过热蒸汽处理对大米粉理化特性的影响

舒星琦， 李波轮， 任传顺， 郑洋洋， 安红周， 卞 科， 覃振华

(河南工业大学粮油食品学院1，郑州 450001) (河南省谷物品质分析与加工国际联合实验室2，郑州 450001) (广西柳州鼎蓉鲜食品生产有限公司3，柳州 545000)

以大米为原料的深加工食品已成为一个重要趋势，但大米原料直接加工后的米制品存在品质问题，现有研究表明，适度改善大米原料品质，对米制品品质将产生有利影响[1,2]。过热蒸汽是在相同压力下温度超过饱和蒸汽温度的蒸汽[3]。在一定压力下加热水，达到沸点后，在该压力下继续加热，蒸汽温度超过沸点温度，此时的蒸汽称为过热蒸汽。过热蒸汽的传热效率高，可用于食品的热加工，目前主要是用于食品烹煮和膨化等[4-6]，以及食品原料的预糊化[7]。Soponronnarit等[7]发现糙米经过热蒸汽预糊化后，其糊化特性发生改变，相比于未处理组和热风处理组，糙米拥有更低的峰值黏度、崩解值和最终黏度，煮熟后硬度较大。目前，热处理改良大米品质的主要目的包括改变蛋白质特性[8]和淀粉特性[9]、提高大米中抗性淀粉和慢消化淀粉含量[10]、提高大米的营养价值[11]、改变大米黏性[12]、增强大米储藏稳定性[13]、改善新型制粉技术[14]等。目前市场上对米制品的品质改善大多通过改良剂进行改良，改良剂具有一定的局限性。

本研究对过热处理大米成分变化与理化特性相结合进行分析，测定在不同蒸汽温度(120、150、180 ℃)和不同处理时间(0、2、4、6、8 min)下，大米粒内部理化特性的变化，通过不同的处理后其理化特性变化来对米制品品质进行改善，为大米深加工工艺提供参考，对米制品深加工行业的发展具有一定意义。

1 材料与方法

1.1 实验材料与试剂

籼精米(含水量13.03%，蛋白质质量分数6.59%，淀粉质量分数76.03%，灰分质量分数0.39%)。碘化钾、碘试剂、无水乙醇、氢氧化钾、硫酸铜、盐酸、氢氧化钠、硫酸、硼酸、硫代硫酸钠，均为分析纯。

1.2 实验仪器与设备

过热蒸汽处理器(自制)，Quanta250FEG扫描电子显微镜，UV-2000紫外分光光度计，kjeltec8400全自动凯氏定氮仪，SD-matic破损淀粉仪，DS-1高速组织捣碎机，FAST-300振动筛分机，CR-410色彩色差计，RVA-techmaster快速黏度分析仪，DSC/25差示扫描量热仪。

1.3 方法

1.3.1 大米过热蒸汽处理

利用过热蒸汽设备，在蒸汽流速为3 mm/s的条件下，将大米在120、150、180 ℃下分别处理0、2、4、6、8 min，在室温下冷却，备用。

1.3.2 大米粒扫描电子显微镜(SEM)观察

将过热蒸汽处理后的大米粒横向掰断，置于导电双面胶上，喷金处理，用扫描电镜在3kV电压下观察米粒的微观结构，放大倍数为10 000倍。重复3次，选取代表性图片。

1.3.3 大米粉制备及基本组分变化

将大米粉碎，过100目筛，-4 ℃下密封保存备用。

参照GB/T 5009.3—2016中的烘箱法测定含水量；参照GB/T 5009.9—2008测定总淀粉含量；参照GB/T 5009.5—2016测定蛋白质含量。破损淀粉含量测定参照AACC 76-31肖邦破损淀粉仪法，结果用碘吸收率表示。参照GB/T 15683—2008测定大米直链淀粉含量，制备碘试剂和测定标准曲线。

