球磨微細化研磨對發芽糙米粉物性特征的影響

薛健翼 陳 瑋 賈才華 趙思明 張賓佳 牛 猛 許 燕 郭允棟

(華中農業大學食品科學技術學院，武漢 430070)

全谷物是指完整，被碾碎、破碎或壓片的谷物，其基本組成包括胚芽、胚乳、淀粉質與皮層，其構成比例與完整穎果相同[1-3]。隨著糧食制粉與傳統食品加工技術的發展，如何讓利用現代食品加工新技術，減少未充分利用的營養物質的損失，使得全谷物食品市場前景非常廣闊。球磨研磨作為一種機械方式是制備超微粉體的有效手段之一，具有研磨均勻、污染小、操作簡單等優點，對谷物中營養成分在人體中的生物利用率的提高具有積極作用[4，5]。

糙米，由胚乳(約占總質量90%)、胚(2%～3%)和糠層(6%～7%)組成。由于保留了胚芽和糠層，所以富含營養因子，包括油脂、蛋白質、膳食纖維等營養素，以及功能活性成分，如米糠脂多糖、維生素、大量的酶類、γ-氨基丁酸、γ-谷維素、阿魏酸等高能球磨能通過磨珠、谷物顆粒間以及球磨室壁對谷物顆粒產生的剪切、沖擊、摩擦和其他力，該過程能減小谷物顆粒的粒度和改變淀粉、膳食纖維等大分子化合物的結構和物化性質，并且更有利于全谷物皮層和胚的微細化，從而提高全谷物的生物利用度和營養價值。因此研究以糙米為原料，使用掃描電子顯微鏡(SEM)、傅里葉紅外光譜(FTIR)等現代檢測分析方法確定研磨處理對發芽糙米粉干燥前后微粒粒徑、微觀形貌特征、水合性能、蛋白二級結構特征的影響，研究所制備的發芽糙米粉的部分組成和結構上的特征。最后得到了具有良好沖調性、分散性和口感的發芽糙米粉，為全谷物類食品在食品工業中的發展提供基礎數據與參考[6-10]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

“鹽豐 47號”水稻稻谷脫殼后的糙米，2019年產于遼寧盤錦；飲用水/食品菌落總數測試片。

殼聚糖：生物試劑，檸檬酸、檸檬酸鈣：食品級，其他所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

HP250GS型智能人工氣候箱，Mini Zeta 03型濕法高能球磨機，YM 202小型磨粉機，SD-1500型噴霧干燥機，S-4800型掃描電鏡，Mastersizer 2000型激光粒度測定儀，Nicolet iS10型FTIR光譜儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 發芽糙米的制備

以購買的糙米為原料，參考文獻報道的發芽條件，在消毒方法、浸泡液、發芽方法三方面進行改進[11-13]，采用以主要成分為0.01%殼聚糖、4.0 mmol/L檸檬酸和0.4 mmol/L檸檬酸鈣的浸泡液，該復配浸泡液增強了糙米發芽過程中富集GABA和降解植酸的效果，浸泡處理12 h，發芽處理24 h(人工氣候箱條件：溫度為30 ℃、相對濕度為85%～90%、黑暗避光)，制得發芽糙米。

1.3.2 濕法球磨研磨制備微細化發芽糙米粉

采用王子逸等[14]的方法，用普通磨粉機、濕法高能球磨機、噴霧干燥機處理。主要控制指標磨珠填充率、珠料比、球磨轉速、球磨時間，設定為磨珠填充率為85%，珠料質量比為740∶400，在2 000 r/min的轉速下分別破碎0.5、1.0、1.5、2.0 h制得發芽糙米漿。再進行噴霧干燥，具體參數為噴霧進風口溫度設置為185 ℃，出風口溫度85 ℃，風機速度60 Hz，噴嘴通針周期3 s，蠕動泵流速為250 mL/h，將制備得的微細化發芽糙米粉密封保存備用。根據球磨時間的長短將發芽糙米粉分別命名成BM0.5 h-GBRF、BM1.0 h-GBRF、BM1.5 h-GBRF、BM2.0 h-GBRF，由于未球磨處理的發芽糙米漿粒度較大容易沉淀，噴霧成粉有一定困難并且容易堵塞噴嘴，因此未制備出對應的發芽糙米粉，為了做對照實驗，制備了普通磨粉機磨成的并且過40目篩的糙米粗粉和發芽糙米粗粉(BR-CF和GBR-CF)。

