小米粉在水和牛奶中稳定性参数及糊化特性的探究

李 苒,刘少伟,秦 天,蔡婉静,张 健

(华东理工大学生物工程学院食品科学与工程系,国家生物反应器重点实验室，上海 200237)

小米是一种种植简单、营养价值高的粮食作物。众多研究表明,小米的品种、处理方式不同会造成小米成分、口感、性质的变化[15]。另外,谷物饮料近年来成为研究热点,关于小米饮料的研究也取得了一定的进展[69]。然而,小米饮料的相关研究多是通过添加稳定剂来使小米在溶液中获得较好的稳定性[1012],忽略了小米自身稳定性的作用。因此,本文通过比较不同熟化处理的小米粉、不同粒径的小米粉在不同体系中的稳定性,得到一定的规律和启发。

常用的熟化方式包括炒、烤、微波、蒸、煮等。糊化程度与小米的加热温度和时间有着直接的联系[13]。一方面,在糊化过程中淀粉颗粒膨胀、吸水,直链淀粉被沥出,最突出的表观现象是粘度发生变化。因此,粘度的变化可以部分体现样品直链淀粉与支链淀粉含量关系。另一方面,由于淀粉的结构、相对含量发生变化,小米粉的稳定性也会有不同的的变化。近年来,测定淀粉粘度的方法多种多样,其中,布拉本德粘度仪的应用十分广泛,是世界淀粉行业通用的一种评价淀粉糊化的手段[1415]。

本文将小米进行炒、烤、微波等熟化处理后粉碎,分别过40、60、80、100和140目标准筛得到粒径不同的小米粉,分别在水中、牛奶中测定其稳定性参数,横向比较不同处理方法、不同粒径、不同体系中小米粉的稳定性。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

杭州小米 沃尔玛超市;伊利牛奶(无菌枕);实验所用水 均为去离子水。

电磁炉 广东美的电器股份有限公司;SM-603T型烤箱 SINMAG;G80D23CN2LG1(R0)型微波炉 广东格兰仕企业(集团)有限公司;高速万能粉碎机 上海顶帅电器有限公司;分子筛;CP213型电子分析天平 奥豪斯仪器(上海)有限公司;DHG9123A型电热恒温鼓风干燥箱 上海齐欣科学仪器有限公司;JB90S型电动搅拌器 上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司;HWS24型电热恒温水浴锅 上海一恒科学仪器有限公司;离心机 上海安亭科学代理仪器厂;布拉本德粘度仪 GmbH & Co.KG;差示量热扫描仪 岛津公司。

1.2 实验方法

1.2.1 小米的前处理

1.2.1.1 小米的净化 小米除去糠皮、尘土等。

1.2.1.2 小米的熟化与研磨炒制 冷锅时放入净化后的小米,以1000 W的功率炒10 min左右。炒制以产生良好的香味但不烧焦为标准。

焙烤:在洁净的烤盘中均匀平铺一层厚度约为0.5 cm的净化后的小米。烤箱的中层设置为上火温度160 ℃,下火温度180 ℃,待温度稳定后放入烤盘。烤制30 min。烤后取出。烤制以产生很好的香味但不烤焦为标准。

微波:在托盘中均匀平铺薄薄的一层(约2 mm)净化后的小米,800 W微波5 min。微波后取出,以产生良好的香味但不焦为标准。

对照:未经加工处理的小米粉。

将炒制、焙烤、微波和对照的小米用高速万能粉碎机研磨,分别进行粗粉碎、细粉碎。并将小米粉分别过40、60、80、100、140目标准筛。

1.2.2 小米粉糊化特性的检测 使用布拉本德粘度仪,模式为corn starch,对小米粉的糊化特性进行检测。准确称取12 g小米粉于烧杯中,加入去离子水使小米粉与水的总质量为100 g,搅拌形成均匀悬浮液,然后进行检测。设置实验参数:降温速率和升温速率均为7.5 ℃/min;温度由30 ℃升温到93 ℃,在93 ℃保持5 min,然后降温至50 ℃,保持1 min。每组样品做三组平行实验,实验结果取平均值。