1.3.4 粒度分布

将处理后的大米粒用60目万能粉碎机粉碎。参照GB/T 20781—2006，通过80目和100目2个实验筛对大米粉进行筛分、称重。

1.3.5 色泽变化

采用色彩色差计测定米线原料粉的色泽。采用下列公式计算其白度(WI)：

WI=100-[(100-L*)2+a*2+b*2]1/2

(1)

式中：L*为明亮度；a*为表示红绿值；b*为表示黄蓝值。

1.3.6 大米粉水合特性的测定

参照Heo等[15]和郭静璇[16]的方法并加以改进，测定50、60、70、80、90 ℃下大米粉的水溶性、膨胀势和吸水指数。称取0.8 g干基大米粉(W0)于预先称重的50 mL离心管中，加25 mL蒸馏水，混匀，分别置于50、60、70、80、90 ℃下振荡保温30 min，在转速为4 000 r/min下离心15 min。上清液转至恒重的铝盒内，在105 ℃下烘至恒重(W1)，离心管中沉淀称重(W2)，按照式(2)～式(4)进行计算：

吸水指数=W2/W0×100%

(2)

水溶性=W1/W0×100%

(3)

膨胀势=W2/[W0×(100%-WS)]×100%

(4)

式中：WS为水溶性/g/100 g；W0为大米淀粉干基质量/g；W1为上清烘干至恒重的质量/g；W2为沉淀物的湿重/g。

1.3.7 大米粉糊化特性的测定

参照GB/T 24852—2010进行测定。

1.3.8 热特性(DSC)的测定

当收到来自其他节点发送的BCD消息,节点就检测自己的横坐标是否小于发送节点的横坐标。如果小于,则利用右手规则转发BCD消息,否则就丢失。通过这种方式,最终只有一条BCD消息沿着边界转发,并且被转发的BCD消息是由横坐标最大的边界节点产生的。将此节点称为BCD的初始节点(BCD-I)。

参照田晓红等[17]的方法。

1.3.9 数据处理

采用Microsoft excel 2010、SPSS 20.0进行数据分析，用Origin 8.0对数据进行制图。无特别说明，所以数据都是3次平行的平均值。结果以均值±标准差(Mean±SD)表示，多组间多重比较通过单因素方差分析(one-way ANOVA)进行P<0.05表示在统计学上具有显著性差异。

2 结果与分析

2.1 过热蒸汽处理对大米内部颗粒形貌的影响

图1为经不同处理的大米截面扫描电镜图，未处理大米横截面较为平整坚实。随着处理温度和处理时间的增加，大米的组分聚集，颗粒表面出现凹陷蜂窝状，淀粉颗粒的棱角模糊，表面变得光滑、膨大，内部结构变得松散。热处理会促进小麦蛋白和淀粉发生交联，蛋白和蛋白之间发生聚集、以及直链淀粉和脂质发生结合形成复合物[18,19]。另外，淀粉也会通过分子内或者分子间氢键进行结合[20]。同时，热处理使淀粉颗粒吸水膨胀，表面部分发生糊化，冷却后颗粒表面凹陷或棱角模糊[21]。因此，过热蒸汽会使大米发生部分糊化，且对蛋白-蛋白、蛋白-淀粉、淀粉-淀粉及脂质-淀粉之间的结合有影响。Wu等[22]研究发现，过热蒸汽对轻碾米的裂纹和微观力学行为的影响不显著，能够保持其完整的形貌和较好的蒸煮品质和质构特性。但整体来看，大米淀粉颗粒结构保持的较完整，这有利于米制品的制作。

图1 过热蒸汽处理前后大米扫描电镜图(放大10 000倍)

