溶出固形物对软米硬度和黏弹性的影响

麻荣荣， 王玲玲， 王 凡， 田耀旗

(江南大学 食品科学与技术国家重点实验室， 江苏 无锡 214122)

软米起源于日本，是一种低直链淀粉含量的优质米资源，具有黏弹性好、质构柔软等优良蒸煮品质，食味品质优于粳米[1-2]。目前，软米种植主要在日本、东南亚等一些国家和我国云南省[3]，在我国尚处于起步推广阶段。对软米的研究多集中于种植、遗传育种、基因定位、指标鉴定等方面[4-6]，研究者常用直链淀粉含量作为对软米鉴定的关键指标[7-8]，而针对软米蒸煮品质及其影响因素研究较少。

大米在蒸煮过程中，随温度不断提高，水分通过大米表层间隙进入米粒内部引起直链淀粉、支链淀粉及其他大米组分的溶出，即溶出固形物。当水分不断蒸发，溶出固形物附着在饭粒表面，形成保水膜。这层保水膜可以掩盖饭粒表面的凹凸感，使饭粒更加柔软光滑。研究表明米饭黏性、弹性等质构特性与溶出固形物含量密切相关[9-10]。对溶出固形物组成的研究发现，其最主要成分为淀粉，且直支链淀粉比是影响米饭食味品质的关键因素[10-12]。随后有不少学者对溶出固形物形成的米饭保水膜进行了研究，发现保水膜越厚，可赋予米饭更好的黏弹性，食味品质越好[13]，且黏度与米汤中的直支链淀粉比呈负相关关系[14]。由此可知溶出固形物及其形成的保水膜是影响大米蒸煮品质的重要因素。目前对软米蒸煮食味特性尤其是溶出固形物对蒸煮品质影响的系统研究较少。

直链淀粉含量是影响米饭蒸煮品质的重要原因，因此研究者依据直链淀粉含量不同通常将大米分为粳米、籼米和糯米3大类。软米直链淀粉含量介于粳米和糯米之间。粳米与糯米直链淀粉含量差异显著，且均为我国食用广泛的米种，因此本研究以粳米和糯米为对照，研究溶出固形物对软米流变特性和质构特性尤其是硬度和黏弹性的影响，以期更好地了解软米品类的蒸煮食味特性，更好地推广和利用软米这一高品质大米原料，为今后的食品加工、品种改良及水稻育种提供理论研究基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

实验选取软米、粳米、糯米等3种大米。其中，软米为金坛董永软米，常州市金坛董永现代农业发展有限公司，米粒细长，直链淀粉质量分数10.24%，总淀粉质量分数78.01%，蛋白质质量分数6.70%；粳米为荟尚东北珍珠粳米，泰州苏兴米业有限公司，米粒呈椭圆形，直链淀粉质量分数17.69%，总淀粉质量分数78.30%，蛋白质质量分数7.2%；糯米为金贞熙糯米，吉林金贞熙农产品加工有限公司，米粒呈椭圆形，直链淀粉质量分数1.13%，总淀粉质量分数78.61%，蛋白质质量分数7.10%。3种大米均为同一年份生产的一级米，选择产品包装日期10～20 d内购买，并密封储藏于4 ℃冰箱。

直链淀粉测定试剂盒，爱尔兰Megazyme公司；异淀粉酶(10 000 U/mL)，Sigma-Aldrich中国有限公司。其他试剂均为分析纯，上海国药集团。

1.2 仪器与设备

VA-4500型快速黏度分析仪，澳大利亚波通公司；DHR-3型流变仪，美国沃特世公司；TA-XT plus型质构分析仪，美国SMS公司；Quanta 200型扫描电子显微镜，荷兰Fei公司；DIONEX ICS-5000型离子色谱仪，美国赛默飞世尔科技公司(250 mm×4 mm阴离子交换柱，美国Spectra-Physics公司)；CFXB40FC8055-75型电饭煲，浙江苏泊尔有限公司；Tube Mill control型研磨机，德国IKA仪器设备有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1蒸煮溶出固形物的制备与成分测定

