薏米吸水动力学的实验研究

王 辉，胡国洲，陈光静，武菁菁，阚建全，2，3，*

(1.西南大学食品科学学院，重庆400715;2.重庆市农产品加工及贮藏重点实验室，重庆400715;3.农业部农产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室(重庆)，重庆400715)

薏米(Semen Coicis)属禾本科玉蜀黍族薏苡属，又名薏苡仁或薏仁米。薏米的营养价值很高，富含维持人体健康所必需的蛋白质、脂肪、碳水化合物、8种必需氨基酸、亚油酸、B族维生素和各种微量元素等，是一种营养平衡的谷物［1］。薏米颗粒结构致密、质地硬，并且淀粉很难糊化，在生产应用中较难煮熟，食用时必须经过长时间浸泡后进行煮制或需高压煮制，食用和加工均不方便［2－3］。近年来，国外学者曾研究过粳米和糙米等的浸泡性质［4－5］、杏仁的浸泡性质［6］、大豆和豌豆等的浸泡性质［7－8］、麦片的浸泡性质［9］及谷物浸泡过程中的吸水性质以及淀粉与水反应的模拟过程［10］，但对薏米的浸泡性质研究很少。本文以糯米作对比，运用Peleg方程研究了薏米的吸水动力学模型，旨在为薏米深加工提供实验数据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

薏米和糯米 从重庆市北碚永辉超市购买;氢氧化钠、硫酸、无水乙醇、石油醚等 均为分析纯，成都市科龙化工试剂厂。

HWS－24型恒温水浴锅、DHG－9240型电热恒温鼓风干燥箱 上海齐欣科学仪器有限公司;S－22型可见分光光度计 上海棱光技术有限公司;KjelFlex－360型全自动凯氏定氮仪 广州和竺生物科技有限公司;FA2004型电子天平 上海精科电子仪器有限公司。

1.2 实验方法

挑选颗粒完整、无裂痕、大小均一的薏米或糯米颗粒作为实验材料，量取200mL去离子水置于500mL烧杯中，并在预设温度下平衡0.5h，准确称取10g左右样品置于烧杯中，米粒在去离子水中依据处理温度的不同分别浸泡10min至20h不等，用水浴锅精确控制浸泡温度波动在±1℃，当浸泡达到所需时间时，将样品倒入滤网中并用吸水纸擦拭3次吸去样品颗粒表面多余水分，迅速用电子天平进行称量，精确到0.0001g，水分含量以样品干基计。每个时间点重复 3 次［9］。

1.3 分析测定方法

水分测定:105℃ 恒重法，GB/T5009.3－2003［11］;总淀粉含量测定:GB/T 5009.9－2008［12］;蛋白质含量测定:凯氏定氮法，GB 5009.5－2010［13］;直链淀粉:参照 GB7648－87［14］。

表1 薏米和糯米的主要化学组成Table 1 The main chemical composition of Coix Seed and glutinous rice

1.4 实验数据分析处理方法

采用 SPSS(Version 19.0)和 Origin8.6 软件对实验数据进行统计分析处理。

2 结果与分析

2.1 薏米和糯米的主要化学成分测定结果

由表1可知，薏米的淀粉含量显著低于糯米，蛋白质和直链淀粉含量显著高于糯米。蛋白质含量越高，颗粒结构越紧密，淀粉粒之间的空隙越小，吸水速度越慢;直链淀粉含量越高，淀粉分子间形成缔合点的数目越多，水分吸收受阻越多［15］。

2.2 薏米和糯米的吸水特性比较实验

从图1和图2可以看出，薏米和糯米在浸泡过程中，先快速吸水，曲线直线上升，而后吸水速率减缓，曲线趋于水平，最终达到饱和;并且薏米吸水基本不受温度的影响，而相对来说糯米受温度高低的影响更明显。薏米在3h内基本达到饱和状态，而糯米的吸水速率较快，0.5h内基本达到了饱和状态。从表1可知，薏米的淀粉含量显著低于糯米，蛋白质含量和直链淀粉含量显著高于糯米。谷物中淀粉含量越高，与水热作用越充分，有利于吸收水分［16］，蛋白质含量和直链淀粉含量越高，淀粉粒之间的空隙越小以及淀粉分子间形成缔合点的数目越多，吸水速度越慢［17］，即谷物的吸水速率与谷物中的总淀粉含量呈正相关性，与蛋白质含量和直连淀粉含量程负相关性。

图1 浸泡过程中薏米水分含量随时间的变化Fig.1 Water content changes of Coix Seed during soaking

2.3 薏米和糯米的吸水动力学方程

Peleg数学模型为两参数、非指数的经验型方程［18］:

将式(1)变换为

图2 浸泡过程中糯米水分含量随时间的变化Fig.2 Water content changes of glutinous rice during soaking

式中:M为样品在 t时刻的水分含量(干基，%);M0为样品初始水分含量(干基，%);K1和K2为方程参数，其中 K1为速率常数，K2为容量常数。

以t为自变量，根据式(2)中直线的斜率和截距计算出K1和K2，结果见表2。

表2 薏米和糯米在不同温度下的Peleg参数Table 2 The peleg’s parameters of Coix Seed and glutinous rice under different temperature

