半干法磨制對小米粉及面條品質特性的影響

靳志強，白變霞，趙晉峰，陳艷彬，王 璽

（1.長治學院生物科學與技術系，山西 長治 046011；2.山西省農業科學院谷子研究所，山西 長治 046011）

谷子（Setaria italica）也被稱為印度粟，是一種最古老的栽培谷物，脫殼后稱為小米。小米含有多種維生素、礦物質和植物性化學成分，其中酚類和類胡蘿卜素是重要的抗氧化成分。食用小米有助于降低與氧化應激相關的疾病，因此小米被認為是一種潛在的功能食品[1]。流行病學研究表明，食用小米及其產品有助于降低膽固醇代謝失調、2型糖尿病等慢性病風險[2]。小米在我國最普遍和最簡單的食用方式是小米粥。由于市場上缺乏豐富多樣的小米加工制品，目前小米的食用消費相當有限。通過將小米磨制成粉，可以部分或完全替代主糧，實現小米在意面、中式面條和饅頭等傳統食譜中的多樣化應用[3]。

磨制是廣泛應用于食品工業中的單元操作，在我國很早就有濕磨、半干磨及干磨之分。濕磨包括過夜浸泡、瀝干、加水磨漿等步驟，是生產米粉和豆腐等過程中的一種傳統磨制方法[4]，對小麥、玉米和小米等谷物粉的加工并不適用。干磨是谷物在干燥狀態下用各種磨粉機進行磨制。與濕磨相比，干磨不產生廢水，降低了產品滋生微生物的風險，可以更好地保留蛋白質、脂質和灰分等營養成分，但耗能高且淀粉損傷嚴重[5]。半干法磨制是介于干磨和濕磨間的一項生產技術，經潤米調質后再用磨粉機進行磨制[6]，半干法磨制可以獲得與濕磨相近的谷物粉品質。Tong Litao等[7]采用含水質量分數30%的半干磨工藝制備大米米粉。Kim等[8]將半干法磨制的大米粉代替小麥粉用于制作無面筋蛋糕。

在減小粒徑的谷物磨制過程中，摩擦熱和機械能改變了谷物粉的組成成分，例如引起淀粉顆粒的結構損傷[9]。磨制過程中的機械力和溫度差異，導致不同磨制工藝生產的谷物粉具有不同的粒徑分布和淀粉損傷。粒徑的不均勻性通過增加單位體積的表面積顯著影響谷物粉的理化特性，它也可以通過提高消化速率增加碳水化合物、蛋白質等宏量營養素的生物利用率[10]。淀粉損傷由淀粉顆粒結構的破壞引起，其損傷程度與淀粉粒徑、植物學來源和磨粉狀態密切相關[11]。損傷淀粉和粒徑分布的差異會影響糊化特性和熱力學行為，并進而影響面條等加工制品的品質[9]。目前，已有學者就磨制方法對小麥和大米等常見谷物的淀粉損傷、粉粒物理性質和功能特性以及終產品質量的影響進行了深入研究[11]，但關于磨粉工藝對小米粉及其加工產品影響的研究鮮有報道[3]。

同大米相似，小米蛋白也不能形成面筋網絡結構，所以小米面團的黏彈性主要取決于淀粉特性[7]。然而，干法磨制會對淀粉結構造成嚴重損傷，使小米粉無法較好地滿足制面工藝的需求。因此，本實驗以干法磨制為對照，著重研究半干法磨制工藝對小米粉的物理特性（損傷淀粉質量分數、粒徑分布、淀粉結晶度、顆粒形貌等）、功能特性（水合性能、粉質特性、糊化特性等）以及小米面條品質特性（水分分布狀態、蒸煮性能和質構特性等）的影響，并用偏最小二乘回歸分析（partial least squares regression，PLSR）探討它們的相關性[12]，為更好地了解半干法磨制工藝對小米粉理化特性的影響和提高小米面條的品質提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小米購自山西沁州黃小米集團，水分質量分數為12.4%。

