糙糯米发芽过程中淀粉理化特性的变化

王宏伟 肖乃勇 赵双丽 黄芸琳 张 华,3

(郑州轻工业学院食品与生物工程学院1，郑州 450002) (河南省食品生产与安全协同创新中心2, 郑州 450002) (河南省冷链食品质量安全控制重点实验室3，郑州 450002)

糙米是指稻谷经砻谷脱壳后将米糠层和胚芽共同保留下来的全谷米粒，富含多种矿物质、膳食纤维、γ-氨基丁酸等多种功能性成分，具有很高的营养价值。但由于糙米表面米糠层的存在，阻碍了水分的吸收和热量的传递，使得产品食味品质较差，且伴有糠味，从而延缓了糙米制品的应用推广[1-3]。近年来，糙米的营养保健价值逐渐引起人们的重视，针对改善糙米食用品质及开发糙米主食食品的研究已成为热点[4]。

糙米发芽作为一种清洁生产和绿色制造手段，是将糙米置于一定温度、湿度条件下培养一段时间，处理过程简单方便，其基本原理是通过激活和释放糙米内部的酶类物质，进而改善糙米内部的营养组分组成(淀粉、蛋白质和脂质)及相关理化特性[5]。糙米主要由淀粉组成(70%左右)，其理化性能的变化将直接影响糙米制品的应用。目前，有关发芽对糙米淀粉理化特性的影响虽有报道[6-9]，但主要集中在通过冻融稳定性、凝沉特性、溶解度、糊化特性等指标探究发芽前后糙米粉理化特性的差异[10-11]，而对不同发芽阶段淀粉糊化、流变性能及质构特性的探究较少，尤其是以糙糯米为原料的研究鲜有报道。因此，有必要开展糙糯米发芽过程中淀粉理化性能变化的研究，建立糙糯米淀粉理化性能变化与其质构特性间的相关性，为发芽糙米制品的研制与开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

糙糯米。

HWS-080恒温恒湿培养箱；UV-1100紫外/可见分光光度计；Discovery流变仪；TX.XT.plus质构仪；RVA4500快速黏度测定仪；DF-101S磁力搅拌器；TG16-WS台式高速离心机。

1.2 方法

1.2.1 发芽糙糯米的制备

选取饱满完好的糙糯米粒，经1%的次氯酸钠溶液浸泡30 min后用去离子水冲洗干净，调至pH为7。室温下，在蒸馏水中浸泡12 h，每隔0.5 h搅拌一次。弃去水溶液，将糙米转移至平板上(120 mm)。在恒温恒湿箱中进行发芽处理，参数设定：温度30 ℃，湿度80%。发芽时间为 0、12、24、36、48 h(发芽0 h 为不放入恒温恒湿箱中，浸泡结束后，直接干燥)。

1.2.2 糙糯米淀粉的提取

将不同发芽阶段的糙糯米清洗后，蒸馏水中浸泡24 h，打浆过240目筛。然后在4 ℃冰箱中存放48 h，弃去上清液。将沉淀物与0.4%的NaOH溶液以1∶5的比例混匀，4 ℃储存48 h。弃去上清液，沉淀物重新分散于水中，过240目筛，4 ℃静置24 h。继而重复清洗3次，用1 mol/L的HCl 调至pH值为7，4 ℃存放24 h。将中和后的淀粉重新溶于水，4 ℃ 存放24 h。最后，弃去上清液，将湿淀粉在45 ℃烘箱中干燥24 h，过160目筛封存备用。根据糙糯米发芽过程中发芽时间的不同，发芽处理后的淀粉样品分别命名为糙糯米，GBS-12 h，GBS-24 h，GBS-36 h，GBS-48 h[12]，其蛋白质含量测定参考国标[13]，分别为0.39、0.43、0.46、0.47、0.74。

1.2.3 淀粉糊的溶解度和膨胀度

按照3%(m/m)的比例将干基质量为M的淀粉加入到蒸馏水中，65 、75、85、95 ℃条件下搅拌30 min后倒入离心管中，在3 500 r/min的转速下离心20 min，分离上清液和沉淀，称量沉淀记为M2。去上清液于小烧杯中，放入105 ℃烘箱烘干至恒重，称量记为M1，按公式计算淀粉样品的溶解度。

