干燥方式對大米回生情況的影響

楊玎玲,沈 群,*

(1.中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京 100083;2.國家果蔬加工工程技術研究中心,北京 100083)

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干燥方式對大米回生情況的影響

楊玎玲1,2,沈 群1,2,*

(1.中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京 100083;2.國家果蔬加工工程技術研究中心,北京 100083)

目的:探究不同干燥方法對已熟化大米回生情況的影響。方法:采用熱風、微波、近紅外以及真空-微波四種干燥方式對已充分糊化的大米進行干燥,采用快速粘度分析儀(Rapid Visco Analyser,RVA)、差示掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimeter,DSC)、X-射線衍射儀(X-ray Diffraction,XRD)以及掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)等手段觀察不同干燥方法對大米結構的影響。結果:這四種干燥方法均能使大米保持較好的糊化狀態,回生程度較小;但不同的干燥方式對大米的組織結構有不同的影響,其中真空微波干燥影響最大,出現較大孔洞,結構蓬松,在宏觀上的表現為復水率最高(5.2%)。

真空-微波干燥,回生,粘度,熱力分析,淀粉晶型,微觀結構

中國是世界上稻米產量第一的國家,有“稻米王國”之稱,全國有近60%的人口以大米為主食[1]。目前對于大米產品的干燥,常用的方法有熱風干燥、微波干燥、微波熱風干燥以及真空冷凍干燥。而這些干燥方法對大米品質有著不同程度的影響。王文高等[2]的研究表明冷凍干燥所得大米蛋白產品的功能性質要強于噴霧干燥所得的大米蛋白。Rewthong等[3]的研究表明冷凍干燥與熱風干燥所得大米在質構方面并無明顯區別。Pansa-Ead等[4]提出熱風干燥溫度超出60 ℃會對糯米內部結構造成破壞而外觀不會有很大變化。王世忠用熱風干燥、冷凍干燥以及熱風-冷凍干燥對已充分糊化的大米進行干燥時發現,這三種干燥方法均能使大米保持糊化狀態,但不同程度的發生了回生,其中熱風干燥回生最為嚴重[5]。

這些干燥方法主要用于速食米飯以及速食米粥等方便米制品的制作。佟月英等[6]的研究發現真空冷凍干燥所得的方便米飯品質與新出米飯最為接近,復水率為2.27%,復水時間8 min,所需的干燥時間為900 min。康東方等[7]從復水時間、復水率、碘蘭值、酶解率、米湯吸光率等角度研究得出真空冷凍干燥所得方便米飯的品質最好的結論。真空冷凍干燥能最大程度還原大米最初的品質,但干燥時間長,速度慢,能耗大,不適用于工業化生產。從目前文獻檢索結果來看,將真空微波干燥應用于熟化后大米干燥的很少,其對大米品質的影響鮮有論述。

本文通過熱風、微波、近紅外以及真空微波干燥四種方式對已充分糊化的大米干燥后,研究其流變性質、熱性質、結晶狀態以及微觀結構，采用快速粘度分析儀(Rapid Visco Analyser,RVA)、差示掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimeter,DSC)、X-射線衍射儀(X-ray Diffractometer,XRD)以及掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)等手段研究不同干燥方法對已充分糊化大米性質的影響,從而比較各種干燥方式的優劣。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

優質粳米 市售。

JP-300B型高速多功能粉碎機 浙江省永康市久品工貿有限公司;YHG.300S-S型微波-紅外聯合焙烤設備 上海博泰有限公司;YHD-6HK型微波真空干燥機 北京億慧達微波設備有限公司;DHG9075A型熱風干燥箱 北京中科環試儀器有限公司;Tecmaster快速粘度分析儀 Newport Scientific 儀器公司;TA-60WS型差示掃描量熱儀 日本島津公司;DMAX-R8 X-射線衍射儀 日本理學株式會社;SU8010型掃描電子顯微鏡 株式會社日立制作所。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品預處理 將大米按照米水比為1∶7煮制,煮至水干后將已充分糊化的大米鋪成0.5 cm厚的薄層,分別通過熱風干燥(80 ℃),近紅外干燥(900 W),微波干燥(900 W),真空微波干燥(0.08 MPa、900 W)四種方法,將大米水分降至7%左右。

1.2.2 大米淀粉流變性質測定 測定粉碎過200目篩的大米粉的水分含量,根據其水分含量加入米粉以及超純水(總重:(28±0.01) g),采用Standard 1程序測定[8]。

