而提高了阳离子交换能力；另一方面，超微粉碎能将杂粮粉中部分不可溶膳食纤维变为可溶性膳食纤维，使粉体中活性基团增多，从而提高阳离子交换能力。

2.5 4 种杂粮粗粉和超微粉的葡萄糖束缚力

图5 杂粮粉超微粉碎前后的葡萄糖束缚力Fig. 5 GAC of coarse cereal flours before and after superfine grinding

由图5可以看出，在初始浓度不同的葡萄糖溶液条件下，超微粉碎对杂粮粉的葡萄糖束缚力均有极显著提高，在低葡萄糖浓度下提高更为明显。其中荞麦超微粉的葡萄糖束缚力最高，在初始葡萄糖浓度为5、10、50、100 mmol/L时分别达到了0.126、0.152、0.198、0.256 mmol/g，与超微粉碎前相比分别提高了84.8%、54.4%、43.7%、30.0%。Protonotariou等[24]的研究表明超微粉碎使得粉体粒径减小，比表面积增大，能显著提高粉体的表面活性，从而提高杂粮粉对葡萄糖的吸附量，并延长吸附时间。另外，超微粉碎对膳食纤维结构有剪切作用，能提高杂粮粉中可溶性膳食纤维的含量，有利于粉体对葡萄糖的吸附。Fuentes-Alventosa[25]、Whelton[26]、Zhu Kexue[27]等的研究也表明膳食纤维的这种变化还对抑制葡萄糖扩散与降低糖类吸收有直接作用。同时，超微粉碎使粉体微粒的空间结构变得松散，提高了其对葡萄糖的包裹能力，这也是超微粉葡萄糖束缚能力提高的原因之一[27]。

2.6 4 种杂粮粗粉和超微粉的胰脂肪酶活力抑制率

图6 杂粮粉超微粉碎前后的胰脂肪酶活力抑制率Fig. 6 Anti-pancreatic lipase activity of coarse cereal flours before and after superfine grinding

如图6所示，超微粉碎显著提高了杂粮粉的胰脂肪酶活力抑制率，其中青稞超微粉的抑制率最高，为18.5%，对比超微粉碎前提升了48.9%。董生昭[28]与张忠[29]的研究表明皂苷类化合物与多酚类化合物能有效抑制胰脂肪酶活力，而超微粉碎能显著提高功能性成分如多酚的溶出率[30]，并使得普通粉体中未暴露的活性基团暴露出来。因此，超微粉碎能够提高粉体胰脂肪酶活力抑制率。

2.7 4 种杂粮粗粉和超微粉的持油力

图7 杂粮粉超微粉碎前后的持油力Fig. 7 Oil holding capacity of coarse cereal flours before and after superfine grinding

由图7可知，超微粉碎后杂粮粉的持油力极显著提高，其中青稞超微粉持油力最高，为26.3%，对比超微粉碎前提高了61.2%。超微粉碎改变了杂粮原有的细胞结构，使得大量活性基团暴露，其中亲油基团的暴露增加了杂粮粉的持油力；同时超微粉碎提高了粉体可溶性膳食纤维的含量，这也导致了粉体持油力的上升[25]；超微粉碎还降低粉体的粒径，增加其表面能，使得粉体对油脂吸附能力提高；最后，超微粉碎使得粉体空间网状结构变得松散，使得粉体能够吸附更多的油脂[31-32]。

2.8 4 种杂粮粗粉和超微粉的DPPH自由基清除率

图8 杂粮粉超微粉碎前后的DPPH自由基清除率Fig. 8 DPPH radical scavenging capacity of coarse cereal flours before and after superfine grinding

由图8可知，虽然样品质量浓度（10 mg/mL）较高，超微粉碎前4 种杂粮粉的DPPH自由基清除率仍然较低，且品种间差异不大，但超微粉碎后薏米粉与荞麦粉的自由基清除率分别极显著提高至84.3%与94.1%；而红豆超微粉的自由基清除率则没有显著变化。Karki等[33]研究发现，荞麦提取物对DPPH自由基有较好的清除作用，但本实验中超微粉碎前荞麦的DPPH自由基清除率并不高；Zhang Min[3]和Zhong Chen[34]等的研究表明，超微粉碎能够提高样品的抗氧化能力。因此，粗杂粮粉内只有少量游离的抗氧化活性物质，而经过超微粉碎后，粉体颗粒结构被破坏，原先处于结合状态或被包埋的多酚、黄酮等抗氧化物质被释放，使得具有较强抗氧化能力的杂粮粉未经提取过程便表现出了较高的自由基清除率。这与张美霞等[30]的研究中超微粉碎能提高多酚类物质含量的结果相符。此外，薏米与荞麦中多糖及多酚类抗氧化物质较丰富[34-35]，而红豆中蛋白质含量较高，其抗氧化活性物质主要为多肽类[36]，本实验中超微粉碎难以使此类物质游离释放；同时超微粉碎的过程会带来杂粮粉自身的氧化，这可能是红豆超微粉的DPPH自由基清除率未能显著提升的原因。由于气流式超微粉碎低温自磨的特点，对样品抗氧化及食用品质的负面影响较小，因此超微粉碎对红豆以外的3 种杂粮粉的DPPH自由基清除率提升效果极显著。

3 结 论

本实验对4 种杂粮粉以同等速率进行气流式超微粉碎，研究了4 种杂粮粉在超微粉碎前后理化性质与功能特性的变化。实验结果表明超微粉碎对杂粮粉理化性质与功能特性均有显著的影响，其中荞麦粉与青稞粉的性质变化最大。经超微粉碎后荞麦粉的理化性质与降糖及抗氧化功能特性提升最为显著，阳离子交换能力提升81.4%，葡萄糖束缚力在葡萄糖浓度为100 mmol/L时增加了30.0%；青稞超微粉则具有最佳的降脂功能，胰脂肪酶活力抑制率与持油力在超微粉碎后分别提升了48.9%与61.2%。