稻米作为世界主要口粮之一,全球有一半以上的人口赖以为生[1]。稻米的消费特点决定了稻谷需要经历一定时间的储藏,其在储藏过程中极易受温度、湿度、微生物等各种因素的影响而发生品质劣变[2],导致食用品质下降。其中陈化作为稻米储藏中最常见的劣变,其机理至今仍未完全阐明。
米粉是重要的食品工业配料。商业上,多数米制品,如年糕、米线、婴儿食品和即食米浆,都是由米粉制成的[3]。为满足加工业的要求,富含淀粉的食品经过物理处理可以改变淀粉的理化、热、结构和功能特性。其中热处理是淀粉加工中最常用的手段,包括退火处理(annealing, ANN)以及湿热处理(heat-moisture treatment, HMT)[4]。湿热改性可以改善淀粉的特定功能性质,并且相对于化学改性,这种方法成本较低,产品绿色安全,不会对环境造成污染。湿热处理条件(温度、水分含量、加热时间)的不同会使淀粉分子结构变化、直链淀粉-脂质复合物形成以及结晶度的改变程度有所差异[5]。LI等[6]的实验研究了蒸煮温度和蒸煮时间对不同品种稻米溶出淀粉的影响,发现蒸煮温度对结构特征的影响比蒸煮时间的影响更为显著。
目前,关于陈米糊化特性的研究很多[7-8],但关于加热温度对陈化后米中淀粉颗粒解聚及其对米胶质构的影响却鲜有报道,尚未进行系统的研究来揭示陈米在快速加热糊化历程中淀粉颗粒的解聚变化对食用品质的影响。本文以一定粒度的新米和陈米的米粉粒子为研究对象,通过对比粒度分布、显微形态、水结合能力及米胶质构的变化,研究加热温度对新米和陈米中淀粉颗粒间解聚的影响,旨在加深对稻米陈化机制的理解,为调控陈化及改善稻米食用品质提供依据。
1 材料与方法
1.1 材料和试剂
大米(武育粳3号),市售,初始含水量为(14.08±0.07)%。
1.2 仪器与设备
JGMJ8090稻谷精米检测机,上海嘉定粮油仪器有限公司;FW100高速万能粉碎机,天津泰斯特仪器有限公司;MS2000激光粒度分析仪,英国马尔文仪器有限公司;S-4800冷场发射扫描电子显微镜,日本Hitachi公司;LW200CA光学显微镜,上海测维光电技术有限公司;LGJ-12真空冷冻干燥机,北京松源华兴科技发展有限公司;L500低速离心机,湖南湘仪实验仪器开发有限公司;TA new plus质构仪,上海保圣实业发展有限公司;VIS可见分光光度计,上海仪电分析仪器有限公司;FDV淀粉糊化黏度仪,上海尼润智能科技有限公司。
1.3 方法
1.3.1 大米储藏和样品米粉的制备
将大米分成2份,分别装入250 mL广口瓶中密封,一份在4 ℃下贮存保鲜;另一份置于37 ℃恒温培养箱中储藏12个月,获得陈米。取米粒20 g粉碎30 s,重复1次,所得米粉先过360目筛,筛下物再过800目筛,收集360～800目两筛中间物(20～40 μm)作为研究样品米粉。将样品装入自封袋中密封,储于4 ℃下备用。
1.3.2 粒度分布测定
称取0.200 g样品米粉于试管中,加入10 mL蒸馏水,倾斜试管轻轻旋转使之分散,并防止粘壁,用保鲜膜密封管口。分别在一定温度下(65、75、85和95 ℃)的恒温水浴锅中加热5 min,取出试管置于室温冷却后,涡旋1 min使之分散均匀,放入50 ℃恒温水浴锅防止回生,测定粒度分布。测定条件:分散剂为水,转速1 800 r/min,测定模式为手动,分散模式为多分散,每个样品平行测定5次。摇匀样品后,用移液枪吸取缓慢注入分散剂中,至遮光度达10%～20%,测定粒度分布[9]。
1.3.3 光学显微观察
样品处理方法与1.3.2的粒度分布测定相同。涡旋1 min后,取样涂片,用接种针轻轻涂开,使其分散不重叠。取质量分数0.020%碘液从一侧滴入,用滤纸从另一侧吸取使染液充分浸渍样品,染色2 min。用同样的方法以蒸馏水洗去多余碘液,反复多次直至流出水为无色,置于光学显微镜下观察[10]。
