大米的米线加工适性评价及改良方法研究进展

刘小青,叶发银,2,雷琳,2,陈嘉,2,赵国华,2*

1(西南大学 食品科学学院,重庆,400715)

2(川渝共建特色食品重庆市重点实验室,重庆,400715)

米线,又称榨粉、米粉、米粉丝,在我国、日本、韩国以及东南亚地区深受欢迎,其不含有麸质,是麸质不耐受面条喜爱者的优良替代品[1]。米线以大米为原料,经过水洗、浸泡、磨浆或粉碎、发酵(或不发酵)、糊化、挤丝和老化等一系列工序制成。米线按照含水量可分为湿米线、半干米线和干米线三类;按照发酵与否,又可分为发酵米线和非发酵米线。米线是截面为圆柱形米粉的统称,形状与扁平米粉(切粉)不同,工业上常挤压米浆使其通过圆孔型模具制得。米线形成过程主要包括糊化、凝胶和老化3个阶段,米粉凝胶性能显著影响着产品的品质[2]。

原料大米组成及特性对米线品质有重要影响。在常见稻谷品种中,早籼米因其直链淀粉含量较高,在米线加工中应用最广泛。然而,受地域、气候和种植技术等因素影响,不同品系、产地和贮藏周期的早籼米的基本组成、理化性质以及米线加工适性均有一定的差异;迄今为止,尚未有米线加工用大米的质量标准,市场上米线的质量也参差不齐。本文在广泛翻阅文献的基础上,总结阐释大米组成和理化特性与其米线加工适性的关系,概括归纳大米米线加工适性改良方法,为米线原料标准化和米线品质提高提供科学依据。

1 大米米线加工适性评价

现有研究表明,影响米线原料加工适性的核心因素是直链淀粉含量,有部分研究把胶稠度、糊化特性和蛋白质含量也作为影响米线品质的重要因素。但由于各研究关注的米线种类及其加工工艺不尽相同,试验方法也有差异,所得结论也不完全一致。表1列举了不同种类米线适宜的原料特性范围。

表1 不同种类米线适宜的原料特性取值范围

原料大米的组成成分和理化性质影响米线的糊化和回生,进而影响质构和感官品质。苟青松等[3]认为适宜加工干米线的原料大米直链淀粉含量应大于22%,淀粉最终黏度应大于3 963 cP,胶稠度应小于46 mm。周显青等[4]研究发现直链淀粉含量、支链淀粉含量及糊化特性可有效表征大米的米线加工适性,其中直链淀粉含量与米线感官评分和质构特性(黏附性、弹性除外)呈显著正相关,而支链淀粉含量与之呈显著负相关。WEI等[5]研究发现原料峰值黏度、谷值黏度与米线咀嚼性、硬度呈正相关;溶解度与米线蒸煮损失、断条率呈正相关,与弹性呈强负相关;膨胀力与断条率呈负相关。FARI等[6]研究发现大米直链淀粉含量与米线蒸煮损失率呈显著负相关,与其抗拉伸强度、延展性和弹性恢复呈显著正相关,且大米淀粉的溶解度、膨润力及淀粉凝胶的质构特性均与直链淀粉含量有关。

