热稳定化过程中水分含量对大米物化性质的影响

罗达文,刘成梅,李 俶,吴建永,李中强,周国辉

(南昌大学食品科学与技术国家重点实验室,江西南昌 330047)

热稳定化过程中水分含量对大米物化性质的影响

罗达文,刘成梅,李 俶*,吴建永,李中强,周国辉

(南昌大学食品科学与技术国家重点实验室,江西南昌 330047)

本实验采用高压蒸汽对糙米(0%碾减率)、轻碾米(5%碾减率)和精白米(10%碾减率)进行脂肪酶钝化处理,并考察热处理过程中不同水分含量(15%和30%)对大米理化性质的影响。结果表明:对于不同水分含量的大米,120℃条件下处理5min可以有效的钝化大米中的脂肪酶。相对高水分大米而言,热处理对低水分大米的颜色特征(白度、色度和总颜色变化)和质构特性(硬度和粘度)影响较小。这是由于在低水分含量下,热处理对米粒中淀粉的微观形貌和晶型组成影响较小。此外,对两种不同水分大米经过6个月储藏实验发现,热处理能够有效地抑制大米在储藏过程中脂肪酸含量和总饱和脂肪酸百分比的上升,从而延长了大米产品的货架期。

大米,热处理,质构,颜色,储藏

大米是世界一半人口的主粮,也是我国的主要粮食作物之一[1],我国每年存储稻谷约500亿公斤。大米作为一种粮食消费品,其常规的加工工序包括砻谷和碾磨。大米加工时的碾磨程度(碾减率)能够直接地影响到大米的营养、糊化、老化和质构等性质[2-4]。此外,在砻谷和碾磨等加工过程中,大米自身含有的脂类物质很容易与脂肪酶接触,使得大米在储藏过程中发生脂类物质的水解和酸败氧化,从而导致了大米品质的显著下降[5]。所以大米的碾磨程度也影响着大米储藏性质。据联合国粮农组织统计(2006年),全世界每年约有15%～16%的稻米因收获后储藏或加工不当而受到损失[6]。因此,如何解决这个难题成为越来越多学者探索的目标。目前国内外有许多关于大米稳定化技术的研究,主要包括热处理[7]、有机溶剂提取[8]、辐照处理[9]和微波处理[5]。其中热处理具有简单易实行、操作安全且无化学残留的优点,运用最为广泛。

热处理可分为干热、湿热、蒸汽、“浸泡-蒸煮-干燥”四种不同的方法,其原理都是利用热使体系内的脂肪酶钝化。研究表明,不同的热处理方式,对大米的外观品质和内部结构的影响也不同。其中“浸泡-蒸煮-干燥”和湿热处理会导致大米淀粉的糊化,并且湿热处理的糙米表面会呈现淡黄色或琥珀色,而干热和蒸汽则不会[10]。Derycke[11]等人研究表明,在湿热处理过程中,水分和热的协同作用会导致大米淀粉的糊化。Zavareze[12]则表明,在足够低的水分下,淀粉可以在高温(大于100℃)下不发生糊化。该结果表明:水分会影响大米热处理后的外观品质和内部结构。但是,有关不同水分热处理对不同碾减率大米理化性质及储藏性质的影响目前还未见报道。

本实验以不同碾减率大米,即糙米(保留100%糠层),轻碾米(保留50%糠层)和精白米(不保留糠层)为原料,考察不同水分含量热处理对它们的颜色、质构、淀粉微观结构和晶型、以及储藏性质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

晚籼米稻谷(外引7号) 中粮股份有限公司江西分公司提供;脂肪酸甲酯标准品(#463) NuChek-Prep公司。

JLGJ2.5型砻谷机 浙江展诚机械有限公司;TM05C型碾米机 佐竹机械(苏州)有限公司;LDZX-50KBS立式压力蒸汽灭菌器 上海申安医疗器械厂;CR-10型色差计 日本Konica Minolta公司;TA XT-plus型质构仪 英国Stable micro systems公司;Bede D1 HR型X衍射仪 英国Bede Scientific公司;Quanta-200型扫描电镜 新西兰FEI公司;安捷伦6890型气相色谱仪 配备FID检测器和CP-Sil88石英毛细管柱(100m ×0.25mm),上海安捷伦公司。

