几种糙米性质研究及隆粳软1号性质研究及糙米蒸煮条件优化

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(1.天津科技大学食品工程与生物技术学院,天津 300457;2.国家粳稻工程技术研究中心,天津 300457)

糙米是稻谷脱壳后仍保留了皮层和胚的米粒,是一种富含营养素的食品原料,含有丰富的蛋白质、脂肪、维生素、矿物质等成分[1],其营养价值已被越来越多的人所接受[2]。和白米相比,糙米含有更多的蛋白质、脂肪、膳食纤维、谷维素、谷维醇及维生素等营养成分,这些成分都对人体健康起着不同的促进作用[3]。美国参议院营养特别委员会对饮食与疾病的关系进行了全球调查,得出“先进国家的疾病是食源病”的结论[4],号召人们改变饮食习惯,尽量摄取谷物,如糙米、全麦等食品[3,5]。随着新米种开发强度的增加,许多学者进行了积极的尝试和探索,采用碾削、浸泡、发芽、干燥、辐射、酶解、超高压、挤压膨化等多种技术方法来改善糙米的食用品质[6],糙米的蒸煮性质也成为该领域的研究热点。

隆粳软1号,俗称“空心米”,是河北省农林科学院滨海农业研究所与天津天隆种业科技有限公司合作选育的新型米种,是以冀粳13、特优1号和吉粳88为亲本,通过杂交、复交和多年系谱选育出具有耐寒性强,抗病性好,米质上等,蒸煮后味道好等特点的新型米种。通过初步研究得知,隆粳软1号具有较小的比重,米粒内部较为中空,有着易蒸煮,口味甘甜的特点,可以制成速食糙米满足人们当前快节奏的生活状态以及对营养元素的需求,提高人们对糙米食用的接受度。本实验对隆粳软1号的成分、断面结构、RVA特征谱以及蒸煮性质做了研究并优化最佳蒸煮条件,为更好的探究新型米种的性质及其应用前景提供了研究思路和理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

隆粳软1号、津原51、津原58、京西784、天农粳1号、津稻1045、津原85 国家粳稻工程技术研究中心;氢氧化钠 天津市北科化学品有限责任公司;盐酸 新光化工试剂厂;乙酸铅 天津市北科化学品有限责任公司;硫酸钠 天津市化学试剂一厂;溴甲酚绿指示剂 天津市北科化学品有限责任公司;可溶性淀粉 廊坊鹏彩化工;五水硫代硫酸钠 天津市恒兴化学试剂。

TU-1901双光束紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限公司;HH-4数显恒温水浴锅 上海精密仪器厂;TA-XT2i物性测试仪 英国Stable MicroSystems公司;FA1004精密电子天平 上海天平仪器厂;FW100型万能粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司;JsMT-300扫描电子显微镜 长沙科美分析仪器有限公司;RVA-TecMaster快速粘度分析仪 澳大利亚Newport Scientific Pty.Ltd;全自动凯氏定氮仪 上海沛欧。

1.2 实验方法

1.2.1 蒸煮条件 将糙米样品经淘洗,浸泡,蒸煮制成米饭,使用质构仪进行测定,具体操作如下:

称取20.00 g糙米放入蒸饭小铝盒中,每个试验条件点做6个样,加入25 ℃左右的蒸馏水12 mL浸泡30 min,浸泡完成后用电饭煲的焖制40 min,电饭煲功率设定为600 W,冷却到室温进行质构特性测定。

1.2.2 单因素实验 浸泡时间对隆津软1号糙米饭硬度/黏度的影响:取100 g糙米在25 ℃下用蒸馏水浸泡20、30、40、50、60 min,后用1∶1.8的蒸馏水在600 W电饭煲中蒸煮35 min用TA.XT2i测定硬度和黏度;浸泡温度对隆津软1号糙米饭硬度/黏度的影响:取100 g糙米在20、30、40、50 ℃下浸泡40 min后加入1∶1.8的蒸馏水用600 W电饭煲蒸煮35 min用TA.XT2i测定硬度和黏度;蒸煮时加水量对隆津软1号糙米饭硬度/黏度的影响:取100 g糙米在40 ℃下浸泡40 min后加入1∶1.2、1∶1.4、1∶1.6、1∶1.8、1∶2.0的蒸馏水用600 W电饭煲蒸煮35 min后用TA.XT2i测定硬度和黏度。

