大米储藏过程品质变化及其动力学

赵卿宇，郭 辉，陈博睿，沈 群

（中国农业大学食品科学与营养工程学院，植物蛋白与谷物加工北京市重点实验室，国家果蔬加工工程技术研究中心，北京 100083）

大米是世界各地主食的主要来源，90%以上的大米在亚洲生产和消费，其中，中国是最大生产国。2018年中国的大米产量是21 212.90万 t，除了工业用粮和食用之外，每年剩余大量大米需进行储藏。通常推荐低温和可控气调储藏大米。但由于冷却系统的初始成本高，而可控气调储藏需要特殊的包装和储存设施，对成本要求也较高，故均不适用于发展中国家[1]；因此开展不同储藏条件下大米品质变化的研究，最大限度地保持大米品质是很有必要的。

大米随着储藏时间的延长，其物理、化学特性会发生变化，例如大米籽粒会进行新陈代谢，体内各种酶活性下降，细胞的呼吸强度减弱[2]。影响大米储藏品质变化的内因主要有蛋白质、脂类和酶活力等的变化，外因主要包括温度和湿度等储藏条件的变化[3]。最近的研究多集中在包装[4]、辐照[5]、红外干燥[6]、真空度[7]和高压处理[8]对大米储藏特性的影响，而对储藏温度则较少关注。大米储藏是一个复杂的变化过程，其通过综合作用影响微观结构、食用品质等。气味是影响大米食用品质的主要因素之一，传统的气相色谱-质谱（gas chromatographymass spectrometry，GC-MS）法耗时长、灵敏度低，而电子鼻技术存在精确度低、结果重现性差等缺点，故需要开发一种快速、灵敏、高通量且结果直观的鉴定方法。目前GC-离子迁移谱（ion mobility spectrometry，IMS）作为一种新的联用技术，将GC技术的简易快捷与IMS法的高分辨、高准确度分析有机融合。GC-IMS近些年陆续应用在食品研究领域，国内外相关文献较少且主要集中于肉[9]、蛋[10]、油掺假[11]以及大米溯源[12]等方面，鲜见在储藏大米中应用的报道。食品加工和储藏过程中品质损失动力学回归模型的研究一直是个热点问题，目前大米品质的动力学研究多侧重于表面油脂变化[13]、VB1和VB2含量变化[14]和糊化特性[15]等，缺乏对大米储藏期间其他重要品质指标的系统研究。

本实验以中国东北地区产量较高的‘辽星’大米为对象，研究其在不同储藏温度下理化性质、微观形态、外观特性、质构特性、蒸煮特性、糊化特性和气味成分的变化规律，找出各项指标与储藏时间及储藏温度的动力学关系，旨在为大米储藏提供一定的科学依据和参考价值。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

‘辽星’大米（2015年收获）由中储粮沈阳直属库提供。

三羟甲基氨基甲烷（Tris） 美国Amresco公司；5,5’-二硫代二硝基苯甲酸盐（5,5’-dithio bis-(2-nitrobenzoic acid)，DNTB） 美国Sigma-Aldrich公司；甘氨酸 国药集团化学试剂有限公司；脲、盐酸胍北京化工厂；所有溶剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

KDY-9820凯氏定氮仪 北京通润机电技术有限公司；V1800可见分光光度计 尤尼柯（上海）仪器有限公司；FE20K pH计 上海青浦沪西仪器厂；ColorQuestXE 色差仪 美国HunterLab 公司；JSM-5610LV扫描电子显微镜 日本电子公司；TX-XT Plus质构仪 英国Stable Micro Systems公司；TecMaster快速黏度分析仪 澳大利亚Newport Scientific仪器公司；FlavourSpec®食品风味分析与质量控制系统德国G.A.S.公司。

1.3 方法

1.3.1 样品处理

取稻谷用小型砻谷机去壳得到糙米，再在碾米机上制成GB/T 1354—2018《大米》所规定的标准一等大米；制得的大米密封于聚乙烯袋中，并分别置于15 ℃、室温（约20～25 ℃）和37 ℃气候培养箱（相对湿度均为50%）中300 d，每隔60 d取样。

1.3.2 理化性质测定

脂肪酸值按照GB/T 5510—2011《粮油检验 粮食、油料脂肪酸值测定》测定。水分质量分数根据GB/T 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》测定；蛋白质量分数根据GB/T 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》测定；脂肪质量分数根据GB/T 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》测定；脂肪酶活力按照GB/T 5523—2008《粮油检验 粮食、油料的脂肪酶活动度的测定》碱滴定法测定；过氧化氢酶活力按照GB/T 5522—2008《粮油检验 粮食、油料的过氧化氢酶活动度的测定》测定；巯基质量分数根据Ellman试剂比色法[16]测定。

