靳志强，白变霞，赵晋峰，陈艳彬，王 玺

（1.长治学院生物科学与技术系，山西 长治 046011；2.山西省农业科学院谷子研究所，山西 长治 046011）

谷子（Setaria italica）也被称为印度粟，是一种最古老的栽培谷物，脱壳后称为小米。小米含有多种维生素、矿物质和植物性化学成分，其中酚类和类胡萝卜素是重要的抗氧化成分。食用小米有助于降低与氧化应激相关的疾病，因此小米被认为是一种潜在的功能食品[1]。流行病学研究表明，食用小米及其产品有助于降低胆固醇代谢失调、2型糖尿病等慢性病风险[2]。小米在我国最普遍和最简单的食用方式是小米粥。由于市场上缺乏丰富多样的小米加工制品，目前小米的食用消费相当有限。通过将小米磨制成粉，可以部分或完全替代主粮，实现小米在意面、中式面条和馒头等传统食谱中的多样化应用[3]。

磨制是广泛应用于食品工业中的单元操作，在我国很早就有湿磨、半干磨及干磨之分。湿磨包括过夜浸泡、沥干、加水磨浆等步骤，是生产米粉和豆腐等过程中的一种传统磨制方法[4]，对小麦、玉米和小米等谷物粉的加工并不适用。干磨是谷物在干燥状态下用各种磨粉机进行磨制。与湿磨相比，干磨不产生废水，降低了产品滋生微生物的风险，可以更好地保留蛋白质、脂质和灰分等营养成分，但耗能高且淀粉损伤严重[5]。半干法磨制是介于干磨和湿磨间的一项生产技术，经润米调质后再用磨粉机进行磨制[6]，半干法磨制可以获得与湿磨相近的谷物粉品质。Tong Litao等[7]采用含水质量分数30%的半干磨工艺制备大米米粉。Kim等[8]将半干法磨制的大米粉代替小麦粉用于制作无面筋蛋糕。

在减小粒径的谷物磨制过程中，摩擦热和机械能改变了谷物粉的组成成分，例如引起淀粉颗粒的结构损伤[9]。磨制过程中的机械力和温度差异，导致不同磨制工艺生产的谷物粉具有不同的粒径分布和淀粉损伤。粒径的不均匀性通过增加单位体积的表面积显著影响谷物粉的理化特性，它也可以通过提高消化速率增加碳水化合物、蛋白质等宏量营养素的生物利用率[10]。淀粉损伤由淀粉颗粒结构的破坏引起，其损伤程度与淀粉粒径、植物学来源和磨粉状态密切相关[11]。损伤淀粉和粒径分布的差异会影响糊化特性和热力学行为，并进而影响面条等加工制品的品质[9]。目前，已有学者就磨制方法对小麦和大米等常见谷物的淀粉损伤、粉粒物理性质和功能特性以及终产品质量的影响进行了深入研究[11]，但关于磨粉工艺对小米粉及其加工产品影响的研究鲜有报道[3]。

同大米相似，小米蛋白也不能形成面筋网络结构，所以小米面团的黏弹性主要取决于淀粉特性[7]。然而，干法磨制会对淀粉结构造成严重损伤，使小米粉无法较好地满足制面工艺的需求。因此，本实验以干法磨制为对照，着重研究半干法磨制工艺对小米粉的物理特性（损伤淀粉质量分数、粒径分布、淀粉结晶度、颗粒形貌等）、功能特性（水合性能、粉质特性、糊化特性等）以及小米面条品质特性（水分分布状态、蒸煮性能和质构特性等）的影响，并用偏最小二乘回归分析（partial least squares regression，PLSR）探讨它们的相关性[12]，为更好地了解半干法磨制工艺对小米粉理化特性的影响和提高小米面条的品质提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小米购自山西沁州黄小米集团，水分质量分数为12.4%。