2 大米主要成分及物化特性对其米线加工适性的影响规律

研究发现大米的淀粉组成及其精细结构、蛋白质含量、脂肪含量、破损淀粉含量、胶稠度、糊化特性、粒度等对其米线加工适性有重要影响。

2.1 淀粉组成及结构

直链淀粉含量一直被认为是影响大米米线加工适性的最重要因素。直链淀粉含量与米线硬度、黏性、弹性和韧性等质构特性有关,糊化后的米粉冷却时,其中的直链淀粉通过氢键交联聚集、重新排列,形成具有一定强度且较稳定的网络结构[4]。直链淀粉含量高的大米制备的米线蒸煮损失小且不易断条,主要是因为直链淀粉具有抑制淀粉凝胶膨胀的特性,使溶解度降低,米线煮制过程中能更好地保持结构完整性,提高其耐煮性[6]。在一定范围内,原料大米直链淀粉含量越高,制备的米线品质越好;当直链淀粉含量超过一定水平,米线会出现弹韧性差、易断条等质量问题。王永辉等[16]发现采用挤压一步成型法制备米线适宜的直链淀粉含量为22.11%～25.45%。除直链淀粉含量外,研究发现大米直链淀粉和支链淀粉的精细结构也与米线品质有关[17]。支链淀粉的链长分布与鲜湿米线的质地特性显著相关,弹性与中链含量[聚合度(degree of polymerization,DP) 13～24]呈显著负相关;黏附性与短链含量(DP 6～12)呈正相关,而与长链含量(DP 37～60)呈负相关[18]。链长较大的直链淀粉和单位链比率较小的支链淀粉可以形成强烈的分子内和分子间相互作用,使淀粉颗粒在挤压过程中保持相对完整性,在很大程度上膨胀而不破裂,从而有助于增加米线的直径和机械强度,降低米线的黏度[18]。直链淀粉链长及支链淀粉的精细结构(链长分布、分子大小等)还能影响与米线品质形成相关的淀粉糊化和老化,进而影响成品最终品质[17]。总的来看,大米直链淀粉含量为21%～27%时米线加工适性较好。原料大米直/支比过大,米线在贮藏过程中老化过快,口感偏硬,柔软性和弹性不佳,且易断条;直/支比过小,则米浆黏附性较大,不利于米线加工,成品米线易糊汤和断条。

2.2 蛋白质含量

蛋白质在大米中的含量仅次于淀粉,其对大米米线加工适性的影响不可忽视。蛋白质具有抑制大米淀粉凝胶膨胀和保持水分的能力,从而直接影响米线加工的难易程度。大米中的蛋白质大多与直链淀粉结合,以蛋白质-直链淀粉复合物的形式存在,对大米的糊化特性和米线品质形成有一定影响。有研究表明,蛋白质含量与湿米线的口感、硬度、咀嚼性等呈显著正相关。蛋白质与淀粉的相互作用使凝胶结构更稳定,采用中高蛋白质含量(>7.1%)的大米生产出的米线品质较好[8]。蛋白质还能阻碍大米淀粉老化回生,这对米线长期贮藏中维持品质稳定至关重要。大米蛋白吸水后无法像小麦蛋白一样自行形成网络结构,不利于淀粉凝胶的弹性和强度,生产中可通过添加麸质成分或者使用谷氨酰胺转移酶来克服该缺点[2]。蛋白质含量并非越高越好,含量过高对米线加工及最终品质均有不利影响。米线生产中常使用中高水平蛋白质含量的大米,一般为4%～8%,但会因米线加工工艺、产品种类不同而略有差异。

2.3 脂肪含量

大米中脂肪含量一般较低(0.2%～2%),但其对大米米线加工适性也有相当影响。研究发现脂肪主要通过与大米淀粉相互作用改变其特性而间接影响米线品质。例如脂肪能与直链淀粉形成淀粉-脂质复合物,从而抑制淀粉颗粒膨胀,维持膨胀淀粉颗粒的完整性;淀粉颗粒表面形成的淀粉-脂质复合物能降低淀粉水合,延缓淀粉糊化。此外,脂肪还能抑制糊化后直链淀粉的老化回生,主要通过与直链淀粉形成单螺旋结构的复合物,抑制淀粉分子链间双螺旋结构的形成[19]。对干米线原料组分与产品品质关系研究发现大米粗脂肪含量与干米线拉伸强度、蒸煮损失率呈显著正相关[20]。总体来看,适当的脂肪含量有利于提升米线的质地和口感。