1.3.3 扫描电子显微镜观察微观形态

大米被切成约2 mm厚的横断面。在加速电压下，采用扫描电子显微镜对储藏0、150 d和300 d大米的横断面进行拍照。

1.3.4 色泽的测定

约50 g大米倒进石英皿中，采用色差仪通过标准光源照射测得L*、a*、b*值。

1.3.5 质构特性测定

测试步骤：称取10 g大米于铝盒中，以1∶3（m/V）的比例加入蒸馏水，静置10 min；沸水蒸制40 min，保温10 min，取出铝盒冷却至室温。测定质构时去除表面米粒，从铝盒中心部位随机取3 粒平行放在质构仪载物台上进行测试。参数设定：P36/R探头；选用TPA模式；测试类型为压缩；测试前速率1 mm/s，测试速率0.5 mm/s，测试后速率1 mm/s；压缩比70%。

1.3.6 蒸煮特性测定

参照王肇慈[17]的蒸煮特性实验，测定大米的吸水率、膨胀率和米汤的固形物含量、pH值。

1.3.7 糊化特性测定

取5 g大米，粉碎后过40 目筛，快速黏度测量仪选择Standard1程序（以水分质量分数14%为基准）进行测定。测定程序：在50 ℃下平衡1 min，再以12 ℃/min的速率升温至95 ℃，并在此温度下保持3 min，然后以12 ℃/min的速率降至50 ℃，并保持1.5 min。搅拌器的转动速率在最初的10 s之内是960 r/min，此后一直是160 r/min。

1.3.8 GC-IMS分析气味物质

取储藏结束时的大米5 g转移到20 mL顶空瓶中，采用FlavourSpec®食品风味分析与质量控制系统进行分析。GC-IMS分析条件：FS-SE-54-CB-0.5色谱柱（15 m×0.53 mm）；柱温：40 ℃；载气程序：0～2 min，2 mL/min；2～15 min，从2 mL/min升至100 mL/min；漂移气流量：150 mL/min；载气/漂移气：N2；IMS温度：45 ℃；进样针温度：98 ℃。GC-IMS谱图中的样品编号见表1。

表1 大米储藏末期GC-IMS样品信息Table 1 Numbering of rice samples at the end of storage under different temperatures in GC-IMS profiles

1.3.9 动力学级数的确定

零级动力学模型和一级动力学模型的计算分别如式（1）和式（2）所示。

式中：y为储藏期间大米的品质指标；b0、b1为拟合参数；x为储藏时间/d。

1.4 数据处理与分析

GC-IMS数据使用G.A.S.公司开发的LAV软件中GalleryPlot插件处理。采用Excel 2016软件进行各级动力学方程拟合。其他数据采用SPSS 22.0软件进行统计学分析，结果以平均值±标准差表示；组间平均值比较采用Duncan’s分析（P＜0.05表示差异显著）。采用OriginPro 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 大米在不同储藏温度下的理化性质变化

大米脂肪酸值越高说明大米品质越差。当大米中的脂肪酸值超过25 mg/100 g时，则被认为不宜再储存。由图1A可知，大米储藏期间脂肪酸值不断增加。在15 ℃、室温和37 ℃下储存时，大米分别于240、180 d和120 d达到不宜再储存水平。高温能促进脂肪酸值增加，是因为高温能加速微生物对大米脂肪的水解，并促进脂肪中的油酸和亚油酸等不饱和酸的双键发生氧化水解作用，产生脂肪酸。

过氧化氢酶活力在一定程度上可以反映储粮新鲜度。由图1B可知，15 ℃条件下储藏时大米过氧化氢酶活力下降较缓，而室温和37 ℃时过氧化氢酶活力下降速率快，大米新鲜度下降迅速。综合以上两个指标来看，储存温度越高，大米新鲜度下降越快，越不适宜大米储存。

由图1C可知，随着储藏时间的延长，大米水分质量分数呈下降趋势，37 ℃储藏大米前240 d水分质量分数下降的幅度最大，这因为高温会使大米的游离水蒸发速度加快。高温储藏后期水分含量又略有升高，原因可能是此时大米内部酶（如过氧化氢酶）的活力已经很低，其呼吸作用弱，水分不易散失，重新吸附了一些水分。

