我国水稻种植面积已达29 921.2千hm2,年产量达21 284.3万t,是第二大粮食作物。米糠是稻米加工的副产物,是米粒(胚乳)的表皮、胚和淀粉质胚乳的混合物,约占稻谷质量的10%,却含有丰富的营养物质。米糠蛋白质致敏性较低,氨基酸种类齐全[1],含有大量的膳食纤维和γ-谷维素、生育酚、生育三烯醇、多酚等抗氧化物质以及原儿茶酸、对香豆酸、阿魏酸等酚酸类物质[2]。然而,米糠的口感粗糙影响了其在食品中的进一步应用,因此优化米糠的口感是其被有效利用的前提。李次力等[3]对脱脂米糠进行超微化处理,发现随着米糠粉体粒度的减小,其持水力、吸油性、溶解性和水分蒸发速率都增大,粉体流动性变小。左祥莉等[4]通过粉质拉伸等实验确定了粗、细米糠粉添加量对面团流变特性的影响,得出了粗粉和细粉复配的最佳比例。

我国大部分人口均存在缺硒的问题,提高日常硒摄入量是很有必要的。富硒大米已在湖北、安徽、广西、陕西、江苏等地广泛种植发展,是我国主要的富硒农产品之一。研究表明水稻根中硒含量最高,米糠次之,精米最低[5]。因此,富硒米糠是可再利用的资源,能提高富硒稻谷的整体附加值。目前关于米糠的研究多以普通米糠为主,富硒米糠的研究甚少,且尚无关于加工方式对富硒米糠硒含量影响的研究报道。

采用超微粉碎技术将富硒米糠粉碎成细小颗粒,可以使活性成分充分暴露,从而提高物料的生物活性及消化吸收率,并使加工性能和口感得到改善。因此,本研究利用超微粉碎技术制备了富硒米糠粗粉、微粉A、微粉B三种富硒米糠粉,并对其粒度、物理特性、水合特性及体外释放能力进行分析,之后以不同粒度富硒米糠粉部分替代(15%)小麦粉制备富硒米糠-小麦粉面团,探究其对小麦面团的糊化、热机械学、拉伸及微观结构的影响,以期为提高富硒米糠的加工品质、营养价值及在食品中的应用提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

富硒米糠(总硒含量0.904 mg/kg),湖北省恩施市新塘乡;小麦粉(高筋),五得利集团周口面粉有限公司;食盐,重庆市北碚区永辉超市;食用碱,安琪酵母股份有限公司;谷朊粉,西藏昌都君亲农业科技开发有限公司。无水乙醇、戊二醛,成都市科隆化学品有限公司;硫酸、硝酸(GR)、盐酸(GR),重庆跃翔化工有限公司。胃蛋白酶、胰酶,美国Sigma-Aldrich公司。

1.2 仪器与设备

面条机,浙江千喜厨电有限公司;TCW-3型快速黏度糊化仪,澳大利亚Newport Science Corp公司;Mixolab2混合实验仪,法国Chopin公司;DHR-1型流变仪,美国TA公司;TA-XT plus质构仪,英国Stable Micro System公司;CM-5台式分光测色仪,日本柯尼卡美能达公司;Phenom Pro10102扫描电镜,荷兰Phenom World公司;BJ-300型高速多功能粉碎机,上海拜杰实业有限公司;Mastersizer 3000激光粒度仪,英国马尔文公司;CJM-SY-B高能纳米冲击磨,秦皇岛市太极环纳米制品有限公司;AXTG16G离心机,盐城市安信实验仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 超微粉碎富硒米糠的制备

将经灭酶处理后的富硒米糠用乙醇进行脱脂处理[6],烘干后过60目筛,得到粗粉;使用BJ-300型粉碎机粉碎粗粉2 min,得微粉A;使用高能纳米冲击磨粉碎粗粉,得微粉B。3种粉体的粒度大小和粒度尺寸分布用激光粒度仪进行测定,选择通用模式对样品进行分析,蒸馏水为测试背景,颗粒和分散剂的折射率分别为1.469和1.330。装袋密封,于-18 ℃保藏备用。

