3 种功能性甜味剂对大米蒸煮品质和消化特性的影响

裴 斐，倪晓蕾，仲 磊，杨文建，姚轶俊，马 宁，方 勇，胡秋辉

（1.南京财经大学食品科学与工程学院，江苏省粮油品质控制及加工技术重点实验室，江苏省现代粮食流通与发全协同创新中心，江苏 南京 210023；2.南京农业大学食品科学技术学院，江苏 南京 210095）

中国是大米生产和消费大国，有60%以上的人口以大米为主食。随着人们生活水平和消费能力的提高，对日常饮食的要求逐渐提升，大米的蒸煮品质越来越受到重视。大米的淀粉结构、含水率和营养组分对其蒸煮品质有重要影响[1]，造成了在蒸煮和食用过程中米饭糊化和回生特性的差异，从而影响其持水力、硬度和贮藏期间淀粉的回生程度。回生会影响大米等淀粉类制品的品质并缩短货架期[2-4]。因此，如何改善米饭组分及淀粉品质特性，提升米饭蒸煮品质尤为重要。

目前，米饭及淀粉品质特性的改善主要通过物理和化学方法实现。其中，物理方法主要利用超高压、超声波和挤压处理[5-8]，对设备选型要求较高，不利于产业化应用。化学方法主要包括添加一些亲水性胶体、小分子盐、糖、乳化剂和酶对大米进行处理，从口感、质构、回生和消化等方面改善米饭蒸煮品质。如Tang Minmin等[9]研究了大米淀粉与黄原胶混合物的短期老化和长期老化，发现黄原胶对大米淀粉的回生具有显著的抑制作用。周显清等[10]发现柠檬酸浸泡后制备的蒸谷米显著降低了体积膨胀率、碘蓝值、pH值及蒸谷米饭的硬度，显著提高了蒸谷米的色泽及其米饭的滋味、口感和综合评分。Koh等[11]研究了不同藻酸盐对大米面团的结构特性和体外消化的影响，发现连续的藻酸盐相包裹淀粉颗粒，从而延缓了大米面团的体外消化。与这些方法相比，功能性甜味剂不会影响食品原有的味道，并具有低热量、抗龋齿和改善肠道功能等特点[12]，主要包括功能性低聚糖（如低聚果糖等）和功能性多元糖醇（如山梨糖醇、麦芽糖醇、木糖醇等）。已有研究表明，功能性甜味剂在淀粉性能改良等方面具有重要作用，如低聚果糖能够抑制淀粉老化，具有耐高温性和稳定性[13-14]。在面包的冷冻贮藏中添加低聚果糖能够有效延缓面团中直链淀粉的重排，而添加山梨糖醇和麦芽糖醇能够减缓面包在贮藏中水分的流失，从而抑制面包的老化[15-17]。然而，利用功能性甜味剂改善米饭的蒸煮品质和延缓米饭回生的相关研究鲜见报道。

本实验研究低聚果糖、山梨糖醇和麦芽糖醇3 种功能性甜味剂对米饭品质的影响，利用质构分析、扫描电子显微镜、差示扫描量热分析、X-射线衍射分析和体外模拟消化等方法，研究这3 种功能性甜味剂对大米蒸煮品质、热特性、回生和消化的影响，筛选并优化功能性甜味剂处理工艺，以得到米饭最佳的蒸煮品质和消化特性，旨在为大米精深加工与方便米饭产品开发提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

五常大米购于南京苏果超市；低聚果糖（食品级）河南豫中生物科技有限公司；山梨糖醇（食品级）罗盖特（中国）精细化工有限公司；麦芽糖醇（食品级） 山东福田药业有限公司。

盐酸、醋酸、氢氧化钠、碘、碘化钾（均为分析纯）国药集团化学试剂有限公司；α-淀粉酶 索莱宝生物科技有限公司；糖化酶 阿拉丁试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

