不同粒度小麦粉淀粉的理化特性分析

林江涛，孙灵灵，岳清华

（河南工业大学粮油食品学院，河南郑州 450000）

小麦是世界上种植范围最广的农作物，研磨成粉后常用来制作馒头、面条、包子等面制品，在全球饮食结构中具有非常重要的地位。小麦籽粒中富含蛋白质、淀粉、脂肪、维生素等人体所需的营养物质，其中淀粉占小麦籽粒的75%左右，为人体提供营养与能量，是影响小麦粉品质的重要因素[1]。在面制品的加工中，小麦粉中的蛋白、淀粉和水等物质的相互作用，对其加工品质有着显著性影响[2]。在小麦胚乳中，淀粉主要以A和B淀粉两种形式存在[3]。研究表明随着小麦粉粒度的减小，小麦粉其淀粉颗粒中A淀粉含量、破损淀粉含量显著性增大，而B淀粉含量逐渐减少[4]；朱帆等[5]研究表明B型淀粉容易发生团聚现象，且颗粒大的B型淀粉易与小颗粒淀粉聚集。各粒度区间内淀粉中的直链淀粉和支链淀粉含量无显著性变化[6]。小麦粉淀粉其凝胶特性中硬度、黏性、咀嚼性和回复性随着小麦粉粒度的减小而增加[6]。随着粒度的减小，淀粉的热焓值、糊化温度呈降低趋势[7,8]。研磨强度较高时淀粉糊化特性中的衰减值较低[9]。淀粉的相对结晶度随着破损淀粉含量的增加逐渐降低[8]。

小麦籽粒通过不同的研磨方式被研磨成颗粒较小的小麦粉，在研磨过程中淀粉的颗粒结构遭到破坏[10]。研究发现淀粉的特性及组成对馒头、面条等面制品有着极为重要的影响。前人对于淀粉的研究较多，关于小麦粉在不同粒度下其淀粉特性的研究较少。本文通过控制不同的研磨条件得到不同粒度的小麦粉，从而探究小麦粉在不同粒度下其淀粉特性变化，为淀粉的实际应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1M（心磨）磨上物，河南天香面业公司生产。

1.2 仪器与设备

Quanta250FEG扫描电子显微镜，美国FEI仪器公司；SDmatic破损淀粉测定仪，法国CHOPIN；RVA-TM型快速黏度分析仪，瑞典PERTEN公司；D8-Advance型X-射线衍射仪，德国Bruker A XS仪器公司；UV-1100B可见分光光度计，上海美谱达仪器有限公司；差示扫描量热仪，美国Perkin Elmer有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品制备

（1）小麦粉的制备：以取自面粉厂1M（心磨）磨上物为颗粒粉，采用布勒实验磨对颗粒粉进行细化得到六种不同粒度的小麦粉。即使用实验磨将颗粒粉在低研磨强度下轻轻地研磨再进行筛分，把细颗粒筛分出来，将粗颗粒再次使用实验磨在低研磨强度下轻轻地研磨成细颗粒粉，直至不同筛上物含量小于2%，剩余的使用研钵手工进行研磨，直至分别穿过9XX、10XX、11XX、12XX、13XX、15XX筛网，依次得到不同粒度小麦粉9XX/--、10XX/--、11XX/--、12XX/--、13XX/--、15XX/--。

（2）淀粉的提取：参照张玉荣等[11]的方法制备小麦淀粉。

1.3.2 测定方法

（1）破损淀粉含量：采用Sdmatic破损淀粉仪。

（2）糊化特性：采用GB/T 24853-2010快速黏度法。称取3.0 g小麦粉于专用铝盒中，随后加入25 mL蒸馏水混合均匀，置于RVA仪中测定糊化特性。样品在50 ℃保温1 min，以12 ℃/min速度升至95 ℃，保持2 min，以相同速度降至50 ℃，保持2 min。测得小麦粉在不同粒度下的糊化特性。

（3）淀粉颗粒形态：采用扫描电子显微镜对不同粒度小麦粉淀粉进行颗粒形态分析。取少量样品，将其涂在贴有导电双面胶的金属盘上，用离子溅射仪喷金后放置在扫描电镜下，在3000倍下观察样品的颗粒形态。

