不同水质蒸煮对米饭品质的影响

管兴宇, 亓盛敏, 任海斌, 杨海晴, 赵维博, 牛兴和,3, 温纪平

(河南工业大学粮油食品学院1,郑州 450001) (中粮营养健康研究院有限公司,营养健康与食品安全北京市重点实验室,老年营养食品研究北京市工程实验室2,北京 102209) (江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心3,南京 210023)

大米是最重要的粮食作物之一,随着生活水平的提高,人们对主食的要求从数量型转变为质量型,对米饭的风味、口感及食味品质愈发关心[1,2]。大米的蒸煮过程主要包括:洗米、加水、浸泡、蒸煮、焖蒸,正确的煮饭方法有利于改善米饭的食用品质并减少稻米中活性成分的流失[3,4]。蒸煮用水水质[5]、洗米[6]、浸泡处理[7,8]、米水质量比[9]、蒸煮方式[10],焖饭处理[11]等,这些因素共同影响大米的蒸煮过程,从而得到具有不同食用品质的米饭。本研究主要关注米饭质构特性、糊化特性、风味、感官等指标,探究不同水质蒸煮对米饭上述品质的影响。不同的水质,离子含量、水质硬度、水本身的风味不同,这些因素可能对米饭的蒸煮过程产生影响,从而造成了米饭食用品质的差异。李萍等[5]及Kazuno等[12]研究了使用自来水、纯净水蒸煮对米饭食味值的影响,结果表明使用纯净水煮饭可以获得更高的食味值。Ogawa等[13,14]探究了使用自来水、去离子水和钙化水蒸煮对米饭食用品质的影响,结果表明使用去离子水蒸煮得到的米饭具有较高的含水率和食味值。Zhao等[15]揭示了水中金属离子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+)和氯离子含量对食品的烹饪过程及食用品质有着显著的影响,纯水烹饪的食品的汤汁中有着更多的游离氨基酸,适量的Na+可促进蛋白质在水中的溶解,不同水质烹饪还会对醛类风味物质产生影响。

目前对于不同蒸煮水质对米饭品质的研究关注的指标主要为质构和食味方面,对米饭评价途径较为单一。而针对不同水质的蒸煮用水对米饭糊化特性、风味特性研究还鲜有报道。本研究以绥粳18(黑龙江省水稻种植的主要栽培品种)为供试材料,选用自来水、纯水、天然矿泉水煮饭,对米饭质构特性、糊化特性、风味特性、感官特性进行分析评价,旨在明确水质对米饭品质的影响,同时从大米结构和水质差异的角度分析阐述造成影响的原因,为消费者选择适宜的煮饭水种提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

绥粳18大米,产地为黑龙江省绥化市,米粒为长粒粳米,直链淀粉质量分数为18.0% ,蛋白质质量分数为8.6%,水分质量分数为15.6%。

自来水(来源北京市昌平区)、纯水(Smart-S15纯水系统RO端口制水)、天然矿泉水(产地为四川省峨眉山市);内标试剂2-甲基-3-庚酮(色谱纯)。

1.2 仪器与设备

GCMS-QP2020NX气相色谱-质谱联用仪,BSA224S称量天平,STA1B食味鉴定仪,RHS1A米饭硬度黏度仪,NS-ZCH10HC微电脑电饭煲,DZG-305电蒸锅,RVA4500快速黏度分析仪,LABORATORYMILL3100磨粉机,Smart-S15纯水系统,DDSJ-318T电导率仪等。

1.3 方法

1.3.1 水质相关参数的测定分析

按照GB/T 5750.4—20067测定水质的总硬度,按照GB 8538—201611.2测定水质的钙离子、钠离子浓度,使用电导率仪对不同水质电导率进行测定。

1.3.2 米饭的制作方法

分别取适量的自来水、纯水、天然矿泉水对米进行淘洗,淘洗2次。按照米水比质量比为1.0∶1.4进行配比,将不锈钢罐上盖上滤纸,用橡皮套封好,浸泡30 min。蒸锅里面水沸腾即可放入,设定蒸30 min。蒸饭结束后,关闭开关,继续焖10 min。焖饭结束后,取下滤纸,轻轻搅拌罐中米饭,使其松散即可,盖上滤纸在25 ℃恒温环境冷却20 min,随后将滤纸换成不锈钢盖,放入25 ℃恒温箱中保存备用。