1.2.3 大米淀粉熱力學性質測定 參照Li W等的方法[9],將大米粉碎過200目篩,用分析天平準確稱取5 mg粉末于鋁制坩堝中,用移液槍吸取100 μL超純水加入鋁制坩堝中,室溫下靜置6 h,使米粉與水充分混合。DSC掃描溫度為20～100 ℃,掃描速率為10 ℃/min。同時取一空盤作為對照。

1.2.4 大米淀粉晶型測定 將大米粉碎過200目篩,大米的回生再結晶分析通過XRD分析完成,儀器的電壓為40 kV,電流為200 mA,衍射角范圍為4°～40°(2θ),掃描速率為4°/min,步長為0.02°掃描速度為0.1 s/步,發散狹縫寬度為1°,接收狹縫寬度為0.02 mm,散縫寬度為1°[10]。測試結果用MDI Jade 5.0 軟件進行分析。

1.2.5 大米淀粉微觀形態的測定 用刀片將試樣從中間切斷,斷面朝上并固定于樣品架上。用鍍金機將樣品鍍金,分別在12.88 mm×30 LM以及12.88 mm×180 LM的分辨率下進行觀察[11]。

1.2.6 水分的測定 按照GB/T5009.3-2003 規定的方法測定[12]。

隨著現代化技術的發展，遙感測繪分辨率越來越高，因此實際應用也越來越廣泛。目前該技術被廣泛應用于對土地的概查、土地資源現狀的調查以及土地資源的動態監測等方面。目前遙感的分辨率已經可以實現由30m范圍至0.61m范圍，針對不同的土地資源調查具有不同的作用，首先基于遙感技術可以對人機交互式邊界的提取帶來一定的改變，實際產生的誤差僅為0.01～0.1左右，而基于自動提取的誤差則為0.1～0.3左右；其次基于遙感監測技術可以對土地使用類型進行有效識別，基于人際交互式識別技術其準確率可以達到90%以上，而自動化分類識別技術也可以達到85%以上的準確率。

1.2.7 復水時間的測定 將一定量的米粥置于100 ℃開水中加蓋,待米粒完全復水(米粒中心完全軟化)所用的時間。

1.2.8 復水率的測定 復水率=B/A;其中A為干燥后的大米粥顆粒的質量,g;B為復水5 min后瀝干的大米粥質量,g[13]。

1.2.9 能耗的計算 能耗=P×t;其中P為干燥設備所用實際功率,w;t為干燥時間,s。

1.2.10 數據處理方法 每組實驗做3個平行,采用OriginPro 9.1以及MDI jade 5.0對數據進行分析和作圖。

2 結果與討論

2.1 不同干燥方法對大米流變性質的影響

淀粉的粘度作為淀粉流變性質的一種,表示淀粉糊抗剪切能力的大小。本實驗使用RVA分析不同干燥方法對已充分糊化大米的淀粉流變性質的影響,其RVA曲線如圖1所示。

圖1 不同干燥方法所得已充分糊化大米的RVA曲線Fig.1 The RVA curve of fully gelatinized rice dried by different methods

由圖1可知,四種干燥方式的RVA曲線均未出現明顯的峰值,粘度特征值不明顯,且均低于未加工大米的粘度值,分析可能是由于干燥方式的不同所造成的。熱風干燥是在高溫(55 ℃以上)和有空氣流動的條件下進行的[14];微波干燥將具有穿透性的電磁輻射波福射到被干燥物料上使水等極性分子隨微波的頻率作同步旋轉[15],并摩擦使物料表面和內部同時升溫到較高的溫度(80～110 ℃);近紅外干燥具有波長短、能量密度高、穿透性強的特點,能夠使物料表面以光的速度接收電磁波,引發分子強烈共振并發生激烈摩擦產熱使其溫度上升(80～110 ℃)。這四種干燥方法由于溫度的升高都會使部分營養成分破壞,如維生素類、酚類物質被氧化失去活性,蛋白質與還原糖在高溫下發生美拉德反應,使蛋白質失去對淀粉顆粒的保護作用,淀粉顆粒在干燥時被破壞[16]。因而其粘度值均低于未加工大米。