1.3.4 扫描电镜观察
按1.3.2的方法处理的样品,涡旋1 min后静置30 min,用滴管吸出上面多余的水,剩余物转移到培养皿中,用保鲜膜密封后冷冻24 h,取出戳孔冻干48 h,用研钵研成粉末。挑取少量样品,撒落在样品台的导电胶表面,吹去多余的样品粉末,喷金厚度约10 mm,在加速电压15 kV下进行观察。
1.3.5 直链淀粉浸出率的测定
称取0.020 g样品米粉放入离心管中,加入10 mL蒸馏水,轻轻摇匀后,在一定温度(65、75、85和95 ℃)的恒温水浴中加热5 min,冷却至室温后,涡旋1 min,在3 000×g下离心20 min。用移液枪吸取100 μL上清液,加入体积分数10%的三氯乙酸溶液5 mL,涡旋混匀。取50 μL质量分数0.020%碘液加入到混合液中,迅速涡旋混匀,避光处理15 min,将适量溶液倒入比色皿中在620 nm处测定吸光度,记为A。重复3次,计算直链淀粉浸出率[(A×45.8)/20×100%][11]。
1.3.6 水结合能力(water binding capacity, WBC)和溶胀能力(swelling power, SP)的测定
称取1.000 g样品米粉(m1)加入预先恒重的离心管(m2)中,再加入10 mL蒸馏水,混合均匀后放入一定温度(65、75、85和95 ℃)的恒温水浴锅中加热5 min。取出离心管,室温下自然冷却后,涡旋混合1 min,以3000×g离心20 min。小心将上层流水倒出至小铝盒中,直至无水滴流出,称沉淀和离心管总重(m3)。水结合能力以每克样品保留水的克数表示[WBC=(m3-m2)/m1]。随后将盛有上层流水的小铝盒冷冻干燥24 h,取出后冷却至室温后称重(m4),溶胀能力按公式进行计算[SP =(m3-m2)/(m1-m4)][12]。每个样品重复测定3次,取平均值。
1.3.7 米胶的制备及质构测定
将样品米粉按粉水比1∶4(g∶mL)配制米粉悬液,倒入样品筒中,搅拌均匀后,通过淀粉糊化黏度仪控温,以3.5 ℃/min分别升至设定温度,保温5 min[13]。将所得热糊转移至直径25 mm的小铝盒中,振动使表面平整,冷却至室温后,封盖,在4 ℃下静置12 h形成米胶,采用全质构分析(texture profile analysis,TPA)测定质构。测试探头:TA/0.5凝胶探头;探头测试前下压速度、测试速度和测试后上升速度均为1.0 mm/s;触发力为5 g;停留时间4 s;压缩至样品高度的50%[14]。
1.3.8 数据处理
数据采用 SAS 8.01 进行 ANOVA 单因素方差分析及邓肯多重比较 (Duncan’s multiple range test,P<0.05),结果以平均值±标准差表示。
2 结果与分析
2.1 陈化对不同温度下大米粒度分布的影响
陈化对不同温度下相同粒度的新米和陈米的米粉粒子解离分散后粒度分布的影响见图1,体积分数见表1。研究表明,大米胚乳细胞内含直径3～8 μm[15] 的淀粉单粒和直径7～25 μm[16]的淀粉复粒。图1中小粒径峰的粒径范围基本在3～25 μm,因此图1中显示的小粒径峰是由米粉粒子解离分散出来的淀粉单粒和淀粉复粒共同形成的。
由图1-a可见,在65～85 ℃随着加热温度的升高,新米的大粒径峰峰位基本一致,处于50 μm附近,且大粒径峰峰高随着加热温度的升高而升高,表明加热温度的升高使淀粉颗粒间难于解离分散;但加热温度达95 ℃时,大粒径峰峰位粒径减小至25 μm,说明此温度下新米中的淀粉颗粒也有很大一部分没有解离分散。由图1-b可见,陈米仅在65 ℃下加热时出现了较明显的小粒径峰,且大粒径峰峰位粒径最小,说明形成小粒径峰的淀粉颗粒的解离分散减小了大粒径峰的峰位粒径;75和85 ℃下的粒度分布曲线类似,只是在75 ℃加热时10 μm以下的小粒子比85 ℃加热时略多;95 ℃下加热时,也没出现小粒径峰,但大粒径峰略有右移。而且,在相同温度下,大米陈化后的粒度分布明显改变,陈米的小粒径峰总是比相应的新米更低。因此,陈化后的最显著变化是小粒径峰明显降低,陈化使淀粉颗粒间变得难于解离分散。
