不同收獲期粳稻品質的變化

邵小龍,時小轉,周立鳴

(南京財經大學食品科學與工程學院,江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心，江蘇高校糧油質量安全控制及深加工重點實驗室,江蘇南京 210023)

稻谷是最重要的糧食作物之一,為超過半數的亞洲人口提供穩定的食物需求[1]。隨著農業科學技術的進步和人民生活水平的提高,人們對大米品質提出了更高的要求。稻米品質包括加工品質、外觀品質、食用品質等。影響稻米品質的因素有很多,收獲期是其中一個。關于收獲期對稻米品質的影響方面的研究國內外已有許多報道。姜萍[2]、苗德雨等[3]認為過早收獲主要影響精米率和整精米率。程建峰等[4]認為不同收獲期主要影響稻米的膠稠度和蛋白質含量。宋雙[5]的研究結果表明加工品質在不同收獲時期存在一定差異,但未達到顯著水平;堊白性狀及食味值不同收獲期差異達到顯著水平。其他研究者[6-10]也有做過相關方面的研究。錢春榮[11]的研究結果表明不同收獲期處理間的味度值和粘滯峰回生值沒有顯著差異;但整精米率、下降粘度和最高粘度均存在顯著或極顯著的差異。邵小龍等[12]基于低場核磁共振(LF-NMR)技術觀察水稻抽穗到成熟過程中籽粒水分狀態的變化,探討淀粉、蛋白質的積累效應對前者的影響,為水稻品質形成規律提供數據參考。

大米食用品質是指大米在規定條件下蒸煮成米飯后,米飯的色澤、氣味、滋味、米飯粘度及軟硬適口程度所呈現出的綜合品質。氣味對大米食用品質至關重要,稻谷是稻米的初始狀態,由于谷殼的包裹,直接通過人類感官辨別氣味較難。電子鼻作為一種模擬生物嗅覺的新穎仿生檢測手段,目前在農業領域的應用已有較多報道,如病蟲害、水果、飲料、肉類等的快速檢測識別,證明了電子鼻對不同物質的氣味進行分類識別的有效性。Sung等[13]應用電子鼻技術研究了稻谷分別在不同溫度(0、20、30、40 ℃)儲藏4個月時的脂肪酸值、感官特性、風味模式,結果表明,電子鼻能夠對儲藏的稻谷進行篩選和定性分析;胡桂仙等[14]應用電子鼻對不同狀態下香稻和非香稻進行了分類識別;于春慧等[15]用電子鼻對來自同一地域的4種水稻谷物進行了分類識別,初步驗證了電子鼻進行稻米品種識別的可行性。關于大米微觀結構,陳銀基等[16]研究發現輻照處理對淀粉顆粒的結構和形態有修飾作用,淀粉顆粒間空間變大,糙米在蒸煮時可滲入更多水分,進而可以改善蒸煮品質。劉成梅等[17]研究了韌化及濕熱處理對大米淀粉理化特性和微觀結構的影響。裴永勝等[18]研究了流化床干燥對稻谷爆腰增率及微觀結構的影響。

但關于收獲期對粳稻氣味及微觀結構的影響目前國內外未見報道。不同收獲期對粳稻氣味、質構特性、微觀結構的變化的影響及其相互關系,這是本文所要探討的主要問題。因此本文通過田間定期取樣獲得不同收獲期的粳稻樣品,經過前處理后,應用電子鼻測定分析粳米氣味變化,質構儀測定粳米質構特性,掃描電鏡下觀察粳米的微觀結構,探討不同收獲期對粳稻相關品質的影響。為收獲期對粳稻氣味、微觀結構和質構特性的影響提供數據支持,為粳稻最佳收割期的確定提供科學依據,使優質稻米能夠充分發揮其優勢,達到優質、高產、高效的目的,既能創造較高的經濟效益,又能滿足人們對于稻米質量的需求。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

南粳5055 屬于農業部評定的超級稻品種,具有品質優、口感好、產量高、整精米率高和抗逆性好等優點。南梗5055全生育期在160天左右,屬于早熟晚粳稻品種,株型緊湊,長勢較旺,分蘗力較強,穗型中等,群體整齊度較好,著粒較密,抗倒性強,適宜在江蘇省沿江及蘇南周邊地區種植。實驗樣品取自南京市江寧區湯山鎮孟墓村藏龍灣農場實驗田,測定分析實驗在南京財經大學食品科學與工程學院糧食儲運國家工程實驗室進行。

