动态温湿度储藏条件下 糙米主要储藏特性研究

刘 欣,陈文若,顾佳缘,王 琰,陈银基

(南京财经大学食品科学与工程学院,江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心,江苏南京 210023)

谷物是全世界人和动物重要的食物来源[1],稻谷的产量在世界粮食作物中一直稳居前三。稻谷作为我国主要的粮食作物,有一半以上的人口以稻谷为主食。同时,稻谷也是我国主要的流通和储藏粮种,占我国总储备粮的二分之一以上。由于稻谷外壳厚度大约有18～25 μm,占稻谷总重量的18%左右[2],体积占比更多,巨大的储藏量使其需要更大的储藏空间。糙米是稻谷脱去外壳后的稻米籽粒[3],相同情况下,若将稻谷储藏改为糙米储藏,不仅可以节省大量的仓容,提高仓容利用率,还可以降低运输成本[4]。

目前我国对糙米的研究,主要包括对糙米储藏期间微生物、挥发性成分及其他主要品质指标的测定[5-7],而上述研究往往基于静态微环境(恒定的温湿度)的处理。另一方面,我国早籼稻种植面积大,产量高,但是收获时节适逢雨季,早籼稻水分含量偏高,入仓稻谷未经充分晾晒,储藏后品质较差[8]。因此，研究偏高水分糙米的安全储藏技术，以及储藏过程中糙米的品质变化，对确保糙米品质和我国粮食经济安全有着非常重要的意义。本实验主要基于温湿度条件动态变化下,研究糙米的表面颜色、脂肪酸值、质构特性、糊化特性等品质指标的变化规律,为糙米的安全储藏提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

早籼稻 2016年8月初新收获的,砻谷机脱壳为糙米,品种为湘早籼32号,产地为湖南韶山;石油醚、无水乙醇、氢氧化钠 上海沃凯生物技术有限公司;氢氧化钾 天津市科密欧化学试剂有限公司,均为分析纯。

PQX-300D型智能人工气候箱 宁波东南仪器有限公司;CM-5型色差仪 日本柯尼卡美能达公司;TA.XT2i型质构仪 英国SMS公司;RVA4500型快速黏度分析仪 波通瑞华科学仪器有限公司;SFY-20A型快速水分测定仪 深圳市冠亚电子科技有限公司;高速万能粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司;SQP型电子天平 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 动态储藏条件构建 考虑到实际仓储粮食取样不便利,本实验采取实验室模拟储藏,粮库选取三种类型(均选自江苏地区的粮库):配置制冷空调的低温粮库(可控温控湿,对应本实验L组)、通风条件较好的普通粮库(对应本实验M组)、南方小型粮库(夏季高温高湿,对应本实验H组)。温湿度设定主要依据2014～2016年间测定的三个典型粮库第一年8月至第二年3月的各月份实际温度和湿度,取每月日间均值和夜间均值(如表1所示),将动静态温湿度数据输入三个智能人工气候箱;取初始水分为15%的早籼稻碾成糙米,通过水分调节,分别获得初始含水量为17%、19%、21%的糙米,进行为期240 d的模拟储藏,每60 d在塑封袋表面均匀随机取500 g，测定一次各项指标。

表1 动态储藏条件构建Table 1 Construction of dynamic storage condition

1.2.2 表面颜色的测定 利用色差仪来测定糙米色度的3个指标:L*、a*和b*。

1.2.3 脂肪酸值的测定 依据GB/T 5510-2011。

1.2.4 质构特性的测定 糙米经过淘洗、浸泡、蒸煮成米饭,用物性测试仪测定。具体操作步骤为:准确称取10 g样品于铝盒中,淘洗、冲洗各两次后,加入12 mL水,加盖后放入带有蒸笼的电饭煲,蒸煮40 min后,停止加热焖20 min。每次测定时,从铝盒中间层的不同部位随机挑取3粒完整的米粒,对称放置在载物台上。每次测定前,先用酒精擦拭载物台,每个样品重复6次,去掉最大值和最小值,求平均值。物性测试仪的主要参数为:探头为P/36R大米专用探头,操作模式为压力测试模式,压缩比为75%,测试模式为strain,触发点为10 g,测试前速度为5 mm/s,测试速度为0.5 mm/s,测试后速度为5 mm/s,测试循环数为1。通过物性测试仪,测定糙米的硬度、粘着性和弹性。

1.2.5 糊化特性的测定 糙米经过高速万能粉碎机粉碎后,过60目筛得到糙米粉,准确称取3.5 g糙米粉加入25 mL去离子水(按14%湿基校正),用RVA粘度测定仪测定糙米的峰值黏度、热浆黏度、最终黏度、崩解值、回生值和糊化温度。每个样品重复3次。

