球磨微细化研磨对发芽糙米粉物性特征的影响

薛健翼 陈 玮 贾才华 赵思明 张宾佳 牛 猛 许 燕 郭允栋

(华中农业大学食品科学技术学院，武汉 430070)

全谷物是指完整，被碾碎、破碎或压片的谷物，其基本组成包括胚芽、胚乳、淀粉质与皮层，其构成比例与完整颖果相同[1-3]。随着粮食制粉与传统食品加工技术的发展，如何让利用现代食品加工新技术，减少未充分利用的营养物质的损失，使得全谷物食品市场前景非常广阔。球磨研磨作为一种机械方式是制备超微粉体的有效手段之一，具有研磨均匀、污染小、操作简单等优点，对谷物中营养成分在人体中的生物利用率的提高具有积极作用[4，5]。

糙米，由胚乳(约占总质量90%)、胚(2%～3%)和糠层(6%～7%)组成。由于保留了胚芽和糠层，所以富含营养因子，包括油脂、蛋白质、膳食纤维等营养素，以及功能活性成分，如米糠脂多糖、维生素、大量的酶类、γ-氨基丁酸、γ-谷维素、阿魏酸等高能球磨能通过磨珠、谷物颗粒间以及球磨室壁对谷物颗粒产生的剪切、冲击、摩擦和其他力，该过程能减小谷物颗粒的粒度和改变淀粉、膳食纤维等大分子化合物的结构和物化性质，并且更有利于全谷物皮层和胚的微细化，从而提高全谷物的生物利用度和营养价值。因此研究以糙米为原料，使用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)等现代检测分析方法确定研磨处理对发芽糙米粉干燥前后微粒粒径、微观形貌特征、水合性能、蛋白二级结构特征的影响，研究所制备的发芽糙米粉的部分组成和结构上的特征。最后得到了具有良好冲调性、分散性和口感的发芽糙米粉，为全谷物类食品在食品工业中的发展提供基础数据与参考[6-10]。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

“盐丰 47号”水稻稻谷脱壳后的糙米，2019年产于辽宁盘锦；饮用水/食品菌落总数测试片。

壳聚糖：生物试剂，柠檬酸、柠檬酸钙：食品级，其他所用试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

HP250GS型智能人工气候箱，Mini Zeta 03型湿法高能球磨机，YM 202小型磨粉机，SD-1500型喷雾干燥机，S-4800型扫描电镜，Mastersizer 2000型激光粒度测定仪，Nicolet iS10型FTIR光谱仪。

1.3 实验方法

1.3.1 发芽糙米的制备

以购买的糙米为原料，参考文献报道的发芽条件，在消毒方法、浸泡液、发芽方法三方面进行改进[11-13]，采用以主要成分为0.01%壳聚糖、4.0 mmol/L柠檬酸和0.4 mmol/L柠檬酸钙的浸泡液，该复配浸泡液增强了糙米发芽过程中富集GABA和降解植酸的效果，浸泡处理12 h，发芽处理24 h(人工气候箱条件：温度为30 ℃、相对湿度为85%～90%、黑暗避光)，制得发芽糙米。

1.3.2 湿法球磨研磨制备微细化发芽糙米粉

采用王子逸等[14]的方法，用普通磨粉机、湿法高能球磨机、喷雾干燥机处理。主要控制指标磨珠填充率、珠料比、球磨转速、球磨时间，设定为磨珠填充率为85%，珠料质量比为740∶400，在2 000 r/min的转速下分别破碎0.5、1.0、1.5、2.0 h制得发芽糙米浆。再进行喷雾干燥，具体参数为喷雾进风口温度设置为185 ℃，出风口温度85 ℃，风机速度60 Hz，喷嘴通针周期3 s，蠕动泵流速为250 mL/h，将制备得的微细化发芽糙米粉密封保存备用。根据球磨时间的长短将发芽糙米粉分别命名成BM0.5 h-GBRF、BM1.0 h-GBRF、BM1.5 h-GBRF、BM2.0 h-GBRF，由于未球磨处理的发芽糙米浆粒度较大容易沉淀，喷雾成粉有一定困难并且容易堵塞喷嘴，因此未制备出对应的发芽糙米粉，为了做对照实验，制备了普通磨粉机磨成的并且过40目筛的糙米粗粉和发芽糙米粗粉(BR-CF和GBR-CF)。