谷朊粉 瑞祥生物科技有限公司；其他试剂均为市售分析纯。

1.2 仪器与设备

CT410型旋风磨 福斯赛诺分析仪器（苏州）有限公司；SDmatic型损伤淀粉测定仪、Mixolab混合实验仪 法国肖邦技术公司；LS13-320激光粒度分析仪美国贝克曼库尔特公司；D8 Adance X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）仪 德国Bruker公司；TM3000型台式扫描电子显微镜 日本日立公司；VFD-21S型冷冻干燥仪 美国IXRF公司；TMS-PRO质构仪 美国FTC公司；NMI20-015V-I型核磁共振食品成像分析仪 苏州（上海）纽迈电子科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 米粉的制备

参照佟立涛等[6]的方法，采用干法和半干法磨制小米。

干法磨粉（简称干磨）：取100 g小米用旋风磨（旋风磨是工业上较为常用的谷物干法粉碎机，通过粉碎刀片高速旋转撞击将谷物颗粒粉碎）进行磨制，过80 目粉筛后装于密封袋中4 ℃保存待用。

半干法磨粉（简称半干磨）：预实验中质量分数30%的润米水分易使旋风磨堵塞，因此将润米水分质量分数设定为18%、22%、26%。准确称取200 g小米样品，放于烧杯中，根据润米水分质量分数加入适量蒸馏水，封口摇混，使小米与水分充分混合均匀，放置于室温下润米24 h。然后使用旋风磨将润米水分质量分数为18%、22%、26%的小米原料进行磨制，于40 ℃干燥至水分质量分数为（12±2）%，过80 目粉筛后装于密封袋中4 ℃保存待用。

1.3.2 损伤淀粉质量分数的测定

参照邱爽等[13]的方法，用损伤淀粉测定仪测定小米粉损伤淀粉质量分数。

1.3.3 小米粉粒径分布的测定

小米粉通过干法进样系统自动进样，用激光粒度分析仪测定小米粉的粒径分布。中位径用于表示平均粒径[14]。

1.3.4 淀粉结晶性的测定

用X射线衍射仪对4 种小米粉进行测试得到相应的衍射图谱，测定条件：电压40 kV，电流40 mA，扫描2θ范围为5º～30º，步长为0.02º，扫描速率为3（º）/min。参照徐斌等[15]的方法用MDI Jade 6.0软件计算样品的结晶度。

1.3.5 淀粉颗粒微观结构的观察

小米粉样品均匀分散在双面导电胶上，然后固定于铝平板上，真空喷金后用扫描电子显微镜在12 kV的加速电压下放大1 500 倍观察。

1.3.6 粉质特性和糊化特性的测定

参照曾凡逵等[16]的方法，采用混合实验仪测定小米粉的粉质特性和糊化特性。

1.3.7 水合特性的测定

参照de la Hera等[10]的方法测定小米粉的水合特性。取0.5 g小米粉样品，加蒸馏水10 mL混匀，在90 ℃下振荡水浴加热10 min。面糊在冰浴中冷却10 min，然后4 ℃、3 000×g离心10 min。取上清液于铝盒中，105 ℃烘至恒质量，同时称量湿沉淀物质量。吸水指数、水溶指数和溶胀指数分别按公式（1）～（3）计算。

1.3.8 小米面条的制备

小米面条的配方为小米粉85 g、谷朊粉15 g、水50 mL、盐2 g[17]。取25 mL沸水缓慢加入50 g小米粉中混合搅拌2 min，面团静置，待温度降至30 ℃后，将剩余的小米粉（35 g）、水（常温）和其他配料加入，用手混合搅拌揉制成面团[18]。和好的面团用保鲜膜包好，在37 ℃培养箱静置熟化20 min后，在压面机上逐步压延成厚1 mm的面带。为便于小米面条特性的测定，将面带切成12 cm×2.0 mm的面条置于4 ℃冰箱内备用。

1.3.9 低场脉冲核磁共振分析

按照1.3.8节所述方法制取厚4 mm的面带，切取适当大小面带卷成直径约1 cm、高约2～3 cm的圆柱状面团，用生料带包好以防止水分蒸发，置于直径15 mm核磁共振专用玻璃试管中。参照刘锐等[19]的方法用低场核磁共振分析仪测定样品的自旋-自旋弛豫时间T2。参数设置：重复采样等待时间1 000 ms，采样频率100 kHz，采样点数89 976，重复采样次数32，回波时间0.3 ms，回波个数3 000。测量前用精密天平称量样品质量，以便后续的均一化处理。