1.3.3 米饭外观及质构特性的分析

按照1.3.2步骤得到米饭,准确称取8 g米饭放置到样品环中,用手动压板机制样后,用米饭硬度黏度仪和食味鉴定仪测定米饭硬度、黏度、平衡(黏度/硬度)、弹性、食味等参数,各样品设置3次平行实验。

1.3.4 大米粉糊化特性的分析

利用RVA分析大米粉样品的糊化特性。先用磨粉机将大米粉碎,根据GB/T 24852—2010的方法,前期通过烘干法测定米粉的水质量分数为11.16%,根据测定水分基为12%,称取2.97 g的米粉,每组样品进行3次独立取样,置于25.03 g的不同种类的水(自来水、纯水、天然矿泉水)的铝盒中,用旋转浆上下混匀几次,置于RVA上进行测试。测试程序为:50 ℃保持60 s,0.2 ℃/s均匀升温,在95 ℃保持150 s,随后以0.2 ℃/s均匀降温,随后50 ℃保持90 s。测试前10 s转速为960 r/min,然后保持160 r/min。利用RVA自带分析软件得到峰值黏度、谷值黏度崩解值、最终黏度、回生值、糊化峰值时间、糊化温度等参数,各样品设置3次平行实验。

1.3.5 米饭风味特性的分析

按照1.3.2步骤得到米饭,取5 g米饭放入顶空瓶中,每组样品进行3次独立取样,加入2 μL的内标(内标为2-甲基-3-庚酮,质量浓度为8.05mg/L),采用顶空进样方式(HS)在固相微萃取(SPME)条件下结合气相色谱质谱联机(GC-MS)方法对米饭的风味物质进行定性及半定量分析,HS-SPME-GC-MS是一种新型对米饭风味物质进行检测的方法[16],各样品设置3次平行实验。

仪器分析:按照Q/JLZL0001S—2021(大米)对仪器设备进行设定,进行HS—SPME—GC—MS风味物质测定。

定量分析:以2-甲基-3-庚酮为内标,对米饭中的挥发性物质含量进行计算,见式(1)。

式中:Cj为挥发性化合物的质量浓度/μg/kg;Ci为内标物的质量浓度/μg/mL;Aj为挥发性化合物的峰面积;Ai为内标物的峰面积。

定性分析:主要结合SI值(SI是用化合物的MS谱图与谱图库中的标准谱图比较得到的相似度)进行判断,本实验选择SI值大于等于80以上进行风味分析。关于风味物质阈值问题,因为米饭含水较为丰富,本研究的阈值来源参考风味物质在水中的阈值。

1.3.6 米饭感官特性的分析

分别取适量的自来水、纯水、天然矿泉水对米进行淘洗,淘洗2次。按照米水比质量比为1.0∶1.4进行配比,浸泡30 min,最后用电饭锅普通煮饭模式进行蒸煮,等米饭蒸熟之后,将米饭适当翻动,然后焖10 min即可,这样可使得整锅米饭均一性较好,减小实验误差。评价人员为训练有素的专业评价人员,评价人数为10人。测评方法按照GB/T 15682—2008进行评价。

1.3.7 数据处理与分析

所有指标均做3次以上独立重复实验。利用Excel 2010软件处理整理数据,结果采用平均值±标准偏差表示,采用SPSS Statistics26软件对数据进行均值单因素方差分析做显著性分析,事后多重比较采用Duncan方法,P<0.05表示差异显著。利用Origin 2021软件绘图。

2 结果与分析

2.1 蒸煮用水的相关参数

水的硬度通常以碳酸钙(CaCO3)的质量浓度表示,分为几类:0～75 mg/L(极软水)、75～150 mg/L(软水)、150～300 mg/L(中硬水)、300～450 mg/L(硬水)、450～700 mg/L(高硬水)、700～1 000 mg/L(超高硬水)、1 000 mg/L(特硬水)。经过测定自来水硬度为247.00 mg/L为中硬水,而纯水和天然矿泉水硬度为5.00 mg/L和51.90 mg/L为极软水。本研究还对水质中基础指标进行了测定,包括钙离子含量、钠离子含量、电导率等指标,数据见表1。对于钙钠离子含量而言,纯水均为未检出,自来水2种离子含量都高于天然矿泉水,这种差距在钙离子含量上尤为明显,水质的硬度与钙离子含量相关性较高。电导率反映了水中离子的水量,数量关系为自来水>天然矿泉水>纯水。

