调质温度和时间对黑糯米半干法制粉品质的影响

孙 威,陈 轩,庄 坤,曾蓓蓓,吕庆云

(武汉轻工大学食品科学与工程学院,农产品加工与转化湖北省重点实验室(武汉轻工大学), 大宗粮油精深加工教育部重点实验室(武汉轻工大学),湖北武汉 430023)

黑糯米即紫米,是水稻的一个品种,学名OryzasativaL. spp. Keng Ting,乔本科,稻属。我国黑糯米主要产自广西、江西、浙江、贵州、福建、江苏等地。黑糯米种皮因含有花青素呈紫黑色,去掉种皮后的米粒与精白米无异,而与其他品种的糯米相比,黑糯米含有较高的维生素B2、纤维素、蛋白质[1]。张俊巍等[2]将遵义香血糯、遵义黑优粘、惠水黑优粘三种黑糯米与贵州白米的微量元素含量检测进行比较,结果显示,除了硒含量以外,锌、锰、钾、钙、镁等微量元素远远高出贵州白米。

黑糯米中的花青素属于一类功能性物质。傅翠真等[3]采用中草药化学成分系统预试法,将黑糯米碾磨成粉末提取其中有效的药用成分,分析得黑糯米中含有水溶性花青素、强心苷、生物碱和植物甾醇等成分,这些营养成分对产妇和心理衰弱人群具有滋补作用。徐杰等[4]对贵州黑糯米种皮中的成分分析,结果显示,种皮中的脂溶性成分主要是叶绿素a、α-胡萝卜素、β-胡萝卜素、亚油酸等,采用高效液相色谱法证实种皮中的色素主要是矢车菊花色素-3-G和矢车菊花色素-3-GG。其中亚油酸为不饱和脂肪酸,有降低胆固醇的作用[5]。有研究表明,矢车菊花色素-3-G可以显著减少大鼠血清中脂质过氧化物的产生,从而减少其肝脏缺血再灌注引起的自由基损伤,防止血清中的VC被氧化[6],作为营养因子添加在食物中,对肥胖症和糖尿病有一定的预防作用[7]。

花色苷是一种黄酮类的化合物,存在于黑糯米表皮中的花色苷是黑糯米呈现黑色的主要原因,花色苷是黑糯米色素抗氧化作用的物质基础[8],并具有调节血脂的作用[9]。目前国内对于花色苷含量的测定,一般采用比色法计算色价来表示其相对含量[10]。色价是天然色素的主要质量指标之一,能从一定程度上反映色素含量的高低。

目前,我国的糯米粉的制粉方法有湿法制粉、半干法制粉和干法制粉三种方法。湿法制粉的粉质细腻,但是耗水量较大,周期较长[11]。干法制粉工艺简单,不产生废水,降低了产品滋生微生物的风险,可以更好地保留蛋白质、脂质和灰分等营养成分,但耗能高,且对淀粉损伤较大,粉质粗糙,出粉率较低[12]。半干法一般是将物料充分润湿,使糯米的淀粉颗粒充分疏松,再烘干至一定水分进行粉碎,与干法制得的粉相比,糯米粉的粒度更小,且更节省水资源,降低生产成本,工艺也较为简单[13]。半干法磨制可以获得与湿磨相近的谷物粉品质。张玉荣等[14]通过响应面试验方法得到半干法、湿法、干法的最优工艺参数,从粒度、理化特性、糊化特性等方面比较了不同制粉方法对糯米粉品质的影响,发现半干法的保水力最大,冻融稳定性最好,粉质特性更接近于湿法制粉。Tong等[15]在水分33%时进行半干法制备汤圆糯米粉,可以保护淀粉颗粒,降低糯米粉的损伤程度,对糯米粉的品质特性有一定的保护作用。

本文通过研究半干法制黑糯米粉工艺,探讨不同调质温度和时间对黑糯米粉品质特性的影响,以期为减少实际生产中黑糯米粉花青素的流失、提高糯米粉质特性、节能降耗及选择合适的生产参数条件提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