1.2.3 响应面实验 根据以上单因素试验的优化结果,选取浸泡时间(A)、浸泡温度(B),蒸煮加水量(C)为影响因素,蒸煮后的糙米饭硬度/黏度为响应值,每个因素取3个水平,轴向点设为±1,进行Box-Behnken试验设计。每个试验重复3,取其平均值,各试验因素水平、编码见表1。

表1 Box-Benhnken Design实验的因素与水平Table 1 Factors and levels ofbox-benhnken Design experiments

数据处理:在单因素试验基础上,利用Box-Behnken中心组合试验设计原理,选择浸泡时间、浸泡温度、蒸煮加水量3个因素作为响应变量,进行响应面法分析。所有试验数据重复3次,取平均值。采用Origin 8.0 软件和Design Expert 10.0.7 软件进行作图分析和数据处理。

1.2.4 指标测定

1.2.4.1 成分的测定 水分的测定:参考国家标准GB 5009.3-2016[7]中的直接干燥法;蛋白质的测定:参考国家标准GB 5009.5-2016[8]中的凯氏定氮法;脂肪的测定:参考国家标准GB 5009.6-2016[9]中的索氏抽提法;淀粉的测定:参考国家标准GBT 15683-2008[10]以及GB 5009.9-2016[11]。

1.2.4.2 断面电镜 将糙米垂直固定,横向敲断,取中部断面粘在样品台上,在JFC-1100离子溅射仪上镀金膜约100 Å,用JsM-T300扫描电子显微镜观察[12-13]。每个材料观察5粒糙米中段面的腹、中、背3个部位[14]。

1.2.4.3 淀粉黏滞性分析 本研究采用RVA-Super4快速粘度分析仪进行隆粳软1号糙米粉糊化特性的快速测定。样品测定2次,取平均值。稻米淀粉RVA谱特征参数除用糊化起始温度(pasting temperature,PT)、最高黏度(peak paste viscosity,PKV)、热浆黏度(hot paste viscosity,HPV)和冷胶黏度(cool paste viscosity,CPV)描述外,还用崩解值(BDV=PKV-HPV)、回复值(consistency viscosity,CSV=CPV-HPV)和消减值(SBV=CPV-PKV)表示[15]。

1.2.4.4 硬度和黏度的测定 米饭的质构特性在食味评价中占有相当大的比重。利用质构仪或通用试验仪等仪器模仿口腔咀嚼时的机械运动,可测出米饭质地的各项物理特性,如硬度、黏性、弹性(松驰性)、凝聚性和黏附性等,由这些特性值可对米饭食味作出间接比较和正确评价[16-17]。日本学者文夫、和田潔志在1991年的研究表明:米饭硬度小,黏度大,硬度与黏着性比值小,则食味较佳[18]。选取蒸煮糙米饭样品中的4颗米粒,平行排放在实验台面中心圆处,测试条件:测试步骤及测试参数:称取17 g制备的米饭置于挤压装置中,并用刮刀刮至装置底部,将测试探头移至55 mm处,点击开始后进行测试。物性测试仪设置的测试参数为:测试模式:Compression,测试速率:1.60 mm/s,测试后速率:5.0 mm/s,目标模式:Distance,Distance:52 mm,触发类型:Button,数据获得速度500 pps,探头下降距离75%,两次压缩之间停留5.0 s,测试重复3次[19]。