1.3.2 富硒米糠的粉体特性

1.3.2.1 色泽的测定

采用色差仪,L*表示明度指数;a*表示红绿度,b*表示黄蓝度。

1.3.2.2 堆积密度的测定

于10 mL量筒中加入2.0 g样品(m),将米糠振实至体积恒定,记录样品体积(V),计算如公式(1)所示:

振实密度

(1)

1.3.2.3 滑动角和休止角的测定

休止角α的测定:将漏斗固定并使其出口处距离桌面4 cm,取4.0 g米糠粉体倒入漏斗,下落后形成圆锥形,记录圆锥体底部直径(2R)及高(H),计算如公式(2)所示:

(2)

滑动角θ的测定:于光滑玻璃顶端放置1.0 g米糠粉,慢慢倾斜玻璃,直至约90%的粉体开始滑动,记录此时玻璃板的垂直高度(H)和长度(L),计算如公式(3)所示:

(3)

1.3.2.4 水合特性的测定

持水力的测定:称取一定质量样品(记为m1),放入质量为m的离心管,以m1∶m2=0.05∶1加入去离子水(记为m2),涡旋混合均匀后,以60 ℃水浴30 min,再于冷水中冷却10 min。以5 000 r/min离心25 min,去掉上清液后再称量离心管的质量(记为m3),计算如公式(4)所示:

持水力

(4)

水溶性指数的测定:将样品(W1)与水以质量比0.02∶1分散,再于80 ℃水浴30 min,6 000 r/min离心10 min。将蒸发皿恒重(W2)后倒入上清液,于105 ℃条件下再次恒重(W3),计算如公式(5)所示:

水溶性指数

(5)

持油力的测定参考李伦等[7]的方法进行。

1.3.3 富硒米糠中硒的体外释放度测定

参考ZHOU等[8]的方法并略做修改。体外胃消化:称取0.5 g(精确到0.000 1 g)干燥的样品以料液比(g∶mL)1∶100加入50 mL胃液(pH=2.5,用12 mol/L的盐酸调节),于37 ℃水浴恒温振荡器中水浴振荡1 h,然后将消化物以4 000 r/min离心10 min。取5 mL上清液,并在-20 ℃下贮存待测。体外肠消化:将剩余的消化液的pH用10%(质量分数)NaOH调节至7.0,加入5 mL肠液,于37 ℃水浴振荡4 h后,以4 000 r/min离心10 min,取上清液,并在-20 ℃下贮存待测。硒的体外释放度计算参考公式(6):

体外释放度

(6)

1.3.4 富硒米糠-小麦粉的制备

根据预试验将米糠的替代比例确定为15%,将制备好的米糠粉体替代15%的小麦粉后,混匀备用。

1.3.5 富硒米糠-小麦粉面团加工特性

1.3.5.1 富硒米糠-小麦粉的糊化特性分析

准确称取3.5 g富硒米糠到铝盒中,再加入25.0 mL的蒸馏水,充分搅拌均匀后,于快速黏度仪上测定。同理,将富硒米糠-小麦重组粉也进行上述操作进行测定。试验参数参考郑万琴等[9]的方法。

1.3.5.2 面团热机械学特性的测定

采用Chopin+标准测试模式,形成面团的质量为75 g,参考刘越等[10]的方法测试。

1.3.5.3 面团拉伸特性的测定

用混合试验仪制得的达到最大扭矩的面团,采用A/KIE装置,引发力5 g,应变位移40.00 mm,测前速度2.00 mm/s,测试速度3.30 mm/s,测后速度10 mm/s。

1.3.6 扫描电镜表征

取混合试验仪制得的达到最大扭矩的富硒米糠面团约10 g,于3%(体积分数)戊二醛中浸泡12 h后,用磷酸缓冲液(0.1 mol/L)洗3次,再经乙醇梯度洗脱各20 min,取出后于室温挥发,再放入-18 ℃冰箱冷冻24 h,冷冻干燥完毕将面团敲碎,用于扫描电镜观察(×3 000)。

1.4 数据处理

使用Microsoft Excel 2019统计数据、SPSS 25.0分析显著性(上标不同字母表示P<0.05的显著性差异)、Origin 2018软件作图,试验结果表示为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 超微粉碎富硒米糠的粒度大小及分布

