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入选中国科技期刊卓越行动计划
本文获2022年中央引导地方科技发展项目(ZY2022B-HRB-12)。
摘要
糙米作为一种营养丰富的全谷物,有助于预防高脂血症、糖尿病和高血压等多种疾病。近年来,随着消费者对健康饮食的关注增加,糙米粉作为一种营养谷物代餐粉逐渐兴起,其富含膳食纤维、维生素和矿物质,有益于肠道健康,维持血糖稳定,预防某些慢性疾病,且能提供抗氧化剂,有助于增强免疫系统。然而,其适口性、冲调分散性和稳定性差等问题仍然制约着糙米粉市场发展及商业化。
发芽可以提高糙米的食用品质,改善其营养成分,糙米经发芽后,酶被激活,内含的化学成分发生变化,γ-氨基丁酸、谷维素和肌醇等生理活性成分含量显著增加。焙烤处理是一个利用辐射热能加工的干热过程,伴随着色泽、风味、口感和质地的变化,物料发生水分汽化、蛋白质降解和淀粉糊化等现象,增加粗纤维和不溶性膳食纤维的含量,以致物料内部膨化而增加体积和脆度,从而提高谷物的消化吸收性、抗氧化能力和储存稳定性,降低其糊化特性,故实验前期对糙米进行发芽与焙烤处理,可提升糙米粉的营养价值。
超微粉碎是20世纪70年代开始的一种食品物料加工技术,利用流体动力或机械力克服物料内部的凝聚力从而达到破碎效果,可以将3 mm以上的物料粉碎到微米、亚微米甚至纳米级,粉碎均匀且快速,不会产生局部过热现象,可改善谷物的物理、化学及产品的功能结构,提高原料的利用率,制得的粉体能较好地保留物料中的风味物质,提高其理化性质以及食用品质,改善其加工特性,近年来被广泛应用于谷物食品的加工研究。Wu等研究发现超微粉碎技术可以使米粉糊化温度,热焓值和凝胶强度升高。赵萌萌等研究表明超微粉碎技术可使青稞麸皮粉的粒径显著减小,粉体更加细腻均匀,且色泽明显增亮。Zhao等研究发现经过超微粉碎处理后姜粉的表面积、堆密度和休止角增大,滑动角较小,随着姜粉粒径的减小,水溶性指数和吸水指数显著升高。Xu等采用超微粉碎技术加工荞麦粉,研究发现超微荞麦粉保留了原荞麦的基本营养成分,水合特性显著增强,饱腹感性能得到改善。相比传统糙米粉的质地粗糙、口感较差,超微粉碎技术处理能够降低糙米粉的粒径、减少淀粉回生、增加糊化度,但其营养性、冲调分散性、稳定性等问题制约了发展。
本实验以发芽-焙烤糙米为原料,采用超微粉碎技术对其进行加工处理成不同目数的发芽-焙烤糙米粉,研究超微粉碎对其粒径、基本营养成分与生物活性成分、冲调分散性、流动特性、水合特性、色泽、糊化特性、短程有序性、结晶结构和热特性的影响,以期为糙米粉的应用开发提供理论依据,拓宽各种功能性物质与谷物的融合性,开发更大的营养保健冲调粉市场,提升市场竞争力及商业价值。
结果与分析
2.1 超微粉碎对发芽-焙烤糙米粉基本营养成分和生物活性成分的影响
表 2 超微粉碎前后发芽-焙烤糙米粉基本营养成分和生物活性成分的变化
Table 2. Changes in essential nutrients and bioactive components of germinated-roasted brown rice powder before and after ultrafine grinding
图 1 糙米粉的粒径分布
Figure 1. Particle size distribution of brown rice powder
表 3 发芽-焙烤糙米粉粒径的相关参数
Table 3. Parameters related to particle size of germinated-roasted brown rice powder
表 4 超微粉碎前后发芽-焙烤糙米粉的流动特性
Table 4. Flow characteristics of germinated-roasted brown rice powder before and after ultrafine grinding
2.4 超微粉碎对发芽-焙烤糙米粉色泽的影响
超微粉碎对发芽-焙烤糙米粉色泽的影响如表5所示。色泽是谷物的重要质量指标之一,颗粒尺寸的减小会暴露谷物的内部结构以及内容物,从而影响谷物粉末的颜色。由表5可知,随着超微粉碎时长增加,亮度L*值和色差ΔE显著升高(P<0.05),绿红色度a*值从1.54降低至0.23,黄蓝色度b*值从13.36降低至9.79(P<0.05),发芽-焙烤糙米粉黄色明显减弱,表明超微粉碎处理可提高发芽-焙烤糙米粉的白度和改善其颜色的均匀性,引起ΔE变化的主要原因可能是超微粉碎处理破坏了发芽-焙烤糙米的结构,其内部的主要成分淀粉和蛋白质等暴露出来,从而影响发芽-焙烤糙米粉的颜色。或是粒径减小后,粉体比表面积增大,反射增大,色泽随之变浅,王佳欣等在研究青稞麸皮受不同参数气流冲击磨处理后的色泽时,有类似发现。
