粉碎對谷物主要成分及面團品質的影響

段嬌嬌，覃小麗，金劍波，葉正榮，易川虎，劉雄,*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715) 2(昌都市農業科學研究所，西藏 昌都，854000) 3(昌都君親農業科技開發有限公司，西藏 昌都，854000)

谷物食品是全球飲食的主要來源，為人類提供膳食纖維、碳水化合物、維生素、蛋白質和多種礦物質[1]。淀粉是大多數谷物的主要成分，通常占谷物重量的50%以上。膳食纖維也是谷物重要組成成分，近年來功能性產品越來越受到消費者青睞，特別是全谷物食品[2]。從谷物麩皮中提取的膳食纖維對人體具有很多益處，如促進益生菌生長、調節血糖、降低冠心病風險等[3-4]。谷物制粉即將谷物的種子或根莖破碎成粉末，以便于面制品的進一步制作與加工[5]，是谷物最傳統而廣泛的加工形式，粉碎對谷物的作用主要為碰撞和剪切[6],此過程中谷物粒度減小[7]，糊粉層與胚乳脫離。由于淀粉顆粒的暴露和外界機械力作用的加強，破損淀粉含量增加，淀粉的結構與性質[8]，如糊化特性、膨脹性、溶解性以及結晶度發生變化，在很大程度上影響面粉功能性和面制品的質量[9-10]。隨著谷物粉碎，麩皮的物理性質也發生一定的變化，顯著影響面筋蛋白的形成，影響面團品質[11]。顆粒粒徑分布是影響谷物應用最重要的因素。本文從淀粉分子、晶體、顆粒3個水平綜述了粉碎對谷物淀粉結構與性質的改變及對面團糊化特性、熱力學特性的影響；從膳食纖維的粒徑大小、吸水性及其與淀粉、蛋白互作3個角度來綜述粉碎對谷物膳食纖維性質的改變及對面團流變學性質、面制品品質的影響，以期為谷物粉碎領域的深入發展及生產中的進一步應用提供借鑒。

1 粉碎對谷物淀粉性質的影響

已有大量研究證實了粉碎對淀粉結構及功能特性的影響[12-13]。淀粉在谷物顆粒中，不僅與其他成分以鑲嵌結合的方式存在于谷物胚乳中[14]，其自身的內部結構也是極其復雜的。比較普遍且被眾多學者所接受的說法是淀粉結構分為6個層次[12,14-15]，如圖1所示。

圖1 淀粉結構的六水平示意圖[11, 14]Fig.1 Six levels of starch structure

TRAN等[12]研究表明,在同等破碎強度下，不同的粉碎機所得到的大米淀粉分子降解程度不同；也有研究表明在相同的低溫研磨過程中，不同植物來源的分離淀粉在樣品顆粒的破壞、雙螺旋體和結晶結構的破壞、淀粉分子的降解等方面沒有表現出線性關系[13]。這些研究都說明了粉碎對淀粉結構影響的程度大小不僅與淀粉的植物來源有關，也與粉碎工藝有關，故可通過改變粉碎條件(如溫度和機械力)，從而實現在各個結構水平上獨立控制。

1.1 對淀粉分子結構及酶解性、溶解性的影響

淀粉分子主要包括支鏈淀粉和直鏈淀粉2種分子。研究表明，支鏈分子比直鏈分子更易降解。TRAN等[12]和DHITA等[13]觀察到，水稻籽粒的淀粉顆粒在經過錘式粉碎和低溫研磨后，支鏈分子降解為更小的相當于直鏈分子的尺寸。同樣，也有研究發現燕麥籽粒在粉碎后支鏈分子量從8.37×108降低至4.32×108[16]。究其原因，一方面可能由于降解多發生于支鏈分子的分支處和α-(1,6) 糖苷鍵處；另一方面，支鏈分子比直鏈分子的分子量大，更易受到外界剪切作用，且由于非晶片區的無定型結構比位于晶體區的雙螺旋結構更靈活多變，故直鏈分子對剪切的敏感性更低。