由表1可知,米糠经超微粉碎后,粒度显著减小(P<0.05)。粗粉的粒度最大,中位粒度D50为(197.67±3.79)μm,微粉A的中位粒度D50为(93.53±0.28)μm,微粉B的中位粒度D50为(17.47±0.25)μm。超微粉碎后表面积平均粒度D(3,2)和体积平均粒度D(4,3)也显著降低(P<0.05),使粉体的粒度分布更集中。比表面积与颗粒大小有关,会对物料的吸附性、持水力和溶胀性等物理及化学性能产生影响。微粉B的比表面积达(453.87±3.75) m2/kg,是米糠粗粉的4.73倍,表明粒度的减小可以增大物料的比表面积。比表面积越大,单位质量的物料与其他物质结合时的接触面就更大,混合更为均匀。

2.2 超微粉碎对富硒米糠物理特性的影响

2.2.1 超微粉碎对富硒米糠色泽的影响

如表2所示,米糠经超微粉碎后,微粉A的L*值从76.79增加到82.03,微粉B增加到87.51,且a*和b*值显著低于粗粉组,超微粉碎能使米糠粉亮度值显著增大(P<0.05)。这可能是粒度越小,米糠的比表面积越大,光反射越来越强,从而使亮度值增强,白度高有利于提高消费者的接受度。

2.2.2 超微粉碎对富硒米糠堆积密度、休止角、滑动角的影响

与粗粉相比,微粉A、微粉B的堆积密度显著增加(P<0.05),分析原因是超微粉碎后米糠的粒径减小,提高了粉体的接触面积,减小了颗粒间的间隙,从而使得粉体的堆积密度增大。因此超微粉碎更有利于制成填充片剂或胶囊产品,扩大米糠产品的应用范围。由表3可知,其值随粒径的减小而显著增大(P<0.05),超微粉碎使米糠粉的流动性变差。这是由于粒径越小,米糠粉体的比表面积越大,且内部黏性基团暴露,静电作用增强,更易吸附和凝聚,发生团簇现象,从而使流动性变差[11]。一般在生产中认为粉体流动性越好,品质越好[12],但流动性差的粉体黏附性较好,对小肠壁的吸附作用也增加,更有利于机体吸收某些营养成分。

2.2.3 超微粉碎对米糠粉体水合特性的影响

如图1所示,米糠的持水力随粒径的减小而下降(P<0.05)。一方面,粒径减小,颗粒间发生了团簇现象,相互作用力增大,使米糠粉体与水的作用力减弱,降低了持水力。另一方面,超微粉碎破坏了膳食纤维(多孔网状)结构,而这些多糖链可以通过氢键束缚水分,且粒径越小,破坏程度越大[13]。如图1-b所示,超微粉碎处理后,米糠粉的水溶性指数有所上升,相较于粗粉,微粉A、B的水溶性分别增加了1.85%和2.45%,这可能是由于粒径变小,增加了水与羟基的结合机会[14]。颗粒破坏程度变大,超微粉碎会使长链膳食纤维断裂成短链膳食纤维,使可溶性物质暴露出来[15]。米糠可以通过吸附油脂从而减少人体的油脂吸收量,超微粉碎对米糠持油力的影响较小,其值有所降低,但差异不显著(P>0.05)。可能是因为粉碎时破坏了米糠的多孔网状结构,使粉体的吸油性降低。

2.3 超微粉碎对富硒米糠硒的体外释放度的影响

如图2所示,随着富硒米糠粒径的减小,硒的体外胃肠释放度有所增加,微粉B中硒的释放度最高,为(49.39±0.80)%,与粗粉相比,其体外释放度增加了6.71%,超微粉碎处理有利于硒在胃肠道的释放。薛淑静等[16]对比了香菇粗粉和微粉中钙、铁、锌的溶出率,研究表明,超微粉碎处理能够促进香菇粉中钙、铁、锌的溶出率和生物利用度。超微粉碎处理可能破坏了硒等矿物质与食物基质中膳食纤维、蛋白质的络合,从而提高了其生物利用度,这还有待进一步研究[17]。将富硒米糠微粉化,有利于人体对硒的吸收利用,富硒米糠可以作为一种膳食硒来源。

