Effects of Micronization on Morphology and Functional Attributes of Radio Frequency Stabilized Brown Millet and Millet Bran
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摘要: 糙小米和小米糠营养丰富，经稳定化处理后，易于贮运，然而口感不佳使其难以成为被大众接受的食品原料。微粉化可以改变物料的化学和功能特性，可能会提高糙小米和小米糠的质量，改善两者的口感。本文研究了微粉化对新鲜和射频稳定的糙小米和小米糠的形态特性（粒径分布、微观结构和颜色）、功能特性（持油力、持水力、水溶性指数、吸水膨胀性和堆积密度）和多酚、黄酮消化释放性的影响。结果表明，微粉化处理有效减小了样品的粒径，增大了颗粒表面积，显著改善了粉体颜色，影响了样品的微观结构。微粉化处理还增大了糙小米和小米糠的堆积密度，当颗粒尺寸减小到通过150目筛时，新鲜和射频稳定的糙小米和小米糠的堆积密度分别增加13.68%、38.77%和22.50%、25.33%；微粉化减小了样品的持油力和持水力，两项指标随粒径的减小而连续下降。微粉化也提高了糙小米和小米糠抗氧化物质（游离多酚和游离黄酮）的释放性，在消化120 min时，150目新鲜糙小米粉末的肠内游离黄酮释放量比50目粉末增加了70.89%，胃内游离多酚释放量增加了12.22%。本研究表明微粉化可改善糙小米和小米糠的功能和营养特性，为开发糙小米和小米糠微粉化原辅料提供参考与指导。Abstract: Brown millet and millet bran are rich in nutrients. After stabilization treatment, they are easy to store and transport. However, it is difficult for them to be accepted as food ingredients by consumers due to their poor texture and taste. Micronization can alter chemical and functional properties of materials, potentially improving quality of brown millet and millet bran, as well as their taste. This study investigated the effects of micronization on morphology attributes (particle size distribution, microstructure and color), functional attributes (oil binding capacity, water binding capacity, water solubility index, swelling capacity and bulk density), and digestion and release of free polyphenols and flavonoids in fresh and radio frequency (RF) stabilized brown millet and millet bran. The results showed that micronization treatment effectively reduced particle size of the samples, increased particle surface area, significantly improved powder color, and affected their microstructure. Micronization treatment also increased bulk density of brown millet and millet bran. When the particle size was reduced to pass through a 150-mesh sieve, the bulk density of fresh and RF stabilized brown millet and millet bran increased by 13.68%, 38.77% and 22.50%, 25.33%, respectively. Micronization reduced oil binding capacity and water binding capacity of the samples, and both indicators continuously decreased with the decline of particle size. Micronization also improved the release of antioxidant substances (free polyphenols and free flavonoids) from brown millet and millet bran. When digestion for 120 min, the release of free flavonoids in intestine of 150-mesh fresh brown millet powder increased by 70.89% compared with 50-mesh powder, and the release of free polyphenols in stomach increased by 12.22%. This study indicates that micronization can improve functional and nutritional attributes of brown millet and millet bran, offering valuable reference and guidance for the development of micronized raw materials from brown millet and millet bran.