表1 水质的基本参数

2.2 不同水质蒸煮对米饭外观及质构特性的影响

由表2可以得出,米饭的硬度、黏度、平衡、弹性整体变化的趋势都是一致的,按照自来水、纯水、天然矿泉水顺序数值依次递增。在米饭黏度、平衡、外观评分上使用纯水和天然矿泉水蒸煮得到的米饭显著高于使用自来水,平衡反映了黏度与硬度的比值,对米饭食用特性有着正向的影响。对于米饭黏度的差异,Rameshms等[17]的报道证明使用软水煮饭能得到黏度更高的米饭,纯水和天然矿泉水硬度分别为5.00 mg/L和51.90 mg/L都属于极软水,而自来水硬度为247.00 mg/L属于中硬水,符合实验预期,而造成纯水和天然矿泉水在米饭黏度数值上的差异可能由于微量钙离子的含量,微量的钙使得米粒表面黏性升高[14],但后者的影响小于前者。此外Ogawa等[14]在使用自来水等硬度大的水质烹饪米饭的表面观察到了未糊化的淀粉颗粒,而在纯净水等硬度较小的水质烹饪的米饭的表面未观察到类似的情况。造成平衡升高的原因是米饭黏度的增加的同时,米饭硬度没有显著差异,故而造成了平衡的增加。对于米饭外观评分的差异,部分报道也出现了类似的结果[13]。在米饭硬度和弹性方面,各种水质蒸煮差异不显著。

使用天然矿泉水和纯水蒸煮得到的米饭在黏度、平衡、外观评分上显著优于使用自来水蒸煮得到的米饭,而在硬度和弹性上3种水质蒸煮得到的米饭差异不显著。

表2 不同水质蒸煮对米饭外观及质构特性的影响

2.3 不同水质蒸煮对大米粉糊化特性的影响

由图1可见,所有大米粉样品的RVA曲线总体趋势相似,升温起始阶段所有样品黏度接近零且变化不明显,当温度继续升高,淀粉颗粒的无定形区开始膨胀,引起淀粉乳黏度增加。随着温度进一步升高,淀粉颗粒结晶区开始吸水膨胀,直链淀粉分子溶出到水中形成胶体,引起体系黏度的迅速增加。当淀粉颗粒的膨胀与剪切力达到平衡时,体系出现黏度峰值。在最高温度保持一段时间后,过度膨胀的淀粉颗粒崩解,体系黏度降低。进一步随着温度的降低,淀粉分子热运动减弱,淀粉分子局部发生聚集形成三维网络结构,流动阻力变大,进而表现为黏度的上升[18-20]。由图1可以看出不同水质对大米粉糊化特性产生了影响,主要表现在最终黏度、回生值、糊化温度3个方面。

由表3可以得出,从糊化温度上看,加入自来水和天然矿泉水组的大米粉的糊化温度显著高于加入纯水处理组,这可能归因于阳离子与淀粉分子的羟基相互作用,形成阻碍淀粉糊化的络合物[21,22],而自来水和天然矿泉水相较于纯水有着更丰富的阳离子含量,数据见表1。对于最终黏度和回生值而言,这两个数据之间存在协同性,回生值表示的是在温度降低后,溶胶体系黏度变化的情况,反映到米饭上,就是用来表征米饭冷却的过程。一般在冷却后具有较高最终黏度的体系,其回生值就高,在本实验中这2组参数线性拟合性较好。水中有被电离出的阴离子和阳离子(主要阴离子有Cl-、SO42-、OH-,主要阳离子有K+、Na+、Mg2+、Ca2+),并可能通过影响水-淀粉体系的氢键来减缓淀粉的回生速度,Fu等[23]也报道了类似的观点,特别的二价阳离子Ca2+和Mg2+比一价阳离子如Na+和K+能更有效地抑制淀粉重结晶[24],这可能是因为阳离子取代了淀粉中的氢离子与淀粉羟基和带负电荷的基团相互作用,从而防止淀粉重结晶。通过分析能很好地解释自来水和天然矿泉水回生值小于纯水的原因,回生值较小也产生了较低的最终黏度。而峰值黏度、谷值黏度、崩解值、糊化峰值时间等参数,受水质的影响较小,差异不显著。