2.4 不同粒度富硒米糠对面团糊化特性的影响

由表4可知,与纯小麦粉组相比,添加富硒米糠粉后,面团的糊化温度显著上升(P<0.05),其余各参数均有所降低。糊化黏度降低,可能是由于添加米糠后,可糊化的淀粉量减少,同时膳食纤维成分会竞争吸水,淀粉颗粒不易膨胀[18]。随着米糠粒度的减小,黏度值显著上升(P<0.05)。微粉B组的峰值黏度、最低黏度最大,与粗粉组相比分别升高了17.21%、18.60%。峰值黏度与淀粉糊化时颗粒的溶胀有关,是反映糊化特性的重要参数,一般峰值黏度越高,面条顺滑度更好[19]。因此超微粉碎米糠粉的添加会使面条表面更加光滑,减少粗糙度。米糠经超微粉碎后淀粉的破损率较高,吸水性变强,增大了颗粒间的位阻,黏度参数变大,有利于降低面条的蒸煮损失率,提高感官特性[20]。衰减值反映的是淀粉形成热糊的稳定性,添加富硒米糠粉后,衰减值变小,热稳定性变好,且超微粉碎米糠有利于提高小麦粉的热糊稳定性。添加米糠后,回生值有所升高,且随米糠粉的粒度减小而呈上升趋势,说明超微粉碎后富硒米糠-小麦粉的抗老化性变差。米糠的粒度大小对小麦面团糊化温度的差异并不显著(P>0.05)。

2.5 不同粒度富硒米糠对面团热机械学特性的影响

由表5可知,添加富硒米糠后,面团的吸水率显著升高(P<0.05),稳定时间显著降低(P<0.05),这可能是因为米糠中膳食纤维等成分会吸收较多的水分[21],这有利于后期加工产品的成形。随米糠粒度的减小,面团的吸水率及稳定时间逐渐升高,除了与破损淀粉有关外,还可能由于米糠颗粒表面积增加,能在较短时间内吸收更多的水分。形成时间缩短,说明超微粉碎后的米糠能快速形成面团,且具有较高的稳定性。稳定时间决定和面时间的长短,该值与面团耐搅拌的能力有关,时间越长,面筋就越强。微粉B面团的稳定时间最长,为9.85 min,表明其耐揉性与韧性更强,可能是微粉B粒度最小,更易与面团融合成稳定的蛋白网状结构。

添加米糠后,小麦面团的峰值黏度以及热凝胶稳定性有所下降,这可能是因为米糠膳食纤维与淀粉竞争水分,影响了淀粉的溶胀。随粒度的减小,峰值黏度有所上升。可能是米糠经过超微粉碎处理后,促进了淀粉颗粒与细胞的脱离,更易吸水及糊化[22]。回生值与淀粉的重排有关,其值越高,越易老化[23]。面团的回生值在添加米糠后显著降低(P<0.05),且粒度减小,回生值有增大趋势,但不显著(P>0.05)。这可能是由于米糠粒度小,淀粉分子间更易重排,易于老化。

2.6 不同粒度富硒米糠对面团拉伸特性的影响

由表6可知,纯小麦粉组面团的拉伸力和拉伸距离最大,分别为56.18 g和23.60 mm,添加米糠粗粉后降低至23.43 g和17.50 mm。添加米糠后面团的延展能力显著低于纯小麦粉组(P<0.05),米糠的添加稀释了面筋蛋白,从而减弱了面筋的力度,在拉伸时易拉断。面团的拉伸力和拉伸距离随米糠粒度的减小呈上升趋势。与粗粉组相比,微粉B组的拉伸力及距离分别升高了87.37%、18.11%,表明小粒度的米糠对面筋网状结构的影响更小。粗粉组的面团较脆且易断,这可能由于面筋的形成不充分,出现小且不稳定的孔洞[24]。