2.4 破损淀粉含量

大米粉中的破损淀粉对酶解反应的抵抗力较低,极易受到糖化酶作用发生分解,从而影响米制品品质[21]。在米线加工的碾磨工序(湿磨、干磨或半干磨粉)中机械力会致淀粉粒受损形成破损淀粉,使淀粉的多尺度结构和理化特性发生改变,进而影响大米的米线加工适性。相比之下,干磨对淀粉的损伤程度最大,破损淀粉含量也最高。HEO等[1]研究发现干磨和湿磨后破损淀粉的含量分别为14.7%和9.4%,干磨制得的半干米线蒸煮损失率和浊汤度分别比湿磨制得的产品高53.33%和66.67%。这表明破损淀粉的存在能显著影响米线的蒸煮品质,但对其适宜范围及工作机制的研究几乎为空白。

2.5 胶稠度

根据大米糊化米浆的胶稠度,可将大米分为硬胶稠度(米胶长度≤40 mm)、中等胶稠度(米胶长度40～60 mm)和软胶稠度(米胶长度≥60 mm)大米。研究发现胶稠度可作为评价大米米线加工适性的重要指标[3,12]。加工品质良好的米线,大米应具有较低胶稠度,早籼米就属于硬胶稠度大米。胶稠度越小的大米最终黏度和回生值越高,凝胶性能越好,制出的米线品质更高。胶稠度越大,糊化后米浆的流动性好,制备的米线易粘连、不易搓散。苟青松等[3]研究发现生产压榨干米线其大米胶稠度应小于46 mm。吴卫国等[12]发现胶稠度为35～55 mm的大米制备的半干米线断条率较低、品质较好。因此,用作米线加工的大米最好属于中等胶稠度和硬胶稠度。

2.6 大米粉糊化特性

大米粉的糊化特性与米线品质密切相关,其糊化参数可作为米线加工适性的预测指标。对压榨米线,研究发现谷值黏度和最终黏度越大,米线硬度越高;感官评分、硬度、咀嚼性、回复性与回生值均呈显著正相关,而与崩解值呈显著负相关[22]。对干米线,大米粉的峰值黏度、谷值黏度、最终黏度以及回生值均与产品的蒸煮损失率呈显著负相关,与抗拉伸强度呈显著正相关[14]。对湿米线,YI等[18]研究发现大米的谷值黏度、最终黏度、回生值、糊化温度与产品的咀嚼性呈正相关;最终黏度、回生值和糊化温度与弹性呈正相关,而崩解值与弹性呈负相关;峰值黏度、谷值黏度、最终黏度和回生值与黏附性呈负相关;崩解值与咀嚼性呈负相关,而与黏附性呈正相关。由此可见,大米粉糊化特性与其米线加工适性的关系因米线品种而各异,需要区别情况予以对待。

2.7 大米粉粒度

研究发现大米粉的粒度对其米线加工适性有重要影响,主要是因为粒度会影响大米粉的糊化从而影响米线品质。一般来说,大米粉粒度越小,破损淀粉含量越高,糊化温度越低,糊化越彻底,米粉易于形成致密凝胶网络结构,其质构特性和蒸煮品质都较佳。粒度过大会导致大米粉糊化不均匀,米线表面颗粒感严重,蒸煮损失较大;但大米粉粒度也不宜太小,否则物料吸水过度,进料困难,使生产流畅性受阻。通常大米粉粒度为120目时制得的米线品质较好[23]。

3 大米米线加工适性的改良方法

当大米的米线加工适性不足时,可通过物理改性(湿热处理、韧化处理、过热蒸汽处理等)、陈化、发酵、添加改良剂等方法对其进行改良。

3.1 物理改性

常用于大米米线加工适性改良的物理方法包括湿热改性处理、韧化处理和过热蒸汽处理等。此类方法的优点是工艺简单易操作、安全无污染。湿热处理是指在水分含量低于35%,温度高于玻璃化转变温度但低于糊化温度的条件下处理大米及其粉的方法[24]。湿热处理改善大米米线加工适性主要基于以下两点:a)提升表观直链淀粉含量,降低大米粉的溶解度和膨胀度,使米线形成的网络结构更加稳定、淀粉分子排列更加有序;b)能诱导直链淀粉与脂肪、蛋白质等形成复合物,抑制淀粉溶出和膨胀[25]。湿热处理后大米粉凝胶黏度降低,米线的蒸煮品质提高,质构特性尤其是硬度、弹韧性和拉伸性能得到显著改善[25]。唐玮泽[26]发现在110 ℃处理水分含量为25%的大米粉2 h能显著改善米线的硬度、咀嚼性、蒸煮损失率、断条率和感官品质,但会使其内聚性和复水率降低。