1.3.3 粉体粒度测定

采用Mastersizer 2000激光粒度测定仪，将水作为分散剂，分别设置折射率和吸收率为1.53和0.1。将样品均匀分散到水中，在2 000 r/min 下进行搅拌，并测定D10、D50、D90、D[4,3]、D[3,2]和计算分布跨度值span，其中span值按公式(1)计算：

人文精神是一种普遍的人类自我关怀，表现为对人的尊严、价值、命运的维护，追求和关切，对人类遗留下来的各种精神文化现象的高度珍视，对一种全面发展的理想人格的肯定和塑造。而人文学科是集中表现人文精神的知识教育体系，它关注的是人类价值和精神表现。人文精神的含义与初中政治教学的目标是相符合的，即教育学生融入生活，悦纳自己、学习社会规则，关注个人发展等。

span=(D90-D10)/D50

(1)

1.3.4 微观形貌

首先准备好导电双面胶，并将其贴于样品台上，接着将待测样品粘在双面胶上，观察面朝上，将样品台放到离子溅射镀膜仪中镀金处理，10 min后将样品台取出放入扫描电镜样品室进行观察，并拍摄糙米和发芽糙米的表面、横断面、胚芽部分、胚乳透明部分和垩白部分的SEM照片。

1.3.5 水合性能测定

准确称量m=0.5 g(干计)样品，加入10 mL 30 ℃的水，置于30 ℃的水浴锅中，振荡30 min后，在4 000 r/min条件下离心15 min，将上清液和沉淀物分离，沉淀物质量为X1，上清液放在干燥至恒重的铝盒中，在105 ℃下烘干至恒重，烘干物的质量为X2，吸水指数(WAI)、水溶性指数(WSI)和膨胀力(SP)按照式(2)～式(4)计算：

(2)

(3)

(4)

1.3.6 蛋白二级结构与淀粉有序性分析

使用Nicolet iS10傅里叶红外光谱仪进行中红外测试，称取适量粉体，使用ATR法在波数为4 000～500 cm-1的范围(中红外)内进行红外测试，对得出来的谱图进行ATR校正，并使用Peakfit软件进行分峰拟合。

1.3.7 数据处理与分析

2 结果与分析

2.1 球磨微细化及喷雾干燥前后的颗粒粒径

如表1所示，在球磨0～2 h内，平均粒径与球磨时间呈负相关，球磨2 h后，D50、D90、D[3,2]和D[4,3]随着球磨时间的延长分别减少88%、93%、60%及90%；球磨0～0.5 h内，平均粒径减小得最快，之后在球磨0.5～2.0 h平均粒径减小速度逐渐放缓；表中所有样品的体积平均粒径(D[4,3])均大于表面积平均粒径(D[3,2])，一般大颗粒对D[4,3]贡献较大，而小颗粒对D[3,2]贡献较大，因此可以说明总体上样品颗粒分散且整体颗粒较大。在球磨0.5～2.0 h内，分布跨度span值随着球磨时间的增加而减小，即说明球磨时间的延长使得发芽糙米浆的粒径分布变窄[16]。