如图1D所示，大米在储藏期间的脂肪质量分数呈下降趋势，一方面是因为大米储藏过程中脂肪发生水解产生过氧化物、甘油和游离脂肪酸；另一方面高温也能促进脂质氧化产生醛酮类等物质，其中37 ℃下的脂肪质量分数下降最快。脂肪酶属水解酶类，是脂肪分解中第一个参与反应的酶。如图1E所示，储藏期间脂肪酶活力不断下降，这可能是因为储藏大米的脂肪酸含量增加，pH值降低，导致脂肪酶活力降低。储存温度越高，大米脂肪酶活力下降越多，这可能因为高温促进脂肪酸的产生，导致pH值降低，并进一步抑制脂肪酶活力。

如图1F所示，大米蛋白质量分数在15 ℃和室温的条件下变化幅度很小，在37 ℃条件下储藏300 d后蛋白质量分数下降了7.08%；因此，在不同条件下储藏对大米蛋白质含量的影响并不大，原因可能是大米中的蛋白质水解酶和肽类酶含量很少。大米巯基质量分数在储藏期间呈下降趋势（图1G），是因为其在光和热的作用下巯基转化成二硫键，并且温度越高，转化速率越快。

图1 ‘辽星’大米储藏期间理化性质的变化Fig. 1 Changes in physicochemical properties of ‘Liaoxing’ rice during storage

2.2 大米在不同储藏温度下的扫描电子显微镜观察结果

图2 ‘辽星’大米扫描电子显微镜图（×700）Fig. 2 Scanning electron microscope observation of ‘Liaoxing’ rice (× 700)

胚乳是大米主要的食用部分，胚乳淀粉的组成和结构在很大程度上能够决定大米的品质[18]。通过扫描电子显微镜观察胚乳的形态结构及淀粉颗粒的分布特点和形态可以了解大米品质形成的基础及品质劣变过程[19]。与储藏初期相比，在15 ℃条件下储藏的大米胚乳表面形态基本没有发生变化（图2B1、B2），在室温条件下储藏的大米胚乳表面的裂纹变大，表面光滑度下降（图2C1、C2），在37 ℃条件下储藏的大米胚乳表面模糊不清，出现了不同程度的破损和坑槽，且淀粉颗粒大多变为表面粗糙的圆形或椭圆形（图2D1、D2）。室温储藏的大米胚乳表面形态变化介于15 ℃和37 ℃储藏组之间。刘海虹等[20]的研究表明，与新鲜大米相比，劣变大米胚乳横断面裸露的淀粉颗粒增多，表面裂痕和小孔增多，表面膜翘起程度增加且厚度下降，这与本实验结果类似。

2.3 大米在不同储藏温度下的色泽变化

图3 ‘辽星’大米储藏期间L*（A）、a*（B）、b*（C）值的变化Fig. 3 Changes in L* (A), a* (B) and b* (C) values of ‘Liaoxing’ rice during storage

色泽是衡量大米外观品质的重要指标，同时也影响消费者对大米的购买欲望。由图3可知，大米L*值在储藏期间呈下降趋势，表明大米表面的亮度逐渐下降，颜色逐渐变暗。其中，高温促进了亮度的下降。大米在储藏过程中亮度下降除了可能是产生有色物质外，还可能是储藏期间大米表面的光洁度降低，对光的反射能力下降所致[21]。储藏期间大米a*值始终为负，说明大米颜色偏绿，且储藏温度越高，绿色越明显。b*值随着储藏时间的延长，总体呈增大趋势。各储存条件下大米b*值整体呈现升高的趋势，是因为大米表面存在脂类等物质，在储藏期间会受到温度、湿度等的影响而发生脂质氧化和美拉德反应，使大米的黄色变深[22]；而大米在37 ℃下储藏过程中b*值发生了短暂的下降，可能由于长期处在高温高湿条件下，大米会出现生虫现象，并且在一定的时间内害虫的数量会不断增多，滋生的害虫会蛀蚀大米的外皮层，从而使大米的胚乳部分暴露出来，导致大米b*值下降。

2.4 不同储藏温度下大米蒸煮后的质构特性变化

图4 ‘辽星’大米储藏期间质构特性的变化Fig. 4 Changes in texture characteristics of ‘Liaoxing’ rice during storage