Fox3000型電子鼻 法國AlphaMOS公司;質構儀 TA.XT2i，英國SMS公司;掃描電鏡 SEM Model 27021-H，英國。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品準備 取樣于齊穗后42 d至齊穗后66 d,每隔6 d采樣一次,共采樣5次,樣品經人工脫粒,除雜,過篩,干燥至水分為14.5%,備用。

1.2.2 基于電子鼻的粳米氣味測定 精確稱取樣品5 g,置于20 mL的頂空瓶;參數:獲取時間420 s,保持時間120 s,注射溫度70 ℃,沖洗時間120 s;載氣為干燥空氣,流速150 mL·min-1,每個樣品8個平行[19]。

1.2.3 粳米質構特性的測定 準確稱取10 g試樣于鋁盒中,淘洗、沖洗各1次,在每個鋁盒中各加水10 mL。加蓋后放入帶有抽屜的蒸鍋上,蒸煮40 min后,停止加熱燜制10 min。每次測定時,從蒸煮糙米樣品中間層的不同部位隨機取3粒完整米粒,對稱放置在載物臺上測定。每個樣品重復6次,結果采用去掉最大值和最小值,求平均值。物性測試儀的參數設置如下:探頭為P/36(大米專用探頭);操作模式為壓力測定:壓縮比為75%;測試模式為strain,觸發點為10 g,測試循環數為1,測前速度:1 mm·s-1,測試速度為0.5 mm·s-1,測試后速度為1 mm·s-1[16]。

1.2.4 粳米微觀結構的測 取20～25粒完整且裂紋少的大米于直徑5 cm的培養皿中,用質量分數為2.5%的戊二醛溶液浸泡2 h固定,用pH7.8的磷酸緩沖液漂洗3次,時間分別為15、20、30 min,然后超純水清洗3次,時間同上,接下來用體積分數為30%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的乙醇梯度脫水各10 min,再分別用50%、70%和100%的叔丁醇各浸泡10 min,然后用叔丁醇-乙腈(體積比2∶1)與叔丁醇-乙腈(體積比1∶1)各浸泡10 min后,100%的乙腈浸泡10 min。樣品干燥后沿長軸垂直方向攔腰切割,放置在黑色的導電雙面膠上,固定在載物臺上,放入離子濺射儀的噴金室(加速電壓15 kV、濺射電流1.5 mA、濺射時間90 s),前處理完成后,用掃描電子顯微鏡觀察大米微觀結構[20]。

1.3 數據分析

電子鼻數據分析:使用儀器自帶的AlphaSoftV 12.0軟件對數據進行采集、檢測及分析。應用IBM SPSS Statistics 22.0對稻谷揮發性物質進行主成分分析。其余數據和圖表采用Office 2003軟件處理繪制。

2 結果與分析

2.1 粳稻收獲期對氣味變化的影響

為更好觀察和分析電子鼻12根傳感器對不同收獲期粳稻揮發性物質的變化,根據12根傳感器的響應值大小及差異,繪制不同收獲期粳稻雷達圖譜,如圖1,12根傳感器對不同收獲期粳稻響應值不同,其中傳感器P10/1、P10/2、P40/1的響應值在0.25～0.36之間,T30/1、T70/2、PA/2的響應值在0.11～0.21之間,其余6根傳感器的響應值均低于0.02。不同收獲期粳稻雷達圖譜具有相似的形狀和變化趨勢,說明粳稻所產生的揮發物類型是相同的,但傳感器P10/1、P10/2、P40/1的檢測數據存在明顯的差異,說明不同收獲期揮發性物質差異可以被傳感器敏感捕捉。

圖2是不同收獲期粳稻采用PCA法的分析圖。在PCA分析結果中,前2個主成分的貢獻率分別為92.66%,4.93%,累積貢獻率達97.59%,相同收獲期的樣本重現性很高,5個收獲期的粳稻氣味差異顯著。

圖2 不同收獲期粳稻的主成分分析Fig.2 Principal compounds analysis of japonica rice of different harvest date注:42、48、54、60和66 d分別表示齊穗后42 d、 齊穗后48 d、齊穗后54 d、齊穗后60 d和齊穗后66 d。