表1 不同球磨时间发芽糙米浆平均粒径和span值

如图1所示，未球磨的发芽糙米浆的粒度呈现三峰分布，随着球磨时间的延长，在粒度20～1 000 μm处的峰逐渐向细粒度处移动，并且峰值急剧减小，当球磨时间达到1.5 h时候，该峰几乎消失，该峰的形成可能与未充分粉碎的胚乳块或糊粉层有关；在1～20 μm处的峰位置几乎没有偏移，其峰值逐渐增加，直至球磨时间为1.5 h达到最大，推测该区域的主要成分是胚乳因破碎而得的淀粉粒(粒径一般为3～8 μm)；在0.1～1 μm处的峰，先是在球磨0.5 h后向小粒度处移动并且峰值大大减小，然后在球磨1.0 h和1.5 h时的峰值有增加。球磨1.5 h和球磨2.0 h的发芽糙米浆的粒度呈现双峰分布。

图1 不同时间湿法球磨过程中发芽糙米匀浆粒度分布变化

考虑到成本能耗以及粉碎效果，选取2 h作为生产发芽糙米粉的球磨时间，如图2所示，在将发芽糙米浆喷雾干燥处理后，样品由双峰分布趋近于单峰正态分布，并且主峰位置向粒径增大方向偏移。表2显示了喷雾干燥后，发芽糙米微粒的D50增加了55%，D50的增加可能是由于喷雾干燥处理使得单体淀粉粒部分凝胶化而膨胀；D90减小了37%，这可能是因为在喷雾干燥处理过程中一些大的复合淀粉粒在高压的作用下分散成单体或更小的复合体；同理，这也解释了为什么比表面积平均粒径D[3,2]显著增加以及体积平均粒径D[4,3]减小了20%。图2反映了喷雾干燥后微粒在体积粒度变化不大的情况下，span值只增加了1.25，说明喷雾干燥会使微粒的粒度分布稍微变宽[17]。

图2 喷雾干燥前后发芽糙米微粒的粒度分布图

表2 喷雾干燥前后发芽糙米微粒的粒径

2.2 发芽糙米粉微观形貌特征

如图3，通过普通干法粉碎制得的发芽糙米粗粉的SEM图(图3a～图3c)，呈现出形状不规则、大小不统一的多面体结构，应该是颗粒较大的胚乳块或者糊粉层；由图3f、图3i、图3l和图3o可以看出，通过湿法球磨和喷雾干燥制得的微粒表面有多个凹陷，并呈现出骷髅状和中间薄、周围厚的饼状，与相同体积的圆球状颗粒相比，比表面积远远增大，这有利于在复水时增大粉体和水的接触面积以及通过毛细管作用提升润湿性能，从而促进发芽糙米粉的充分溶解[18]。这个现象出现的原因是糙米浆雾滴从喷嘴喷出时，温度较高，干燥过程中水分从内部迁移到雾滴表面同时带走大量热量，导致雾滴内部形成负压，微粒外壳因此坍缩，最后形成了这种不规则的形状。由图3d、图3g、图3f、图3m可看出，随着球磨时间的延长，小粒径微粒聚集成团聚体的现象明显减少，这是因为复合淀粉粒在球磨过程中受到反复碰撞、摩擦、冲击、剪切，不仅会表面受损，还会破碎成细小颗粒，这些细小颗粒的粒径分布也会在这些机械力的作用下变得均匀，因此在喷雾干燥后，颗粒会变得细小而均匀，因此小颗粒聚集成团聚体的现象明显减少[19]。

2.3 发芽糙米粉水合性能

从图4可看出发芽处理对糙米粗粉(BR-CF和GBR-CF)经过球磨处理后，发芽糙米粉的WSI、WAI和SP均有显著增加；与normal相比，经过球磨处理2 h和喷雾干燥处理后，发芽糙米粉的WSI增加了约12倍，WAI增加了约58%以及SP增加了约1.5倍，总的水合性能显著增强，溶于冷水能力大大增强，即球磨能够使发芽糙米预糊化。这是因为湿法球磨显著地减小了糙米粉的粒径，增大了毛细管吸力、孔隙度和比表面积，影响水结合位点的性质和数量，因此能够大大加强水合特性。除此之外，球磨会造成发芽糙米粉的破损淀粉含量的增加，也增加了其吸水性[20，21]。

