不同粒径小米粉对面团流变特性及馒头质构特性的影响

李少辉，生庆海，赵 巍，宋佳宁，李朋亮，张爱霞，刘敬科,*

（1.河北省农林科学院谷子研究所，国家谷子改良中心，河北省杂粮研究实验室，河北 石家庄 050035；2.河北经贸大学生物科学与工程学院，河北 石家庄 050071）

谷子是起源于我国的古老农作物，因其具有节水抗逆、环境友好和生态适应性广等优点，作为物质文化和精神文明的标志被广为推崇。谷子的食用部分称为小米，营养丰富且健康，具有良好的食用品质。到目前为止，谷子的深加工仍处于起步阶段，其市场空间巨大，小米馒头的主食化开发可有力拓展谷子消费市场，实现谷子的高附加值深加工和资源高效利用。由于小米中缺乏面筋蛋白，若直接加工成产品，则馒头组织及感官品质较差，故需搭配一定比例的含面筋蛋白的小麦粉，以获得高品质的小米馒头。

小米馒头的加工过程中，小米粉的添加可对面团流变特性及馒头的质构品质产生重要的影响，淀粉的直支比和损伤程度是影响面团流变学特性的重要因素。直支比是小米粳糯性质的关键指标，快速黏度分析仪可有效表征含淀粉样品的糊化特性。刘辉等通过快速黏度分析仪结合直链淀粉含量对27 种不同品质的小米品种进行了有效区分并评价了它们的食用品质，体现出粳糯性质对加工的重要性。在加工过程中，不同的面制品如馒头、面条和糕点对面团的流变学特性有不同要求，这些指标都决定了最终产品的加工特性和产品品质。谷物原料的碾磨都会产生损伤淀粉，不同粒径的面粉损伤淀粉的含量有所不同，其表现出的流变学特性在食品加工过程中也不同，合适的损伤淀粉含量可提高食品的加工特性和改善成品品质。靳志强等对小米粉粒径的研究发现小米磨制过程中造成的淀粉损伤可能比粒径对小米粉及其加工制品品质有更为重要的影响。

然而，到目前为止，鲜有从小米粉原料糊化、流变特性到制品特性的系统性研究。本研究将以6 种糯性和粳性小米粉为研究对象，同时分析不同粒径小米粉的糊化特性、流变特性以及小米馒头质构特性，并通过主成分分析为小米馒头主食化加工相关研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

冀谷39、豫谷18和汇华金米3 种粳性谷子和冀创1号、济谷18和汾特5号3 种糯性谷子由河北省农林科学院谷子研究所马庄实验站种植并提供。高筋小麦粉五得利面粉集团有限公司；酵母 湖北宜昌市安琪酵母股份有限公司。

石油醚、戊二醛 成都西亚化工股份有限公司；硫酸铜 天津博迪化工股份有限公司；氢氧化钾、氢氧化钠、-淀粉酶、碳酸钠、磷酸盐缓冲液、乙醇、叔丁醇国药集团化学试剂有限公司；浓硫酸、酚酞 天津市大茂化学试剂厂；3,5-二硝基水杨酸溶液、乙酸异戊酯上海凛恩科技发展有限公司；碘化钾 天津市永大化学试剂有限公司；以上试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

SY88-TH砻谷机 韩国双龙机械产业株式会社；MF10粉碎机 德国IKA集团；AG285电子天平梅特勒-托利多（上海）仪器有限公司；恒温培养箱美国Percival科技公司；UV-1801紫外-可见分光光度计北京北分瑞利分析仪器有限责任公司；SD matic损伤淀粉测定仪 法国肖邦公司；RVA-TecMaster快速黏度分析仪瑞士波通仪器公司；KVC3100和面机 英国凯伍德集团；TMS-Pro型质构仪 美国FTC公司；HR-10混合型流变仪 美国TA仪器公司；S-4800-I扫描电子显微镜 日本Hitachi公司；真空冷冻干燥机 德国Christ公司。