AL1043电子天平 瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司；Spectra Max 190酶标仪 美国美谷分子仪器（上海）有限公司；WSYH26A电蒸锅 美的集团股份有限公司；TM3000扫描电子显微镜 日本日立公司；TA-XT2i质构仪 英国Stable Micro Systems公司；HH-6数显恒温水浴锅 江苏国华电器有限公司；DSC8000差示扫描量热仪 美国PerkinElmer股份有限公司；FreeZone 12 L真空冷冻干燥机 美国Labconco公司；X-射线衍射仪 日本Rigaku Smartlab公司；葡萄糖测定试剂盒 南京建成生物工程研究所。

1.3 方法

1.3.1 大米浸泡吸水率的测定

在50 mL塑料试管中加入30 mL去离子水，置于25 ℃水浴锅中恒温，称取约10 g（精确到0.001 g）大米m1放入试管，同时开始计时，分别浸泡5、15、25、35 min后取出米粒，用滤纸吸干表面水分后，称质量记为m2[18]。浸泡吸水率按下式计算：

1.3.2 米饭的制备

根据樊奇良等[19]的方法稍作修改。将大米快速淘洗后，沥干，放入不同质量分数的低聚果糖、山梨糖醇和麦芽糖醇溶液中，米水质量比为1∶1.4，置于25 ℃水浴锅中恒温，浸泡时间为30 min。将浸泡后的大米连同浸泡液放入蒸锅中进行蒸煮，时间为35 min，得到蒸煮米饭备用。

1.3.3 直链淀粉比例测定

将熟米饭进行真空冷冻干燥后磨成粉，根据AACC 61-03[20]测定直链淀粉比例。

1.3.4 米饭硬度的测定

使用质构分析仪，采用TPA模式，测定熟米饭在4 ℃冰箱中放置0、12、24 h后的硬度，从而分析不同甜味剂对米饭的回生情况。质构仪参数的设定：P/36R探头，测前速率5 mm/s，测定速率0.5 mm/s，测后速率5 mm/s，触发力5 g，2 次压缩间隔时间5 s，压缩程度75%。每个样品测定6 次。

1.3.5 热特性的测定

釆用差示扫描量热分析样品的糊化热力学特性，空盘为参比。糊化特性测试过程：将原料大米粉碎并过目筛，得到米生粉。生米粉和蒸馏水按质量比1∶3的比例添加到烧杯中，不同甜味剂以生米粉干质量为基准按照不同添加量分别加入。将烧杯置于磁力搅拌器上搅拌2 h，将处于搅拌状态的样品快速转移12 mg于差示扫描量热仪铝盘中，置于4 ℃下平衡过夜。扫描温度20～95 ℃，升温速率20 ℃/min，然后再冷却到20 ℃，保护气为氮气。通过专用配套软件分析所得数据，比较不同处理对样品糊化起始温度、峰值温度、结束温度以及糊化焓值等热力学参数的影响。

1.3.6 米饭微观结构观察

通过扫描电子显微镜观察不同处理下米饭的微观结构。将不同处理条件下的米饭真空冷冻干燥，米饭粒用强力胶黏于扫描电子显微镜的专用铝载物台上，离子溅射镀膜仪中放入载物台，在用喷金处理样品后，取出并置于扫描电子显微镜下观察。

1.3.7 X-射线衍测定

通过X-射线衍射仪分析米饭的晶型结构。冷冻干燥造成的相对结晶度较小[21]，将4 ℃贮存24 h的米饭放于冷冻干燥机中进行干燥，然后粉碎过80 目筛用于测定，扫描角度范围5°～40°，扫描速率2°/min，并用MDI Jade V6.0软件处理并计算结晶度。