2.4 发芽糙米粉蛋白二级结构与淀粉有序性

从图5可以看出发芽后，GBR在2 853 cm-1处的峰的峰高明显下降，在1 709 cm-1处的峰则消失了，这表明发芽处理会引起糙米中的物质发生化学变化而使一些基团改变或消失。同时可看出通过湿法球磨和喷雾干燥处理的样品没有新吸收峰出现，旧吸收峰也未消失，这表明湿法球磨和喷雾干燥处理没有引起样品发生明显的化学变化[22]。

注：GBR-CF表示发芽糙米经过普通干法磨粉且过40目筛制备的发芽糙米粗粉；BMx h-GBRF表示发芽糙米经过高能湿法球磨x h和喷干制成的发芽糙米粉。下同。图3 不同球磨时间的发芽糙米粉的SEM图

注：WSI、SP、WAI分别表示水溶性指数、膨胀力和吸水指数的折线图。图上的不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。图4 发芽糙米粉的水合性能比较

图5 发芽糙米粉的红外光谱图

表3 发芽糙米粉的蛋白二级结构特征

由表3可看出发芽处理引起样品的β-折叠和无规则卷曲结构含量显著降低，而β-转角结构含量显著增加，α-螺旋结构含量变化不显著。该结果表明发芽会引起糙米蛋白质发生水解折叠，构象变得更为舒展，可能是因为发芽过程会产生蛋白酶对蛋白质进行水解，从而使蛋白质二级结构发生这样的变化。再经过湿法球磨和喷雾干燥处理后，由表3看出样品的β-折叠结构含量继续减小，β-转角结构含量继续增大，无规则卷曲结构含量减小，对α-螺旋的结构含量无显著影响。该结果表明湿法球磨的机械力作用以及喷雾干燥的高温高湿条件也会引起蛋白质结构的伸展。

在1 047 cm-1和1 022 cm-1波数处的吸光值分别代表淀粉有序和无定形结构的信息，其比值可表征淀粉颗粒中有序结构与无定形结构的相对含量。如表4所示，发芽处理只引起糙米淀粉红外指数少量减小；与普通干法粉碎制得的发芽糙米粉(normal)相比，球磨处理制得的发芽糙米粉的淀粉红外指数有了显著的减小，而2 h以内，球磨时间的长短对淀粉红外指数大小不产生显著影响，这可能是因为在球磨过程中淀粉分子受到剪切力的影响，其原有的氢键结合方式、螺旋结构和有序结构受到破坏，而向无序化转变[23]。

表4 发芽糙米粉的淀粉红外指数

3 结论

球磨研磨处理发芽糙米具有明显的降低粒径作用，粒度分布集中于10～100 μm，球磨微细化处理让发芽糙米的淀粉颗粒形貌与晶体结构遭到了破坏，部分微粒外壳坍塌，喷雾干燥后颗粒变得细小且均匀，小颗粒的团聚现象减少；球磨研磨处理后发芽糙米的β-折叠结构含量继续减小，β-转角结构含量继续增大，无规则卷曲结构含量减小引起蛋白质结构的伸展，相比普通干法粉碎，淀粉红外指数显著减小，受剪切力影响，有序结构遭到破坏。与传统粉碎方法相比，高能球磨能通过磨珠、谷物颗粒间以及球磨室壁对谷物颗粒产生的剪切、冲击、摩擦和其他力，该过程能减小谷物颗粒的粒度和改变淀粉、膳食纤维等大分子化合物的结构和物化性质，并且更有利于全谷物皮层和胚的微细化，从而提高全谷物的生物利用度和营养价值。经过球磨处理2 h和喷雾干燥处理后，发芽糙米粉总的水合性能显著增强，采用高能湿法球磨结合喷雾干燥生产了高GABA，低植酸，粒径微细且分布均匀，颜色更白，具有良好溶解性、分散性和口感的发芽糙米粉，并且经过冲调后形成了具备良好黏弹性的米浆。