民以食为天,米及其制品是中国饮食中最基本的主食之一,也是世界60%以上人口的主食。大米不仅仅是满足果腹的需要,更影响着每个消费者的健康状态。随着人们对健康饮食的不断追求以及大米消费量的逐年下降,大米加工企业向营养健康方向转型势在必行,融合安全、营养、美味的健康新主食将受到更多消费者的追求和青睐。
作为人体碳水化合物的主要来源,中国居民每日大米等谷类食物对总膳食中碳水化合物的贡献率约80%[1],成为日常饮食中血糖负荷的主要贡献者。目前,中国居民糖尿病患病率达11.9%,而有效控制率仅33.1%[2]。与此同时,大量研究表明,中国人的餐后血糖反应和胰岛素反应是白种人的2～3倍[3-4],米饭的血糖生成指数(glycemic index,GI)值通常在71～90,属于高GI食物[5]。大量高GI食物的摄入易引起体内血糖的快速升高,并刺激胰岛素的产生,导致高胰岛素血症状态,长期增加的胰岛素需求最终会增加糖尿病、心血管疾病等慢性非传染性疾病的患病风险[6]。
除育种外,加工是影响大米GI值最主要的因素之一。大米经研磨、蒸煮、烘烤、发酵、挤压、超声、等离子体等不同加工方式处理后,其营养功能成分含量、淀粉颗粒的大小与形貌、淀粉直/支链淀粉比例、淀粉的糊化/老化程度和细结构、淀粉与蛋白质和脂肪的结合情况,进而影响大米的GI值发生显著改变[7]。因此,能有效降低大米GI值且兼顾大米香、软、弹、滑等风味品质的加工方式,将成为提升大米营养健康品质和消费量的重要手段。
等离子体是通过施加高能电场或磁场,使气体分子发生电离,形成高活性带电粒子集合体,在应用方面具有损耗小、效率高的优势。目前,低温等离子体技术已被广泛应用于食品杀菌、毒素降解、保鲜贮藏以及谷物和植物蛋白品质特性改良等方面[8-11]。相比而言,等离子高温蒸汽加工技术在食品加工方面的应用尚处起步阶段。从应用角度看,等离子高温蒸汽加工技术能够通过高能氢离子将食材内部的氧元素捕获转换为水蒸气,从而使食材内部脱氧,氮元素得到保留,因而具有锁水、保鲜护色、更大程度保留营养成分含量、延长保鲜期等效果。但其在不同食品中的应用效果以及机制原理尚不明确,在大米加工中的应用更处于空白阶段。
本文首次将等离子高温蒸汽加工技术应用于米饭的烹调过程。利用体外模拟消化技术,探究了等离子高温蒸汽加工方式对米饭GI的影响,并对适宜的大米品种进行了筛选,最后,通过研究该技术对米饭质构特性、糊化特性、微观结构等的影响,对该技术调控米饭GI的关键性机制进行了初探,旨在提供一种技术先进、高效环保的加工方法,使消费者可以方便、快捷、无需增加额外家庭成本或改变食用习惯即可获得较低GI的主食类食品。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
大米样品,其命名分别为XGLNM、SJM、ZRXDHXM、ZRXRNXM、JLYDBDM、SSPAYZM、TLLXW、JLYYZM,均采购自京东平台。不同大米中的营养成分含量见表1。
表1 8种大米基础营养成分数据表 单位:g/100 g
Table 1 Data table for basic nutrient composition of 8 refined rice varieties
序号样品名称蛋白质脂肪碳水化合物直链淀粉1XGLNM7.90.876.73.82SJM7.3075.715.13ZRXDHXM7.3075.710.24ZRXRNXM7.3075.715.65JLYDBDM5.01.475.012.86SSPAYZM7.91.178.718.17TLLXW7.30.877.611.28JLYYZM6.41.475.513.4
α-淀粉酶(A3176)、胃蛋白酶(P7000)、猪胰酶(P7545)、淀粉葡糖苷酶(A7095)、胆盐、美国Sigma公司;D-葡萄糖测定试剂盒,爱尔兰Megazyme公司。
氯化钾、氯化钠、碳酸铵、六水合氯化镁、盐酸、乙醇、碳酸氢钠、磷酸二氢钠等试剂均为分析纯,北京化工厂。
1.2 仪器与设备
等离子高温蒸汽加工设备,八鲜康品(深圳)食品机械科技有限公司;SynergyMx多功能酶标仪,Biotek 公司;4500型快速黏度仪,瑞典Perten公司;SU 3500型扫描电镜,日本日立公司;TZZN-1000型离子溅射仪,天泽智能科技发展(天津)有限责任公司;D8 ADVANCE型X射线衍射仪,德国Bruker公司;FD-1E-80型冷冻干燥仪,北京博医康实验仪器有限公司;RHS1A型硬度黏度仪,日本佐竹;电饭锅,飞利浦。