1.3.8 体外消化

参照Englyst[22]的方法，并作适当调整。称取0.4 g米饭与5 颗玻璃磁置于25 mL三角瓶中，加入15 mL 0.5 mol/L pH 5.2的醋酸缓冲液，然后加入10 mL α-淀粉酶（290 U/mL）和糖化酶（15 U/mL）的混酶溶液，在离心管中加入5 颗小玻璃磁后，将离心管置于37 ℃、200 r/min的振荡水浴锅中进行酶解反应并开始计时。水解10、20、30、60、90、120、180 min后，分别准确吸取0.5 mL水解液，加入4 mL无水乙醇进行灭酶，然后3 000 r/min离心10 min，利用葡萄糖测定试剂盒测定不同时间段的葡萄糖含量，并计算快消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉的含量。

1.4 数据处理

采用Origin 8.5软件进行数据处理和作图，SPSS软件进行数据统计分析，P＜0.05，差异显著。

2 结果与分析

2.1 功能性甜味剂对大米浸泡吸水率的影响

大米浸泡后吸水膨胀，有利于内部淀粉吸回水分和蒸煮过程米淀粉的均一糊化[23]，缩短蒸煮时间。大米浸泡时吸水率越高，蒸煮后米饭的食用品质越高。将大米分别浸泡在不同质量分数的低聚果糖、山梨糖醇和麦芽糖醇溶液中，从图1可以看出，与对照组相比，3 种甜味剂的添加都能够提高大米的吸水率。在浸泡时间5 min时，1.6%低聚果糖和0.4%山梨糖醇处理下，大米吸水率显著提高（P＜0.05），分别提高了41.23%和34.93%。其中，在浸泡时间25 min时，在1.6%低聚果糖、0.4%山梨糖醇和1.6%麦芽糖醇处理下的大米吸水率与对照组相比分别显著提高11.18%、13.16%、12.94%，在浸泡时间25 min后，吸水率趋于平稳。糖醇是用羟基取代醛基得到的[24]，多羟基结构使其具有与水结合的能力，有一定的吸水性。麦芽糖醇中的羟基与水相互作用形成氢键并抢夺水分子，所以麦芽糖醇的加入导致大米的吸水率在短时间内受到一定影响。随着米粒吸水膨胀，大米表面缝隙增多，内部淀粉快速吸回水分，吸水率趋于稳定。

图1 低聚果糖（A）、山梨糖醇（B）和麦芽糖醇（C）对大米吸水率的影响Fig. 1 Effects of fructo-oligosaccharide (A), sorbitol (B) and maltitol (C)on water absorption of rice

2.2 功能性甜味剂对米饭中直链淀粉含量的影响

大米中直链淀粉与支链淀粉的比例是影响大米蒸煮和口感品质的主要原因[25]。研究表明，米饭的硬度、弹性和黏性等与大米中直链淀粉含量密切相关。直链淀粉含量高的米饭较硬，而直链淀粉含量低的米饭较软，水分充足，具有光泽。Li Hongyan等[26]研究表明直链淀粉对煮熟大米的硬度有显著影响。如图2所示，在0.8%和1.6%低聚果糖处理下，米饭中直链淀粉比例显著降低（P＜0.05），与对照组相比分别降低了8.50%和7.36%。直链淀粉含量的降低可能是因为低聚果糖的添加增加了大米吸水率，在浸泡和蒸煮的过程中更多直链淀粉溶出[27]。米饭中直链淀粉含量低，相应的适口性高[28]。因此，添加0.8%、1.6%低聚果糖处理后得到的米饭直链淀粉含量低，硬度低，适口性高。

图2 低聚果糖、山梨糖醇和麦芽糖醇处理对米饭中直链淀粉比例的影响Fig. 2 Effects of fructo-oligosaccharide, sorbitol and maltitol on the proportion of amylose in rice

2.3 功能性甜味剂对不同放置时间下米饭硬度的影响

图3 低聚果糖（A）、山梨糖醇（B）和麦芽糖醇（C）处理后米饭放置24 h内硬度变化Fig. 3 Changes in hardness of cooked rice treated with fructooligosaccharide (A), sorbitol (B) and maltitol (C) within 24 h