黑糯米 安徽燕之坊食品有限公司;盐酸、95%乙醇等化学试剂 国药集团化学试剂有限公司,均为分析纯。

Enspire多功能酶标仪 美国铂金埃尔默公司;HH-4数显恒温水浴锅 上海一恒设备有限公司;AL204电子天平 美国梅特勒公司;TD6M离心机 长沙平凡仪器仪表有限公司;JYL-C020E多功能料理机 九阳股份有限公司;快速黏度仪 瑞典Perten公司;CR-10色度仪 日本KONICA MINOLTA公司;MS3000激光粒度仪 英国马尔文仪器有限公司;DHG-914385电热恒温鼓风干燥箱 上海新苗医疗器械制造有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 半干法制备黑糯米粉的工艺 参考周显青等[16]和Tong等[17]的方法。称取50.0 g黑糯米于洁净干燥的烧杯中,加170 mL蒸馏水,分别置于不同的水浴温度中浸泡调质水分,调质一段时间后,40 ℃干燥至水分含量约20%,取出冷却至室温,粉碎后过100目筛,筛下物即为成品,密封常温保存,进行后续品质特性实验,每个样品3组平行实验。

1.2.2 调质对黑糯米制粉品质的影响

1.2.2.1 调质温度对黑糯米制粉品质的影响 固定调质时间均为4 h,调质温度分别为15、25、35、45、55 ℃,其他实验条件按照1.2.1进行,制备实验样品。

1.2.2.2 调质时间对黑糯米制粉品质的影响 固定调质温度均为35 ℃,调质时间分别为2、3、4、5、6 h,按照1.2.1进行,制备实验样品。

1.2.3 黑糯米粉品质指标的测定

1.2.3.1 色素含量的测定 参照NY/T 832-2004标准中附录A的方法检测[18],略有改动。称取1.00 g(以干基计)的样品于索氏抽提器中,加入100 mL浓度1.5 mol/L的HCl-95%乙醇混合液(HCl∶95%乙醇=15∶85,V/V),80 ℃恒温水浴1 h,浸提完毕,冷却至室温,吸取上清液用0.45 μm滤膜过滤,稀释10倍后,在535 nm波长处检测吸光度值A,上机量为30 μL。按式(1)计算:

E=10A/W

式(1)

式中:E-色价,即1 g黑糯米粉所含色素溶于100 mL酸性乙醇溶液,在535 nm吸收波长处测得的吸光度值;A-上机液吸光度值;10-稀释倍数;W-样品质量,g。

1.2.3.2 色度的测定 将糯米粉置于新的无色透明自封袋中,按压粉使其表面平整,用色度仪检测L*、a*、b*值。L*值越大,米粉越白(亮);其中a*、b*值分别代表米粉红-绿、黄-蓝度,正a*值表示红色,a*值越大,米粉越红;正b*值表示黄色,b*值越大,米粉越黄;a*、b*值为0值则为灰色[19]。

1.2.3.3 溶解度和溶胀度的测定 溶解度和溶胀度的测定参考张玉荣[20]方法,略有改动。称取2 g样品(干基)于100 mL离心管中,加入40 mL蒸馏水混合均匀,置于80 ℃水浴中恒温振荡0.5 h,3000 r/min离心20 min,将上清液移入已恒重的铝盒中,在105 ℃下烘至恒重,得到溶于水的淀粉质量m1,计算黑糯米粉的溶解度A。此时,由离心管中糯米粉的质量m2可以计算出溶胀度B,溶解度和溶胀度计算公式见式(2)、(3)。

式(2)

式(3)

其中:m1-溶于水的淀粉质量,g;m2-离心管中沉淀物质量,g;m-样品质量,g。

1.2.3.4 保水力的测定 参照周显青等[16]方法,略有改动。称取0.1 g样品(干重),放入离心管中,向离心管中加入10 mL蒸馏水,在20、40和60 ℃的恒温振荡摇床内振荡1 h,以3000 r/min离心20 min,去除上层清液后称重,由下式计算保水力H,公式见式(4)。

