烹制强度对米饭热力学及消化特性的影响

王丽丽 曹珍珍 李楠楠 贾才华 张宾佳 牛 猛 赵思明 熊善柏 房 振

(华中农业大学食品科学技术学院1，武汉 430070)(广东美的生活电器制造有限公司2，广州 510000)

米饭的烹制过程包括吸水浸泡、加热升温、高温沸腾、焖饭四个阶段，各个阶段受温度-时间程序调控。在烹制过程中，随着温度的升高和时间的延长，大米中的淀粉颗粒破裂，直链淀粉浸出，蛋白质分子伸展、解离、溶解甚至氢键发生断裂[1,2]。烹制过程中淀粉和蛋白质等构架大分子的结构改变会影响米饭的黏弹性以及与消化酶的相互作用，从而影响米饭的质地和消化性[3-6]。

通过烹制方式提高米饭的食用和营养品质是国内外的研究热点之一。已有研究表明，烹制温度的升高和时间的延长使大米的糊化性能有下降趋势，烹制过程中的低温吸水阶段会使米饭获得较好的蛋白质消化性，延长焖饭时间会造成较高的淀粉消化率，长时间的低温浸泡并以较高温度沸腾烹制的米饭具有优良的香气、滋味、口感，且不饱和脂肪酸的含量最高[2,7-11]。由于粳米和籼米在外观以及营养成分方面有较大不同，导致米饭具有不同的口感和营养特性。温度和时间是米饭蒸煮的关键因素，不同的温度时间组合可以将烹制过程划分为不同的烹制强度。烹制强度的高低对米饭的感官和质地均有不同影响。本研究通过选用两种深受消费者喜爱的粳米和籼米，利用流变仪和差示扫描量热仪设置不同的温度、时间程序，探究烹制过程中米饭的质地形成过程和热学变化，为改善米饭的烹制和食用质量提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

三江大米：粳米，种植于三江平原，加工精度为GB/T1354一级，储藏方式为房仓、低温储存。含水量13.91%(GB/T 5009.3—2016)，淀粉82.45%(GB 5009.9—2016)，碘蓝值为2.02[7]，粗蛋白7.99%(GB 5009.5—2016)。

星2号米：籼米，种植于洞庭湖平原，加工精度为GB/T 1354一级，储藏方式为房仓、低温储存。含水量为14.10%，淀粉含量为87.29%，碘蓝值为2.1，粗蛋白为9.09%，测试方法同三江大米。

试剂：HCl、磷酸等试剂均为分析纯，糖化酶(100 U/mg)和胰蛋白酶(52.93 U/mg)，胃蛋白酶(149.21 U/mg)。

1.2 仪器与设备

Avanti J-26XP型高效离心机；AR2000ex型动态流变仪；204F1型差式扫描量热仪。

A、B型两款不同型号的饭煲以及可调节吸水时间、吸水温度、加热功率、沸腾功率、沸腾温度的电磁加热式电饭煲。

1.3 方法

1.3.1 米饭的烹饪模式

烹制强度以浸泡、升温、高温阶段的温度、时间、升温速率判断依据。本研究采用4种不同强度的模式蒸煮，其中高强度的烹制特点为：浸泡17～62 ℃，22 min；升温速率约12 ℃/min；高温18 min。较高强度的烹制特点为：浸泡12～47 ℃，17 min；升温速率约9.4 ℃/min；高温21 min。可调节参数的电磁加热式电饭煲烹制粳米为低强度，其特征为：浸泡13～30 ℃，17 min；升温速率约7.4 ℃/min；高温15 min。可调节参数的电磁加热式电饭煲烹制籼米为较低强度，其特征为：浸泡12～52 ℃，22 min；升温速率约8.8 ℃/min；高温16 min。烹制过程的温度变化情况见图1。米饭烹制时，取600 g大米用蒸馏水淘洗3次，三江大米的高强度烹制模式采用米水比1∶1.45，其他烹制模式米水比为1∶1.2，星2号大米的高强度烹制模式采用米水比1∶1.6，其他烹制模式米水比为1∶1.3，其中高强度、较高强度米水比采用的是饭煲推荐米水比。