米饭硬度是反映米饭品质最直观的数据，且与大米蒸煮中溶出的直支比密切相关[29]。淀粉糊化后，米饭在贮存期间极易发生老化作用，米饭的硬度增加，食用品质降低[30]。蒸煮后的熟米饭在放置24 h内老化速度最快，后期趋于平缓[31]。实验分析在4 ℃下，用低聚果糖、山梨糖醇和麦芽糖醇处理的米饭在24 h内硬度的变化。由图3可以看出，当时间为0 h时，米饭硬度差异不明显，但是随着放置时间的延长，空白对照组的硬度显著增加，24 h后显著高于处理组（P＜0.05）。由此反映出低聚果糖、山梨糖醇和麦芽糖醇均能显著延缓米饭变硬的程度。米饭在放置过程中的硬度变化可以反映米饭的回生情况，因此，低聚果糖处理组和麦芽糖醇处理组抑制米饭回生效果显著。其中1.6%低聚果糖的添加使得米饭放置24 h后的硬度显著降低（P＜0.05），与对照组相比降低了21.79%，回生程度显著低于对照组和其他处理组。低聚糖是易溶于水的小分子，在淀粉糊化过程中，能够随着水分渗透到淀粉颗粒的内部，与淀粉分子相互作用，达到抑制淀粉回生的效果[32]。

2.4 功能性甜味剂对样品热力学性质的影响

表1 低聚果糖、山梨糖醇和麦芽糖醇处理后样品的热力学性质Table 1 Changes in thermal properties of rice starch samples treated with fructo-oligosaccharide, sorbitol and maltitol

由表1可知，与对照组相比，低聚果糖和山梨糖醇处理组的糊化温度和峰值温度均显著上升（P＜0.05），最终温度无明显变化。影响糊化温度因素的原因有很多，如淀粉颗粒大小、晶体结构、淀粉颗粒的形态及分布等[33]。糊化温度的升高可能是由于这些甜味剂对可用水的竞争而导致水的可用性降低[34]。糊化焓值是在淀粉糊化过程中双螺旋结构解聚和熔融所需要吸回的能量[35]，其大小受淀粉颗粒溶胀和微晶区熔融的影响，也与分子链的重排和水合作用相关。与对照组相比，经不同质量分数低聚果糖处理后，米饭糊化焓值均显著降低（P＜0.05），其中1.6%低聚果糖处理后的糊化焓值与对照组相比显著降低了22.91%（P＜0.05）。而山梨糖醇处理组和麦芽糖醇处理组的糊化焓值与对照组之间无显著性差异（P＞0.05）。低聚果糖的亲水性较好，与水分子结合的能力强于大米淀粉分子，低聚果糖处理组糊化焓值显著降低，这可归因于水的可用性降低导致淀粉颗粒中结晶区域的部分糊化[36]。

2.5 功能性甜味剂对米饭微观结构的影响

图4 低聚果糖、山梨糖醇和麦芽糖醇处理对米饭截面微观结构的变化Fig. 4 Changes in microstructure of rice treated with fructooligosaccharide, sorbitol and maltitol

如图4A所示，对照组其孔隙稀疏且显著少于处理组。图4B～D显示其表面有致密的孔隙，并且分布均匀，这能够让米饭在冻干后的复水率提高，复水时间缩短。复水是指在冷冻干燥工艺中形成了蜂窝状的孔隙结构，遇水会快速吸水填充其孔隙，致使饭粒逐渐回软，孔隙越大，吸水回软速度越快[37]。由图4E～J可以看出少量孔隙。对照与其他组样品相比，添加低聚果糖的每个样品呈现出更多孔的结构。低聚果糖等甜味剂的添加改变了米饭微观结构，影响了浸泡时直链淀粉的浸出，在蒸煮时会有更多的淀粉游离出去，进一步导致了大小不等的孔洞，复水时能够大大提升其复水性，为后期方便米饭产品复水提供基础。