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Keywords:
- brown millet /
- millet bran /
- microstructure /
- functional attributes /
- in vitro simulated digestion
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糙小米是指收获后仅经过去壳加工的小米，没有经过后续的碾米处理。小米糠是小米精加工过程中的主要副产物，约占糙小米质量的9%~12%，营养价值极高，主要含有脂肪、蛋白质、淀粉、膳食纤维、植物甾醇、γ-谷蛋白、多酚化合物和角鲨烯等营养物质[1−2]，小米糠中的营养素种类及含量比例远高于精制小米。然而，小米糠的存在使得糙小米口感不佳，保质期短，经常通过去除营养丰富的小米糠来加工精制小米，而小米糠通常被用作动物饲料，附加值较低。保留小米糠不仅可以提高小米的营养价值，还可提高其附加值，并满足消费者对全谷物食品日益增长的需求。此外，与米糠类似，小米糠也可用于提取小米糠油，或被开发为食品级配料[3]。另外糙小米和小米糠作为一种无麸质原料，在开发低致敏性食品方面也有巨大应用潜力。
然而，糙小米和小米糠稳定性较差，在贮藏过程中容易发生酸败变质，以及被昆虫和霉菌侵染，导致其价值大幅降低。内源性脂肪酶、脂肪氧化酶和高水分活度是糙小米和小米糠酸败变质的主要影响因素，因此，糙小米和小米糠需要在生产后尽快进行钝酶稳定化处理。在众多稳定化处理方法中，射频加热有具有快速整体加热的特点，且有比微波和红外更强的穿透能力[4]，研究已证实热风辅助射频加热技术在谷物钝酶稳定化上具有良好效果[5−6]。射频加热利用频率在1~300 MHz之间的电磁波加热介电材料，电极板之间的交变电场使样品中离子高速振荡迁移和水分子快速旋转，物料内部的分子高速运动引起摩擦，从而产生热量[7]。经热风辅助射频稳定化处理后物料的水分含量降低，微生物安全性更好，更有利于产品贮运。
微粉化技术通过采用机械或流体动力学等外力作用将物料粒径粉碎到微米级别，不仅可以改善产品口感[8]，还可使产品具有更好的溶解性、分散性、吸附性及较高的化学活性，此外，经超微粉碎后产品的乳液稳定性及生物利用度也会得到提高[9]。谷物微粉化可以通过增加颗粒的相对表面积来提高消化率，减少其烹饪时间及抗营养因子，并可改善产品的适口性。Lai等[10]研究了微粉化对麦麸品质的影响，发现当麦麸的平均粒径（D50）从46.08 µm降至26.05 µm时，蛋白质、总酚、总黄酮和脂肪酸含量分别增加了6.72%、23.47%、19.07%和172.88%。Mustac等[11]研究了微粉化小米糠在无麸质面包中的应用，结果表明当小米糠粒径从171 µm降至26~46 µm时，微粉化略微增加了小米糠的抗氧化活性，以及可溶于水和78%乙醇的纤维含量。目前缺乏微粉化对糙小米品质的影响。
本文在前期研究基础上，针对热风辅助射频稳定化处理后的糙小米和小米糠，重点研究微粉化处理对糙小米及小米糠的形态结构和功能特性影响，并采用体外消化模型，研究糙小米及小米糠在胃和肠中不同消化阶段游离多酚和游离黄酮的释放性。为开发糙小米和小米糠微粉原辅料及全谷物小米产品提供技术支持。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
小米 采购于内蒙古佟明阡禾食品有限责任公司；胃蛋白酶（3000 U/g）、胰酶（4000 U/g）、猪胆盐（≥60%） 上海源叶生物科技有限公司；福林酚（生物试剂）、亚硝酸钠、没食子酸、氯化钠、盐酸、氢氧化钠、碳酸钠、氯化铝 以上均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。
DB 511100/T23-2013碾米机 乐山市艾尔特农业机械科技有限公司；GJD-6A-27-JY热风辅助射频加热设备 河北华氏纪元高频设备有限公司；FD-1A-50 冷冻干燥机 北京博医实验仪器有限公司；JP-500C高速粉碎机 久品公司；Sirion 200高分辨场发射扫描电子显微镜 美国FEI公司；E1045离子溅射镀金机 株式会社日立制作所；S3500激光粒度仪 麦奇克技术有限公司；Color Quest XE色度仪 上海信联创作电子有限公司；H2500R高速冷冻离心机 湘仪离心机有限公司；FA-st lab水分活度仪 法国GBX公司；UV-1800紫外分光光度计 日本岛津公司。
1.2 实验方法
1.2.1 小米前处理
小米经碾米机脱壳处理得到实验所需的糙小米。小米糠由糙小米经过两道碾米程序处理后收集。糙小米和小米糠均在碾磨后立刻进行稳定化处理；所有样品放置于聚乙烯（PE）自封袋中，储存在-20 ℃冰箱中，待下一步的实验分析。
1.2.2 热风辅助射频稳定化处理
厚度为6.0 cm的500 g糙小米或400 g小米糠盛放于底部和四面均匀分布有小孔（D=3 mm）的聚丙烯（PP）塑料圆盒（D=15.0 cm，H=6.5 cm）中，置于下极板上进行热风辅助射频稳定化处理。处理过程中的样品温度由荧光光纤测温仪进行实时检测。射频电极板间距为9.5 cm，开启射频后等样品中心温度达到80 ℃时，开启70 ℃的热风，以带走样品表面的水分。基于本团队前期研究，糙小米和小米糠的热风辅助射频稳定化处理条件分别为105 ℃/10 min和115 ℃/10 min。处理结束后取出样品平铺冷却，待冷却至常温后装在PE自封袋中保存于-20 ℃冰箱，测定指标时取出打粉过150目、100目和50目筛。
