碾制過程中小米營養成分的變化

王運亭， 趙 巍， 張愛霞， 李少輝， 李朋亮， 劉敬科

(河北省農林科學院生物技術與食品科學研究所；河北省農林科學院谷子研究所，石家莊 050035)

谷子屬于禾本科的一種植物。成熟后谷穗一般為金黃色，顆粒較小且多為黃色。谷子去皮后俗稱小米，谷殼有白、紅、黃、黑等顏色。我國谷子主要分布在內蒙古自治區、山西省、河北省、陜西省、山東省、河南省及東三省等，其中，內蒙古自治區、山西省和河北省種植面積占全國種植面積的67.1%[1]。谷子對病蟲害和惡劣環境有很強的耐受性，是一種很有發展潛力的作物。小米不僅有利于降糖和傷口愈合等[1]，還可以改善血清膽固醇、血脂等指標，促使腸道細菌發揮益生元作用，改善了腸道屏障功能和促炎癥狀態[2]。研究表明在高脂飲食誘導的腦氧化應激下，小米中的多酚可以發揮神經保護作用[3]。聯合國糧農組織宣布2023年作為 “International Year of Millets”，提升對小米等雜糧的潛力的認可，推動小米產業發展[4]。在農產品加工過程中，為了追求口感，許多農產品在加工過程中存在過度加工、營養損失嚴重的現象。例如高碾大米可以提高吸水性、溶脹性和食味值，提升了米飯的感官品質[5，6]，但隨著加工精度加深，維生素和礦物質等營養成分流失，不利于高血壓、高血脂等慢性病的出現[7-9]。為了倡導適度加工，引導節約糧食和減少營養損失，2018 年對大米的國家標準進行了修訂[10]。有關碾制精度對小米營養成分影響的研究鮮有報道，但實際生產中，谷子的加工過程也存在原料浪費、加工過度等問題，因此本實驗探究不同加工過程下小米營養成分、色度及黏度的差異，了解小米營養成分流失情況，旨在為谷子加工產業及小米產品開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

懶谷3號除雜后，經過1、2、4、6、9道碾磨成不同出米率(85%、81%、77%、72%、68%、64%)的小米樣品，磨粉后，過60目篩得到小米粉樣品。置于陰涼干燥處保存、備用。

出米率主要包括出糙率和精米率。將一定質量的谷子去殼后，稱重計算出糙米率，通常范圍為72%～82%。精米率為精米占谷子質量的百分率，通常范圍為65%～74%[11]。

式中：A0為未脫殼前谷子的質量；A1為碾制過程中脫落下來谷殼以及部分胚乳的質量。

濃硝酸、雙氧水：優級純；甲酸(色譜純)、濃鹽酸、濃硫酸、乙酸、乙醚、硫酸銅、硫酸鉀、95%乙醇、丙酮、石油醚(30～60 ℃)、氫氧化鈉、重鉻酸鉀、三羥甲基氨基甲烷、熱穩定ɑ-淀粉酶、糖化酶、淀粉葡萄糖苷液、硅藻土、14% BF3甲醇溶液、1%甲酸、0.025 mol/L硫酸、20 g/L硼酸、1 g/L甲基化指示劑、1 g/L溴甲酚綠指示劑、400 g/L氫氧化鈉，除特殊標示外，所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

SL ZS-330碾米機，MDJ-D40725磨豆機，S433D-全自動氨基酸分析儀，Exionlc AB高效液相色譜-X500R QTOF高分辨率質譜系統，iCE3000原子吸收光譜儀，7820A氣相色譜儀，WSF分光測色儀，4500快速黏度儀，SZX16體視顯微鏡。

1.3 方法

1.3.1 基本營養成分

參考國家標準GB 5009—2016測定小米中水分、灰分、脂肪、蛋白質、膳食纖維含量[12]。

1.3.2 小米粉中脂肪酸含量測定

取樣品1g加入30 mL石油醚乙醚混合溶液(混合比例1∶1)于50 mL離心管中，浸提2 h, 4 000r/min離心8 min，將得到的無色透明上清液旋干，加入1ml 14% BF3甲醇溶液，80 ℃水浴2 min，將試管插入冰中停止反應，加入2 mL正己烷靜置，取上清液過0.45 μm濾膜后進行氣相分析。采用火焰離子化檢測器(FID)，HP-INNOWAX柱(30 m×25 mm×0.25 μm)進行分析，載氣(氮氣，純度>99.999%，流速為1 mL/min，檢測器溫度為260 ℃。氣流和氫氣流量分別為400、30 mL/min。