1.3 实验方法
1.3.1 大米烹调方法
等离子高温蒸汽加工设备提前预热至350 ℃,大米采用米水质量比1∶1.35,350 ℃,烹饪17 min,焖1 min后取出,此时米饭颜色洁白、口感爽滑、软硬适中、具有弹性,为锁鲜饭。对照采用米水比1∶1.3,电饭锅煮饭模式蒸煮30 min,焖10 min后取出,为普通饭。
1.3.2 体外模拟消化方法
采用口腔-胃-肠三段式体外模拟消化体系,参考文献[12-13]的方法并稍作改动。称取适量样品,经料理机粉碎后加入含75 U/mL α-淀粉酶的仿生唾液,37 ℃下震荡2 min,模拟口腔消化部分。胃消化阶段加入含2 000 U/mL胃蛋白酶的仿生胃液,调节pH值至3.0,37 ℃下消化120 min。肠模拟阶段加入含100 U/mL猪胰酶的仿生肠液并加入胆盐,调节pH值至7.0,37 ℃消化环境下分别于第0、5、10、20、30、45、60、90、120 min时取样于无水乙醇中终止反应。用D-葡萄糖测定试剂盒测定溶液中葡萄糖含量,计算样品eGI。
1.3.3 大米硬度、黏度及食味评价
锁鲜饭和普通饭分别晾至室温,称适量米饭样品于测定专用的圆环模具中,每次压制时间10 s,正反各挤压1次。将压制好的米饭饭饼放入硬度黏度仪和食味计中分别进行测定,通过电脑读取并分析测定数据。
1.3.4 冷冻干燥方法
蒸好的锁鲜饭和普通饭分别在液氮中迅速预冷后,立即放入培养皿中,-80 ℃进行冷冻干燥过夜。冻干后的米饭保留部分完整的米饭粒,其余样品粉碎并过40目筛,置于干燥器中备用,得到米饭粉样品,用于支链淀粉含量、硬度黏度分析、扫描电镜、X射线衍射指标的测定。
1.3.5 直链淀粉含量的测定
依据GB/T 15683—2008 《大米 直链淀粉含量的测定》对锁鲜饭和普通饭中的直链淀粉含量进行测定。
1.3.6 快速黏度仪测定方法
参考GB/T 24852—2010 《大米及米粉糊化特性测定 快速黏度仪法》,用快速黏度仪进行黏度分析。采用的程序方法为:50 ℃ 保持1 min;12 ℃/min 上升到95 ℃(3.75 min);95 ℃保持2.5 min;12 ℃/min 下降至 50 ℃(3.75 min);50 ℃保持1.5 min。搅拌器转速960 r /min 10 s,降至160 r /min至结束。
1.3.7 扫描电镜分析
将米饭粉及完整的米粒固定在载物台上,使用离子溅射仪喷涂约10 nm厚的金,在扫描电镜下用15 kV的加速电压进行观察。扫描模式为UVD。表面图像放大倍数尝试42、200和1 600倍。
1.3.8 X射线衍射测定
米饭粉末置于样品池中,利用X射线衍射仪检测样品的衍射数据,扫描区域为5°～35°、步长0.02°、步速1 s,光源为0.154 2 nm波长的单色Cu-KαX射线,测试管压30 mV、管流20 mA。
2 结果与分析
2.1 不同品种大米控糖效果验证
不同大米经等离子高温蒸汽和普通电饭锅处理后的体外血糖生成指数(estimated glycemic index,eGI)结果及eGI降低率见图1。从eGI结果看,SJM、JLYDBDM、SSPAYZM和TLLXW 4款大米经等离子高温蒸汽处理后与普通电饭锅相比,eGI降低率较高,均超过20%。除XGLNM外,其他7种精制大米经等离子高温蒸汽处理后,eGI均从电饭锅处理的高GI水平降低为中等GI水平。同时,如图2所示,在体外模拟消化过程中,8种大米形成的淀粉水解曲线模式是相似的,在前60 min增长较快,之后趋于稳定,但消化至120 min时,不同大米的淀粉水解率在77.3%～99.8%,具有显著性差异。
图1 8种精制大米经不同设备处理后eGI水平及降低率
Fig.1 EGI levels and eGI reduction rates of 8 refined rice varieties after processed by different equipment
图2 8种精制大米经不同设备处理后在20、60、120 min时的淀粉水解率