式(4)

其中:m1-离心管质量,g;m2-离心管与沉淀物总质量,g;m-样品质量,g。

1.2.3.5 糊化特性的测定 按照GB/T 24852-2010测定[21]。

1.2.3.6 粒度的测定 取适量糯米粉,采用MS3000激光粒度仪检测,折射率为1.68,每个样品测两次,结果用平均粒径表示,取两次试验平均值。以D50表示粒径大于该数值的颗粒占总量的50%,D90是粒径大于该数值的颗粒占总量的90%,D10是粒径小于该数值的颗粒占总量的10%。

1.3 数据处理

以上所有检测项目每个重复测试3次,试验数值以均数±标准偏差(n=3)表示。使用SPSS19.0软件进行数据的单因素方差显著性分析,使用Excel进行图表绘制。

2 结果与讨论

2.1 调质温度对黑糯米粉色价及品质特性的影响

图1 不同调质温度对黑糯米粉色价的影响Fig.1 The effect of different tempering temperature on color value of black glutinous rice flour注:图中相同字母表示差异不显著(P>0.05), 不同字母表示差异显著(P<0.05)。图2～图8同。

2.1.1 调质温度对黑糯米粉色素含量的影响 由图1可知,随着调质温度升高,色价先增大后减小,调质25 ℃时最高为0.89,其后色价显著下降(P<0.05),55 ℃时降至最低0.33。随着调质温度的升高,黑糯米粉的色素含量先增加后减少;色价与温度显著相关(P<0.05),当温度大于25 ℃时，温度越高,色价越低。色价是天然色素的主要质量指标之一,反映色素含量的高低。赵慧芳等[22]研究发现,在45和55 ℃时,提取液色价和总花色苷的含量同35 ℃时比均显著下降(P<0.05),花色苷类物质在高于35 ℃时不稳定,长时间加热会生成无色的查尔酮结构,与本实验结果相符。在调质温度在35 ℃之后,随着调质温度升高,色价显著降低(P<0.05),花色苷分解成查尔酮越多,花色苷损失也逐渐增大。由于花色素不稳定,在植物中主要以花色苷(即配糖体)存在[23]。花色苷一般可溶于水和醇溶液,大多数花色苷类对热都不太稳定,对光敏感,田喜强等[24]和孙鹏尧等[25]的研究结果都表明在80 ℃以上时,花青素损失较大。本文中实验均在60 ℃以下,较好地保留了花青素的含量与活性,且调质温度较低时有利于保留黑糯米粉中的花色苷。

2.1.2 调质温度对黑糯米粉色度的影响 从表1中可以看出,在调质15～45 ℃之间,随着温度的升高,黑糯米粉的亮度L*值无显著差异(P>0.05),调质55 ℃时,糯米粉亮度L*值显著降低(P<0.05)。a*值随调质温度变化趋势与色价变化趋势相同,均为先增后减,调质35 ℃最高为6.53。a*值表示米粉显红绿色的程度,软件分析结果为调质温度对a*值影响不显著(P>0.05),即对米粉显红绿色影响不显著,可能与黑糯米中花色苷的含量以及花色苷和米粉的结合程度有关,需进一步研究。黑糯米粉的b*值整体呈增大趋势,在15～35 ℃之间无显著性差异(P>0.05),35 ℃后随着温度的升高,b*值显著增大(P<0.05),米粉的颜色趋于黄色越来越深,温度的升高会导致淀粉的糊化和蛋白质的变色。综上色度实验结果,在a*值较高且米粉没有发黄的情况下,35 ℃为比较适宜的调质温度。

表1 调质温度对黑糯米粉色度的影响Table 1 The effect of tempering temperature on color of black glutinous rice flour

