水热处理对大米粉及抗性淀粉性质影响

许诗尧 李 芳 胡忠泽 刘 刚 秦新光 刘 英,2

(武汉轻工大学食品科学与工程学院1，武汉 430023) (湖北省稻谷加工工程技术研究中心2，武汉 430023)

水热处理对大米粉及抗性淀粉性质影响

许诗尧1李 芳1胡忠泽1刘 刚1秦新光1刘 英1,2

(武汉轻工大学食品科学与工程学院1，武汉 430023) (湖北省稻谷加工工程技术研究中心2，武汉 430023)

以大米粉为原料，研究压热法、湿热法、韧化法处理对大米粉及其抗性淀粉成分微观结构、结晶学和热力学性质的影响。研究结果表明，压热处理后，大米粉及其抗性淀粉晶型由A型转化为特殊B型，抗性淀粉在2θ=12.9°、19.8°出现2个特征峰象征脂质淀粉复合物的形成；湿热处理后，大米粉形成有一定淀粉酶抗性的外壳结构，晶型转向A型，升温在115 ℃附近出现巨大的特征吸热峰；韧化处理后形成了粒度较大但内部疏松的淀粉团粒。表明压热处理后，大米粉及其抗性淀粉形成特殊晶体结构，晶体和热稳定性均提高；湿热处理对大米粉结晶学和热力学性质有一定影响，但对抗性淀粉影响不大；韧化处理对大米粉及抗性淀粉结晶和热力学性质影响不大。

大米粉 抗性淀粉 水热处理

抗性淀粉(Resistant Starch，RS)[1]是一类新型的功能性膳食纤维。因其具有不在小肠内消化吸收, 而直接进入大肠被生理性细菌发酵, 产生多种短链脂肪酸(丁酸等)和气体的特点，被公认有助于预防糖尿病、肥胖症以及各类肠道疾病，是理想的新型膳食纤维[2]。

水热处理指利用一定湿度和温度对样品进行处理。依据温度和水分的不同，常分为4类：压热处理(Autoclaving)、韧化处理(Annealing，ANN)、湿热处理(Heat-Moisture Treatment，HMT)、常压糊化处理(Gelatinizing)[3]。其中压热、韧化、湿热处理是3种常见的淀粉物理改性方法，对淀粉的结构、性状、功能有一定影响。近年来研究者指出，不同水热法处理均能提高抗性淀粉含量，但对原大米粉及其抗性淀粉的颗粒结构及性质影响有一定差别，为抗性淀粉研究提出了新的要求[4]。

过去针对大米抗性淀粉的研究往往采用大米淀粉作为原料。而近来国内外研究者证实，水热处理过程中，谷物内源脂质可与淀粉形成具有淀粉酶抗性的复合物[5]，提高抗性淀粉的含量。因此有必要研究大米粉在不同水热处理过程中形成抗性淀粉性质的不同。本试验以大米粉为原料，采用压热处理、湿热处理、韧化处理3种方法水热处理大米粉，酶解所得水热处理大米粉获得相应的抗性淀粉成分。通过扫描电子显微镜，示差量热扫描(DSC)和X-衍射技术分别研究水热前后大米粉及抗性淀粉微观结构、热力学性质和结晶学性质的变化。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

籼米：品种为江苏珍珠王；耐高温α-淀粉酶(2 000 U/mL)、淀粉葡萄糖苷酶(≥10万 U/mL)、胃蛋白酶(USP，酶活1∶3 000)：上海金穗科技有限公司，其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

S-3000N型扫描电子显微镜：日本日立公司；DSCQ100型示差量热扫描仪：德国TA仪器公司；D/MAX-RB转靶X射线衍射仪：日本RIGAKU公司；铝制水热处理反应釜：自制。

1.3 方法

1.3.1 原大米粉的制备

取大米样品适量，用万能粉碎机将大米进行粉碎、过100目筛，4 ℃储存、备用。

1.3.2 压热处理大米粉样品制备

取大米粉置于铝制反应釜中，加入适量蒸馏水调制质量分数为40%的大米粉乳，在加水过程中不断搅拌确保淀粉与水混合均匀。密封反应釜，室温下放置24 h平衡水分，使用高压灭菌锅加热至110 ℃, 保持恒温，反应适当时间后取出于室温下自然冷却1 h，50 ℃下干燥12 h, 粉碎, 过100 目筛，收集筛下物备用。

1.3.3 湿热处理大米粉样品制备

如1.3.1操作调质量分数为75%大米粉乳。密封平衡水分后，将反应釜置于鼓风干燥箱中，设置湿热处理温度90 ℃。待湿热处理完毕后，取出，室温自然冷却1 h，50 ℃下干燥12 h，粉碎，过100目筛，收集筛下物备用。