1.2.3 微粉化处理
采用打粉机对糙小米及小米糠进行研磨。FBM（Fresh brown millet）为新鲜的糙小米，FMB（Fresh millet bran）为新鲜小米糠，RF-BM（Radio frequency stabilized brown millet）为经过热风辅助射频（105 ℃，10 min）稳定化处理的糙小米，RF-MB（Radio frequency stabilized millet bran）为经过热风辅助射频（115 ℃，10 min）稳定化处理的小米糠。
磨粉后通过不同目数的筛网得到不同粒径的样品。在粉碎机中加入200 g糙小米或300 g小米糠，每10 s暂停一次，将样品取出平摊于桌上，增加其与空气的接触面积，待温度降至25 ℃后重复上述操作，摸索条件使得80%的样品能够过筛，得到分别通过50目、100目和150目筛子的FBM，分别命名为FBM-50、FBM-100和FBM-150，RF-BM同理。FMB样品相应地命名为FMB-50、FMB-100和FMB-150，RF-MB同理。FBM-50和RF-BM-50研磨时间为30 s；FMB-50和RF-MB-50研磨时间为10 s；FBM-100、FBM-150、RF-BM-100和RF-BM-150研磨时间为4 min；FMB-100、FMB-150、RF-MB-100和RF-MB-150研磨时间为10 min。
1.2.4 粒径分布测定
取100 g/L样品经超声振荡30 min后，采用激光粒度仪检测样品的相关粒径参数。
1.2.5 微观结构测定
样品被双面导电胶固定在样品台上，氮吹后镀金30 s，随后采用高分辨场发射扫描电子显微镜，在5.0 kV的加速电压下观察样品放大5000倍和10000倍的微观结构。
1.2.6 色度测定
使用色度分析仪测定糙小米和小米糠粉的色度值，校准后分别以FBM和FMB作为对照。色度以CIE L*、a*、b*表示，L*表示亮度，值越大则亮度越大；a*表示红绿值，其值为正数则偏红，负值偏绿；b*表示黄蓝值，正数偏黄而负数偏蓝。样品色差值ΔE通过下式计算：
ΔE=√(L∗−L∗0)2+(a∗−a∗0)2+(b∗−b∗0)2 式中：L∗0，a∗0，b∗0分别为FBM-50或FMB-50的L*值、a*值和b*值；L*、a*、b*分别为不同粒径的糙小米或小米糠粉末的L*值、a*值和b*值。
1.2.7 功能特性测定
持油力（Oil binding capacity，OBC）的测定参照Zhu等[12]的方法。准确称取0.5 g样品于离心管中，加入10 mL大豆油，25 ℃振荡18 h，4000×g离心15 min，除去上清，记录下层沉淀的质量。OBC按照下式计算：
OBC=M1−M0M0 式中：OBC为持油力（g/g）；M0为样品质量（g）；M1为下层沉淀质量（g）。
持水力（Water binding capacity，WBC）参照Zhu等[12]的方法测定并稍做修改。准确称取0.5 g样品于离心管中，加入10 mL蒸馏水，25 ℃振荡18 h，4000×g离心20 min，移除上清，将下层沉淀在105 ℃下干燥至恒重。持水力按照下式计算：
WBC=M4−M3M2 式中：WBC为持水力（g/g）；M2为样品质量（g）；M3为干沉淀质量（g）；M4为湿沉淀质量（g）。
水溶性指数（Water solubility index，WSI）参照Raghavendra等[13]的方法测定。在25 ℃下称取2.5 g样品于50 mL离心管中，加入50 mL蒸馏水以达到5%浓度。80 ℃水浴30 min后，4000×g离心10 min。收集上清液于105 ℃干燥至恒重。WSI按以下公式计算：
WSI=M6M5×100 式中：WSI为水溶性指数（g/100 g）；M5为样品质量（g）；M6为干物质质量（g）。
吸水膨胀性（Swelling capacity，SC）参照Zhu等[12]的方法测定。准确称取0.5 g样品于量筒中，记录样品体积，加入10 mL蒸馏水混合并充分振荡，于室温持续浸泡12 h，记录样品最终体积，并按照下式计算SC：
SC=V2−V1M7 式中：SC为吸水膨胀性（mL/g）；V1为样品初体积（mL）；V2为样品吸水膨胀后的体积（mL）；M7为样品质量（g）。
堆积密度（Bulk density，BD）参照Zhang等[14]的方法进行测定并稍做修改。在量筒中倒入与25 mL等高的样品，并称重。BD由下式计算：
BD=M825×103 式中：BD为堆积密度（kg/m3）；M8为样品质量（g）；25为样品堆积体积（cm3）。
1.2.8 体外模拟消化
体外模拟消化参照Feng等[15]和Yin等[16]的方法并稍加修改。取20 mg/mL胃蛋白酶溶于0.1 mol/L HCl，调整pH至2.5±0.1得到胃液，取12 mg/mL胆盐，2 mg/mL胰酶，7.02 g/L NaCl，调整溶液pH至7.2±0.1得到肠液。取1.0 g样品分别与10 mL肠液或胃液混合，37 ℃水浴分别孵育30、60、90和120 min，加入0.94 mL 40 g/L NaOH终止胃消化反应；以100 ℃水浴终止肠消化反应。
1.2.9 游离总酚和总黄酮含量测定
参考Liao等[5]的方法，过50目筛子的糙小米（1.0 g）和小米糠（200 mg）经冷冻干燥24 h后，用8 mL甲醇分2次（3:1）分别振荡3 h，取上清液定容至5 mL进行后续实验。
测定游离总酚时，反应体系：40 μL糙小米上清液或100 μL小米糠上清液，0.4 mL福林酚试剂和2 mL蒸馏水。体系在760 nm处测定吸光度值，根据不同浓度的没食子酸溶液的吸光度值绘制标准曲线，通过标准曲线得出样品中游离总酚的含量，结果以单位mg没食子酸当量/100 g干样品（mg GAE/100 g DM）表示。