2.2 粳稻收獲期對質構特性的影響

蒸煮食用是大米的主要食用方式,而質構特性是大米蒸煮品質優劣的直觀反映,質構特性不同,意味著大米組成成分、含量及結構有所不同,從而影響到大米的食用品質[21-22]。不同收獲期粳米蒸煮后質構特性變化如圖3所示,其中硬度的變化如圖3a,隨著收獲期的增加大米硬度逐漸減小,54 d至66 d趨于平緩。42 d收割的粳米蒸煮后硬度最大,口感最差。大米的黏附性是指咀嚼時,大米與牙齒摩擦接觸,表面間分子力的作用使其產生局部固態連接,由圖3b可知,隨著收獲期的增加,大米黏附性逐漸先升高,54 d之后變化不大。米飯的彈性是反映米飯滋味的重要指標,彈性越大越有嚼勁,不同收獲期粳米蒸煮后彈性變化如圖3c所示,齊穗后42 d收割的粳稻彈性最低,60 d收割的粳稻彈性最高。膠黏性反映大米的粘牙程度,大米越粘牙,口感越差,由圖3d可知,隨著收獲期的增加粳米的蒸煮膠黏性呈降低趨勢,54 d之后趨于平穩,42 d收割的粳稻大米蒸煮后膠黏性最大。不同收獲期粳米的咀嚼性變化如圖3e,隨著收獲期的增加,咀嚼性整體呈下降趨勢,即粳米的咀嚼性隨著收獲期的增加而降低。總體而言,齊穗后54 d之后收割的粳米食味品質相對較好。

圖3 不同收獲期粳米質構特性變化Fig.3 Textural characteristics of japonica rice with different harvest date

2.3 粳稻收獲期對微觀結構的影響

2.3.1 胚乳橫斷面 SEM放大100倍觀察大米橫截面胚乳顯微結構如圖4所示。5個收獲期的粳稻胚乳橫斷面中,60 d收割的粳稻(圖4c)大米可清晰觀察到胚乳細胞為長多邊形的柱狀細胞,排列整齊有序,淀粉粒包裹其中,表面光滑,清晰可見胚乳細胞以胚乳中心或近中心為同心圓呈放射狀,由中心向外輻射,中心位置胚乳細胞相對外層細胞較小,這與一些研究者[23-25]觀察到的新鮮大米結果一致。42 d收割的粳稻(圖4a)橫斷面極易產生小裂紋,這可能是因為胚乳內淀粉發育不成熟,淀粉間排列疏松導致的。66 d收割的粳稻(圖4e)橫斷面可觀察到胚乳細胞破裂,淀粉裸露出來,胚乳細胞破裂主要出現在中心部位,使得胚乳細胞放射狀分布的輪廓變得模糊。

圖4 胚乳橫截面結構隨收獲期變化(100×)Fig.4 Structural changes of endosperm cross-sectional with different harvest date(100×)

2.3.2 胚乳細胞表面 SEM放大2000倍觀察大米橫截面胚乳細胞顯微結構如圖5所示。齊穗后48 d收割的稻谷(圖5b)胚乳細胞表面最光滑,幾乎看不到淀粉體紋路,淀粉體間隙有可觀察到蛋白體。齊穗后42 d稻谷(圖5a)和齊穗后54 d稻谷(圖5c)胚乳細胞表面可清晰看到淀粉體紋路,同時可觀察到少量小孔,這主要是胚乳細胞在生長過程中,細胞內外物質進行交換留下的通道[26]。齊穗后60 d收割的稻谷(圖5c)胚乳細胞表面淀粉體紋路清晰可見且淀粉體之間出現明顯間隙。齊穗后60 d收割的稻谷(圖5c)胚乳細胞表面出現較多或大或小的小孔,細胞膜有翹起,胚乳內部淀粉部分裸露出來,細胞表面粗糙。

圖5 粳米胚乳細胞表面膜的顯微結構形態(2000×)Fig.5 Microscopic structure of endosperm cell membrane of milled Japonica rice after artificial storage(2000×)注:Po表示小孔;Pro表示蛋白體。