表 5 超微粉碎前后发芽-焙烤糙米粉色泽的变化
Table 5. Changes in color of germinated-roasted brown rice powder before and after ultrafine grinding
2.5 超微粉碎对发芽-焙烤糙米粉冲调分散性的影响
超微粉碎对发芽-焙烤糙米粉冲调分散性的影响如表6所示。水溶性指数能间接体现可溶性物质的含量,吸水性指数可以反映出谷物中淀粉颗粒吸水膨胀的能力。由表6可知,随着超微粉碎时长增加,水溶性指数、吸水性指数、分散时间、润湿性和结块率显著增大(P<0.05)。超微粉碎处理破坏了发芽-焙烤糙米粉中淀粉分子的氢键,从而导致游离羟基的增加,使得更多的水分子能够与淀粉分子中的游离羟基相互作用,提高其溶解性,使得水溶性指数提高。吸水性指数随粉体粒径的减小而逐渐增大,可能是发芽-焙烤糙米粉经过超微粉碎处理后比表面积增大,直链/支链淀粉、极性基团等与水结合的位点增多,从而具有较高的吸水指数。徐高孟等研究发现,随着粒径降低,水溶性指数从24%增加到31%,吸水性指数从1.77 g/g增加到2.42 g/g,这与本研究结果一致。超微粉碎后粉体的比表面积增大,使得相互之间吸附和团聚作用提高,影响了发芽-焙烤糙米粉的冲调分散效果,Lapcikova等在研究米粉粒径和品种类型对水性分散体中持水能力和水扩散率的影响时,也有类似的发现。
表 6 超微粉碎前后发芽-焙烤糙米粉的冲调分散性
Table 6. Brewing dispersion of germinated-roasted brown rice powder before and after ultrafine grinding
2.6 超微粉碎对发芽-焙烤糙米粉水合特性的影响
超微粉碎对发芽-焙烤糙米粉水合特性的影响如图2所示。持水力、持油力和溶胀度是衡量谷物中蛋白质和膳食纤维的吸附性能的理化指标。由图2可知,随着超微粉碎时长的增加,持水力呈先上升后下降的趋势,持油力无显著差异,溶胀度从1.01 mL/g增加到1.33 mL/g,增加了31.68%(P<0.05)。
图 2 超微粉碎前后发芽-焙烤糙米粉的水合特性
Figure 2. Hydration characteristics of germinated-roasted brown rice powder before and after ultrafine grinding
注:不同字母表示组间差异有统计学意义(P<0.05);图6同。
比表面积的增大促进了颗粒表面羟基与水分子的结合,使得持水力上升;下降的原因可能是超微粉碎处理破坏了可以通过氢键保持水分的不溶性膳食纤维的多糖链。溶胀度呈上升的趋势可能是由于粉体颗粒的比表面积增大,间隙率增加,使得水分子进入间隙机会增多,发芽-焙烤糙米粉吸收水分后所占的体积增大。王佳欣等提到粉碎强度增加导致粉体基质不断破碎变小,部分糊粉层存在细胞壁结构被破坏后持水力下降的可能;或是超微粉碎破坏了粉体堆积作用,孔隙减少,影响对水分的截留,持水力下降,这与本研究结果一致。
2.7 超微粉碎对发芽-焙烤糙米粉糊化特性的影响
超微粉碎对发芽-焙烤糙米粉糊化特性的影响如表7和图3所示。由表7和图3可知,相比于糙米粗粉,经过超微粉碎处理后,发芽-焙烤糙米粉的峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最终黏度、回生值和糊化温度均显著减小(P<0.05)。峰值黏度与淀粉的结构和晶体稳定性有关,峰值黏度减小可能是超微粉碎处理破坏了发芽-焙烤糙米粉的晶体结构;崩解值是衡量淀粉膨胀崩解的难易程度,崩解值逐渐减小,表明超微粉碎处理提高了发芽-焙烤糙米粉的热稳定性,且谷值黏度的降低是由于粉体粒径的减小增加了其淀粉颗粒的崩解敏感性;超微粉碎处理后发芽-焙烤糙米粉的回生值显著降低(P<0.05),表明超微粉碎处理提高了发芽-焙烤糙米粉的抗老化性;随着超微粉碎时长增加,发芽-焙烤糙米粉的糊化温度逐渐降低,可能是由于粒度减小,其结合水分的能力强,在加热过程中需要较短的时间来形成黏度从而降低糊化温度,综上所述,经超微粉碎处理后,发芽-焙烤糙米粉在较低的温度下冲调能成糊,不易老化回生,且表现出较好的稳定性,加工性能得到显著提高。
表 7 超微粉碎前后发芽-焙烤糙米粉的糊化特性
Table 7. Pasting properties of germinated-roasted brown rice powder before and after ultrafine grinding