1.2.4.5 感官评定 参考国标及其相关文献制定米饭感官评价,选取5名食品相关专业学生和5名食品相关行业的公司员工对米饭进行感官评价,具体评价表见表2。

表2 感官评价表Table 1 Sensory evaluation

2 结果与分析

2.1 成分测定结果

表3 各米种成分测定结果Table 3 Measurement results for each rice species

注:上述数值均为干基含量,值是平均值±标准差。列中具有相同字母的平均值没有显著差异(P>0.05)反之,具有不同字母的平均值有显著性差异。由表3可知,隆粳软1号中水分高于属于籼稻的津原51、津原58、津原85和属于粳稻的京西784、天农粳1号、津稻1045。而总淀粉含量高于属于籼稻的津原51、津原58、津原85,低于属于粳稻的京西784、天农粳1号、津稻1045。隆粳软1号的蛋白质含量和脂肪含量均低于籼稻津原津原51、津原58、津原85和粳稻京西784、天农粳1号、津稻1045。经SPSS软件分析,隆粳软1号的直链淀粉含量明显高于籼稻津原51、津原58、津原85,但略低于粳稻京西784、天农粳1号、津稻1045。粳稻隆粳软1号,是以冀粳13、特优1号和吉粳88为亲本,通过杂交、复交和多年系谱选育出来,表现出强大的杂交优势,其成分与普通籼稻和粳稻相比表现出一定的差异性。7种大米中脂肪的含量在0.58%～0.85%之间波动;粳稻京西784、天农粳1号、津稻1045总淀粉含量在79.4%～82.41%,籼稻津原系列总淀粉含量在72.14%～73.88%之间波动。隆粳软1号总膳食纤维含量高于津源51、津源85、京西784、津稻1045,低于津原58、天农粳1号。隆粳软1号灰分含量高于津原51、津原85、京西784、天农粳1号,低于津原58、津稻1045。成分之间的差异是由植物来源的不同以及气候和土壤条件的不同造成的。综上,可以得知新型米种隆粳软1号与其他米种相比,其直链淀粉含量处于粳稻和籼稻之间,水分含量较高,总膳食纤维含量差异不明显。

2.2 稻米内部结构的观察

图1显示了隆粳软1号米粒以及天津地区种植的籼稻津原51背部、中部和腹部中淀粉的形态特征。籼稻津原51(图1D,E,F)背部和心部的淀粉粒排列比较紧密,淀粉粒间间隙小,胚乳中、背部复粒淀粉为非裸型淀粉粒,形状近圆,外表粗糙,排列紧密,表面披有带纹的膜;腹部的复粒淀粉为非裸与半裸露型参半。单粒淀粉为多角形多面体,棱角锐利,集聚致密,表面有明显的饰纹,在胚乳中背部尤其明显复合淀粉体的数目多于腹部。与籼稻相比隆粳软1号(图1A,B,C)复粒淀粉以半裸露型为主。胚乳腹部的复粒淀粉以半裸露或裸露型为多;中、背部则半裸露和非裸露两种类型并存。单粒淀粉多数为近方形的多面体,棱角较钝少数呈淀粉近圆形,排列疏松,有明显的间隙。

2.3 隆粳软1号的RVA谱参数

从表4可知,籼稻津原51、粳稻天农粳1号、隆粳软1号,不同的品种,其米粉黏滞谱参数值不同,有研究表明稻米RVA参数表现为随着直链淀粉含量升高,糊化起始温度、最高黏度、热浆黏度、冷胶黏度和崩解值逐渐降低[20],但对于隆粳软1号,其直链淀粉含量高于籼稻,低于粳稻,糊化起始温度,和最高黏度却低于籼稻津原51和粳稻天农粳1号,热浆黏度、冷胶黏度高于粳稻和籼稻,崩解值低于粳稻津原51和粳稻天农粳1号而消减值却高于津原51和天农粳1号。津原51和粳稻天农粳1号的消减值均随直链淀粉含量减少而降低。而隆粳软1号的直链淀粉含量高于籼稻津原51,低于粳稻天农粳1号,其消减值却显著大于其他两种米种。总体来说这种直链含量较高的新型米种,并没有表现出具有低最高黏度与崩解值的一一对应关系。

表4 隆粳软1号与其他品种稻米RVA谱参数Table 4 The RVA Spectrum Parameters of japonica LONG JING NO.1 and Other Rice