图1 不同烹制模式的加热曲线

1.3.2 力学特性

采用动态流变模拟米饭烹制的温度-时间程序。参考文献[12]方法将粉碎后的大米过100目筛。根据相应的米水比加入蒸馏水，混合均匀。采用AR2000ex型动态流变仪测定米浆的动态流变学特性。取一定量的样品置于载物台与圆形平板(直径为4 cm)之间，用液体石蜡封住样品，载物台与平板间距为1 mm。采用1.0 Hz的振动频率振动样品，剪切应力设为1.0 Pa。模拟不同烹饪强度下的温度曲线特征。具体参数见表1，参数设置与烹制曲线特征保持一致。

表1 流变仪温度控制程序参数

1.3.3 热特性

利用DSC模拟米饭烹制过程的温度-时间程序。将大米粉碎过100目筛，根据相应的米水比加入蒸馏水，静置12 h，称取一定量的浆液上机进行实验。采用204F1型差式扫描量热仪测试米饭的热特性。模拟不同烹饪强度下的温度曲线特征。具体参数见表2，参数设置与烹制曲线特征保持一致。

表2 DSC温度控制程序参数

1.3.4 消化性

通过体外模拟人体胃肠环境，测定葡萄糖和游离氨基酸含量，研究不同烹制强度下米饭的淀粉和蛋白质消化性。

淀粉消化性：参考文献[13]方法，有所改动。准确称取米饭5.00 g于研钵中，研磨至均匀糊状后用磷酸盐缓冲液定容至50 mL，在37 ℃下水浴，加入10 mL、1%的胰淀粉酶和10 mL、1%的糖化酶，分别于0、20、60、90、120、150、180、210、240 min取样液 5 mL，加入4 mL无水乙醇灭酶，将酶解液于4 000 r/min离心10 min。按照 GOPOD 法测定葡萄糖含量[14]。

米饭的蛋白质消化性：参考文献[11]方法，有所改动。准确称取5.00 g的米饭，加入0.1 mol/L盐酸均质，并定容至50 mL，于37 ℃水浴5 min，加入0.01 g胃蛋白酶，恒温震荡反应2 h，调pH为7，加入0.01 g胰蛋白酶，继续反应2 h，分别在0、30、60、90、120、150、180、210、240 min时取样液5 mL于沸水浴中灭酶5 min，4 000 r/min离心15 min，将悬浮液中的残留物分离，上清液作为测定原液。用茚三酮法测定游离氨基酸含量[15]。

1.4 数据处理

实验中各指标进行3次重复，采用SPSS 24进行相关性分析，采用 Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同烹制强度下米饭的质地形成特性

三江大米和星2号米在不同烹制强度下的质地形成过程如图2所示。由图2可知，在浸泡阶段，大米吸水胀润，G′、G″均无明显变化。当进入升温阶段时，G′、G″迅速升高，可能是由于淀粉分子链伸展，直链淀粉渗出使大米开始形成黏弹质地[16]。随着温度的持续升高，淀粉分子中的氢键断裂，结晶区被破坏，淀粉发生糊化，G′、G″达到峰值[17，18]。随后G′、G″迅速下降到较低值，其反映了淀粉颗粒的破裂[19，20]。在恒温焖饭阶段，分子间的作用力增强，网络结构更为密集，故表现为米饭的黏弹性有少许上升。在烹制过程中，G′>G″表明米饭是以弹性为主的黏弹体，该结果与已有研究一致[21]。且由图2可知，三江大米在高强度烹制模式下具有最高的弹性，在较高强度烹制模式下具有最高的黏性，而星2号米在较高强度烹制模式下具有最高的弹性，在高强度烹制模式下有最高的黏性。