质构特性是影响大米食用品质的最主要指标。通过对大米蒸煮后的质构特性进行测定可以较为直观地反映大米的劣变陈化程度。在15 ℃条件下储藏的大米，随储藏时间延长，其蒸煮后米饭硬度整体呈上升趋势，而室温和37 ℃储藏组米饭则呈现出先升高后降低的趋势（图4A）。硬度增加可能是因为淀粉老化与蛋白质的相互作用加强，淀粉分子中的羟基和蛋白质的电荷基团形成静电复合物，使硬度增加[23]。而室温和37 ℃储藏组大米在储藏后期制得的米饭硬度下降，可能是高温促进大米在储存后期吸水率和膨胀率大幅增加，大米无法保持其颗粒完整性，导致大米变得松散，因此米饭硬度减小。黏着性是反映米粒对口腔接触面黏着的性质。随储藏时间延长，15 ℃储藏组米饭黏度变化不显著；而室温和37 ℃储藏组米饭黏度下降显著（图4B），可能因为温度升高导致更多的游离脂肪酸生成并包裹淀粉粒，导致淀粉难以糊化[24]，使黏着性下降。米饭的弹性能够反映出米饭的口感，弹性越大的米饭越有嚼劲，储藏期间弹性的变化表现出下降的趋势，但没有显著性变化（图4C）。

2.5 大米在不同储藏温度下的蒸煮特性变化

图5 ‘辽星’储藏期间蒸煮特性的变化Fig. 5 Changes in cooking characteristics of ‘Liaoxing’ rice during storage

蒸煮特性是评价大米食用品质的重要方法，其中的吸水率、米汤固形物含量、米汤pH值与米饭的食味关系密切，因此通过这些指标可以评判米饭食味的优劣[25]。普遍认为大米若吸水率较小、米汤固形物含量较高，则具有较好的食味水平。随储藏时间延长，大米在蒸煮过程中的吸水率不断上升，这可能是因为储藏过程中大米所含的蛋白质、果胶和纤维素等物质的细胞壁遭到破坏，增加了细胞的吸水能力[26]。在蒸煮过程中，15 ℃和室温储藏组的大米吸水率在较为接近，而37 ℃储藏组变化较大，其浮动范围为2 6 5%～3 7 2%（图5A），这可能因为高温使储存大米淀粉的微晶束结构增强，能溶于水的物质减少，导致蒸煮过程中吸水率增加。膨胀率代表米饭在蒸煮过程中的胀性，其变化趋势和吸水率较为类似（图5B）。膨胀率过高会造成米饭变得蓬松、发软、适口性较差。随着储藏时间延长，大米中的脂类降解不断产生游离脂肪酸和其他有机酸类，使米汤pH值降低，从而导致米饭滋味降低。随储藏时间延长，15 ℃和室温储存组米汤pH值变化幅度较小；而在37 ℃储存组米汤pH值下降幅度较大（图5C），这可能是因为随着储藏温度升高，大米脂质降解程度加剧。米汤固形物表示蒸煮过程中溶出的物质，也就是可溶性淀粉，米汤固形物含量越高代表米饭的口感越好。由图5D可知，随储藏时间延长，各储藏组米汤固形物含量下降，这可能是由于大米在陈化过程中细胞壁的溶解性下降，从而使细胞内的淀粉可溶物溶出受到抑制[27]。随大米储藏温度升高，其米汤固形物含量下降幅度增加，这可能因为高温可能促进细胞壁的溶解性下降，使米汤固形物含量下降速率增加[27]。

2.6 大米在不同储藏温度下的糊化特性变化

表2 ‘辽星’大米不同储藏条件下的糊化特性Table 2 Changes in pasting properties of ‘Liaoxing’ rice under different storage conditions

峰值黏度代表着淀粉颗粒的膨胀性能，是糊化特性中最具代表性的指标之一。由表2可知，峰值黏度在储藏期间总体呈现先上升再降低的趋势。Zhou Zhongkai等[28]的研究表明，若储藏期间某时段的大米峰值黏度高于其储藏期前，说明此时的陈化程度还较低。储藏结束后，大米在15 ℃和室温条件下的峰值黏度高于初始状态，而37 ℃条件下则低于初始状态，说明高温储藏的大米陈化严重。大米在15 ℃条件下储藏过程中谷值黏度呈上升趋势，而室温和37 ℃储藏组大米在储藏后期则表现出下降趋势。谷值黏度增加表明淀粉颗粒还没有溶胀到颗粒破裂的程度。大米储藏过程中最终黏度高于初始状态，原因可能是储藏体系中存在较多的完整淀粉颗粒，并且周围聚集了大量的水分子[29]。