1.3.3 小米粉中氨基酸含量測定

取適量鹽酸加入裝有200 mg小米粉于消化管中，振蕩后放入110 ℃恒溫箱中水解22 h后取出, 振蕩定容至25 mL。過濾后，取濾液400 μL濃縮至干，向濃縮罐中加入2 mL 0.1 mol/L的稀鹽酸，振蕩，充分溶解后過0.22 μm濾膜后用于測試。

1.3.4 小米粉中礦物質含量測定

稱取0.50 g小米粉樣品，置于消化管中，加入 10 mL 濃硝酸，5 mL雙氧水和2滴濃硫酸，搖勻后靜置一夜，置加熱板上加熱趕酸至1 mL左右時重新加入6 mL硝酸，重復3次后，用超純水洗滌3次，定容至100 mL，利用原子熒光光譜儀對Mg、K、Mn、Fe、Cu和Zn 6種元素進行測定。

1.3.5 小米粉色度測試

采用色度計測定糙小米粉樣品的顏色，L*代表試樣的明度，+a*代表試樣偏紅，-a*代表試樣偏綠，+b*代表試樣偏黃，-b*代表試樣偏藍。

1.3.6 小米粉黏度特性

取3.5 g小米粉樣品于快速黏度儀的樣品筒中, 再加入25 mL蒸餾水,充分振蕩攪勻后，放于快速黏度儀上，程序設定：0～10 s時以960 r/min 攪拌，溫度50 ℃；10 s～1 min時保持160 r/min，溫度50 ℃；1～4.7 min溫度由50 ℃升至95 ℃,轉速保持160r/min，4.7～7.2 min，溫度保持95 ℃，轉速保持160r/min，7.2～11 min溫度由95 ℃降至50 ℃，轉速保持160 r/min，11～13 min溫度保持50 ℃，轉速降為0，實驗結束。

1.3.7 數據處理

采用IBM SPSS Statistics 22單因素ANOVA方法進行顯著性分析，其中所有樣品平行測定3次，用x±sn(n=a, b, c……)表示。肩標n表示差異顯著性(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 谷子結構

谷子結構分布從外到內依次是谷殼、種皮、糊粉層或胚、胚乳。谷殼由內稃和外稃組成，去除谷殼后的果實為穎果，通稱小米，脫殼后小米的腹部有一道溝，稱腹溝，腔面的基部有圓形深色斑，稱為臍[11]。不同出米率下谷子結構變化如圖1所示，出米率為85%時，樣品主要分兩類，脫殼的小米和未脫殼的谷子，脫殼的小米裸露出圓形的深色斑即為臍。出米率85%～81%的碾磨過程中，未脫殼的谷子谷殼脫落，已脫殼的小米皮層開始脫落，因此，出米率81%的樣品主要是剛脫殼和皮層脫落的小米。由于樣品受到的機械力不均勻，因此皮層脫落的程度不同。同理，出米率為77%時，小米腹溝處的棕色層被碾去；位于背面的下半部分，胚和胚乳聯結不緊密，在碾制過程中容易脫落，背部開始出現凹陷，應該是胚的外層被碾除。出米率72%時部分小米背部出現明顯的凹陷，可能是小米的皮層和胚被進一步碾除。出米率為68%時背面凹陷的小米數量增多，腹溝處出現明顯凹槽；出米率為64%時小米結構損傷嚴重，結構呈月牙形狀。