软米蒸煮溶出固形物的制备方法参考Wada等[12]的方法并略作修改。称取20 g大米于烧杯中，3倍水淘洗3次后根据m(米)∶m(水)=1∶1.6的比例加水，85 ℃浸泡15 min，沥去米汤，5倍80 ℃的热水搅洗黏附层3次，收集米汤和搅洗的黏附层水，冷冻干燥后获得溶出固形物，称重，粉碎过100目筛备用。

直链淀粉含量测定参考试剂盒标准方法。精确称取样品20.0 mg，加入1 mL二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide，DMSO)震荡混匀，加热至完全溶解后冷却至室温，加6 mL无水乙醇使淀粉沉淀，静置15 min后离心(2 000g，5 min)，弃上清并使残余乙醇自然挥发，于沉淀中加入1 mL DMSO溶解样品。用Con A缓冲液转移并定容至25 mL容量瓶，记为溶液A。取1 mL溶液A和0.54 mL Con A 溶液至离心管后充分混匀，室温静置1 h后离心(10 000g，10 min)。取1 mL上清液置于15 mL离心管中，加入3 mL 100 mmol/L醋酸- 醋酸钠缓冲液，混匀后沸水浴5 min；而后转移至40 ℃下水浴5 min，加入1 mL淀粉转葡萄糖苷酶/α-淀粉酶试剂(glucose oxidase/peroxidas，GOPOD)，于40 ℃继续反应30 min后离心(2 000g，5 min)。取1 mL上清液，加入4 mL GOPOD，40 ℃下反应20 min，在510 nm下测定吸光值。总淀粉测定方法即：取0.5 mL溶液A和4 mL醋酸- 醋酸钠溶液混合后加1 mL GOPOD，40 ℃下反应10 min。取上清液1 mL，加4 mL GOPOD，40 ℃下反应20 min，510 nm下测定吸光值。

1.3.2溶出淀粉侧链分布的测定

精确称取10 mg溶出物样品，参照Tian等[15]的方法，溶解于2 mL pH值=3.5醋酸- 醋酸钠缓冲液中，沸水浴30 min后冷却至40 ℃，添加100 μL异淀粉酶，并在37 ℃、160 r/min下震荡反应24 h后沸水浴30 min，于3 000 g/min离心1 min收集上清液，过0.22 μm水相滤膜后采用配备有脉冲安培检测器的高效阴离子色谱测定链长分布。

1.3.3米粉流变特性的测定

参考Chen等[16]的方法并略作修改。采用研磨机将软米磨粉并过100目筛后置于盛有75%氯化钠饱和溶液的干燥器中平衡水分。称取约3 g米粉，溶解于25 mL去离子水中，调节所有样品干基含水量相同(质量分数为9.21%)，将样品搅拌均匀后置于快速黏度分析仪完成糊化过程，程序设置为：50 ℃平衡1 min，而后以速率6 ℃/min加热至95 ℃，维持5 min后以速率5 ℃/min降温至50 ℃并保持2 min，然后立即将适量米粉糊置于流变仪样品上进行动态小幅振荡测试，刮去多余的样品并使用硅油覆盖四周以防水分蒸发。实验采用40 mm平板夹具，夹具和测试台的间隙设置为1 000 μm。在测试前，样品静置5 min以消除加载样品时产生的机械作用。在25 ℃恒温条件，0.1～100 rad/s的频率下进行频率扫描测试。扫描应变设置为1%，根据应力扫描结果该值在线性黏弹区。观察储能模量(G′)、损耗模量(G″)和损耗角正切(Tanδ)随角频率的变化情况。

