浸泡處理對大米淀粉糊化特性及流變特性的影響

李棒棒,路 源,于吉斌,閔照永,李留柱,師玉忠,*

(1.河南科技學(xué)院食品學(xué)院,糧食資源深度利用河南省工程實驗室,河南新鄉(xiāng) 453003;2.河南科技學(xué)院新科學(xué)院,河南新鄉(xiāng) 453003;3.河南米多奇食品有限公司,河南新鄉(xiāng) 453003)

大米是我國最主要的食糧之一,有三分之二以上的人口以大米為主食。近年來,大米制品的研究開發(fā)也越來越受到人們的關(guān)注[1]。精制大米主要是由淀粉、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和纖維素組成,其中淀粉含量為60%～70%[2],是大米最主要的成分,其形成凝膠的特性將決定大米制品的食用品質(zhì)。

大米的淀粉分子以淀粉顆粒形式存在,其形狀大多呈不規(guī)則的多角形[3]。淀粉在水中被加熱時,隨著溫度的升高,淀粉結(jié)晶區(qū)膠束中較弱的氫鍵斷裂,出現(xiàn)縫隙,使水分子進(jìn)入膠束內(nèi)部與一部分淀粉分子以氫鍵結(jié)合,淀粉分子吸水膨脹,繼續(xù)吸熱,淀粉的結(jié)晶膠束全部崩解,形成黏性糊狀溶液的現(xiàn)象稱為淀粉的糊化[4]。淀粉的糊化特性可以充分體現(xiàn)大米產(chǎn)品的性能。此外,淀粉的性質(zhì)還可以通過流變性來表現(xiàn),淀粉的流變特性能夠準(zhǔn)確預(yù)測、解釋其凝膠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及黏彈性等多方面性質(zhì)[5]。近年來,通過流變學(xué)性質(zhì)反映凝膠特性已經(jīng)成為廣大學(xué)者的研究熱點之一[6]。將大米在自然條件下浸泡是工業(yè)生產(chǎn)米餅、米粉等產(chǎn)品的關(guān)鍵步驟。

本文通過對大米浸泡不同時間后其淀粉的糊化特性和流變特性的測定,研究浸泡處理對大米淀粉性質(zhì)影響,以期為實際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

金滿園東北大米 新鄉(xiāng)市世紀(jì)華聯(lián)超市;氫氧化鈉、碘化鉀、碘 分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司;冰乙酸、甲醇、石油醚 分析純，天津市德恩化學(xué)試劑有限公司。

CHRIST冷凍干燥機(jī) 德國CHRIST凍干機(jī)有限公司;7200可見分光光度計 上海尤尼柯儀器有限公司;L550臺式低速離心機(jī) 湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司;SHP-160型生化培養(yǎng)箱 上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司;RVA Super 4型快速黏度分析儀 澳大利亞New-port Scientific儀器公司:ARES動態(tài)流變儀 美國TA公司;HJ-4聯(lián)磁力加熱攪拌器 金壇華峰儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 大米粉的制備 稱取6份150 g大米于500 mL的潔凈燒杯中,加入450 mL蒸餾水,放入30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中。每隔6 h取1次大米,用自來水沖洗1次,蒸餾水沖洗3次。然后用打漿機(jī)打漿1 min,在室溫條件下,3000 r/min離心5 min,棄去上清液,將沉淀物冷凍干燥72 h,樣品過100目篩后用自封袋標(biāo)記,放入-18 ℃冰箱中備用。同時取150 g大米加水打漿,作為空白對照樣品[7]。