图1 不同水质蒸煮对大米粉糊化特性的影响

2.4 不同水质蒸煮对米饭风味特性的影响

2.4.1 不同水质蒸煮对米饭风味物质含量的影响

通过HS-SPME-GC-MS分析方法对使用自来水、纯水、天然矿泉水蒸煮出的米饭样品中风味化合物进行定性和半定量分析,选取SI值大于等于80,并除去烷烃类对米饭风味影响小的风味成分,共筛选出29种风味物质,如表4所示。其中,吡咯啉类1种,醛类10种,酚类2种,醇类4种,酮类3种,酯类6种,呋喃类2种,酸类1种。这些检出风味物质与之前报道过的米饭风味物质大致相似[25,26]。目前已检测到200多种挥发性化合物对米饭的风味起重要作用,包括酮、醇、醛和酯[27]。在这些风味化合物中,2-乙酰-1-吡咯啉被认为是米饭中唯一的关键气味物质,它具有爆米花般的气味[28,29]。

表3 不同水质蒸煮对大米粉糊化特性的影响

表4 不同水质蒸煮米饭挥发性风味化合物HS—SPME—GC—MS分析结果

使用自来水、纯水、天然矿泉水蒸煮得到的米饭样品中风味化合物分别为22、21、22种。其中,有5种风味化合物仅在自来水蒸煮得到的米饭中检出,分别为5-甲基-2-庚酮、酯类(硬脂酸甲酯、顺-十八烷酸甲酯、亚油酸甲酯、2,2,4-三甲基戊二醇异丁酯);有1种风味化合物仅在纯水蒸煮得到的米饭中检出,分别为反-2-十二烯醛;有3种风味化合物仅在天然矿泉水蒸煮得到的米饭中检出,分别为反-2-壬烯醛、甲酸已酯、己酸。

对于米饭中特征风味物质2-乙酰基-1-吡咯啉含量而言,由于其易挥发、阈值低(T=0.10μg/kg),使米饭具有爆米花风味,是对米饭风味起着决定性作用的风味物质,从表4可以看出,使用自来水蒸煮得到的米饭显著高于使用纯水和天然矿泉水蒸煮得到的米饭。

总体而言,醛是风味化合物中最大的一类[28,30]。苯甲醛、(E)-2-庚烯醛、(E)-2-辛烯醛、庚醛在自来水和纯水蒸煮出的米饭中含量高于天然矿泉水蒸煮出的米饭,己醛、辛醛、正癸醛各水质蒸煮米饭中含量变化很小或不显著,壬醛在天然矿泉水蒸煮得到的米饭中含量显著高于使用自来水和纯水蒸煮得到的米饭。Buttery等[31]学者发现,(E)-2-辛烯醛(T=0.34 μg/kg)对米饭风味形成有着较为重要的影响,而其他阈值低且风味特征正面的醛可能对米饭风味的形成产生正面的贡献,包括(E)-2-壬烯醛(T=0.08 μg/kg)、正癸醛(T=0.10 μg/kg)、正辛醛(T=0.59 μg/kg)、壬醛(T=1.10 μg/kg) 、正己醛(T=2.40 μg/kg)。因为醛的感官特性主要是草味和水果味,这使煮熟的米饭具有宜人的味道。

酚类、醇类、酮类、酯类、酸类等化合物由于具有较高的阈值或在本实验中检出含量较低,可能对本次实验米饭风味形成贡献不明显,但可以考虑同类风味化合物的叠加效应。对于呋喃类化合物而言,2,3-二氢苯并呋喃、2-正戊基呋喃分别在自来水和纯水蒸煮出的米饭中含量显著高于另外2种水质蒸煮得到的米饭,2-正戊基呋喃(T=1.90 μg/kg)由于有较低的阈值及正面的风味特性可能对米饭风味的形成产生正面的贡献。

蒸煮水质的不同能明显影响米饭样品中挥发性化合物的相对含量,本实验米饭风味的形成主要受2-乙酰基-1-吡咯啉、醛类、呋喃类影响较大,而酚类、醇类、酮类、酯类、酸类对本实验风味影响较小。

2.4.2 米饭风味物质主成分分析

利用GC-MS分析方法对风味物质进行了准确的测定和分析,对表4中29种挥发性化合物进行主成分分析,以确定不同水质蒸煮得到的米饭样品之间的差异,并确定导致这些差异的特征风味化合物。主成分分析是一种通过降维将多个变量变为少数综合变量,用简化的数据反应原始变量的大部分信息的统计方法[32],当主成分1加主成分2累计方差贡献率大于80%时,通常认为2种主成分基本包含样品的信息。如表5所示,共提取出3个特征值>1的主成分,其中前2个主成分的方差贡献率分别为56.17%和30.94%,累计方差贡献率已经达到87.11%,说明数据能较好的解释变量信息。