图1 不同品种稻米胚乳中的淀粉体结构(2000倍)Fig.1 The amyloplasts in the endosperm ofdifferent rice cultivars(2000×)注:A,B,C为隆粳软1号的背、中和腹部;D,E,F为籼稻津原51的背、中和腹部。

注:上述数值均为干基含量,值是平均值±标准差。列中具有相同字母的平均值没有显著差异(P>0.05)反之,具有不同字母的平均值有显著性差异。

2.4 蒸煮品质测定

2.4.1 蒸煮条件测定 对各个因素不同水平下对隆粳软1号进行感官评定,评分结果如图2～图4。

由图2可知,浸泡时间在10～40 min范围时,隆粳软1号糙米感官评分随浸泡时间的增加而逐渐增高;当浸泡时间在40 min时,感官评分达到了最高;隆粳软1号糙米浸泡时间在40～60 min范围时,其感官评分随浸泡温度的增加而逐渐降低。

图2 隆粳软1号浸泡时间对感官评分的影响Fig.2 Effect of soaking time of japonicaLONGJING NO.1 on sensory score

由图3可知,隆粳软1号糙米浸泡温度在20～40 ℃范围时,其感官评分随浸泡温度的升高而逐渐增高;隆粳软1号糙米当浸泡温度在40 ℃时,其感官评分达到最高分;隆粳软1号糙米浸泡温度在40～50 ℃范围时,其感官评分随浸泡温度升高而降低。

图3 隆粳软1号浸泡温度对感官评分的影响Fig.3 Effect of soaking temperature ofjaponica LONGJING NO.1 on sensory score

由图4可知,隆粳软1号糙米的蒸煮加水比例在1∶1.2～1∶1.8范围时,其感官评分随蒸煮加水比例的升高而逐步增高;隆粳软1号糙米蒸煮加水比例为1∶1.8时,其感官评分达到最高分;隆粳软1号糙米蒸煮加水比例在1∶1.8～1∶2.0范围时,其感官评分随之上升稍有下降。

图4 隆粳软1号蒸煮加水比例对感官评分的影响Fig.4 Effect of water ratio of japonicaLONGJING NO.1 on sensory score

表5 质构特性与感官评定之间的相关性Table 5 Correlation between texture characteristics and sensory evaluation

注:*表示P<0.05表示水平上显著相关,**表示P<0.01水平上极显著相关,表7同。由以上感官评价,初步确定隆粳软1号糙米的蒸煮基本条件,浸泡时间大致在40 min,浸泡温度大致在40 ℃,蒸煮加水比例大致在1∶1.8。

2.4.2 单因素实验结果分析 为研究不同浸泡温度、浸泡时间、蒸煮米水比例下隆粳软1号糙米硬度与黏着性的变化规律,确定每个因素最佳的提取条件,对每个因素不同水平的硬度与黏度数值按照上述1.2.2所示的方法进行测定。

由图5a可知,糙米的硬度会随着浸泡时间的延长而显著降低,但在浸泡时间超过40 min后硬度下降的趋势明显减缓,同时,糙米饭的黏着性会随着浸泡时间的延长而且逐渐上升,但在浸泡时间超过40 min后上升趋势也明显减缓。由图5b可知,糙米在蒸煮过程中,米粒的硬度会随着浸泡温度的升高而逐渐降低,米粒的黏着性会随浸泡温度的升高而逐渐升高,但硬度和黏着性的变化并不显著(P>0.05)。米粒硬度在浸泡温度在20～40 ℃期间,其下降趋势较为明显,在40～60 ℃期间硬度的下降趋于平缓。米粒黏着性在浸泡温度在20～40 ℃期间,其上升趋势较为明显,在40～60 ℃期间黏着性基本保持稳定。由图5c可知。糙米的硬度随着蒸煮米水比例的增加呈现显著下降趋势(P<0.05),糙米饭的黏着性随着蒸煮米水比例的增加呈现显著上升趋势(P<0.05)。在蒸煮米水比到1∶1.6时,糙米的黏着性上升趋势变得平缓,而在蒸煮米水比达到1∶1.6时糙米饭硬度下降趋势更为剧烈,当蒸煮米水比达到1∶1.8时这种下降趋势又有所平缓,说明在蒸煮加水量1∶1.2到1∶1.6期间,蒸煮加水量的不足未能使米粒物性发生完全的变化。过高或者过低的浸泡温度都不利于隆粳软1号的食味品质的提高,浸泡时间太短,水分进入米粒内的含量少,在蒸煮过程后,米粒硬度高,黏度小,浸泡时间太长,在蒸煮后米粒硬度低,但黏度太高。