a-新米;b-陈米
图1 陈化对不同温度下大米粒度分布的影响
Fig.1 Effect of aging on rice particle size distribution at different temperatures
由表1可以看出,新米和陈米的小粒径峰体积分数均随着加热温度的升高而明显降低,但在所测温度下陈米的任一小粒径峰体积分数均低于新米,说明陈化对淀粉颗粒解聚的抑制作用远超过了加热温度的升高。此外,无论是新米还是陈米,65 ℃加热时的小粒径峰体积分数最大,95 ℃时最小,且在65 ℃下加热时陈米与新米之间的小粒径峰体积分数的差值最大(表1)。总体上,米粉陈化后小粒径峰降低而大粒径峰升高,粒度分布发生了明显变化。由此说明,加热温度越高,淀粉颗粒间越难于解离分散,对陈米尤其如此,其解离分散出来的淀粉颗粒很少。加热温度为95 ℃时,尽管新米中的小粒径峰体积分数也明显降低,但仍超过1/2(51.578%),说明仍有一半以上的淀粉颗粒被解离出来;而95 ℃时陈米中的小粒径峰体积分数仅为13.877%,只占约1/7,仍有大量的淀粉颗粒是以聚集在一起的大颗粒形式存在的,这可能是陈化后大米糊化和质构变化的重要原因。
表1 陈化对不同温度下大米粒度分布体积分数的影响
Table 1 Effect of aging on rice particle volume fraction at different temperatures
加热温度/℃小粒径峰体积分数/%大粒径峰体积分数/%65新米91.625±0.175a8.375±0.175h陈米41.941±0.265e58.059±0.265d75新米64.269±1.687b35.731±1.687g陈米27.242±0.059f72.758±0.059c85新米55.152±0.429c44.848±0.338f陈米22.772±0.029g77.229±0.029b95新米51.578±0.107d48.423±0.429e陈米13.877±0.033h86.123±0.033a
注:同一列不同小写字母表示样品间差异显著(P <0.05),下同
2.2 陈化对不同温度下大米光学显微形态的影响
如图2所示,加热温度为65 ℃时,新米绝大部分分散成淀粉颗粒(图2-a),而陈米中仍有较多大颗粒保留(图2-a′),陈米中大颗粒可见淀粉颗粒边界,但淀粉颗粒尚未解离,从形态上显示出陈化使淀粉颗粒间难于解离分散。加热温度为75 ℃时,新米中所剩大颗粒比陈米中的大颗粒更小,新米中的大颗粒多数在25 μm以下,而陈米中的大颗粒基本在50 μm(图2-b、图2-b′)。85 ℃加热时,与75 ℃时类似,但是陈米中分散出来的小颗粒(淀粉颗粒)明显减少(图2-c′)。当加热温度升高到95 ℃时,新米中也剩余较多大颗粒,但仍可见分散出来的许多小颗粒,而陈米中大部分是50 μm左右的大颗粒,很少见小颗粒(图2-d′)。因此,从光学显微形态上看,大米陈化后淀粉颗粒的解离分散形态与粒度分布结果基本一致,也展示出陈化后淀粉颗粒难于解离分散的规律。
a-新米在65 ℃下;b-新米在75 ℃下;c-新米在85 ℃下;d-新米在95 ℃下;a′-陈米在65 ℃下;b′-陈米在75 ℃下;c′-陈米在85 ℃下;d′-陈米在95 ℃下
图2 陈化对不同温度下大米光学显微形态的影响