注:表中同列数据相同字母表示差异不显著(P>0.05),不同字母表示差异显著(P<0.05)。表2～表4同。

2.1.3 调质温度对黑糯米粉溶解度和溶胀度的影响 由图2可知,黑糯米粉的溶解度随着温度的上升总体呈先下降后上升的趋势,在15 ℃时最高为5.21%,在35 ℃时最低为4.45%,总体上看黑糯米粉溶解度在15、35和55 ℃时有显著性差异(P<0.05),调质温度对溶解度有一定的影响。溶胀度先降低再上升,在25 ℃时最低,为4.13%,在55 ℃达到最高4.87%,与25 ℃相比升高17.9%,表明温度对溶胀度影响较大,温度越高,溶胀度越大。

图2 调质温度对黑糯米粉溶解度和溶胀度的影响Fig.2 The effect of tempering temperature on solubility and swelling degree of black glutinous rice flour

2.1.4 调质温度对黑糯米粉保水力的影响 淀粉表现的保水力实际是由淀粉颗粒和水产生链接作用的羟基数目来决定的,而能与水分子相互作用的羟基数目由淀粉的结构和淀粉的组成成分来决定,当淀粉颗粒的结晶区结构受到破坏,水分子可能进入结晶区与暴露出的羟基形成氢键[26]。

由图3可知,黑糯米粉的20 ℃保水力和40 ℃保水力在不同调质温度条件下无显著性差异(P>0.05);随调制温度的升高,黑糯米粉60 ℃的保水力先增大后减小,最大为3.42 g/g(调质45 ℃);25和55 ℃调质温度条件下的黑糯米粉保水力略低于其他3个调质温度的保水力,但差异不显著(P>0.05)。横向比较,黑糯米粉在60 ℃的保水力明显高于在20和40 ℃的保水力,平均保水力比20和40 ℃分别高出35.07%和41.41%,这是因为温度升高引起淀粉分子振动加剧,致使淀粉分子之间的氢键断裂,导致淀粉分子有更多的位点可以和水分子发生氢键缔合[27]。

表2 调质温度对黑糯米粉糊化特性的影响Table 2 The effect of tempering temperature on pasting properties of black glutinous rice flour

图3 不同调质温度对黑糯米粉保水力的影响Fig.3 The effect of tempering temperature on water-holding capacity of black glutinous rice flour

2.1.5 调质温度对黑糯米粉糊化特性的影响 由表2可知,在25～55 ℃时,最终黏度和回生值先减后增,崩解值先增后减。峰值黏度是指在大米粉加热过程中出现的最大黏度值,反映淀粉糊化程度;峰值时间是指达到峰值黏度时所需的时间;最终黏度是指冷却到实验结束温度时的黏度值[28],回生值为淀粉糊化后的最终黏度与最低黏度的差值,它反映淀粉糊在低温下老化的趋势或冷糊的稳定性,回生值越小,冷糊稳定性越大,不易老化[29]。结果表明,随着调质温度的升高,黑糯米粉糊化特性先降低后升高;在调质温度15 ℃时,峰值黏度、最终黏度和回生值均显著低于其他调质温度(P<0.05),崩解值显著低于45和55 ℃调质温度的崩解值(P<0.05),崩解值越低,说明其热糊稳定性越好[28]。林静等[30]研究发现,直链淀粉含量和支链淀粉长链的比率越高,崩解值越小,淀粉粒越不易充分糊化,溶胀后的淀粉颗粒强度大,不易破裂,导致其热糊稳定性好。糊化温度是大米粉黏度开始增大时的温度,反映大米粉糊化的难易程度[29]。15 ℃调质会显著降低黑糯米粉的糊化温度(P<0.05),最多降低糊化温度4 ℃,此调质温度下黑糯米粉可以用于制作速食食品。

2.1.6 调质温度对黑糯米粉粒度的影响 由图4可见,随着调质温度的升高,半干法制备的黑糯米粉平均粒径逐渐降低,从最高的72.8 μm下降至最低72.4 μm,同比下降0.5%,同时单因素方差分析显示在15、25和55 ℃黑糯米粉平均粒径之间有显著性差异(P<0.05),在35和45 ℃平均粒径无显著性差异(P>0.05)。实验结果说明调质对制粉的粒径减小有正效应影响,调质温度升高会使米粒结构变得疏松,更利于破碎碾磨,但也需要考虑高温产生的更高能耗影响。