1.3.3 粉體粒度測定

采用Mastersizer 2000激光粒度測定儀，將水作為分散劑，分別設置折射率和吸收率為1.53和0.1。將樣品均勻分散到水中，在2 000 r/min 下進行攪拌，并測定D10、D50、D90、D[4,3]、D[3,2]和計算分布跨度值span，其中span值按公式(1)計算：

人文精神是一種普遍的人類自我關懷，表現為對人的尊嚴、價值、命運的維護，追求和關切，對人類遺留下來的各種精神文化現象的高度珍視，對一種全面發展的理想人格的肯定和塑造。而人文學科是集中表現人文精神的知識教育體系，它關注的是人類價值和精神表現。人文精神的含義與初中政治教學的目標是相符合的，即教育學生融入生活，悅納自己、學習社會規則，關注個人發展等。

span=(D90-D10)/D50

(1)

1.3.4 微觀形貌

首先準備好導電雙面膠，并將其貼于樣品臺上，接著將待測樣品粘在雙面膠上，觀察面朝上，將樣品臺放到離子濺射鍍膜儀中鍍金處理，10 min后將樣品臺取出放入掃描電鏡樣品室進行觀察，并拍攝糙米和發芽糙米的表面、橫斷面、胚芽部分、胚乳透明部分和堊白部分的SEM照片。

1.3.5 水合性能測定

準確稱量m=0.5 g(干計)樣品，加入10 mL 30 ℃的水，置于30 ℃的水浴鍋中，振蕩30 min后，在4 000 r/min條件下離心15 min，將上清液和沉淀物分離，沉淀物質量為X1，上清液放在干燥至恒重的鋁盒中，在105 ℃下烘干至恒重，烘干物的質量為X2，吸水指數(WAI)、水溶性指數(WSI)和膨脹力(SP)按照式(2)～式(4)計算：

(2)

(3)

(4)

1.3.6 蛋白二級結構與淀粉有序性分析

使用Nicolet iS10傅里葉紅外光譜儀進行中紅外測試，稱取適量粉體，使用ATR法在波數為4 000～500 cm-1的范圍(中紅外)內進行紅外測試，對得出來的譜圖進行ATR校正，并使用Peakfit軟件進行分峰擬合。

1.3.7 數據處理與分析

2 結果與分析

2.1 球磨微細化及噴霧干燥前后的顆粒粒徑

如表1所示，在球磨0～2 h內，平均粒徑與球磨時間呈負相關，球磨2 h后，D50、D90、D[3,2]和D[4,3]隨著球磨時間的延長分別減少88%、93%、60%及90%；球磨0～0.5 h內，平均粒徑減小得最快，之后在球磨0.5～2.0 h平均粒徑減小速度逐漸放緩；表中所有樣品的體積平均粒徑(D[4,3])均大于表面積平均粒徑(D[3,2])，一般大顆粒對D[4,3]貢獻較大，而小顆粒對D[3,2]貢獻較大，因此可以說明總體上樣品顆粒分散且整體顆粒較大。在球磨0.5～2.0 h內，分布跨度span值隨著球磨時間的增加而減小，即說明球磨時間的延長使得發芽糙米漿的粒徑分布變窄[16]。

