小米（Foxtail millet）属禾本科，是世界上第六大谷物，主要种植于干旱地区[1]。小米富含淀粉、蛋白质、脂质、膳食纤维和许多微量元素，如Ca、Fe、Mg[2]。长期食用小米对人体健康具有益处，如抗溃疡、抗炎、抗氧化特性等[3]。与其他谷物相比，小米降低了对碳水化合物的消化和吸收，可降低Ⅱ型糖尿病患病风险[4]。此外，小米无谷蛋白，适合乳糜泻患者食用。因其具有种种益处，小米产品的开发成为当前研究热点。
超高压（High Hydrostatic Pressure，HHP）技术，指在100～1 000 MPa压力下利用液体介质瞬时均匀传播压力于食品，改变食品组分的非共价键，使高分子物质结构随之改变，从而起到改性目的[5]。HHP最初是一种巴氏杀菌的潜在替代方法，后研究发现其只作用于非共价键的特性开始广泛应用于食品加工中[6]。目前，HHP作为一种重要的物理改性技术，在谷物加工方面主要用于蛋白质和淀粉变性、灭菌等。高压可以诱导淀粉的凝胶化，与热凝胶化淀粉相比，压力凝胶化淀粉具有不同的性质，可用于开发特殊人群食品和运输营养物质的载体[7]。高压处理米粉和玉米淀粉后抗性淀粉含量增加，可提高无谷蛋白面包的质量，以帮助乳糜泻患者[8]。小麦-燕麦复合粉经HHP加工后可降低面条断条率和蒸煮损失，提高其品质[9]。目前关于超高压处理对小米理化特性的影响研究较少，主要集中在单一成分淀粉或蛋白质的研究上，针对小米粉的研究甚少，本研究利用超高压技术处理小米后，采用粒径分析、扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱等对小米粉理化特性进行测定，为小米开发和应用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 主要材料与试剂
小米：山西省晋谷21号商品小米；KBr：Sigma-Aldrich公司。
1.2 主要仪器与设备
SSH-实验机三水河超高压食品灭菌设备：中国山西力德福技术有限公司；TGM-100型超微粉碎机：上海田岗机械制造有限公司；HELOS-OASIS干湿二合一激光粒度仪：德国新帕克公司；JSM-7500F冷场发射扫描电子显微镜：日本电子公司；Tesor-27 FTIR光谱仪、BRUCKER D8 ADVANCE X射线衍射仪：德国布鲁克公司；MCR-102电磁流变仪：安东帕（上海）商贸有限公司。
1.3 实验条件
1.3.1 超高压（HHP）处理
将小米和水（比例为1∶1，1∶2，w/w）包装在聚乙烯塑料袋中,去除水泡以减少泄露的风险。将样品置于三水河SHPP-10LHHP容器中，浸入加压介质（自来水）中。循环水系统的控制温度为25 ℃，压力增长率为200 MPa/min。样品在600 MPa下分别处理15 min, 30 min。HHP处理后，所有样品放入冷冻室（-20 ℃）并冻干，将冻干后的小米经过超微粉碎成粉末备用。对照组原粉由小米超微粉碎获得。
1.3.2 小米粉粒径的测定
使用激光粒径衍射仪对样品进行干法粒度分析。样品的粉碎条件保持一致，样品分散度为1%加到比色皿中，粒径的测量范围为0.1～35 μm，用分析仪上的软件计算不同尺寸颗粒的百分比。
1.3.3 扫描电子显微镜
采用JSM-7500F扫描电子显微镜进行扫描电镜（SEM），获得小米粉在HHP处理前后的微观结构图像。将导电胶贴于扫描电子显微镜的载物台上，用取样器粘取少量样品涂匀，用吸耳球吹去多余样品。在高真空下溅射镀金和钯。电子束的加速电压为10 kV。
1.3.4 傅里叶变换红外光谱
将小米粉与溴化钾以1∶200（w/w）的比例进行混合，研磨压片，在傅立叶红外光谱仪上进行扫描测定。FTIR光谱采用Tesor 27 FTIR光谱仪收集，波长范围为4 000～400 cm-1，32次扫描，分辨率为4 cm-1，使用Peakfit4.12 软件进行分析。通过寻峰读取波数为1 047 cm-1和1 022 cm-1处的峰强，并计算他们的比值。
1.3.5 X-射线衍射
X-射线衍射（XRD）模式采用X射线衍射仪在以下条件下测量：辐射源，CuKa（40 kV，50 mA）；衍射角度从4～40°；步长，0.02°；扫描速度为2°/min。为了避免相对湿度对结晶度的负面影响，样品在进行XRD实验之前，在一个100%的相对湿度室中，在室温下平衡48 h。
1.3.6 流变学特性
频率扫描用动态流变仪进行，该设备配有1 mm的40 mm平行板。将样品（1.5 g）和蒸馏水（25 mL）均放置在RVA的铝盒中，按照GB/T 24852—2010《大米及米粉糊化特性测定》的程序加热。所有粘贴的样品室温下放置30 min。移液枪吸取1 mL样品置于平板上，平衡60 s后测量。频率范围是在0.1～100 rad/s内对样品进行震荡测量来进行，线性区域的恒定应变为2.5%。利用仪器自带软件确定动态流变参数，即存储模量（G′）、损耗模量（G″）和损耗正切（tanδ），并分析25 ℃下的流变结果。
2 结果与分析
2.1 HHP对小米粉粒径的影响