圖1 加工過程中谷子結構變化

2.2 基本營養成分

不同出米率的小米中水分、脂肪、蛋白質和膳食纖維含量的測試結果見表1。

表1 不同出米率的小米中基本營養成分含量

如表1所示，出米率85%降到64%過程中，含水量先增加后無顯著差異。隨出米率的降低，脂肪質量分數從5.04%逐漸降低至3.20%。在77%～72%和68%～64%碾磨過程中，主要脫落的是皮層和胚，而脂肪質量分數分別降低0.5%和0.91%，說明脂肪在小米的皮層和胚中有分布。同理，蛋白質含量在出米率77%～64%顯著下降，說明表面糊粉層、胚和胚乳都含有蛋白質，出米率64%時蛋白質質量分數為8.83%，樣品主要成分是胚乳，因此大部分蛋白質在胚乳中。隨著出米率的降低，谷殼和糊粉層逐漸脫落，膳食纖維質量分數從0.98%降至0.13%，說明膳食纖維在谷殼和皮層中分布較集中。

2.3 脂肪酸

小米中不飽和脂肪酸質量分數高達85%。不飽和脂肪酸具有降低血液黏稠度、促進血液微循環、提高腦細胞的活性、增強記憶力的效果[13]。

如表2所示，小米樣品中檢測2種飽和脂肪酸(硬脂酸和棕櫚酸)和3種不飽和脂肪酸(油酸、亞油酸和亞麻酸)。出米率85%～64%的總脂肪酸含量依次為3.90、4.51、4.13、2.45、2.46、2.68 g/100 g。碾磨過程中，小米的皮層和胚等脫落，脫落的脂質和脂質酶同時被機械力作用，在米粒中沉積在一起，脂質酶作用于脂質，在皮層產生脂肪酸[11]。出米率81%時亞油酸含量最高，亞油酸是其他4種脂肪酸含量的5～10倍，因此，81%時總不飽和脂肪酸含量最高。小米和小麥粉[14]均是亞油酸的含量遠高于其他4種脂肪酸含量。出米率85%～64%，不飽和脂肪酸和飽和脂肪酸含量比例分別為89∶11、92∶8、91∶9、87∶13、88∶12、89∶11。說明加工的程度不僅影響脂肪酸的含量，對飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸的比例也產生影響。黃倩等[15]研究表明碾磨精度低的小麥粉，粗脂肪含量較高，脂肪酶的活性較高，脂類的水解和氧化程度加劇，儲藏穩定性越差。因此，加工精度低時，雖然可以保留谷物中的營養成分但儲藏期較短。

2.4 氨基酸

小米蛋白質中氨基酸種類豐富、比例協調，有滋陰養血的功能，因此常用于孕期和哺乳期營養補充。不同加工精度小米中氨基酸含量見表3。

如表3所示，檢測出的16種氨基酸中含有苯丙氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸以及小兒生長發育必需的組氨酸和其他10種非必需氨基酸。因此，小米可以深加工為幼兒的高附加值的產品。5種出米率下均為谷氨酸含量最高，半胱氨酸的含量最低。隨著出米率的降低，總氨基酸的含量從10.37 g/100 g降至8.77 g/100 g，總必需氨基酸的含量降低12%。蛋白質質量不僅取決于必需氨基酸的數量和含量還與它們之間的比例密切相關。根據FAO/WHO的理想模式，質量較好的蛋白質其組成氨基酸 EAA/TAA為 40%左右、EAA/NEAA在60%以上[16,17]。不同出米率的小米樣品EAA/TAA均在40%左右，EAA/NEAA均在60%以上。出米率85%～64%的小米中氨基酸組成基本符合FAO/WHO 的理想模式。出米率68%時，EAA/TAA和EAA/NEAA分別為39.02%和63.99%，與理想標準最接近，蛋白質質量最好。

