酶解对大米理化性质的影响

陈璐，李文杰，陈钰亭，侯鹏宇，陈康，雷生姣，3*

（1.三峡大学 生物与制药学院，湖北 宜昌 443002；2.河南工业大学 国际教育学院，河南郑州 450001；3.三峡大学生物与制药学院 天然产物研究与利用湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002）

水稻是我国大多数居民主要的食物来源，含有人体必需的营养物质，可提供35%～60% 的热量[1]。现代稻米加工技术根据其加工方式或口感与营养组成可分为糙米和精米。糙米是脱壳后的稻谷不经过抛光处理，保留其胚芽、胚乳和米糠层而直接获得的全谷物米粒，而精米经过抛光处理后，不含米糠层。稻米中的大部分矿物质、维生素和必需氨基酸存在于其糠层部分[2]。糙米因其保留米糠层而含有较多的纤维类物质，导致其营养价值虽全面，但不易煮烂，且口感差；精米口感细腻[3]，但营养流失严重。为了弥补精米和糙米的营养与食用缺陷性，研究人员对大米的加工精度与糠层的保留率进行了大量的研究[4-5]，但是从精米表面结构出发，研究酶解对其表面淀粉作用后负载功能性物质，进而提高其营养价值的鲜见。

现代社会由于生活节奏快，亚健康人群比例逐年上涨，合理的稻米营养尤为重要[6]。本研究以精制的东北珍珠大米为原料，对其进行整粒α-淀粉酶酶解处理，以有机硒为代表功能性物质，研究酶解后表面具有孔隙结构大米的负载性质，探究酶解对大米表面结构和质构特性的影响，为开发负载功能性的米制品提供一种新的加工方法，具有理论意义和应用前景。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

东北珍珠米：市售；α-淀粉酶（10 000 U/g）：邢台万达生物科技有限公司；葡萄糖标准品、麦芽糖标准品、氢氧化钠、盐酸、硝酸：天津市科密欧化学试剂有限公司；3，5-二硝基水杨酸：上海展云化工有限公司；苯酚：上海麦克林生化科技有限公司；亚硫酸钠：天津市天力化学试剂有限公司；酒石酸钾钠：天津市光复科技发展有限公司；碘：天津市北辰方正试剂厂；碘化钾：上海银碘化工有限公司；酵母β-葡聚糖（硒含量20 μg/g）：广州正广生物科技有限公司。所有试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

ZW06150626O4 紫外可见分光光度计：上海光谱仪器有限公司；ME204E 电子天平：梅特勒-托厉多仪器（上海）有限公司；DK-S12 恒温水浴锅：上海森信实验仪器有限公司；LG10-2.4A 离心机：上海安亭科学仪器厂；JSM-7500F 扫描电子显微镜：日本电子株式会社；Ultima IV X-射线粉末衍射仪：日本理学株式会社；STA449F5 同步热分析仪：德国耐驰仪器制造有限公司；TA.XT Plus C 物性测试仪：英国Stable Micro System公司；FS5 荧光光谱仪：英国爱丁堡公司；C1 电饭煲：上海纯米科技股份有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 大米酶解条件单因素试验

1.3.1.1 大米的酶解方法

以淀粉水解度为主要指标，分别考察酶添加量（0.8%、1.0%、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%）、 酶解温度（30、35、40、45、50、55、60 ℃）、酶解时间（20、40、60、80、100、120、140、160、180 min）对大米淀粉水解度的影响。

1.3.1.2 淀粉水解度测定

葡萄糖标准曲线绘制：参考王莉丽等[7]中的方法并作适当修改。准确吸取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 mL 的1.0 mg/mL 葡萄糖标准溶液至25 mL 比色管中，蒸馏水补足至2.0 mL，加入2.0 mL 二硝基水杨酸试剂，摇匀后沸水浴加热5 min，迅速置于冰水冷却至室温，定容至25.0 mL，在540 nm 处测定其吸光度。以葡萄糖质量（Y1）与吸光值（X1）绘制葡萄糖标准曲线，得回归方程为Y1=5.456 7X1＋0.107 4（R2=0.999 7）。在0.2～1.6 mg 范围内，葡萄糖质量与吸光值呈良好的线性关系。

可溶性还原糖的测定：参考陈新峰等[8]的方法并作适当修改，在酶解的大米中加入1 mL 的1 mol/mL HCl，对酶进行灭活（未酶解的大米直接取同样质量），加蒸馏水混合均匀定容至100 mL 后过滤待用。取1.0 mL滤液按照葡萄糖测定方法测定样品中的还原糖。

