糙米加工方式对品质特性的影响

徐明浩，李洪岩，王静

（北京工商大学食品与健康学院，中加食品营养与健康联合实验室，北京 100048）

糙米是稻米去壳后，由麸皮层，胚和胚乳组成的全谷物粒[1]。糙米主要活性物质及其功能性见图1。

图1 糙米主要活性物质及其功能性Fig.1 Main active substances and functions of brown rice

如图1所示，糙米不仅含有丰富的蛋白质、脂质、膳食纤维、矿物质和维生素等必需营养素[2]，在米糠层中还包含多种生物活性物质，如γ-氨基丁酸（gammaaminobutyric acid，GABA）、生育三烯酚和 γ-谷维素等[3]，可预防糖尿病、肥胖症以及高血糖等慢性病[4-5]。但糙米作为一种传统的全谷物食品在直接烹饪食用方面存在一些问题，米糠层所含纤维素、半纤维素、木质素和果胶等阻碍水分渗入的物质较多，造成米粒的膨胀率和吸水性较差，在蒸煮过程中时间长且出饭率低，限制了糙米的加工特性和适口性。其次，糙米中含有较多植酸等抗营养因子，易与微量元素形成金属螯合物，导致微量元素的利用率降低。此外糙米食用品质和贮藏稳定性也存在密切的关联。一方面，在贮藏过程中糙米皮层中的脂肪氧合酶可将甘油三酸酯水解为甘油和游离脂肪酸，导致脂质易氧化酸败，酸度增加并形成异味[6]。另一方面，糙米的贮藏特性还受到储藏温度和湿度、包装材料、虫鼠繁殖和微生物污染等一系列环境因素的影响[7]。

综上所述，糙米品质特性的提升要结合质构特性、营养特性和贮藏特性三方面的综合加工处理，即在保证口感的同时提升其营养价值和储藏稳定性。本文旨在总结现有糙米加工方式对糙米的质构特性、营养特性和贮藏特性的影响，并归纳不同加工方式对糙米品质特性的影响，以期为糙米制食品的研究和应用提供一定的参考。

1 糙米加工方式对质构特性的影响

糙米的质构特性是评价糙米品质特性中最直观的特性之一，其中硬度和黏度被认为是米饭质构特性中重要的参数，因此在加工处理过程中，改善糙米的质构特性成为主导问题。当下已有许多改善糙米质构特性的加工方式，了解不同加工方式对糙米质构特性的影响，将有助于降低对糙米的过度处理，利用适度的加工手段实现糙米质构特性的提升。糙米的米糠层结构图2。

图2 糙米的米糠层结构Fig.2 The rice bran layer structure of brown rice

1.1 硬度

如图2所示糙米米糠层的粗纤维含量高且结构紧密，蒸煮时水分不易进入胚乳内部，内部胚乳中淀粉不易糊化，导致米饭蒸煮时间较长，这是导致糙米饭口感较硬的结构因素。另一方面，从组分上讲，糙米中直链淀粉可能与支链淀粉分支形成结晶，提高淀粉晶体结构的耐热性和淀粉溶出的阻力，导致糙米硬度增加[8]。因此，在提升糙米质构特性的加工技术中，需要考虑对糙米的结构和组分互做关系上进行改进。

陈冰洁等[9]将糙米的加工方式分为物理法和生物法。物理法主要是采取对糙米施加压力、电场力、剪切力等外力，改变糙米表层结构，使米糠层结构疏松，以实现质构特性的提升。在物理法中，浸泡法可软化糙米米糠层组织结构，缩短蒸煮时间，但处理过程时间较长，易被微生物污染[10]。处理过程中施加压力可以缩短浸泡时间，利用超高压技术破坏糙米表层结构，使水分在压力作用下渗透进糙米内部，但其对高压设备精度和稳定性要求较高，在实际生产中推广较为困难[11]。超声、微波、等离子体、红外辐射等方法处理糙米，会在糙米表面形成细小孔洞，有利于水分扩散及淀粉的糊化，降低糙米的硬度。但随着功率的提高，会加大对糙米的破坏性，如Park等[12]研究发现在400 kHz/180 W的超声波和50°C处理30 min的条件下糙米口感最佳，当功率过高时，糙米蒸煮过程中的碎米率提高，对糙米的食用品质影响较大。此外，陈银基等[13]采用低剂量γ-射线辐照处理糙米后，淀粉的溶解度和吸水性提高，使其质地变软，改善了糙米的口感。但剂量过大则会加深糙米的颜色，过高的辐照功率也会危害食用者健康。

