超微粉碎处理对五谷杂粮粉特性的影响

赵愉涵，陈庆敏，岳凤丽，迟晓君，闫 琰，焦文晓，杜雅珉*，傅茂润*，崔 波，崔照林

（1.齐鲁工业大学(山东省科学院)食品科学与工程学院，山东济南 250353；2.山东农业工程学院食品科学与工程学院，山东济南 250100；3.济南倍力粉体工程技术有限公司，山东济南 250100）

我国杂粮资源丰富，总产量约占世界杂粮总产量的17.1%[1]。随着人们生活水平的提高和膳食结构的改变，杂粮在膳食中的重要性越来越大[2]。但自古以来，不同杂粮的搭配方式并无统一定论，各种配方的功能性研究也缺乏一定的科学依据。黑豆、黑芝麻、紫米、小麦和糙米都是我国特色的五谷杂粮，其优质蛋白质、维生素、矿物质和可溶性膳食纤维的含量丰富，并且含有不饱和脂肪酸、酚类、黄酮类等功能性成分，能够降低脂肪的消化和吸收[3]，食用后对食品淀粉消化率和血糖值变化影响较小[4]，具有较强的氧自由基清除能力和抗氧化活性[5]。此外，杂粮中富含的花青素还具有抗肥胖、降血脂等功效[6]。目前，优质五谷杂粮加工制品的市场需求日益增加，然而由于五谷杂粮中含有较多的膳食纤维，适口性差，不易熟化，不能满足食品体系或加工的需求，严重制约了五谷杂粮的开发与应用[7]。

超微粉碎技术可利用机械或流体动力将物料粒径粉碎至微米级[8]。对于富含纤维的原料，超微粉碎技术可显著降低物料粉体的粒径值，从而改善物料粉体的口感。此外，超微粉碎技术还能使物料粉体具有更好的分散性、吸附性和稳定性，并能通过增大其比表面积和孔隙率，促进物料粉体中有效营养成分和功能物质的溶出，加快其被人体吸收的速率[9-10]，因此具有良好的应用前景。王秋[11]的研究表明，超微粉碎能够显著影响大豆、玉米和发芽糙米粉主要物质的溶出度、物化性质和功能特性，但对不同原料的作用效果存在差异。王博等[7]比较了超微粉碎对薏米、红豆、青稞、荞麦粉理化性质及功能特性的影响，结果表明超微粉碎提高了4 种杂粮粉的溶解性、阳离子交换能力、葡萄糖束缚力、胰脂肪酶活力抑制力、持油力与自由基清除能力。但以上研究仅针对单一杂粮粉，而超微粉碎对五谷杂粮混合粉理化特性及功能特性的影响仍有待探入分析。

为进一步改善五谷杂粮混合粉的适口性和特性，同时探究超微粉碎对混合原料的作用，本实验选择黑豆、紫米、黑芝麻、小麦、糙米五种谷物杂粮，按照3.5∶3.5∶1∶1∶1 的比例、混合成的五谷杂粮样品作为研究对象，分析了超微粉碎对混合粉理化特性及功能特性的影响，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

五谷原料，购自于济南长清大学城家家悦超市，其配方比例为黑豆（35%）、黑芝麻（10%）、紫米（35%）、小麦（10%）、糙米（10%）。

K3Fe(CN)6、Na2HPO4、NaH2PO4、NaNO2、Al(NO3)3、NaOH、Na2CO3，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；DPPH，分析纯，阿拉丁试剂（上海）有限公司；Folin 酚，分析纯，上海麦克林生化科技有限公司；芦丁，分析纯，北京索莱宝科技有限公司。

1.2 仪器与设备

WZJ-6TB 超微粉碎机，济南倍力粉体工程技术有限公司；LS-609 激光粒度分析仪，欧美克仪器公司；NR10QC 通用色差计，深圳市三恩时科技有限公司；TGL16 台式高速冷冻离心机，湖南长沙湘仪有限公司；V-1100D 紫外可见分光光度计，上海美谱达仪器有限公司；ZeissSupra55 扫描电子显微镜，上海翔研精密仪器有限公司。