1.3 方法

1.3.1 小米粉的碾磨筛制

谷子经砻谷机脱壳，再由粉碎机粉碎得到小米粉，经标准筛筛选得到40、60、80、100、120 目不同粒径小米粉。对照样品为小麦粉。

1.3.2 小米粉基本成分测定

水分测定参照GB 5009.3—2016《食品中水分的测定》中直接干燥法；灰分测定参照GB 5009.4—2016《食品中灰分的测定》中灼烧法；脂肪测定参照GB 5009.6—2016《食品中脂肪的测定》中索氏抽提法；蛋白质测定参照GB 5009.5—2016《食品中蛋白质的测定》中凯氏定氮法。淀粉测定参照GB 5009.9—2016《食品中淀粉的测定》中酶水解法。

1.3.3 小米粉淀粉直支比和损伤淀粉测定

淀粉直支比测定采用宋建民等的双波长法，直链淀粉的测量波长为514 nm，参比波长为414 nm，直链淀粉标准曲线为＝8.692 9－0.040 6，＝0.991 6；支链淀粉的测量波长为531 nm，参比波长为760 nm，支链淀粉标准曲线为＝2.317 1－0.004 6，＝0.997 1。损伤淀粉测定参照GB/T 31577—2015《小麦粉损伤淀粉测定 安培计法》。

1.3.4 小米粉糊化特性测定

根据水分含量计算后，称一定质量样品放入铝钵中，然后用搅拌叶将小米粉快速搅拌，使之混匀。将铝钵和搅拌叶放入快速黏度仪安装好，测试程序如下：50 ℃保持1 min，12 ℃/min升温到95 ℃保持2.5 min，之后降温到50 ℃保持1.5 min。前10 s搅拌速度为960 r/min，之后保持在160 r/min。得到峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最终黏度、回生值、峰值时间、糊化温度，实验以小麦粉为对照。

1.3.5 面团制备及流变测定

面团制备参照张爱霞等，并适当修改。将不同粒径小米粉按照小米粉∶小麦粉＝3∶7（/）混合，分别加入混合面粉总质量0.75%的酵母粉和总质量50%的38 ℃温水。置于和面机以最低档搅拌均匀，调至一档搅拌10 min至面团光滑成型。放进温度38 ℃、湿度85%醒发箱中醒发60 min，取出揉搓均匀光滑后进行流变测定，得到储能模量（’），损耗模量（”）和损耗正切（tan）。

流变测定参数设置：振荡频率模式；温度25 ℃；应变1%；角频率1～100 rad/s。夹具参数设置：平板夹具直径40 mm；测试间隙1 mm；加样间隙45 000 μm。

1.3.6 面团扫描电镜观察

用液氮冷冻发酵面团后用2.5%戊二醛固定，0.1 mol/L磷酸缓冲液漂洗3 次，依次用60%、70%、80%、90%、100%（/）乙醇溶液梯度洗脱。洗脱后用醋酸异戊酯置换乙醇2 次后，浸泡于叔丁醇中冷冻干燥。干燥后的样品经离子溅射喷金后，置于扫描电子显微镜下放大3 000 倍观察拍照。以小麦面团为对照。

1.3.7 馒头制备及质构测定

参照Li Shaohui等的方法并适当修改：取1.3.5节的混合面粉300 g，室温条件下加入150 mL水、0.75%（/）酵母。置于和面机和面10 min至面团光滑均匀，将面团放入温度38 ℃、湿度85%醒发箱中醒发60 min。醒发后平均分为6 份，用模具制成圆形，再次醒发5 min。将其放入锅中蒸30 min，馒头出锅后冷却60 min，进行质构测定，得到硬度、胶黏性、内聚性、弹性、咀嚼性。以小麦粉馒头为对照。