1.3.4 韧化处理大米粉样品制备

如1.3.1操作调质量分数为20%大米粉乳。密封平衡水分后，将反应釜置于水浴振荡器中，设置韧化处理温度70 ℃，振荡速度180 r/min。待韧化处理完毕后，取出，室温自然冷却1 h，50 ℃下干燥12 h，粉碎，过100 目筛，收集筛下物备用。

1.3.5 水热处理及原大米粉中抗性淀粉的纯化

分别称取一定量原大米粉及水热处理后大米粉样于三角瓶中，取5 mL耐高温α-淀粉酶溶液(2 000 U/mL)，90 ℃，水解60 min，不断搅拌，冷却。取6 mL淀粉葡萄糖苷酶溶液(1 000 U/mL)，60 ℃，水解2 h，不断搅拌，冷却。取1 mL胃蛋白酶溶液，45 ℃，水解60 min，不断搅拌，冷却。反复离心3次以上，(3 000 r/min，离心15 min)，水洗4次。50 ℃干燥24 h，粉碎，过100 目筛。

1.3.6 扫描电子显微镜测试条件

称取适量样品与无水乙醇混合，并且进行细化处理，使其分散比较均匀，放置在玻璃片上晾干后，将附有样品的玻片用导电双面胶固定于载物台上，在真空条件下进行镀金处理，然后将处理好的样品台放在扫描电子显微镜中观察，并拍摄具有代表性的样品颗粒形态[6]。

1.3.7 大米粉及抗性淀粉成分的热分析

称取一定量样品(以干基计)，并加入适量的去离子水调至淀粉质量分数为30%的淀粉乳，取15 mg左右淀粉乳样品于铝质样品盘内，并立即压紧密封。在20 ℃下放置24 h平衡水分。以惰性材料三氧化二铝为参比，淀粉与水的质量比为1∶2 (g/g)，从40 ℃升温至190 ℃，升温速率为10 ℃/min，通氮气速率30 mL/min。空白样品池作参比，铟做校准品，绘制热谱图并进行数据分析。

1.3.8 大米粉及抗性淀粉成分的晶体分析

所有样品粉末先在烘箱内50 ℃热风干燥至恒重，然后放在干燥皿中放置10 d平衡水分。X-衍射的试验条件如下：起始角:3°、终止角:60°；步长:0.02；扫描速度:5°/min；积分时间:0.2 min；靶型为Cu型；设置管压、管流为30 kV与30 mA。利用MDI Jade 6软件进行数据的统计计算。

1.3.9 统计学分析

试验中的各数据均重复2次。数据分别使用OriginPro 8.5和SPSS 17.0对数据进行绘图和方差分析。

2 结果与分析

2.1 水热处理大米粉及抗性淀粉成分的颗粒形貌

2.1.1 水热处理大米粉颗粒形貌

扫描电子显微镜主要反映了物体的外部结构和表面形貌。按照1.3.6方法对3种水热处理大米粉及原大米粉样品进行扫描电镜观察，结果见图1。

注：a 原大米粉；b 压热组；c 湿热组；d 韧化组。图1 水热处理大米粉扫描电镜图(×500)

由图1可知，原大米粉颗粒包括圆球形，及大米淀粉特有的方形，其他多边形。淀粉团粒尺寸较小，且分布不均匀，粒径平均在50 μm左右。

压热处理后，大米粉颗粒较大，粒径500 μm左右。并有高度规则的几何外形和光滑平整的表面。分析是压热处理破坏了大米粉原有颗粒结构，并在冷却过程发生重结晶现象。

湿热处理后，50 μm左右的米粉粒几乎消失，转而出现许多180 μm左右的淀粉团粒，平均粒径介于原大米粉与压热大米粉之间。大颗粒米粉的表面出现鳞片状结构。分析湿热处理后，旧的米粉颗粒结构被一定程度破坏；但由于体系的自由能过大，链淀粉难以靠拢形成双螺旋结构并进一步形成RS3的结晶结构；而以球形聚集成团，形成较大粒径的团粒[7]。

韧化处理后，大米淀粉形成很大的团簇型结构。粒径在1 000 μm左右。团簇无规则的几何构型，其上有大量孔洞。这是因为韧化处理温度低于糊化温度，原大淀粉结构未破坏，链淀粉不能脱出，聚合形成双螺旋结构，因此也不发生重结晶。而加热的米粉颗粒粘度增加，靠拢聚合成大的团粒。

