米粉自古以来就是东亚和东南亚人的主食,在中国已有2 000多年的历史,在米制品市场占有很大份额。并且随着消费者健康生活意识的提高,米粉作为一种无麸质产品,其过敏原和脂肪含量低,适合麸质不耐受和乳糜泻患者,更加受到当代消费者的喜爱[1]。然而,由于米粉不含面筋蛋白,成型仅依赖于淀粉的糊化、老化过程,目前仍存在着易断条、糊汤、口感不筋道爽滑等问题。为了满足持续扩大的市场,必须对米粉品质进行改良,开发方便、营养健康、蒸煮品质优良的米粉成为研究的主要领域。目前国内外对米粉品质改良的研究一般围绕原料[2-3]、加工工艺[4]及添加淀粉、蛋白、多糖类辅料[5-7]等方面。如研究原料组成对米粉品质的影响,筛选高抗性淀粉大米等,但原料的选择在实际生产中的推广较为困难。研究磨粉方法、最优工艺参数等优化米粉品质,但米粉加工过程复杂,存在许多不确定因素。因此,通过添加辅料对米粉品质进行改良是目前研究的热点。如GENG等[7]发现小扁豆蛋白能够降低米粉的蒸煮损失率和糊汤度,但会使其质构品质变差。李才明等[8]发现可得然胶能显著降低米粉的蒸煮损失率,提高米粉的硬度、咀嚼性等,但当添加量≥0.8%时会影响米粉的加工成型。
魔芋葡甘露聚糖(konjac glucomannan,KGM)是从魔芋块茎中分离纯化得到的一种可溶性膳食纤维和非热量食物[9],广泛用于减肥、降胆固醇和血糖调节等,因其保水、增稠和成胶性能而被广泛用作食品添加剂。然而,由于KGM分子质量较大,机械性能差,限制了其在食品中的广泛应用。因此,对天然KGM进行氧化、脱乙酰、去甲基化等改性可以拓宽其应用范围。研究表明KGM分子中乙酰基与其凝胶性、溶解性等密切相关[10]。脱乙酰后形成的脱乙酰魔芋葡甘露聚糖(deacetylated konjac glucomannan,DKGM)的凝胶化和热稳定性得到改善,并几乎可在所有温度下形成热不可逆凝胶[11]。与KGM相比,DKGM的黏度显著降低,更有利于食品加工。此外,DKGM还具有许多独特的生物学特性,尤其是其益生元功能[12]。目前已有许多关于DKGM应用的研究,如DKGM能够影响蛋白的疏水相互作用[13]、影响淀粉糊化、延缓老化[14]等。因此,DKGM可能对米粉的糊化和老化过程有一定的作用,从而改善米粉的品质。但是,对于DKGM改善米粉的蒸煮品质与质构特性的研究未见报道,其改善的米粉品质的作用机制也尚未可知。
因此,本研究将不同脱乙酰度的DKGM添加到米粉中,对大米粉糊化、流变特性及米粉蒸煮品质、质构特性进行测定,并分析米粉结晶特性、官能团和微观结构,从而探究不同脱乙酰度DKGM对米粉品质的影响及作用规律。旨在为改性KGM在米制品方面的应用提供理论依据。
魔芋精粉(纯度≥86%),湖北十堰花仙子魔芋制品有限公司;早籼米,产自安徽芜湖南陵;试剂均为分析纯。
RVA-Tec Master快速黏度分析仪,瑞典波通仪器有限公司;TA-XT plus质构仪,英国Stable Micro Systems公司;红外光谱Infrared Spectrum,美国珀金埃尔默公司;Phenom Pro-17A0040型扫描电镜,荷兰Phenom World公司;BrukerD8 Advance型X射线衍射仪,德国布鲁克分析仪器公司;SZ-30多功能米粉机,广东旭众食品机械有限公司。
1.3.1 大米基本理化指标的测定
大米粉水分的测定参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》;蛋白质的测定参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》;粗脂肪的测定参照GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》;总淀粉的测定参照GB 5009.9—2023《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》;直链淀粉的测定参照GB/T 15683—2008《大米 直链淀粉含量的测定》。