由表1可知，与原粉相比，经超高压处理后小米粉主要分布在4～20 μm范围，平均粒径显著降低（P＜0.05），颗粒整体缩小，说明超高压对小米粉的压缩力远大于膨胀力。在米水比例相同情况下，30 min处理小米粉在4～20 μm范围内的粒径增加显著大于15 min超高压处理的粒径（P＜0.05），原因可能是在较长时间处理下，小米的外壳结构受损破碎更严重。在超高压处理时间相同的情况下，米水比例为1∶2小米粉粒径在4～20 μm范围内的粒径增加显著小于比例为1∶1的小米粉（P＜0.05），原因是小米外壳受高压压缩破碎后全粉内部开始吸水溶胀，水分含量越高小米粉的溶胀效果越好。颗粒范围在30 μm外，可能是淀粉颗粒与非淀粉成分络合作用造成的[16]。
表1 不同超高压条件处理后的小米粉颗粒粒径分布
Table 1 Granule size distribution of foxtail millet powder after different HHP levels
注：数据用平均值±标准偏差表示；同一列不同字母有显著性差异（P＜0.05）；D10、D50、D90分别表示粒径小于该值的颗粒占总颗粒的10%、50%、90%；C.V.：体积平均粒径；S.D.：表面积平均粒径。
Note: The results are the means of three replications ± standard deviations.Means with similar letters in a column do not differ signifificantly (p＜0.05)；D10, D50 and D90 respectively represent 10%, 50% and 90% of the total particles with a particle size smaller than this value；C.V.：volume average particle diameter；S.D.：surface area mean particle size。
处理组 0～4 μm 4～10 μm 10～20 μm 20～30 μm ＞30 μm D10/μm D50/μm D90/μm C.V./μm S.D./μm原粉 3.56±0.04b 19.80±0.20a28.59±0.23d 15.23±0.08d32.81±0.39a7.09±0.03a 20.05±0.22a49.20±0.15a 11.73±0.08a 25.12±0.09a 600 MPa 15 min 1∶1 5.69±0.03a 26.20±0.07c33.24±0.04c 15.49±0.03c19.39±0.05b5.73±0.02c15.25±0.03c39.38±0.00b 9.20±0.03b 19.29±0.03b 600 MPa 30 min 1∶1 5.59±0.03a 28.16±0.11c35.06±0.04a 13.97±0.05e17.22±0.10d5.75±0.01c 14.24±0.04d 37.84±0.10c 9.15±0.04b 18.38±0.05b 600 MPa 15 min 1∶2 5.68±0.10a 25.44±0.02b33.65±0.08b 15.75±0.03b19.47±0.02b5.75±0.04c 15.49±0.02b39.41±0.00b 9.24±0.04b 19.40±0.02b 600 MPa 30 min 1∶2 5.63±0.06a 25.41±0.03b 35.11±0.04a 15.91±0.04a17.93±0.03c5.82±0.02b 15.25±0.02c37.69±0.04c 9.22±0.07b 18.86±0.01b
2.2 HHP对小米粉颗粒形貌的影响
由图1可知，压力为600 MPa下，不同水分比例和处理时间的小米粉颗粒经扫描电镜观测，发现其与原小米粉颗粒存在显著变化，原小米粉中淀粉颗粒多为不规则形状，表面粗糙且有凹陷部分[14]，碎片可能是蛋白质、脂质和膳食纤维等物质。600 MPa处理后，小米全粉中淀粉表面附着物与溶胀糊化后的淀粉粘结成片，可能是蛋白质或脂肪与浸出的直链淀粉络合形成，变形明显[15]。同时，经600 MPa处理30 min的样品其变形程度显著高于处理15 min的样品组，前者络合较为紧密，片状区域更为明显；高水分比例情况下与之相反，可能是淀粉吸水溶胀导致。
图1 不同超高压条件处理后的小米粉扫描电镜图
Fig.1 Scanning electron micrographs of foxtail millet powder with different HHP levels
注：放大倍数为×3000；A：原粉；B：600 MPa 15 min 1∶1；C：600 MPa 30 min 1∶1；D：600 MPa 15 min 1∶2；E：600 MPa 30 min 1∶2。
Note: The magnification power×3000; A:nature; B: HHP treatment at 600 MPa for 15 min of millet to water is 1∶1; C: HHP treatment at 600 MPa for 30 min of millet to water is 1∶1; D: HHP treatment at 600 MPa for 15 min of millet to water is 1∶2; E: HHP treatment at 600 MPa for 30 min of millet to water is 1∶2.