粘度峰值的出現是由于淀粉顆粒吸水膨脹,淀粉體積分率上升,這四種干燥方法均未出現明顯粘度峰值,熱風干燥的粘度峰值相較于其他干燥方法最大。說明淀粉分子并未出現明顯的吸水膨脹,這是由于干燥之前大米已經經過充分糊化,淀粉顆粒充分吸水膨脹,淀粉的晶體結構崩解,而這四種干燥方法較好的保持了淀粉的糊化狀態。從圖1還可看出熱風干燥、真空微波干燥、近紅外干燥、微波干燥的崩潰值分別為113.67、59.33、29、12.67,這四種干燥方法的崩潰值均顯著低于原米(718),崩潰值越大,表明淀粉顆粒越不穩定,在加熱和攪拌過程中越容易破裂,這說明這四種干燥方法所得大米均具有較好的熱穩定性,其中微波干燥所得方便大米粥產品的穩定性最好[18]。

熱風干燥的最終粘度值最高,說明熱風干燥所得大米淀粉的回生度最高。微波干燥較好地保持了大米的糊化狀態,回生度最小,真空微波干燥以及近紅外干燥介于兩者之間。

2.2 不同干燥方法對已糊化大米熱力學性質的影響

不同的干燥方法對大米淀粉回生程度的影響不同,因其糊化焓變也應有所不同[5]。本實驗利用DSC對大米進行熱力學分析以判斷不同干燥方法對大米回生的影響,結果如圖2所示。

圖2 不同干燥方法所得已充分糊化大米的DSC曲線Fig.2 The DSC curve of fully gelatinized rice by different drying methods

從圖2可以看出,未加工大米淀粉的糊化溫度范圍在65～76 ℃范圍之間,糊化晗為2.1 J/g。而四種干燥方法的 DSC 曲線在65～76 ℃之間均未出現吸熱峰,糊化晗變為0,這與RVA分析結果比較一致。這是因為大米經過充分糊化之后,淀粉分子的氫鍵斷裂,晶體結構被破壞,分子的化學能已充分釋放[19],不再吸收熱量;且由于蛋白質在60 ℃便會開始變性,大米經過充分糊化并在高于80 ℃條件下干燥,蛋白質已變性,因此由蛋白質變性引起的熱晗值的變化未出現在DSC圖譜上,因此這四種干燥方式的DSC曲線變化平緩,未出現明顯吸熱峰。說明四種干燥方法所得大米均保持較好的糊化狀態,回生度很小,因此在加熱和吸水過程中沒有明顯的糊化焓變。

從圖2還可看出熱風干燥以及微波干燥在加熱過程中吸收的總熱量要明顯多于近紅外干燥以及真空-微波干燥。說明這兩種干燥方式所得大米需要吸收更多的能量使大米回生所形成的氫鍵斷裂,因而可判斷出熱風干燥大米的回生度最高,真空微波干燥的回生度最低。

2.3 不同干燥方法所得大米的晶型分析

已充分糊化的淀粉在失水和降溫的過程中,因為分子運動減慢,而使淀粉分子發生重排,重新形成微晶束[20],形成新的結晶體,因此干燥方法的選擇是影響大米淀粉回生的關鍵因素。通過使用X射線衍射儀對通過四種干燥方式所得大米淀粉的晶型進行研究,結果如圖3和表2所示。

圖3 不同干燥方法所得大米的X-射線衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction patterns of rice obtained by different drying methods

結晶的含量和大小決定了衍射峰的高度和寬度,峰愈高、愈窄,意味著結晶含量愈多、結晶愈大或結晶區域越完整[21]。大米淀粉為A型淀粉,在2θ為15 °、17 °、18 °和23.5 °時有明顯的衍射峰出現,結晶度分別為88.55%、91.89%、34.74%以及84.81%。經四種干燥方式得到的大米的 X 射線衍射圖譜發生明顯改變,表現出非晶態的漫散峰,為無定型態,結晶度為0,說明大米淀粉經過充分糊化后,淀粉的晶體結構被破壞,而經過干燥后大米依然保持糊化狀態,回生度很小,這與DSC的分析結果一致。

表1 不同干燥方法所得大米的XRD波普數據

注:同列不同小寫字母表示p<0.05,表2同。

表2 不同干燥方法復水率及能耗的比較

除熱風干燥在2θ為20 °時出現衍射峰外,另外三種干燥方式均在 2θ為 13 °和 20 °左右時出現衍射峰,表現為V 型淀粉特征圖譜,如表2所示。熱風干燥在2θ為13 °時的衍射峰消失,可能是由于熱風干燥主要是通過高溫與空氣流動帶走水分,而另外三種干燥工藝都是通過輻射使物質升溫而使水分流失。因為干燥工藝的不同而使在13 °的特征峰不同,熱風干燥的衍射圖譜峰的強度和面積較大,真空微波干燥次之,微波干燥的峰強和峰面積最小,說明四種干燥方式所得的大米均保持在糊化狀態,回生度很小,但相對而言,熱風干燥的回生度較大,真空微波干燥次之,微波干燥所得大米淀粉的回生度最小。