Fig.2 Starch hydrolysis rates of 8 refined rice varieties were measured after treatment with different equipment for 20, 60, and 120 minutes
不同大米中蛋白质、脂肪、直链淀粉3种关键营养素含量与eGI之间的相关性如表2所示。数据显示,大米中直链淀粉的含量与eGI呈现显著负相关性(r=-0.828,P=0.05),即直链淀粉含量越高,米饭的血糖生成指数越低,抗消化性越强,这与以往的研究结果一致[14]。此外,直链淀粉含量还与大米eGI降低率呈显著正相关(r=0.710,P=0.05),即直链淀粉本身含量较高的大米,经等离子高温蒸汽加工设备处理后,eGI降低的效果更显著。考虑到市售大米中的直链淀粉含量通常在10%～20%,为获得较低的米饭GI水平,等离子高温蒸汽加工设备处理的大米,以原料中直链淀粉的含量应在15%以上为宜。
表2 不同精制大米基本组分与eGI相关性分析
Table 2 Correlation analysis between different refined rice basic components and eGI
检测项目蛋白质脂肪直链淀粉eGI0.116-0.002-0.828∗
注:*表示在0.05水平(双侧),相关性显著。
以往的研究表明,影响淀粉消化率的主要因素包括其形态(颗粒大小和形状)、状态(颗粒与分子)和结构(结晶区和无定型区),还有淀粉改性以及外源材料的添加等[15]。为进一步探究等离子高温蒸汽加工设备降低米饭GI的机制,本文选择SJM,围绕其经等离子高温蒸汽处理后与普通电饭锅处理在米饭质构特性、糊化特性和微观结构方面引起的差异性变化,进行了更深入的研究。
2.2 质构特性分析
米饭的适口性直接影响到消费者的接受度和喜好度。研究表明,米饭的质构特性与其适口性紧密相关,其中,硬度和黏度是米饭食用品质中最为重要的衡量指标。由表3可以看出,经等离子高温蒸汽处理后,锁鲜饭出现了硬度和黏度均升高的现象,且具有显著性差异。
表3 锁鲜饭和普通饭硬度、黏度及食味评价结果
Table 3 Evaluation results of hardness, viscosity, and taste of fresh rice and regular rice
样品名称硬度黏度外观口感综合评分锁鲜饭6.89±0.46a0.81±0.16a6.36.771普通饭6.29±0.39b0.66±0.25b6.36.571
注:同组数据小写字母不同表示差异显著(P<0.05)。
有研究发现米饭的硬度和黏附性参数与淀粉颗粒的水合过程有关,水合程度越高,结合作用越强[16]。本研究发现,等离子高温蒸汽处理米饭时,大米的加热吸水率(111.9%)整体高于用电饭锅处理组(106.7%),且米饭经冻干处理后,锁鲜饭中水分含量(1.93%)高于普通饭(1.47%)。说明大米经等离子高温蒸汽处理后,可能增加了淀粉颗粒结合水的能力并改善了米饭的质构特性,其原因可能在于等离子高温蒸汽处理后大米表面的粗糙度和亲水性增加,使得加热过程中水分可以更好地进入大米内部并与淀粉等结合。同时加热后的变性蛋白可能形成凝胶基质,为米饭提供了结构支撑,增加了米饭的硬度。
2.3 糊化特性分析
整体上看,如表4所示,锁鲜饭具有峰值黏度值高、衰减值小、糊化温度低的特点,使得其食味和加工特性等方面可能更好。
表4 锁鲜饭和普通饭糊化特性分析
Table 4 Analysis of gelatinization characteristics of fresh rice and regular rice
样品名称峰值黏度谷值黏度衰减值最终黏度回升值糊化温度锁鲜饭854.50758.7595.751 309.25550.5093.82普通饭718.25614.25104.001 126.50512.2594.72
峰值黏度是评判直链淀粉溶出量和淀粉膨胀程度的关键[17],锁鲜饭的峰值黏度更高,可能是因为等离子体中的活性粒子导致化学键强度减弱或化学键断裂,加快了淀粉颗粒的膨胀,使溶出直链淀粉含量提高,峰值黏度进一步升高[18],这与直链淀粉含量的数据结果相对应(普通饭和锁鲜饭直链淀粉含量分别为15.7%和16.5%)。