淀粉分子的降解作用也會導致淀粉酶解性和溶解性的改變。DEVI等[17]研究發現，超微粉碎可能使淀粉的雙螺旋構造發生解聚，從而促進淀粉的支鏈分子裂解，淀粉溶解性增加。也有研究發現隨著粉碎時間增長，玉米淀粉的酶解效率明顯增加[18]。由于存在于支鏈分子雙螺旋結構中的α- (1,4) 糖苷鍵比僅集中于無定形區的α- (1,6) 糖苷鍵對剪切作用更敏感[13, 19]，隨著粉碎強度增加，支鏈分子不斷裂解和浸出，導致支直鏈淀粉的比例發生改變，增強了α-淀粉酶對無定形淀粉的敏感性，加速淀粉分子的降解，從而使淀粉溶解性增加，酶解性也大大提高。

1.2 對淀粉晶體結構及熱力學性質的影響

淀粉的晶體結構分為晶體區和非晶片區，由支鏈分子的分支呈雙螺旋旋轉而成，結晶程度用結晶度來表示。粉碎會破壞淀粉的分子結構，使螺旋結構和支鏈分子裂解，此過程必然導致淀粉晶體構造的破壞[20]，甚至改變淀粉的結晶度和晶體類型。謝濤等[21]研究發現X-衍射圖譜的特征衍射峰隨著超微粉碎時間的延長而逐漸減弱，淀粉的結晶度逐漸降低，非結晶區增多。這說明超微粉碎產生的機械力效應破壞了淀粉的結晶區，淀粉結晶度降低，使其轉變成無定形的非晶體構造。胡飛等[22]在研究馬鈴薯淀粉粉碎時間與其熱特性(如相變吸熱峰等)變化時，也得到了相似的結論。相變吸熱峰是粉碎過程中的機械作用使淀粉從多晶態變為非晶態的相變所引起的，隨著粉碎過程中淀粉晶格畸變現象越來越嚴重，淀粉的晶格扭變和無定形程度越高，最終導致淀粉晶體完全無定形化，相變吸熱峰消失。而水分相變吸熱峰是水分揮發的結果，它的增強是由于粉碎使淀粉內部結構松散，部分長鏈斷裂，導致大量水分子滲入淀粉內部并與之結合[22]。

1.3 對淀粉顆粒結構及面團消化率、流變學、熱力學特性的影響

粉碎對淀粉顆粒的影響主要表現為淀粉顆粒粒徑分布的改變和破損淀粉含量的增加[23]，進而影響面粉的物理化學性質和應用特性[24]。BARRERA等[25]的研究表明，相比于質地柔軟的品種，硬質谷物顆粒對碾磨的耐受性更高，得到的破損淀粉含量也更高。顆粒大小是生化反應中的一個重要的因素，顆粒尺寸的減小會導致單位表面積的增大，進而影響面粉的理化性質[26]。傅茂潤等[27]研究糯米淀粉在超微粉碎過程中的理化性質變化時發現，淀粉粒徑逐漸減小，其溶解性和酶解率也呈明顯增大趨勢。這可能由于粉碎處理得到了更多的淀粉碎片[28]，淀粉結構變得松散，表面粗糙不平，導致損傷淀粉更易吸水膨脹，對酶的敏感性提高，保水能力下降，對面團的流變特性有潛在的負面影響[29]。也有報道稱酶解作用同時又反過來促進淀粉的崩解，進而可能改變面團的質構性質，使面團的形成時間和穩定性降低[30]。當破損淀粉含量繼續增加，面團的延展性降低，黏結力增高，內聚力降低，對面團流變學特性產生不利影響。除此之外，淀粉的消化率也會受到破損淀粉含量的影響。ABEBE等[31]發現，用磨盤粉碎淀粉會使葡萄糖含量和消化指數變高，這可能由于磨盤粉碎使得淀粉粒徑變小，破損淀粉含量變高，增加了淀粉對酶的敏感性，加快了淀粉消化速率，這與LI等[14]的研究結果一致。

糊化是指淀粉顆粒凝膠化之后溶解于水中的現象，它包含了顆粒的吸水膨脹、分子的浸出直至整個顆粒的崩解[23]。ASHIDA等[32]研究表明，不同品種和粉碎方式所導致的破損淀粉含量和淀粉粒徑大小的差異也會引起快速粘度分析儀圖譜的不同，說明淀粉粒度分布和損傷淀粉含量會影響面粉的糊化和熱力學特性，進而對面條等終產品的品質產生影響。中間產物的熱力學性質能很好地預測食品終產物的蒸煮烹飪過程，可用來調控中間產品的功能性質[34]。糊化特性可用快速粘度分析儀來測定，可作為衡量面粉的蒸煮食用品質的重要指標[33](表1)。