1.3.2 不同脱乙酰度DKGM的制备
参照LI等[10]的方法并稍做修改,称取KGM粉末12.00 g,将其置于360 mL 30%的乙醇溶液中于50 ℃恒温水浴搅拌30 min。再加入不同体积(0、8、16、24、32 mL)0.1 mol/L NaOH溶液于50 ℃恒温水浴下继续反应30 min。反应完成后,均采用30%乙醇溶液洗脱,再用梯度浓度的乙醇溶液(50%、75%、100%)脱水,经真空冷冻干燥得到不同脱乙酰度的DKGM。参考WU等[15]的方法测得脱乙酰度分别为0%、27.62%、47.62%、59.81%、76.19%。
1.3.3 大米粉糊化特性的测定
采用快速黏度分析仪,参考GB/T 24852—2010《大米及米粉糊化特性测定 快速粘度仪法》进行测定。
1.3.4 大米粉流变学特性的测定
将1.3.3节中经过糊化后的样品立即转移到流变仪平板上进行动态黏弹性分析。选择平板直径为40 mm,间隙为1 050 μm,夹具间隙为1 000 μm。通过预实验确定线性黏弹区间,测定频率范围为0.1~10 Hz,温度为25 ℃,应变1%。
1.3.5 米粉的制备
称取300.00 g大米清洗后浸泡3 h,将大米粉碎并调至一定的水分比例,向其中缓慢添加1%(以大米质量计)不同脱乙酰度的DKGM并不断搅拌,使其充分混合,混合均匀后的米浆经米粉机挤压熟化成型后得到米粉。在4 ℃下老化4 h后,放入恒温恒湿箱(温度40 ℃、湿度60%)中干燥至水分含量12%左右,分装入样品袋保存备用。将米粉样品分别命名为KR、DKR-1、DKR-2、DKR-3和DKR-4(对应DKGM的脱乙酰度分别为0%、27.62%、47.62%、59.81%、76.19%),以纯大米粉作为空白对照组,命名为R。
1.3.6 米粉蒸煮品质的测定
1.3.6.1 最佳蒸煮时间
参照WEI等[2]的方法,并稍作修改。取10.00 g米粉放入有30倍样品质量沸水的烧杯中,微沸保持5 min。取长度5~10 cm的米粉1根,用玻璃板压紧,观察米粉有无硬心,如有硬心出现,则每隔0.5 min测定1次,直至米粉无硬心,记录所需时间。
1.3.6.2 断条率
参照GB/T 23587—2009《粉条》中断条率测定方法并稍作修改。选择20 cm以上的米粉10.00 g,置于装有900 mL沸水的烧杯中,微沸保持8 min,加冷水冷却。沥干水分后将长度不足10 cm和大于10 cm的米粉分别称重,按公式(1)计算:
断条率
(1)
式中:m,煮后米粉的总质量,g;m1,煮后小于10 cm米粉的质量,g。
1.3.6.3 蒸煮损失率、吸水率
参照JIAO等[16]的方法,并稍作修改。称取样品5.00 g,放入150 mL沸水中,在电热板微沸保持8 min,捞起全部米粉,沥干水分并称重。收集煮后的汤汁,放入已恒重的称量器中,于电热板上蒸干后在(105±2) ℃烘箱中烘干至恒重,称取干物质质量。按公式(2)、公式(3)计算:
蒸煮损失率
(2)
吸水率
(3)
式中:m,样品质量,g;m0,已恒重的称量器的质量;m1,煮后米粉样品的质量,g;m2,恒重后汤汁与称量器的质量,g;W,样品水分含量,%。
1.3.6.4 糊汤度
参考HEO等[4]的方法,并稍作修改。称取5.00 g米粉,置于200 mL沸水中,使其微沸保持8 min。将米粉捞出用蒸馏水冲洗表面并沥干水分,收集冷却后的汤汁定容至250 mL,在675 nm处测定其透光率,以蒸馏水为参比样。
1.3.7 米粉质构特性的测定
从每组样品中随机选择3根粗细均匀、无弯曲且无裂纹的米粉样品于沸水中煮8 min,将米粉捞出后用蒸馏水淋洗,沥干水分备用,测试前将米粉表面的水分吸干。测试参数如下[5]:探头选择P/36,测前速度5 mm/s,测试速度1 mm/s,测后速度1 mm/s,进行两次压缩,间隔时间5 s,触发力5.0 g,压缩比40%。
1.3.8 米粉结晶特性的测定
将米粉样品经冷冻干燥后粉碎过200目筛。用X射线衍射仪进行测定,测试电流40 mA,电压40 kV,扫描衍射角4 °~50 °,扫描速率为2 °/min[8]。