谷朊粉 瑞祥生物科技有限公司；其他試劑均為市售分析純。

1.2 儀器與設備

CT410型旋風磨 福斯賽諾分析儀器（蘇州）有限公司；SDmatic型損傷淀粉測定儀、Mixolab混合實驗儀 法國肖邦技術公司；LS13-320激光粒度分析儀美國貝克曼庫爾特公司；D8 Adance X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）儀 德國Bruker公司；TM3000型臺式掃描電子顯微鏡 日本日立公司；VFD-21S型冷凍干燥儀 美國IXRF公司；TMS-PRO質構儀 美國FTC公司；NMI20-015V-I型核磁共振食品成像分析儀 蘇州（上海）紐邁電子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 米粉的制備

參照佟立濤等[6]的方法，采用干法和半干法磨制小米。

干法磨粉（簡稱干磨）：取100 g小米用旋風磨（旋風磨是工業上較為常用的谷物干法粉碎機，通過粉碎刀片高速旋轉撞擊將谷物顆粒粉碎）進行磨制，過80 目粉篩后裝于密封袋中4 ℃保存待用。

半干法磨粉（簡稱半干磨）：預實驗中質量分數30%的潤米水分易使旋風磨堵塞，因此將潤米水分質量分數設定為18%、22%、26%。準確稱取200 g小米樣品，放于燒杯中，根據潤米水分質量分數加入適量蒸餾水，封口搖混，使小米與水分充分混合均勻，放置于室溫下潤米24 h。然后使用旋風磨將潤米水分質量分數為18%、22%、26%的小米原料進行磨制，于40 ℃干燥至水分質量分數為（12±2）%，過80 目粉篩后裝于密封袋中4 ℃保存待用。

1.3.2 損傷淀粉質量分數的測定

參照邱爽等[13]的方法，用損傷淀粉測定儀測定小米粉損傷淀粉質量分數。

1.3.3 小米粉粒徑分布的測定

小米粉通過干法進樣系統自動進樣，用激光粒度分析儀測定小米粉的粒徑分布。中位徑用于表示平均粒徑[14]。

1.3.4 淀粉結晶性的測定

用X射線衍射儀對4 種小米粉進行測試得到相應的衍射圖譜，測定條件：電壓40 kV，電流40 mA，掃描2θ范圍為5o～30o，步長為0.02o，掃描速率為3（o）/min。參照徐斌等[15]的方法用MDI Jade 6.0軟件計算樣品的結晶度。

1.3.5 淀粉顆粒微觀結構的觀察

小米粉樣品均勻分散在雙面導電膠上，然后固定于鋁平板上，真空噴金后用掃描電子顯微鏡在12 kV的加速電壓下放大1 500 倍觀察。

1.3.6 粉質特性和糊化特性的測定

參照曾凡逵等[16]的方法，采用混合實驗儀測定小米粉的粉質特性和糊化特性。

1.3.7 水合特性的測定

參照de la Hera等[10]的方法測定小米粉的水合特性。取0.5 g小米粉樣品，加蒸餾水10 mL混勻，在90 ℃下振蕩水浴加熱10 min。面糊在冰浴中冷卻10 min，然后4 ℃、3 000×g離心10 min。取上清液于鋁盒中，105 ℃烘至恒質量，同時稱量濕沉淀物質量。吸水指數、水溶指數和溶脹指數分別按公式（1）～（3）計算。

1.3.8 小米面條的制備

小米面條的配方為小米粉85 g、谷朊粉15 g、水50 mL、鹽2 g[17]。取25 mL沸水緩慢加入50 g小米粉中混合攪拌2 min，面團靜置，待溫度降至30 ℃后，將剩余的小米粉（35 g）、水（常溫）和其他配料加入，用手混合攪拌揉制成面團[18]。和好的面團用保鮮膜包好，在37 ℃培養箱靜置熟化20 min后，在壓面機上逐步壓延成厚1 mm的面帶。為便于小米面條特性的測定，將面帶切成12 cm×2.0 mm的面條置于4 ℃冰箱內備用。

1.3.9 低場脈沖核磁共振分析

按照1.3.8節所述方法制取厚4 mm的面帶，切取適當大小面帶卷成直徑約1 cm、高約2～3 cm的圓柱狀面團，用生料帶包好以防止水分蒸發，置于直徑15 mm核磁共振專用玻璃試管中。參照劉銳等[19]的方法用低場核磁共振分析儀測定樣品的自旋-自旋弛豫時間T2。參數設置：重復采樣等待時間1 000 ms，采樣頻率100 kHz，采樣點數89 976，重復采樣次數32，回波時間0.3 ms，回波個數3 000。測量前用精密天平稱量樣品質量，以便后續的均一化處理。