表1 不同球磨時間發芽糙米漿平均粒徑和span值

如圖1所示，未球磨的發芽糙米漿的粒度呈現三峰分布，隨著球磨時間的延長，在粒度20～1 000 μm處的峰逐漸向細粒度處移動，并且峰值急劇減小，當球磨時間達到1.5 h時候，該峰幾乎消失，該峰的形成可能與未充分粉碎的胚乳塊或糊粉層有關；在1～20 μm處的峰位置幾乎沒有偏移，其峰值逐漸增加，直至球磨時間為1.5 h達到最大，推測該區域的主要成分是胚乳因破碎而得的淀粉粒(粒徑一般為3～8 μm)；在0.1～1 μm處的峰，先是在球磨0.5 h后向小粒度處移動并且峰值大大減小，然后在球磨1.0 h和1.5 h時的峰值有增加。球磨1.5 h和球磨2.0 h的發芽糙米漿的粒度呈現雙峰分布。

圖1 不同時間濕法球磨過程中發芽糙米勻漿粒度分布變化

考慮到成本能耗以及粉碎效果，選取2 h作為生產發芽糙米粉的球磨時間，如圖2所示，在將發芽糙米漿噴霧干燥處理后，樣品由雙峰分布趨近于單峰正態分布，并且主峰位置向粒徑增大方向偏移。表2顯示了噴霧干燥后，發芽糙米微粒的D50增加了55%，D50的增加可能是由于噴霧干燥處理使得單體淀粉粒部分凝膠化而膨脹；D90減小了37%，這可能是因為在噴霧干燥處理過程中一些大的復合淀粉粒在高壓的作用下分散成單體或更小的復合體；同理，這也解釋了為什么比表面積平均粒徑D[3,2]顯著增加以及體積平均粒徑D[4,3]減小了20%。圖2反映了噴霧干燥后微粒在體積粒度變化不大的情況下，span值只增加了1.25，說明噴霧干燥會使微粒的粒度分布稍微變寬[17]。

圖2 噴霧干燥前后發芽糙米微粒的粒度分布圖

表2 噴霧干燥前后發芽糙米微粒的粒徑

2.2 發芽糙米粉微觀形貌特征

如圖3，通過普通干法粉碎制得的發芽糙米粗粉的SEM圖(圖3a～圖3c)，呈現出形狀不規則、大小不統一的多面體結構，應該是顆粒較大的胚乳塊或者糊粉層；由圖3f、圖3i、圖3l和圖3o可以看出，通過濕法球磨和噴霧干燥制得的微粒表面有多個凹陷，并呈現出骷髏狀和中間薄、周圍厚的餅狀，與相同體積的圓球狀顆粒相比，比表面積遠遠增大，這有利于在復水時增大粉體和水的接觸面積以及通過毛細管作用提升潤濕性能，從而促進發芽糙米粉的充分溶解[18]。這個現象出現的原因是糙米漿霧滴從噴嘴噴出時，溫度較高，干燥過程中水分從內部遷移到霧滴表面同時帶走大量熱量，導致霧滴內部形成負壓，微粒外殼因此坍縮，最后形成了這種不規則的形狀。由圖3d、圖3g、圖3f、圖3m可看出，隨著球磨時間的延長，小粒徑微粒聚集成團聚體的現象明顯減少，這是因為復合淀粉粒在球磨過程中受到反復碰撞、摩擦、沖擊、剪切，不僅會表面受損，還會破碎成細小顆粒，這些細小顆粒的粒徑分布也會在這些機械力的作用下變得均勻，因此在噴霧干燥后，顆粒會變得細小而均勻，因此小顆粒聚集成團聚體的現象明顯減少[19]。

2.3 發芽糙米粉水合性能

從圖4可看出發芽處理對糙米粗粉(BR-CF和GBR-CF)經過球磨處理后，發芽糙米粉的WSI、WAI和SP均有顯著增加；與normal相比，經過球磨處理2 h和噴霧干燥處理后，發芽糙米粉的WSI增加了約12倍，WAI增加了約58%以及SP增加了約1.5倍，總的水合性能顯著增強，溶于冷水能力大大增強，即球磨能夠使發芽糙米預糊化。這是因為濕法球磨顯著地減小了糙米粉的粒徑，增大了毛細管吸力、孔隙度和比表面積，影響水結合位點的性質和數量，因此能夠大大加強水合特性。除此之外，球磨會造成發芽糙米粉的破損淀粉含量的增加，也增加了其吸水性[20，21]。