测定游离黄酮时，反应体系：1.75 mL稀释6倍的糙小米上清液或1.6 mL稀释3倍的小米糠上清液，75 μL NaNO2（50 g/L）和75 μL AlCl3（100 g/L）。在510 nm处测定吸光度值，根据不同浓度的儿茶素溶液的吸光度值绘制标准曲线，通过标准曲线得出样品中游离黄酮的含量，结果以单位mg儿茶素当量/100 g干样品（mg catechin eq/100 g DM）表示。
1.3 数据处理
所有实验操作均进行3次重复，结果以平均值±标准差的形式表示。采用EXCEL 2016和SPSS Statistics 20.0软件进行数据处理和分析，显著性差异通过邓肯（Duncan）多重范围检验进行分析（P<0.05）。
2. 结果与分析
2.1 粒径分布
粒径作为衡量微粉化程度的指标，常应用于粉体分级。它不仅影响粉体的颜色和口感，也与其它重要的理化性质有关，如热稳定性、糊化特性和水合特性[17]。表1展示了FBM、RF-BM、FMB和RF-MB经微粉化处理后粒径分布参数的变化。D10、D50和D90分别表示测试颗粒中有10%、50%和90%的颗粒体积直径小于或等于此数值。D50是体积中位数直径，可以近似等于颗粒的平均直径。为评价团聚体的多分散性和均匀性，研究中常用跨度（Span）来衡量粉体的尺寸分布。Span值较小，表明粉体尺寸分布较窄，尺寸较均匀。RF-BM-150样品的Span值显著（P<0.05）高于RF-BM-50，此外，微粉化对各个样品的Span值无显著性影响（P>0.05）。处理后样品的粒径越小所需研磨时间越长，在研磨过程中，可通过延长研磨时间来减小颗粒粒径。FBM-50和RF-BM-50粉体的D50分别为258.05 µm和280.20 µm，进一步微粉化处理后其（FBM-150和RF-BM-150）D50分别降低到17.97 µm和17.29 µm。小米糠经微粉化处理后也有一致的变化规律，FMB-50的D10、D50和D90分别为50.97、191.30和433.25 µm，进一步微粉化处理后（FMB-150）分别减小到了6.31、31.73和72.91 µm。RF-MB-50粉体的D50为169.85 µm，进一步微粉化处理后（RF-MB-150）D50为22.53 µm，下降了87%。糙小米和小米糠50、100和150目微粉总体积90%的粉体颗粒的直径分别分布在330~440、185~300和57~73 µm之间，150目微粉的平均粒径范围在17~32 µm之间，属于微米级尺度。研磨作为微粉化的方法之一，能够有效减小样品粒径。粒径减小增加了粉末的比表面积，可能会导致其抗氧化活性增加，然而，也有可能因研磨破坏其结构，内源性酶被激活，进而对其货架期产生负面影响[18]。
表 1 微粉化处理的糙小米和小米糠的粒径分布Table 1. Particle size distribution of brown millet and millet bran treated with micronization样品 D10（µm） D50（µm） D90（µm） Span FBM-50 65.35±0.45a 258.05±3.15b 398.40±8.20b 1.29±0.01b FBM-100 10.03±0.33g 72.07±2.24g 237.55±3.35e 3.16±0.05ab FBM-150 5.33±0.14hi 17.97±4.34i 57.36±3.06g 2.90±0.55ab RF-BM-50 56.84±0.44b 280.20±5.00a 439.10±9.10a 1.36±0.01b RF-BM-100 12.48±0.25f 86.68±2.55f 300.70±3.20d 3.33±0.13ab RF-BM-150 4.07±0.58i 17.29±5.47i 69.76±3.03g 3.80±1.18a FMB-50 50.97±0.03c 191.30±3.70c 433.25±12.25a 2.00±0.10ab FMB-100 28.81±0.10d 126.70±4.70e 234.65±4.85e 1.62±0.10b FMB-150 6.31±0.54h 31.73±1.68h 72.91±3.09g 2.10±0.00ab RF-MB-50 26.45±0.88e 169.85±8.65d 334.5±12.10c 1.81±0.16b RF-MB-100 11.16±1.12fg 86.07±2.96f 185.20±9.30f 2.02±0.19ab RF-MB-150 4.73±0.46hi 22.53±0.22hi 66.32±6.11g 2.73±0.28ab 注：同列的不同字母表示显著差异（P<0.05），表2、表3同。 图1显示了微粉化糙小米和小米糠的粒径分布曲线。研磨后的糙小米和小米糠的粒径分布主要分布在1~1000 µm范围内。微粉化的曲线整体左移，表明微粉化使得样品颗粒减小，分布曲线整体上呈单峰分布，Span值大部分无显著性变化，表明大部分组别的颗粒粒径大小较集中，微粉化处理后的颗粒均匀性较好。微粉化小米糠的曲线更为集中，各组之间粒径差距小，可能因为其本身就为粉状，微粉化对其粒径影响小于糙小米。
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图 1 微粉化糙小米（a）和小米糠（b）的粒径分布Figure 1. Distributions of particle size for brown millet (a) and millet bran (b) after micronization2.2 微观结构
图2是微粉化处理的糙小米和小米糠的扫描电子显微图像。微粉化处理对糙小米和小米糠整体形貌的影响与热风辅助射频稳定化处理相似，处理后的糙小米和小米糠表面形态发生了明显变化。小粒径样品的显微照片（B、F、D、H）与其相应大粒径样品的显微图片（A、E、C、G）相比，球形颗粒表面更为粗糙，可能是研磨过程中的机械力和摩擦力所致。在相同放大倍数下，明显观察到图B、F、D、H颗粒粒径更小，图中出现了更多不同尺寸的颗粒，饱满颗粒数目减少，多边凹陷的不完整颗粒数目增多，且小颗粒团聚或黏附于大颗粒表面。这表明颗粒被充分破碎，破碎后颗粒粒径减小，正如前节2.1所述，这增加了颗粒表面积，有利于有效成分的暴露，可提高营养物质吸收率[19]。微粉化处理可以有效改变糙小米和小米糠的表面结构和内聚力，原因为机械研磨可以断裂分子间化学键，使其结构由有序无定形转变为无序无定形[20]。