表5 不同水质蒸煮对米饭挥发性化合物主成分的方差贡献率

由图2可以分析得到,使用纯水蒸煮得到的米饭样品分别与使用自来水和天然矿泉水蒸煮得到的米饭样品存在得分椭圆的部分面积重合,重合两者之间风味物质相关性较高。另外,使用纯水蒸煮得到的米饭样品得分点分布在第一主成分的正半轴及第二主成分的负半轴,使用纯水蒸煮得到的米饭样品得分点分布在第二主成分的正半轴及第一主成分的负半轴,使用天然矿泉水蒸煮得到的米饭样品得分点分布在2种主成分的负半轴,说明对于整体风味得分为自来水>纯水>天然矿泉水。

图2 不同水质蒸煮对米饭挥发性化合物主成分分析得分图

从图3可以分析得到,使用自来水蒸煮得到的米饭风味综合表征点位于第四象限,表明其风味形成主要与10种风味化合物相关性较高。使用纯水蒸煮得到的米饭风味综合表征点位于第二象限,表明其风味形成主要与6种风味化合物相关性较高。使用天然矿泉水蒸煮得到的米饭风味综合表征点位于第三象限,表明其风味形成主要与7种风味化合物相关性较高。位于第一象限的6种风味化合物对二、四象限纯水和自来水蒸煮得到的米饭样品风味的形成有一定相关性。

注:风味物质a为正己醛, b为正辛醛,c为正己醇,d为甲基庚烯酮,e为苯甲醛,f为正癸醛,g为反-2-辛烯醛,h为反-2-十二烯醛和2-甲氧基-4-乙烯苯酚,i为2-正戊基呋喃,j为2-乙基己醇,k为反-2-庚烯醛,l为硅烷二醇二甲酯,m为2-丙基-1-庚醇,n为香叶基丙酮,o为壬醛,p为己酸、甲酸已酯和反-2-壬烯醛,q为2,4-二叔丁基苯酚,r为2,3-二氢苯并呋喃,s为庚醛,t为三甲基硅醇和亚油酸甲酯,u为2-2乙酰基-1-吡咯啉、v为顺-十八烷酸甲酯和2,2,4-三甲基戊二醇异丁酯,w为5-甲基-2-庚酮和硬脂酸甲酯。图3 不同水质蒸煮对米饭挥发性化合物主成分分析载荷图

表6 不同水质蒸煮对米饭感官特性的影响

2.5 不同水质蒸煮对米饭感官特性的影响

对3种水质蒸煮得到的米饭进行感官分析,得到表6的结果,对结果进行分析,差异主要体现在风味、颜色、黏性三方面。从风味上分析,自来水和纯水蒸煮得到的米饭是显著优于天然矿泉水蒸煮得到的米饭。从颜色上分析,使用纯水和天然矿泉水蒸煮得到的米饭颜色显著优于自来水蒸煮得到的米饭,这主要与水质中钙镁离子含量和杂质含量相关,高钙镁离子含量的水质蒸煮得到的米饭发散发黄。从黏性上分析,使用纯水和天然矿泉水蒸煮得到的米饭黏性显著高于使用自来水蒸煮的米饭。其他方面感官差异不显著。

3 结论

从米饭外观及质构特性上分析,使用天然矿泉水和纯水蒸煮的米饭在黏度、平衡、外观评分上显著优于自来水。从大米粉糊化特性上分析,加入自来水和天然矿泉水处理组的大米粉的糊化温度显著高于加入纯水处理组,按照纯水、天然矿泉水、自来水次序,回生值依次降低最终黏度依次升高,这主要与水质中二价阳离子能减缓大米淀粉的重结晶过程;由米饭风味物质主成分分析得出米饭整体风味得分为自来水>纯水>天然矿泉水;从米饭感官特性上分析,使用自来水和纯水蒸煮的米饭在风味上显著优于使用天然矿泉水蒸煮,使用纯水和天然矿泉水蒸煮的米饭在颜色和黏性上显著优于使用自来水蒸煮;综合而言,使用纯水蒸煮得到的米饭有着较好的综合品质,使用自来水蒸煮得到的米饭在口感上不及另外两者,而使用天然矿泉水蒸煮得到的米饭在风味上不及另外两者;本研究的蒸煮用水中,自来水和天然矿泉水矿物质及微量成分复杂,水质的相关参数具有不可控性,未来可以在纯水的基础上进行某一种或多种离子或化合物的复配,从而更清楚的探究水中不同离子或化合物对米饭蒸煮过程的特定影响。