崩解值和米饭的食味呈正相关，崩解值越大，说明在大米加热过程中释放出的淀粉分子越多。在15 ℃和室温下储藏180 d后，大米崩解值达到最大，大米在37 ℃下储藏60 d时崩解值达到最大，表明高温储藏在短时间内就能促进淀粉颗粒溶胀破裂。储藏期间大米回生值上升可能是因为直链淀粉及少量的凝胶化淀粉残余物从淀粉颗粒中析出。在15 ℃、室温、37 ℃下储藏300 d后，大米的糊化温度分别比储藏前上升了6.25%、7.26%、13.43%。糊化温度的升高会伴随着淀粉无定形区性质的变化，淀粉分子间的结缔状态更难被水分子拆散，淀粉颗粒溶胀受到阻碍，因此淀粉难以糊化，符合陈米的特征。

2.7 大米在不同储藏温度下的气味物质分析结果

大米在储藏过程中淀粉、蛋白质、脂类等物质容易遭到破坏，加上水分和微生物的分解作用，大米气味物质会发生很大的改变。依据特征峰选取原则，通过GC-IMS将大米样品中不同有机挥发性物质对应的特征峰区域进行排序对照，得到如图6所示的指纹图谱。图中横轴为选取的特征峰物质，纵轴为样品编号。图6每一行代表一个大米样品中全部的挥发性有机物信息，每一列代表同一挥发性有机物在不同样品中的信息。白色表示浓度较低，红色表示浓度较高，红色越深表示浓度越高。从图6a中可看出储藏300 d后不同温度条件下大米香气的差异，储藏温度越高，大米中1-丁醇、二甲基二硫、环己酮浓度越高，故这些物质可能是大米储藏过程中出现不良气味的关键性物质。从图6b中发现，2-丁酮单体、2-庚酮单体、2-己烯-1-醇、2-壬酮、3-甲基乙酸丁酯、2,3-戊二酮、1-辛醇、1-戊醇单体、1-戊醇二聚体、苯甲醛单体、苯甲醛二聚体等物质在3 个温度下浓度没有变化。

可通过不同特征区域的对比判别储藏期间气味差异，但仍受限于观察者的主观性，无法实现GC-IMS三维谱的数字化表达。故以选取的特征峰对应的峰强度值为特征参数变量进行主成分分析，得到图7。不同温度的GC-IMS数据经主成分分析处理后可以明显区分开，表明了GC-IMS对储藏期间大米香气鉴别的可能性。储藏期结束后，3 个温度下储藏的大米样品分布于不同区域，说明这3 组大米在挥发性组分上已具有明显差异。

图6 不同储藏条件‘辽星’大米气相离子迁移谱图中选取的挥发性有机物的Gallery Plot图Fig. 6 Gallery plots of selected volatile organic compounds from GC-IMS profiles of ‘Liaoxing’ rice under different storage conditions

图7 不同储藏条件下‘辽星’大米的主成分分析Fig. 7 Principal component analysis analysis of ‘Liaoxing’ rice samples under different storage conditions

2.8 动力学分析结果

食品品质在储藏过程中的变化可以用化学反应动力学来表征，且大多数与食品有关的品质随时间的变化都遵循零级或一级反应模式[30]。对储藏期间大米的理化性质、外观特性、质构特性、蒸煮特性和糊化特性的各项指标进行各级动力学方程拟合，结果见表3。其中，模型决定系数越大，表示拟合效果越好。由表3可知，采用零级动力学模型可较好地反映大米储藏过程中的脂肪质量分数、膨胀率、米汤pH值、米汤固形物含量、脂肪酶活力、脂肪酸值和过氧化氢酶活力的变化规律，一级动力学模型可较好地反映大米储藏过程中的巯基和吸水率的变化规律。

表3 零级和一级模型决定系数Table 3 Determination coefficients or zero-order and frist-order models

续表3

3 结 论

储藏温度越高，对大米胚乳表面形态影响越大，37 ℃储藏300 d时大米胚乳表面已模糊不清，并且出现了不同程度的破损和坑槽，达到了劣质大米的水平。随着储藏时间延长，大米L*值、水分质量分数、蛋白质量分数、巯基质量分数、脂肪质量分数、脂肪酶活力、过氧化氢酶活力、黏着性、弹性和米汤pH值、米汤固形物含量不断下降，大米a*值、b*值、脂肪酸值、吸水率、膨胀率不断上升，且温度越高，这些指标变化越大。糊化特性在储藏期间也发生了明显的变化。综合脂肪酸值和过氧化氢酶活力来看，温度越高，大米新鲜度下降越快。此外，GC-IMS的数据表明储藏期间大米的气味已经发生改变，且这种改变主要是因为具有不良气味的醛酮类等物质的生成。最后发现通过零级动力学模型和一级动力学模型能较好地反映大米储藏期间品质指标的变化，但未来还需设置更多的储藏温度，以建立完整的动力学模型。