1.3.10 蒸煮性能測定

參照Jang等[20]的方法測定小米面條的蒸煮損失率。

1.3.11 質構性能測定

參照伍婧等[21]的方法，用質構儀在TPA模式下對質構性能進行測定。

1.3.12 感官評價

參照Yadav等[22]的方法對小米面條進行感官評價并略有改動。基于5 點喜好標尺進行評價，即1 分為非常不滿意；2 分為不滿意；3 分為一般；4 分為滿意；5 分為非常滿意。感官小組由10 名經過基本訓練的成員組成，其中包括6 名女性和4 名男性，年齡在22～25 歲。這些成員非專業的感官分析師，但熟悉喜好標尺和評價指標。小米面條在蒸煮和冷卻后，對其爽滑性、堅實性、咀嚼性、黏牙性和總體可接受性進行評價。

1.4 數據分析

采用SPSS 19.0軟件進行數據分析以及使用Origin 8.5軟件繪圖。采用Unscrambler 9.8統計分析軟件進行PLSR分析。

2 結果與分析

2.1 磨粉工藝對小米粉損傷淀粉質量分數的影響

圖 1 干磨與半干磨小米粉損傷淀粉質量分數Fig. 1 Damaged starch contents of dry and semidry milled millet flours

谷物磨粉過程中，由于劇烈的機械作用力和熱能使淀粉的組織結構受到破壞，從而產生了損傷淀粉[23]。如圖1所示，半干磨小米粉損傷淀粉質量分數隨著潤米水分質量分數的增加而降低，且顯著高于干磨小米粉（P＜0.05）。Tong Litao等[7]采用濕磨、半干磨和干磨3 種方式磨制大米粉，也得到了相似的研究結果。不同的磨粉工藝對谷物粉造成不同程度的淀粉損傷，這取決于磨制過程中的機械力和熱能[9]。半干磨工藝中的潤米過程使水分子進入籽粒內部，作為一種增塑劑增加了淀粉顆粒的彈性，代替淀粉吸收了一部分機械能，從而降低了淀粉損傷，保護了小米粉的品質[24]。干磨工藝施加了更多的機械能和熱能，導致谷物粉損傷淀粉質量分數的增加[25]。

2.2 磨粉工藝對小米粉粒徑分布的影響

圖 2 干磨和半干磨小米粉的粒徑分布Fig. 2 Particle size distribution of dry and semidry milled millet flours

谷物粉粒度通過改變吸水率和面團的延展性，進而會影響其制品的加工特性和食用品質[24]。由圖2可見，4 種小米粉的粒徑呈多峰分布，粒徑分布曲線的差異主要存在于粒徑為18～234 μm范圍內。4 種小米粉的平均粒徑分析結果表明，潤米水分質量分數22%和26%的半干磨工藝降低了小米粉的粒徑，平均粒徑分別為60.86 μm和62.17 μm，顯著低于干磨小米粉的平均粒徑（65.57 μm）。潤米水分質量分數18%的半干磨小米粉平均粒徑（66.56 μm）與干磨小米粉差異不顯著（P＞0.05）。半干磨工藝中的潤米過程使小米吸水軟化，從而在后期的碾磨過程中有利于形成細小的米粉顆粒[9]。干磨米粉較大的粒徑可能歸因于損傷淀粉顆粒的結團，尤其是損傷嚴重的淀粉[14]。

2.3 磨粉工藝對小米粉淀粉結晶度的影響

圖 3 干磨和半干磨小米粉的XRD波譜Fig. 3 X-ray diffraction patterns of dry and semidry milled millet flours

從圖3中可以看出，小米粉XRD波譜特征表現為衍射角2θ 15°、17°、18°和23°時出現較強特征的衍射峰，其中17°和18°附近的衍射峰為相連的雙峰，20°附近有弱的衍射峰，這與其他禾谷類作物種子淀粉的波譜相同[15]，表明小米淀粉為A型晶體。通過計算得到，潤米水分質量分數18%、22%和26%的半干磨小米粉的相對結晶度分別為28.35%、34.13%和34.66%，干磨小米粉的相對結晶度較低，為20.39%。磨粉過程中摩擦力和機械能使淀粉的天然結晶結構遭到破壞，淀粉顆粒的相對結晶度隨淀粉損傷程度的增加而降低[14]。