溶解度S=M1/M×100%

膨胀度SP(g/g)=M2/M-M1

式中：M1为上清液烘干后剩余的物质量/g；M2为离心后管中沉淀物的质量/g。

1.2.4 淀粉糊凝沉特性的测定

配制质量分数为1%的淀粉乳液于25 mL的刻度试管中，沸水浴煮沸10 min，25 ℃条件下每隔一定时间记录上层清液体积，绘制凝沉曲线。

1.2.5 糊化特性分析

通过快速黏度仪分析不同发芽阶段条件下糙糯米淀粉的糊化性能的差异，具体方法参考AACC[14]，稍加改动：准确称取1.2 g淀粉(干基)，配制浓度为6%(m/m)的淀粉乳液，首先在30 ℃下保持1 min；其次以5 ℃ /min的升温速率升至95 ℃，并在95 ℃下保温10 min；最后，以5 ℃ /min的降温速率降至50 ℃，保温10 min，获得淀粉糊的黏度曲线及特征参数的变化。糊化过程中的起始转速为960 r/min，随后均采用160 r/min转速测定。

1.2.6 淀粉糊流变特性分析

取1.2.5节中制备好的淀粉糊，放置在流变仪测试平台上，采用直径为40 mm的平板-平板系统，间隙为1.0 mm，刮去平板外侧多余的样品，并加入硅油防止水分蒸发。在25 ℃条件下，先进行振幅扫描检测其线性黏弹区，最终确定应变为2%。

稳态流变特性测定：采用Flow Ramp模式，设定角频率为5 rad/s，剪切速率(γ)从0～300 s-1测定样品剪切应力的变化。采用Power law模型对数据进行拟合：

τ=K·rn

式中：τ为剪切应力/Pa；K为稠度系数/Pa·sn；γ为剪切速率/s-1；n为流体指数。

动态流变性测定：采用 Oscillation Frequency模式，25 ℃进行频率扫描(0.1～100 rad/s)，测定样品的损耗角正切值。

1.2.7 淀粉凝胶质构特性的测定

配制6%(m/m)的糙糯米淀粉乳液，在沸水中加热30 min，冷却后放入大小均一的小铝盒中于4 ℃环境下放置24 h。通过质构仪测定淀粉凝胶的质构特性，测定条件：选取TPA模式，测试温度为25 ℃，压缩变形为样品高度的50%，探头为P/0.5，测试速度为：下压速度1.5 mm/s，接触后速度1.0 mm/s，下压深度为样品高度的50%，平行测试5次后取平均值[15]。

1.2.8 数据处理与分析

所有实验均重复3次以上(特别说明除外)，数据采用平均值±标准差表示，用Microsoft Excel 2013分析处理，通过Origin 9.0作图，统计分析采用SPSS 22.0软件，方差分析采用Duncan多重比较法进行显著性检验(P<0.05)。

2 结果与讨论

2.1 发芽处理对糙糯米淀粉溶解度和膨胀度的影响

溶解度和膨胀度能够反映淀粉-水分子相互作用的能力，而研究淀粉在水体系中的吸水性对于加工淀粉类食品具有重要意义。淀粉的膨胀度和溶解度与淀粉颗粒的大小、形态、分子链的排列、分子量等有关[16]。

图1为不同发芽处理阶段糙糯米淀粉溶解度与膨胀度的变化情况。由图1可见，发芽处理可提高淀粉的溶解度及膨胀度。随着水和体系温度的提高和发芽时间的延长，糙糯米淀粉的溶解度和膨胀度逐渐增大，并在体系温度95 ℃、发芽处理时间48 h时达到最大值，即溶解度与膨胀度分别为4.6%和43.6 g/g。这主要是由于糙糯米在发芽过程中，内源淀粉酶被激活，导致糙糯米淀粉分子链断裂或降解，有序化结构疏松，增强了糙糯米淀粉颗粒的亲水性并促进了淀粉分子与水分子间氢键等相互作用，进而提高了淀粉的膨胀度及溶解度。

图1 发芽处理对糙糯米淀粉溶解度和膨胀度的影响

2.2 发芽处理对糙糯米淀粉凝沉特性的影响

淀粉糊发生凝沉主要是由于直链淀粉或支链淀粉分子间的有序化重排，形成束状结构或凝胶微球，最终导致水分子从淀粉分子内部析出[17]。由图2可知，随着发芽处理时间的延长，糙糯米淀粉的凝沉速度逐渐减慢。其中，静置时间在10 h内，不同发芽程度糙糯米淀粉糊的凝沉特性变化不大，这可能由于糙糯米淀粉内部直链淀粉含量较低，尽管经过不同时间的发芽处理，但其直链淀粉含量的减少有限，因而在短期回生的过程中并无显著性变化；淀粉在糊化过程中，虽然支链淀粉中短支链淀粉形成的双螺旋结构被破坏，但这些链仍保持着规则的形态并具有一定的“记忆”功能，这些短支链(主要源于同一子链)形成了胶体球，而一个支链淀粉分子可以形成一个独立的超级球，从而有利于水分子的析出，导致其凝沉性增强。此外，糙糯米经过不同程度的发芽处理后，其支链淀粉可能被淀粉酶降解形成更多的胶体球，有利于包裹较多的水分子，从而降低了其凝沉特性。