采用TMS-Pro质构仪的TPA模式，测试量程500 N；测试探头为P75压盘式探头；测试速率30 mm/min；压缩形变量为30%；触发类型设置为Auto；起点触发力1 N；数据采集频率100 Hz。

1.3.8 馒头的高径比和比容测定

参照Li Shaohui等方法，测量馒头高径比，并用直接称质量结合体积置换法测定馒头比容。

1.4 数据处理

所有实验重复3 次，利用SPSS17.0软件处理数据，采用Duncan新复极差法进行多重比较，用Simca-P13软件对所得小米粉和小米馒头实验参数进行主成分分析，并用Origin 9.0作图。

2 结果与分析

2.1 小米粉基本成分分析

表1 小米粉基本组分含量及直支比Table 1 Contents of basic components and amylose/amylopectin ratio of foxtail millet flour

如表1所示，各品种小米粉的粗脂肪相对含量为1.18%～2.84%，其中冀谷39含量最高，豫谷18含量最低；粗蛋白相对含量为11.04%～12.10%，济谷18含量最高，冀创1号含量最低；淀粉相对含量为60.19%～72.90%，冀谷39含量最高，汾特5号含量最低。淀粉直支比在一定程度上表现了小米的粳糯性质。由表1可知，各品种小米淀粉直支比为0.21～0.39，其中粳性小米的直链含量较高，糯性小米的直链含量较低。

2.2 小米粉损伤淀粉分析

损伤淀粉是样品碾磨过程中碾碎的淀粉，也称为机械活化淀粉。在碾磨过程中，淀粉颗粒会受到剪切、撞击、碰撞和摩擦等各种力的作用，破碎成较小的颗粒。由图1可知，不同目数各品种小米的损伤淀粉碘吸收率为41.78%～97.79%，随着小米粉目数的增加，即研磨粒径的减小，冀谷39和汇华金米分别在60 目时急剧升高，并在80 目时降低，随后又逐渐增加；其他品种小米粉损伤淀粉碘吸收率呈逐渐增加趋势。因此，小粒径小米粉有更多的损伤淀粉。除80 目和100 目的冀谷39和济谷18外，在相同目数下粳性小米比糯性小米损伤淀粉碘吸收率大。这可能因为糯性小米含少量小分子质量的支链淀粉，且同等条件下粳性小米支链淀粉与直链淀粉所受机械损伤更大。损伤淀粉具有更高的吸水能力和酶促水解速率，易被酵母发酵。Wang Shujun等研究发现适量添加含损伤淀粉的小麦面粉可以改善面包制作过程中的面团质量，而过多的淀粉破坏则可能导致面团发黏。损伤淀粉的结构使其具有满足特定食品工业要求的特性，可扩大在食品工业中的应用。

图1 不同粒径小米粉损伤淀粉含量Fig. 1 Damaged starch contents of foxtail millet flours with different particle sizes

2.3 小米粉糊化特性分析

升温过程中淀粉会膨胀增大，淀粉分子大小形态、直支比、损伤淀粉程度和实验条件等均会对淀粉的糊化特性产生影响。如表2所示，随着小米粉粒径的减小，粳性和糯性小米粉呈现各自不同的变化趋势；相同目数下，粳性小米粉较糯性小米粉的峰值黏度、谷值黏度、最终黏度和回生值大。糯性小米粉崩解值随粒径的减小呈先上升后下降的趋势，崩解值越大，表明淀粉颗粒越不稳定。糊化温度反映了小米粉糊化的难易程度，在较大粒径40～60 目时，多数品种小米粉（除豫谷18外）糊化温度较高，粒径在100～120 目时糊化温度较低。由此可见，糯性样品的崩解值和糊化温度和小米粉的粒径有关，粳性样品的糊化温度也与粒径有关。