Fig.2 Effect of aging on rice light microscope morphology at different temperatures
2.3 陈化对不同温度下大米扫描电镜形态的影响
由图3可见,在65 ℃加热时,新米中淀粉单粒之间呈松散分离状,间隙大,淀粉单粒形态分明,且淀粉颗粒间排列有序(图3-a);而陈米只可见米粉粒子表面上留下的淀粉颗粒脱落坑,但数量较少,尽管有少数裂纹,其余的淀粉颗粒间仍然紧密聚集在一起(图3-a′)。加热温度升高到75 ℃时,新米中淀粉颗粒也已呈松散分离状,但颗粒排列有些杂乱交错(图3-b);陈米米粉粒子表面可见少量淀粉颗粒脱落坑,但未见颗粒分离裂纹(图3-b′)。加热温度为85 ℃时,新米中可见部分淀粉颗粒呈松散分离状态,但大部分仍紧密连接在一起(图3-c);即使在米粉粒子表面,陈米中也未见淀粉颗粒脱落痕迹,仍呈一体,只可见少量裂纹(图3-c′)。当加热温度升高到95 ℃时,也只可见新米的米粉粒子表面有明显淀粉颗粒脱落坑和裂纹(图3-d);而陈米米粉粒子表面未见明显的淀粉颗粒脱落坑,只有较多的小裂纹(图3-d′)。因此,通过对比相同温度下的扫描电镜形态可见,陈化使得淀粉颗粒间难于解离分散,只有表面上的淀粉颗粒出现解离分散,而新米中内部的淀粉颗粒也发生解离;且随着加热温度的升高,新米中淀粉颗粒的解离分散也变得困难,由低温下米粉粒子内部大多数淀粉颗粒发生解离转变成高温下只有米粉粒子表面上的淀粉颗粒发生解离,这暗示新米在较低温度下发生的淀粉颗粒解离分散可能会对米粉糊化和质构产生明显影响。
a-新米在65 ℃下;b-新米在75 ℃下;c-新米在85 ℃下;d-新米在95 ℃下;a′-陈米在65 ℃下;b′-陈米在75 ℃下;c′-陈米在85 ℃下;d′-陈米在95 ℃下
图3 陈化对不同温度下大米扫描电镜形态的影响
Fig.3 Effect of aging on rice SEM morphology at different temperatures
2.4 陈化对不同温度下大米直链淀粉溶出率的影响
稻米蒸煮特性在很大程度上取决于直链淀粉含量的高低,米制品的糊化特性也与直链淀粉含量密切相关[17]。从图4可以看出,随着温度的升高,新米的直链淀粉溶出率明显升高,而陈米的直链淀粉溶出率明显降低;在65和75 ℃时,陈米的直链淀粉溶出率高于新米,而85和95 ℃时则低于新米,可能是加热温度升高,陈米淀粉颗粒的解离分散程度快速降低所致。陈米随温度的升高直链淀粉溶出率降低,可能是因为陈化导致了淀粉颗粒间难于解离分散而缺乏释放通道[18],因为即使是新米加热到85 ℃时,组织中也不会再发生新固形物成分的溶出,而且已溶出的固形物主要是支链淀粉[19]。基于陈化后糊化特性明显不同,陈化后溶出的固形物来源可能也有所不同,新米中可能来源于多数淀粉颗粒的少量溶出,而陈米中则可能来源于少数淀粉颗粒破裂后的大量溶出。
图4 陈化对不同温度下大米直链淀粉溶出率的影响
Fig.4 Effect of aging on rice amylose leaching at different temperatures
2.5 陈化对不同温度下大米水结合能力和溶胀能力的影响
由图5-a可见,随着加热温度的升高,新米和陈米的水结合能力均明显增大,但陈米增加的幅度低于新米;当加热温度相同时,65和75 ℃加热时陈米的水结合能力与新米无显著差异,而85和95 ℃时陈米的水结合能力却显著低于新米,说明陈化使得水结合能力降低,可能与淀粉颗粒难于解离而与水接触面积减小有关。溶胀能力是淀粉在加热中吸收可利用的自由水后体积增大,内部结构变松散的结果[20],图5-b显示出溶胀能力具有与水结合能力类似的趋势,不同于陈米在65和75 ℃加热时没有显著差异。
a-水结合能力;b-溶胀能力