1.2 实验方法

1.2.1 制备不同碾减率大米样品 一般认为糠层约占糙米重量的10%。稻谷经砻谷机脱壳得到糙米(保留100%糠层)。糙米经碾米机碾磨去除5%的表层重量,得到轻碾米(保留50%糠层)。糙米经碾磨去除表层10%的重量得到精白米(保留0%糠层)。

1.2.2 制备热稳定化大米样品 将一部分糙米、轻碾米和精白米在恒温恒湿箱(25℃,RH=90%)中平衡,平衡时间分别为30、15和10h,使米粒水分含量达到15%。将另一部分糙米、轻碾米和精白米在过量水中(25℃)浸泡,浸泡时间分别为140、50和30min,至水分含量达到30%。两种水分含量的糙米、轻碾米和精白米都在120℃灭菌锅中进行脂肪酶钝化处理,处理时间为5min然后在室温下阴干至水分含量约为12%。得到热稳定化糙米、轻碾米和精白米。对照组为未处理的糙米、轻碾米和精白米。

1.2.3 脂肪酶活性测定 参考Lowry[13]和Dae Y. Kwon[14]等人的方法,脂肪酶水解三油酸甘油酯产生油酸,油酸经异辛烷提取,与铜盐乙酸-吡啶试剂显色。在715nm波长处测量其吸光度,通过油酸标准曲线,计算出脂肪酶活性。

1.2.4 米粒颜色 用色差计测定米粒样品的L*、a*和b*值。每样平行测定6次。根据Bourtoom[15]和Lamberts等人[16]的方法计算白度、色度和总颜色变化。处理组的总颜色变化以对应的对照组为参比。

1.2.5 米饭质构 参照Mohapatra[17]等人的方法,取三粒刚煮熟米饭样品用质构仪进行TPA测试。采用P/36R探头,米饭形变程度为90%。仪器软件自动计算出质构参数,得到硬度(g)和粘度(g·s-1)值。每组样品平行测定6次。

1.2.6 淀粉晶型测定 米样经碾磨过100目筛之后用X衍射仪测定淀粉晶型结构,方法参照Nara等人[18]。扫描角度为5～40°,步长0.02°(2θ)每秒。淀粉晶型进行单次测定。

1.2.7 米粒微观结构 用刀片在米粒腹部施加压力,使米粒自然断裂。断裂面朝上喷金,随后在20kV的加速电压下用扫描电镜观察米粒淀粉层的微观结构。

1.2.8 脂肪酸含量 对照组、热稳定化大米样品用自封袋密封,置于37℃条件下进行180d储藏。储藏过程中样品的脂肪酸含量变化用GB/T20569-2006测定[19]。每组样品平行测定3次。

1.2.9 脂肪酸组成 在米样的储藏过程中,脂肪酸组成变化的参照范亚苇[20]等人的测定方法。简而言之,将粉碎并过100目筛的米粉样品用氯仿甲醇提取脂肪。得到的米样脂肪用碱法进行甲酯化。甲酯化的油样进行薄层层析纯化,随后用气相进行测定。根据测定结果计算总饱和脂肪酸和总不饱和脂肪酸的含量百分比。每组样品平行测定3次。

1.3 数据处理与分析

实验数据采用EXCEL 2010作数据分析,实验数据用平均值±标准差表示,用SPSS19.0软件对所有数据做方差分析,用Origin 8.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 热处理对大米脂肪酶活性的影响

研究发现:随着处理时间的增加,脂肪酶活性逐步降低(图1)。高水分糙米在初期脂肪酶活性比低水分糙米下降速率快,但在5min之后,脂肪酶活性下降不明显,两种糙米之间并无明显差异,因此确定本实验的热处理时间是5min。

图1 热处理对大米脂肪酶活性的影响Fig.1 Effect of heat treatment on lipase

表1 热处理对大米颜色特征和质构特性的影响Table 1 Effect of heat treatment on colour and textural properties