1.3 样品处理方法

粗粉的制备：取（200±5）g 按比例混合好的五谷杂粮原料，在实验室内进行粗磨，研磨得到的粗粉，过30 目筛，命名为OG。

微粉的制备：取（200±5）g 按比例混合好的五谷杂粮原料置于物料罐内，经磨机的高频震动流入粉碎室，经研磨棒的研磨、滚压、剪切，使物料在短时间内达到微米级粉碎的效果，保证物料的原质性。粉碎后的样品分别过150 目、300 目筛，并分别命名为150 SG、300 SG。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 粒径

采用LS-609 激光粒度分析仪对五谷粉末样品进行粒径分析。取适量五谷杂粮粉末样品溶于蒸馏水中，倒入盛有蒸馏水的进样容器内进行分散，测定粉体的粒径。其中，D10、D50、D90和D100分别表示样品的累计粒度分布数达到10%、50%、90%和100%时所对应的粒径。D(3,2)和D(4,3)分别表示表面积和体积的平均直径。

跨度值为粒径的分布宽度，比表面积表征粉体中粒子粗细和固体吸附能力，所列数值均为机器自动测定计算[12]。

1.4.2 微观结构观察

采用ZeissSupra55 扫描电镜对五谷杂粮样品的微观形态进行观察。

1.4.3 色差

取5 g 样品置于透明平板中，使用NR10QC 通用色差计测定五谷杂粮粉末样品的色泽。测定结果用L*、a*、b*表示。

1.4.4 溶解度

参考唐明明等[13]的方法，取1 g 五谷粉末样品溶于30 mL 蒸馏水中，于80 ℃下磁力搅拌30 min。样品冷却后，4 500 r/min 离心20 min。取上清液于锥形瓶中，置于105 ℃烘箱中干燥至恒质量后称量。按照公式（1）计算溶解度。

式中，m1为五谷粉的质量，g；m2为锥形瓶的质量，g；m3为锥形瓶和烘干样品的质量，g。

1.4.5 持水力

参考唐明明等[13]的方法，取1 g 五谷粉末样品溶于30 mL 蒸馏水中，于25 ℃下磁力搅拌30 min，4 500 r/min离心20 min，弃去上清液，精确称量样品沉淀与离心管的质量。按照公式（2）计算持水力。

式中，m1为五谷粉的质量，g；m2为空离心管的质量，g；m3为离心管和样品的质量，g。

1.4.6 膨胀力

参考Meng 等[14]方法，精确称取2 g 的五谷粉末置于刻度试管中，记录初始粉末的体积。加入15 mL 的蒸馏水溶解后，于室温下放置24 h，记录粉末占据的体积。按照公式（3）计算膨胀力。

式中，m为五谷粉末样品的质量，g；V1为初始粉末的体积，mL；V2为24 h 后粉末的体积，mL。

1.4.7 持油力

参考邓凯波等[15]的方法，取1 g 五谷粉末样品置于离心管中，加8 mL 调和油，涡旋震荡后静置30 min，3 500 r/min 离心20 min，弃去上清液，并擦干离心管内壁所附油脂。精确称量样品和离心管的质量。按照公式（4）计算持油力。

式中，m1为五谷粉的质量，g；m2为空离心管的质量，g；m3为离心管和样品的质量，g。

1.4.8 堆积密度和振实密度

（1）堆积密度

参考Zhao 等[16]的方法，取2 g 五谷粉末样品放入25 mL刻度试管中，记录粉末占据的体积。按照公式（5）计算堆积密度。

式中，m为五谷粉末样品的质量，g；V为粉末在刻度试管中占据的体积，mL。

（2）振实密度

将上述刻度试管在厚纱布上连续振荡，直至样品的体积不再变化为止，读取此刻样品的体积。按照公式（6）计算振实密度。

式中，m为五谷粉末样品重量，g；V1为振荡前粉末的体积，mL；V2为振荡后粉末的体积，mL。

1.4.9 休止角和滑角

（1）休止角

参考傅茂润等[17]的方法，将玻璃漏斗垂直置于玻璃平板上方，持续稳定地倒入五谷杂粮粉末，直至落下的粉末形成的锥体尖部达到漏斗出口。待椎体稳定后，测量锥体的半径及高度。按照公式（7）计算休止角。

