不同类型大米吸着等温线差异性研究

盛 岩，李兴军

(1.中国人民大学环境学院，北京100872;2.国家粮食局科学研究院，北京100037)

大米是我国的主要粮食，60%的人口以大米为主食。由于大米缺乏稻壳、种皮等保护组织，不宜长期储藏，日本仅储存3个月，而且采用低温、缺氧等储藏方式。作为应急成品储备粮，我国少量储存大米，以解决短时间供应平衡问题［1］。国外对大米平衡水分测定较早［2－3］，我国大米平衡水分测定缺乏报道。平衡水分与粮食所处环境的相对湿度、温度及本身的品种类型与成熟度等因素有关，它是一个热动力学要素［4］。采用热力学原理分析粮食水分吸着等温线，能够提供干燥脱水过程的能量需求、粮粒表面微结构和物理现象、水分特性及吸着动力学参数等信息。本文比较了不同类型大米水分吸着等温线的差异，并对米粉的Mixolab糊化特性进行分析，以期为我国大米储藏、流通及加工技术制定提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大米样品 本研究中采用11个大米样品，5个粳米是方正县香米、东北普通米、松花江大米、盐丰和双辽2号，2个籼米是江苏大米和进口籼米，4个糯米是乐优6、眉糯1、团团糯及尖尖糯。所用大米样品2010年收获，来自大米主产区。4个糯米以糙米形式进行平衡水分等温线测定;氯化锂、醋酸钾、氯化镁、碳酸钾、硝酸镁、氯化铜、氯化钠、硝酸钾、五氧化二磷(固体)分析纯。

表1 三种类型大米两两比较解吸或吸附等温线差异性Table 1 Difference in desorptive or adsorptive isotherm of two types of milled rice at different temperatures

分析天平 万分之一;Mixolab混合实验仪 特雷首邦(北京)贸易有限公司;智能人工气候箱PRX－350A 宁波海曙赛福实验仪器厂，6台，温度偏差±1.0℃，经常用标准温度计校正(范围0～50℃);DHG9040A智能性干燥箱 杭州蓝天仪器有限公司，温度偏差 ±1.0℃，经常用标准温度计校正(0～50℃范围);DHP－9052电热恒温培养箱 上海申贤恒温设备厂，控温范围5～65℃;FSF粉碎机上海嘉定粮油检测仪器厂;干燥器 内径240mm，4个;铝盒 直径 5cm，厚度 2cm，90个;平衡水分测定所用密闭系统组成包括250mL玻璃广口瓶、9号橡皮塞、由60目铜网做成的小铜(直径 2.8cm、高度 4cm)。

1.2 大米样品平衡水分测定

采用静态称重法测定大米样品平衡水分［5］，即利用饱和盐溶液在 5种恒定温度(10、20、25、30及35℃)下产生恒定的蒸汽压。解吸和吸附样品制备方法如文献［5］。粮食含水率测定采用整粒烘干法，(103.0 ±1.0)℃烘干 20～28h。平衡水分等温线拟合方程，采用常用的 Brunauer－Emmett－Teller(BET)、修正Chung－Pfost(MCPE)、修正3参数 Guggenheim－Anderson－de Boer(MGAB)、修正 Henderson(MHE)、修正 Oswin(MOE)、修正 Halsey(MHAE)、修正Strohman－Yoerger(STYE)7 个方程。SPSS 11.5 for Windows软件的非线性回归方法，在一系列迭代步骤中，将测定值和理论值之间的残差平方和最小化。通过决定系数(R2)、残差平方和(RSS)、标准差(SEE)及平均相对百分率误差(MRE)来分析模型的拟合情况。R2是基本的判定标准，RSS和SE决定拟合的好坏，MRE小于10%时模型拟合度好。