图4 调质温度对黑糯米粉平均粒径的影响Fig.4 The effect of tempering temperature on the average particle size of black glutinous rice flour

2.2 调质时间对黑糯米粉色价及品质特性的影响

2.2.1 调质时间对黑糯米粉色素含量的影响 从图5可见,随着调质时间的延长,色价逐渐降低,从0.92降至0.57,降幅38.04%,即黑糯米粉中的花青素含量随着调质时间的增加而减少。通过单因素方差分析结果可知,黑糯米粉在调质时间2、3 h时的色价显著高于调质5、6 h的色价(P<0.05)。调质时间2～4 h时,色价变化的幅度比较小,无显著差异性(P>0.05);其后随着调质时间延长,色价值显著降低(P<0.05),亦即黑糯米粉中的花青素含量下降。由于花青苷是水溶性天然植物色素,所以随着调质时间延长,一部分的花青素溶于浸泡液中,随后随着浸泡液的弃去而流失,因此会出现色价下降的现象[31]。花青素是黑糯米粉的特色功能性物质,调质时间越短含量越高,实验最短调质时间为2 h。

图5 不同调质时间对黑糯米粉色价的影响Fig.5 The effect of different tempering time on color valence of black glutinous rice flour

2.2.2 调质时间对黑糯米粉色度的影响 表3为调质时间对黑糯米粉色度的影响。L*值和a*值都能反映黑糯米的色素留存度,L*值越小,米粉色泽越暗,a*值越大,红色越深,色素含量越高。从表3中可以看出,随着调质时间的增加,L*值先增后减;调质3 h时糯米粉亮度L*值最大,显著高于5 h(P<0.05)。可能是米皮中的色素一开始时溶出到水中流失,制备的黑糯米粉中色素含量减少,颜色较亮,其后随着调质时间的延长,色素与米粉相结合,反而又降低了米粉亮度。仅3与6 h的a*值有显著差异(P<0.05),其他调质时间差异不显著(P>0.05)。黑糯米粉的b*值在2～5 h之间差异性不显著(P>0.05);所有b*值为正值,b*值越大,米粉的黄色越深,在调质时间为6 h,米粉黄色最深。

表3 调质时间对黑糯米粉色度的影响Table 3 The effect of tempering time on color of black glutinous rice flour

2.2.3 调质时间对黑糯米粉溶解度和溶胀度的影响 调质时间对溶解度和溶胀度的影响如图6所示。溶解度随着调质时间的增加,先降低后升高,最大为5.82%(调质2 h),最小为4.10%(调质5 h)。黑糯米粉的调质时间越长,溶解度越低。张玉荣等[32]研究发现,湿法制备糯米粉比干法和半干法制粉的溶解度都低,水分调质会降低糯米粉的溶解度,与实验结果相符。在调质5 h时达到最低点,其后可能是长时间的调质导致淀粉颗粒水解,黑糯米粉的溶解度又增加。溶胀度随着调质时间的增加先降低后升高,与溶解度的变化趋势相同,最大值和最小值分别为3.31%(调质2 h)和3.20%(调质5 h);但不同调质时间的溶胀度之间无显著性差异(P>0.05)。可能是由于在相同调质温度下,黑糯米粉的溶胀度接近,调质时间对溶胀度影响较小。

图6 调质时间对溶解度和溶胀度的影响Fig.6 The effect of tempering time on solubility and swelling degree of black glutinous rice flour

