低温等离子体对糙米蒸煮品质和物化特性的影响

,*,*

(1.哈尔滨商业大学旅游烹饪学院,黑龙江哈尔滨 150076; 2.国家粮食和物资储备局科学研究院,北京 100037)

等离子体是一种准中性电离气体[1],由电子、离子、自由基、激发态原子和大量结合的中性分子组成,已经广泛应用于微电子、材料加工、生物医疗器械和航天航空等行业[2-5]。根据热力学性质,等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体两类。在等离子体中,如果电离气体中的电子、离子和中性粒子等成分处于热力学不平衡状态,电子温度远高于离子温度,则被称为低温等离子体[6]。低温等离子体中电子与较重粒子在大气压或低压下不断碰撞[7],产生的高能电子、活性成分物质和紫外线作用于食品中,进一步导致食品发生多种物理和化学变化,如杀菌[8]、淀粉改性[9-10]、酶失活[11]、改变食品的亲疏水性[12]、蚀刻食品表面[13]等。超声波辐射、微波辐射和γ射线辐射等[14-16]非热加工技术对改善糙米的烹饪和结构特性研究已有报道,但利用低温等离子体处理来改善糙米品质的研究相对较少。

糙米由稻谷脱壳而成,包含着外种皮层、胚和胚乳三部分。相比较于糙米,市面上的白米在精加工过程中损失了大部分的B族维生素、微量元素和必需脂肪酸;另外酚类物质也大量损失,特别是阿魏酸和双魏酸,而对于抗氧化和降低胆固醇血症具有积极作用[17]。随着健康意识的增加,越来越多的消费者选择糙米,但难蒸煮、口感差、难消化等缺点导致其很难成为餐桌上的主流食品。

因此,本研究采用低温等离子体技术处理糙米,研究其对糙米籽粒表观形态、蒸煮品质、质构特性、糊化特性和营养成分的影响,评估低温等离子体在糙米加工中应用的适宜性,以期为低温等离子体在糙米加工行业的工业化生产提供参数指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

长粒香糙米、长粒香白米 2018年收获,低温、干燥且密闭储藏,黑龙江五常市。

PL3002-IC电子分析天平 梅特勒-托利多仪器有限公司;DGG-9000型电热恒温鼓风干燥箱 上海森信实验仪器有限公司;TA.XT2i Plus质构仪 英国StableMicro System公司;RVA4500快速粘度分析仪 Rigaku;D/max-r B型X射线衍射仪 日本理学公司;XDS型近红外分析仪 丹麦福斯仪器有限公司;S-300N型电镜 日本Hitachi公司;FW-135型中草药粉碎机 天津泰斯特公司;QGWB-PM001全谷物低温等离子体专用振动布料器 河北航兴机械科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 低温等离子体糙米(LTP-BR)的制备 将样品放入全谷物低温等离子体专用振动器上首先进行真空处理,再将等离子体设备调至辉光强度为1.8 A处理2 min进行后续实验研究。

1.2.2 研究对象 本文将测定白米(WR)、未处理糙米(BR)和低温等离子体处理后糙米(LTP-BR)的蒸煮特性和物化特性变化规律。

1.2.3 营养成分测定 水分测定:GB 5009.3-2016直接干燥法;蛋白质测定:GB 5009.5-2016(第一法);脂肪:GB 5009.6-2016(第二法);灰分:GB 5009.4-2016(第一法);总膳食纤维:GB 5009.88-2014;直链淀粉测定:GB/T 15683-2008;氨基酸测定:GB 5009.124-2016。

1.2.4 低温等离子体处理对糙米蒸煮特性的影响 蒸煮品质的测定参考王肇慈[18]的方法。

1.2.4.1 加热吸水率 称取 5 g 样品,加入 50 mL纯净水,置于铝盒中并在电饭锅中蒸煮至最适蒸煮时间(白米20 min、糙米35 min、等离子体糙米26.5 min),滤出米粒并冷却至室温(约 25 ℃)后称量,计算米粒吸水率。

吸水率T(%)=(Wi-W0)×100/W0

式(1)

式中:Wi为样品蒸煮后质量,g;W0为原料米质量,g。

1.2.4.2 体积膨胀率 按照1.2.4.1进行样品蒸煮、滤出米粒并冷却至室温,用体积置换法测定同一份样品蒸煮前、后的体积,计算样品蒸煮后的体积膨胀率。

体积膨胀率V(%)=(Vi-V0)×100/V0

式(2)