1.3.9 米粉红外光谱的测定
将米粉样品粉碎过200目筛,通过KBr压片法制得薄片,进行傅立叶变换红外光谱扫描,每个样品扫描32次,扫描波数范围在400~4 000 cm-1。
1.3.10 米粉微观结构的测定
将米粉样品冷冻干燥后横截面经设备喷金,于扫描电镜10 kV电子束下放大2 000倍拍照观察。
采用SPSS 27.0和Origin 8.5对实验数据进行处理计算以及绘制图表,采用ANOVA对所得数据进行显著性分析,P<0.05表示数据有显著性差异,所有值均以平均值±标准差表示。
由表1可知,本研究所用大米水分含量为11.93%,蛋白质含量为11.61%,粗脂肪含量为0.65%,总淀粉含量为76.29%,其中,直链淀粉含量为21.54%,直链淀粉含量是影响米粉品质的关键因素,其含量高的大米制成的米粉硬度较高,且难以挤出成型;而含量低的大米制成的米粉黏性较大,容易断条。因此需要选择直链淀粉含量适中的大米,研究表明直链淀粉含量在20%~25%的大米制成的米粉品质较好[17],本实验所用大米原料直链淀粉含量在此范围内。
表1 大米粉的基本理化性质 单位:%
Table 1 Basic physical and chemical properties of rice flour
样品水分蛋白质粗脂肪总淀粉直链淀粉大米粉11.93±0.0311.61±0.010.65±0.0476.29±0.5321.54±0.05
不同脱乙酰度DKGM对大米粉糊化特性的影响如表2所示,所有样品均呈现大米粉的典型糊化特性。大米粉的总体黏度和崩解值均随DKGM的加入而增加,并随DKGM脱乙酰度的升高呈现先增加后减少的趋势,回生值没有显著变化。当添加脱乙酰度为47.62%的DKGM时,复合体系的峰值黏度、谷值黏度分别增加至5 007.67 cP和2 785.00 cP。这归因于系统的两相性质,糊化过程中淀粉颗粒的膨胀导致处于连续相的DKGM分子的可用体积减少,从而使黏度急剧增加[14]。另一方面,可能由于DKGM较强的吸水能力,导致其与淀粉竞争水分子,使加热过程中与淀粉颗粒结合的水分子减少[18]。最终,复合体系的整体黏度明显增加。当DKGM脱乙酰度升高至59.81%时,复合体系的黏度由5 007.67 cP减少至4 381.76 cP,但仍高于纯大米粉组。这可能与随着乙酰基的脱除,DKGM的吸水性降低有关。崩解值不仅反映了淀粉分子在糊化过程中的崩解程度,还反映其在加热过程中的稳定性和抗剪切性。添加KGM与DKGM后,复合体系的崩解值均增加。这可能是由于体系黏度的增加导致施加在淀粉颗粒上的剪切力增加,更多的淀粉颗粒遭到破坏[18]。
表2 不同脱乙酰度DKGM对大米粉糊化特性的影响 单位:cP
Table 2 Effect of DKGM with different degrees of deacetylation on the pasting characteristics of rice flour
组别峰值黏度谷值黏度终值黏度回生值崩解值R4 123.33±39.46e2 478.00±19.16c4 578.33±74.04d2 100.33±78.95b1 645.33±51.81cKR4 808.67±37.61c2 581.67±51.39b4 870.00±18.00c2 288.33±43.00a2 227.00±16.64aDKR-14 900.00±18.38b2 725.50±4.95a4 912.00±29.70bc2 186.50±24.75ab2 174.50±13.44abDKR-25 007.67±81.05a2 785.00±64.71a4 981.00±51.16a2 196.00±17.35ab2 222.67±47.60aDKR-34 876.00±9.54bc2 752.67±42.52a5 032.67±82.03ab2 280.00±87.07a2 123.33±49.54bDKR-44 381.67±24.50d2 751.33±10.79a4 861.00±8.00c2 109.67±6.66b1 630.33±34.70c