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图 2 微粉化糙小米和小米糠的扫描电子显微镜图注：10000×表示放大倍数为10000倍；5000×表示放大倍数为5000倍。Figure 2. Scanning electron micrographs of brown millet and millet bran after micronization2.3 色度
糙小米和小米糠粉末的色度如表2所示。热风辅助射频稳定化处理对糙小米和小米糠的颜色有不同的影响，显著提高了50目糙小米的L*值，降低了a*值和b*值；与此相反，显著降低了50目小米糠的L*值，提高了a*值和b*值（P<0.05）。射频处理后的糙小米和小米糠颜色变化可能有以下原因[21]：射频过程中热效应引发的非酶促反应，如美拉德反应和焦糖化反应；射频过程中的高温引起酚类物质和重要色素，如胡萝卜素、花青素等物质的降解和聚合。在本实验中，前者的影响力不如后者，热诱导引起的蛋白质展开在美拉德反应过程中起着重要作用，而射频电磁波带来的非热效应增强了蛋白质的折叠[22]，从而减少了美拉德反应。未从颜色上展现出的美拉德反应或许比传统加工更具有优势，同时减少了因美拉德反应而导致的潜在产品安全问题。此外，Yarrakula等[23]的研究表明，小米和小米糠在热处理过程中色素中黄烷醇形成了中间产物对其颜色变化也有贡献。微粉化处理也有相似的效果，微粉化后的糙小米粉，亮度更高，红色和黄色减弱，由黄色变为浅黄色，红色色调的减少会增加消费者的接受度，微粉化处理显著改善了同样为黄色的糙小米粉的颜色。FBM-50的L*值为83.89，a*和b*值分别为2.67和22.62，FBM-100和FBM-150与之相比，总色差值分别为4.64和6.65，RF-BM-50与FBM-50的总色差值为1.53，远低于前者，表明微粉化处理和射频处理均显著影响了糙小米的颜色（P<0.05），但微粉化对糙小米色度的影响更为突出。FMB-50的L*值为66.26，a*和b*值分别为6.16和23.52，与FBM-50相比，亮度更低，红色和黄色更强烈，整体偏深棕色。经微粉化处理后的结果与FBM-50相似，FMB-150的总色差为2.58，RF-MB-50的总色差为3.68，RF-MB微粉之间的色差无显著差异（P>0.05）。微粉化样品具有较高的L*值和较低的a*值，这可能是由于米糠中纤维素和半纤维素的内部结构暴露，从而影响粉末的颜色[24]。
表 2 微粉化处理的糙小米和小米糠的色度Table 2. Color values of brown millet and millet bran after micronization样品 L* a* b* ΔE FBM-50 83.89±0.11e 2.67±0.02a 22.62±0.30a FBM-100 86.89±0.15c 1.67±0.00c 19.22±0.02d 4.64±0.10bc FBM-150 88.78±0.09a 1.28±0.01d 18.33±0.04e 6.65±0.09a RF-BM-50 85.25±0.11d 2.07±0.03b 22.25±0.10b 1.53±0.13d RF-BM-100 87.64±0.01b 1.38±0.02d 19.77±0.05c 4.88±0.01b RF-BM-150 88.00±0.04b 1.33±0.02d 19.80±0.02c 5.16±0.02b FMB-50 66.26±0.24d 6.16±0.02b 23.52±0.09c FMB-100 69.26±0.18b 5.22±0.01d 23.52±0.04c 3.15±0.17b FMB-150 68.63±0.19c 5.15±0.07d 23.55±0.10c 2.58±0.20c RF-MB-50 62.78±0.27e 7.21±0.05a 24.06±0.08b 3.68±0.29ab RF-MB-100 69.68±0.27ab 5.40±0.02c 24.55±0.19a 3.66±0.31ab RF-MB-150 70.18±0.01a 5.37±0.00c 24.60±0.00a 4.15±0.01a 2.4 粉体功能特性
表3显示了微粉化糙小米和小米糠的主要功能特性。小米糠的OBC、WBC、WSI和SC均高于糙小米，因为油结合能力与蛋白质含量呈正相关[25]，而小米糠的蛋白质含量高于糙小米。同时，小米糠中高含量的结构多糖化合物对水合特性具有重要意义[26]。当颗粒粒径减小时，BD和WSI增大，OBC、WBC和SC减小。
表 3 微粉化糙小米和小米糠的功能特性Table 3. Functional attributes of brown millet and millet bran after micronization样品 堆积密度
BD（kg/m3）持水力
WBC（g/g）持油力
OBC（g/g）水溶性指数
WSI（g/100 g）吸水膨胀性