2.4 磨粉工藝對小米粉微觀形貌的影響

圖 4 干磨和半干磨小米粉的掃描電子顯微鏡圖片（×1 500）Fig. 4 SEM photographs of dry and semidry milled millet flours(× 1 500)

如圖4所示，潤米水分質量分數22%和26%的半干磨小米粉顯示出相似的形態結構，多角形的淀粉顆粒相對完整。這與Tong Litao等[7]的研究結果相似，他們發現潤米水分質量分數26%和30%的大米經半干磨工藝可以較好地保持淀粉顆粒的晶體結構。潤米水分質量分數26%的半干磨小米粉由于磨制時水分質量分數較高，容易形成淀粉顆粒團塊，這可以解釋2.2節中其平均粒徑大于潤米水分質量分數22%的半干磨小米粉的結果。然而，干磨小米粉在磨制過程中受到摩擦熱和機械能的作用，晶體結構遭到破壞，顆粒形狀變得不規則，這與2.1節中關于淀粉損傷程度的測定結果相吻合。

2.5 磨粉工藝對小米粉粉質特性和糊化特性的影響

通過混合實驗儀測試得到4 種小米粉的Mixolab曲線，該曲線綜合反映了小米粉的粉質特性和糊化特性，測定的具體結果見表1。小米粉的粉質特性包括吸水率、形成時間、穩定時間和總弱化值等。吸水率決定谷物食品加工的經濟性；形成時間反映面團形成的快慢；穩定時間指面團在揉制過程中稠度維持在某一較高值的連續時間[16]。與干磨米粉相比，潤米水分質量分數22%和26%的半干磨米粉具有較高的吸水率和較長的穩定時間（P＜0.05）；表明半干磨米粉吸水能力強，面團穩定性好。總弱化值是恒溫弱化與升溫弱化的加和，反映了小米面團在攪拌和輕微加熱狀態下的稀化特性[16]。在面團的形成時間和總弱化值方面，4 種小米粉沒有表現出顯著性差異。

表 1 干磨和半干磨小米粉的粉質特性和糊化特性Table 1 Farinograph properties and pasting profiles of dry and semidry milled millet flours

糊化溫度指米糊黏度開始增加時的溫度[9]。如表1所示，4 種小米粉糊化溫度沒有顯著性差異，干磨粉具有最高的糊化溫度（57.1 ℃），這與Chen等[26]對大米粉的研究結果相似。峰值黏度指顆粒結構不再能夠支撐繼續溶脹，顆粒即將破裂時的黏度值[9]。潤米水分質量分數26%的半干磨小米粉具有最高的峰值黏度。峰值黏度與支鏈淀粉的性質相關，而直鏈淀粉或直鏈淀粉-脂質復合物則抑制顆粒溶脹和降低峰值黏度[14]。干磨小米粉含有較高質量分數的損傷淀粉，因此淀粉顆粒對顆粒溶脹具有較低的抗性，從而導致較低的峰值黏度（0.60 N·m）。崩解值為溶脹顆粒破裂的程度，反映了熱糊的穩定性。崩解過程中，顆粒破裂，線性分子泄漏出來進入溶液[9]。潤米水分質量分數26%的半干磨小米粉具有最高的崩解值，表明它在加熱和剪切作用力下具有最低的熱糊穩定性。潤米水分質量分數22%的半干磨小米粉表現出最低的終值黏度。冷卻過程中，從溶脹的淀粉顆粒中泄漏出來的直鏈淀粉分子結構重排，增強了凝膠的網絡結構，使熱糊黏稠度增加[9]。冷卻過程中黏度的增加值稱為回生值。干磨小米粉具有較高的回生值表明冷卻過程中糊化淀粉高度再結晶。潤米水分質量分數22%和26%的半干磨小米粉較低的回生值則表明其對淀粉回生具有更大的抗性，Asmeda等[9]在研究半干磨大米粉時也發現了相似的現象。

2.6 磨粉工藝對小米粉水合特性的影響

表 2 干磨和半干磨小米粉的水合特性Table 2 Hydration properties of dry and semidry milled millet flours