图5 陈化对不同温度下大米水结合能力和溶胀能力的影响
Fig.5 Effects of aging on rice water binding capacity and swelling power at different temperatures
2.6 陈化对不同温度下大米米胶质构的影响
由表2可以看出,随着加热温度的升高,新米和陈米的米胶硬度和黏性均明显增大,而且同一温度下陈米米胶的硬度和黏性均高于新米。陈米米胶的硬度高,表明淀粉颗粒解离分散程度较低,加热后仍有较多大颗粒被保留下来,起到骨架支撑的作用。因此,不论是加热温度的升高,还是陈化作用,均使淀粉颗粒之间的解离分散程度降低。而对于黏性,一般对整粒米形式的米饭来说,陈化及糊化程度较低时都使黏性下降[21]。而这里测定的是米粉粒子加热形成的米胶,陈化及加热温度升高使淀粉颗粒解离分散程度降低,保留下来的粒子较大,但数量较少,因此比表面积相对更小,陈米米胶中大粒子的单位表面积所黏附的固形物就较多,因此黏性较高[22-23]。
表2 陈化对不同温度下大米米胶质构的影响
Table 2 Effect of aging on rice gel texture at different temperatures
加热温度/℃硬度/N黏性/N黏聚性胶着性/N65新米0.613±0.009f0.325±0.003g0.460±0.021ef0.282±0.017e陈米0.840±0.063e0.502±0.030f0.247±0.028g0.185±0.035e75新米1.323±0.067d0.775±0.042e0.593±0.040d0.827±0.083d陈米1.740±0.107c0.953±0.061d0.419±0.063f0.745±0.142d85新米1.654±0.114c0.922±0.032d0.744±0.109c1.553±0.212b陈米1.891±0.194b1.148±0.082c0.540±0.058de1.136±0.115c95新米1.988±0.032b1.280±0.028b0.992±0.006a1.807±0.032a陈米2.158±0.023a1.342±0.067a0.888±0.019b1.593±0.035b
另一方面,无论新米还是陈米的米胶,其黏聚性和胶着性也随着加热温度的升高而增大,但4个温度下陈米米胶的黏聚性均明显低于新米,且85和95 ℃下陈米的胶着性更低。黏聚性表示测试样品经过第1次压缩变形后,所表现出来的对第2次压缩的相对抵抗能力,反映了米粉内部黏结的紧密程度以及剥离它们所需要的力[24]。因此,陈米米胶对第2次压缩的抵抗能力比新米更小,说明陈米米胶经第1次压缩后比形成的新米米胶更容易破裂。胶着性是硬度与黏聚性的乘积,85和95 ℃下形成的陈米米胶的胶着性低于新米,与硬度的趋势相反,说明其黏聚性的降低对胶着性的影响更大。
3 结论
本文以相同粒度的新米和陈米米粉粒子为研究材料,研究了4种加热温度下的粒度分布、显微形态、水合能力及米胶质构。结果表明,随着加热温度的升高,新米和陈米中的淀粉颗粒均变得更难以解离分散,但陈米的变化比新米更为明显;而且,新米和陈米的米胶硬度和黏聚性均随加热温度升高而显著增大,但陈化后米胶的硬度更高而黏聚性更低,说明陈化后淀粉颗粒间难以解聚但所剩大颗粒对外力的抵抗能力降低,粒度分析结果能够较好地解释米胶质构的变化。因此,陈化使得淀粉颗粒间变得难于解离分散,可能是陈米米胶质构变化的内在原因。本研究结果加深了对大米陈化机制的理解,也有助于揭示大米糊化过程中淀粉颗粒的解聚变化对米胶质构的影响,为揭示稻米陈化机理以及调控米制品的品质提供了实验依据。
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