注:R为纯大米粉组,KR为添加KGM的米粉组,DKR-1、DKR-2、DKR-3、DKR-4分别为添加脱乙酰度27.62%、47.62%、59.81%、76.19%的米粉组。同列不同字母表示其有显著性差异(P<0.05)(下同)。
由图1可知,所有样品的储能模量(G′)、损耗模量(G″)均随频率的增大而增大,黏弹性表现为频率依赖性。G′均高于G″且无交叉,体系呈现以弹性为主的弱凝胶流变学特征。随着频率的升高,复合体系G′和G″与纯大米粉相比均显著增加,其中与纯大米粉组相比DKR-2组黏弹性增加程度最大,这可能是由于KGM中乙酰基含量的降低导致分子间相互作用增强、空间位阻降低[14],空间结构更加紧凑。同时DKGM与淀粉分子通过氢键、范德华力等结合,形成三维网络结构,有效促进了复合体系凝胶网络的形成[19],提高了体系黏弹性。然而,G′与G″并未随着脱乙酰度的增加而增加,与其他脱乙酰度相比,脱乙酰度76.19%的DKGM升高G′与G″的能力降低。这可能是由于乙酰基高度丧失后DKGM分子内、分子间氢键和疏水相互作用力的比例发生变化,其疏水相互作用的影响高于氢键,从而使复配体系黏弹性增加[20]。
a-储能模量G′;b-损耗模量G″
图1 不同脱乙酰度DKGM对大米粉动态黏弹性的影响
Fig.1 Effect of DKGM with different degrees of deacetylation on dynamic viscoelasticity of rice flour
蒸煮品质是评价米粉品质的一个重要指标,米粉由于不含面筋蛋白,不能形成面筋网络结构,其中的支撑力较弱,容易出现糊汤、断条等问题。不同脱乙酰度DKGM对米粉蒸煮品质的影响如表3所示。添加DKGM后,米粉的最佳蒸煮时间缩短,断条率与蒸煮损失率显著降低,吸水率与透光率均显著升高。蒸煮时间反映了干米粉复水的难易程度,添加DKGM后米粉复水时间缩短。同时,吸水率由325.33%增加至466.00%,米粉变得更加的柔软筋道。这可能是由于亲水胶体结构中存在的羟基使其通过氢键与水分子缔合,提高了其结合水的能力[21],从而缩短了米粉的复水时间,提高了吸水性。
表3 不同脱乙酰度魔芋葡甘露聚糖米粉的蒸煮品质
Table 3 Cooking quality of konjac glucomannan rice noodles with different degrees of deacetylation
组别最佳蒸煮时间/min断条率/%蒸煮损失率/%吸水率/%透光率/%R10.17±0.29a5.70±0.28a9.59±0.71a325.33±22.19e30.32±1.32fKR8.33±0.29b3.50±0.42b7.81±0.26bc379.33±7.51d45.43±0.77dDKR-18.17±0.29bc2.25±0.07c6.65±0.56e426.00±13.08bc55.37±0.72bDKR-27.00±0.00d0.95±0.07e5.00±0.31d414.67±9.50c67.69±0.53aDKR-37.67±0.29c1.30±0.28de7.65±0.49c466.00±17.32a41.58±0.97eDKR-48.00±0.50bc1.90±0.57cd8.52±0.14b446.33±20.60ab46.39±0.22c