韧化处理常指在低于糊化温度的温度下处理含水量较高(≥40%)大米物料的方法。研究发现韧化处理能改变大米淀粉的多尺度结构和直链淀粉/支链比例,使米粉溶解度和膨润力降低,米线的凝胶硬度、热稳定性和抗剪切能力提高,变得更加爽口,富有柔韧性以及黏弹性[27]。但韧化处理时间不可过长、温度不能太高,否则会导致米线口感和色泽劣变。

过热蒸汽处理指将大米物料用高温水蒸气短时间处理的一种方法。蒸汽温度和处理时间是影响处理效果的关键因素。通常较低温度过热蒸汽短时间处理(例如120 ℃,2 min至150 ℃,6 min范围内)能提高大米粉的直链淀粉含量、谷值黏度、最终黏度和回生值,降低其崩解值、膨胀力、水溶性和糊化焓,可改善米线的凝胶硬度、拉伸性、蒸煮损失率和断条率,使其更加韧弹爽口[28]。但过热蒸汽处理温度过高或时间过长(如180 ℃过热蒸汽处理8 min)会使表观直链淀粉含量降低,米线凝胶网络结构强度减弱、韧性变差、断条率升高[28]。例如对籼米过热蒸汽处理(处理温度:120、150、180 ℃;处理时间:0、2、4、6、8 min)的研究发现,150 ℃/4 min处理效果最佳,此时大米粉直链淀粉含量升高11%(25.36%→28.26%),制得的米线复水时间、断条率和蒸煮损失率分别降低10%(497.5 s→450 s)、40%(未知→7.3%)和26%(18.32%→13.6%),感官品质也得到提升[29]。

由此可见,湿热处理、韧化处理和过热蒸汽处理能显著改善大米米线加工适性,提高米线的蒸煮、质构和感官品质。而一些新型物理改良方法,例如微波、等离子体、臭氧、高压等虽然在淀粉改性中应用较多,但在大米米线加工适性改良中的作用有待验证。

3.2 陈化处理

通常陈化被认为是稻谷和大米在贮藏过程中随时间发生的品质劣变现象,但研究发现陈化能有效改善大米的米线加工适性。陈化改善大米米线加工适性的机制主要包括:a)陈化导致直链淀粉含量增加以及直链淀粉的链长和多尺度结构有序性降低,使其更易形成均匀而高强度的凝胶结构[30];b)陈化过程中蛋白质被氧化,其中巯基转化成二硫键,更有利于其与淀粉协同形成更高强度的凝胶。大米陈化处理可使米线的硬度、咀嚼性、拉伸性等质构特性和蒸煮品质大幅提升。早籼米在温度36 ℃、相对湿度85%的条件下加速陈化90 d后,其峰值黏度、崩解值持续降低,回生值和糊化温度逐渐升高,制得的米线咀嚼性和弹性提高,而黏附性下降[18]。易翠平等[31]发现相比于室温下陈化2月的籼米,陈化12～16月后制得的湿米线其蒸煮损失率和断条率分别降低71.03%和21.10%,硬度、回复性、咀嚼性、拉伸性和白度等也有明显改善。可见,陈化(通常长于1年)是改善大米米线加工适性的有效方法,可使米线表面光滑度、色泽、弹性和咀嚼性得到改善,黏附性和断条率降低。