1.3.10 蒸煮性能测定

参照Jang等[20]的方法测定小米面条的蒸煮损失率。

1.3.11 质构性能测定

参照伍婧等[21]的方法，用质构仪在TPA模式下对质构性能进行测定。

1.3.12 感官评价

参照Yadav等[22]的方法对小米面条进行感官评价并略有改动。基于5 点喜好标尺进行评价，即1 分为非常不满意；2 分为不满意；3 分为一般；4 分为满意；5 分为非常满意。感官小组由10 名经过基本训练的成员组成，其中包括6 名女性和4 名男性，年龄在22～25 岁。这些成员非专业的感官分析师，但熟悉喜好标尺和评价指标。小米面条在蒸煮和冷却后，对其爽滑性、坚实性、咀嚼性、黏牙性和总体可接受性进行评价。

1.4 数据分析

采用SPSS 19.0软件进行数据分析以及使用Origin 8.5软件绘图。采用Unscrambler 9.8统计分析软件进行PLSR分析。

2 结果与分析

2.1 磨粉工艺对小米粉损伤淀粉质量分数的影响

图 1 干磨与半干磨小米粉损伤淀粉质量分数Fig. 1 Damaged starch contents of dry and semidry milled millet flours

谷物磨粉过程中，由于剧烈的机械作用力和热能使淀粉的组织结构受到破坏，从而产生了损伤淀粉[23]。如图1所示，半干磨小米粉损伤淀粉质量分数随着润米水分质量分数的增加而降低，且显著高于干磨小米粉（P＜0.05）。Tong Litao等[7]采用湿磨、半干磨和干磨3 种方式磨制大米粉，也得到了相似的研究结果。不同的磨粉工艺对谷物粉造成不同程度的淀粉损伤，这取决于磨制过程中的机械力和热能[9]。半干磨工艺中的润米过程使水分子进入籽粒内部，作为一种增塑剂增加了淀粉颗粒的弹性，代替淀粉吸收了一部分机械能，从而降低了淀粉损伤，保护了小米粉的品质[24]。干磨工艺施加了更多的机械能和热能，导致谷物粉损伤淀粉质量分数的增加[25]。

2.2 磨粉工艺对小米粉粒径分布的影响

图 2 干磨和半干磨小米粉的粒径分布Fig. 2 Particle size distribution of dry and semidry milled millet flours

谷物粉粒度通过改变吸水率和面团的延展性，进而会影响其制品的加工特性和食用品质[24]。由图2可见，4 种小米粉的粒径呈多峰分布，粒径分布曲线的差异主要存在于粒径为18～234 μm范围内。4 种小米粉的平均粒径分析结果表明，润米水分质量分数22%和26%的半干磨工艺降低了小米粉的粒径，平均粒径分别为60.86 μm和62.17 μm，显著低于干磨小米粉的平均粒径（65.57 μm）。润米水分质量分数18%的半干磨小米粉平均粒径（66.56 μm）与干磨小米粉差异不显著（P＞0.05）。半干磨工艺中的润米过程使小米吸水软化，从而在后期的碾磨过程中有利于形成细小的米粉颗粒[9]。干磨米粉较大的粒径可能归因于损伤淀粉颗粒的结团，尤其是损伤严重的淀粉[14]。

2.3 磨粉工艺对小米粉淀粉结晶度的影响

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

从图3中可以看出，小米粉XRD波谱特征表现为衍射角2θ 15°、17°、18°和23°时出现较强特征的衍射峰，其中17°和18°附近的衍射峰为相连的双峰，20°附近有弱的衍射峰，这与其他禾谷类作物种子淀粉的波谱相同[15]，表明小米淀粉为A型晶体。通过计算得到，润米水分质量分数18%、22%和26%的半干磨小米粉的相对结晶度分别为28.35%、34.13%和34.66%，干磨小米粉的相对结晶度较低，为20.39%。磨粉过程中摩擦力和机械能使淀粉的天然结晶结构遭到破坏，淀粉颗粒的相对结晶度随淀粉损伤程度的增加而降低[14]。