衰减值与样品的热稳定性有关,锁鲜饭溶胀后的淀粉颗粒强度大,不易破裂,热稳定性更好。此外有研究表明,淀粉总体衰减值与快消化淀粉含量呈极显著正相关,而与慢消化淀粉含量呈极显著负相关[19],这与本研究中之前的消化数据相吻合。
锁鲜饭糊化温度的降低推测可能与蛋白质的分解有关。分子质量及带电荷数较高的蛋白质/蛋白质水解物具有更大的比表面积及结合力,可以更好地与淀粉结合或形成包裹,附着在淀粉颗粒表面[20],而经锁鲜处理后,伴随着蛋白质的分解,其与淀粉之间的作用力减弱,从而导致糊化温度的降低[21-22]。
2.4 微观结构分析
如图3所示,放大倍数为42倍时,可以看出大多数锁鲜米切面有较大孔洞或者裂缝。200倍和1 600倍下可以看出,在米饭的边缘处,2种处理方式的米饭都有致密的气孔,但是相比而言,锁鲜饭的气孔更密集且孔径更小。在米饭中心有孔洞或者裂缝的地方,锁鲜饭的裂缝中常分布一些更小的气孔,而普通米的小气孔较少,推测可能是快速升温过程中,锁鲜饭中心温度迅速上升、快速膨胀,使得米粒周边的空洞受到压迫所致[23-24]。
A～C-普通饭;D～F-锁鲜饭
图3 普通饭和锁鲜饭不同放大倍数下的扫描电子显微镜图片
Fig.3 Scanning electron microscopy images of regular rice and fresh rice at different magnifications
2.5 X射线衍射图谱分析
从生米、锁鲜饭和普通饭的X射线衍射图谱(图4)中可以看出,生大米淀粉呈现典型的A型淀粉结晶结构。而经等离子高温蒸汽或电饭锅熟化后,淀粉内部结构被破坏,有序性降低,衍射峰的强度不断降低甚至消失,只剩下弥散峰,且未出现新的特征峰。与此同时,如图5所示,锁鲜饭和普通饭经差示扫描量热议检测均已显示为无吸热峰的无定形状态,说明样品在测试条件下晶体结构已无明显变化。因此认为2种处理方式对大米的淀粉长程有序结构无显著性影响。
图4 生米、锁鲜饭和普通饭的X射线衍射图谱
Fig.4 X-ray diffraction patterns of raw rice, fresh rice, and regular rice
A-普通饭;B-锁鲜饭
图5 普通饭和锁鲜饭热力学谱图
Fig.5 Differential scanning calorimetry spectra of regular rice and fresh rice
3 讨论
谷物的GI值会受到加工方式与加工条件的显著影响。增加直链淀粉的含量,同时尽量减少β-葡聚糖、膳食纤维及植物化学成分的损失是有效维持谷物营养价值,并有助于调节血糖反应,提升其在健康饮食中应用价值的有效手段[7]。
研究发现,质地特性和蒸煮方式影响着米饭的淀粉体外消化性[25]。若能通过创新烹饪方法有效降低大米中淀粉的消化速率,对于众多以大米为主食的糖尿病患者而言,无疑具有深远的医学与营养学意义。等离子高温蒸汽技术则可能为糖尿病的治疗与预防提供了新的策略与思路。
本研究发现,大米经等离子高温蒸汽加工设备处理后,米饭的eGI可降低到中等GI水平,且直链淀粉含量在15%以上的大米品种,eGI降低效果更好。与普通电饭锅蒸煮相比,经等离子高温蒸汽处理后,米饭出现了硬度和黏度均升高的现象。糊化特性显示,锁鲜饭具有峰值黏度值高、衰减值小、糊化温度低的特点,使得其食味和加工特性等方面可能更好。观察2种米饭的微观结构,锁鲜饭中心常存在孔洞或裂缝,可能是由于蒸煮过程中快速高温使得大米溶胀而导致的中空,同时锁鲜饭边缘处的气孔更加均匀和致密。X射线衍射未观察到两种处理方式带来的结晶度之间的差异。
进一步的研究,可以从淀粉精细结构的变化以及淀粉与蛋白质相互结合作用的方向开展。此外,本技术也可扩展针对全谷物的研究,从稻谷品种选择、调控烹调温度和压力的角度,或与萌发等其他技术联合使用的方向开展实践应用,为健康新主食的开发提供有力支撑。
[1] 中国营养学会. 中国居民膳食指南(2022)[M].北京:人民卫生出版社, 2022.
Chinese Nutrition Society.Dietary Guidelines for Chinese Residents(2022)[M].Beijing:People’s Medical Publishing House, 2022.
[2] 国家卫生健康委疾病预防控制局. 中国居民营养与慢性病状况报告:2020年[M].北京:人民卫生出版社:66-68.