断条率反映米粉经过蒸煮后的断裂程度。米粉断条率高则凝胶结构品质较差,容易在蒸煮过程中发生断裂。添加DKGM后,米粉断条率显著降低,且随着DKGM脱乙酰度的升高,断条率呈现先下降后上升的趋势,DKR-2组断条率仅为0.95%。这可能是由于糊化过程中的浸出直链淀粉分子与DKGM通过氢键相互作用[6],促进其三维网状结构的形成,增强了凝胶结构品质,从而降低了米粉的断条率。蒸煮损失率是指米粉经过一定时间的蒸煮之后,其中的固形物溶出,它反映了米粉表面的凝胶结构是否紧凑[22],蒸煮损失率高的米粉复水后品质较差。添加DKGM后米粉的蒸煮损失率显著降低,透光率显著增加。其中脱乙酰度为47.62%的DKGM使米粉的蒸煮损失率由9.59%降至5.00%,透光率由30.32%增加至67.69%,其降低米粉蒸煮损失的效果最佳。研究表明,米粉蒸煮过程中的损失主要是由于其表面松散结合的糊化淀粉的增溶作用,并取决于淀粉老化形成的网络结构强度[16]。因此,可能是由于DKGM在抑制淀粉老化的同时[23],也在淀粉周围形成了屏障,阻止了米粉表面松散结合淀粉的溶出,改善了米粉的蒸煮品质[24]。然而,当DKGM脱乙酰度超过76.19%后,乙酰基的高度丧失使得氢键作用减弱,持水能力降低,与直链淀粉结合的能力降低[10],形成的凝胶三维网络结构变得松散,其降低米粉蒸煮损失的能力减弱。
米粉的质构特性可用于评估口腔咀嚼食物的感觉,是评价米粉品质优劣的一类重要指标。由表4可知,添加DKGM后米粉的硬度、咀嚼性显著降低,内聚性、弹性显著增加,黏附性也有所增加。质构测定的硬度和咀嚼性分别代表了牙齿挤压样品的力量[25]及咀嚼样品所需要的能量[25]。在相同的蒸煮时间内,脱乙酰度47.62%的DKGM使米粉的硬度由1 544.79 g降至1 158.93 g,咀嚼性由1 203.73 g降至977.87 g,减弱了牙齿咀嚼样品所需要的能量。这可能是由于DKGM通过氢键与大米中的淀粉分子结合,使得直链淀粉分子间的相互作用被削弱,导致米粉硬度降低,质地变软[26]。添加DKGM后,米粉的黏附性呈现先增大后降低的趋势,其中DKR-4组米粉黏附性降低的程度最大,可能是由于高脱乙酰度DKGM乙酰基结构的高度丧失使其黏性降低。GUO等[20]研究发现乙酰基含量高的样品与水分子间形成的氢键数量较多,导致其黏度较高。内聚性用于模拟口腔中的食物被咀嚼前的压缩程度,反映了样品内部分子间结合作用的强弱[27],与网络结构有关。添加DKGM后,米粉的内聚性稍有升高,即DKGM能够增加米粉样品内部架构的紧实度,使其网络结构更加均匀。
表4 不同脱乙酰度魔芋葡甘露聚糖米粉的质构特性
Table 4 Textural properties of konjac glucomannan rice noodles with different deacetylation degrees
组别硬度/g黏附性/(g·s)内聚性弹性/%咀嚼性/gR1 544.79±96.90a-30.58±3.67ab0.84±0.02d0.94±0.01b1 203.73±102.03aKR1 517.84±58.41a-29.30±3.00ab0.84±0.01cd0.95±0.01a1 236.01±42.12aDKR-11 419.57±54.81b-27.93±7.18a0.85±0.01b0.95±0.01a1 144.06±59.94bDKR-21 158.93±56.11e-30.84±1.88ab0.85±0.01bc0.95±0.01a977.87±42.80dDKR-31 244.69±88.26d-32.79±4.48bc0.88±0.01a0.96±0.01a1 047.09±62.98cDKR-41 307.28±61.69c-35.61±3.98c0.88±0.01a0.96±0.01a1 143.87±57.56b
X射线衍射测定淀粉结晶区的长程有序结构[28],反映了样品的长期回生程度。一般来说,淀粉颗粒在自然界中以半结晶颗粒的形式存在,分为结晶型和非结晶型。X射线衍射图谱中,峰宽越宽,衍射强度越低,表明样品结晶度越低,回生程度越弱[29]。
由图2可知,所有的米粉样品在接近15°、17°和5.6°、22°以及19.8°的衍射角处出现的峰值分别为A型、典型的B型以及V型结晶的特征峰,其中V型结晶为直链淀粉-脂质复合物[30]。说明向米粉中加入DKGM后淀粉形成的晶体类型没有变化。添加DKGM后米粉的峰宽逐渐变宽,结晶度降低,回生程度减弱,可能是位于连续相的DKGM分子对支链淀粉分子的交联结晶作用产生干扰,从而限制了其重结晶,抑制了淀粉的回生[31],导致米粉凝胶体系的硬度和结晶度均降低。然而,当DKGM脱乙酰度升高至76.19%,可以明显看出DKR-4组的峰宽与其余DKGM组相比显著变窄。研究表明,过度脱乙酰会使得DKGM分子中的亲水基团丧失,溶解度降低,从而减弱了与淀粉分子的相互作用,其抑制淀粉重结晶的能力降低[32]。