2.2 过热蒸汽处理对大米粉基本组分的影响

表1为过热蒸汽处理前后大米粉组分的变化。其中，含水量随处理时间的延长，先升高再降低，随处理温度的升高而降低。含水量上升是由“初始冷凝”造成，高温的过热蒸汽遇到低温样品会发生冷凝，使样品水分暂时升高，当处理时间或蒸汽温度增加，其含水量减少；直链淀粉含量随处理时间的延长和处理温度的增加先升高后降低，且温度的影响更显著，但在6 min或8 min的长时间处理下，变化不明显。直链淀粉含量的高低，直接影响糊化后淀粉的短期老化和米线的凝胶强度，米线的复水时间、断条率、蒸煮损失率都与籼米的直链淀粉含量相关[23]。直链淀粉溶出可能是由于温度和时间的增加，淀粉链发生断裂，双螺旋结构减少[24]。在150 ℃，2、4 min条件下处理后直链淀粉含量提高到最大值，可提高12%。可能是热处理过程中淀粉分子中的支链淀粉或较长直链淀粉的糖苷键被破坏[25]。破损淀粉含量在较低温度(120 ℃)或较短时间(2 min)的处理条件下无显著性变化，在较高温度或较长时间的处理条件下升高，总淀粉和蛋白的变化不显著。

表1 过热蒸汽处理对大米粉组分的影响

2.3 过热蒸汽处理对大米粉粒径的影响

由图2可知，大米粉的粒度随着处理时间延长先增加后减小，在处理2 min时，粒度显著升高，达到最大值。随着处理温度的增加，粒度减小，在处理180 ℃，6 min时，粒度最小，且留存在80目筛的样品量占比最大，80目/100目占比最小。大米粉粒径的增大可能与大米含水量和结构的变化有关。当含水量减小时，大米较脆。由图1可知，随着处理时间和温度的增加，大米内部结构变得松散，有研究表明，小麦籽粒经过过热蒸汽处理后变得蓬松易碎，且蛋白和淀粉间相互聚集，淀粉糊化导致其粘连、膨胀[26]，都会造成大米更易破碎，导致粒径减小。然而，在2 min短时间的处理时，可能是是由于冷凝水的凝结使大米结构变得致密、坚硬，在磨粉时难以被破碎，造成粒径增加。

图2 过热蒸汽处理对大米粉粒径分布的影响

2.4 过热蒸汽处理对大米粉色泽变化的影响

将大米经过热蒸汽处理后粉碎，大米粉色泽的变化见表2，与对照组相比，L*和WI在120 ℃，4 min和150 ℃，2 min处显著降低，大米粉颜色变暗，其他条件下无显著变化。经过热蒸汽处理后，大米粉的a*降低。随着处理时间的延长，a*在2 min和8 min处显著降低，b*在8 min处显著增高。随处理温度的升高，a*和b*无显著变化。综合来看，过热蒸汽处理对大米粉色泽的影响不大，仅在120 ℃，4 min和150 ℃，2 min时会使大米粉的颜色变暗。且2 min和8 min会使大米粉颜色变为偏绿，8 min的处理会使大米粉颜色变为偏黄。

表2 过热蒸汽处理对大米粉色泽的影响

2.5 过热蒸汽处理对大米粉水合特性的影响

图3 过热蒸汽处理对大米粉水合特性的影响

2.6 热蒸汽处理对大米粉糊化特性的影响

由表3分析可知过热蒸汽处理可以使大米粉的峰值黏度、衰减值减小，最终黏度、回生值、糊化温度升高，低温短时间(120 ℃，2 min)的处理可以使峰值黏度、谷值黏度增加，高温长时间的处理会使峰值时间、衰减值，以及最终黏度、回生值、糊化温度升高。峰值黏度随温度的增加而减小，120 ℃时，随处理时间的延长先增加后减小，150 ℃和180 ℃时，随处理时间的延长而减小。谷值黏度在2 min处显著升高，处理温度对其无显著性影响。峰值黏度在180 ℃，8 min处显著升高。衰减值随处理时间和处理温度的增加而减小，但在8 min处显著升高。最终黏度、回生值、糊化温度随处理时间和处理温度的增加而增加，但回生值在较低温度(120 ℃和150 ℃)和较低处理时间(2 min和4 min)时无显著性差异。