3.3 发酵处理

对大米进行适度发酵,可改善其米线加工适性。表2总结了发酵改善大米米线加工适性的相关研究。常见的发酵方式包括自然发酵、纯种发酵和混合菌种发酵。自然发酵实际上主要作用的是乳酸菌和酵母;纯种发酵常用乳杆菌,尤其以植物乳杆菌为主;而混合菌种发酵是在乳杆菌的基础上合并使用酵母和/或芽孢杆菌。发酵时间短则几小时,最长也不超过十几天;纯种或混合菌种发酵的接种量一般在5%以内。在发酵过程中,乳酸菌主要贡献是改善米线的质构特性,而酵母能提升米线的风味[32]。相较自然发酵,接种发酵效率更高、改善效果更可控,能使产品品质更加稳定[33]。发酵改善大米米线加工适性的主要原因是能降低大米中的蛋白质、灰分和脂肪含量,提高直链淀粉含量[33]。发酵后大米的糊化温度、回生值、峰值黏度、崩解值、回生值和糊化焓升高,制得的米线质地、延展性、凝胶网络强度和口感得以改善,蒸煮损失率和断条率下降,产品更加劲道爽滑、不易糊汤[34-35],且有更好弹性、光洁度和香气[36]。发酵对大米米线加工适性的改良程度与其操作条件(温度、时间、料/水比、微生物种类等)密切相关,相比传统自然发酵,接种发酵的安全性、可控性都要好很多。

表2 发酵大米制备米线的品质变化

3.4 改良剂使用

改良剂是指添加到大米粉中能改善其米线加工适性的物质,常见的有淀粉类、亲水胶体类、无机盐类、蛋白质类和乳化剂类改良剂(表3)。在淀粉类改良剂中,常使用的包括玉米淀粉、马铃薯淀粉、绿豆淀粉、豌豆淀粉和芭蕉芋淀粉等,其中玉米淀粉使用最多,使用量一般为2%～5%[43]。添加淀粉使大米米线加工适性改良的原因主要包括以下几点:a)提升物料中淀粉的占比,使其他成分对米线品质的影响相对降低;b)提高物料中直链淀粉在淀粉中的占比,使更易形成更加致密的凝胶网络结构,如玉米淀粉[43]、豌豆淀粉[44]、绿豆淀粉[45-46]和芭蕉芋淀粉[47];c)提升米线凝胶的持水力,赋予米线更高的弹性和抗老化性,如马铃薯淀粉[48]。就现有报道来看,这些淀粉的添加都会不同程度改善米线质构特性(硬度、弹性、拉伸性、咀嚼性等升高)、蒸煮品质(蒸煮损失率和断条率下降)和感官品质(感官评分升高)。除此之外,某些淀粉还可以改善米线的其他品质,如马铃薯淀粉能使米线亮度和贮藏稳定性提升[49]。为最大限度改善大米的米线加工适性,淀粉的添加量都应保持在其最适添加范围之内。过低,达不到改善效果,过高则会损伤米线品质。除原淀粉外,一些变性淀粉诸如马铃薯变性淀粉、羟丙基二淀粉磷酸酯、醋酸酯淀粉、交联酯化淀粉、羟丙基淀粉等的使用也能改善大米的米线加工适性[50]。

表3 改良剂对米线品质的影响

在亲水胶体类改良剂中,报道的有黄原胶、羧甲基纤维素、瓜尔豆胶和可得然胶。这些胶体对大米米线加工适性的改良一方面得益于它们良好的增稠性、凝胶性和保水性,另一方面归因于它们和大米淀粉之间的相互作用而改变了淀粉的糊化和老化特性。如添加黄原胶能显著减缓米线的短期和长期老化,使其蒸煮损失率降低,硬度提升[51];添加羧甲基纤维素能使发酵干米线形成大小均匀的多孔结构,改善产品的质地和复水性,降低蒸煮损失率[51];在红茉莉香米粉中添加0.2%的瓜尔豆胶能显著改善半干米线结构,使其更加致密,提高米线耐煮性、抗拉强度、延展性和硬度,而降低蒸煮损失率[52];添加0.4%～0.6%可得然胶可使米线凝胶网络更加致密,在不影响米线短期老化的前提下显著改善其硬度、弹性、咀嚼性和蒸煮特性,延缓其长期老化[53]。