1.3 Mixolab混合实验仪测定大米的糊化(Pasting)特性

双辽2号(粳米)、成都籼米、乐优6号(糯米)3个大米品种的米粉，采用Mixolab混合实验仪测定糊化特性。水分基数14%湿基;参数按照Mosell等［6］方法，包括目标扭矩(0.8 ±0.5)Nm，转速 80r/min，面团重量90g，和面初始温度30℃，水箱温度30℃，水和作用55%，第一阶段30℃恒温8min，第二阶段从30℃升温到90℃共15min，第三阶段90℃恒温保持7min，第四阶段从90℃降温至50℃共10min，第五阶段50℃恒温5min，实验总时间45min。本实验在Mixolab混合实验仪恒量加水实验分析基础上，设定目标扭矩作适量加水实验。

2 结果与分析

2.1 不同类型大米吸附或解吸等温线比较

采用的7 个方程(BET、MCPE、3－MGAB、MHAE、MHE、MOE及SYE)均适合拟合所有大米水分吸着等温线数据。按照平均统计参数(R2、RSS、SEE、MRE)对比排序，根据方程的参数数目、温度的依赖性、是否能够可逆表达等因素，MCPE是最佳的等温线拟合方程，并对不同类型大米MCPE方程拟合的等温线进行比较。

图1 不同类型大米10℃解吸或吸附等温线比较Fig.1 Difference in desorptive or adsorptive isotherm of different types of milled rice at temperature of 10℃

从图1～图5看出，粳米、籼米、糯米在10～35℃范围内的水分解吸(图1A～图5A)和吸附(图1B～图5B)等温线，依次降低。两两比较解吸或吸附等温线之间的差异性如表 1。在 10、20、25、30、35℃，粳米解吸等温线与籼米的差异不显著;粳米吸附等温线上部的数据点与籼米的之间差异显著，随着温度增加，由顶部向下部差异显著的数据点减少。在10、20、25、30℃，粳米解吸等温线下部的数据点与糯米之间的差异显著，随着温度增加由下部向顶部差异显著的数据点减少。粳米吸附等温线与糯米之间的差异显著。籼米与糯米解吸(或吸附)等温线之间的数据点差异不显著。

图2 不同类型大米20℃解吸或吸附等温线比较Fig.2 Difference in desorptive or adsorptive isotherm of different types of milled rice at temperature of 20℃

图3 不同类型大米25℃解吸或吸附等温线比较Fig.3 Difference in desorptive or adsorptive isotherm of different types of milled rice at temperature of 25℃

图4 不同类型大米30℃解吸或吸附等温线比较Fig.4 Difference in desorptive or adsorptive isotherm of different types of milled rice at temperature of 30℃

图5 不同类型大米35℃解吸或吸附等温线比较Fig.5 Difference in desorptive or adsorptive isotherm of different types of milled rice at temperature of 35℃

2.2 不同类型大米吸着(解吸与吸附平均)等温线比较

从图6～图8看出，在10～35℃范围内，粳米、籼米、糯米每个温度的水分吸着等温线，依次降低。表2是两两比较它们吸着等温线之间的差异性结果。粳米与籼米、籼米与糯米每个温度吸着等温线之间差异不显著。在20、25、30及35℃，粳米吸着等温线下部数据点与糯米的之间，随着温度增加，差异性显著的数据点数增加。

表2 三种类型大米两两比较吸着(解吸与吸附平均)等温线差异性Table 2 Difference in sorption isotherm of two types of milled rice at different temperatures

图6 不同类型大米10、20℃吸着(解吸与吸附平均)等温线比较Fig.6 Difference in sorption isotherm of different types of milled rice at temperatures of 10℃ and 20℃

