糙米發(fā)芽前含水率提升工藝優(yōu)化

邱 碩 賈富國(guó) 韓燕龍 蔣龍偉

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

糙米發(fā)芽前含水率提升工藝優(yōu)化

邱 碩 賈富國(guó) 韓燕龍 蔣龍偉

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

糙米發(fā)芽前的吸水過(guò)程是導(dǎo)致籽粒裂紋的根本原因，制約著發(fā)芽糙米品質(zhì)和口感。為降低發(fā)芽前糙米裂紋增率，探究了完整吸濕區(qū)間內(nèi)各含水率水平糙米的最優(yōu)吸濕速率。將糙米初始含水率至發(fā)芽含水率的完整區(qū)間分為若干子區(qū)間，在各區(qū)間內(nèi)以不同加濕速率加濕至該區(qū)間目標(biāo)含水率。探究各區(qū)間內(nèi)裂紋增率的變化規(guī)律，建立裂紋增率與加濕速率變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，以低裂紋增率為目標(biāo)確定最優(yōu)加濕速率。在此基礎(chǔ)上，得出完整區(qū)間內(nèi)以低裂紋增率及高效率為目標(biāo)的加濕速率數(shù)學(xué)模型并試驗(yàn)驗(yàn)證。與前期分段加濕工藝相比，本優(yōu)化工藝可降低發(fā)芽前糙米和發(fā)芽糙米裂紋增率(41.48±0.15)%和(43.67±0.26)%，糙米發(fā)芽率和γ-氨基丁酸含量增加(6.92±0.25)%和(25.03±0.18)%，為高品質(zhì)發(fā)芽糙米的生產(chǎn)方法提供參考。

發(fā)芽糙米； 加濕速率； 裂紋增率； 優(yōu)化工藝； 數(shù)學(xué)模型

引言

發(fā)芽糙米是糙米萌發(fā)后由幼芽、糠層和胚乳組成的糙米制品[1]。糙米發(fā)芽過(guò)程中多種酶被激活，生成γ-氨基丁酸等有益的生物活性成分，因此發(fā)芽糙米具有獨(dú)特的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[2]。含水率提升至適宜水平是糙米發(fā)芽的必要條件。傳統(tǒng)浸泡工藝糙米因吸水過(guò)快而產(chǎn)生裂紋，裂紋不利于發(fā)芽且影響發(fā)芽糙米的品質(zhì)和口感；且浸泡時(shí)存在厭氧呼吸而制約發(fā)芽，還會(huì)導(dǎo)致γ-氨基丁酸流失[3]。為促進(jìn)發(fā)芽糙米產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，亟需一種既可提高發(fā)芽糙米品質(zhì)又利于萌發(fā)的糙米含水率提升工藝。

為減少糙米浸泡過(guò)程中的吸濕裂紋，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究[4-8]。SATAKE等[9]微量加濕糙米時(shí)發(fā)現(xiàn)，含水率14%～17%內(nèi)以0.5%/h加濕時(shí)輕度和重度裂紋率升至16.0%和4.0%，含水率17%～23%內(nèi)以0.5～1.2%/h加濕時(shí)2種裂紋粒數(shù)不增加。張強(qiáng)等[10]在劃分的3個(gè)區(qū)間內(nèi)以不同速率加濕糙米，發(fā)芽后裂紋增率低于30%。賈富國(guó)等[11]指出單次加濕量過(guò)大會(huì)影響糙米品質(zhì)，單次加濕量過(guò)小則制約生產(chǎn)效率，并以提高發(fā)芽糙米營(yíng)養(yǎng)成分含量為優(yōu)化目標(biāo)，提出發(fā)芽糙米的非浸泡分段加濕工藝，取得了有益進(jìn)展。然而進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)糙米吸濕后的裂紋增率對(duì)發(fā)芽糙米品質(zhì)有重要影響，且不同含水率糙米因吸濕速率差異而產(chǎn)生裂紋的敏感程度不同，因此糙米發(fā)芽前的吸濕工藝仍需深入研究。

本文以不同含水率糙米為原料，采用分區(qū)間加濕方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研究加濕速率對(duì)裂紋增率的影響規(guī)律，以低裂紋增率為指標(biāo)確定不同區(qū)間的最優(yōu)加濕速率，建立發(fā)芽前完整含水率區(qū)間的持續(xù)變速率加濕工藝。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試糙米品種為沈農(nóng)054，2015年10月收獲于沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所，精選完整無(wú)裂紋籽粒作為含水率提升試驗(yàn)材料，糙米初始含水率為13.0%。