1.3.4米饭的制备

为探究溶出固形物对米饭硬度和黏弹性的影响，制备除溶出固形物前后的米饭以对其品质差异进行分析。对照组除溶出固形物米饭制备方法为：精确称取200 g米，3倍水淘洗3次后按照m(米)∶m(水)=1∶1.6的比例加水，85 ℃浸泡15 min后，沥出米汤，再加入5倍80 ℃的热水轻轻搅洗黏附层3次并沥出，用等量去离子水替代米汤，而后于电饭煲中设置“少量煮”模式蒸煮完成后焖制10 min。

实验组未进行除溶出固形物处理的米饭制备方法为：与对照组完全相同操作直至浸泡完成后，亦轻轻搅洗3次，但不沥出米汤，而后转移至电饭煲中在相同条件下完成蒸煮。

1.3.5米饭质构特性的测定

参考邓灵珠的实验方法[17]对1.3.4节制备的米饭进行质构测定，主要考察硬度、黏性和弹性。选择电饭煲上中下3处的3粒米呈辐射状平行测定5次。触发类型设置为“Auto”，触发力为20 g(196 N)，数据采集速率为500 pps，测试探头为P/36R圆柱形探头，测前、测时、测后速度分别为0.5 mm/s、1 mm/s、1 mm/s，保持时间为5 s，压缩类型选择“strain”，压缩程度设置为50%。测定结果由质构仪配套软件TE 32自动分析输出，去掉最大值和最小值后计算平均值和方差。为防止米饭回生影响测定结果，实验控制在5 min内完成。

1.3.6米饭表面微观结构的表征

使用扫描电子显微镜观察3个大米品种米饭的表面微观结构。实验前，将1.3.4节制备的米饭真空冷冻干燥至水分质量分数低于5%，并固定在电镜专用载物台上镀金，观察饭粒表面形态并拍照。观察中选取合适的角度保证米粒样品无伸缩、无变形、无扭曲。

2 结果与分析

2.1 软米蒸煮溶出固形物分析

2.1.1溶出固形物含量与成分分析

溶出的固形物在水分蒸发后附着于饭粒表面而形成保水膜，可掩盖饭粒表面的凹凸感，对大米的蒸煮品质具有较大影响[10，18]，因此首先分析溶出固形物的含量和组成。3种大米样品在85 ℃下浸泡15 min后溶出的固形物质量分数及固形物主要成分见表1。由表1中数据可知，所有样品的溶出固形物中淀粉质量分数均占90%以上，且溶出固形物中的直链淀粉含量与原大米中的直链淀粉含量正相关，这与前人的研究结果一致[19-20]。此外，软米溶出的固形物质量分数为11.85%，显著高于粳米(1.69 g/20 g大米)和糯米(1.28 g/20 g大米)。

表1 不同品种大米蒸煮过程中溶出固形物含量及组成Tab.1 Content and composition of dissolved solids of different varieties of rice during cooking

2.1.2溶出固形物中淀粉侧链分布分析

研究认为米饭黏弹性除与溶出物中支链淀粉总量相关外，还与短支链淀粉比例、支链淀粉分子大小密切相关[21]，因此本研究进一步探究溶出固形物中支链淀粉分子结构差异对软米硬度和黏弹性的影响。按照支链淀粉侧链聚合度(degree of polymerization，DP)不同分为：A链(DP 6～12)、B1链(DP 13～24)、B2链(DP 25～36)以及B3链(DP>36)[22]。表2是不同品种大米淀粉及大米溶出固形物中淀粉的侧链分布情况。以所有链段总峰面积为100%，计算各链段相对峰面积，图1为软米淀粉与粳米淀粉、糯米淀粉的各链段分布差值图。

由图1和表2可知，3类溶出固形物中，淀粉B1链溶出占比最多，均超过40%，而B3链最少，仅3%～10%。与粳米和糯米淀粉相比，软米溶出淀粉中A链比例最高，B1链最低，B3链比例低于粳米而高于糯米，这与Ong等[9]的研究结果一致。软米溶出固形物中高含量的短链支链淀粉在蒸煮后期能够率先回填进入米饭孔洞或固定在饭粒分支点上，并与直链淀粉通过氢键作用形成三维网状结构，有助于高黏弹性保水膜的形成；而长链支链淀粉尤其是长链B2、B3链含量高于糯米，表明软米溶出固形物中的长链B链分散在米汤中所形成的凝胶网络结构也强于糯米。