2.3.3 胚乳淀粉顆粒形態 大米的主要食用部分是胚乳,胚乳的形態結構及其中各物質成分的累積分布特點是大米食用品質形成的基礎,通過解剖觀察胚乳結構可了解大米品質的直接成因。水稻胚乳的淀粉體中的淀粉是復粒淀粉,這是因為淀粉體中的淀粉粒是相互獨立存在,互不黏連的發育起來的[27]。花后胚乳細胞中開始產生了小的淀粉體,其中的淀粉粒少棱角,呈卵狀或球形,淀粉體間有間隙,隨著生長的進行,淀粉體和其中淀粉粒由于相互擠壓而呈多面體形,最終,內胚乳細胞被淀粉體充滿,蛋白體變形,殘留在淀粉體的縫隙中[28]。

本文觀察不同收獲期即齊穗后42 d至66 d大米胚乳淀粉變化如圖6,SEM放大2000倍觀察到的大米淀粉顆粒結構。如圖6a和圖6b所示,淀粉體充滿整個胚乳,從裸露的淀粉體可以看出淀粉粒呈多面體且棱角分明,在淀粉體的縫隙可觀察到蛋白體,這和Tsutomu Ishimaru等[29]的觀察結果一致。此外,對比圖6a和圖6b可知,齊穗后48 d的稻谷的胚乳內淀粉排列較42 d更加致密。齊穗后54 d的稻谷的胚乳內淀粉體的淀粉粒之間開始出現縫隙如圖6c,齊穗后60 d胚乳內可觀察到大量的淀粉顆粒,淀粉顆粒棱角分明,到齊穗后66 d,淀粉體排列變得疏松,淀粉顆粒的棱角也開始變得模糊不清。

圖6 大米淀粉顆粒微觀結構(2000×)Fig.6 The microscopic structure of rice starch granules(2000×)

3 討論

從對不同收獲期粳米的橫斷面微觀結構的觀察,結合李棟梁[28]的研究可知,隨著收獲期的增加,胚乳的變化過程為:由疏松變為致密再變為疏松,在粳稻沒有完全成熟之前,胚乳結構疏松,隨著胚乳細胞內的淀粉粒不斷膨大,淀粉粒和淀粉體之間相互擠壓最終使整個胚乳結構變得致密,隨著收獲期的進一步加深,復粒淀粉發生崩解,單個小淀粉顆粒增多,裸露淀粉也增多,放射狀輪廓變模糊,經田間取樣觀察,齊穗后54 d粳稻已經完熟,66 d時已達到枯熟,因此,可能是因為稻谷完熟后田間的自然環境不再是其賴以生長的必要條件,而是促使其內部發生反應的相關因素,至于發生了什么反應,該反應對稻谷綜合品質的影響是利是弊,有待進一步研究。從粳稻質構特性的變化情況來看,隨著收獲期的增加,尤其是齊穗后54 d之后,粳米的硬度較低,彈性升高,黏附性較高,膠黏性低,這些變化有利于粳米的食味品質,結合微觀結構的變化我們得出分散的淀粉顆粒增大了與水結合的表面積,大米在蒸煮過程中水分子可以更容易滲入,增大淀粉顆粒的溶脹程度,使更多的淀粉顆粒在加熱中破裂,淀粉分子釋放出來,增加米飯口感柔軟度,提高食味品質。

4 結論

本文通過田間定期取樣,應用電子鼻等測定不同收獲期粳稻相關品質指標變化,對數據進行處理分析,研究表明不同收獲期對粳稻的氣味、質構特性和微觀結構有顯著影響。電子鼻傳感器可以敏感捕捉粳稻氣味信息,通過對氣味信息的PCA分析,不同收獲期粳稻的氣味呈現出顯著差異;質構特性的變化情況為隨著收獲期的增加,尤其是齊穗后54 d之后,粳米的硬度較低,彈性升高,黏附性較高,膠黏性低,蒸煮品質呈變好趨勢;隨著收獲期的增加粳稻橫斷面的放射形狀由不清晰到清晰再到模糊甚至消失,胚乳細胞表面由光滑少孔,淀粉體紋路不清晰到粗糙多孔,淀粉體紋路清晰,淀粉則由復粒淀粉居多排列疏松到復粒淀粉居多排列緊密再到淀粉顆粒居多結構疏松;通過對比微觀結構和質構特性變化情況我們得出齊穗54 d后的粳稻中分散的淀粉顆粒增大了與水結合的表面積,大米在蒸煮過程中水分子可以更容易滲入,增大淀粉顆粒的溶脹程度,使更多的淀粉顆粒在加熱中破裂,淀粉分子釋放出來,增加米飯口感柔軟度,提高食味品質。