2.1.2 大米粉RS及3种水热处理后大米粉RS的微观形貌

对原大米粉及水热处理后大米粉进行抗性淀粉的纯化，方法如1.3.5，获得原大米粉及水热处理大米粉的抗性淀粉样品如图2。通过对比图1与图2可看出水热处理后米粉颗粒结构的变化对米粉颗粒淀粉酶抗性的影响。

注：a：原大米粉；b：压热组；c：湿热组；d：韧化组。图2 水热处理大米粉RS扫描电镜图(×2 000)

酶法处理后，原大米粉RS粒径和形貌分布仍不均匀。分析原因一方面是大米粉中包含RS1、RS22类天然抗性淀粉，因此酶解后获得的抗性淀粉粒径、形貌不同[8]；另一方面考虑大米粉含有的蛋白、脂质等成分及粉碎处理等因素，对酶解后抗性淀粉的粒径、形貌有所影响[9]。由于淀粉酶作用下水解状况不同，显示出不同颗粒形貌。

压热组RS的粒径均较大，表面形貌规整。对比图1，可以清楚看到淀粉酶对米粉颗粒外层的剥蚀作用，且边缘部分剥蚀重于表面部分。可能是压热处理中形成严密的结晶结构，极大地保护了淀粉结构，提高抗性淀粉的含量；此外米粉不同表面剥蚀状况的不同为RS3的层状模型提供了支持[10]。

湿热组RS的平均粒径也比较大，表明大米粉酶抗性有一定提高。且湿热组RS表面并非光滑的层状，而呈颗粒型外壳结构(如图2c右上角)。对比图1c，分析湿热处理不会使大米粉形成块状结晶，但能使表面淀粉颗粒紧密堆积，高温下形成具有酶抗性的“外壳”。外壳能阻碍酶溶液进入并水解米粉团粒，但酶溶液能通过外壳上的破损进入团粒，由内部水解淀粉，最终剩下抗性较大的“外壳”。

韧化组RS平均粒径最小，电镜扫描图中主要以“碎片”的形式存在。对比图1d，分析是由于韧化处理使大米淀粉形成酥松多孔的结构。酶解时，淀粉酶液可以轻松的进入，从内外水解大米粉，最后剩下RS“碎片”。尽管韧化组大米粉可能更容易被水解，并不表示韧化处理大米粉的RS含量就低于其他2组，韧化处理大米粉的RS成分也可能得到增强，即“碎片”的含量可能高于“外壳”[11]。

2.2 水热处理大米粉及抗性淀粉成分的热分析

2.2.1 水热处理大米粉热分析

表1 水热处理前后大米粉及抗性淀粉热力学性质表

图3 原料米粉及3种水热处理后大米粉示差扫描量热图像

图3为原大米粉与水热处理大米粉的DSC曲线。原大米粉在66.38 ℃有明显的玻璃化转变。80.88 ℃附近发生糊化现象。在Tc1=143.85 ℃，Tc2=160.64 ℃处，DSC图像上出现2个连续的相转变峰。淀粉晶体分为A型、B型，其中A型熔解温度高于B型20 ℃左右[12]，因此分析这2个相变峰可能代表米粉中A型、B型淀粉晶体的熔解过程，其中143 ℃附近为B型结晶分解，160 ℃附近为A型结晶分解。

压热、湿热、韧化处理后，大米粉的玻璃化转变过程均消失。主要原因曾被认为是结晶度上升[13]，但本试验中湿热组及韧化组结晶度较低，玻璃化转变同样消失。说明除了结晶，水分含量、淀粉分子结构、直支链淀粉比例、平均分子量大小都能影响淀粉玻璃态的存在[14]。

压热处理后，大米粉糊化过程消失，100 ℃开始出现1个缓慢、吸热量持续增大的吸热峰，直到190 ℃试验终止。推测压热大米粉的相变温度应该在180 ℃以上，相变焓值ΔH较大，压热处理后大米粉形成新的分子结构，热稳定性提高。另外，压热米粉在154、167 ℃附近有2个小的吸热峰，分析这分别是A型、B型淀粉熔融峰，说明相比湿热、韧化处理，压热处理保留部分大米粉的结晶结构。

湿热处理后，大米粉糊化温度Tp升至109.9 ℃，总焓ΔH大幅上升至795.6 J/g。有研究表明，糊化温度和焓值的大幅上升是淀粉湿热处理标志之一，且糊化温度随湿热处理条件中水分含量的增加而上升[15-18]。此外湿热处理后，大米粉140、160 ℃附近的双相变峰消失，这是因为湿热处理彻底破坏原大米粉中的结晶结构，致使结晶吸热熔融峰消失。