式中，R为锥体的半径，cm；H为漏斗尾端距玻璃平板的垂直距离，cm。

（2）滑角

将5 g 五谷杂粮粉末样品置于洁净的玻璃平板一侧（长9 cm）上，缓慢调节平板的倾斜角度至样品开始移动，通过测量平板距水平面高度来计算样品的滑角。按照公式（8）计算滑角。

式中，H为玻璃平板距平面的高度，cm；L为玻璃平板的长度，cm。

1.4.10 抗氧化活性

（1）还原力

参考Fu等[18]的方法，于波长700nm下测定样品的吸光度。

（2）DPPH 自由基清除能力

参考阎然等[19]的方法，于525 nm 处测定样品的吸光度。按照公式（9）计算DPPH 自由基清除能力。

式中，A1为未加入被测物质的空白对照吸光度；A2为加入不同剂量的被测物质的吸光度。

1.4.11 总酚含量

参考Wei 等[20]的方法。取0.2 mL 五谷杂粮粉末乙醇提取液、1 mL Folin 酚试剂和0.8 mL 7.5%的Na2CO3溶液于试管中，25 ℃避光保温2 h 后，于765 nm 处测量样品的吸光度。以溶液的浓度为横坐标，吸光度为纵坐标绘制标准曲线，标准曲线为y=0.015 4x，R2=0.999 3，以样品的吸光度计算总酚含量。

1.4.12 总黄酮含量

参考Fu 等[18]的方法。取1 mL 五谷杂粮粉末乙醇提取液、0.15 mL 5%的NaNO2溶液、0.15 mL 10%的Al(NO3)3溶液和1 mL 4%的NaOH 溶液于试管中，充分反应后，于510 nm 处测量样品的吸光度。以溶液的浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标准曲线，标准曲线为y=0.506 9x+0.000 6，R2=0.997，以样品的吸光度计算总黄酮含量。

1.5 数据分析

每种样品设置3 个平行，实验数据使用Excel 2010软件进行绘制图表，用SPSS 25.0 软件进行差异显著性分析,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。

2 结果与分析

2.1 超微粉碎对五谷杂粮粉粒径分布及微观结构的影响

五谷杂粮的粗粉样品（OG）和微粉（150 SG 和300 SG）的粒径分布如图1 所示。由图知，与粗粉相比，经过超微粉碎后，五谷杂粮粉体的粒径明显下降，并且超微粉碎后过150 目和300 目筛的粉体，其粒度分布存在差异。但所有粉体都为多峰分布，均一性较差。这可能是因为五谷杂粮本身为混合物，粒度分布不均一。且经过超微粉碎后其粉体颗粒粒径进一步下降，表面活性增强导致团聚现象出现，从而形成了大尺度的颗粒[21]。

图1 五谷杂粮粉的粒径分布Fig.1 Particle size distribution of grains powder

表1（见下页）总结了五谷杂粮粗粉与微粉的粒径分布与比表面积。由表知，与粗粉相比，经过超微粉碎处理后，粉体D10、D50、D90、D100、峰值粒径、D(4,3)和D(3,2)均发生了显著变化，并且除D10外，随着粉体粒径的下降，各表征值也出现显著下降（P＜0.05）。跨度值是衡量粉体粒径均匀度和粒径分布范围的重要指标[22]。150 SG 样品的跨度值大于粗粉和300 SG 样品的（P＜0.05），表明其均一性更差。此外，150 SG 和300 SG 粉体的比表面积分别是粗粉的1.4 倍和1.8 倍，说明经过超微粉碎后，五谷杂粮粉体更易与其他物质混匀。

表1 五谷杂粮粉的粒径和比表面积Table 1 Particle size and specific surface area of grains powder

图2 为五谷杂粮粉经过电镜扫描后，放大1 000 倍（A）和2 000 倍（B）的图片。如图所示，五谷杂粮粗粉（OG）的微观结构多为不规则团状或块状，空间结构较为紧密。经过超微粉碎和过150 目筛处理后（150 SG），粉体的粒径下降，出现部分椭球状或梭型颗粒，但颗粒间有聚集成团的趋势，这可能是由于超微粉碎后，粉体比表面积增大，一些具有黏着性的蛋白质、淀粉等成分暴露，使颗粒间表现出较高的黏着力[23]。经过超微粉碎和过300目筛处理后（300 SG），粉体的粒径进一步下降，原有结构被破坏，形成更小的梭型、片状等裂片，颗粒间空隙增大，更为松散，黏着力有所下降。图片结果与粒径分析一致。