1.2.2 直鏈淀粉含量測定 直鏈淀粉含量依據(jù)GB/T 15683-2008《大米 直鏈淀粉含量的測定》測定[8]。

1.2.3 蛋白質(zhì)含量的測定 蛋白質(zhì)含量依據(jù)GB/T 5009.5-2010 《食品中蛋白質(zhì)的測定》測定[9]。

1.2.4 破損淀粉含量測定 破損淀粉含量依據(jù)GB/T 9826-2008《糧油檢驗 小麥粉破損淀粉測定α-淀粉酶法》測定[10]。

1.2.5 pH的測定 取適量浸泡大米時的上清液,用校準(zhǔn)后的pH計測定其pH。

1.2.6 大米淀粉的提取 取1.2.1制備的大米粉20 g,加200 mL石油醚浸泡24 h脫脂,加150 mL蒸餾水浸泡米粉,用玻璃棒攪拌均勻后,然后于室溫下靜置12 h,在室溫條件下,3000 r/min離心20 min,將沉淀物冷凍干燥后取出研磨并倒入400 mL 4 g/L NaOH溶液,在室溫下用磁力攪拌器攪拌18 h,加入10 mL 80%乙醇沉淀淀粉,然后在室溫條件下,3000 r/min離心20 min,去除上層及底部殘渣。加入適量蒸餾水,用玻璃棒攪拌均勻,滴加1 mol/L鹽酸中和溶液。在室溫條件下,3000 r/min離心20 min,沉淀物冷凍干燥48 h,粉碎過100目篩,裝入自封袋中標(biāo)記備用[11]。

1.2.7 RVA黏度快速測定 取2.4 g大米淀粉于RVA黏度快速測定儀專用鋁盒內(nèi),加入25 mL蒸餾水,充分?jǐn)嚢枋够旌衔锘旌暇鶆颉ｄX盒內(nèi)的溫度變化50 ℃保持1 min,以12 ℃/min的速度升溫至95 ℃,95 ℃保持3.75 min,然后以12 ℃/min的速度降溫至50 ℃,最后50 ℃保持3.75 min。攪拌器在前10 s內(nèi)的轉(zhuǎn)速為960 r/min,之后的糊化過程中轉(zhuǎn)速一直保持在160 r/min[7]。測定大米淀粉的峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度、回生值。

1.2.8 流動模式下的流變行為 取8 g大米淀粉加入100 mL蒸餾水配制成淀粉粉漿,充分?jǐn)嚢韬笤诜兴≈屑訜岷?0 min。將以上制備的米糊放入流變儀的測試平臺。選擇直徑為60 mm的平板模具和流動模式,設(shè)置間隙1.000 mm,刮去平板外多余樣品,在恒定25 ℃下,剪切速率從0～800 s-1,測定剪切速率提高過程中大米糊的表觀黏度和剪切應(yīng)力的變化[10]。

1.2.9 振蕩模式下的流變行為 取10 g大米淀粉,在室溫條件下加3倍質(zhì)量的蒸餾水制成懸濁液,選擇直徑為60 mm的平板模具和振蕩模式,設(shè)置間隙1.000 mm,角頻率1 Hz,應(yīng)力5.000 Pa,將淀粉懸濁液放在測定平臺上,壓下蓋板,刮去蓋板外多余的懸濁液,并在蓋板邊緣涂上一層硅油,防止水分蒸發(fā)。在25 ℃下平衡1 min,從25～95 ℃程序升溫,然后從95～25 ℃程序降溫,升降溫速度為3 ℃/min,使大米粉充分糊化。在25 ℃下保持1 min,然后用5.000 Pa的應(yīng)力進(jìn)行0.1～20 Hz的頻率掃描。測定大米粉糊在升溫過程中的儲能模量(G′)、耗能模量(G″)和損耗因子(tanδ)的變化[12],頻率掃描的數(shù)據(jù)代入方程(1):

logG′=KG′×logf

式(1)

注:G′表示儲能模量(Pa),f表示頻率(Hz),KG ′表示斜率。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本實驗中所有數(shù)據(jù)均是3次相同水平重復(fù)實驗數(shù)據(jù)的平均值,采用SPSS 19.0中的單因素方差分析進(jìn)行顯著性差異分析,以p<0.05表示顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同浸泡時間的大米的化學(xué)成分分析