2.3 傅里叶红外光谱
淀粉分子中的双螺旋短程有序结构可通过红外光谱中1 047 cm-1和1 022 cm-1处吸光度的比值来计算，其比值越大，表明淀粉的有序性越好[10]。由图2可知，超高压处理后的4组小米粉FTIR在峰位置上相似，表明超高压技术只作用于非共价键，但光谱之间峰的强度存在差异，这说明淀粉结构上存在差异。从表2看出，在相同水分比例下，1 047 cm-1/1 022 cm-1处吸光度比值随处理时间延长而降低，表明在含水量相同情况下，时间决定超高压处理的效果。在相同时间下，1 047 cm-1/1 022 cm-1处吸光度比值随着水分含量的增加而降低，表明水分含量越大，超高压处理对淀粉分子结构的短程有序性破坏程度就越大，即水分含量高的样品对超高压处理更为敏感。
图2 不同超高压条件处理后小米粉的傅里叶红外光谱图
Fig.2 FTIR spectra of foxtail millet powder with different HHP levels
表2 不同超高压条件下小米粉吸光度比值
Table 2 IR ratio1047 cm-1/1022 cm-1 of foxtail millet powder with different HHP levels
注：数据用平均值±标准偏差表示，同一列不同字母有显著性差异(P＜0.05)。
Note: The results are the means of three replications ±standard deviations.Means with similar letters in a column do not differ signifificantly (P＜0.05).
处理组 红外比值1 047cm-1/1 022 cm-1原粉 1.047 5±0.01a 600 MPa 15 min 1∶1 1.033 8±0.00b 600 MPa 30 min 1∶1 1.032 5±0.00b 600 MPa 15 min 1∶2 1.027 1±0.01c 600 MPa 30 min 1∶2 1.025 6±0.00c
2.4 X-射线衍射
原小米粉和HHP处理后的小米粉的X射线衍射图谱如图3所示，图谱中主峰的衍射角和相对结晶度详见表3。天然小米属于典型的A型X射线衍射图谱，即在2θ角为17°和18°处有明显的双肩特征衍射峰且在15°和23°处有单一的衍射峰[11]。超高压处理30 min的样品，在2θ角为15°，17°，18°和23°处衍射峰强度表现出略微减弱的现象，且峰强度随水分比例增加而减弱。当米水比例为1∶1时，在2θ角为15°，17°、18°和23°处的衍射峰强度随处理时间的增加而降低，但在20°处的衍射峰强度却增强。分析原因，超高压处理有利于直链淀粉-脂质复合物的形成，最终导致20°处的峰强度增加[12]。超高压处理后的样品，15°和23°时的峰强度减弱，17°和18°时的双峰在17°时合并成一个单峰，典型的B型晶体结构[13]，且4组超高压组样品相对结晶度均显著低于原粉组（P＜0.05）。
图3 不同超高压条件处理后的小米粉X-射线衍射图谱
Fig.3 X-ray diffraction patterns of foxtail millet powder with different HHP levels
表3 不同超高压条件处理后小米粉X-射线衍射参数
Table 3 X-ray diffraction parameters of foxtail millet powder treated with different HHP levels
注：数据用平均值±标准偏差表示，同一列不同字母有显著性差异（P＜0.05）。
Note: The results are the means of three replications ± standard deviations.Means with similar letters in a column do not differ signifificantly (P＜0.05).