总糖的测定：酶解前后的大米经粉碎机粉碎后，收集80 目的大米粉，准确称取0.5 g 米粉放入250 mL三角瓶中，加入6 mol/L 盐酸溶液10 mL，于沸水中水解30 min，取1～2 滴于白瓷板上，加1 滴碘-碘化钾溶液观察米粉是否水解完全。待水解完全后冷却至室温，用6 mol/L NaOH 溶液中和至中性，定容至100 mL，过滤待用。取1.0 mL 滤液按照葡萄糖测定方法测定样品中的还原糖。

所有样品平行测定3 次，取平均值进行分析，并参照下式计算淀粉水解度（D，%）。

式中：C0为样品中本身含有的还原糖质量，g ；C1为样品的总糖质量，g ；C2为酶解后大米中的还原糖质量，g。

1.3.2 大米特性指标的测定

1.3.2.1 大米吸水指数测定

参考刘艳香等[9]的方法并作适当修改，准确称取2.0 g 大米原样或酶解大米，置于已知质量的离心管中，加入10 mL 蒸馏水，在室温下保持1 h，每10 min振荡一次，3 000 r/min 离心20 min，除去上清液，称质量，吸水指数（y，g/g）计算公式如下。

式中：m 为沉淀物质量，g；M 为样品干重，g 。

1.3.2.2 大米质构特性测定

使用物性测试仪对酶解前后的大米进行质构分析。测试探头SMS P/36R，参数设置为测试速度1.0 mm/s；触发力5 g。

1.3.2.3 米饭食品感官评价

分别称取100 g 酶解前后的大米洗净，按样品∶水=1.0∶1.5（质量比）置于电饭煲，650 W 蒸煮40 min，对米饭的气味、外观结构、适口性、滋味以及冷饭质地指标进行综合品评[10]。综合得分=气味×2＋外观结构×2＋适口性×3＋滋味×2.5＋冷饭质地×0.5，评分标准见表1。

表1 米饭感官评定指标及分值标准Table 1 Sensory evaluation index and score standard of rice

1.3.2.4 大米表面结构测定

将样品烘干，用刀片沿米粒中部、横轴施加压力，使其自然断裂，将适宜大米的样品表面朝上，表面溅射镀金后用扫描电镜观察，得到放大倍数为200、500倍和1 000 倍的米粒表面图像。

1.3.2.5 大米晶型测定

将样品研磨成粉，过80 目筛，通过X-射线粉末衍射仪获得样品的衍射图谱，目标电压40 kV，电流30 mA，扫描角度为3°～50°，衍射角为2θ，扫描步长为0.02/s。

1.3.2.6 大米热力学性质分析

利用同步热分析仪测定酶解前后大米的热力学性质变化。以10 ℃/min 的加热速率将样品从30 ℃加热至500 ℃，以40 mL/min 流速的氮气气氛用作吹扫气体。

1.3.3 酶解大米负载有机硒

以有机硒为代表功能性物质，准确称取1.0 g 酶处理后的大米于250 mL 的三角瓶，再加入0.80 μg/mL的硒溶液10 mL，在30 ℃下吸附30 min，过滤，参考GB 5009.93—2017《食品安全国家标准食品中硒的测定》[11]中的荧光分光光度法测定溶液中的硒含量，富硒量（x，μg/g）计算公式[12]如下。

式中：WA为硒的质量，μg，WB为滤液中硒的质量，μg，WC为大米的质量，g。

1.4 数据处理

采用Excel 软件对试验数据进行整理，用Origin2018 绘图，SPSS 20 进行显著性分析，显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 大米酶解条件单因素研究结果

2.1.1 酶添加量对大米淀粉水解度的影响

酶添加量会影响酶和大米表面淀粉的接触面积，进而影响淀粉水解速率[13]。固定其他参数不变，探究酶添加量对大米表面淀粉水解度的影响。试验结果如图1 所示。

图1 酶添加量对大米淀粉水解度的影响Fig.1 Effect of enzyme addition on the degree of hydrolysis of rice starch

由图1 可知，酶添加量在0.8%～1.4%范围内，大米淀粉水解度随着酶添加量的增加不断增加；当酶添加量超过1.4%后，大米淀粉水解度增加趋势减缓，其原因可能是底物中的酶添加量已达到饱和，过量的酶无法使大米淀粉水解度增加，底物接触位点不能充分暴露出来[14]，由于大米以整粒状态存在，淀粉酶较难作用于颗粒内部淀粉，其水解度不再升高。因此以酶添加量为1.4%作后续研究。