1.2 試驗(yàn)儀器

DHG-9120A型鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；MP-2002型電子天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；Quintix-224型電子分析天平，北京賽多利斯工業(yè)稱重設(shè)備有限公司；CTHI-100B型恒溫恒濕培養(yǎng)箱，上海施都凱儀器設(shè)備有限公司；DNP-9082型電熱恒溫培養(yǎng)箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；TX-200型米粒透視器，日本株式會(huì)社Kett科學(xué)研究所；Agilent-1100型高效液相色譜分析儀，美國(guó)安捷倫科技有限公司；自購(gòu)微量噴壺。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 不同含水率樣本制備

參照周玉龍等[12]的方法提升糙米含水率。準(zhǔn)備11份(每份50 g)初始含水率樣本，移入空氣溫度30℃和相對(duì)濕度95%的恒溫恒濕培養(yǎng)箱。依預(yù)備試驗(yàn)結(jié)果確定各樣本的提升時(shí)間，制備含水率為14.4%、15.5%、16.5%、17.8%、19.2%、20.9%、22.2%、23.2%、24.3%、25.6%、27.3%的樣本，密封于無(wú)菌袋內(nèi)，以備后續(xù)試驗(yàn)所用。

1.3.2 分區(qū)間加濕工藝

將糙米發(fā)芽前的含水率完整區(qū)間(13.0%～29.0%)分成12個(gè)區(qū)間，即以1.3.1節(jié)相鄰兩目標(biāo)含水率為一個(gè)區(qū)間的左右端點(diǎn)。在各區(qū)間內(nèi)，將樣本持續(xù)噴霧加濕至目標(biāo)含水率，置于25℃電熱恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)60 min。移出樣本后密封于三層無(wú)菌袋內(nèi)，室溫靜置10 min后測(cè)定裂紋增率，各區(qū)間的加濕速率計(jì)算公式為

(1)

式中Mi——含水率增幅，%ts——加濕時(shí)間，minMs——加濕速率，%/min

1.4 試驗(yàn)指標(biāo)

每個(gè)樣本的裂紋增率、發(fā)芽率、γ-氨基丁酸含量重復(fù)測(cè)定5次，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

1.4.1 裂紋增率

糙米裂紋依據(jù)程度不同分為單裂、雙裂和龜裂3種[13]，本研究不分別統(tǒng)計(jì)，只統(tǒng)計(jì)至少單裂的全部粒數(shù)。

從樣本中隨機(jī)取50粒，放入TX-200型米粒透視器的透視板內(nèi)。內(nèi)置光源從籽粒背面透射至正面，由于胚乳完整處和裂紋處透射率不同，可準(zhǔn)確判定籽粒是否有裂紋。測(cè)定2次得100粒中裂紋粒數(shù)，裂紋增率計(jì)算公式為

(2)

式中Na——加濕后樣本裂紋粒數(shù)Nb——加濕前樣本裂紋粒數(shù)N2——樣本總粒數(shù)Cs——裂紋增率，%

1.4.2 發(fā)芽率

參照王京廈[14]的方法判定發(fā)芽粒數(shù)，發(fā)芽率計(jì)算公式為

(3)

式中G——發(fā)芽率，%N1——樣本發(fā)芽粒數(shù)

1.4.3 γ-氨基丁酸含量

γ-氨基丁酸含量測(cè)定參照程威威等[15]方法，使用Agilent -1100型高效液相色譜分析儀測(cè)定。

1.5 對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)

優(yōu)化加濕工藝與傳統(tǒng)分段加濕工藝進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。2組試驗(yàn)均準(zhǔn)備初始含水率糙米50 g，含水率提升至29.0%后均勻鋪在密閉無(wú)菌培養(yǎng)皿內(nèi)，30℃電熱恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)發(fā)芽24 h。

傳統(tǒng)分段加濕工藝[16]：在子區(qū)間13.0%～18.0%、18.0%～25.0%、25.0%～28.9%內(nèi)依次以1.0、1.4、1.3%/h加濕糙米。

優(yōu)化加濕工藝：分別計(jì)算各區(qū)間的加濕總量和最優(yōu)加濕時(shí)間以實(shí)現(xiàn)速率優(yōu)化，計(jì)算公式為

(4)

式中Mb——本區(qū)間的樣本初始含水率，%Wa——加濕總量，g

(5)