1.2.3 小米粉稳定性参数的测定 本实验用来衡量小米粉物理稳定性的参数包括冲调稳定性、冲调结块率、吸水指数和水溶性指数。

1.2.3.1 冲调稳定性参数测定 称取10 g小米粉样品,置于50 mL的洁净烧杯中,加入80～90 ℃水90 mL,以500 r/min的速率搅拌5 min,得到均匀的悬浮液,将悬浮液转移至100 mL量筒中,静止10 min,测量上清液高度h1和冲调液总高度h,按下式计算k值:

式(1)

式中,h1为上清液高度(cm);h为冲调液总高度(cm)。

按行业惯例,若k<0.05,则冲调稳定性较好[16]。

1.2.3.2 冲调结块率测定 称取10 g小米粉样品于400 mL玻璃烧杯中,加80 ℃水90 mL,静止10 min;将冲调液加水稀释2倍;用恒重过的20目筛网(重量m1)过滤小米粉悬浮液。将装有小米粉的筛网干燥、恒重,记重量m2[17]。

按照下式计算结块率(Q):

式(2)

式中,m0为小米粉的重量,g;m1为烘干后的空20目筛网的重量,g;m2为烘干后的20目筛网和小米粉的重量,g。

1.2.3.3 水中吸水指数(WAI)和水溶性指数(WSI)的测定 称取干基为2.50 g的小米粉,记重量为W0,放入已知重量(W1)的50 mL塑料带盖的离心管中,加入35 mL去离子水,搅拌至膨化物形成悬浮液;将悬浮液在30 ℃水浴中保温30 min,间歇性搅拌;在离心机上以3000 r/min的速度离心15 min,分离上清液和沉淀物。

取已知重量的洁净玻璃皿,干燥至恒重,记空玻璃皿质量为W2。将离心好的上清液慢慢倒入玻璃皿中,以105 ℃的温度在烘箱中烘干并称重,记重量为W3。同时,对离心管和沉淀凝胶进行称量,记重量为W4[1819]。

按照下式计算水溶性指数和吸水指数:

水溶性指数(WSI,%,干基)=(W3W2)/W0×100

式(3)

式(4)

1.2.3.4 牛奶中的吸水指数和水溶性指数的测定 牛奶中除水分外还有很多复杂的成分,因此,小米粉在牛奶中的吸水指数和水溶性指数的测定稍不同于小米粉在水中的吸水指数和水溶性指数的测定。

称取干基为2.50 g的小米粉,记重量为W0,放入已知重量(W1)的50 mL塑料带盖的离心管中,加入35 mL牛奶,按照1.2.3.3所述方法离心。

取已知重量的洁净玻璃皿,干燥恒重,记空玻璃皿质量为W2。将上清液慢慢倒入玻璃皿中,记重量为W3,并测量体积(V),在体积基本保持不变的前提下所得到的实验数据是可信的。同时,对离心管及沉淀的凝胶重量进行称量,记重量为W4,用天平测量35 mL牛奶的重量,记为W5,按照下式计算水溶性指数和吸水指数:

水溶性指数(WSI,%,干基)=(W3W2W5)/W0×100

式(5)

式(6)