表2 不同出米率下5種脂肪酸含量/g/100 g

表3 不同出米率下小米的氨基酸含量/g/100 g

表4 不同出米率下小米的礦物質含量/g/100 g

2.5 礦物質

礦物質是生物機體的必需元素，影響著人體生長發育的各個階段。然而礦物質是無法生成或合成的，需要從食物中不斷攝取，從而維持機體的正常生命活動。

如表4所示，小米中礦物質含量由高到低依次為鉀>鎂>鐵>鋅>錳>銅，其中鐵的含量遠高于稻米中鐵的含量(47.2～88.8 mg/kg)[18]。隨著出米率降低，小米中鉀、鎂、鐵、鋅、錳、銅含量均逐漸降低，小麥、稻米、黑米和紫米中的礦物質也會隨碾磨程度的增加逐漸降低[19]。由表4可知，出米率85%～77%碾磨過程中，谷殼、種皮和外糊粉層脫落，鐵和錳的含量顯著下降，說明鐵和鎂在果皮、種皮和外糊粉層含量較豐富。同理，銅、鉀、鐵、鋅和錳在糊粉層和胚中的含量較豐富。出米率64%時，樣品的外層主要是胚乳和部分胚，但礦物質含量仍較高，可能是由于保留下來的部分胚中礦物質含量豐富，或胚乳占籽粒比例較高，因此礦物質含量較高。由此可知，礦物質主要集中分布在籽粒的糊粉層和胚中，小米不同部位的同種礦物質元素含量不同。

2.6 色度

如表5所示，隨著出米率的降低，小米粉的黃度b*值(39.73～31.31)不斷下降，亮度L*值(78.99～85.23)不斷上升，稻米中黃度和明度也有相同的趨勢[20]。黃度值下降的原因，一方面是碾磨過程中隨著皮層和胚的脫落，黃色素損失；另一方面，碾磨過程中，類胡蘿卜素易受氧、光、熱等因素發生轉化降解，導致顏色變化。亮度變化可能是由于籽粒經過碾磨拋光后亮度增加，亮度的增加與碾磨過程中>可溶性脂肪和礦物質營養物質損失有關[21，22]。

表5 不同出米率下小米的色度值

2.7 黏度

黏度參數反映了小米粉的黏度和糊化特征，峰值黏度的大小是小米淀粉膨脹能力強弱的體現，最低黏度大小反映了高溫下淀粉耐剪能力的強弱，最終黏度體現了冷卻至常溫時米粉糊的硬度[23]，不同出米率小米的黏度參數見表6。

如表6所示，隨著出米率的降低，峰值黏度、最低黏度和最終黏度逐漸增加，衰減值增加，回生值逐漸增加(64%除外)，糊化溫度降低。Halim等[24]研究了碾制精度對蒸谷的影響發現小米樣的峰值黏度、崩解值、最終黏度和回復值隨碾制精度的升高而增加，且認為這一黏度性質與小米表面脂肪含量有關。賀財俊等[25]研究表明隨著碾磨時間的增加，秈米的峰值黏度、最低黏度、衰減值、最終黏度呈上升趨勢，糊化溫度呈下降趨勢。不同出米率下黏度變化的原因可能是小米皮層中蛋白質、纖維、脂肪等非淀粉組分隨出米率的降低損失也越嚴重，它們包圍在淀粉顆粒周圍或是與淀粉相互作用變弱，淀粉更容易膨脹、降低了高溫剪切的耐受力[26]，糊化黏度增加；同時隨著碾磨的進行，淀粉酶和皮層一塊損失，淀粉酶含量越低，相應分解淀粉的能力越小，糊化黏度增加[27]。糊化溫度會降低可能是由于碾磨精度越嚴重，礦物質含量逐漸減少，強電解質無機鹽抑制淀粉糊化的作用減弱[28]。

表6 不同出米率下小米的黏度參數

3 結論

在出米率85%～77%加工過程中，脫落的主要是谷殼和皮層，膳食纖維和礦物質(鐵、鎂)含量下降明顯，說明膳食纖維在谷殼和皮層中較豐富。在出米率77%～64%加工過程中，樣品的糊粉層和胚脫落，蛋白質、脂肪、黃色素、鉀、鐵、鋅、鎂和錳等成分損失嚴重。說明脂肪、蛋白質、黃色素及礦物質在糊粉層和胚中含量較豐富。出米率64%時，樣品外層主要是胚乳，部分樣品仍保留胚。碾磨過程中，小米皮層和胚中蛋白質、纖維、脂肪等非淀粉組分含量逐漸降低，它們包圍在淀粉顆粒周圍或是與淀粉相互作用變弱，淀粉更容易膨脹、高溫剪切的耐受力減弱，因此黏度增加，糊化溫度降低。為了提升口感，過度碾磨造成小米營養成分的流失和工業能耗的浪費。糊粉層和胚中含有膳食纖維、礦物質、不飽和脂肪酸等多種有益成分，因此適度加工應考慮在谷殼基本脫除的同時盡量保留糊粉層和胚，以此確定加工的最佳出米率。