图2 五谷杂粮粉的电镜扫描图Fig.2 Electron microscope scan of grains powder

2.2 超微粉碎对五谷杂粮粉颜色的影响

与粗粉相比，超微粉碎处理后的粉体颜色更暗，这可能是由于五谷杂粮原料中选择的黑豆、黑芝麻和紫米，超微粉碎促进了其内部有色物质的释放。图3 显示了粗粉与微粉的L*、a*和b*值。由图知，经过超微粉碎处理后，五谷杂粮粉体的L*值下降，其中过300 目筛粉体（300 SG）的L*值与粗粉及150 SG 粉体相比，显著差异（P＜0.05）。a*值和b*值分别表示粉体的红绿和黄蓝度。与粗粉相比，经过超微粉碎处理后，粉体的红绿和黄蓝度均出现下降，a*值由1.09 下降到0.86 和0.42，b*值由6.16 下降到5.94 和3.83，差异显著（P＜0.05）。

图3 五谷杂粮粉的色差Fig.3 Color parameters of grains powder

2.3 超微粉碎对五谷杂粮粉水合特性的影响

表2 比较了五谷杂粮粗粉（OG）和微粉（150 SG 和300 SG）的水合特性差异。由表知，粉体的溶解度随粒径的减小而增加，超微粉碎处理后过300 目筛的样品（300 SG），其溶解度略高于粗粉和超微粉碎处理后过150 目筛样品的，差异显著（P＜0.05）。这主要是由于经过超微粉碎，粉体内原本不溶的大分子被破坏，形成可溶性的小分子，增加了样品的溶解度。此外，300 目筛也能够筛去一部分不溶或难溶的大分子。

表2 不同粒径五谷杂粮粉的水合特性Table 2 Hydration properties of grains powders with different particle size

持水力是反映粉体对水分束缚能力的重要参数[24]。表2显示，五谷杂粮150SG 粉体的持水力为3.52g/g，略低于粗粉的持水力3.87g/g，两者无显著差异。而超微粉300SG 的持水力显著降低（P＜0.05）。由于五谷杂粮粉中原本含有较多的膳食纤维，但超微粉碎破坏了部分易吸水溶胀的纤维和基团，导致其表面性质的改变[25]，从而造成超微粉持水力的下降。

膨胀度是反映粉体水合能力的指标，膨胀度与粉体在水中的稳定性呈正相关关系[26-27]。由表2 可知，随着五谷杂粮粉粉体粒径的减小，其比表面积增大，部分亲水集团暴露，粉体颗粒与水的结合能力增加[23]，膨胀度显著上升（P＜0.05）。

2.4 超微粉碎对五谷杂粮粉持油力的影响

由图4 可知，经过超微粉碎和过300 目筛后，300 SG粉体的持油力显著增加，是粗粉和150 SG 的1.05 倍。这可能是由于细的筛网使粉体空间结构更松散，能够吸附更多的油脂[28-29]。而150 SG 的粉体，其微观结构表现出颗粒间较高的黏着力，有聚集成团的趋势，粉体结构比300 SG 的更紧密，因此吸附油脂的能力与粗粉相似。

图4 不同粒径五谷杂粮粉的持油力Fig.4 Oil holding capacity of grains powder with different particle size

2.5 超微粉碎对五谷杂粮粉流动性的影响

堆积密度和振实密度是评价粉体填充性能的指标。如表3 所示，随着粉体粒径的小，颗粒间的空隙减少，造成堆积密度和振实密度增大[30]，堆积密度从（0.48±0.01）g/mL增加到（0.67±0.02）g/mL，振实密度从（1.49±0.08）g/mL增至（2.33±0.26）g/mL，表明粉体的粒径与其填充特性负相关。在经过超微粉碎处理的水芹、大豆、玉米和发芽糙米中均得到了同样的结论[11,13]。