1.2.4 数据统计分析 每组样品做三组平行实验,实验结果以平均值±标准差表示。通过Origin 9.0软件对数据进行统计处理。

2 结果与分析

以80目小米粉为例进行2.1和2.2的实验。其他粒径的实验结果与此相近,不做一一列出。

2.1 熟化处理方法对小米粉糊化特性的影响

峰值温度反映了淀粉完全糊化所需要的能量;峰值粘度反映了淀粉在蒸煮过程中达到的粘度。崩解值反映了淀粉在温度和剪切力的作用下的耐受能力;回生值反映了淀粉在冷却时浓度增加的能力。由表1可知，炒小米粉峰值温度最高,为90.5 ℃,说明淀粉完全糊化所需要的能量最多。烤小米粉的崩解值最小,为87 BU,说明烤处理的小米粉对温度和剪切力的耐受能力强,稳定性好。回生值按照炒、烤、微波、对照的顺序依次递减,说明淀粉在冷却时,浓度增加的能力按照炒、烤、微波、对照的顺序依次降低。

表1 处理方法对小米粉的糊化特性的影响Table 1 The gelatinization properties of millet powder with different handling methods

熟化处理的方法会对淀粉的结构和性质有一定影响[2021]。影响淀粉糊化的因素有很多,其中最重要的是淀粉粒中直链淀粉与支链淀粉的比例,其次是温度、水分活度、淀粉中其他共存物质和pH等。在本实验中,实验温度和pH保持不变,水分活度已经通过计算干物质的含量得到校正,因此,淀粉的糊化特性在很大程度上反映了直链淀粉与支链淀粉含量的多少[22]。淀粉中的直链淀粉在糊化后较支链淀粉容易回生,并且直链淀粉含量越高,淀粉越容易回生;炒小米粉和烤小米粉的回生值较大,推测直链淀粉含量可能略高于微波小米粉和未经熟化处理的小米粉。

2.2 处理方法对小米粉稳定性的影响

表2数据表明,小米粉的冲调稳定性参数按照炒、烤、微波、对照的顺序依次增加,冲调稳定性参数越大,冲调稳定性越差。结合小米淀粉的回生值,可以发现,由于烤小米粉和炒小米粉中淀粉的回生能力较强,冷却时淀粉浓度增加,粘稠度也相应增加,使得悬浮液体系中的悬浮物质沉降速率降低,从而获得较好的冲调稳定性。

表2 炒、烤、微波、对照小米粉的稳定性参数Table 2 The stability parameters of fried,baked,microwaved and raw millet powder

小米粉的冲调结块率与冲调稳定性有相同的变化规律。冲调稳定性是表征粉末状固体在溶液中的分层情况,而冲调结块率是表征粉末状固体在溶液中结块的情况,二者表征的物理性质有着极为相似的地方,两个参数表现出了相同的结果。

吸水指数反映了样品的亲水性。四种样品按照炒、烤、微波、对照的顺序,亲水性依次下降。小米中对吸水性起主要作用的有淀粉、蛋白质和纤维素,而这三者的亲水性大小依次为蛋白质>淀粉>纤维素[2324]。

水溶性指数反映了样品在溶剂中的分散性。四种样品按照对照、炒、烤、微波的顺序依次下降,且经过熟化处理后的小米粉在水中的分散性下降。这可能是因为加热使蛋白质肽链松散,大部分疏水基团暴露在肽链外部,使得蛋白质的溶解性下降[25]。

2.3 粒径对小米粉糊化特性的影响

表3表明,峰值温度随着小料粉粒径的减小而降低。小米粉粒径越小,需要的能量也就越小,越容易完全糊化。峰值粘度和崩解值随着炒小米粉粒径减小而增加,这一结论与梁丽松等[26]的结论一致。这说明,对于炒小米粉来说,峰值粘度、崩解值会随着粒径的降低而增加。从峰值粘度看出,小米粉的粒径越小,能够达到的粘度也就越高。小米粉的粒径越小,对温度和剪切力的耐受能力则越弱,稳定性越差。在该样品测试中,随着小米粉粒径减少，回生值与最终粘度均呈现出先下降在上升的趋势。可以推断,在40～140目之间,会出现至少一个峰值,使得淀粉的回生能力最弱,冷却时淀粉浓度增加的能力越弱。烤小米粉与炒小米粉在这些方面有着相同的结论,在此不予赘述。