2 粉碎對谷物膳食纖維性質的影響

近年來，膳食纖維逐漸成為新的研究熱點。大量研究表明,膳食纖維對維持人體健康起著重要的作用[35]。鑒于其良好的生理功能，繼蛋白質、脂肪、碳水化合物、維生素、礦物質和水六大營養素之后，它被人們譽為“第七大營養素”[36]。粉碎后的膳食纖維粒徑大小和吸水性發生改變[37]，且與淀粉、蛋白會發生交互作用(如圖2所示)。不同于精制粉，全麥粉在粉碎過程中往往會帶入大量麩皮，當粉碎到一定粒度，麩皮粒徑變小，均勻地混雜在面粉中。面團在形成過程中由于麩皮的存在會增大吸水率，且麩皮與淀粉、蛋白發生交互作用，會影響面筋網絡結構，進而對面團流變學性質及面制品品質產生影響[38]。

A-精制粉；B、C、D、E-全粉，粒徑分別為125、96、72、43 μm;SSG-小淀粉顆粒；LSG-大淀粉顆粒；DSG-破損淀粉；WB-麩皮；PM-蛋白網絡結構圖2 粉碎對全粉面條的微觀結構作用示意圖[38]Fig.2 Effect of superfine grinding on the microstructure of whole-wheat noodles

2.1 對膳食纖維吸水率及面團糊化、老化、消化的影響

研究發現粉碎后的膳食纖維對面團的吸水性、淀粉的降解和老化及面制品的消化特性具有一定的積極作用[39]。GUJRAL等[40]通過混合實驗儀發現用粉碎后的大麥麩皮代替小麥麩皮形成的面團使吸水率增加至71.5%，使淀粉降解減少了26.44%，且此面團制成的面制品具有更低的消化率和更高的抗消化淀粉含量。這是由于大麥麩皮中的β-葡聚糖使面團產生更大的黏度，使淀粉更難水解，對淀粉酶的敏感性也降低，使得淀粉不易降解和消化。這與COLLAR等[41]的研究結論一致，用40%大麥粉(富含粉碎的膳食纖維)替代小麥粉制成的面包含有更少的快速消化淀粉和更低的淀粉消化率。此外，粉碎后的膳食纖維提取物被證實在加入小麥粉后會引起淀粉凝膠化和回生值的顯著變化[42-43]。WANG等[44]在小麥面團中添加5 g/100g比例的燕麥β-葡聚糖(燕麥膳食纖維中的一種成分)，試驗組顯示更高的糊化溫度，更低的峰值黏度、回生值和衰減值，該結果表明燕麥β-葡聚糖能在一定程度上使淀粉顆粒穩定，使淀粉糊化過程更難進行，抑制了淀粉凝膠的形成和老化回生現象的發生。膳食纖維對淀粉的上述影響歸結為以下3點原因：(1)粉碎使得膳食纖維粒徑減小，表面積變大，具有更強的水吸附能力，與淀粉形成競爭關系，導致淀粉水吸收率減小，因此需要更高的糊化溫度來克服糊化過程水的缺失；(2)粉碎后，谷物顆粒組織遭到破壞，膳食纖維環繞在淀粉周圍，從而阻礙了淀粉顆粒和水的結合；(3)粉碎后的膳食纖維夾雜在淀粉之間，對面團中淀粉的稀釋作用導致了峰值黏度、衰減值和回生值的減小。但若膳食纖維粒徑過小，分布更廣，對糊化后的淀粉分子重排的阻礙作用會降低，使得淀粉糊在低溫條件下穩定性變差，更易老化。