回生值越小表明抗老化性能越好。由表2可知，各目数粳性小米粉回生值大且集中，糯性小米粉各目数回生值小且分散。这与Xiao Huaxi和Wang Chao等的结果一致。这可能因为在温度下降阶段，直链淀粉含量高的粳性样品较支链淀粉含量高的糯性样品凝胶迅速，淀粉分子迅速聚集，分子间作用力增强，黏度增加。

表2 小米粉糊化特征参数Table 2 Pasting properties of foxtail millet flours with different particle sizes

直支比是影响小米产品品质的重要因素。直链淀粉分子糊化膨胀过程需消耗能量，达到峰值黏度完全糊化后释放能量；而一般支链淀粉较直链淀粉分子质量大，且支链淀粉的多个长链可以互相包裹支撑且不易破裂。所以，小米中直链淀粉含量直接影响淀粉糊化特性的各特征值大小。由表2可知，粳性小米峰值黏度为1 439.67～2 552.00 mPa·s，崩解值为245.33～1 040.33 mPa·s；糯性小米峰值黏度为658.67～1 758.33 mPa·s，崩解值为130.00～612.67 mPa·s。结合表1可知，粳性小米比糯性小米淀粉的直支比大，粳性小米直链含量较高且峰值黏度较大，糯性小米直链淀粉含量低峰值黏度较小，直链淀粉高的粳性小米具有较高的崩解值，推断此现象与直链淀粉分子缠绕结合更紧密需消耗比支链淀粉更多的能量才能打开有关。此外，刘辉等研究发现小米的直链淀粉含量与回生值呈正相关，与衰减值呈负相关，这在一定程度上印证了本研究的结果。但刘辉等研究的小米直链淀粉含量仅限于25%～35%，未涉及直链淀粉含量低的糯性小米的研究。张艳霞等对含较少直链淀粉的稻米淀粉的糊化特性进行研究，发现崩解值与直链淀粉含量呈极显著正相关，这支持了直链淀粉含量高崩解值大的分析结果。

2.4 混合面团流变学特性分析

图2 添加不同粒径小米面团的G’（A）、G”（B）及tanδ（C）Fig. 2 G’ (A), G” (B) and tanδ (C) of doughs added with foxtail millet flours with different particle sizes

由于小米不含面筋蛋白，小米的添加破坏了小麦粉中原有淀粉和蛋白的结构，损伤淀粉在新面团形成过程中，亲水性基团与水分子结合，使面团吸水率过高、黏性比例增大。由图2可知，各品种小米面团的”均小于’，豫谷18、汾特5号、济谷18和冀创1号品种各目数的小米面团总体的’与”随角频率增加而上升，是弱凝胶动态流变特性的典型表现。40、80、100 目的汾特5号小米面团tan略大于1，其余各目数、各种类小米面团tan均小于1。tan越大，表明混合面团的黏性比例越大，流动性强，反之则弹性比例较大。随着角频率的升高，各品种小米面团的tan整体呈现先降低后升高的趋势，说明混合体系随着角频率增加，在较低角频率范围内具有更高的弹性，在较高角频率范围内黏性比例更高，表明混合体系的结构在高角频率下不稳定，易被破坏。此外，汇华金米40 目小米粉的’与”在较大角频率处随角频率的增加而略有下降，可能是由于与其他品种和目数的小米粉相比，40 目汇华金米的吸水率和持水性有所不同，但是tan随角频率的变化趋势并未显示明显的变化，表明未对凝胶特性造成实质的影响。可见动态流变研究关系到相关食品加工特性和成品的品质，对于食品生产与加工具有重要的指导意义。