2.4 磨粉工艺对小米粉微观形貌的影响

图 4 干磨和半干磨小米粉的扫描电子显微镜图片（×1 500）Fig. 4 SEM photographs of dry and semidry milled millet flours(× 1 500)

如图4所示，润米水分质量分数22%和26%的半干磨小米粉显示出相似的形态结构，多角形的淀粉颗粒相对完整。这与Tong Litao等[7]的研究结果相似，他们发现润米水分质量分数26%和30%的大米经半干磨工艺可以较好地保持淀粉颗粒的晶体结构。润米水分质量分数26%的半干磨小米粉由于磨制时水分质量分数较高，容易形成淀粉颗粒团块，这可以解释2.2节中其平均粒径大于润米水分质量分数22%的半干磨小米粉的结果。然而，干磨小米粉在磨制过程中受到摩擦热和机械能的作用，晶体结构遭到破坏，颗粒形状变得不规则，这与2.1节中关于淀粉损伤程度的测定结果相吻合。

2.5 磨粉工艺对小米粉粉质特性和糊化特性的影响

通过混合实验仪测试得到4 种小米粉的Mixolab曲线，该曲线综合反映了小米粉的粉质特性和糊化特性，测定的具体结果见表1。小米粉的粉质特性包括吸水率、形成时间、稳定时间和总弱化值等。吸水率决定谷物食品加工的经济性；形成时间反映面团形成的快慢；稳定时间指面团在揉制过程中稠度维持在某一较高值的连续时间[16]。与干磨米粉相比，润米水分质量分数22%和26%的半干磨米粉具有较高的吸水率和较长的稳定时间（P＜0.05）；表明半干磨米粉吸水能力强，面团稳定性好。总弱化值是恒温弱化与升温弱化的加和，反映了小米面团在搅拌和轻微加热状态下的稀化特性[16]。在面团的形成时间和总弱化值方面，4 种小米粉没有表现出显著性差异。

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

糊化温度指米糊黏度开始增加时的温度[9]。如表1所示，4 种小米粉糊化温度没有显著性差异，干磨粉具有最高的糊化温度（57.1 ℃），这与Chen等[26]对大米粉的研究结果相似。峰值黏度指颗粒结构不再能够支撑继续溶胀，颗粒即将破裂时的黏度值[9]。润米水分质量分数26%的半干磨小米粉具有最高的峰值黏度。峰值黏度与支链淀粉的性质相关，而直链淀粉或直链淀粉-脂质复合物则抑制颗粒溶胀和降低峰值黏度[14]。干磨小米粉含有较高质量分数的损伤淀粉，因此淀粉颗粒对颗粒溶胀具有较低的抗性，从而导致较低的峰值黏度（0.60 N·m）。崩解值为溶胀颗粒破裂的程度，反映了热糊的稳定性。崩解过程中，颗粒破裂，线性分子泄漏出来进入溶液[9]。润米水分质量分数26%的半干磨小米粉具有最高的崩解值，表明它在加热和剪切作用力下具有最低的热糊稳定性。润米水分质量分数22%的半干磨小米粉表现出最低的终值黏度。冷却过程中，从溶胀的淀粉颗粒中泄漏出来的直链淀粉分子结构重排，增强了凝胶的网络结构，使热糊黏稠度增加[9]。冷却过程中黏度的增加值称为回生值。干磨小米粉具有较高的回生值表明冷却过程中糊化淀粉高度再结晶。润米水分质量分数22%和26%的半干磨小米粉较低的回生值则表明其对淀粉回生具有更大的抗性，Asmeda等[9]在研究半干磨大米粉时也发现了相似的现象。