SC（mL/g）FBM-50 600.63±4.30c 1.14±0.01d 0.65±0.01bcd 4.21±0.21cde 1.95±0.25ab FBM-100 635.63±0.00b 1.05±0.04e 0.57±0.05de 4.54±0.54cde 1.85±0.05ab FBM-150 682.81±0.56a 0.94±0.01f 0.58±0.12de 5.94±0.54bcd 1.75±0.55ab RF-BM-50 457.20±5.50h 1.32±0.17c 0.62±0.06cd 2.93±0.35e 2.45±0.05ab RF-BM-100 536.59±5.12ef 0.80±0.04g 0.54±0.02de 3.88±0.12de 1.70±0.10ab RF-BM-150 634.46±3.94b 0.41±0.02h 0.44±0.00e 6.78±1.22bc 1.35±0.05b FMB-50 442.94±5.19i 1.86±0.01a 1.09±0.03a 6.11±0.11bcd 2.55±0.05a FMB-100 522.87±2.18f 1.53±0.03b 0.79±0.07b 8.03±2.03b 2.20±0.20ab FMB-150 542.61±1.32e 1.37±0.02c 0.74±0.04bc 10.71±0.65a 2.05±0.15ab RF-MB-50 485.41±0.01g 1.57±0.01b 1.11±0.07a 3.15±0.85e 2.40±0.80ab RF-MB-100 572.77±1.34d 1.39±0.01c 0.63±0.01cd 5.5±0.50bcde 2.20±0.10ab RF-MB-150 608.38±0.00c 1.02±0.01e 0.53±0.01de 8.21±0.21b 1.85±0.35ab BD反映了粉体的孔隙率，是粉类食品原配料加工和贮运过程中应考虑的关键因素。FBM的平均BD（639.69 kg/m3）显著高于FMB（502.81 kg/m3）。热风辅助射频稳定化处理减小了糙小米的BD，FBM的平均BD减小到542.75 kg/m3，与之相反，经稳定化处理的小米糠的平均BD增加到了555.52 kg/m3。有研究表明BD与水分含量存在反比关系，射频稳定化处理后小米糠粉水分含量降低，颗粒之间处于松散状态，从而BD增加[16,27]。微粉化处理显著增加了糙小米和小米糠的BD（P<0.05），FBM-50、RF-BM-50、FMB-50和RF-MB-50初始BD分别为600.63、457.20、442.94和485.41 kg/m3，随着粒径的减小，BD逐渐增加，分别增加至682.81、634.46、542.61和608.38 kg/m3。微粉化减小了糙小米和小米糠粉之间的孔隙率，有利于节省空间，同时高BD糙小米和小米糠粉可作为良好的膳食纤维来源[16]。
WBC主要与膳食纤维的性质有关，影响产品最终质地，是决定样品在复合食品基质中添加和使用的重要因素，它受到热处理和微粉化的影响。射频后的糙小米和小米糠粉WBC整体上小于新鲜样。FBM的平均WBC由1.04 g/g减小至0.85 g/g，FMB的平均WBC由1.59 g/g减小至1.33 g/g。可能因为稳定后蛋白质由亲水性变成了疏水性[25]。糙小米和小米糠粉的WBC随着粒径的减小而不断减小，FBM和FMB微粉的WBC分别减小了17.54%和26.34%（从50目到150目），微粉化后RF-BM和RF-MB的WBC减小了30%~70%。玉米、小麦、大麦、燕麦和豌豆粗粉的WBC同样大于细粉，这与研磨导致细胞结构分解和细胞壁基质被破坏有关[26]。
OBC是膳食纤维的重要功能指标，它与粉类颗粒蛋白结合脂肪的能力有关，一定程度上决定了产品的口感。其变化趋势与WBC类似，微粉化处理使糙小米和小米糠的OBC减小，其中FBM和RF-BM分别减小了10.77%和29.03%（从50目到150目）。可能由于在研磨和筛分过程中施加的力影响了淀粉和蛋白质分子，降低了其结合水和油的能力，因此OBC随着粒径减小而下降[28]。
WSI与直链淀粉和支链淀粉的比值呈正相关[28]，是用于衡量淀粉大分子降解成可溶性多糖数量的指标。糙小米和小米糠WSI经热风辅助射频稳定化处理后减小，其中FBM-50和FMB-50的WSI分别由 4.21 g/100 g和6.11 g/100 g降至2.93 g/100 g和3.15 g/100 g。WSI的减小表明处理后的样品中可溶性物质减少，可能由于热风辅助射频处理过程中变性的蛋白质在淀粉分子表面形成屏障，影响可溶性分子向外溶出[29]。相似结果也出现在过热蒸汽处理的小麦中[17]。同时有研究表明热处理造成的蛋白质变性会降低WSI[26]。微粉化处理后的糙小米和小米糠的WSI增加，且随着粉末颗粒的减小，逐渐显示出显著差异（P<0.05）。与50目粉末相比，150目的FBM的WSI由4.21 g/100 g增加至5.94 g/100 g，FMB由6.11 g/100 g增加至10.71 g/100 g，RF-BM和RF-MB也有类似变化，WSI分别增加为原来的2.31倍和2.61倍。研磨后的大麦、燕麦和豌豆也有相似的结果[26]。
SC是淀粉或者其它颗粒在过量水中膨胀吸收的水量，主要与直链淀粉和支链淀粉的比例、支链链长等因素有关，同时受到其它结构成分的影响[28]。小米糠的SC比糙小米略高，但不具有显著性差异（P>0.05），且热风辅助射频稳定化处理和微粉化处理对糙小米和小米糠的SC无显著影响（P>0.05）。糙小米和小米糠的SC随着微粉化程度的增加而减小，FBM和FMB的SC分别由1.95、2.55 mL/g减小至1.75、2.05 mL/g（从50目到150目）。微粉化时间过长，糙小米和小米糠的膳食纤维结构被损坏，蛋白质变性，降低了其对水分的束缚力[30]，同时通过改变研磨时间和筛网尺寸来控制粒径，随着粒径的减小，淀粉会受到损害，损伤淀粉含量的增加直接影响了微粉化后的糙小米和小米糠微粉颗粒的水结合能力（WBC和SC）[28]。
热风辅助射频稳定化和微粉化处理对于粉体水合特性和吸附特性的影响主要有：微粉化减小了颗粒粒径，增加了孔隙率和表面积[9]；纤维素暴露表面积增加，纤维内部亲水基团和其他水结合位点暴露[13]；多糖链形成的多孔基质有利于其通过氢键吸附水分，从而增强了水合性能[16]。然而，微粉化也破坏了糙小米和小米糠的蛋白质结构，导致疏水基团暴露；改变了淀粉的多尺度结构，影响直链淀粉和支链淀粉的比例[25]；导致了细胞分解，纤维基质和细胞壁基质的破裂，原有空隙崩塌，这些均造成了水合性能下降[30]。不同原料、不同微粉化方法和设备等实验参数的差异，造成了与性质相关的分子，如纤维、蛋白质、淀粉的含量、比例和结构发生了改变，因此产生了矛盾的粉体颗粒物理特性规律。