NA:不存在分析值。2.2 热处理对大米颜色特征的影响

表1为热处理对大米颜色特征和质构特性的影响结果,从表1可以看出:无论是高水分大米还是低水分大米,热处理均会降低大米白度,增加大米色度。然而,相对高水分大米而言,低水分大米的白度和色度更加接近对照组。以轻碾米为例,对照组、低水分组和高水分组的白度分别为62.33、59.17和50.43,色度分别为16.62、18.01和21.24。总颜色变化结果也同样显示,无论碾减率高低,低水分大米经过处理所后导致的米粒总颜色变化都要明显小于高水分组。根据以上结果分析可以得到,低水分大米在热处理过程中可以较好地保持大米原有的颜色特征。

2.3 热处理对米质构特性的影响

如表1所示,热处理过程中水分含量对大米质构特性有着显著的影响。将各个碾减率的低水分组和高水分组与对应的对照组比较可知,无论是高水分大米还是低水分大米,经过热处理后均会提高大米硬度,降低大米粘度。相对高水分大米而言,低水分大米经过热处理之后,其硬度和粘度值都更加接近对照组。以轻碾米为例,其对照组、低水分组和高水分组的硬度值分别为3839.21、4082.81和5481.25g,粘度值分别为167.64,147.64和32.16g·s-1。以上结果表明,低水分大米热处理后可以较好地保持大米原有的质构特性。

2.4 不同水分含量大米热处理对大米淀粉微观结构的影响

不同水分含量的轻碾米及精白米热处理后淀粉在扫描电镜下的微观结构如图2所示。研究发现,热处理对轻碾米与精白米淀粉微观结构类似。在图2A与图2D(对照组)中,大米淀粉层由高度有序的淀粉颗粒和复合淀粉颗粒堆积而成。淀粉颗粒呈现不规则的多面体形状。低水分含量大米热处理后(图2B与图2E),淀粉颗粒发生部分溶解,但是淀粉颗粒的外形依然容易识别,表明淀粉仅发生部分糊化。而高水分含量大米热处理之后(图2C与图2F),淀粉颗粒特征完全消失,整个淀粉层融合成均一的质体,表明淀粉已经完全糊化。此外经过热处理的大米内部出现较明显的裂痕,这可能是在热处理过程中,大米表面的水分蒸发较快,大米形成了外干内湿的湿度梯度,容易产生裂痕[21]。根据以上结果表明,低水分大米热处理能够有效抑制大米在热处理过程中的糊化作用。

图2 热处理对轻碾米与精白米淀粉微观结构的影响Fig.2 Effect of heat treatment on microscopic structure of lightly milled rice and highly milled rice注:A:轻碾米对照组;B:低水分轻碾米热处理;C:高水分轻碾米热处理；D:精白米对照组;E:低水分精白米热处理;F:高水分精白米热处理。

2.5 不同水分含量大米热处理对大米淀粉晶型的影响

不同水分含量的轻碾米热处理后的淀粉晶型结构如图3所示。在图3A(对照组)中,未处理的大米在15°和23°出现两个明显的单峰,在17°和18°出现并联峰。Derycke[11]等人研究认为,这些峰为大米A-型淀粉结晶的特征峰。表明未经过处理的大米具有明显的A-型结晶。如图3B所示,低水分轻碾米经热处理之后,淀粉结晶特征峰的峰型和数量不变,但是强度显著变小。这是由于淀粉天然的晶体结构发生部分解体,从而导致A-型结晶峰强度降低,表明此时的淀粉已经发生了部分糊化;验证了图2B与图2E中电镜实验,表明低水分含量大米在经过热处理后,能够导致大米淀粉部分糊化。值得注意的是,高水分轻碾米经过热处理之后,淀粉特征峰的峰型和数量均发生明显变化。15°和23°峰消失,17°和18°的并联峰转变成17°微弱单峰,表明已经形成了老化淀粉所具有的B-型结晶峰[11]。此外,高水分轻碾米热处理后还新形成13°和20°两个结晶峰,根据Derycke[11]的研究,认为这两个峰为直链淀粉-脂类复合物的特征峰,该结晶在淀粉糊化过程中容易形成。从而印证了微观结构实验,表明高水分含量大米在进行热处理后,可以导致大米淀粉完全糊化。此外,该结晶峰的熔点高于普通米饭的蒸煮温度(100℃),因而增加米饭硬度[22]。以上结果表明,低水分大米热处理可以有效抑制大米热处理过程中淀粉晶型的变化,从而保留天然米饭所具有的大部分质构特性。