表3 过热蒸汽处理对大米粉糊化特性的影响

峰值黏度降低可能是过热蒸汽处理造成大米淀粉降解，部分分子链变小，直链淀粉含量增加造成的[30]；也可能是大米淀粉链间相互作用，分子内或分子间氢键增强，耐热性提高，颗粒不易膨胀[31]；此外，淀粉颗粒在糊化过程中熔融，降低了淀粉吸水膨胀的能力[32]。120 ℃、2 min处峰值黏度的增加、2 min处谷值黏度的增加，以及最终黏度的升高可能是由于过热蒸汽处理改变了大米淀粉的结构，淀粉也可能与非淀粉组分反应，提高了其结合水的能力，另一个原因可能是过热蒸汽处理引起蛋白质的聚集，使黏度增大[32]。此外，淀粉颗粒的膨胀和糊化作用也会使其黏度增加[33]。衰减值表示淀粉颗粒对剪切力的忍耐力值，其值降低，表明大米淀粉颗粒的热稳定性增强，这可能是是因为淀粉颗粒发生部分糊化和熔融以及淀粉-脂复合物的形成造成的[19]。此外，有研究表明，支链淀粉的分子长分支和短分支分别与衰减值呈正相关和负相关[34]，这验证了热对淀粉糖苷键的破坏，使长支链变为短支链，直链淀粉增加。回生值的升高表明淀粉糊的稳定性以及淀粉凝胶的硬度增强，主要是直链淀粉含量的升高造成的[35]。糊化温度的升高以及峰值时间的增加可能是由于淀粉糊化和淀粉-脂质复合物的形成阻碍了淀粉颗粒的吸水能力，从而导致了淀粉颗粒膨胀温度升高[36]。

表4 过热蒸汽处理对大米粉热特性的影响

2.7 过热蒸汽处理对大米粉热特性的影响

在120 ℃时，随着处理时间的延长，大米粉开始糊化时的温度T0在6 min时显著升高，在较高温度下无显著性变化，随处理温度的升高而降低，但在长时间(8 min)时，无显著变化。大米粉糊化达到峰值的温度Tp无显著性变化，大米粉糊化结束的温度Tc只在150 ℃，8 min处显著降低，ΔH在120 ℃随处理时间的延长显著降低。150 ℃时，在4 min处显著降低后再升高，180 ℃时无显著差异。

热相变温度和糊化焓降低表明过热蒸汽处理导致淀粉结晶中的双螺旋结构被部分破坏，淀粉发生了糊化[37]。过热蒸汽处理可以使未被糊化的淀粉晶型结构更稳定，这与Sun等[38]的研究结果相似。此外，直链淀粉具有抑制溶胀的作用，特别是在存在脂类时，脂类物质可与部分直链淀粉在溶胀和糊化过程中形成复合物[37]，同时热作用还会导致淀粉和淀粉相互作用，从而引起热相变温度升高[38]。

3 结论

大米经过热蒸汽处理后，蛋白、淀粉和脂质间会发生聚集现象。低温或短时间的过热蒸汽处理可增加大米粉的含水量、直链淀粉含量和粒度，减小样品的吸水指数、膨胀势和水溶性，但高温或长时间的过热蒸汽处理起反作用，并会使破损淀粉升高。过热蒸汽处理还可影响大米粉的糊化特性和热特性，使大米粉的峰值黏度、衰减值减小，最终黏度、回生值、糊化温度升高，低温短时间(120 ℃，2 min)的处理可以使峰值黏度、谷值黏度增加，高温长时间的处理会使峰值时间、衰减值，以及最终黏度、回生值、糊化温度升高。适当的过热蒸汽处理可以改善米制品深加工产品的品质。直链淀粉含量、谷值黏度、最终黏度和回生值的升高以及吸水指数、膨胀势、水溶性、衰减值、相变温度和糊化焓的降低有利于米线的加工。适当的过热蒸汽处理有利于米线挤压成型，口感的爽滑性和柔韧性，提高米线的蒸煮品质，同时经过过热蒸汽处理的米加工制作的米线复水性更好。