2.5 体外模拟胃、肠消化过程中游离多酚和游离黄酮释放
糙小米和小米糠粉在体外模拟消化过程中游离多酚和游离黄酮的释放量分别如图3和图4所示。与游离黄酮释放量相比，游离多酚释放量更高。随着消化时间的延长，糙小米和小米糠微粉与酶接触时间越长，活性成分的释放量也逐渐积累，在前90 min内，微粉活性成分释放量增长最快；在90~120 min期间，除糙小米粉在模拟肠道消化的过程外，样品粉末的游离多酚和游离黄酮在模拟胃和肠道中的释放量均持续增长，这与Yin等[16]的结果一致。模拟消化过程中释放的游离多酚含量高于溶剂提取的含量，可能是因为微粉化处理促进部分酚类物质由原本的结合状态转化为游离状态，微粉化提高了酚类物质的生物可及性。
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图 3 体外模拟消化中糙小米和小米糠粉的游离多酚释放量注：A、a：模拟胃；B、b：模拟肠道；图4同。Figure 3. Free phenolic release from brown millet and millet bran powder during in vitro simulated digestion![]()
图 4 体外模拟消化中糙小米和小米糠粉的游离黄酮释放量Figure 4. Free flavonoid release from brown millet and millet bran powder during in vitro simulated digestion随着粉体粒径的减小，体外模拟消化实验过程中多酚和黄酮的释放量增多。在消化120 min时，FBM-150的肠内游离黄酮释放量比FBM-50增加了70.89%，胃内游离多酚增加了12.22%。在体外淀粉消化过程中出现了相似的结果，随着粒径的减小，暴露于酶的接触相对表面积增加，导致淀粉消化率增加[28]。粒径的减小同样可以增加豌豆、大麦和玉米中淀粉的水解[26]。绿茶经微粉化处理后其抗氧化活性物质如酚类、黄酮类成分的提取含量均有升高[26]。原因是微粉化改变了纤维结构，释放或暴露了与纤维基质相连接的多酚[31]，同时微粉化带来的表面积增加，增加了与酶的接触面积。此外，糙小米和小米糠中存在麸皮，在研磨过程中糊粉层的分解会增加与抗氧化能力有关化合物的可及性[32]。粉体的性质并非随着粒径减小而愈佳，粒径减小到临界尺寸，进一步碾磨不仅增加了经济和时间成本，同时可能无法提高甚至降低消化率和性能，植物细胞壁内的β-葡聚糖的释放量增加或许还会影响胃肠道消化[33]。还有研究表明微粉化可以降低过氧化物酶和脂肪酶活性，提高体外淀粉消化率[34]。
3. 结论
本文主要研究了微粉化处理对新鲜和射频稳定的糙小米和小米糠的粒径分布、色度、颗粒功能特性（持油力、持水力、水溶性指数、吸水溶胀性、堆积密度）和营养特性的影响。结论如下：a.微粉化处理有效减小糙小米和小米糠的粒径，增大颗粒表面积，改善粉体颜色，影响样品微观结构。b.微粉化处理增大了糙小米和小米糠的堆积密度和水溶性指数，减小了持油力、持水力和吸水膨胀性，提高了糙小米和小米糠抗氧化物质（游离多酚和游离黄酮）的释放量，为开发糙小米和小米糠微粉化原辅料提供了参考。
本文采用的微粉化机械碾磨方法，摩擦生热现象严重，间歇式粉碎不仅加长了处理时间，降温效果也有待提高，若能综合湿法微粉化和干法微粉化的优点，进行分段微粉化处理，或许会有更好效果。
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图 1 微粉化糙小米（a）和小米糠（b）的粒径分布
Figure 1. Distributions of particle size for brown millet (a) and millet bran (b) after micronization
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图 2 微粉化糙小米和小米糠的扫描电子显微镜图
注：10000×表示放大倍数为10000倍；5000×表示放大倍数为5000倍。
Figure 2. Scanning electron micrographs of brown millet and millet bran after micronization
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图 3 体外模拟消化中糙小米和小米糠粉的游离多酚释放量
注：A、a：模拟胃；B、b：模拟肠道；图4同。
Figure 3. Free phenolic release from brown millet and millet bran powder during in vitro simulated digestion
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图 4 体外模拟消化中糙小米和小米糠粉的游离黄酮释放量
Figure 4. Free flavonoid release from brown millet and millet bran powder during in vitro simulated digestion
表 1 微粉化处理的糙小米和小米糠的粒径分布
Table 1 Particle size distribution of brown millet and millet bran treated with micronization