1.3 数据处理与分析

每个指标测定至少重复3次,数据处理及统计分析采用SPSS 16.0软件进行。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)进行各个指标差异显著性分析,糙米各指标间的相关性采用Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 糙米储藏过程中表面颜色的变化

随着储藏时间的增加,色度L*值逐渐减小,糙米表面颜色逐渐变暗。相同水分含量的糙米,在不同温度下的L*值相差不大;同一温度下,不同水分含量的糙米,L*值变化明显(表2)。在L组,水分含量为15%、17%、19%、21%的糙米L*值经过240 d的储藏比最初分别减少了0.64、1.23、2.38、3.76,水分含量越高,ΔL*越大。

与L组相比,M组和H组的ΔL*都较大。在M组,水分含量为15%、17%、19%的糙米L*值分别减少了0.73、0.84、1.33;在H组,水分含量为15%和17%的糙米L*值分别减少了0.82、1.74,说明温度对L*值的变化影响不大,高水分对L*值的变化有很大影响。

在为期240 d的储藏过程中,色度a*值不断增大且变化明显,糙米表面颜色逐渐变红。在L组,水分含量为15%、17%、19%、21%的糙米a*值经过240 d的储藏比最初分别增加了0.34、0.62、0.75、1.41,水分含量越高,Δa*越大,21%的糙米变化尤为明显。在M组和H组,水分含量为15%、17%的糙米比在L组下的Δa*大,15%水分含量的糙米经过240 d的储藏比最初分别增加了0.46、0.87,17%水分含量的糙米分别增加了0.92、1.18。可以看出,温度越高,Δa*变化越大。

色度b*值也随储藏时间的增加而增加,且变化明显,糙米表面颜色逐渐变黄。相同水分含量的糙米,在不同温度条件下的Δb*值相差不大;在同一温度条件下,不同水分含量的糙米b*值变化明显,水分含量越高,Δb*值越大。在L组,15%、17%、19%、21%水分含量的糙米b*值经过240 d的储藏比最初分别增加了1.24、1.39、1.49、2.29,其中21%水分含量的糙米变化尤为明显,说明不同水分含量的糙米Δb*差值较大。

2.2 糙米储藏过程中脂肪酸值的变化

由表3可以看出,糙米的脂肪酸值随着储藏时间的延长整体呈现先上升后下降的趋势。L组和M组的脂肪酸值,在储藏前120 d,增加迅速;在储藏后期(120～180 d),脂肪酸值增加较为缓慢;在储藏末期(180～240 d),脂肪酸值开始逐渐减小。水分含量为15%的糙米，其脂肪酸值在L组、M组、H组经过240 d的储藏，分别增加了13.15、23.51、34.03 mg KOH/100 g,水分含量为17%的糙米，其脂肪酸值在L组、M组、H组经过240 d的储藏，分别增加了13.68、25.56、33.10 mg KOH/100 g。由此可见,温度越高,脂肪酸值增加越明显。即使在低温条件下,水分含量为15%的糙米脂肪酸值在第180 d就已经达到28.02 mg KOH/100 g(>25 mg KOH/100 g),达到了不宜存放的标准[9]。

2.3 储藏过程中糙米质构特性指标变化

从图1可以看到,随着储藏时间的增加,糙米米粒的硬度逐渐增大,糙米的初始水分含量越高,其经过蒸煮后所得米粒的硬度值越小。在L组,水分含量为15%、17%、19%、21%的糙米在储藏中期(120 d),硬度分别增加了11.61%、13.07%、13.37%、14.48%;在M组,水分含量为15%、17%、19%、21%的糙米经过120 d储藏后,硬度分别增加了12.75%、13.74%、14.41%、14.89%;在H组,水分含量为15%、17%、19%、21%的糙米经过120 d储藏后,硬度分别增加了14.90%、15.27%、16.62%、17.53%。对比发现,M组不同水分含量的糙米硬度增幅比较接近,相差不大,而高温时各水分含量的糙米硬度增幅变化较为明显。

样品经第一次压缩以后能恢复到原来状态的程度称为弹性。在弹性测定过程中,两次压缩测试之间的时间间隔至关重要,糙米恢复的高度与时间间隔成正比。由图1可知,随着储藏时间的增加,不同水分含量的糙米其弹性均有不同程度的增加;在H组,弹性增幅明显大于M组。L组中,在储藏前120 d,19%及以下水分含量糙米其弹性增长缓慢;在M组,水分含量为15%、17%、19%的糙米其弹性逐渐增长,其弹性经过240 d的储藏，增加量分别为0.08、0.09、0.10 g;在H组,水分含量为15%、17%的糙米其弹性经过240 d的储藏，增加量分别为0.11、0.12 g,增长幅度明显大于M组。在储藏前60 d,M组和H组弹性变化相差不大,从第120 d起,H组弹性增长明显快于M组。初始水分含量高的糙米要比初始水分含量低的糙米弹性大。