（4）淀粉颗粒晶体结构：采用X-射线衍射法对小麦淀粉的晶体结构进行测定。测定参数为铜靶CuKα，电压40 kV，电流35 mA，功率1400 W，扫描范围4～40 °，扫描速度4 °/min，步长为0.02 °。

（5）淀粉的体外消化特性：参照Englyst等[12]的方法测定淀粉消化特性，并稍加修改。称200 mg样品于100 mL离心管中，加入15 mL醋酸-醋酸钠缓冲液（pH 5.2、0.1 mol/L）中，于37 ℃水浴中预热10 min。加入5 mL混合酶液（290 U/mL猪胰α-淀粉酶和15 U/mL淀粉葡萄糖苷酶），在37 ℃的恒温振荡器中振荡2 h，在20 min和120 min时各取0.5 mL酶解液与4.5 mL无水乙醇混合均匀后在5000 r/min条件下离心30 min。用3.5-二硝基水杨酸（DNS）法测定葡萄糖含量。

快消化性淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）、抗性淀粉（RS）含量计算公式如下：

式中：

G0——酶解前的葡萄糖质量，mg；

G20——酶解20 min时的葡萄糖质量，mg；

G120——酶解120 min时的葡萄糖质量，mg；

TS为样品中总淀粉质量，mg。

（6）淀粉的冻融稳定性：将样品制成6%的淀粉乳，沸水浴中加热30 min，冷却至室温，于-20～-15 ℃冷冻24 h后取出，自然解冻，在5000 r/min条件下离心30 min，弃去上清液，称沉淀重，计算析水率。

（7）淀粉颗粒的热特性：采用差示扫描量热仪对淀粉颗粒的热特性进行测定。称取2.5 mg小麦淀粉，加7.5 μL蒸馏水，以粉:水=1:3制样，室温下平衡24 h。以空铝盘作对照，扫描过程以10 ℃/min的速度从20 ℃升至120 ℃。

1.4 数据处理

采用Origin 2018进行图表绘制，采用SPSS软件对数据进行分析。每次实验重复3次，采用平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 破损淀粉含量

图1 不同粒度小麦粉破损淀粉含量 Fig.1 Damaged starch content of wheat flour with different particle sizes

破损淀粉是小麦胚乳在研磨过程中因受到热损失或机械力的碾压，完整淀粉颗粒的外层细胞膜被损伤而形成的。随着小麦粉粒度的减小，破损淀粉含量显著性增加，这与赵学敬[4]的研究结果一致。这可能是由于小麦粉粒度越小，粉碎的越彻底，淀粉颗粒被破坏的程度越高，从而导致破损淀粉含量升高[13]。破损淀粉的吸水率是正常淀粉的5倍，随着破损含量的增多，导致面团吸水率增加。部分淀粉被酸、酶等分解成糊精、葡萄糖、麦芽糖等物质，影响小麦粉在不同粒度下面团的发酵特性及烘焙时的吸水量，从而会对面制品品质产生一定的影响。

2.2 糊化特性

糊化特性常用于评估小麦和小麦粉品质。糊化的本质是水分进入结晶区域，造成淀粉颗粒内部有序结构的破坏。表1为不同粒度小麦粉糊化特性，可以看出当小麦粉粒度减小时，小麦粉黏度、衰减值、回生值整体上呈先降低后升高趋势，而糊化温度无显著性变化。峰值黏度反映淀粉糊在糊化升温过程中淀粉颗粒的膨胀程度，峰值黏度随着粒度的减小而降低可能与淀粉中支、直链淀粉含量、破损淀粉含量、淀粉的膨胀程度有关，这与王崇崇[7]和Blanchard等[14]研究的小麦粉随着粒度减小其峰值黏度的变化结果一致。衰减值反映在加热过程中淀粉颗粒结构的稳定性，当衰减值越大时淀粉结构越不稳定[15]。由表1数据知，随着粒度减小，其衰减值逐渐下降，说明淀粉结构越稳定。衰减值大表明其糊化时淀粉热稳定性差，这可能是由于淀粉颗粒结构松散、强度较低导致的[16]。回生值是指最终黏度与最低黏度的差值，研究结果发现随着小麦粉粒度减小，其回生值整体呈减小趋势，这与Kim等[17]研究结果一致。