韧化处理后，米粉的糊化性质与原大米粉相似，Tp=81.04 ℃，ΔH=5.284 J/g，糊化温度范围T0～Tp略变窄。说明韧化处理也能一定程度影响米粉分子结构，小幅提升米粉的热稳定性[19]。相比于糊化温度的提高，糊化焓值上升幅度更大，分析是因为双螺旋结构发生重组，或不定型区微晶的排列得到优化[20]，这对抗性淀粉及缓慢消化淀粉(slowly digestible starch，SDS)的形成有积极意义。

2.2.2 水热处理大米粉RS成分热分析

图4为原大米粉RS与水热处理大米粉RS的DSC曲线。其中原料大米RS、湿热组RS、韧化组RS的DSC图像相似，而压热处理大米RS的热力学性质差异较大。分析原因是压热过程中大米粉形成一类新的RS——第3类抗性淀粉(即RS3)。研究发现3种水热处理中，压热法制备抗性淀粉得率最高[21]，原因可能正是RS3的形成。这为压热处理后，抗性淀粉得率远高于其他2组提供了合理的解释，也为大米RS3制备过程水热处理方法的选择提供了最主要的理论参考。

图4 原料米粉RS及3种水热处理后大米粉RS示差扫描量热图像

原大米粉RS、湿热组RS、压热组RS均在108 ℃附近出现1个很小的糊化峰，其中湿热组RS、韧化组RS的ΔH分别为1.821、2.440 J/g，均大于原米粉RS(1.693 J/g)，这2种水热处理提高了大米粉RS的热稳定性。图1中湿热组的大糊化峰在图2湿热组RS对应处完全消失，表明湿热处理对米粉热力学性质的巨大影响，并不作用于大米粉RS上，说明结晶过程在大米RS3形成过程中可能更重要。相比之下，韧化处理使糊化温度范围T0～Tp变窄的特性同样在韧化组RS的DSC图像上表现出来，这说明韧化处理对大米粉和大米粉RS的热力学性质均有一定的影响。

压热组RS的DSC图像与其他3组差异很大，但与图1中压热大米粉的DSC图形相似。这说明压热处理的重结晶作用对米粉有较彻底的影响，使大米粉形成RS3的同时整体热稳定性提高，适应于进一步的食品加工生产。因此，从热力学性质方面考虑，压热处理是3种水热处理方法中制备大米粉RS的最佳水热处理手段。

2.3 水热处理大米粉及抗性淀粉成分的晶体结构

2.3.1 水热处理大米粉晶体结构

由图5可以看出，湿热米粉、韧化米粉X衍射图形与原大米粉相似：在2θ=15°、23°有单衍射峰，2θ=17°、18°有双峰，呈典型淀粉A型结晶结构。压热米粉在2θ=15°无衍射峰，在17°附近为单峰，表现一定的淀粉B型晶体结构；但在B型晶体标志性的5°处无衍射峰，2θ=22°、24°处双衍射峰也不明显，证明压热处理使大米粉的A型结晶结构转化为一种特殊的B型结晶结构[22]。

图5 原料大米粉及3种水热处理后大米粉的X衍射

尽管湿热、韧化处理不改变结晶结构，但对结晶性质有一定影响。由图5和表2可知，湿热处理后各衍射峰变的更尖锐，峰形更加明显， A型结晶特征增强；而韧化处理后峰变得更矮，峰形更模糊，各角度峰高面积均下降，显示A型结晶特征减弱。这与Vermeylen等[23]的研究结果一致，分析原因是湿热处理的高温低水使大米粉整体进一步脱水，A型结晶结构得到加强；而韧化处理的低温高水使水分子进入一部分有缺陷的A型晶体，双螺旋及晶体结构变得松散甚至解离，导致A型晶体结构削弱。

表2 水热处理大米粉及抗性淀粉成分的X射线衍射参数

表2中FWHM是衍射峰的半高宽值，可以反映晶粒的大小。一般情况下，FWHM值越小，晶粒尺寸越大。湿热及韧化处理后，各A型晶体特征峰的FWHM均下降，分析湿热及韧化处理后，米粉晶粒的尺寸均相应增大。压热处理后FWHM值无明显降低，反而有所升高，可能是因为相对于湿热与韧化处理，压热处理效果作用于晶体内部而非外部，且倾向于形成晶粒尺寸较小的晶粒。