样品 D10（µm） D50（µm） D90（µm） Span FBM-50 65.35±0.45a 258.05±3.15b 398.40±8.20b 1.29±0.01b FBM-100 10.03±0.33g 72.07±2.24g 237.55±3.35e 3.16±0.05ab FBM-150 5.33±0.14hi 17.97±4.34i 57.36±3.06g 2.90±0.55ab RF-BM-50 56.84±0.44b 280.20±5.00a 439.10±9.10a 1.36±0.01b RF-BM-100 12.48±0.25f 86.68±2.55f 300.70±3.20d 3.33±0.13ab RF-BM-150 4.07±0.58i 17.29±5.47i 69.76±3.03g 3.80±1.18a FMB-50 50.97±0.03c 191.30±3.70c 433.25±12.25a 2.00±0.10ab FMB-100 28.81±0.10d 126.70±4.70e 234.65±4.85e 1.62±0.10b FMB-150 6.31±0.54h 31.73±1.68h 72.91±3.09g 2.10±0.00ab RF-MB-50 26.45±0.88e 169.85±8.65d 334.5±12.10c 1.81±0.16b RF-MB-100 11.16±1.12fg 86.07±2.96f 185.20±9.30f 2.02±0.19ab RF-MB-150 4.73±0.46hi 22.53±0.22hi 66.32±6.11g 2.73±0.28ab 注：同列的不同字母表示显著差异（P<0.05），表2、表3同。 
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表 2 微粉化处理的糙小米和小米糠的色度
Table 2 Color values of brown millet and millet bran after micronization
样品 L* a* b* ΔE FBM-50 83.89±0.11e 2.67±0.02a 22.62±0.30a FBM-100 86.89±0.15c 1.67±0.00c 19.22±0.02d 4.64±0.10bc FBM-150 88.78±0.09a 1.28±0.01d 18.33±0.04e 6.65±0.09a RF-BM-50 85.25±0.11d 2.07±0.03b 22.25±0.10b 1.53±0.13d RF-BM-100 87.64±0.01b 1.38±0.02d 19.77±0.05c 4.88±0.01b RF-BM-150 88.00±0.04b 1.33±0.02d 19.80±0.02c 5.16±0.02b FMB-50 66.26±0.24d 6.16±0.02b 23.52±0.09c FMB-100 69.26±0.18b 5.22±0.01d 23.52±0.04c 3.15±0.17b FMB-150 68.63±0.19c 5.15±0.07d 23.55±0.10c 2.58±0.20c RF-MB-50 62.78±0.27e 7.21±0.05a 24.06±0.08b 3.68±0.29ab RF-MB-100 69.68±0.27ab 5.40±0.02c 24.55±0.19a 3.66±0.31ab RF-MB-150 70.18±0.01a 5.37±0.00c 24.60±0.00a 4.15±0.01a
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表 3 微粉化糙小米和小米糠的功能特性
Table 3 Functional attributes of brown millet and millet bran after micronization
样品 堆积密度
BD（kg/m3）持水力
WBC（g/g）持油力
OBC（g/g）水溶性指数
WSI（g/100 g）吸水膨胀性
SC（mL/g）FBM-50 600.63±4.30c 1.14±0.01d 0.65±0.01bcd 4.21±0.21cde 1.95±0.25ab FBM-100 635.63±0.00b 1.05±0.04e 0.57±0.05de 4.54±0.54cde 1.85±0.05ab FBM-150 682.81±0.56a 0.94±0.01f 0.58±0.12de 5.94±0.54bcd 1.75±0.55ab RF-BM-50 457.20±5.50h 1.32±0.17c 0.62±0.06cd 2.93±0.35e 2.45±0.05ab RF-BM-100 536.59±5.12ef 0.80±0.04g 0.54±0.02de 3.88±0.12de 1.70±0.10ab RF-BM-150 634.46±3.94b 0.41±0.02h 0.44±0.00e 6.78±1.22bc 1.35±0.05b FMB-50 442.94±5.19i 1.86±0.01a 1.09±0.03a 6.11±0.11bcd 2.55±0.05a FMB-100 522.87±2.18f 1.53±0.03b 0.79±0.07b 8.03±2.03b 2.20±0.20ab FMB-150 542.61±1.32e 1.37±0.02c 0.74±0.04bc 10.71±0.65a 2.05±0.15ab RF-MB-50 485.41±0.01g 1.57±0.01b 1.11±0.07a 3.15±0.85e 2.40±0.80ab RF-MB-100 572.77±1.34d 1.39±0.01c 0.63±0.01cd 5.5±0.50bcde 2.20±0.10ab RF-MB-150 608.38±0.00c 1.02±0.01e 0.53±0.01de 8.21±0.21b 1.85±0.35ab
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