表1 不同粒度小麦粉糊化特性 Table 1 Gelatinization characteristics of wheat flour with different particle size

2.3 淀粉的颗粒形态

淀粉的颗粒形态能够较为直观的反映粒度对淀粉颗粒表面结构的影响。完整淀粉颗粒的形状通常为椭圆形或圆形，颗粒表面较光滑，且分散性好。由图2可以看出，随着小麦粉粒度的减小，其淀粉颗粒由聚集逐渐分散，且不规则的淀粉颗粒增多，部分颗粒破裂，破损淀粉含量增加，且淀粉颗粒表面变得较为粗糙。这与Barak等[18]研究结果较一致，说明研磨力度对淀粉颗粒的破损程度影响较大，随着小麦粉粒度的减小，其淀粉颗粒的破损程度就越大。

图2 小麦粉在不同粒度下其淀粉的颗粒形态 Fig.2 Starch particle morphology of wheat flour at different particle sizes

2.4 淀粉颗粒晶体结构

淀粉颗粒的分子结构是半晶层和无定形层组成[19]，含有10个以上葡萄糖单位的支链淀粉的外链以双螺旋形式存在结晶区，结晶为A或B晶型，或者二者的混合物[20]。不同粒度小麦粉淀粉的X射线衍射图谱及相对结晶度如图3所示。不同粒度小麦粉淀粉其衍射角未发生变化，在15 °、17 °、18 °和23 °处均出现特征衍射峰，均属于A型晶体结构[21]，说明小麦粉粒度大小不会改变淀粉颗粒的晶体结构。A型晶体结构较紧密，在食品加工中水分子不易进入结晶区，稳定性较好。同时，在20 °处出现一个较小的衍射峰，这可能是支链淀粉脂质复合物的特征。小麦粉粒度过大或过小时淀粉其衍射峰的强度较弱，导致这种现象的原因可能是在制粉过程中淀粉颗粒内部结构被破坏，在空间结构上直、支链淀粉产生无需重组，从而使其内部结构从结晶区转为无定形区[22,23]。小麦粉在不同粒度下淀粉的相对结晶度随着小麦粉粒度的减小整体呈先升高后降低趋势，说明中等粒度小麦粉的相对结晶度较高。原因是随着小麦粉粒度的减小，小麦粉中A淀粉含量越高，而A淀粉中的相对结晶度比B淀粉中高，随着小麦粉粒度的减小其淀粉的相对结晶度升高。但当小麦粉粒度过小时，淀粉破裂程度增加，晶体结构遭到破坏，其相对结晶度降低[24]。

图3 小麦粉在不同粒度下其淀粉的X-衍射图谱 Fig.3 X-ray diffraction patterns of starch of wheat flour at different particle sizes

2.5 淀粉的体外消化特性

淀粉颗粒的体外消化特性主要涉及到酶对底物的可及性和水解活性，而水解活性一般取决于淀粉在颗粒中的超分子排列以及其分子的分支密度[25]。根据淀粉在小肠中的消化时间，淀粉通常被分为快消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）[11]。支链淀粉和直链淀粉含量变化会影响小麦淀粉的消化特性，支链淀粉的老化会影响SDS含量，而直链淀粉老化也会对RS含量产生一定影响[26]。由表2可知，随着小麦粉粒度的减小，其淀粉的消化特性中RDS含量整体呈先升高后降低趋势，SDS含量范围为16.02%～20.54%。当小麦粉的粒度较大时，直链淀粉与脂质形成的结晶结构较稳定，淀粉颗粒表面形成屏障层，从而影响酶与淀粉分子接触，导致RDS含量降低，SDS含量增加。在小麦粉粒度11XX/--时RS含量为59.88%较低，其原因可能是此时的淀粉中直链淀粉含量较低导致的。相比于淀粉中的支链淀粉，直链淀粉易与油脂等形成复合物，从而导致RS更难被消化。

表2 小麦粉在不同粒度下其淀粉的消化特性 Table 2 Digestibility of starch of wheat flour at different particle sizes