2.2.4 调质时间对黑糯米粉保水力的影响 调质时间对糯米粉保水力的影响如图7所示。不同调质时间得到糯米粉的20 ℃保水力在调质5 h时最低,为2.34 g/g,在6 h时最高,为2.49 g/g;黑糯米粉不同调质时间的40 ℃保水力先增大后减小,最大值为2.43 g/g(调质5 h),调质时间(4～6 h)对40 ℃保水力有显著性影响(P<0.05),可能是由于该实验设定在35 ℃下进行,与保水力温度接近,导致差异性被放大;黑糯米粉的60 ℃保水力先降低后升高，最低为3.26 g/g(调质3 h),最高为3.44 g/g(调质6 h),不同调质时间的60 ℃保水力差异性不显著(P>0.05),即调质时间对保水力无显著影响。横向分析,黑糯米粉的60 ℃保水力明显高于20、40 ℃保水力,平均保水力比20、40 ℃分别高出38.59%和46.49%,说明不同温度之间的保水力差异较大。

图7 调质时间对黑糯米粉保水力的影响Fig.7 The effect of tempering time on water-holding capacity of black glutinous rice flour

2.2.5 调质时间对黑糯米粉糊化特性的影响 调质时间对黑糯米粉糊化特性的影响如表4所示。在调质2～5 h时,峰值黏度、最终黏度、回生值总体呈现先减小后增大的趋势。与调质时间为4、5 h相比，调质时间为6 h时,峰值黏度、最终黏度、回生值和糊化温度出现显著性降低(P<0.05),崩解值显著性升高(P<0.05)。Kohyama等[33]研究了小分子糖对甘薯淀粉糊化特性的影响,指出小分子糖可以提高淀粉的糊化温度。实验结果原因可能是由于米粉经过充分的水分调质后,淀粉颗粒部分水解,大颗粒淀粉含量相对减少,降低了糊化温度和回生值;而水解的小分子糖随沥干的调质水分流失,降低了糊化温度。

表4 调质时间对黑糯米粉糊化特性的影响Table 4 The effect of tempering time on pasting properties of black glutinous rice flour

2.2.6 调质时间对黑糯米粉粒度的影响 调质时间对平均粒径的影响见图8。不同调质时间下的黑糯米粉平均粒径逐渐降低,最高为72.60 μm(调质2 h),最低为72.49 μm(调质6 h),平均粒径最多降低0.2%,调质时间的延长有助于黑糯米粉平均粒径的减小,但在调质3～6 h时黑糯米粉的平均粒径无显著差异(P>0.05)。根据黑糯米粉花青素和粒径因素,可以考虑调质时间设置为3 h。

图8 调质时间对黑糯米粉平均粒径的影响Fig.8 The effect of tempering time on the average particle size of black glutinous rice flour

3 结论

本文结果表明,调质温度越高(25～55 ℃),溶胀度越大,平均粒径越小;米粉的色价先增大后减小;米粉在调质温度55 ℃时亮度L*值显著降低(P<0.05),在35 ℃后b*值显著增大(P<0.05),米粉黄色明显加深;米粉的60 ℃保水力在45 ℃时最高,为3.42 g/g,低温保水力无显著性差异(P>0.05);在25～55 ℃时,米粉的最终黏度和回生值先减后增,崩解值先增后减,其中最终黏度和回生值均存在显著性差异(P<0.05)。随着调质时间的延长,米粉的色价降低,溶解度先减后增,平均粒径逐渐降低,溶胀度无显著性差异(P>0.05);米粉的L*值先增后减,在调质3 h最大,a*值在调质3 h时最小;在调质2～5 h时，米粉的峰值黏度、最终黏度、回生值呈现先减小后增大的趋势。调质温度对黑糯米粉的色价、色度、粒径和峰值黏度、最终黏度有明显影响,调质时间则对黑糯米粉的色价、粒径、保水力和峰值黏度、最终黏度、回生值等有明显影响。调质温度和调质时间对黑糯米粉的品质特性影响不一,调质温度相对调质时间对半干法制备黑糯米粉的品质特性影响更大,是制粉的重要影响因素,但仅以这些黑糯米粉品质特性为指标并不能得到半干法制粉的最优调质工艺,需要根据不同黑糯米粉产品的特点,进一步在色度、色价、糊化特性等品质特性中选出最重要指标,优化调质工艺。