式中:Vi 为样品蒸煮后的体积,mL;V0为样品蒸煮前的体积,mL。

1.2.4.3 固形物损失率 按照1.2.4.1的方法进行样品蒸煮后,将米汤倾入已知质量的铝盒中,在105 ℃下干燥至质量恒定,计算米粒固形物损失率。

固形物损失率(mg/g)S=Si/W0

式(3)

式中:Si为米汤中固形物质量,mg;W0为原料米质量,g。

1.2.5 感官评价 新鲜煮好的米饭放于白色陶瓷碗中,挑选10名评审员(5男5女),包括受过专业训练的学生和老师,每个评审员每次评定5个样品,每天评审次数不超过2次。评价指标有气味、外观(色泽、米粒完整性)、适口性(软硬、粘性、弹性、滋味)及整体口感喜好程度。评价指标的选择与描述参考Mestres等[19]和Zhang等[20],评分采用百分制。感官评价指标的描述情况如表1。

表1 糙米饭感官评价指标定义及评分标准Table 1 Definition and evaluation progress of sensory texture of cooked brown rice

1.2.6 质构特性测定 将5 g糙米加入8 mL蒸馏水蒸煮成米饭放至室温后,使用物性仪测定米饭硬度、粘性等质构特性。测定条件:使用P/36R探头,测前速度为2.0 mm/s,测试速度为2.0 mm/s,测后速度为2.0 mm/s,触发力为20 g,形变50%,两次压缩间隔时间为5 s,平行测定5次,最终结果取5次平行的平均值。

1.2.7 表观特性测定 将糙米固定在载物台上,使用离子溅射仪喷金90 s,大约喷上10 nm厚的金,在扫描电镜下用15 kV的加速电压进行观察。

1.2.8 近红外光谱测定 使用近红外光谱分析仪进行WR、BR和LTP-BR的光谱采集,扫描范围400～650 nm,分辨率8 cm-1,扫描次数64次,波长间隔2 nm,每个样品重复装样及扫描2次,取平均值。

1.2.9 X射线衍射测定 用X射线衍射仪对WR、BR和LTP-BR进行测试得到相应的衍射图谱,测定条件:电压40 kV,电流40 mA,扫描2θ范围为5～30°,步长为 0.02°,扫描速率为3°/min。

1.2.10 糊化粘度测定 将糙米粉碎并过40目筛,依据GB/T 24852-2010的检测方法,利用快速黏度仪(RVA)测定。RVA条件程序:50 ℃ 保持1 min;12 ℃/min上升到95 ℃(3.75 min);95 ℃保持2.5 min;12 ℃/min下降至50 ℃(3.75 min);50 ℃保持1.5 min。搅拌器转速960 r/min 10 s,降至160 r/min至结束。

1.3 数据处理

所有试验都重复3次,结果表示为“平均值±标准差”,数据处理使用软件Excel 2007和SPSS 17.0,绘图采用Origin-8.0。

2 结果与分析

2.1 营养成分评价

WR、BR和LTP-BR的营养成分如表2所示,相比较于白米(WR),对照组糙米(BR)和低温等离子体处理糙米(LTP-BR)的蛋白质、脂肪、灰分和总膳食纤维的含量显著升高(P<0.05),这说明糙米的营养价值丰富。经低温等离子体处理后,糙米的水分含量由12.70%降到10.95%,这可能是由于真空系统的存在导致糙米表面的水分挥发,挥发的水分子经低温等离子体技术处理后被分解成氧自由基的结果[21]。糙米的直链淀粉经低温等离子体作用后含量显著增加(P<0.05),这可能是由于等离子体中的离子、自由基氧化导致支链淀粉解聚,将其降解为更小分子的物质引起的[22-23],这点与Thirumdas等[24]的实验结果相同。而糙米蛋白质和总膳食纤维的含量经低温等离子体处理后略有增加,但不存在显著差异(P<0.05);低温等离子体处理后糙米的脂肪含量减少,这可能有助于糙米的贮藏。糙米的灰分不受低温等离子体处理的影响,Chen等[25]也报道了类似的结果。

表2 稻米的营养组成成分Table 2 The nutritional components of rice

注:相同指标不同米粒上不同字母著代表差异显著(P<0.05);表3～表7同。

由表2可以看出,WR、BR和LTP-BR中谷氨酸仍是主要的氨基酸。WR的必需氨基酸总量为2.07 g/100 g,相比较于WR,BR和LTP-BR中必需氨基酸含量升高,分别为2.36和2.37 g/100 g,这说明糙米外种皮层含有较多的必需氨基酸;相比较于BR,低温等离子体处理后LTP-BR的必需氨基酸总含量变化不明显。WR、BR和LTP-BR中非必需氨基酸含量分别为3.95、4.53和4.61 g/100 g,经低温等离子体处理后糙米的非必须氨基酸含量增加。