图1 不同水分糙米在储藏过程中质构特性的变化Fig.1 Changes of brown rice texture characteristics with different water content during storage

咀嚼米饭的过程中,米粒对舌头、上颚和牙齿等接触黏着的性质为黏着性,在为期240 d的储藏时间内,糙米的黏着性随着储藏时间的增加而出现不同程度的下降。初始水分含量高的糙米,其相应的黏着性也越差。由图1可知,经过120 d的储藏后,在L组,水分含量为15%、17%、19%、21%的糙米其黏着性经过240 d的储藏，比最初分别降低了34、41、54和58 gs;在M组,水分含量为15%、17%、19%的糙米其黏着性经过240 d的储藏,比最初分别降低了38、52和66 gs;在H组,水分含量为15%、17%的糙米其黏着性经过240 d的储藏，降低量分别为44、56 gs。温度越高、水分含量越大,糙米的粘着性越差。

2.4 储藏过程中糙米糊化特性指标变化

由图2可知,随着储藏时间的增加,不同水分含量的糙米的峰值黏度均逐渐增加。相同温度条件下,水分含量越高的糙米其峰值黏度越大。在L组,水分含量为15%、17%的糙米其峰值黏度增长较缓慢,19%和21%水分含量的糙米峰值黏度增长较快;在M组,水分含量为15%、17%、19%的糙米其峰值黏度经过240 d的储藏比最初分别增加了367、691、716 Pa·s;在H组,19%水分含量糙米峰值黏度大幅增长,21%水分含量糙米在储藏第60 d后发生霉变。在储藏末期(第240 d),水分含量为15%、17%、19%的糙米其峰值黏度分别增加了524、780、1013 Pa·s。M组和H组糙米的峰值黏度变化远大于L组。因此,温度越高、水分含量越高时,糙米峰值黏度增加越快。

图2 不同水分糙米在储藏过程中热浆粘度的变化Fig.2 Changes of hot pulp viscosity in brown rice with different water content during storage

在糊化过程中,糙米样品中的淀粉颗粒子恒定高温(95 ℃)和机械剪切力的作用下进一步崩解,崩解后的多聚物会在溶液中重新排列,在这个阶段,黏度会降低到最低黏度(又称热浆黏度)。由图2可以看出,随着储藏时间的增加,不同水分含量的糙米热浆黏度均有所增加。L组中,经过120 d储藏后,19%和21%水分含量糙米其峰值黏度值增幅较大。在储藏末期(第240 d),水分含量为15%、17%、19%、21%的糙米其热浆黏度分别增加了207、241、436、449 Pa·s;在M组,水分含量为15%、17%、19%的糙米其热浆黏度经过240 d的储藏比最初分别增加了338、509、564 Pa·s;在H组,经过60 d储藏后,19%水分含量糙米其热浆黏度值增长迅速。在储藏末期(第240 d),水分含量为15%、17%、19%的糙米其热浆黏度分别增加了40.02%、46.44%、55.55%。糙米的初始水分含量越高,热浆黏度值越大,增加越快;温度越高,热浆黏度值上升越快。

最终黏度能够反映糙米样品熟化冷却后的凝胶的能力,最终黏度的值越小,表示米饭越软糯。由图2可知,不同水分含量的糙米的最终黏度都随着储藏时间的延长而增加,并且温度越高、初始水分含量越高,最终黏度增加越快。L组中,在储藏前60 d过程中,各水分含量糙米最终黏度值变化不大,在第120 d后,19%和21%水分含量糙米最终黏度值增加迅速。到储藏末期(第240 d),水分含量为15%、17%、19%、21%的糙米最终黏度分别增加了8.64%、11.67%、16.82%、16.70%;在M组,水分含量为15%、17%、19%的糙米最终黏度分别增加了11.91%、19.13%、24.80%;在H组,在储藏第60 d后,糙米最终黏度值大幅增加。到储藏末期(第240 d),水分含量为15%、17%、19%的糙米最终黏度分别增加了16.53%、24.43%、30.28%。因此,温度越高、初始水分含量越高,糙米的最终黏度增加越快。