水合性能，如吸水指數、水溶指數和溶脹指數是小米粉加熱膠凝過程中的品質特性，它與淀粉顆粒的完整性和結晶度密切相關[7]。如表2所示，4 種小米粉的吸水指數和溶脹指數沒有表現出顯著差異，但半干磨工藝使小米粉具有較高的吸水指數和溶脹指數。Tong Litao等[7]研究發現半干磨大米粉的吸水指數和溶脹指數顯著高于干磨大米粉，這與本實驗結果相似。在加熱處理過程中，小米粉吸收水分發生淀粉糊化和蛋白質變性。半干磨米粉較高的吸水指數可能是由于米粉平均粒徑較小，具有與水分結合的更大表面積[11]。溶脹指數用于反映淀粉顆粒的持水能力，是支鏈淀粉分子的主要特性，淀粉顆粒中支鏈淀粉分子的結構完整性對顆粒溶脹及其持水性至關重要[14]。半干磨米粉損傷淀粉質量分數較低，因此具有較好的溶脹性（P＞0.05）。潤米水分質量分數22%和26%半干磨米粉的水溶指數分別為6.16和6.57，顯著低于干磨米粉（8.14）。水溶指數反映了淀粉顆粒在蒸煮過程中的質量損失，與淀粉顆粒的損傷程度密切相關[14]。谷粒在干磨過程中破壞了淀粉顆粒的結晶度，可能使淀粉分子降解，從而導致水溶指數升高[23]。

2.7 磨粉工藝對小米面團中水分狀態的影響

水分在面團形成過程中起重要作用，水分存在狀態反映了水分和食品中其他組分的相互作用，對于食品的質地、外觀、風味和貯藏特性有重要影響[19]。低場核磁共振是應用于食品領域的一項新技術，可以從微觀上研究食品內部水分的狀態、分布和遷移情況。本實驗利用低場核磁共振研究了小米面條中水分的分子特性，用橫向弛豫時間T2表示，T2越小，說明水與非水組分的結合越緊密。如圖5所示，所檢測的面條樣品中出現3 個弛豫峰，分別代表著面條中水分的3 種不同存在狀態，即T21（0.23～3.00 ms）為強結合水、T22（3～36 ms）為弱結合水、T23（63～252 ms）為自由水。與干磨工藝相比，半干磨小米面團的弛豫峰向左移動，橫向弛豫時間變短，該現象表明半干磨工藝使小米面團中水分的自由度降低，水分與蛋白質、淀粉等組分結合能力增強，從而可能會一定程度上改善面條的質構性能和減緩貯藏過程中面條結構的劣變[27]。

2.8 磨粉工藝對小米面條品質的影響

表 3 磨制工藝對小米面條品質的影響Table 3 Effect of milling on the quality attributes of millet noodles

蒸煮損失指蒸煮過程中由面條遷移至蒸煮水中的固體物質總量。蒸煮損失使煮制水變得渾濁，使面條表面發黏，是面條的一項重要質量特性，衡量面條在煮制過程中保持結構完整性的能力[7]。如表3所示，半干磨工藝顯著降低了小米面條的蒸煮損失率，潤米水分質量分數26%的半干磨面條具有最小的蒸煮損失。干磨小米粉淀粉損傷程度大，表現出較高的水溶性（表2），因此導致小米面條蒸煮損失較大[23]。Tong Litao等[7]采用干法和半干法（30%的潤米水分質量分數）磨制大米粉，由其制備的米粉的蒸煮損失率分別為15.29%和8.85%，這與本研究的結果相似。

良好的面條產品應結構緊實，富有彈性、低黏性，有口勁。利用質構儀對面條進行質構分析由于客觀性強而應用廣泛，研究指標有硬度、彈性、黏附性、內聚性等。面條的黏性一般通過質構測試中的黏附性來表示。內聚性反映了在咀嚼過程中面條結構破壞的程度，內聚性越大，表明面條結構緊實，富有口勁[20]。小米面條的質構特性如表3所示，小米經半干磨后制備的面條在硬度上與干磨沒有顯著差異，但是黏附性顯著低于干磨，而在內聚性和彈性方面顯著高于干磨，這表明半干磨小米面條從食用感官角度來講具有更高的商業應用價值。不同潤米水分質量分數的半干磨小米粉制備的面條在質構特性方面沒有表現出顯著差異，這可能是因為面條配方中加入的谷朊粉改善了面團的黏彈性，從而減弱了不同質量分數潤米水分對面條質構的影響。