休止角和滑角被用来表征粉体的流动性。表3 显示，随着粉体粒径的减小，其休止角和滑角均出现不同程度的下降，表明粉体的流动性增加。其中300 SG 粉体的休止角和滑角显著低于粗粉和150 SG 粉体的，说明300 SG粉体颗粒间的吸附力较小，流动性最佳。

表3 不同粒径五谷杂粮粉的流动性Table 3 Flow properties of grains powders with different particle size

2.6 超微粉碎对五谷杂粮粉抗氧化活性的影响

粉体的还原力及DPPH 自由基清除能力与其抗氧化性呈正相关[24]。如图5 所示，五谷杂粮粗粉的还原力随粒径的减小而略增，但三者差异不显著。

图5 不同粒径五谷杂粮粉的还原力Fig.5 Reducing power of grains powders with different particle size

不同粒径粉体对DPPH 自由基的清除能力如图6 所示。其中150 SG 和300 SG 样品对DPPH 自由基的清除能力与粗粉相比无显著差异，150 SG 样品对DPPH 自由基的清除能力最高，为0.59%，粗粉次之，为0.55%，300 SG 样品的最低，为0.51%。可见超微粉碎对于五谷杂粮粉抗氧化活性的改变并不显著，这可能是由于超微粉碎难以将原料中多肽类的抗氧化活性物质充分释放，并且超微粉碎的过程也可能导致粉体自身的氧化，从而造成其还原力及DPPH 自由基清除率未能显著提升[7]。

图6 不同粒径五谷杂粮粉的DPPH 自由基清除能力Fig.6 DPPH free radical scavenging ability of grains powders with different particle size

2.7 超微粉碎对五谷杂粮粉主要活性物质溶出量的影响

不同粒径五谷杂粮粉中主要活性成分的溶出量如图7 和图8 所示。

图7 不同粒径五谷杂粮粉的总酚含量Fig.7 Total phenol content of grains powder with different particle size

图8 不同粒径五谷杂粮粉的总黄酮含量Fig.8 Total flavonoids of grains powder with different particle size

由图7 知，粉体中总酚的溶出量随粒径的减小，呈现出先上升后下降的趋势。150 SG 样品的总酚含量与粗粉相比略有上升，但差异不显著，而300 SG 样品的总酚含量却显著低于粗粉（P＜0.05），这可能是由于超微粉碎的强度过高、粉碎时间过长，使得粉体的酚类物质结构受到破坏，从而造成酚类物质损失，该结果与赵萌萌等[31]对青稞麸皮超微粉中多酚含量的测定结论一致。超微粉碎经过300 目筛后，微粉样品（150 SG 和300 SG）中总黄酮的含量较粗粉呈上升的趋势（图8），分别为粗粉的1.10 倍和1.12 倍，且差异显著（P＜0.05），但微粉之间并无显著差别。可见，与粗粉相比，超微粉碎能够使粉体颗粒比表面积和颗粒间空隙增大，与水分接触更充分，增加了粉体中主要黄酮类活性物质的溶出量，提高了其生物利用率。但过高强度的超微粉碎对活性成分溶出并无显著的正面影响，说明适宜的粉碎强度和粉碎时间能够提高五谷杂粮粉中活性物质的溶出量，但并不是粉碎强度越高，活性物质的溶出量越高。

3 结论

本实验对五谷杂粮原料进行超微粉碎及过筛处理，研究了超微粉碎对五谷杂粮粉理化特性及功能特性的影响。结果表明，经过超微粉碎及过筛处理后，五谷杂粮粉体粒径显著下降，其原有结构被破坏，形成更多裂片，颗粒间空隙增大。粉体内部有色物质被进一步释放，使粉体颜色更暗。粉体溶解度、膨胀度、密度、持油性、流动性、还原力及总黄酮溶出量随粒径减小而上升，持水力则呈现下降趋势。150 SG 样品的DPPH 自由基清除能力和总酚溶出量要显著高于300 SG 样品的，表明经过超微粉碎后，粉体的粒径对于其抗氧化能力和主要活性物质溶出量也至关重要，为超微粉碎在五谷杂粮加工产业的实际应用提供了理论依据。