图2 发芽处理对糙糯米淀粉糊凝沉特性的影响

2.3 发芽处理对糙糯米淀粉糊化特性的影响

图3和表1分别为不同发芽阶段糙糯米淀粉的成糊曲线变化情况及相应的糊化参数。由研究结果可知，发芽处理可导致糙糯米淀粉起糊温度升高，并引起峰值黏度、最终黏度、回生值降低以及糊化曲线整体黏度降低。这表明糙糯米经不同发芽时间处理后，由于其内部淀粉酶的作用，其颗粒内部排列不规整、致密度低的晶体受到破坏，从而提高了糙糯米淀粉结晶的完美性，导致起糊温度上升；淀粉酶的作用还会降低淀粉颗粒的刚性及分子量，从而致使糙糯米淀粉糊峰值黏度及糊化曲线整体黏度降低；发芽处理后，由于淀粉分子链的断裂及降解导致其在剪切过程中不容易发生重排，分子缔合度降低，最终使淀粉的回生值下降。上述现象随着处理时间的上升而不断增强，这主要是与发芽处理时间延长提高其内部淀粉酶活性进而破坏糙糯米淀粉的结构有关。Veluppillai等[18]研究发现淀粉酶活性在未发芽糙米粉中很低而在发芽糙米中活性显著提高，且随发芽时间的延长而增加。这与张国权[19]研究荞麦淀粉的发现一致，苦荞种子在发芽过程中淀粉酶活力升高导致淀粉水解增多，提高了淀粉结构的疏松程度。此外，糙糯米经不同发芽时间处理后，其崩解值下降，表明发芽处理可增强糙糯米淀粉糊的抗剪切和热稳定性能力。

图3 发芽处理对糙糯米淀粉黏度的影响

/ ℃/mPa·s/mPa·s/mPa·s/mPa·s59.9±0.6c1174.1±52a511.6±22a720.8±73a66.7±4.5aGBS-12 h60.2±0.8c1120.8±42a422.6±13b720.5±64a64.8±4.1aGBS-24 h60.9±1.2b1004.2±32b399.1±18c640.2±62b46.8±3.4bcGBS-36 h61.5±1.4a984.8±31c390.5±32c663.2±54b49.8±2.8bGBS-48 h61.2±1.1a943.1±52d349.4±25d598.0±58c51.6±2.3b

注：同一列中不同字母代表显著性差异(P<0.05),下同。

2.4 发芽处理对糙糯米淀粉流变性能的影响

2.4.1 不同发芽处理时间糙糯米淀粉稳态流变学特性

图4为不同发芽时间处理后糙糯米淀粉的稳态流变学行为曲线。随着剪切速率的增加，糙糯米经不同发芽时间处理后，其淀粉的表观黏度急速下降，最后趋于平稳，即存在剪切稀化现象，表明各淀粉糊均属于假塑性流体。其中，淀粉的分子链结构(构型、构型、大小及刚性)是影响淀粉糊剪切稀化现象的决定因素[20]。本研究中，发芽处理前后糙糯米淀粉剪切稀化性能的差异可能源于淀粉分子量及刚性的变化。

图4b为糙糯米原淀粉及发芽处理的糙糯米淀粉的剪切应力变化曲线.随着剪切速率的增加，剪切应力不断提高，且糙糯米原淀粉的剪切应力始终最大。此外，随着发芽处理时间的延长，糙糯米淀粉的剪切应力逐渐下降。对图4b的数据根据幂定律方程进行拟合，得到相应拟合参数，如表2所示。由相关系数R2的大小(R2= 0.993 6～0.996 5)可知，淀粉的静态流变学特性符合Power Law模型。流体指数n均小于1，表明淀粉糊为假塑性流体，与表观黏度的变化相一致，表明原淀粉与发芽糙糯米淀粉糊容易受到外力的作用而破坏其内部结构，凝胶结构弱。同样地，代表抗剪切和形变能力的稠度系数K在经发芽处理后有所下降，且随着发芽处理时间的延长不断降低，这与前人研究相一致[21]。