2.6 淀粉的冻融稳定性

淀粉的冻融稳定性是评价淀粉类冷冻食品品质的关键指标[27]。淀粉的冻融稳定性反映淀粉的老化程度，常用来评价凝胶体系的稳定性。析水率与淀粉的冻融稳定性呈负相关，析水率越高表明淀粉的冻融稳定性越差，其老化程度越高[28]。小麦粉在不同粒度下其淀粉的冻融稳定性结果如图4所示，随着小麦粉粒度的减小，其析水率整体呈升高趋势，说明淀粉的冻融稳定性随着粒度的减小而逐渐降低。导致这种现象的原因可能为随着小麦粉粒度的减小，淀粉颗粒破坏程度增加，其破损淀粉含量增加，冷却时，淀粉颗粒与水分子的结合能力降低，导致淀粉糊的析水率增加，其冻融稳定性降低[7]。淀粉分子之间是通过氢键连接的，随着冷冻时间的增加，淀粉分子间的作用力增强，形成的凝胶束迫使淀粉凝胶中的水分析出，并伴随着淀粉颗粒糊化成海绵状，原有的胶体结构被破坏[29]。

图4 小麦粉在不同粒度下其淀粉的冻融稳定性 Fig.4 Freeze-thaw stability of starch of wheat flour at different particle sizes

2.7 淀粉颗粒的热特性

淀粉的热力学特性表示淀粉糊化过程中的热力学变化。由于淀粉的颗粒结构是半结晶的，故在加热过程中淀粉在水中发生糊化，淀粉的晶体结构逐步转化为无定形态，分子结构开始瓦解，同时还伴随着能量的相互转化。小麦粉粒度为13XX/--时，起始温度（T0）达到最大，说明此时所需的初始糊化温度最高，这与糊化特性中小麦粉的糊化温度研究结果相一致。Ji[30]的研究发现，T0常用来测定淀粉的微晶完整度，当微晶越坚固时，所需的初始糊化温度就越高。导致这种现象的原因可能是蛋白堵住淀粉表面的通道，水分子渗入淀粉晶体内部速度受阻从而影响淀粉的溶胀，导致其糊化温度升高。随着小麦粉粒度的减小，其淀粉的峰值温度（Tp）整体呈上升趋势，这与王崇崇[7]的研究结果相一致。其原因为淀粉在糊化过程中其晶体结构从无定形区转变成结晶区，同时内部释放短链晶体含量增加，且双螺旋结构之间形成的结晶簇更加紧密导致的[31]。随着小麦粉粒度的减小，其终止温度（Tc）范围为69.72 ℃～ 72.08 ℃，整体呈先升高后降低趋势，且在13XX/--时最低。

表3 小麦粉在不同粒度下其淀粉的热特性 Table 3 Thermal properties of starch of wheat flour at different particle sizes

3 结论

本文通过主动控制研磨条件和最终粒度结果，得到不同粒度的小麦粉，从而研究小麦粉在不同粒度下其淀粉的特性。研究结果表明：随着粒度的减小，其破损淀粉含量从13.25%增加到23.60%；峰值黏度、最低黏度、最终黏度、衰减值、回生值整体呈先降低后升高趋势，且在粒度为13XX/--时达到最低值，而糊化温度无明显变化；淀粉颗粒由聚集逐渐分散且表面更加粗糙；小麦粉在不同粒度下淀粉其晶型都属于A晶型，且中等粒度小麦粉淀粉其衍射峰的强度较强，其淀粉的相对结晶度从20.68%增加到21.78%。快消化淀粉含量呈先升高后降低趋势，慢消化淀粉降低22.01%，抗性淀粉含量在中等粒度时较低为59.88%。小麦粉在不同粒度下其淀粉的冻融稳定性随着粒度的减小显著性增加了47.50%。淀粉的热特性中随着粒度的减小峰值温度整体呈升高趋势，且小麦粉粒度为13XX/--时，其淀粉的起始温度较高为58.55 ℃而终止温度此时较低为69.72 ℃。小麦粉在中等粒度下其淀粉特性较好，实际应用时应根据具体需求选择合适的小麦粉粒度的淀粉。