图1 软米与粳米和糯米溶出淀粉侧链分布差值Fig.1 Subtraction of side chain distribution of dissolved starch among soft rice, japonica rice and glutinous rice

2.2 溶出固形物对软米硬度和黏弹性的影响

2.2.1米粉流变特性分析

不同米粉流变特性动态频率扫描结果见图2。弹性模量G′代表样品在外力撤销后恢复成原样的能力，黏性模量G″代表样品抵抗外力作用而损耗的能量。Tanδ为G″与G′的比值，是评价弹性和黏性对样品黏弹特性相对贡献的指标，Tanδ越大，体系的黏性比例越大，反之，则弹性比例越大。对比流变学数据可知，软米G′和G″均大于粳米和糯米，表现出较好的黏弹性。软米的Tanδ<1，表明其G′大于G″，软米凝胶倾向于形成弹性结构。此外还发现软米和粳米样品的Tanδ随着角频率的增加呈现先减小后增加的趋势，表明样品在低角频率时有趋于形成固态的凝胶行为，弹性更好。

2.2.2米饭质构特性分析

质构特性可直接反应米饭的黏弹性和硬度性质。除溶出固形物前后3种米饭的质构参数如表3所示。从表中数据可知，软米米饭硬度较低，黏性小于糯米高于粳米，黏硬比和弹性较大。粳米硬度最大，黏度最低，黏硬比最低，弹性较小。其中黏硬比是黏性和硬度的比值，反应样品整体的口感均衡性，数值越大，米饭口感越好，黏弹性越好[23]。糯米因黏性较大而不适宜蒸饭，而软米黏性适中、硬度小、黏硬比较高、弹性较大，整体口感均衡性好，具有优良的食用优势。除溶出固形物后3种大米的硬度均明显增大，黏性略有降低，黏硬比和弹性显著减小。表明溶出固形物对于大米硬度和黏弹性具有较大影响，且是造成软米硬度较小、黏硬比较高、黏弹性较好的重要原因。

图2 不同品种米粉的动态频率扫描Fig.2 Dynamic frequency sweep of different varieties of rice

表3 除溶出固形物前后米饭的质构参数

虽然软米本身直链淀粉含量低于粳米，但在蒸煮过程中溶出的固形物较多，Pearson相关性分析结果表明溶出固形物含量与大米弹性呈显著正相关(r=0.98，P<0.05)，因此可认为软米高含量的溶出固形物增加了软米淀粉与水分的相互作用，且溶出的直链淀粉溶解在连续相中相互交联形成网状结构赋予软米较好的弹性。而软米溶出较多的支链淀粉一方面分散在米汤中，增加软米的黏稠性，一方面则附着在饭粒表层，使得饭粒硬度较小，黏度较大，减少了水分损失和淀粉回生所导致的米粒硬化。因此，软米在蒸煮过程中溶出较多的固形物是其具有优于粳米和糯米良好食味品质的重要原因。此外，米饭质构不仅取决于固形物溶出量，同时还取决于固形物的组成尤其是直支链淀粉比。具有低直支链淀粉比的软米(0.19)在冷却过程中可在表面形成连续的支链淀粉凝胶网络结构，赋予米饭高黏性品质。Li等[20]也曾报道过支链淀粉溶出量高可赋予米饭更好的黏性。而高直支链淀粉比的粳米(0.27)冷却时直链淀粉带来明显的短期回生，导致米饭冷却后迅速老化变硬，冷饭质地远不如软米。