湿热处理、韧化处理后，样品结晶度有不同程度降低，而压热处理后结晶度上升，这与扫描电镜的结果类似。分析原因是湿热处理的高温使体系自由能过大影响结晶[24]；韧化处理的低温破坏了部分较脆弱的微晶，且没有促进新的结晶形成[25]；而压热处理则形成新的特殊B型晶体从而提高结晶度。

2.3.2 水热处理大米粉RS成分晶体结构

图6是原大米粉及水热处理大米粉抗性淀粉成分的X衍射图样。由图6与表2可以看出，尽管湿热处理使米粉A型结晶结构增强，韧化处理使A型结晶结构减弱，但两者处理后大米粉RS成分X衍射图像相似，峰高与FWHM也没有显著差异。说明湿热和韧化处理对大米粉RS成分结晶结构影响不大。

图6 原料大米粉及3种水热处理后大米粉RS的X衍射

压热组RS的X衍射图像与其他3组有显著差异：2θ=15°无衍射峰，2θ=17°附近为单峰， 2θ=22°、24°处有不严格的双峰，这些峰也是淀粉B型结晶X衍射特征峰。进一步证明压热处理过程大米淀粉结晶结构发生彻底变化，特殊B型晶体的产生与第3类抗性淀粉RS3形成有密切联系。

此外，压热组RS衍射图像上2θ=12.9°、19.8°处有2个衍射峰，这2个峰被认为代表淀粉——脂质复合物的形成[26]。Kiatponglarp等[25]以大米淀粉为原料进行压热处理，处理后淀粉仍为A型结晶结构，脂质在大米RS3形成中可能有重要的意义。

3 讨论与结论

扫描电子显微镜观察发现，压热处理后形有规则几何外形的晶体结构，并在淀粉酶作用时表现抗性。湿热处理后米粉形成有一定淀粉酶抗性的“外壳”结构，但内部仍易酶解。韧化处理后米粉形成大的团粒结构，表面疏松多孔易受酶解，但团粒内部的淀粉酶抗性可能强于湿热处理米粉。

示差量热扫描研究发现，压热处理后大米粉在120 ℃下无明显吸热、140 ℃才出现缓慢的吸热过程，说明米粉热稳定性提高；压热后大米RS热力学性质与其他组均不同，分析原因是压热处理特有的形成了RS3。湿热对大米粉热力学性质有巨大影响，但对大米粉RS的影响并不大，一方面说明湿热处理改性只作用于大米粉层面而不作用于抗性淀粉层面；另一方面说明结晶过程在RS3形成中有极重要的意义。此外湿热处理、韧化处理也使米粉热稳定性得到小幅提高。

X-衍射分析发现：压热处理后大米粉晶型由A型转化为一种特殊的B型结构，大米粉RS的晶体结构也发生了相应变化。湿热和韧化处理后大米粉仍保持A晶型，而A型晶体特征分别略微增强和削弱，相应抗性淀粉的结晶特征也变化不大。此外压热米粉RS在2θ=12.9°、19.8°处有2个明显的特征峰，分析与淀粉-脂质复合物的形成有密切联系。

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Effects of Hydrothermal Treatments on Properties of Rice Powder and Rice Resistant Starch

Xu Shiyao1Li Fang1Hu Zhongze1Liu Gang1Qing Xinguang1Liu Ying1,2

(Food Science College of Wuhan Polytechnic University1,Wuhan 430023) (Hubei Rice Engineering and Technology Research Center2,Wuhan 430023)

In this paper, rice was used as a raw material. The effects of hydrothermal treatments on the particle morphology, crystal and thermal properties of rice powder and rice resistant starch were investigated. Results showed that autoclaving caused transition of crystallization from A-to a special B-type aggregates with X-ray pattern peaks at 2θ=12.9° and 19.8° that were attributed to the formation of amylose-lipid complexes. Heat-moisture treatment (HMT) resulted in the formation of enzyme resistant shell structures, and caused reversal to A-type crystallization. A very big endothermic peak was also observed at 115 ℃. After annealing, large and loose starch pellets were formed. These results suggested that after autoclaving, new granular structures were created for both rice powder and rice resistant starch, and made them more crystalline and thermo-stable. The HMT had significant impact on crystal and thermal properties of rice powder, whereas for rice resistant starch there was no obvious effect. Annealing had minimal impact on both rice powder and rice resistant starch.

rice, resistant starch(RS), hydrothermal treatments

湖北省科技支撑计划(2015BBA167)

2015-12-06

许诗尧，男，1990年出生，硕士，大米抗性淀粉

，刘英，女，1956年出生，教授，谷物资源开发利用

TS231

A

1003-0174(2017)06-0001-07