图5 各因素对硬度和黏着性的影响Fig.5 Influence of various factors on hardness and viscosity

2.4.3 感官评价与质构特性的相关性分析 为了以质构特性指标为速食糙米饭食用主要的评判标准,本文进行了物性指标和感官评价各指标之间相关性研究,表5为质构特性指标与感官评价之间的相关性分析,从表中可以看出各质构指标和感官评鉴具有一定的相关性。日本学者研究认为:米饭硬度小,黏度大,硬度/黏度比值小,则食味较佳[18],因此本研究以硬度和黏度比值作为指标来确定最优的制作工艺,为了后续响应面法确定最优速食糙米饭工艺的实验,我们同时也分析了硬度与黏度比值的相关性。

质构参数中的硬度、黏度与感官评定参数中的口感、滋味、综合评分均在P<0.01水平上呈现极显著的相关性,其中硬度与口感、滋味、综合评分成负相关;黏着性与滋味、综合评分成极显著正相关,相关系数分别为-0.892、-0.997、-0.989;0.949、0.923。黏着性、弹性、回复值与感官评定中口感在P<0.05水平上呈现显著的正相关,相关系数分别为0.906、0.895、0.852。质构参数中弹性、回复值与感官评定中滋味成正相关,相关系数分别为0.877、0.888。本研究通过硬度与黏着性的比值和感官评定中综合评分相关性分析可以得出,硬度与黏着性的比值与综合评分呈极其显著的负相关,相关系数为-0.967,因此,硬度与黏着性的比值可以作为糙米蒸煮食味品质的重要衡量指标之一。

2.4.4 响应面实验 设计与结果分析按照Design-Expert软件(V8.0.6)设计的三因素三水平实验方案。

表6 响应面实验方案及结果Table 6 Response surface experiment scheme and results

Design-Expert软件对表中数据进行多元回归拟合,得到隆津软1号糙米饭硬度与黏度比值(Y)相对于浸泡时间(A)、浸泡温度(B),蒸煮加水量(C)的多项回归方程为:Y=708.73250-3.622A-9.692B-4.448C+0.037AB-4.25000E-003AC+9.5000E-003BC+0.0333A2+0.0783B2+0.0118C2。

表7 隆粳软1号糙米蒸煮回归模拟方差分析Table 7 Analysis of the simulated variance of japonica LONGJING NO.1brown rice cooking regression

通过分析表7得出以下结论。由表7的分析结果可以知,在一次项中,A对隆粳软1号糙米硬度与黏度比值影响不显著(P>0.05),B,C对隆粳软1号糙米硬度与黏度比值影响为极显著(P<0.01);在二次项中A2,B2,C2对隆粳软1号糙米硬度与黏度比值影响为极显著(P<0.01),AB,AC,BC这三对交互作用的分析中均为不显著(P>0.05),由此可知各个因素与响应值不仅是单纯的线性关系。在该实验设计范围内,R2=0.9920,实验误差较小,模型为极显著(P<0.01),说明模型与实际实验拟合良好。

2.4.5 两因素之间的交互作用 由以上得出的模型可以做出响应面图和等高线图(图6～图8),各因素及其交互作用对响应值的影响可以通过组图直观的表现出来。等高线图反映了交互作用的强弱,通过分析等高线图可以得出每两个因素中硬度与黏度比值的绝对值大小影响较大的因素。