与物理法相比，生物法作用强度较为温和，如发酵、发芽和酶法处理。发酵和发芽处理可以利用有益菌或自身代谢产生的酶来降低糙米结构的紧密性。纤维素酶和果胶酶等外源酶的加入也可缩短糙米的烹饪时间，吸水率提高约3倍[14]。在发芽糙米处理过程添加外源酶，与内源酶协同作用于糙米，使得糙米表层结构疏松，内部质地柔软且蒸煮过程中淀粉更易析出，实现硬度和黏度的综合改善，有效提升糙米品质特性[15]。

1.2 黏度

质构特性中米饭的黏度是最具鉴别性的质构特性之一，主要受直链淀粉含量、加工方式等因素影响[16-19]。在蒸煮过程中内部淀粉溶胀和糊化并受热溶出颗粒黏附在米粒的表层形成热溶出物，成为与其它米粒相粘连的媒介，影响米饭的黏度[20]。研究发现可以通过测定米饭表面热溶出物的分子结构发现，热溶出物中主要成分是淀粉，其中支链淀粉含量、短支链淀粉比例和分子大小与米饭的黏度呈正相关[16]。此外刘奕等[21]综述蛋白质和脂类与稻米品质的关系时提出蛋白质和脂质降低了大米中淀粉的吸水和膨胀能力，从而降低大米的品质特性。因此蛋白质、脂质与淀粉的组分互做形成大分子复合物使米粒结构更加紧密，阻碍淀粉分子溶出和糊化，从而影响米饭的质构特性。

碾米处理是常见的糙米加工方式之一，Li等[22]通过碾米法处理糙米后发现碾米程度与米饭的黏度及热溶出物中支链淀粉含量呈正相关，但处理后对糙米表层结构破坏严重，降低了糙米米糠层的食用率。采用超高压、超声、微波和红外辐射等物理法处理后不仅糙米表层结构破坏程度较小，而且会改变内部淀粉颗粒结晶区结构，有助于降低内部淀粉热溶出的阻力，提高米饭的吸水性和黏度[23]。此外，在生物法中，通过外源酶或糙米发芽产生的内源酶的作用，分解糙米中的膳食纤维、蛋白质、淀粉等大分子，使糙米内部结构疏松，降低水分进出糙米的阻力，促进水溶性淀粉的析出，改善了糙米的黏度[24]。

1.3 其它质构特性

除了硬度和黏度外，影响糙米口感的质构特性还有弹性、咀嚼度、粗糙度、内聚性等[25]。糙米外部的纤维素结构影响水分渗透，使得淀粉糊化速率降低，内部凝胶化减弱，咀嚼过程中口感粗糙且松散。龙杰等[15]利用纤维素酶处理发芽糙米后发现，糙米弹性显著提高，质构特性得到改善。淀粉、蛋白质、脂质等组分是影响其质构特性的主要因素，脂质抑制糊化时直链淀粉凝胶中双螺旋的形成，降低了糙米的弹性和内聚力，使得糙米口感较为松散[26]。因此蛋白质可加强糙米内部凝胶网络结构，提高淀粉糊化峰值，而且其胶着性和咀嚼度也有显著降低。

在改善糙米质构的处理方法中，物理法作用效果直接且显著，利用物理外力破坏糙米表层结构以降低水分渗入及迁移的阻力。但需要精确把握外力的作用强度，强度小则作用效果不明显，强度过高则导致糙米颗粒不完整，因此应适度加工对设备的精密性提出了更高的要求。生物法作用较温和，但若想效果显著，需处理较长时间，其效率较差。Zhang等[27]将两类方法进行协同处理，通过先超声再纤维素酶的方式处理糙米，得到的米糠结构较为松散，从而促进水和酶的渗透作用，致使糙米的质构特性较于两种方法单独处理时得到明显改善。因此适度加工不仅要控制作用强度在最适处理范围，还要保证处理效率。

2 糙米加工方式对营养特性的影响

糙米的米糠层虽然影响其质构品质的改善，但是正是由于米糠层的存在，使其比大米含有更多的营养成分，能提供比大米更全面的营养[28]。糙米、精白米和米糠的营养成分见表1。在加工过程中，集中在米糠层的营养物质最先受到外力的作用，所以加工强度与糙米的营养物质损失呈正相关。适度加工原则就是需要采用温和的加工方式在最大程度保留营养物质来提升糙米整体品质特性。

表1 糙米、精白米和米糠的营养成分Table 1 Nutrients composition of brown rice，milled rice，and rice bran