表3 不同粒径炒小米粉的糊化特性Table 3 The gelatinization properties of fried millet powder in different meshes

微波处理后的小米粉与炒和烤小米粉略有不同。表4表明,微波处理后的小米粉的峰值温度随着粒径的减小呈下降趋势;在温度和剪切力的作用下的耐受能力越弱,稳定性越差。但是峰值粘度却呈现出先增大后减小的趋势。回生值依然呈现出先减小后增大的趋势,表明在40～140目之间,有一点使得淀粉的回生能力最弱,冷却时淀粉浓度增加的能力越弱。最终粘度随粒径的减小而降低。

表4 不同粒径微波处理小米粉的糊化特性Table 4 The gelatinization properties of baked millet powder in different meshes

2.4 粒径对小米粉稳定性的影响

研究发现,炒、烤、微波产生的实验规律相同,故此处只对炒小米粉进行稳定性分析。

2.4.1 冲调稳定性测定 从图1中的数据可以看出,随着粒径的减小,冲调稳定性参数降低,且粒径较小时,样品的冲调稳定性参数都很小,稳定性很好。原因可能是表面积会影响到颗粒的沉降速率。

图1 不同粒径小米粉的冲调稳定性Fig.1 The resolvent stability of millet powder in different meshes

表面积间接反映了颗粒受到的物理化学作用与重力作用的相对大小。颗粒越小,比表面积越大,重力对颗粒的影响越小,因此颗粒沉降速度慢,稳定性好。当粒径较大时,颗粒的比表面积较小,更容易受到重力的影响,因此沉降速度快,稳定性差。这解释了图1粒径较小时稳定性好,粒径较大时稳定性差的现象。

2.4.2 冲调结块率测定 从图2中的数据可以看出,随着粒径的减小,结块率减小。说明粒径变小后,颗粒的持水能力增加。这是因为在冲调时,部分颗粒先与水分子接触,熟化的淀粉吸水膨胀;由于直径小的颗粒比表面积比较大,吸水膨胀后,比表面积会大幅度减小,造成了粉体自身分子引力与静电引力作用减小,相比较大直径颗粒,粉粒的流动更自由,受到的影响更小,因此不容易结块。但是冉新炎[17]在玉米冲调粉研究中得出了和本实验相反的结论。原因可能是冉新炎的样品是经过膨化处理的玉米粉,膨化作用使得样品具有了蜂窝状的结构,过度粉化后这种膨化蜂窝状结构被破坏,持水能力降低。此外,膨化过程中会发生复杂的化学变化,这对样品的结块率也有着重要的影响。

图2 不同粒径小米粉的冲调结块率Fig.2 The caking rate of millet powder in different meshes

在实验中发现,粒径大的小米粉结块率高,形成的糊状物外观粗糙,均匀性差,但是水分子的渗透性好于粒径小的小米粉。实验结束时,有些粉状物外表虽然湿润,成为了糊化层,但是内部却包裹了干粉。只是这种包裹了干粉的糊状物直径比较小,能够透过20目的分子筛。

2.4.3 吸水指数和水溶性指数测定 从图3可知熟化处理过的小米粉的吸水指数都大于未经过熟化处理的小米粉,与前面的结论相吻合。这说明熟化处理可以增加小米粉的亲水性。从图4中可以看出,随着粒径的减小,小米粉的水溶性增加。熟化处理会降低小米粉在水中溶解的能力。

图3 不同粒径小米粉的吸水指数Fig.3 The injectivity index of millet powder in different meshes

图4 不同粒径小米粉的水溶性指数Fig.4 The water soluble index of millet powder in different meshes

2.5 小米粉在不同体系下的稳定性

2.5.1 处理方法对不同体系下小米稳定性的影响 以80目小米粉为例,比较不同处理方法下的小米粉在水中和牛奶中的稳定性参数。

从表5出,小米粉在牛奶中的冲调稳定性参数大于水中的冲调稳定性参数,说明小米粉在水中的稳定性较好,但是在牛奶中的结块率却比较低。牛奶中的吸水指数要小于水中的吸水指数,牛奶中的水溶性指数相比水中要明显增加。说明小米粉在牛奶中更不容易结块,容易混合均匀。