谷物淀粉的溶出与支链淀粉的侧链分布有关。一方面，长链支链淀粉可以和直链淀粉分子形成双螺旋结构，降低米粒的吸水能力，继而导致较低的膨胀度并抑制固形物的溶出，导致米饭具有较高的硬度[8]。支链淀粉还可以与其他组分(如蛋白、脂肪等)相互作用[24]，可起支撑作用并阻止大米变软。因此，粳米中较高的直链淀粉含量和较长的支链淀粉可与大米中的蛋白、脂肪等非淀粉组分相互作用而导致高硬度的质构特性。软米由于直链淀粉含量较低，支链淀粉侧链分布中短链较高、长链较少而抑制了淀粉与其他组分的相互作用而利于软米中固形物的溶出，因此赋予了软米较好的黏弹性和硬度。另一方面，软米原淀粉中含有最高比例短链A链和最低比例的B1、B2、B3链，但在溶出固形物中，A链比例降低，B2、B3链比例显著增加，这可能是由于软米原淀粉中较高比例的短链A链促进了长链B2、B3链的溶出。Li等[25]在研究支链淀粉分子大小与淀粉凝胶的黏弹性关系时也发现小支链淀粉分子使得长直链淀粉更容易溶出，从而形成更强的凝胶网络结构。因此，溶出固形物中软米支链淀粉的侧链分布性质亦有助于软米蒸煮后呈现优良质构。以上结果表明大米在蒸煮过程中溶出固形物的含量及组分等溶出行为的差异，是导致大米黏弹性差异的重要原因。

2.3 溶出固形物对软米表面微观结构的影响

不同类别大米煮熟后表面微观结构的差异见图3(放大1 000倍)。3种大米表面均形成了光滑的保水膜，而除溶出固形物的大米表面则形成了非常明显的孔洞状结构。其中，软米表面形成的孔洞最大、最深、最密集，整体呈现渔网状；普通粳米亦可观察到显著的网状结构，孔洞略浅；糯米表面较粳米更为光滑，形成的孔洞大小与粳米相近，深度最浅，可能与其直链淀粉含量低且溶出固形物含量少相关。以上现象表明大米在蒸煮过程中，内部组分会从籽粒裂缝中溶出，并形成大小不等的孔洞。而这部分溶出的固形物在米汤中不断交联团聚，在水分逐渐蒸发后形成一层厚度不等的保水膜覆盖在饭粒表面[26-27]。这层保水膜能够掩盖饭粒表面的凹凸感，使饭粒柔软有弹性。软米大而深的孔洞结构是溶出固形物含量高的结果，这有助于其表面形成较厚的保水膜，这也证实了上述溶出固形物含量对软米硬度和黏弹性的影响。关于软米表层孔洞的大小，这可能是由于软米较低含量的直链淀粉和较高含量的短链支链淀粉使其在蒸煮过程中易于膨胀并率先溶入米汤，形成较大较为密集的孔洞结构，而这一独特的孔洞状结构又利于更多固形物的溶出，并对饭粒的结构起到支撑作用，使得整个饭粒弹性更好。

图3 不同品种米饭表面微观结构Fig.3 Surface microstructure of different varieties of rice

3 结 论

研究阐明了溶出固形物含量、组成、分子结构及在米饭表面成膜特性差异对软米硬度、黏弹性品质的影响。一方面，由于软米直链淀粉含量较低，支链淀粉侧链中短链A链较高，促进了长链B链的溶出，从而形成更强的凝胶网络结构，赋予软米较好的弹性。另一方面高含量溶出固形物有助于软米表面形成厚而光滑的保水膜，且软米表面较大较深的渔网状孔洞结构可对饭粒起支撑作用，是软米黏弹性好的重要原因。此外，软米溶出固形物中较低的直支链淀粉比使得软米硬度小，不易回生。研究结果有助于软米这一高品质大米原料更好地利用和推广，为今后加工、品种改良及水稻育种提供理论研究基础。后续研究可深入探究软米淀粉颗粒在蒸煮过程中是如何一步步从大米中迁移出来，与一般大米是否有区别以及这种区别对蒸煮品质的影响。