2.2 對膳食纖維與淀粉、蛋白交互作用及面團流變學特性的影響

鑒于膳食纖維對人體積極的生理作用，很多學者嘗試將富含膳食纖維的副產品添加至面制品等食品中，制成功能性食品。但有研究表明這些物質的加入會對面團的流變學特性產生負面影響，隨著添加量的增加，面制品的食用品質也會下降[40]。IZYDORCZYK[45]的報道稱從粉質曲線可看出，當面粉中添加20%富含大麥纖維的成分可顯著提高面團的吸水性，削弱面團筋力，對面團延展性產生不利影響。添加麩皮對面團及面制品的影響，一方面在于粉碎后的膳食纖維由于粒徑的減小和表面積的增大導致面團吸水性增強；另一方面可能與麩皮和淀粉及面筋蛋白的交互作用有關。面筋蛋白和小麥淀粉分別作為骨架和填料[46]，在面團中會形成面筋網絡結構，對面團流變學特性及終產品品質起著關鍵作用。而粉碎后的麩皮會打破蛋白和淀粉的最佳比例，且可能包裹一部分淀粉和蛋白，從而阻止蛋白分子的互相交聯和蛋白網絡對淀粉的包裹作用，阻礙面筋網絡結構的形成，不利于面團的延展，從而對面團和面制品產生不利影響[47]。

2.3 對膳食纖維粒徑及面制品品質的影響

膳食纖維的添加會破壞面筋蛋白結構，對面團流變學性質產生不利影響，因此改善富含膳食纖維的面團品質迫在眉睫。有研究顯示增大粒徑可減小麩皮對產品品質的不利影響[48]，但也有學者發現麩皮粒徑越小，面制品品質越佳[49]，可見麩皮粒徑是影響面團及面制品品質的重要因素。當麥麩尺寸過小，面粉吸水增加，面團形成時間和穩定時間均下降，面筋網絡的形成也受到阻礙，面包產品的體積和質量下降[50]；而當麥麩粒度過大，面條硬度、膠著性、咀嚼度下降[51]。粒徑過大或過小都會對面團及面制品產生劣變效果[52]，但在一定尺寸范圍內(根據谷物來源和目標產品的不同而有所變動)，麥麩粒度減小，面團延展性逐步增強[53]。故選擇合適的粉碎加工方式，改變大顆粒麩皮的比例[54]，得到合適粒度的麩皮十分必要，粉碎方式及控制條件應根據實際情況加以選擇。

3 總結與展望

膳食纖維攝入量與多種疾病的預防密切相關，提高全谷物的攝入量是全民飲食的大勢所趨。選擇合適的粉碎方式和加工條件可以更好地發揮谷物膳食纖維的功能特性，從而獲得更好品質的面團和面制品。全麥粉碎工藝一般分為整粒粉碎和麩皮回添2種形式。麩皮回添是先將皮層和胚乳分離，再分別進行粉碎，當達到不同的粉碎要求后將麩皮按原比例進行回添得到全麥粉。此過程中麩皮粒徑決定了全麥面團的加工性質和面制品的食用品質，因此應結合終產品的需求，選擇合適的麩皮粒度進行回添。相比于麩皮回添，整粒粉碎效率更高、更便于實際操作。但此方式往往伴隨著谷物淀粉結構的改變和物化性質、功能性質的變化。破損淀粉和淀粉粒徑是影響面團流變學和熱力學等加工性能和面制品品質的重要因素。因此在谷物加工過程中，應格外注意谷物的質地，選擇溫和的粉碎方式，嚴格控制加工條件，必要時應采取一定手段減少破損淀粉的產生，如粉碎前的浸麥預處理、回潮增濕、浸漬增濕，以及粉碎過程中采用濕法粉碎、間歇粉碎等，從而減輕外界摩擦、碰撞、剪切等應力對晶體結構和分子結構的破壞，保持良好的面粉品質。

此外，酸面團發酵技術在全谷物面制品工業中的應用越來越廣泛，它能夠改善發酵食品的質構、風味、消化性及功能性質。谷物發酵往往利用微生物的代謝與谷物各成分間的相互作用，且通過控制系統條件改變谷物中某些酶活，如淀粉酶、蛋白酶、半纖維素酶和植酸酶等，使發酵食品具有更好的營養價值和食用價值[55]。因此用于發酵的谷物在粉碎時應特別注意溫度、酸度等外界條件的控制，盡量降低谷物各成分的損失及內源酶的破壞程度，以保證谷物發酵的效果和發酵面制品的質量。總之，低溫、低損傷的機械粉碎方式將受到未來谷物加工行業的青睞。