2.7 富硒米糠-小麦面团的微观结构

从图3可以观察到,纯小麦粉组的面筋膜连续性较好,淀粉颗粒排列紧凑,小淀粉颗粒聚集在大淀粉颗粒周边,均匀地嵌在面筋网络结构中。添加米糠粉后,面筋膜发生了断裂,淀粉颗粒与面筋蛋白的结合度降低,破坏了面筋蛋白质基质的连续性,出现较大孔洞和裂隙[25]。粗粉和微粉A组的面筋膜断裂成大片,内部裂隙也较大。而微粉B由于粒度变小,能更均匀地填充于面筋中,使面筋膜及面团结构更加紧凑平整。扫描电镜的结果进一步证实了米糠粗粉的添加会明显破坏面筋的网络结构,而对米糠进行超微粉碎处理可以解决这一问题。

3 结论

超微粉碎破坏了米糠的组织结构,减小了颗粒的粒径,使淀粉等颗粒暴露,且粒径越小,颗粒分布越均匀,同时出现聚集现象,亮度值、堆积密度显著增大,持水力显著降低(P<0.05)。与粗粉相比,微粉B的黏度值、衰减值和回生值均显著上升(P<0.05),热糊稳定性下降。随着粒径的减小,硒的体外胃肠释放度有所增加,其中微粉B的硒释放度最高,为49.39%。相比纯小麦粉,富硒米糠-小麦粉的吸水率、糊化温度显著升高(P<0.05),面团的形成时间、稳定时间、回生值、拉伸力及拉伸距离均减小。添加富硒米糠粒径越小,面团的黏度值、回生值、拉伸参数越大。此外,添加大粒度的富硒米糠会破坏面团的面筋网络结构,使面筋膜发生断裂,而经过超微粉碎处理后的小粒度富硒米糠没有这种负面影响。综上所述,超微粉碎处理可显著增强富硒米糠的加工特性,促进富硒米糠的更广泛利用。

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Powder characteristics of rice brans undergoing ultrafine grinding and its effect on processing characteristics of wheat flours

TAN Shuqiong1,MA Senquan2,LI Yao3*,WEI Ziyan2,LIU Xiong2*

1(College of Life Science and Chemistry, Minnan Science and Technology University, Quanzhou 362332, China)2(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China)3(School of Food Science and Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)

ABSTRACT Different particle sizes of selenium-rich rice bran powder were prepared by ultrafine grinding, including coarse powder (D50=197.67 μm), micronized powder A (D50=93.53 μm), and micronized powder B (D50=17.47 μm). After ultrafine grinding, rice bran particles were more evenly distributed, smaller in size, higher in brightness values, and higher in pasting viscosity values, and its fluidity, water-holding power, and oil-holding power were significantly reduced, as well as water solubility index was significantly increased. The release of selenium in selenium-enriched rice bran increased with decreasing particle sizes, and the release of selenium from micronized B reached 49.39%. The selenium-enriched rice bran-wheat dough was prepared with different particle sizes of selenium-enriched rice bran flour, and it was found that compared with the coarse flour, the water absorption, and gelatinization temperature of selenium-enriched rice bran-wheat flour significantly increased (P<0.05), and the formation time, stability time, retrogradation value, tensile force, and tensile distance of doughs decreased. As the particle size of the added selenium-rich rice bran decreased, the viscosity value, regeneration value, and tensile parameters of the dough became higher, and adding micronized B did not significantly damage the gluten network structure of the dough. This research can promote the wide application of selenium-enriched rice bran in the food industry.

Key words selenium-enriched rice bran; wheat dough; ultrafine grinding; powder characteristics; processing characteristics

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.034791

引用格式：谭属琼,马森泉,李耀,等.米糠在超微粉碎下的粉体特性及其对小麦面粉加工特性的影响[J].食品与发酵工业,2023,49(10):139-145.TAN Shuqiong,MA Senquan,LI Yao, et al.Powder characteristics of rice brans undergoing ultrafine grinding and its effect on processing characteristics of wheat flours[J].Food and Fermentation Industries,2023,49(10):139-145.

第一作者：硕士,副教授(李耀副教授和刘雄教授为共同通信作者,E-mail:liyao0961@126.com;liuxiong848@hotmail.com)

基金项目：海南省食品营养与功能食品重点实验室开放课题项目(KF202204);重庆市技术创新与应用发展专项面上项目(cstc2020jscx-msxmX0039);福建省一流本科专业食品科学与工程建设点项目(SJZY-2019-02)

收稿日期：2023-01-02,改回日期:2023-01-31