National Administration of Disease Prevention and Control.Report on Nutrition and Chronic Disease Status of Chinese Residents (2020)[M].Beijing:People’s Medical Publishing House:66-68.
[3] DICKINSON S, COLAGIURI S, PETOCZ P, et al.Postprandial hyperglycemia and insulin sensitivity differ among lean young adults of different ethnicities[J].The Journal of Nutrition, 2002, 132(9):2574-2579.
[4] RAMACHANDRAN A, MA R C W, SNEHALATHA C.Diabetes in Asia[J].Lancet, 2010, 375(9712):408-418.
[5] 杨月欣, 崔红梅, 王岩, 等.常见谷类和薯类的血糖生成指数[J].营养学报, 2003, 25(2):185-189.
YANG Y X, CUI H M, WANG Y, et al.The glycemic index of common cereals and tubers products[J].Acta Nutrimenta Sinica, 2003, 25(2):185-189.
[6] TAN V H, WU T, HENRY C J, et al.Glycaemic and insulin responses, glycaemic index and insulinaemic index values of rice between three Asian ethnic groups[J].The British Journal of Nutrition, 2015, 113(8):1228-1236.
[7] 王浩瑞, 李小平.血糖生成指数测定方法及加工方式对谷物血糖生成指数的影响研究进展[J].食品科学, 2023, 44(11):338-347.
WANG H R, LI X P.A review of the methods for measuring glycemic index(GI) and the effect of processing methods on GI value of grains[J].Food Science, 2023, 44(11):338-347.
[8] QIAN J, WANG C, ZHUANG H, et al.Evaluation of meat-quality and myofibrillar protein of chicken drumsticks treated with plasma-activated lactic acid as a novel sanitizer[J].LWT, 2021, 138:110642.
[9] 叶子充, 杨新文, 成军虎.低温等离子技术对谷物主要品质的影响研究进展[J].粮食与油脂, 2020, 33(12):15-17.
YE Z C, YANG X W, CHENG J H.Research progress on the effect of cold plasma technology on the main quality of grain[J].Cereals &Oils, 2020, 33(12):15-17.
[10] IQDIAM B M, FEIZOLLAHI E, ARIF M F, et al.Reduction of T-2 and HT-2 mycotoxins by atmospheric cold plasma and its impact on quality changes and germination of wheat grains[J].Journal of Food Science, 2021, 86(4):1354-1371.