2.5 混合面团扫描电镜微观结构分析

为从微观角度综合判断粳性小米粉与糯性小米粉之间的区别，依据小米粉糊化参数的一致性与面团流变特性，选取粳性汇华金米和糯性汾特5号进行扫描电镜微观结构观察。由图3可见，椭球状淀粉大颗粒和球状淀粉小颗粒与面筋蛋白有较大程度的结合，随着添加小米粉粒径的减小及损伤程度的增加，淀粉颗粒出现变形、凹陷甚至碎屑；它们与面筋蛋白的接触面积增加，以共价和非共价键镶嵌于面筋网络空隙中，但过多的损伤淀粉颗粒吸水膨胀会使整个面筋网络受到破坏，不足以撑起整个紧密的体系。图3中100 目和120 目小米粉混合面团的电镜微观结构显示碎片状淀粉增多，面筋蛋白有断裂的现象，这会造成面团松散，失去弹性。

图3 不同粒径小米粉添加的面团微观结构Fig. 3 Microstructure of doughs added with foxtail millet flours with different particle sizes observed under scanning electron microscope

2.6 添加不同粒径小米粉的馒头质构特性分析

由图4可知，随着目数的增加，小米馒头的硬度、咀嚼性、内聚性、弹性和胶黏性变化无明显规律，但有些品种例如济谷18和冀谷39的硬度和胶黏性随着目数的增加呈增大趋势，趋势较为明显。硬度和咀嚼性通常呈正相关。硬度和咀嚼性的数值越小，表示馒头或面包越柔软。内聚性是馒头内部收缩力的表现。由于小米粉不含面筋，所以小米粉的添加会对内聚性造成负面影响，进而影响馒头的弹性。图4中与小麦粉馒头的对比发现，各品种小米馒头的弹性是下降最明显的指标，可见不同粒径及损伤程度的小米粉的添加对馒头的弹性指标造成了负面影响。综上可知，本研究中小米粉的添加（即损伤淀粉）会对馒头的质构特性产生影响，并对馒头的硬度、咀嚼性和弹性等有一定程度的负面影响。此外，食用损伤淀粉过多的食品会对人们的健康产生不良影响。Wang Shujun与Mulla等发现马铃薯淀粉加工食品中随着淀粉破坏程度的增加，与衰老有关的自由基数量不断增加。而Liu Rong等通过模型发现面包中适当水平的损伤淀粉（15.37%～18.65%）有很好的质构和感官评价。因此，损伤淀粉的添加量很重要，适当的淀粉损伤不仅对淀粉类食品加工有益，还能促进人们的饮食健康。

图4 添加不同粒径小米粉的馒头质构特性Fig. 4 Textural characteristics of steamed breads added with foxtail millet flours with different particle sizes

2.7 小米馒头品质相关指标主成分分析

图5 小米粉及小米馒头特征参数的主成分得分图（A）及载荷图（B）Fig. 5 PCA score plot (A) and loading plot (B) of characteristic parameters of foxtail millet flour and steamed bread incorporated with foxtail millet flour

3 结 论

基于损伤淀粉和直支比研究不同粳糯小米粉的糊化特性、面团的流变特性和馒头的质构特性，结果表明：随着小米粉粒径的减小，大部分品种（豫谷18、济谷18、冀创1号和汾特5号）损伤淀粉的含量逐渐增加；受直支比的影响，糯性小米粉崩解值随粒径的减小呈先上升后下降的趋势；相同目数下，粳性小米粉的峰值黏度、谷值黏度、最终黏度和回生值较糯性小米粉大。流变学研究表明，豫谷18、汾特5号、济谷18和冀创1号品种各目数小米面团的tan较小麦面团有所升高，其’、”随角频率增加而总体上升。扫描电镜观察显示小米粉的添加使面团结构更加松散。随着添加小米粉的粒径减小，馒头的多数质构参数无明显变化规律，但一些品种的硬度和咀嚼性有增大趋势。主成分分析表明馒头咀嚼性、损伤淀粉、峰值黏度、谷值黏度、最终黏度、崩解值和回生值可作为区分粳糯品种和馒头品质特征的指标。不同粒径的小米粉物化特性方面还需更深入的研究，本研究为扩大小米粉在食品工业中的应用提供了理论依据和实践参考。