2θ处衍射峰值/晶面间距(Å) 相对结晶度/%处理组 15° 17° 18° 20° 23°原粉 15.22(5.81) 17.91(5.12) 18.30(4.86) 21.19(4.39) 23.43(3.84) 34.82±1.46c 600 MPa 15 min 1∶1 15.68(5.78) 18.00(5.09) 17.82(4.92) 20.07(4.42) 22.58(3.85) 15.36±1.21b 600 MPa 30 min 1∶1 15.08(5.84) 17.47(5.18) 18.56(4.91) 20.39(4.34) 23.37(3.88) 10.20±0.93d 600 MPa 15 min 1∶2 14.21(5.83) 18.29(5.09) 17.86(4.89) 21.69(4.37) 23.46(3.85) 14.87±1.34b 600 MPa 30 min 1∶2 15.10(5.84) 17.50(5.13) 24.56(4.92) 18.20(4.47) 21.90(3.87) 7.13±0.88a
2.5 HHP对小米粉流变特性的影响
当施加作用力于食品时，会发生弹性形变，撤去作用力后，具有黏性，后表现为流体特征[17]。储能模量G′是指物料发生弹性形变时存储能量的强弱，是弹性应力和应变的比值；损耗模量G″是物料发生粘性形变时消耗的能量大小，是黏性应力和应变的比值[18]。损耗角正切tanδ值反映的是体系所具有的综合粘弹性特性，如tanδ值越大，则表明体系中的黏性成分比例越高，流动性越强，体系表现出半固态流体的特征；tanδ值越小，则体系中的弹性成分就越多，体系呈现出固态特征越明显[19]。
由图4可知，在600 MPa压力下分别经过15 min和30 min处理后，小米粉的G′与G″随频率增大均逐渐增大，且G′大于G″，表明小米粉糊更具弹性，tanδ也呈先上升后平稳的趋势，且tanδ小于1，说明原粉和超高压处理后的小米粉糊动态流变学特性是一种弱凝胶体系[20]。米水比例为1∶1时，不同时间的小米粉糊G′均高于原粉，G″均低于原粉，且经30 min处理后的小米粉糊G′与G″均高于经15 min处理后的小米粉糊。当米水比为1∶2时，表现出相同的趋势。说明超高压处理使小米粉糊弹性增强粘性降低，小米淀粉颗粒晶体结构在高压作用下遭到破坏，导致淀粉颗粒在水溶液中加热剪切作用下也不易破裂，淀粉凝胶柔韧性随之提高。超高压处理15 min后，不同水分比例的小米粉tanδ高于原粉，说明超高压处理后的小米粉显示出更高黏性，增加频率G″比G′快，流动性得到增强；而经过超高压处理30 min的小米粉则与之相反。通过分析比较，当米水比为1∶1时，600 MPa高压处理15 min后小米粉表现出较好黏弹性性状。因此，超高压技术应用于食品加工时，处理时间过久会造成样品结构破坏影响性状表现。
图4 超高压处理后小米粉糊流变学的弹性模量、粘性模量和损耗角正切值随角频率变化关系
Fig.4 G＇、G″ and tanδ versus frequency curves of foxtail millet powder with different HHP levels
注：A米水比为1∶1时G′流变图；B米水比为1∶2时G″流变图；C为tanδ流变图
A：G′ rheological diagram when millet to water is 1∶1；B：G″ rheological diagram when millet to water is 1∶2；C：tanδ rheological diagram
3 结论
本研究主要以山西特色小米——晋谷21号为研究对象，采用HHP技术对小米的微观结构和宏观流变特性进行分析，研究发现，经超高压处理后小米粉中淀粉颗粒形貌由不规则体变为与其他物质络合，粘结成片，颗粒平均粒径显著降低（P＜0.05），小米淀粉晶型由A型转变为B型，米水比例对其影响高于超高压处理时间的作用。在小米粉动态流变学研究中发现，超高压处理可提升小米粉的粘弹性，促使其流动性增强。压力为600 MPa时，米水比为1∶1，高压处理15 min后，小米粉黏弹性显著高于其他组，可为小米的深加工提供依据。
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