2.6 磨粉工艺对小米粉水合特性的影响

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，如吸水指数、水溶指数和溶胀指数是小米粉加热胶凝过程中的品质特性，它与淀粉颗粒的完整性和结晶度密切相关[7]。如表2所示，4 种小米粉的吸水指数和溶胀指数没有表现出显著差异，但半干磨工艺使小米粉具有较高的吸水指数和溶胀指数。Tong Litao等[7]研究发现半干磨大米粉的吸水指数和溶胀指数显著高于干磨大米粉，这与本实验结果相似。在加热处理过程中，小米粉吸收水分发生淀粉糊化和蛋白质变性。半干磨米粉较高的吸水指数可能是由于米粉平均粒径较小，具有与水分结合的更大表面积[11]。溶胀指数用于反映淀粉颗粒的持水能力，是支链淀粉分子的主要特性，淀粉颗粒中支链淀粉分子的结构完整性对颗粒溶胀及其持水性至关重要[14]。半干磨米粉损伤淀粉质量分数较低，因此具有较好的溶胀性（P＞0.05）。润米水分质量分数22%和26%半干磨米粉的水溶指数分别为6.16和6.57，显著低于干磨米粉（8.14）。水溶指数反映了淀粉颗粒在蒸煮过程中的质量损失，与淀粉颗粒的损伤程度密切相关[14]。谷粒在干磨过程中破坏了淀粉颗粒的结晶度，可能使淀粉分子降解，从而导致水溶指数升高[23]。

2.7 磨粉工艺对小米面团中水分状态的影响

水分在面团形成过程中起重要作用，水分存在状态反映了水分和食品中其他组分的相互作用，对于食品的质地、外观、风味和贮藏特性有重要影响[19]。低场核磁共振是应用于食品领域的一项新技术，可以从微观上研究食品内部水分的状态、分布和迁移情况。本实验利用低场核磁共振研究了小米面条中水分的分子特性，用横向弛豫时间T2表示，T2越小，说明水与非水组分的结合越紧密。如图5所示，所检测的面条样品中出现3 个弛豫峰，分别代表着面条中水分的3 种不同存在状态，即T21（0.23～3.00 ms）为强结合水、T22（3～36 ms）为弱结合水、T23（63～252 ms）为自由水。与干磨工艺相比，半干磨小米面团的弛豫峰向左移动，横向弛豫时间变短，该现象表明半干磨工艺使小米面团中水分的自由度降低，水分与蛋白质、淀粉等组分结合能力增强，从而可能会一定程度上改善面条的质构性能和减缓贮藏过程中面条结构的劣变[27]。

2.8 磨粉工艺对小米面条品质的影响

表 3 磨制工艺对小米面条品质的影响Table 3 Effect of milling on the quality attributes of millet noodles

蒸煮损失指蒸煮过程中由面条迁移至蒸煮水中的固体物质总量。蒸煮损失使煮制水变得浑浊，使面条表面发黏，是面条的一项重要质量特性，衡量面条在煮制过程中保持结构完整性的能力[7]。如表3所示，半干磨工艺显著降低了小米面条的蒸煮损失率，润米水分质量分数26%的半干磨面条具有最小的蒸煮损失。干磨小米粉淀粉损伤程度大，表现出较高的水溶性（表2），因此导致小米面条蒸煮损失较大[23]。Tong Litao等[7]采用干法和半干法（30%的润米水分质量分数）磨制大米粉，由其制备的米粉的蒸煮损失率分别为15.29%和8.85%，这与本研究的结果相似。

良好的面条产品应结构紧实，富有弹性、低黏性，有口劲。利用质构仪对面条进行质构分析由于客观性强而应用广泛，研究指标有硬度、弹性、黏附性、内聚性等。面条的黏性一般通过质构测试中的黏附性来表示。内聚性反映了在咀嚼过程中面条结构破坏的程度，内聚性越大，表明面条结构紧实，富有口劲[20]。小米面条的质构特性如表3所示，小米经半干磨后制备的面条在硬度上与干磨没有显著差异，但是黏附性显著低于干磨，而在内聚性和弹性方面显著高于干磨，这表明半干磨小米面条从食用感官角度来讲具有更高的商业应用价值。不同润米水分质量分数的半干磨小米粉制备的面条在质构特性方面没有表现出显著差异，这可能是因为面条配方中加入的谷朊粉改善了面团的黏弹性，从而减弱了不同质量分数润米水分对面条质构的影响。