[11] RATHOD N B, RANVEER R C, BHAGWAT P K, et al.Cold plasma for the preservation of aquatic food products:An overview[J].Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2021, 20(5):4407-4425.
[12] BRODKORB A, EGGER L, ALMINGER M, et al.INFOGEST static in vitro simulation of gastrointestinal food digestion[J].Nature Protocols, 2019, 14(4):991-1014.
[13] 王梦倩, 王黎明, 田立娜, 等.基于全局优化算法的杂粮eGI预测模型建立及关键影响因素分析[J].中国粮油学报, 2020, 35(11):18-25.
WANG M Q, WANG L M, TIAN L N, et al.Establishment of eGI prediction model of coarse cereals and the analysis of key influencing factors based on global optimization algorithm[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2020, 35(11):18-25.
[14] 杨月欣.食物血糖生成指数[M].北京:北京大学医学出版社, 2004.
YANG Y X.Food Glycemic Index[M].Beijing:Peking University Medical Press, 2004.
[15] 高闪闪. 等离子处理对淀粉多尺度结构及苦荞淀粉-槲皮素互作的影响[D].杨凌:西北农林科技大学, 2021.
GAO S S.Study on multi-scale structure of cold plasma treated starch and the effect on tartary buckwheat starch-quercetin interaction[D].Yangling:Northwest A &F University, 2021.
[16] ZHOU Z K, ROBARDS K, HELLIWELL S, et al.Effect of storage temperature on cooking behaviour of rice[J].Food Chemistry, 2007, 105(2):491-497.
[17] 孟宁. 基于低温等离子体技术应用的糙米食用品质特性及其改善研究[D].哈尔滨:哈尔滨商业大学, 2020.
MENG N.Research on edible quality characteristics and improvement of brown rice based on low temperature plasma[D].Harbin:Harbin University of Commerce, 2020.
[18] THIRUMDAS R, TRIMUKHE A, DESHMUKH R R, et al.Functional and rheological properties of cold plasma treated rice starch[J].Carbohydrate Polymers, 2017, 157:1723-1731.
[19] 缪铭, 江波, 张涛.淀粉的消化性能与RVA曲线特征值的相关性研究[J].食品科学, 2009, 30(5):16-19.
MIAO M, JIANG B, ZHANG T.Correlation analysis between starch digestibility and rapid viscosity analyzer profile characteristics[J].Food Science, 2009, 30(5):16-19.
[20] 周梦露, 钱晓洁, 孙冰华, 等.蛋白质及其水解物对谷物淀粉糊化、回生及消化性的影响研究进展[J].中国粮油学报, 2022, 37(2):180-187.
ZHOU M L, QIAN X J, SUN B H, et al.Effect of protein and its hydrolysates on gelatinization, retrogradation and digestibility of cereal starch[J].Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2022, 37(2):180-187.
[21] 邝吉卫, 张冲, 黄峻榕, 等.不同面筋蛋白组分对小麦淀粉消化特性的影响机理[J].食品科学, 2023, 44(2):18-25.
KUANG J W, ZHANG C, HUANG J R, et al.Mechanism of the influence of different gluten fractions on the digestibility of wheat starch[J].Food Science, 2023, 44(2):18-25.
[22] ZOU W, SISSONS M, GIDLEY M J, et al.Combined techniques for characterising pasta structure reveals how the gluten network slows enzymic digestion rate[J].Food Chemistry, 2015, 188:559-568.
[23] SHU X L, JIA L M, YE H X, et al.Slow digestion properties of rice different in resistant starch[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2009, 57(16):7552-7559.
[24] TAMURA M, SINGH J, KAUR L, et al.Impact of structural characteristics on starch digestibility of cooked rice[J].Food Chemistry, 2016, 191:91-97.
[25] 李培燕. 大米在不同蒸煮条件下淀粉消化性差异的相关因子解析[D].天津:天津科技大学, 2017.
LI P Y.Correlation factor analysis of the differences in starch digestibility of rice under different cooking conditions[D].Tianjin:Tianjin University of Science &Technology, 2017.