2.4 不同干燥方法所得大米的顯微結構分析

加工方式不同,米粒受熱與吸水的情況不同,因而大米的組織結構也會隨之發生改變,本實驗從宏觀角度即不同干燥方法所得大米的復水性以及利用SEM對不同干燥方法所得大米顯微結構進行了觀察,從而對大米的糊化和回生進行分析。

從表2以及圖4看出采用不同的干燥方式,所得大米的組織結構不同,產品的復水性也不一樣。熱風干燥所得米粒粒形較為完整(圖4A),由其斷面的局部放大圖(圖4a)可知,米粒內部整體結構致密無間,不利于米粒吸水,這是由于熱風干燥速度較慢、時間長,且干燥過程破壞了產品的組織結構,造成物料內部組織結構塌陷所致[5],此結果與表2中熱風干燥所得的米粒的復水率最低、復水時間最長的結果一致;經微波干燥所得大米組織結構均勻蓬松(圖4C),由其局部放大圖(圖4c)可知,米粒組織斷面呈海綿狀,米粒表面有較多孔隙與裂紋,因此有利于米粒復水,復水率高于熱風干燥所得的大米,復水時間較短。紅外干燥大米顆粒結構(圖4B,b)介于微波干燥與熱風干燥之間,復水率和復水時間與微波干燥接近;經真空微波干燥所得大米中部形成較大的空心(圖4D),從其局部放大圖(圖4d)可看出其斷面上有56 μm到131 μm大小不等的孔洞,且由于真空度的降低對米粒具有膨化作用而使米粒周邊組織遍布孔隙,結構組織蓬松,孔隙最多且呈海綿狀,因此所得大米的復水率也最高,復水時間最短。說明真空微波干燥處理對于已熟化大米的品質影響最小。

圖4 不同干燥方法所得大米的顯微結構圖Fig.4 Microstructure of rice by different drying methods注:A-熱風干燥,放大30倍;a-A的局部放大圖,放大180倍;B-紅外干燥,放大30倍;b-B的局部放大圖,放大180倍;C-微波干燥,放大30倍;c-C的局部放大圖,放大180倍;D-真空微波干燥,放大30倍;d-D的局部放大圖,放大180倍。

3 結論

RVA、DSC以及XRD三種測試結果表明這四種干燥方法均能使大米保持較好的糊化狀態,回生度較小,相比較而言熱風干燥的回生度最大;不同的干燥方式對大米的外觀以及組織結構影響不同,其中真空微波干燥影響最大,出現較大孔洞,結構蓬松,在宏觀上的表現為復水率最高(5.2%);不同干燥方式能耗也不同,熱風干燥能耗最大,真空微波干燥與紅外干燥能耗相同為最小。

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Effects of drying methods on the retrogradation of rice

YANG Ding-ling1,2,SHEN Qun1,2,*

(1.College of Food Science and Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China;2.National Engineering Research Center for Fruit and Vegetable Processing,Beijing 100083,China)

Hot-air drying,microwave drying,near infrared drying and vacuum-microwave drying were used to dry the fully gelatinized rice in order to reduce the degree of retrogradation. Rapid viscosity analyzer(RVA),differential scanning calorimeter(DSC),X-ray diffractometer(XRD),and scanning electron microscope(SEM)etc. were applied to observe the effects of different drying methods on the structure of rice. Results showed that the four kinds of drying method can well keep the good state of gelatinized rice and to a lesser extent of retrogradation. However,different drying methods impacted differently on rice tissue structure. The microwave vacuum drying had the greatest impact,which resulted in larger pores,and fluffy structure,as well as the highest(5.2%)rehydration rate in the macro performance.

vacuum-microwave drying;retrogradation;viscosity;thermal analysis;starch crystal;microstructure

2016-05-06

楊玎玲(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：谷物科學，E-mail:ydingling728@126.com。

*通訊作者:沈群(1967-)，女，博士，教授，研究方向：谷物科學，E-mail:shenqun@cau.edu.cn。

十二五科技支撐項目(2014BAD04B02)。

TS213.3

A

1002-0306(2016)22-0121-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.016