相较前两类改良剂,无机盐类、蛋白质类和乳化剂类改良剂的研究较少。目前报道的主要包括磷酸盐、大豆分离蛋白和单甘酯等。磷酸盐一方面能提高米粉物料的持水力[54],另一方面能加强米线中蛋白质分子之间和蛋白质与淀粉之间的交联,从而改善米线凝胶结构,提升其品质。陈洁等[55]研究发现添加量为0%～0.6%时,随复合磷酸盐和焦磷酸钠的添加量的增大,干米线的拉伸力和咀嚼性持续增大,蒸煮损失率持续降低。但相比之下,焦磷酸盐降低蒸煮损失率更有效,而复合磷酸盐对质构特性的改善作用更明显。大豆分离蛋白通过其良好的持水性、变性凝胶特性以及对大米淀粉老化的抑制而改善大米的米线加工适性[56]。胡秀婷等[57]研究发现添加量为0%～6%时,大豆分离蛋白能使鲜湿米粉硬度持续提升,而其断条率和蒸煮损失率在添加量为4%时降为最低。单甘酯则能与大米中的直链淀粉形成不溶性淀粉-脂质复合物,降低淀粉溶出,阻碍淀粉分子凝聚,减缓米线老化和回生,改善米线弹性、韧性和口感[58]。

由上可见,不同改良剂对大米米线加工适性的改良机制各有不同,应根据产品特性予以选择使用或组合使用。同时,各类改良剂的使用量也有较大差异,一般淀粉类、蛋白类改良剂通常用量较大,而亲水胶体类、无机盐类和乳化剂类改良剂在较低使用量即可发挥较大作用。

3.5 多方法联用

上述每种大米米线加工适性改良方法都有其优点,也有其缺点。物理改性操作简单、安全无污染,符合绿色生产理念,但是效果有限;稻米陈化具有效果显著的优点,但是其周期太长,不利于生产效率提高;发酵是改良大米的米线加工适性的有效方法,但要严格控制其发酵程度,时间过长或条件控制不当将达不到改良效果;添加改良剂虽操作简单、效果明显,但对清洁标签米线的生产是不利的。此外,有人尝试将不同改良方法联合使用来改良大米的米线加工适性,以获得更佳改良效果。SRIKAEO等[51]研究发现自然发酵与亲水性胶体添加(羧甲基纤维素、黄原胶和瓜尔豆胶等)联合应用是改善大米米线加工适性的有效方法。在发酵改良的基础上,亲水性胶体的添加能进一步提升米线的硬度,降低其蒸煮损失率。CHARUTIGON等[60]研究发现联合使用木薯变性淀粉(4%)和单甘酯(1%)可解决干法磨粉挤压米线品质低下、表面粘连严重等问题。单甘酯和木薯变性淀粉协同抑制淀粉颗粒水合和膨胀,改善米线黏性和蒸煮损失。

4 结论与展望

综上所述,大米米线加工适性主要受其直链淀粉含量、淀粉精细结构、蛋白质含量、脂肪含量、破损淀粉含量、胶稠度、糊化特性和粒度等诸多因素影响,其影响机制各不相同。物理改性(湿热处理、韧化处理和过热蒸汽处理)、陈化、发酵和改良剂添加等可有效改良大米的米线加工适性。虽然大米的米线加工适性得到了较好的研究,但这些研究结果与简便明确的工业指导之间还有不小差距,其结果的实践可操作性还不够强。鉴于此,未来对大米米线加工适性的评价及其改善的研究应更加面向工业一线,实现理论与实践的有机衔接。具体来讲,可从以下几个方面开展:a)进一步明确影响大米米线加工适性的各因素之间内在关系与逻辑,梳理出核心因素,踢出重复性指标,构建简明清晰的米线加工专用大米质量标准;b)进一步研究梳理不同工艺、不同品种米线对大米原料特性的要求,建立更加精准的米线原料选择操作指南和原料验收要求;c)明确不同大米米线加工适性改良方法的优缺点及使用条件,将其与大米原料特性、米线品种和加工工艺有机对接,为个性化米线原料改良提供理论和技术支撑;d)利用上述技术开发各类米线加工专用粉,解决生产企业专业原料供给及产品品质稳定控制问题。