2.1.2 酶解温度对大米淀粉水解度的影响

酶解温度对酶活影响较大，酶活会进一步影响酶解效果。固定其他参数不变，探究酶解温度对大米淀粉水解度的影响，试验结果如图2 所示。

图2 酶解温度对大米淀粉水解度的影响Fig.2 Effect of enzymatic hydrolysis temperature on hydrolysis degree of rice starch

从图2 中可知，在酶解温度30～40 ℃，大米淀粉水解度急剧增加；在酶解温度大于40 ℃后，大米淀粉水解度增长趋势较为平缓。主要原因是大多数酶对温度敏感，温度太低酶不易表现出催化活性，温度太高容易导致酶失活[15]，且会使大米半熟，因此考虑到实际生产和节能，以酶解温度40 ℃作后续研究。

2.1.3 酶解时间对大米水解度的影响

酶解时间长短决定了酶对底物的作用程度[14]。固定其他参数不变，探究酶解时间的大米淀粉水解度的影响，试验结果见图3。

图3 酶解时间对大米淀粉水解度的影响Fig.3 Effect of enzymatic hydrolysis time on hydrolysis degree of rice starch

由图3 可知，酶解时间在20～120 min 的范围内，大米淀粉水解度迅速增加，当酶解时间超过120 min时，其增长趋势较为缓慢。酶解时间越长，酶解反应越充分，继续延长酶解时间，大米表面直链淀粉减少以及水解产物的增多，对水解反应的抑制作用也逐渐增大[16-17]，水解曲线接近平衡，因此，酶解时间选择120 min 较为适宜。

通过单因素结果可知，在大米质量25 g、酶添加量为1.4%、酶解温度40 ℃、酶解时间120 min，大米淀粉水解度可达4.54%。以下特性指标检测结果都以此条件下酶解的大米与原样大米比较。

2.2 特性指标测定结果

2.2.1 酶解对大米吸水性的影响

原样大米的吸水指数为1.73 g/g，酶解后大米的吸水指数为1.85 g/g，提高了0.069 倍，这可能是淀粉酶破坏了淀粉的完整性，使大米表面积增加，从而增大了淀粉的水结合能力[18]。另外，淀粉酶解成孔后，会降低淀粉结构强度，水分子也会更容易进入淀粉的内部[19]。

2.2.2 酶解对大米质构的分析

质构是大米最重要的食用品质之一[20]，尤其是硬度和黏度[21-22]，大米的质构品质与直链淀粉含量相关，直链淀粉含量过高会导致米饭质地较硬，含量过低则会导致米饭质地过软且无弹性[23]。

通过质构仪数据分析得到酶解前后大米硬度和延展性变化规律，如表2 所示。

表2 酶解前后大米质构特性分析Table 2 Analysis of texture characteristics of rice before and after enzymatic hydrolysis

由表2 可知，大米经过淀粉酶酶解处理后，其硬度减小，延展性增大，通过SPSS 单因素方差分析发现酶解处理对大米的硬度和延展性影响显著。大米硬度的减小，可能是由于淀粉酶对直链淀粉的水解，直链淀粉含量降低，其延展性可能与大米的黏度相关，直链淀粉含量的降低，导致其延展性和黏度的增加。

2.2.3 酶解对米饭品质的影响

通过感官分析得到酶解对大米蒸煮品质的影响，如表3 所示。

表3 酶解对米饭品质的影响Table 3 Effect of enzymatic hydrolysis on rice quality

由表3 可知，酶解对大米的气味和滋味影响不大，但对其外观结构、适口性和冷饭质地影响较明显，酶解后的大米表面淀粉被水解，使其外观结构不完整，大米在水解过程中其直链淀粉含量的变化可能会影响其粘度，进而影响其适口性和冷饭质地，这与大米质构结果相符合。

2.2.4 酶解对大米表面微观结构的影响

酶解前后大米表面结构电镜图如图4 所示。

图4 酶解对大米表面微观结构的影响Fig.4 Effect of enzymatic hydrolysis on the surface microstructure of rice