感官评价最接近消费者的判断，仍然是最可靠的测试，因为它可以评估煮熟面条的整体特征[22]。通过爽滑性、坚实性、咀嚼性、黏牙性和总体可接受性5 项指标对小米面条的食用品质进行感官评价，结果如表3所示。爽滑的面条表面被消费者所喜欢，面条蒸煮后口感也不应该过于坚实或绵软，半干磨小米粉制备的面条在爽滑性和坚实性上与干磨制备的没有显著差异。咀嚼性方面，润米水分质量分数22%和26%的半干磨面条得分更高，表明这2 种面条更有嚼劲。黏牙性定义为咀嚼一条面条后残留在牙齿上的面条量[22]，因此低分值是被期望的，半干磨小米面条的黏牙性分值显著小于干磨，这与质构分析中黏附性的测定结果相一致。感官评价结果表明，4 种小米面条的总体可接受性介于一般与满意之间（3～4 分），润米水分质量分数26%的半干磨面条具有最高的感官评价得分。

2.9 PLSR相关性分析

图 6 PLSR模型的相关性载荷图Fig. 6 Correlation loading plot from PLSR model

为了分析损伤淀粉质量分数和平均粒径对小米粉的功能特性和小米面条质量的影响，本实验选取损伤淀粉质量分数和平均粒径为X变量，其他指标为Y变量，建立PLSR模型，通过交叉验证法得到显著性变量[12]。由图6可知，PLSR主成分1和2解释了100%的X变量（PC1＝85%，PC2＝15%）和83%的Y变量（PC1＝55%，PC2＝28%），说明建模效果良好[29]。除糊化温度外，Y变量均位于内外椭圆之间，表明它们都能很好地被该模型所解释[30]。其中，损伤淀粉质量分数与蒸煮损失、黏附性位置接近，且远离原点，说明呈正相关，因此损伤淀粉质量分数较高的干磨米粉制备的面条表现出更高的蒸煮损失和口感发黏。损失淀粉质量分数与稳定时间、峰值黏度、弹性、内聚性、吸水指数和总体可接受性位于原点两侧，说明呈负相关关系，因此损伤淀粉质量分数较低的半干磨米粉表现出面团稳定时间长、溶胀性好，面条弹性大、有口劲，感官上满意度较高。平均粒径与水溶指数和回生值呈正相关，所以平均粒径小的半干磨米粉表现出对淀粉回生优良的抗性，其制备的面条蒸煮损失小。上述结果一定程度上说明，小米磨制过程中造成的淀粉损伤可能比粒径对小米粉及其加工制品品质有更为重要的影响。鉴于此，在小米粉的制备及其产品的开发中，选择损伤淀粉质量分数较低的润米水分质量分数26%的半干磨工艺更为可行，这与本实验结果也是相符的。

3 结 论

与干法磨制相比，润米水分质量分数22%和26%的半干磨小米粉淀粉损伤程度低，平均粒径较小，表现出较高的淀粉结晶性和较好的结构完整性，由其制备的面团吸水率高，稳定时间长。胶凝特性方面，润米水分质量分数26%的半干磨小米粉在加热过程中吸水能力强，具有较好的溶胀能力，表现为峰值黏度升高，而且对淀粉回生具有更大的抗性。

将小米粉加入到面条配方中，半干磨小米粉增强了小米面条中水分与其他组分的结合能力，且使小米面条在质构上富有弹性、低黏性、有口劲，润米水分质量分数26%的半干磨小米粉制备的面条具有最高的感官得分。干磨小米粉具有高水溶性，因此增加了小米面条的蒸煮损失。

PLSR相关性分析表明，小米磨制过程中造成的淀粉损伤可能比粒径大小对小米粉及其加工制品具有更为重要的影响。因此，淀粉损伤程度最低的润米水分质量分数26%的半干磨工艺可应用于小米粉的制备及其产品的开发。