图 3 超微粉碎前后发芽-焙烤糙米粉的黏度变化曲线
Figure 3. Viscosity curves of germinated-roasted brown rice powder before and after ultrafine grinding
2.8 超微粉碎对发芽-焙烤糙米粉结晶结构的影响
超微粉碎前后发芽-焙烤糙米粉的XRD衍射图谱结果如图4所示。由图4可知,发芽-焙烤糙米粉的XRD图谱在15°和23° 2θ处有两个单峰,在17°和18° 2θ处有一个不可分割的双峰,均表现出谷物淀粉典型的A型结晶结构,但结晶度由糙米粗粉的28.41%显著降低到糙米微粉IV的20.86%。
图 4 超微粉碎前后发芽-焙烤糙米粉的XRD衍射图谱
Figure 4. XRD pattern of germinated-roasted brown rice powder before and after ultrafine grinding
超微粉碎后,晶体结构没有发生变化,可能是由于超微粉碎过程中淀粉主要降解在无定形区,而不是在结晶区,同时随着粉体粒径的减小,衍射峰强度(15°、17°、18°和23° 2θ处)明显降低,20° 2θ处的V型衍射峰也出现同样的趋势但结果不显著,造成此现象的原因可能是发芽-焙烤糙米粉经过发芽与焙烤处理后破坏了其淀粉结构的结晶区,部分双螺旋结构受到影响。淀粉分子间在机械作用下发生重排或新形成键,降低了结晶度,这与Niu等发现全麦粉淀粉经过超微粉碎后结晶度降低的研究结果相似,Zhang等也发现当超微粉碎时间达到20 min时,薏仁粉的结晶度下降了58.81%。
2.9 超微粉碎对发芽-焙烤糙米粉短程有序性的影响
超微粉碎前后发芽-焙烤糙米粉的FTIR光谱图结果如图5所示。由图5可知,不同粒径发芽-焙烤糙米粉的FTIR光谱图特征相似,主要特征吸收峰形状没有明显差异,表明发芽-焙烤糙米粉经过超微粉碎处理后没有出现新的化学官能团。3500~3200 cm−1处的宽峰与-OH的拉伸振动有关,2925 cm−1处的特征吸收峰与-CH拉伸振动有关,1650 cm−1处的特征吸收峰归因于C=O拉伸振动,1151 cm−1处的特征吸收峰与C-O拉伸键有关。计算1047/1022 cm−1吸光度比值(R1047/1022)和995/1022 cm−1吸光度比值(R995/1022)如表8所示,经过超微粉碎处理后,R1047/1022值和R995/1022值均降低,短程有序性越低样品越不易老化回生,表明超微粉碎处理使发芽-焙烤糙米粉的淀粉结晶区受到破坏,短程有序性降低,使得结晶度有所降低,这与XRD的结果一致。
图 5 超微粉碎前后发芽-焙烤糙米粉的FTIR光谱图
Figure 5. FTIR spectra of germinated-roasted brown rice powder before and after ultrafine grinding
表 8 超微粉碎前后发芽-焙烤糙米粉的短程有序性
Table 8. Short-range ordering of germinated-roasted brown rice flour before and after ultrafine grinding
2.10 超微粉碎对发芽-焙烤糙米粉热特性的影响
超微粉碎对发芽-焙烤糙米粉热特性的影响如表9所示。T0、Tp和Tc可以体现淀粉晶体的稳定性,而∆H可以反映支链淀粉的熔化与双螺旋结构的破坏。由表9可知,随着超微粉碎时长增加,起始温度T0、峰值温度Tp和终止温度Tc均呈降低的趋势,∆H显著降低(P<0.05)。Tp随着粉体粒径的减小而降低,可能是由于在超微粉碎处理过程中淀粉颗粒被破坏,导致其晶体稳定性降低。∆H从165.9 J/g降低到94.6 J/g,表明破坏非共价键所消耗的能量更少,这可能是由于超微粉碎处理导致淀粉结晶区氢键的断裂,表明粉体粒径小容易受热分解,降低热稳定性。Zhang等研究发现经过超微粉碎的薏仁粉起始温度从65.04 ℃降低到62.78 ℃,终止温度从81.72 ℃降低到78.33 ℃,∆H从2.11 J/g降低到0.33 J/g,本研究结果与之一致。
表 9 超微粉碎前后发芽-焙烤糙米粉的热特性
Table 9. Thermal characteristics of germinated-roasted brown rice powder before and after ultrafine grinding
2.11 超微粉碎对发芽-焙烤糙米粉感官评价的影响