式中Mo——最優(yōu)加濕速率，%/minTo——最優(yōu)加濕時(shí)間，min

在各區(qū)間內(nèi)依次以最優(yōu)速率加濕糙米，方案見表1。

表1 各區(qū)間的加濕方案Tab.1 Design of moisture increase in different moisture intervals

測(cè)定加濕糙米裂紋增率，發(fā)芽糙米裂紋增率、發(fā)芽率和γ-氨基丁酸含量，對(duì)2種工藝優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用SigmaPlot 12.5繪制各區(qū)間的裂紋增率散點(diǎn)圖和建立擬合方程；采用SPSS 22.0進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯著性分析；對(duì)各擬合方程求導(dǎo)并令導(dǎo)函數(shù)為零，確定對(duì)應(yīng)加濕速率。

2 結(jié)果與分析

2.1 各區(qū)間的加濕速率

各區(qū)間的加濕速率如表2所示。含水率增幅最小(1.0%)時(shí)加濕速率為0.18～1.00%/min，含水率增幅最大(1.7%)時(shí)加濕速率為0.31～1.70%/min。

表2 各區(qū)間的加濕速率Tab.2 Moisture adding rates in different moisture intervals %/min

2.2 加濕速率對(duì)裂紋增率的影響規(guī)律

圖1 不同區(qū)間內(nèi)加濕速率對(duì)裂紋增率的影響Fig.1 Effect of moisture adding rate on cracked kernel additional percentage in different moisture intervals

圖1分別描述了各初始含水率Mb的樣本在不同加濕速率Ms下裂紋增率Cs散點(diǎn)圖和擬合曲線。同一圖內(nèi)Cs隨Ms增大呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，存在最小值和最大值。Mb越低籽粒脆性越大，Mb越高籽粒抗拉強(qiáng)度越小[17-18]，加濕過(guò)慢或過(guò)快無(wú)法保證加濕水滲透均勻和平緩，局部區(qū)域受超過(guò)其抗拉強(qiáng)度的拉應(yīng)力而產(chǎn)生過(guò)多應(yīng)力裂紋。Mb逐漸升高后籽粒韌性相應(yīng)提高，Ms變化對(duì)Cs影響減弱，Cs變化范圍縮小。Mb最低(13.0%～14.4%)時(shí)，Cs最大值和最小值為(10.59±0.17)%和(4.14±0.11)%；Mb適中(17.8%～19.2%)時(shí)，Cs最大值和最小值為(7.82±0.10)%和(3.69±0.08)%；Mb較高(23.2%～24.3%)時(shí)，Cs最大值和最小值為(5.64±0.14)%和(2.98±0.05)%。

Cs隨Ms的變化規(guī)律近似描述為指數(shù)衰減和線性增長(zhǎng)兩段，可用四系數(shù)Exponential Linear Combination數(shù)學(xué)模型擬合。擬合方程和擬合誤差見表3，各擬合方程極顯著，調(diào)整決定系數(shù)為0.942 7～0.973 7，標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)誤差為0.153 6%～0.392 5%。為考察各擬合方程精確性，以Ms為0.50%/min在不同區(qū)間內(nèi)加濕，記錄Cs實(shí)測(cè)值，與方程提供預(yù)測(cè)值對(duì)比，計(jì)算預(yù)測(cè)相對(duì)誤差，驗(yàn)證結(jié)果見表4，各區(qū)間的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差為(0.96±

0.05)%～(2.73±0.16)%，結(jié)果可接受。

2.3 各區(qū)間的最優(yōu)加濕速率

計(jì)算各區(qū)間內(nèi)裂紋增率Cs最小值對(duì)應(yīng)的加濕速率Ms，即最優(yōu)加濕速率Mo，結(jié)果見表5和圖2。Mo隨初始含水率Mb升高時(shí)呈現(xiàn)先慢速、后快速、最終慢速的三段增大趨勢(shì)，可用四系數(shù)Sigmoidal方程擬合，公式為

(6)

式中f——放緩常數(shù)，反映Mo變化速率放緩狀態(tài)g——加濕突變點(diǎn)，反映Mo變化速率突變時(shí)的Mb，%

h——?jiǎng)恿Τ?shù)，反映Mo變化內(nèi)在動(dòng)力

k——初始常數(shù)，反映Mo變化固有屬性

表3 裂紋增率擬合方程和擬合誤差Tab.3 Fitting equation and fitting error for cracked kernel additional percentage

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of verification tests %

注：數(shù)據(jù)為指標(biāo)“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”(n=5)。

表5 各含水率區(qū)間的最優(yōu)加濕速率和裂紋增率預(yù)測(cè)值Tab.5 Optimum moisture increase percentage and predicted cracked kernel additional percentage in different moisture intervals