2.1 活性物质

糙米中含有丰富的含有丰富的植物活性物质，包括γ-谷维素、维生素、酚类化合物、植物甾醇、GABA等。这些活性物质具备抗氧化、抗癌、抗炎症、预防心血管疾病等功能，长期食用对人体健康有益。

在物理法中，热处理后的糙米能够促进人体对糙米中部分营养物质的吸收，如挤压膨化处理可提高纤维素和蛋白质等营养物质的消化率，但高温易造成热敏性B族维生素等活性物质的失活，破坏糙米结构的完整性。Kato等[29]研究发现在300 MPa～400 MPa压力范围的超高压可消除大量的致敏蛋白，提高糙米中GABA等营养因子的含量。另外低温等离子体处理可将糖苷化合物中酚类活性物质降解为小分子物质，同时灭活过氧化物酶、多酚氧化酶，提高糙米中活性物质的抗氧化作用[30]。

在生物法中，Wanyo等[31]研究发现经纤维素酶处理后的糙米中，可溶性膳食纤维等活性物质含量提高，而可溶性膳食纤维可促进对肠胃蠕动和辅助调节血糖血脂水平。另外，生物发酵法使糙米大分子淀粉和蛋白质被分解为小分子糖和多肽，谷氨酸发生脱羧反应生成大量GABA，B族维生素和维生素E含量也提高了9倍[32]。糙米胚中的天然维生素E主要由生育酚、生育三烯酚及其它生育酚衍生物构成，主要发挥降血脂、抗氧化及预防动脉粥样硬化和癌症的作用[33-34]。除此之外，糙米发芽的过程也是营养富集的过程，研究发现发芽糙米相对于未处理糙米而言，GABA、γ-谷维素、生育酚等活性物质含量较高，尤其GABA含量可提高到未处理糙米的8.8倍[35]。糙米中GABA具有调节心脑血管血压，促进大脑血液流畅，增强脑部供氧，调节垂体激素分泌、心律不齐、胃酸分泌等功能。

2.2 抗营养因子

抗营养因子是存在于糙米内部抑制人体吸收活性成分的物质。在糙米中，植酸和不溶性膳食纤维具有一定的螯合作用，使得矿物质、蛋白质以及微量元素很难被吸收利用[14，36]。Callegaro等[37]发现虽然糙米的营养价值较精白米丰富，但抗营养因子的存在使糙米并未体现出营养价值的优势，因此减少抗营养因子的含量对提高糙米营养利用率有重要意义。

酶处理可有效处理糙米米糠层中的不溶性膳食纤维，但植酸位于糙米内部，在不破坏米粒结构的前提下，去除难度较大。Albarracín等[38]研究发现在45°C下浸泡48 h后的糙米植酸降解率达到近90%，蛋白质和矿物质的生物利用率显著提高，然而可溶性蛋白质及维生素等水溶性营养物质流失超过50%。生物法中，糙米的发芽过程可以激活内源植酸酶以降解植酸，减少抗营养因子含量，降低不溶性膳食纤维含量和细胞壁过氧化酶活性[39]。虽然外源的植酸酶难渗透进糙米内部降解植酸，研究发现，可以利用超声和酶协同处理糙米，使米糠层结构松散便于植酸酶扩散到内部，提高微量元素的吸收率，实现对植酸的降解。

3 糙米加工方式对贮藏特性的影响

糙米的贮藏特性可直接影响到营养特性和质构特性。在贮藏过程中，糙米的品质特性受到内部脂肪氧化酶和环境条件等因素的影响。糙米颗粒在运输过程中容易受到机械损伤且内部酶活性的增加易导致储存期间脂质降解加速，造成糙米品质下降；同时糙米易生虫霉变，降低其食用价值和经济价值。因此无论是从糙米的食用角度，还是从营养健康的角度，糙米的贮藏保鲜对其品质特性均具有十分重要的现实意义。

3.1 脂肪酸值

当糙米的米糠层暴露于外部环境时，易引起糙米中脂肪降解酸败，导致其品质变差，缩短保存期限。酸败的方式主要分为水解和氧化，水解性酸败是指甘油三酯水解后释放出游离脂肪酸，该游离脂肪酸比甘油酯的脂肪酸部分对氧化更敏感。氧化性酸败是经过脂肪的自氧化作用后产生有异味的挥发性短链醛和酮类等物质。