图2 米饭在不同烹制模式下的质地形成过程

2.2 米饭烹制过程中的热学特性

三江大米在低强度烹制模式下的热学变化如图3所示，由图3可知，在低温浸泡过程中，热流变化平缓，无相变，水分逐渐向大米颗粒内部扩散，在加热段初期，淀粉晶体开始熔融，出现吸热峰，随着持续升温，在60 ℃左右出现淀粉的糊化峰，原因是淀粉高分子链发生伸展运动，支链淀粉的双螺旋结构打开，米饭发生熟化。在温度达到120 ℃时，出现吸热峰，可能是由于淀粉-脂质复合物吸热分解所引起的[22]。随后热流保持平稳，米饭质地形成，与流变的结果保持一致。

图3 三江大米在低强度烹制模式下的热学变化

不同烹制强度下米饭的热力学变化以及特征参数如图4、表3所示，由图4所知，不同烹制模式下，大米的热力学变化过程各不相同。在以高温浸泡(10～60 ℃)为特点的高强度烹制过程中，大米在升温浸泡阶段吸收热量，发生相变[23,24]。在60 ℃恒温浸泡过程中，无相变。后随着温度的进一步升高，淀粉发生糊化，出现吸热峰。在其他烹制模式中，大米仅在升温过程中发生热交换，淀粉糊化。由表3中的特征参数可知，在低强度和较低强度的烹制过程中米饭的T0略低于高强度烹饪模式，表明在长时间的低温浸泡使米饭较易于熟化。高强度烹制过程中，淀粉糊化的峰值温度最高，可能是高温浸泡过程所导致的。不同烹制方式下Tc没有显著性差异。较低强度和较高强度的烹制过程中，淀粉的ΔH没有显著性差异，但是明显高于高强度烹制模式，可能是由于高强度烹制模式导致支链淀粉的结晶区被完全破坏，使其从外界吸收的能量变低[25]。

图4 不同烹制模式下米饭的热学变化

表3 米饭烹制过程中的热学参数

2.3 不同烹制模式下米饭的消化特性

米饭在不同烹制模式下的淀粉消化特性如图5所示，在消化初期，葡萄糖含量呈快速上升的趋势，随着消化时间延长，消化速率升高变缓甚至下降。在消化末期，低强度和较低强度模式烹制的米饭的葡萄糖含量最高，可能是由于长时间的低温浸泡使淀粉分子充分吸水，加速糊化过程中水分向结晶区的渗透。米饭更容易被淀粉酶水解。同时高的淀粉消化率还与低的糊化温度有关[2,9,14]。星2号米饭的还原糖生成含量要显著高于三江米饭。

不同烹制模式制得米饭体外消化过程中游离氨基酸含量随时间的变化规律如图5所示，由图5可知，在胃消化阶段，不同烹饪模式对米饭的蛋白质消化性影响较小，在进入胰蛋白酶消化阶段时，低强度和较低强度模式烹制的米饭表现出最大的游离氨基酸生成速度，表明在该烹制模式下蛋白质消化较快。

图5 米饭消化过程中葡萄糖和游离氨基酸含量变化

可能的原因是较长时间的湿热处理使蛋白质更容易发生解离[11,26]，同时也会导致淀粉-蛋白质复合物的解体，暴露出更多与蛋白酶结合的位点。较高模式烹制的蛋白质消化率最低，可能的原因是浸泡和升温过程都较短，蛋白质解离程度低。相同烹制模式下，星2号米饭的游离氨基酸生成量高于三江米饭。

2.4 热力学特性与消化特性的相关性分析

表4 热力学特性与消化性的相关性分析

3 结论

与高强度烹饪模式相比，低强度烹制米饭黏弹性较低，葡萄糖生成速率和生成量较高。长时间低温浸泡使大米淀粉颗粒充分吸水，分子结构充分伸展，易于熟化，利于淀粉酶和蛋白酶酶解作用，使其具有较高的淀粉、蛋白质消化率。较长时间的加热和高温过程易使淀粉分子与蛋白质分子之间发生相互作用，掩盖酶的作用位点，致淀粉、蛋白质的消化率较低。通过相关性分析结果表明，三江米饭的黏弹性与淀粉和蛋白质消化率呈显著的负相关。在同一烹制模式下，星2号米饭的弹性小于三江米饭，淀粉和蛋白质消化率高于三江米饭。