超微粉碎对发芽-焙烤糙米粉感官评价的影响如图6所示。感官评价通过人类感官系统对食品的外观、气味、口感、质地和风味等属性进行系统评估,从而提供消费者对产品接受度的直接反馈,不仅能够指导生产工艺的改进,还能帮助验证仪器分析结果的实际意义。由图6可知,随着超微粉碎时长的增加,糙米粉感官评分呈现先上升后下降的趋势。在超微粉碎时长为10 min时,糙米微粉的感官评分为85.7分,得分最高,可能是因为超微粉碎处理提升了粉体细腻程度,有效改善了冲调分散性,适中的吸水性确保了冲调后的适宜稠度,同时保持了较好的风味特性。当超微粉碎时长达到15~20 min,尽管糙米微粉III和IV粉体更细腻,水溶性与吸水性更好,但粉体粒径减小,比表面积增大,使得颗粒之间吸附和团聚作用提高,影响了发芽-焙烤糙米粉的分散时间与结块率。综上所述,超微粉碎时长为10 min的糙米微粉II在综合性能上更为均衡,避免了过度细腻可能带来的风味损失及结块率过高的问题,食用品质最佳。
图 6 超微粉碎前后发芽-焙烤糙米粉的感官评价
Figure 6. Sensory evaluation of germinated-roasted brown rice powder before and after ultrafine grinding
通过研究超微粉碎技术对发芽-焙烤糙米基本营养成分、生物活性成分、冲调分散性和糊化特性等理化性质的影响,发现超微粉碎处理后发芽-焙烤糙米粉的蛋白质、膳食纤维等基本营养成分与γ-氨基丁酸、总酚、总黄酮等主要生物活性成分含量增加,水溶性指数、吸水性指数与润湿率显著增大,峰值黏度、谷值黏度、崩解值和回生值等均减小,短程有序性和结晶度降低,超微粉碎时长为10 min的糙米微粉II食用品质最佳。说明超微粉碎技术可以改善糙米粉的营养功能特性和冲调分散性,提高其抗老化性和稳定性,从而有效克服糙米粉在冲调与口感方面的局限性,实现营养与活性成分的协同提升和产品附加值的显著增益,为粮食资源的精深加工与功能性糙米制品的综合开发提供一定的科学参考,具有良好的应用前景和产业化价值。
Citation: WU Chenchen, LI Xiang, WU Ming, et al. Effect of Ultrafine Grinding on the Nutritional and Physicochemical Properties of Germinated-roasted Brown Rice[J]. Science and Technology of Food Industry, 2025, 46(22): 83−94. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2024110045.
通讯作者简介
张娜,女,教授,博士,满族,1979年9月出生于黑龙江省齐齐哈尔市,中国共产党党员,哈尔滨商业大学食品工程学院院长、教授、博士生导师,黑龙江省领军人才梯队后备带头人,研究方向为植物蛋白质。学术兼职主要包括中国食品科学技术学会青年工作委员会副秘书长;黑龙江省食品科学技术学会第五届理事会副理事长;黑龙江省食品科学技术学会第五届理事会秘书长;中国食品科学技术学会理事;黑龙江省粮油学会副理事长。主持国家、省部级项目20余项,发表论文200余篇,其中SCI/EI文章50余篇,作为主编、副主编编写《食品安全与卫生》《食品安全》等著作8 部,获发明专利、实用新型等授权10余项,科研获奖10余项。
刘晓飞,教授、博士生导师,2020年5月黑龙江省农业科学院博士后科研工作站出站。现任中国食品科学技术学会益生菌学会理事,黑龙江省食品科学技术学会青年委员会委员,黑龙江省发酵工程协会理事,黑龙江省兽医协会理事。已主持和参与多项国家级省级项目20余项,其中主持2023年江南大学牵头的“十四五”国家重点研发计划子课题1 项,主持2020年黑龙江省百千万工程科技重大专项1 项,主持2019年黑龙江省百千万工程科技重大专项子课题1 项,研究成果鉴定为国际先进,主持校级学术青年骨干项目1 项,黑龙江省博士后资助项目1 项,教育厅项目2 项,参与国家“863”计划、“十四五”国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、国家自然基金青年基金项目等多项项目。发表文章70余篇,其中SCI收录18 篇,EI收录10 篇,ISTP收录2 篇,获得发明专利5 项,实用新型专利5 项,计算机软件著作权2 项。获得中国商业联合会科学技术奖二等奖1 项,省科技进步二等奖1 项,省自然科学三等奖1 项。
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