2.2 蒸煮品质分析

WR、BR和LTP-BR的蒸煮品质的变化结果如表3所示。由表3可以看出,WR的加热吸水率、体积膨胀率和固形物损失率显著高于BR和LTP-BR(P<0.05),这是因为糙米表面的纤维皮层在一定程度上阻挡了水分进入籽粒内部和固形物的大量溶出;相比较于对照组BR,LTP-BR的加热吸水率显著增加了54.12%左右(P<0.05),体积膨胀率达到268.25%,而固形物损失率显著增高到19.18 mg/g(P<0.05),这是因为低温等离子体中的高能离子源冲击糙米表面,导致表面产生凹陷和裂缝,有利于水分的进入和固形物的溶出;另一方面低温等离子体处理使得糙米表面能增加,亲水性增加,有利于水分的吸收和体积的膨胀。研究表明米汤固形物含量越高,其蒸煮时米饭越黏,食味品质及适口性越好[26],因此低温等离子体处理对糙米蒸煮品质的改善有积极作用。

表3 WR、BR和LTP-BR的蒸煮特性分析Table 3 Analysis of cooking characteristics of WR,BR and LTP-BR

2.3 感官品质分析

WR、BR和LTP-BR的感官评价结果如表4所示。WR样品的气味、色泽、适口性均优于BR和LTP-BR,感官评分高,具有良好的食味品质。相比较于BR,LTP-BR的气味得分显著增高,此时的糙米饭香气浓郁,外饭粒完整有光泽,咀嚼时具有较好的粘弹性,这是因为低温等离子体导致糙米表面产生凹陷和裂缝,有利于水分的进入和内容物的流出,可以有效的改善糙米的食味品质。

表4 WR、BR和LTP-BR的感官品质分析(分)Table 4 Analysis of sensory quality of WR,BR and LTP-BR(scores)

表5 米饭的质构特性Table 5 Texture properties of rice

2.4 质构特性分析

表5为WR、BR和LTP-BR饭的质构特性变化,WR的硬度和咀嚼性较低,弹性高于糙米,食用品质良好。相比较于BR,LTP-BR的质构特性变化明显,糙米的硬度、胶黏性和咀嚼性分别显著降低了598.91、80.59和140.01 g(P<0.05),而弹性和粘附性升高。由表3蒸煮损失中可以表明,处理后糙米的固形物损失率更高,导致糙米的粘弹性更高,这主要是因为大米颗粒中固体物质溶出的结果,同样的实验结果Leelayuthsoontorn等[27]也报道过。Zhou等[28]研究发现硬度和粘附性参数与淀粉颗粒的水化过程有关,水化程度越高,结合作用越强,对于糙米饭质构特性的改善效果越好;而糙米经低温等离子体处理后表面粗糙、亲水性增加,蒸煮时水分可以快速进入糙米内部与淀粉结合,这表明低温等离子体技术可以有效地改善糙米的质构特性。

2.5 微观结构分析

低温等离子体处理前后糙米表面的微观结构如图1所示。从图1可以清楚的看到经低温等离子体处理后糙米颗粒表面的裂缝和凹陷,这样水分可以很容易进入籽粒内部,有利于糙米蒸煮品质的改善,Chen等[25]的研究中也出现过类似结果,这种现象被称为蚀刻效应。这是由于等离子体产生了高能粒子,大量的高能粒子不断撞击糙米表面,使表面平整度降低,改变了表面物理结构,导致粗糙度增加[10]。等离子体处理改变了其自然表面形貌,使得米粒的蒸煮和结构参数均得到改善。

图1 低温等离子体技术对米粒微观结构的影响(×2000)Fig.1 Effects of low-temperature plasma technology on the microstructure of rice(×2000)注a:BR;b:LTP-BR。

2.6 傅里叶近红外光谱图分析

图2是WR、BR和LTP-BR的傅里叶红外光谱图。由图2可以看出,波长为2920、1650、1450、1350、1089 cm-1时出现特征吸收峰,其中波长在1450和1350 cm-1附近的吸收峰分别对应CH2和CH的弯曲振动[29],2920和1089 cm-1附近的吸收峰分别代表CH和C-O的伸缩振动[30]。当波长在2920 cm-1时WR的波峰明显低于BR和LTP-BR,可能是WR的脂肪和膳食纤维的含量较低的原因。相比较于BR和WR,当波长在1650 cm-1处LTP-BR的波峰有所增加,此时的吸收峰归属于水分子中OH的弯曲振动[31-32],这表明糙米经等离子体处理后亲水基团有所增加,亲水性能得到提高,这也说明糙米经低温等离子体处理后蒸煮品质改善的原因。