感官評價最接近消費者的判斷，仍然是最可靠的測試，因為它可以評估煮熟面條的整體特征[22]。通過爽滑性、堅實性、咀嚼性、黏牙性和總體可接受性5 項指標對小米面條的食用品質進行感官評價，結果如表3所示。爽滑的面條表面被消費者所喜歡，面條蒸煮后口感也不應該過于堅實或綿軟，半干磨小米粉制備的面條在爽滑性和堅實性上與干磨制備的沒有顯著差異。咀嚼性方面，潤米水分質量分數22%和26%的半干磨面條得分更高，表明這2 種面條更有嚼勁。黏牙性定義為咀嚼一條面條后殘留在牙齒上的面條量[22]，因此低分值是被期望的，半干磨小米面條的黏牙性分值顯著小于干磨，這與質構分析中黏附性的測定結果相一致。感官評價結果表明，4 種小米面條的總體可接受性介于一般與滿意之間（3～4 分），潤米水分質量分數26%的半干磨面條具有最高的感官評價得分。

2.9 PLSR相關性分析

圖 6 PLSR模型的相關性載荷圖Fig. 6 Correlation loading plot from PLSR model

為了分析損傷淀粉質量分數和平均粒徑對小米粉的功能特性和小米面條質量的影響，本實驗選取損傷淀粉質量分數和平均粒徑為X變量，其他指標為Y變量，建立PLSR模型，通過交叉驗證法得到顯著性變量[12]。由圖6可知，PLSR主成分1和2解釋了100%的X變量（PC1＝85%，PC2＝15%）和83%的Y變量（PC1＝55%，PC2＝28%），說明建模效果良好[29]。除糊化溫度外，Y變量均位于內外橢圓之間，表明它們都能很好地被該模型所解釋[30]。其中，損傷淀粉質量分數與蒸煮損失、黏附性位置接近，且遠離原點，說明呈正相關，因此損傷淀粉質量分數較高的干磨米粉制備的面條表現出更高的蒸煮損失和口感發黏。損失淀粉質量分數與穩定時間、峰值黏度、彈性、內聚性、吸水指數和總體可接受性位于原點兩側，說明呈負相關關系，因此損傷淀粉質量分數較低的半干磨米粉表現出面團穩定時間長、溶脹性好，面條彈性大、有口勁，感官上滿意度較高。平均粒徑與水溶指數和回生值呈正相關，所以平均粒徑小的半干磨米粉表現出對淀粉回生優良的抗性，其制備的面條蒸煮損失小。上述結果一定程度上說明，小米磨制過程中造成的淀粉損傷可能比粒徑對小米粉及其加工制品品質有更為重要的影響。鑒于此，在小米粉的制備及其產品的開發中，選擇損傷淀粉質量分數較低的潤米水分質量分數26%的半干磨工藝更為可行，這與本實驗結果也是相符的。

3 結 論

與干法磨制相比，潤米水分質量分數22%和26%的半干磨小米粉淀粉損傷程度低，平均粒徑較小，表現出較高的淀粉結晶性和較好的結構完整性，由其制備的面團吸水率高，穩定時間長。膠凝特性方面，潤米水分質量分數26%的半干磨小米粉在加熱過程中吸水能力強，具有較好的溶脹能力，表現為峰值黏度升高，而且對淀粉回生具有更大的抗性。

將小米粉加入到面條配方中，半干磨小米粉增強了小米面條中水分與其他組分的結合能力，且使小米面條在質構上富有彈性、低黏性、有口勁，潤米水分質量分數26%的半干磨小米粉制備的面條具有最高的感官得分。干磨小米粉具有高水溶性，因此增加了小米面條的蒸煮損失。

PLSR相關性分析表明，小米磨制過程中造成的淀粉損傷可能比粒徑大小對小米粉及其加工制品具有更為重要的影響。因此，淀粉損傷程度最低的潤米水分質量分數26%的半干磨工藝可應用于小米粉的制備及其產品的開發。