2.3 不同类型大米Mixolab面团特性比较

Mixolab曲线能够提供不同类型米粉的吸水率、米粉团蛋白质网络及淀粉糊化信息。从图9和表3看出，籼米和糯米的吸水率接近，但低于粳米的吸水率。C1是30℃ 米粉团达到最大扭矩所需的时间(米团形成时间)籼米＞糯米＞粳米;米粉团稳定时间是米粉团在最大扭矩保持的时间糯米＞粳米＞籼米;和面峰值带宽对3种类型大米均是0.04Nm。C2稠度谷值相关于机械和热约束引起的蛋白质网络弱化，高C2稠度谷值表示强烈的蛋白质网络。最初阶段过度混合期间面团稳定性及抗变形能力粳米＞籼米＞糯米。C1－C2表示的蛋白质网络弱化程度糯米＞粳米＞籼米。高C3淀粉糊化峰值，表示凝胶形成能力籼米稍高于粳米，而糯米凝胶形成能力最差;C3－C4表示的淀粉衰减值(热稳定性)粳米＞籼米＞糯米。C5表示的淀粉回生终点值、C5－C4表示的淀粉回生程度(冷稳定性)均是籼米＞粳米＞糯米。

3 讨论及结论

图7 不同类型大米25、30℃吸着等温线比较Fig.7 Difference in sorption isotherm of different types of milled rice at temperatures of 25℃ and 30℃

图8 不同类型大米35℃吸着等温线比较Fig.8 Difference in sorptive isotherm of different types of milled rice at temperatures of 35℃

图9 三种类型大米适量加水Mixolab面团糊化特性曲线Fig.9 Mixolab pasting curves of three type of milled rice with moderate water

在10～35℃范围内，在RH 11%～90%范围内，随着温度的增加，在相同相对湿度下大米平衡含水率减少。比较 5种温度(10、20、25、30及 35℃)解吸(或吸附)等温线，粳米、籼米及糯米解吸(或吸附)等温线依次减少。在5种温度，粳米解吸等温线与籼米的差异不显著;籼米与糯米解吸(或吸附)等温线之间的数据点差异不显著。粳米吸附等温线在高相对湿度(RH)的数据点与籼米的之间差异显著性，随着温度增加，由高RH向较低RH差异显著的数据点减少。粳米吸附等温线与糯米之间的差异显著。粳米解吸等温线低RH的数据点与糯米之间的差异显著性，随着温度增加由低RH向较高RH差异显著的数据点减少。

表3 三种类型大米Mixolab面团特性比较Table 3 Mixolab pasting properties of three type of milled rice

以前的实验结果［5］表明，在 10～35℃范围内，实验测定的粳稻、籼稻、糯稻吸着(吸附和解吸平均)等温线之间差异不显著。本研究表明粳米与籼米、籼米与糯米每个温度吸着等温线之间差异不显著。但是在20、25、30、35℃，粳米吸着等温线低RH数据点与糯米的之间，随着温度增加，差异性显著的数据点数增加。

Torbica等［7］采用Mixolab混合实验分析仪测定的大米粉的吸水率是61.7%。本实验分析的粳米、籼米、糯米吸水率各是 63.4% 、61.0% 、61.3% 。籼米与糯米吸水率相似，二者都低于粳米，这与前期研究结果一致，即粳米与糯米之间水分吸附等温线差异显著、粳米与籼米之间水分吸附等温线部分数据点差异显著。粳米与籼米之间吸着等温线差异小，可能与它们之间相似的稠度谷值、淀粉糊化粘度峰值有关。糯米稠度谷值、淀粉糊化粘度峰值均显著低于籼米，可能在于糯米缺乏直链淀粉，淀粉膨胀性小，蛋白质网络弱化，但是这些变化不影响其米粉的吸水率。

本研究表明，在10～35℃范围，籼米与糯米之间吸湿性相似，粳米与糯米之间吸附等温线差异显著大于粳米与籼米之间吸附等温线差异。粳米与糯米之间解吸等温线在低湿度和10～30℃范围存在差异，但是粳米与籼米解吸等温线之间相似。深入研究工作是观察大米解吸和吸附过程表面微观结构的变化，以阐明粳米、籼米、糯米三类大米的吸湿性机理。

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