表5 不同处理方法的小米粉在不同体系中的稳定性参数Table 5 The stability parameters of millet powder with different handing methods in different systems

2.5.2 粒径对不同体系下小米粉稳定性参数的影响

2.5.2.1 冲调稳定性测定 由图5,炒小米粉在牛奶中和水中的冲调稳定性随着粒径的减小而增强,同时,粒径小于80目时,小米粉在牛奶中的稳定性急速上升。这表明,当粒径足够细时,小米粉在牛奶中和在水中的冲调稳定性并无明显差距。甚至当粒径小于80目时,小米粉在牛奶中的冲调稳定性比在水中的要好。

图5 炒小米粉在水中和在牛奶中的冲调稳定性Fig.5 The resolvent stability of fried millet powder in water and milk

2.5.2.2 冲调结块率测定 由图6能够发现,炒小米粉在牛奶中和水中的结块率随着粒径的减小而降低。

图6 炒小米粉在水中和在牛奶中的冲调结块率Fig.6 The caking rate of fried millet powder in water and milk

2.5.2.3 吸水指数和水溶性指数测定 由图7能够发现,炒小米粉粒径对吸水指数的影响较弱,并无明显的线性关系;但在水中的吸水指数永远高于在牛奶中的吸水指数。这可能是因为牛奶中除了含有亲水基团外,还含有很多疏水基团。水分子包裹了小油滴,形成了水包油体系。在水包油体系中,体系仍表现为水的性质,但是由于油滴的存在削弱了水的性质,从而造成小米粉在牛奶中的吸水指数下降。

图7 炒小米粉在水中和在牛奶中的吸水指数Fig.7 The injectivity index of fried millet powder in water and milk

由图8可知,炒小米粉在牛奶中和水中的水溶性指数呈现上升趋势,并且在牛奶中的水溶性指数(0.4～0.6)远高于在水中的水溶性指数(<0.1)。这可能是因为牛奶的水包油体系中含有大量的疏水基团,在小米粉中,除了含有亲水物质外,也同样含有大量的油脂类疏水物质。这样的成分使得小米粉与牛奶的体系更加接近,因此在牛奶中的溶解能力更强。

图8 炒小米粉在水中和在牛奶中的水溶性指数指数Fig.8 The water soluble index of fried millet powder in water and milk

3 结论

本实验采用炒、烤、微波三种熟化处理的方法对小米进行熟化,熟化后经粉碎处理,测得小米粉的粘度特征和在水中和牛奶中的冲调稳定性、冲调结块率、吸水指数、水溶性指数。熟化能够使小米粉在水中和牛奶中的分散性下降。当对粉的稳定性要求较高时,可以采用80目以上的小米粉。相比在水中,小米粉在牛奶中更不容易结块,稳定性好,容易混合均匀。

为了得到更加准确的实验结论,在未来的研究中,可以利用红外光谱进一步研究小米粉中的淀粉中直链淀粉和支链淀粉的成分和变化情况。小米粉中其他的成分也会对小米粉的以上性质产生影响,因此,其他成分诸如蛋白质、纤维素的变化等也是值得探究的。牛奶水包油体系对小米粉的影响也可以再进行一些实验探究。

[1]DINESH C,SATISH C,PALLAVI,et al. Review of Finger millet(Eleusinecoracana(L.)Gaertn):A power house of health benefiting nutrients[J]. Food Science and Human Wellness,2016,5(3):149155.

[2]孙翠霞,郭晓冬,李颖,等.不同品种小米淀粉品质特性研究[J]. 粮食与油脂,2012,25(5):1013.