从表2中可以看出，相同温度下，薏米和糯米的吸水动力学参数K1和K2是不相同的。薏米的K1和K2均随温度升高而减小，而糯米的K1随温度升高而增大，K2随温度升高而减小。这说明薏米和糯米存在不同的吸水动力学途径。

2.3.1 薏米吸水动力学方程的确定 薏米的K1和K2与温度的关系分别如图3、图4所示，通过该图曲线求得K1和K2与温度(T)关系分别为 K1=0.01488－T ×8.20 ×10－5，K2=0.03975－T ×1.77 ×10－5，把 K1和K2分别带入Peleg方程，可得到薏米吸水动力学方程:M=Mo+t/［0.01488 － 0.82 × T × 10－5+(0.03975－T ×1.77 ×10－5)× t］，用此方程计算不同温度下的数据(预测数据)和不同温度下的实验数据，如图5～图8所示。

图3 薏米吸水动力学参数K1与温度的关系Fig.3 Relationship between Peleg K1 and temperature of Coix Seed

图4 薏米吸水动力学参数K2与温度的关系Fig.4 Relationship between Peleg K2 and temperature of Coix Seed

图5 30℃下薏米吸水实验数据与预测数据Fig.5 Experimental and predicted water content of Coix Seed at 30℃

图6 40℃下薏米吸水实验数据与预测数据Fig.6 Experimental and predicted water content of Coix Seed at 40℃

图7 50℃下薏米吸水实验数据与预测数据Fig.7 Experimental and predicted water content of Coix Seed at 50℃

图8 60℃下薏米吸水实验数据与预测数据Fig.8 Experimental and predicted water content of Coix Seed at 60℃

从图5～图8可以看出，实验数据和预测数据基本相一致。因此，薏米吸水动力学方程:M=Mo+t/［0.01488－0.82 × T × 10－5+(0.03975 － T × 1.77 ×10－5)×t］可以用来描述浸泡过程中薏米的水分含量与温度和时间的关系，并可以通过此方程求出相应温度和时间下的近似含水量。

2.3.2 糯米吸水动力学方程的确定 薏米 K1和K2与温度的关系分别如图9和图10所示。通过该图曲线求得K1和K2与温度(T)关系分别为 K1=0.00102+T ×6.62 ×10－5，K2=0.05521－T × 2.1 ×10－4，把 K1和K2分别带入Peleg方程，可得到糯米吸水动力学方程:M=Mo+t/［1.02 × 10－3+6.62 × T × 10－5+(0.05521－T ×2.01 ×10－4)× t］，用此方程计算不同温度下的数据(预测数据)和不同温度下的实验数据进行比较(图11～图14)。从图11～图14可以看出，实验数据和预测数据有很好的一致性，60℃略有偏差。因此，糯米吸水动力学方程:M=Mo+t/［1.02×10－3+6.62 × T × 10－5+(0.05521－T × 2.01 ×10－4)×t］可以用来描述浸泡过程中糯米的水分含量与温度和时间的关系，并可以通过此方程求出相应温度和时间下的近似含水量。

图9 糯米吸水动力学参数K1与温度的函数关系Fig.9 Relationship between Peleg K1 and temperature of glutinous rice

图10 糯米吸水动力学参数K2与温度的函数Fig.10 Relationship between Peleg K2 and temperature of glutinous rice

图11 30℃下糯米吸水实验数据与预测数据Fig.11 Experimental and predicted water content of glutinous rice at 30℃

图12 40℃下糯米吸水实验数据与预测数据Fig.12 Experimental and predicted water content of glutinous rice at 30℃

3 结论

3.1 直链淀粉和蛋白质含量影响了米粒内部结构致密程度，对薏米吸水性质有显著性影响。薏米的适宜浸泡时间为3h，糯米的适宜浸泡时间为40min。

3.2 温度越高，米粒吸水越快，达到水分平衡的时间越短;浸泡米粒吸水率随浸泡时间的延长而增加，初始吸水速度很快，一定时间后达到饱和，不再吸水。

图13 50℃下糯米吸水实验数据与预测数据Fig.13 Experimental and predicted water content of glutinous rice at 50℃

图14 60℃下糯米吸水实验数据与预测数据Fig.14 Experimental and predicted water content of glutinous rice at 60℃

3.3 运用Peleg方程，建立了薏米和糯米在30～60℃范围内的吸水动力学方程。

薏米的吸水特征方程为:M=Mo+t/［0.01488－0.82 × T ×10－5+(0.03975－T ×1.77 ×10－5)× t］

糯米的吸水特征方程为:M=Mo+t/［1.02 ×10－3+6.62 × T ×10－5+(0.05521－T ×2.01 ×10－4)× t］

本方程可以用来描述浸泡过程中薏米和糯米的水分含量与温度和时间的关系，并可以求出相应温度和时间下的近似含水量。

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