2.4 發芽糙米粉蛋白二級結構與淀粉有序性

從圖5可以看出發芽后，GBR在2 853 cm-1處的峰的峰高明顯下降，在1 709 cm-1處的峰則消失了，這表明發芽處理會引起糙米中的物質發生化學變化而使一些基團改變或消失。同時可看出通過濕法球磨和噴霧干燥處理的樣品沒有新吸收峰出現，舊吸收峰也未消失，這表明濕法球磨和噴霧干燥處理沒有引起樣品發生明顯的化學變化[22]。

注：GBR-CF表示發芽糙米經過普通干法磨粉且過40目篩制備的發芽糙米粗粉；BMx h-GBRF表示發芽糙米經過高能濕法球磨x h和噴干制成的發芽糙米粉。下同。圖3 不同球磨時間的發芽糙米粉的SEM圖

注：WSI、SP、WAI分別表示水溶性指數、膨脹力和吸水指數的折線圖。圖上的不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖4 發芽糙米粉的水合性能比較

圖5 發芽糙米粉的紅外光譜圖

表3 發芽糙米粉的蛋白二級結構特征

由表3可看出發芽處理引起樣品的β-折疊和無規則卷曲結構含量顯著降低，而β-轉角結構含量顯著增加，α-螺旋結構含量變化不顯著。該結果表明發芽會引起糙米蛋白質發生水解折疊，構象變得更為舒展，可能是因為發芽過程會產生蛋白酶對蛋白質進行水解，從而使蛋白質二級結構發生這樣的變化。再經過濕法球磨和噴霧干燥處理后，由表3看出樣品的β-折疊結構含量繼續減小，β-轉角結構含量繼續增大，無規則卷曲結構含量減小，對α-螺旋的結構含量無顯著影響。該結果表明濕法球磨的機械力作用以及噴霧干燥的高溫高濕條件也會引起蛋白質結構的伸展。

在1 047 cm-1和1 022 cm-1波數處的吸光值分別代表淀粉有序和無定形結構的信息，其比值可表征淀粉顆粒中有序結構與無定形結構的相對含量。如表4所示，發芽處理只引起糙米淀粉紅外指數少量減小；與普通干法粉碎制得的發芽糙米粉(normal)相比，球磨處理制得的發芽糙米粉的淀粉紅外指數有了顯著的減小，而2 h以內，球磨時間的長短對淀粉紅外指數大小不產生顯著影響，這可能是因為在球磨過程中淀粉分子受到剪切力的影響，其原有的氫鍵結合方式、螺旋結構和有序結構受到破壞，而向無序化轉變[23]。

表4 發芽糙米粉的淀粉紅外指數

3 結論

球磨研磨處理發芽糙米具有明顯的降低粒徑作用，粒度分布集中于10～100 μm，球磨微細化處理讓發芽糙米的淀粉顆粒形貌與晶體結構遭到了破壞，部分微粒外殼坍塌，噴霧干燥后顆粒變得細小且均勻，小顆粒的團聚現象減少；球磨研磨處理后發芽糙米的β-折疊結構含量繼續減小，β-轉角結構含量繼續增大，無規則卷曲結構含量減小引起蛋白質結構的伸展，相比普通干法粉碎，淀粉紅外指數顯著減小，受剪切力影響，有序結構遭到破壞。與傳統粉碎方法相比，高能球磨能通過磨珠、谷物顆粒間以及球磨室壁對谷物顆粒產生的剪切、沖擊、摩擦和其他力，該過程能減小谷物顆粒的粒度和改變淀粉、膳食纖維等大分子化合物的結構和物化性質，并且更有利于全谷物皮層和胚的微細化，從而提高全谷物的生物利用度和營養價值。經過球磨處理2 h和噴霧干燥處理后，發芽糙米粉總的水合性能顯著增強，采用高能濕法球磨結合噴霧干燥生產了高GABA，低植酸，粒徑微細且分布均勻，顏色更白，具有良好溶解性、分散性和口感的發芽糙米粉，并且經過沖調后形成了具備良好黏彈性的米漿。