表2 热处理对大米储藏过程中脂肪酸组成的影响Table 2 Effect of heat treatment on composition of fatty acid of rice during storage

图3 热处理对轻碾米淀粉晶型结构的影响Fig.3 Effect of heat treatment on crystal structure of lightly milled rice starch注:A:对照组;B:低水分轻碾米热处理;C:高水分轻碾米热处理。

2.6 热处理对大米储藏过程中脂肪酸含量影响

图4 热处理对大米储藏过程中脂肪酸含量的影响Fig.4 Effect of heat treatment on free fatty acids content of rice during storage注:A:糙米;B:轻碾米;C:精白米。

热处理对大米储藏过程中脂肪酸含量的影响如图4所示。从图中可以看出:糙米、轻碾米和精白米的脂肪酸初始值略均低于对照组,可能是由于在热环境中,脂肪酸发生了部分热降解。在随后的储藏过程中,它们的脂肪酸含量曲线保持低位平稳。显示低水分含量和高水分含量的3种大米经过热处理后均能有效抑制脂肪酸上升。以轻碾米的第三个月为例,经过处理的低水分样品和高水分样品的脂肪酸含量分别为75.38和85.29mg KOH/100g,远小于对照组的274.38mg KOH/100g。以上结果表明,低水分大米热处理能够显著的抑制大米的脂肪酸含量上升,即抑制大米水解型酸败。

2.7 热处理对大米储藏过程中脂肪酸组成的影响

不同水分含量的大米经过热处理后,在储藏过程中脂肪酸组成如表2所示。从表中可以看出:经热处理之后,大米的总饱和脂肪酸和总不饱和脂肪酸在储藏前后基本相同。以经过热处理的低水分轻碾米为例,储藏前(第0d),其总饱和脂肪酸和总不饱和脂肪酸含量分别为22.32%和77.68%,储藏后(第180d)它们分别为22.58%和77.42%。以上结果表明,低水分大米热处理可以有效抑制大米在储藏过程中的氧化型酸败。

3 结论

不同水分含量的大米(糙米、轻碾米和精白米)在经过热处理后,均能有效的钝化其中的脂肪酶活性。相对高水分含量大米而言,低水分含量大米在经过热处理后,其颜色特征(白度、色度和总颜色变化)和质构特性(硬度和粘度)变化较小。这可能是由于低水分热处理对米粒中淀粉的微观形貌和晶型组成影响较小,仅小部分淀粉发生了糊化作用;而高水分大米处理后,其淀粉颗粒已经完全发生了糊化。此外,储藏实验表明,低水分含量大米和高水分含量大米一样,热处理都可以有效抑制大米的脂肪酸上升(水解型酸败)和总饱和脂肪酸百分比上升(氧化型酸败),即能够有效延长大米的货架期。

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Effect of thermal stabilization on physical and chemical propertiesof rice with different moisture

LUO Da-wen,LIU Cheng-mei,LI Ti*,WU Jian-yong,LI Zhong-qiang,ZHOU Guo-hui

(State Key Laboratory of Food Science and Technology,Nanchang University,Nanchang 330047,China)

High-handed sterilization pan was used to inactivate lipase of brown rice(0% degree of milling),lightly milled rice(5% degree of milling)and highly milled rice(10% degree of milling)in this study,and the effect of thermal stabilization on physical and chemical properties of rice with different moisture(15% and 30%)was investigated. For different moisture rice,heat treatment could partially inactivated the lipase under the condition of 120℃ for 5min. Comparing with high-moisture heat treatment,low-moisture heat treatment showed much less influence on rice color characters(whiteness,chroma and total color difference)and texture characters(hardness and stickiness). It is because of low-moisture heat treatment exhibited mild effect on microstructure and diffraction pattern of starch in rice grain. In addition,through 6 months of storage experiment,heat treatment could effectively suppress the increasing of fatty acid content and saturated fatty acid percentage of rice. Heat treatment could effectively prolong the shelf life of rice.

rice;heat treatment;texture;color;storage

2014-09-17

罗达文(1988-),男,硕士研究生,研究方向:农产品加工及贮藏工程。

*通讯作者:李俶(1971-)，女，博士，教授，研究方向：天然产物。

TS201.1

A

1002-0306(2015)13-0133-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.13.019