糙米在储藏过程中，内部脂肪酸含量是鉴别糙米品质的重要指标。低温冷藏是控制内部脂肪酸含量的有效方法之一，在15℃～20℃条件下，糙米的货架期可以延长至3年；温度控制在10℃以下，相对湿度在7%的糙米货架期可以延长至5年[40]。低温储藏可以明显降低糙米的脂肪酸值、过氧化值和羰基值[41]。研究发现，常温环境下利用辐照、声波等物理方式可以降低脂肪酸值，如低剂量的γ-射线辐照处理可以降低其游离脂肪酸的含量，延长货架期，且不会对糙米的活性物质产生影响[42-43]，同样需严格把控辐照剂量，避免降低糙米的安全质量。另外在适当功率下的超声波处理、红外干燥处理能减缓糙米中游离脂肪酸的生成，提高糙米的储藏稳定性[44-46]。

3.2 脂肪酶活性

脂肪酶是影响糙米脂肪酸值的重要因素，并且其活性与脂肪酸值呈正相关[47]。游离脂肪酸会加快脂质氧化酸败速率，应采取措施降低脂肪酶活性以提高糙米贮藏稳定性。罗达文等[48]研究发现蒸汽处理后的糙米脂肪酶活性可有效钝化，抗营养因子的螯合作用降低，提升了糙米的货架期和稳定性。但高温处理会破坏糙米中的营养活性物质，造成部分热敏性和水溶性营养物质流失。此外超高压、低温等离子体处理方式可以降低糙米内脂肪氧合酶的活性，抑制糙米的脂质氧化酸败[49-50]。因此可以通过非热处理使脂肪氧合酶变性失活，既能提高糙米的储藏稳定性，又能保留糙米本身的营养成分。

3.3 杀菌抑虫

糙米中含水量达15%左右，并含有丰富的营养物质，成为贮藏过程中霉菌和害虫的主要营养来源，导致糙米霉变变质，严重影响糙米的食用价值[51]。若通过加工处理降低含水量，则会降低糙米生命活力，造成代谢异常，失去食用价值，因此需要选取适度的加工处理方法维持糙米的稳定性，在均衡糙米营养价值的前提下进行抑菌杀虫。冷杀菌技术是利用电场、磁场等物理方式抑制细菌生长的一种新型杀菌技术。主要冷杀菌技术及作用机制见表2。

表2 主要冷杀菌技术及作用机制Table 2 Main cold sterilization technology and mechanism

如表2所示，冷杀菌技术也属于糙米的物理加工方式，其不仅具备杀菌抑虫的作用，还可以改变糙米的表层结构，促进水分吸收，缩短蒸煮时间，提升品质特性。因此通过这些冷杀菌技术的应用，可以实现对质构特性和贮藏稳定性的共同提高作用，有效改善糙米的蒸煮特性和贮藏特性。

在糙米储藏过程中，为避免受到贮藏环境中微生物的入侵，可采用生物保鲜技术，及利用生物防腐剂或微生物菌群产生的抗菌物质与细菌产生拮抗作用达到杀菌抑虫的目的。相对于化学防腐剂而言，生物防腐剂具有无毒、无残留、高效低成本等优势。不同来源的生物防腐剂作用效果见表3。

如表3所示，生物防腐剂分为动物源、植物源和微生物源3种类型，通过抑制糙米的呼吸作用以及糙米中黄曲霉毒素的生长繁殖发挥保鲜作用。因此，维持糙米的贮藏特性也需要利用物理法和生物法协同处理，将糙米进行适度加工，延长其保质期。

表3 不同来源的生物防腐剂作用效果Table 3 The effect of biological preservatives from different sources

4 结论与展望

随着居民饮食结构和习惯的改变，人们对食品的需求已经从“吃得好”向“吃得健康”转变。与精白米相比，糙米的营养价值不仅满足人们的健康需求，也符合当下谷物食品“健康化”发展的大趋势。在新型糙米加工技术中，物理法需要设备精确，对糙米的处理强度得当，如功率过大，时间过长，则会严重影响糙米的颗粒完整性，不利于品质特性的提升；功率小时间短，则处理力度不够，品质特性提升效果不显著；生物法处理时间过长，容易造成微生物污染，对环境要求严格。因此，根据适度加工原则，可采用生物法和物理法协同处理糙米，有利于降低物理法的处理功率和生物法的处理时间，在提升质构特性的同时具备保留活性物质作用，物理法还可以在处理过程中抑制糙米脂肪酸败和霉菌害虫的滋生，提高糙米稳定性。这种适度加工原则通过“生物+物理”联用技术可全面提升糙米全谷物的加工、口感、营养和储藏品质且更有效、安全、合理，可能成为糙米制食品主要加工技术之一。对于全谷物食品市场的拓宽具有重要意义，为消费者提供更多健康营养的高质量食品。