崩解值是指峰值黏度和热浆黏度的差值,它表示在95 ℃恒温加热时的黏度值。崩解值能够反映淀粉颗粒吸水溶胀后的强度,崩解值越小,强度越小,更易破碎。崩解值越大,则样品的口感品质越好。这是由于淀粉颗粒的表面的蛋白等一些物质影响了水合作用。由图2可以看出,随着储藏时间的增加,崩解值略微增加。初始水分含量高的糙米,其崩解值要大于初始水分含量低的糙米。在三个不同温度组,21%水分含量的糙米崩解值明显高于其它三个水分。

回生值是最终黏度与热浆黏度之差。淀粉的回生主要是由于支链淀粉的重结晶。回生值能够反映淀粉的老化程度,一般地,回生值越小,米粒的口味越佳。相同温度下,糙米的回生值的大小随着时间的变化先增长,后降低。相同水分含量的糙米回生值变化幅度不大,最后趋于平衡。在储藏前期(60 d),回生值不断增加,15%水分含量的糙米在储藏60 d后回生值开始下降,从第120 d起,17%、19%、21%水分含量糙米的回生值均有不同程度的下降。水分含量为17%、19%、21%的糙米的回生值均明显大于水分含量为15%的,说明低水分含量的糙米其口味较好。

2.5 糙米各指标相关性分析

由表4可知,色度L*与水分含量极显著负相关(r=-0.72,p<0.01),说明水分含量越高,L*值越小,糙米表面亮度越暗。色度a*与水分含量极显著正相关(r=0.51,p<0.01),说明水分含量越高,a*值越大,糙米表面颜色逐渐发红。色度b*与水分含量极显著正相关(r=0.36,p<0.01),说明水分含量越高,b*值越大,糙米表面颜色逐渐发黄。硬度与水分含量显著负相关(r=-0.41,p<0.01),说明水分含量越低,糙米米粒的硬度越大,则其食用品质越差。色度a*与糊化特性极显著性相关,与峰值黏度极显著正相关(r=0.90,p<0.01),与热浆黏度极显著正相关(r=0.89,p<0.01),与最终黏度极显著正相关(r=0.93,p<0.01),与崩解值极显著正相关(r=0.79,p<0.01)。因此,色度a*值可以作为糊化特性的预测指标。脂肪酸值与硬度极显著正相关(r=0.66,p<0.01),与弹性极显著正相关(r=0.85,p<0.01),与黏着性极显著负相关(r=-0.75,p<0.01)。因此,脂肪酸值可以作为食品品质的预测指标。

表4 动态模拟储藏过程中糙米各指标间的相关性Table 4 Correlation between different indexes of brown rice during dynamic simulation storage and transportation

3 讨论

过高的温度和水分含量会导致糙米表面颜色的发黄,失去色泽,这些都会影响糙米的外观和品质[10]。本研究中,在糙米的储藏过程中,随着储藏时间的增加,色度L*值在不断减小,也就是说糙米表面亮度越来越暗;红绿色相a*值不断增大,表面颜色逐渐发红;黄蓝色相b*值不断增大,表面颜色逐渐发黄,这些都说明糙米的品质在发生劣变。这与前人的研究结果一致[11-12]。Dillahunty等[13]研究发现水分含量和储藏温度对稻米的呼吸作用有很大的影响,水分含量越高、温度越高,稻米种子的呼吸作用越强,增加了呼吸代谢废物的累积,就越容易发生黄变。另一方面,糙米失去了外保护壳的保护作用,更容易受到真菌和霉菌的影响[14],这些因素交叉引起了糙米的品质劣变。因此,为了保持糙米良好的色度而不发生黄变,其储藏应该尽量控制低水分含量、低储藏温度。

糙米籽粒脂肪水解会产生脂肪酸,脂肪酸含量的增加会影响糙米的品质[15]。Tsuzuki等[16]研究表明,脂肪酸值与食用品质显著相关,可以用脂肪酸值作为食用品质的预测指标。在适宜的环境下,糙米中的脂肪一般以游离脂肪酸的形式存在,随着储藏时间的延长、温度的升高以及水分含量的增加会加快脂肪的氧化,导致游离脂肪酸含量增加,粮食品质越容易劣变。宋伟等[17]对不同水分、温度、氧气浓度条件下储藏的糙米脂肪酸值进行测定,结果表明,随着储藏时间的延长,糙米脂肪酸值呈先增加继而又下降的趋势,储藏时间、温度、氧气浓度、水分对脂肪酸值影响显著(p<0.01),温度、水分越高,脂肪酸值上升越快。本实验中,水分含量为21%的糙米其脂肪酸值明显高于水分含量为15%、17%的糙米,与其研究结果一致。李央等[18]指出糙米在储藏过程中,脂质在酶的作用下分解产生游离脂肪酸,从而使得脂肪酸值含量增加[19]。但由于脂肪酸是一个处于动态平衡的中间产物,在一定条件下还会进一步分解成酚类、醛类、酮类等物质[20],造成其含量的下降。