整區(qū)間內(nèi)任意初始含水率樣本加濕時(shí)的最優(yōu)速率。

2.4 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與討論

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見表6。糙米和發(fā)芽糙米裂紋增率由傳統(tǒng)分段加濕的(27.52±0.17)%和(34.79±0.24)%降低到優(yōu)化加濕的(16.27±0.23)%和(19.45±0.05)%，降幅為(41.48±0.15)%和(43.67±0.26)%。發(fā)芽糙米發(fā)芽率和γ-氨基丁酸含量(質(zhì)量比)由傳統(tǒng)分段加濕的(87.96±0.12)%和(26.08±0.08) mg/(100 g)升到優(yōu)化加濕的(93.46±0.20)%和(32.60±0.14) mg/(100 g)，增幅為(6.92±0.25)%和(25.03±0.18)%。發(fā)芽過(guò)程是休眠態(tài)向代謝活躍態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程，內(nèi)源酶激活后大分子有機(jī)物逐漸向小分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化[19-20]。糙米含水率和胚乳組織結(jié)構(gòu)完整性會(huì)影響內(nèi)源酶活性和有機(jī)物轉(zhuǎn)化效率。裂紋增率過(guò)高表明胚乳組織結(jié)構(gòu)已受損嚴(yán)重，有機(jī)物轉(zhuǎn)化過(guò)程受明顯抑制而影響發(fā)芽率和γ-氨基丁酸富集。

表6 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Results of contracts tests

注：數(shù)據(jù)為指標(biāo)“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”(n=5)，同一列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

3 結(jié)論

(1)建立了各含水率區(qū)間內(nèi)糙米裂紋增率與加濕速率關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，得出了試驗(yàn)范圍內(nèi)任意初始含水率糙米制取發(fā)芽糙米的最優(yōu)加濕方案，降低了糙米吸濕裂紋率并兼顧了加濕效率。

(2)與前期分段加濕工藝相比，基于優(yōu)化加濕工藝的發(fā)芽糙米裂紋增率降低(43.67±0.26)%，發(fā)芽率和γ-氨基丁酸含量提高(6.92±0.25)%和(25.03±0.18)%。

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Optimization of Moisture Increase Technique for Brown Rice before Its Germination

QIU Shuo JIA Fuguo HAN Yanlong JIANG Longwei

(CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

Moisture adsorption of brown rice is the fundamental reason for kernel cracking, which restricts the quality and texture of germinated brown rice. Moisture adding technique needs to be further optimized to reduce cracked kernel percentage of brown rice before germination. The whole moisture adding interval was divided into 12 intervals of 13.0%～14.4%,14.4%～15.5%,15.5%～16.5%,16.5%～17.8%,17.8%～19.2%,19.2%～20.9%,20.9%～22.2%,22.2%～23.2%,23.2%～24.3%,24.3%～25.6%,25.6%～27.3% and 27.3%～29.0%, and moisture adding procedure was finished within 1.0 min,1.5 min,2.0 min,2.5 min,3.0 min,3.5 min,4.0 min,4.5 min,5.0 min and 5.5 min respectively. In each interval, cracked kernel additional percentage was found to first decrease and then increase in range of moisture adding percentage. Mathematical models to describe variation in cracked kernel additional percentage were established, and derivation to models was applied to determine the optimal moisture adding rate. Optimal moisture adding rates for brown rice with moisture of 13.0%,14.4%,15.5%,16.5%,17.8%,19.2%,20.9%,22.2%,23.2%,24.3%,25.6% and 27.3% were 0.3212%/min,0.2851%/min,0.4338%/min,0.3299%/min,0.3485%/min,0.4382%/min,0.4993%/min,0.5494%/min,0.6396%/min,0.7352%/min,0.8735%/min and 0.8436%/min, which varied first slowly, then rapidly and finally slowly within the whole moisture adding interval. Based on above values, the mathematical model to describe moisture adding rate within the whole moisture adding interval was obtained. Compared with traditional segmented moisture adding technique, optimized moisture adding technique resulted in decreases of (41.48±0.15)% and (43.67±0.26)% in the cracked kernel additional percentage of non-germinated and germinated brown rice, respectively, while the germination rate and γ-aminobutyric acid content of germinated brown rice had increases of (6.92±0.25)% and (25.03±0.18)%. The optimized technique featured by continuous varied adding rate provides a reference method for high quality production of germinated brown rice.

germinated brown rice; moisture adding rate; cracked kernel additional percentage; optimized technique; mathematical model

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.044

2016-10-31

2016-12-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51575098)、黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E201322)和哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)與開發(fā)項(xiàng)目(2013DB2BG005)

邱碩(1983—)，男，博士生，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏研究，E-mail: beibeiqiu2014@126.com

賈富國(guó)(1965—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)及設(shè)備研究，E-mail: jfg204@163.com

Q939.9； S511

A

1000-1298(2017)03-0345-06