图2 WR、BR和LTP-BR的傅里叶近红外光谱图Fig.2 FTIR images of WR,BR and LTP-BR

2.7 X射线衍射图谱分析

糙米经X射线衍射分析法测定的晶体结构变化如图3所示。由图3可以看出WR、BR和LTP-BR均具有2θ衍射角为15.20°、17.32°、18.21°和23.28°的衍射峰,是谷物淀粉固有的A型结晶结构[33]。处理前后没有新的衍射峰出现,表明低温等离子体技术对糙米淀粉的晶型结构没有影响。如表6所示,BR和LTP-BR的结晶度显著高于WR(P<0.05);相比较于BR,LTP-BR的结晶度降低,淀粉结晶区结构被破坏,这可能是由于低温等离子体处理导致淀粉发生解聚[34],导致结晶度下降。

图3 WR、BR和LTP-BR的X-射线衍射图谱Fig.3 X-ray diffraction patterns of WR,BR and LTP-BR

表7 WR、BR和LTP-BR的RVA特征值分析Table 7 Analysis of RVA characteristic values of WR,BR and LTP-BR

表6 WR、BR和LTP-BRX射线衍射参数Table 6 X-ray diffraction parameters of WR,BR and LTP-BR

2.8 糊化特性分析

糊化是指稻米淀粉颗粒受热吸水膨胀,氢键断裂,淀粉分子由有序向无序转化的过程[]。低温等离子体处理前后糙米粉的糊化特性统计分析见表7。由表7可知,WR的峰值粘度、最低粘度、最终粘度和崩解值显著高于BR和LTP-BR(P<0.05),这也解释了WR的食味品质良好的原因。LTP-BR的峰值粘度、最低粘度、崩解值和最终粘度略高于BR,但不存在显著差异,而回生值显著高于BR和WR(P<0.05)。

峰值粘度是淀粉吸水膨胀,溶出物发生摩擦让糊液粘度急剧增加造成,是衡量淀粉颗粒膨胀程度和直链淀粉溶出数量多少的标准,根据表7显示LTP-BR的峰值粘度高于BR,可能是因为等离子体中的活性粒子导致化学键强度减弱或化学键断裂,促进了部分淀粉的膨胀以及直链淀粉溶出,导致峰值粘度升高[9]。崩解值是峰值粘度减去最低粘度,能比较直观的反应米饭口感。有研究表明,稻米的RVA崩解值在1200 cp以上食味品质较好[36],由表7中数据可以看出经低温等离子体处理后糙米的崩解值增加,有效的改善了糙米的口感。回生值代表淀粉糊化后的老化回生速度,LTP-BR回生值升高说明经低温等离子体技术处理导致糙米饭易于老化,而短期老化跟糊化时直链淀粉的溶出量呈正相关[37],这说明低温等离子体处理一方面促进糊化过程中直链淀粉的溶出,能够改善糙米饭的口感;另一方面会导致糙米饭易老化。

3 结论

低温等离子体作为非热加工技术,提升糙米食用品质的发展潜力巨大。低温等离子体处理后糙米的加热吸水率、体积膨胀率和固形物损失率显著升高了54.12%、13.37%和4.11 mg/g,有效的提升了糙米的蒸煮性能;弹性、峰值粘度和崩解值显著升高,使糙米的硬度、咀嚼性显著降低,一定程度上改善了糙米的质构特性和糊化特性;但低温等离子体导致糙米的回生值升高,会加速糙米饭的老化;糙米的直链淀粉、蛋白质、膳食纤维和非必需氨基酸含量增加,这在一定程度上丰富了糙米的营养成分;扫描电子显微镜显示低温等离子体预处理后糙米皮层遭到破坏,表面出现凹陷和裂缝;糙米的亲水基团含量和结晶度得到提高,破坏了糙米淀粉的晶体结构,证实了糙米蒸煮特性和物化特性改善的原因,这对低温等离子体在全谷物工业化加工具有指导意义,将会极大地促进低温等离子体在全谷物行业的发展进程。然而通过研究发现糙米短时间易老化,回生值升高,还需要进一步深入研究;另外将这一技术更广泛的应用于食品行业,还需要详细的评估其他品质,例如糙米的安全性问题和储藏期品质的变化问题以及糙米风味变化等,使低温等离子体技术在全谷物科学研究中的应用前景更加广阔。