食品质构特性是一项表示食品品质的重要指标,它主要是由食品的成分和组织结构决定的,主要包括硬度、黏着性、弹性、咀嚼性和内聚性等食品材料中的一些最基础的性质[21]。在动态模拟储藏过程中,糙米的硬度随着储藏时间的延长而逐渐增大。Narpinder Singh等[22]提出糙米硬度增加的原因是在糙米陈化过程中,米内部的脂类物质容易发生水解、氧化,从而导致米粒中的游离脂肪酸增加。在糙米直链淀粉螺旋结构中包藏着游离脂肪酸,容易形成脂类-淀粉复合物,这会导致在米粒糊化过程中所需要的水分难以通过,米粒的淀粉强度增加,糊化温度也随之提高,因此,储藏时间长的米饭硬度会增加,口感变差。另外,糙米的弹性和黏着性在储藏过程中都出现不同程度的下降[23]。弹性下降的原因是在蒸煮的过程中,米粒腹部吸水速度快于背部[24],吸水过程中产生的水分差使得米粒表面龟裂,淀粉大量涌出,因此弹性下降。糙米水分含量越大、温度越高其黏着性下降越明显的原因可能是,在此条件下,糙米中越容易产生游离脂肪酸,游离脂肪酸包裹淀粉粒,使其糊化困难,导致黏着性下降[25]。陈银基等[26]研究发现糙米在一年的储藏期内,蒸煮硬度随着储藏时间的延长呈上升趋势,而经过60Co-γ射线辐照处理后的糙米蒸煮硬度降低,辐照处理对淀粉颗粒的内部结构和形态有修饰作用,使得淀粉颗粒间的空间变大,糙米在蒸煮时可渗入更多水分,进而可以改善蒸煮品质。

RVA是测量淀粉糊化特性最常用的一种方法,其特征值可以作为评价稻米品质的主要特征指标[27]。在温湿度动态模拟储藏过程中,随着储藏时间的延长,糙米的峰值黏度、热浆黏度和最终黏度都有所增加,回生值先增加后下降。相同水分含量的条件下,温度越高,其黏度值越大,增长的也越快。同一温度下的不同水分含量的糙米,其初始水分含量越高,黏度值越大,且随着时间的增长有显著的增加。宋伟等[28]研究储藏温度对糙米糊化特性的影响,发现不同储藏温度下的糙米,其峰值黏度、最终黏度均随着储藏时间的延长不断增加,温度越高,黏度上升越快,储藏温度对黏度的影响显著。这与本研究结果一致。影响糙米糊化特性的最主要因素是糙米直链淀粉的含量[29],直链淀粉含量越大,糙米的口感就越差,因此淀粉的组份不一样使得糙米的糊化性质会有所不同[30]。Chun等[31]研究发现高温可以增加支链淀粉的链长以及降低直链淀粉的含量,从而增加稻谷的峰值黏度、热浆黏度和最终黏度。朱立树等[32]通过分析糙米的峰值黏度、最终黏度、最低黏度、黏度衰减值的变化和回生值的变化等糊化指标特性,得出温度越高对淀粉的糊化特性影响越大,所以应该将糙米低温储藏，以保持其良好的口感和品质。

4 结论

本实验研究分析了早籼稻在收获后,以糙米形式过夏及其在储藏过程中品质变化。结果表明,储藏温度和糙米水分对糙米储藏特性和储藏后品质影响显著;糙米在初期储藏时如遇高温高湿等不利储藏条件,色度a*值、色度b*值、硬度、弹性、峰值黏度、热浆黏度、最终黏度、崩解值都随着储藏时间的增加呈显著上升趋势,色度L*值、黏着性随着储藏时间的增加呈显著下降趋势,脂肪酸值呈先上升后下降的趋势,糙米品质发生劣变。初始水分含量则与糙米主要质构特性、糊化特性指标极显著相关,但高水分糙米储藏后主要质构特性、糊化特性指标均未见改善。正常(15%)或偏高水分(17%、19%)的糙米在正常(低温和中温)储藏条件下安全储藏期为120 d,如若控温(低温)条件下可以延长正常水分糙米储藏期至180 d。糙米在入夏高温储藏时初始水分须控制在15%的安全水分以内,偏高水分(17%、19%)的糙米在高温条件下极易发生品质劣变。