图4 发芽处理对糙糯米淀粉静态流变特性的影响

表2 静态流变学拟合参数A

2.4.2 不同发芽处理时间糙糯米淀粉动态流变学特性

图5为糙糯米经不同发芽时间处理后淀粉糊的储能模量(G′)和损耗模量(G″)，其中储能模量是指淀粉糊在外力作用下的形变程度，即因弹性形变而储存的能量，表征淀粉糊经外力作用后自我恢复的能力；损耗模量是指淀粉糊在形变过程中，因黏性形变(即不可逆形变)而损耗的能量，反映了淀粉糊的可流动性能。损耗角正切值为黏性与弹性的比值(G″/G′)，tanδ越大表明淀粉糊黏性比例越大，流动性越好，反之弹性比例越大。由图5c损耗角正切随角频率变化曲线可知，所有样品的tanδ均小于1，表明样品主要表现出弹性特征。

图5 发芽处理对糙糯米淀粉动态流变性能的影响

由图5可见，不同发芽时间处理的糙糯米淀粉糊的储能模量和损耗模量均随角频率的增大而增大，且在相同角频率下其储能模量均大于损耗模量，表明不同发芽时间处理下的糙糯米淀粉糊均呈现凝胶性。随着发芽时间的延长，糙糯米淀粉糊的G′和G″呈逐渐降低的趋势，表明糙糯米淀粉经发芽处理后，糊流动性增强，这与表2研究结果相一致。

2.5 发芽处理对糙糯米淀粉凝胶质构特性的影响

表3为不同发芽时间处理后糙糯米淀粉质构特性的变化情况。由表3可知，糙糯米经发芽处理后，其淀粉凝胶的硬度、内聚性、胶黏性、咀嚼性等数值呈下降趋势，且随着发芽时间的延长趋势更加明显。其中，硬度的降低可能是因为糙糯米在发芽过程中，其内部的淀粉酶对淀粉颗粒的刚性和有序化结构造成了破坏，致使糙糯米淀粉分子链的断裂，从而影响了糙糯米淀粉在形成凝胶过程中排列行为，引起了硬度的降低。内聚性、胶着性、咀嚼性的等参数的下降，可归结为淀粉断裂后形成多个分子量较小的分子链结构，分子链间的缔合度以及淀粉糊形成的三维网状结构减弱，导致凝胶内部黏结的紧密度、抗击压、抗剪切能力降低，从而在凝胶内聚性、胶黏性、咀嚼性上有一定的体现。这也与本研究糙糯米淀粉糊化特性以及其流变学特性结果一致。

表3 发芽处理对糙糯米淀粉凝胶质构特性的影响A

2.6 糙糯米淀粉糊化、流变特性与质构特性相关分析

淀粉的糊化、流变特性和凝胶质构特性对淀粉基食品的加工极为重要，能够影响淀粉基食品的生产过程及最终品质[22]。由表4可知，糙糯米淀粉凝胶的胶黏性与淀粉糊的峰值黏度、最终黏度呈极显著正相关，与淀粉糊的崩解值呈显著正相关，这表明峰值黏度、最终黏度以及崩解值较大的糙糯米淀粉容易形成胶黏性高的凝胶。糙糯米淀粉凝胶的咀嚼性与淀粉糊的起糊温度呈显著负相关，与峰值黏度、稠度系数呈显著正相关，这表明淀粉糊起糊温度越低、峰值黏度越大，形成的淀粉糊黏稠度越高，淀粉凝胶咀嚼的持续抵抗程度越高。

表4 发芽糙糯米不同特性间相关分析

注：检验的显著性水平 *表示P<0.05，**表示P<0.01。

3 结论

研究了糙糯米发芽过程中淀粉理化特性的变化。结果表明，糙糯米经不同程度的发芽处理后，其溶解度和膨胀度增加，凝沉特性得到改善。此外，糙糯米经不同发芽时间处理后，其峰值黏度、终值黏度及黏度曲线有所下降，热糊稳定性及冷糊稳定性提高；发芽处理不仅能够降低体系的稠度系数及凝胶网络结构的稳定性，从而提高淀粉糊的流动性，且还可减弱糙糯米淀粉的凝胶性能，影响其内聚性、胶黏性及咀嚼性，最终影响发芽制品的品质。