由图6A可知,浸泡温度不变时,随着浸泡时间的延长,隆粳软1号糙米硬度与黏度比值先下降后上升;当浸泡时间不变时,随着浸泡温度的上升隆粳软1号糙米硬度与黏度比值先下降后上升。说明过高和过低的浸泡时间都不利于蒸煮隆粳软1号糙米。浸泡温度时间不变,随着浸泡温度的升高,隆粳软1号糙米的口感先下降后上升;由图7A可知,当浸泡时间不变时,随着蒸煮加水量的增加隆粳软1号糙米硬度与黏度比值先升高后下降,当蒸煮加水量不变时,随着浸泡时间的增加,硬度与黏度比值先下降后上升,说明过高的浸泡时间和蒸煮加水量都不利于隆粳软1号糙米口感的提升。图6B表示浸泡时间与浸泡温度之间的交互作用,该高线趋于椭圆形,可见隆粳软1号糙米的浸泡时间与浸泡温度交互作用明显;图7B表示浸泡时间与蒸煮加水量之间的交互作用,该高线趋于椭圆形,可见隆粳软1号糙米的浸泡时间与蒸煮加水量交互作用明显。

图6 隆粳软1号浸泡时间(A)、浸泡温度(B)的响应面及等高线Fig.6 response surface and contour line of japonicaLONGJING NO.1soaking time(A),soaking temperature(B)

图7 隆粳软1号浸泡时间(A)、蒸煮加水比例(B)的响应面及等高线Fig.7 The response surface and contour line ofjaponica LONGJING NO.1 soaking time(A),steaming and adding water ratio(B)

由图8A可知,浸泡时间一定条件下,在浸泡温度不变时,随着蒸煮加水量的增加,隆粳软1号糙米硬度与黏度比值先下降后上升;当蒸煮加水量不变时,随着浸泡温度的上升隆粳软1号糙米硬度与黏度比值先下降后上升。说明过高的蒸煮加水量不利于隆粳软1号糙米口感的提升。图8B表示糙米的浸泡温度与蒸煮加水量之间的交互作用,该高线趋于圆形,可见隆粳软1号糙米的浸泡温度与蒸煮加水量交互作用不明显。

图8 隆粳软1号浸泡温度(A)、蒸煮加水比例(B)的响应面及等高线Fig.8 The response surface and contour line ofjaponica LONGJING NO.1 soaking temperature(A),boiling and adding water ratio(B)

2.4.6 验证实验 根据设计所得模型分析可得,对隆粳软1号糙米蒸煮食味品质优化的蒸煮条件为:浸泡时间39.8 min,浸泡温度37.7 ℃,蒸煮加水量为1∶1.78,隆粳软1号糙米硬度与黏度比值预测值可达到32.86。为验证响应面结果所得可靠性,根据实际操作,将蒸煮条件修正为浸泡时间40 min,浸泡温度38 ℃,蒸煮加水量为1∶1.8;实际测得硬度与黏度比值为32.98,与模型相差0.61%。

3 结论

随着人们对糙米口味及营养价值要求的日益提高,对新型米种的开发及其蒸煮条件的优化将成为研究的热点,因此有必要从多种角度改进糙米的食味品质,建立完善的评价模型,使人们对糙米的接受度进一步提高。

本文主要探讨新型米种隆粳软1号成分、断面、RVA特征谱、以及探索了隆粳软1号糙米蒸煮条件。通过分析可知隆粳软1号的蛋白质,脂肪,水分等含量较其他米种没有明显优势,但其总淀粉含量较高,其中直链淀粉含量明显高于籼稻,略低于粳稻,这一特性使该糙米黏性较大,涨性小,冷却后仍能维持柔软的质地[21],同时因为米粒内部结构疏松,提高了米粒吸水性,将其加工成糙米饭与其他米种相比,更为有效的缩短了蒸煮时间。本文以硬度与黏着性比值作为衡量指标来优化隆粳软1号的蒸煮条件,优化后的条件为:浸泡时间40 min,浸泡温度38 ℃,蒸煮加水量为1∶1.8。