图2 不同脱乙酰度魔芋葡甘露聚糖米粉的结晶特性
Fig.2 Crystallization characteristics of konjac glucomannan rice noodles with different degrees of deacetylation
通过傅里叶红外光谱分析DKGM与淀粉分子之间的相互作用。由图3-a可知,添加KGM和DKGM后样品没有出现新的吸收峰,与淀粉分子之间没有发生共价结合作用。添加DKGM后样品在3 420、2 930和1 640 cm-1附近的峰均向高波数移动,表明淀粉分子链与双螺旋结构之间的氢键作用减弱。其中3 420 cm-1附近的吸收峰对应分子内或分子间氢键的—OH的伸缩振动,2 930 cm-1附近的吸收峰是C—H葡萄糖单元的伸缩振动,1 640 cm-1处为CO的伸缩振动峰[33]。研究表明,1 047 cm-1处的吸光度代表淀粉结晶区,1 022 cm-1处的吸光度代表淀粉无定形区,可以通过去卷积计算R1047/1022的值,用于评估淀粉样品的晶体结构和短程有序量[33]。由图3-b可知,添加DKGM使得R1047/1022值增大,表明其短程有序量增加,短期回生程度增高。
a-500~4 000 cm-1的红外光谱图;b-800~1 200 cm-1的红外去卷积光谱图
图3 不同脱乙酰度魔芋葡甘露聚糖米粉的红外光谱图
Fig.3 Fourier infrared spectra of konjac glucomannan rice noodles with different degrees of deacetylation
添加不同脱乙酰度DKGM的米粉扫描电镜图如图4所示。
a-R;b-KR;c-DKR-1;d-DKR-2;e-DKR-3;f-DKR-4
图4 不同脱乙酰度魔芋葡甘露聚糖对米粉微观结构的影响
Fig.4 Effect of different degrees of DKGM on the microstructure of rice noodles
纯大米粉组米粉的横截面存在许多明显的密集细小的孔洞,未观察到有网络结构。添加KGM后,米粉横截面的孔洞变大,可能是由于KGM的强吸水性使得米粉吸收更多的水分,冻干后其中的水分挥发从而形成了孔洞。添加DKGM后,米粉形成了网络结构,其中DKR-2组米粉形成了连续均匀的蜂窝状结构,可能是DKGM的羟基通过氢键与游离淀粉链聚合,与多条淀粉链相连接,淀粉链的远端通过分子间氢键形成螺旋结构,最终形成内部三维结构的双螺旋结构[14]。而当DKGM脱乙酰度超过59.81%时,使米粉结构连接变得松散,部分形成不均匀的网状结构。总的来说,DKGM能够增强淀粉颗粒之间的相互作用,促进凝胶结构的形成,增强其黏弹性。
本研究探讨了不同脱乙酰度DKGM对大米粉糊化、流变特性及对米粉蒸煮品质、质构特性、微观结构等的影响。结果表明,DKGM显著增加了大米粉糊化的整体黏度,升高了其储能模量与损耗模量,同时显著降低了米粉的结晶度,使米粉形成更加均匀的蜂窝状结构,从而改善了米粉的蒸煮品质与质构特性,米粉食用品质得到改善。其中,脱乙酰度47.62%的DKGM改善米粉品质的效果最佳,但当DKGM脱乙酰度超过59.81%时,米粉的网络结构变得松散,其改善效果也减弱。另外,与KGM组相比,添加脱除乙酰基后的DKGM米粉形成了均匀的网络结构,结晶度降低的程度更大,改善米粉品质的效果更加显著。因此,脱乙酰度适中的DKGM(47.62%)能有效改善米粉品质,为DKGM在凝胶类大米制品中的应用提供了理论支撑。
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