由图4 可知，酶解处理前后大米表面的微观结构，原样大米表面结构紧实，而酶解处理后大米表面出现孔洞结构，这是由于大米表面的淀粉颗粒被淀粉酶酶解，α-淀粉酶会使淀粉颗粒表面不平整，有裂纹，孔隙度增加，使淀粉分子分裂成更小的分子，并以麦芽糖的形式存在[24]。孔洞大小不一表明淀粉的一些区域比其他区域更易受到酶的影响，这可能是由于淀粉的表面存在空隙和针孔，水解淀粉的表面孔隙是颗粒内部的开孔，在淀粉酶酶解过程中淀粉表面的孔结构将变得更大，大部分延伸至中心空腔，使酶可以通过通道和空腔直接进入淀粉中心的疏松区域，导致淀粉颗粒形态的改变[25]。

2.2.5 酶解对大米晶体结构的影响

天然的淀粉颗粒由很多放射状的微晶束组成，具有结晶性，在X-射线衍射图中会呈现出特殊的衍射峰，根据X-射线衍射图谱可将淀粉结晶区分为A 型、B 型、C 型和V 型[26]。酶解对大米晶体结构影响如图5所示。

图5 酶解前后大米的X-射线衍射Fig.5 X-ray diffraction pattern of rice before and after enzymatic hydrolysis

从图5 中可以看出，原样大米和酶处理后的大米均呈现典型的A 型淀粉晶体结构，在15°、17°、18°、23°的衍射角（2θ）处有明显的衍射峰。但未处理大米结晶度（74.39%）高于酶解后的大米（73.17%），这可能是酶解处理后大米淀粉的长程有序结构降低而产生更多的短程有序结构，从而导致大米淀粉的结晶度相对降低[27]。

2.2.6 酶解对大米热分解行为的影响

采用热重法（thermogravimetric analysis，TG）测定大米质量随温度的变化关系；差式扫描热量（differential scanning calorimetry，DSC） 测定酶解前后大米在相同温度所需要的温度差，以反映其焓变，分析研究未经酶解处理的大米原样和酶解处理的大米的热分解行为。在惰性气体氮气条件下能清楚观察到淀粉脱水和分解这两个独立过程[28]。通过同步热分析仪得出酶解前后大米的热分解行为，如图6 所示。

图6 酶解对大米的TG-DSC 曲线的影响Fig.6 The effect of enzymatic hydrolysis on the TG-DSC curve of rice

由图6 可知，原样大米和酶解处理后的大米都有两个阶段的重量损失。30～160 ℃为失重的第一阶段，这是由于自由水分的蒸发，255～330 ℃为失重的第二阶段，这是由于大米质量急剧下降。

在TG 曲线中，酶解前后大米在相同的温度范围下失重率相同，第一阶段的失重率为5%左右，第二阶段的失重率约为57%，且起始温度都在292 ℃左右，这说明酶解基本不会改变淀粉的组成成分，这与王成等[29]研究结论一致。

在DSC 曲线中，酶解前后大米的峰值温度均约为292 ℃，但其焓值由142.9 J/g 增至197 J/g，这可能是由于短程有序结构中的中长链和高分支度含量增加，从而形成更稳定有序的结构[30-31]。淀粉的峰值温度和焓值越大，说明需要更多的能量来解开淀粉的结晶区，表明淀粉的结晶区更为稳定[32]。

2.3 酶解处理的大米负载性能研究

以有机硒为代表功能性物质，采用吸附法[33]对酶解米和原样大米进行富硒加工，发现在硒添加量3.0 μg，富硒时间30 min，温度为30 ℃，发现酶解大米富硒量0.26 μg/g，符合GB/T 22499—2008《富硒稻谷》[34]中富硒稻米含硒量为0.04～0.3 mg/kg 的指标，而酶解前大米富硒量为0.024 μg/g，不在其范围内，表明酶解处理后具有疏松孔洞结构的大米具有良好的负载其他功能性成分的能力。

3 结论

为使大米营养全面且口感细腻，以抛光处理的东北珍珠米为原料，采用α-淀粉酶作用于整粒大米表面，结果表明，大米经α-淀粉酶酶解处理后，硬度减小，延展性增大，说明酶解后大米中的直链淀粉含量降低；焓值增高，表明其淀粉结晶区更加稳定；大米表面微观结构发生变化，表面出现疏松孔洞结构，比表面积增大，吸水指数增高。酶解处理后的精制大米具有良好的载硒能力，为大米表面负载其他功能性成分奠定了理论基础，可全面提高大米的附加值，具有非常好的应用前景。