2.6 功能性甜味剂对样品晶体结构的影响

图5 低聚果糖（A）、山梨糖醇（B）和麦芽糖醇（C）处理后米饭样品的X-射线衍射图Fig. 5 X-ray diffraction patterns of rice samples treated with fructooligosaccharide (A), sorbitol (B) and maltitol (C)

在4 ℃下贮藏24 h后，对不同样品进行X-射线衍射分析，如图5所示。淀粉糊化后，破坏了原有的晶体结构，在X衍射图谱中无衍射峰出现。图中显示不同处理组大约均在7.8°、17.8°和20.5°处具有衍射峰。碘、脂肪酸、乳化剂等配体物质和直链淀粉混合可以获得V-型结晶结构，在7.5°、13°和19.5°附近有明显的衍射峰。这表明这些样品出现回生现象，衍射峰表现出典型的V-型结构。利用衍射图计算各组的结晶度，结果表明，当低聚果糖添加量为1.6%和2.4%时，米饭的结晶度最小，并且低于其他处理组和对照组。这主要是因为低聚果糖分子质量小且分子结构中含有羟基，在冷藏过程中，会与部分支链淀粉分子的短侧链结合，阻碍了支链淀粉分子缔合，抑制支链淀粉的重结晶，即支链淀粉的重结晶度降低，回生程度降低，这与常晓红等[38]得出的结论一致。与上述硬度测定结果相对应，说明低聚果糖延缓米饭回生效果显著。

2.7 功能性甜味剂对米饭体外消化的影响

由图6可知，低聚果糖、山梨糖醇和麦芽糖醇处理组体外消化水解率均低于对照组。影响淀粉消化的因素很多，如淀粉的分子结构和添加改良剂的种类均能影响淀粉的消化水解率[39-40]。低聚果糖、山梨糖醇和麦芽糖醇的添加使得米饭消化率降低的原因可能是3 种功能性甜味剂在淀粉颗粒周围形成了屏障，延缓淀粉水解[41]。

图6 低聚果糖（A）、山梨糖醇（B）和麦芽糖醇（C）处理后米饭的体外消化水解率Fig. 6 In vitro starch hydrolysis rate of rice samples treated with fructo-oligosaccharide (A), sorbitol (B) and maltitol (C)

表2 低聚果糖、山梨糖醇和麦芽糖醇处理对米饭体外消化性能的影响Table 2 Effects of fructo-oligosaccharide, sorbitol and maltitol treatments on digestibility in vitro of cooked rice

Englyst[22]将体外消化实验中的食用淀粉分为3 类：快消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉。经体外消化后，米饭3 类淀粉含量的变化如表2所示。各处理组的慢消化淀粉相对含量都低于对照组，而抗性淀粉相对含量都高于对照组。其中低聚果糖处理组与其他组相比，慢消化淀粉相对含量显著降低（P＜0.05），抗性淀粉相对含量显著增加（P＜0.05），尤其是在1.6%低聚果糖处理下效果显著。抗性淀粉含量较多，使得淀粉水解速度较慢。

3 结 论

本实验探究了不同质量分数低聚果糖、山梨糖醇和麦芽糖醇3 种功能性甜味剂对大米蒸煮品质、抗回生效果和消化特性的影响。结果表明，3 种甜味剂浸泡处理均能够提高大米的吸水率，降低米饭的硬度。此外，低聚果糖、山梨糖醇和麦芽糖醇处理均能降低米饭的体外消化水解率。其中，1.6%低聚果糖处理与其他处理相比，显著降低了糊化焓值和结晶度，并表现出较好的微观结构和抗回生性。通过研究不同浓度功能性甜味剂（低聚果糖、山梨糖醇和麦芽糖醇）处理对大米蒸煮品质、回生和消化的影响，为大米精深加工与方便米饭产品开发提供依据。