[3]巩敏,席亭亭,孙翠霞,等.小米挤压膨化特性的差异及相关性分析[J]. 粮油食品科技,2013,21(5):47.

[4]赵学伟,魏益民.顺序提取小米主要组分对挤压膨化产品特性的影响[J]. 粮食与饲料工业,2014(8):1317.

[5]ADEWALE O O,ISAAC O I,IFEOLUWA O A,et al. Nutritional and physicochemical properties of flour from native and roasted whole grain pearl millet(Pennisetumglaucum[L.]R. Br.)[J]. Journal of Cereal Science,2016,70:247252.

[6]曾友明,丁泉水,罗武泉,等.小米牛奶的研制[J].中国乳品工业,2005,33(1):2223.

[7]昝双双,孙丰梅,兰凤英,等.小米饮料的研制[J].农业与技术,2015,35(5):3335,52.

[8]张爱霞,刘敬科,赵巍,等.无醇小米饮料的研制与营养分析[J].河北农业科学,2016,20(1):811.

[9]魏清秀,郭成宇.大豆小米饮料生产工艺的研究[J].江苏调味副食品,2016(4):3235,44.

[10]张桂芳,陈羽红,郭希娟,等.小米饮料稳定性的研究[J].食品研究与开发,2016,37(12):1013.

[11]孙蕾,沈群.小米饮料的最佳液化、糖化及稳定条件研究[J].食品工业科技,2012,33(13):220223,227.

[12]郑坚强,彭新榜.小米杂粮无糖酸乳制品研究[J].湖北农业科学,2014,53(1):157159.

[13]SUN Q,GONG M,LI Y,et al. Effect of dry heat treatment on the physicochemical properties and structure of proso millet flour and starch[J]. Carbohydrate Polymers，2014,110(22):128134.

[14]叶为标.淀粉糊化及其检测方法[J].粮食与油脂,2009(1):710.

[15]张森,张春华.糊化度测定方法的研究及进展[J].粮食与饲料工业,2014(3):5254.

[16]马涛,卢镜竹. 提高挤压膨化糙米粉的冲调分散性[J].食品工业科技,2012,33(5):277279,284.

[17]冉新炎.高蛋白玉米冲调粉的制备与性质研究[D].泰安:山东农业大学，2012:1632.

[18]SHAIKH M,ALI T M,HASNAIN A,Post succinylation effects on morphological,functional and textural characteristics of acidthinned pearl millet starches[J].Journal of Cereal Science,2015,63:5763.

[19]OLUGBENGA O A. Optimization of the functional characteristics,pasting and rheological properties of pearl millet-based composite flour[J]. Heliyon，2017,2(3):117.

[20]ASMEDA R,NOORLAILA A,NORZIAH M H.Relationships of damaged starch granules and particle size distribution with pasting and thermal profiles of milled MR263 rice flour[J]. Food Chemistry,2016,191(15):4551.

[21]黄强,王婵,罗发兴,等. 玉米淀粉的热力学性质与消化性[J]. 华南理工大学学报：自然科学版,2011,39(9):711.

[22]MADHUSUDHAN B,THARANATHAN R N. Structural studies of linear and branched fractions of chickpea and finger millet starches[J]. Carbohydrate Research,1996,284(1):101109.

[23]郭凤仙. 热处理对大豆分离蛋白结构及功能特性的影响[D].无锡:江南大学,2009:118.

[24]COLIVETA J,CARVALHO R A. Hydrophilicity and physicochemical properties of chemically modified cassava starch films[J]. Industrial Crops and Products,2017,95:599607.

[25]任为聪,程建军,张智宇,等.高温变性豆粕酶改性过程中蛋白质结构的变化[J].食品与发酵工业,2011,37(4)：4247.

[26]梁丽松,徐娟,王贵禧.板栗淀粉糊化特性与淀粉粒粒径及直链淀粉含量的关系[J].中国农业科学,2009,42(1):251260.