由表1可以看出,隨著浸泡時間的增長,大米的直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量逐漸減少,同時破損淀粉含量以及浸泡液的pH明顯降低。由表1可以看出,隨著浸泡時間的增長,大米的直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量逐漸減少,同時破損淀粉含量以及浸泡液的pH明顯降低。這可能是由于在浸泡過程中,大米的淀粉顆粒吸水膨脹同時微生物大量生長繁殖,使淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)遭到破壞,淀粉顆粒內(nèi)部的直鏈淀粉游離,導(dǎo)致大米的直鏈淀粉含量減少[13-14];蛋白質(zhì)含量的降低可能是由于蛋白質(zhì)作為微生物生長繁殖的碳源和氮源,在浸泡過程中被消耗;同時由于微生物的生長繁殖產(chǎn)生大量有機(jī)酸,故浸泡液的pH降低;大米在浸泡過程中吸水膨脹,組織結(jié)構(gòu)疏松,在制粉過程中所受到的機(jī)械應(yīng)力減少,淀粉顆粒所受到的機(jī)械破壞減少,故破損淀粉含量降低。

表1 不同浸泡時間的大米米粉的化學(xué)成分Table 1 The chemical composition of rice in different soaking times

2.2 大米浸泡處理后其淀粉的糊化特性

圖1是不同浸泡時間的大米淀粉的黏度的變化趨勢。其黏度的變化趨勢基本一致,在加熱過程中,隨著溫度的升高,黏度也開始增大;當(dāng)黏度升高到最大值后,隨溫度的升高開始降低。在冷卻過程中,黏度隨溫度的下降而升高。這是因為淀粉溶液受熱,顆粒之間的氫鍵強(qiáng)度減弱,淀粉顆粒吸水膨脹,故黏度增大[15],直至達(dá)到峰值粘度;繼續(xù)受熱,淀粉顆粒持續(xù)膨脹至破裂,導(dǎo)致直鏈淀粉溶出,黏度下降[16]。冷卻過程中,隨著溫度降低,直鏈淀粉回生,其間氫鍵重新形成,黏度增大[15]。

圖1 不同浸泡時間的大米淀粉的黏度隨時間變化曲線Fig.1 Viscosity-temp curves of ice flour with different immersion time

由表2可知,經(jīng)過浸泡之后大米淀粉的峰值黏度和崩解值都有顯著提高(p<0.05),糊化溫度有一定程度的降低;而最終黏度和回生值則隨著浸泡時間的增長先上升后下降。經(jīng)過浸泡的大米淀粉的崩解值均明顯高于未浸泡的大米,大米在浸泡過程中由于自身的酶解和微生物的作用使淀粉顆粒的通透性增強(qiáng),淀粉顆粒更容易吸水膨脹,使其破裂,故經(jīng)過浸泡的大米淀粉的崩解值較大[17]，根據(jù)以往的研究[18],直鏈淀粉的含量和分子結(jié)構(gòu)對淀粉的峰值黏度有顯著影響,隨著溫度升高淀粉顆粒吸熱膨脹,淀粉顆粒的膨脹會使黏度增大,而直鏈淀粉的存在能夠阻止淀粉顆粒的膨脹,故直鏈淀粉含量越高,淀粉的峰值黏度就越低[18]。大米經(jīng)過浸泡之后,峰值黏度顯著提高(p<0.05),這可能是大米在浸泡過程中直鏈淀粉游離,使大米淀粉中直鏈淀粉含量降低的緣故[19];同時在浸泡過程中,由于微生物活動以及酶解作用,包裹淀粉顆粒的蛋白質(zhì)堿膜被分解,淀粉顆粒更易于吸水膨脹,使得峰值黏度上升。經(jīng)過浸泡的大米糊化溫度均低于未浸泡的大米,這可能是由于經(jīng)過浸泡處理之后,以結(jié)合力較強(qiáng)的氫鍵相互結(jié)合的直鏈淀粉含量減少,系統(tǒng)熵值降低,故直鏈淀粉含量低的淀粉易于糊化,糊化溫度較低[20]。

表2 不同浸泡時間的大米淀粉的糊化特性Table 2 Pasting properties of rice flour with different immersion time

2.3 大米浸泡處理后淀粉的流動特征

根據(jù)以往的研究可知,大米淀粉屬于假塑性、非牛頓流體[21-22]。從圖2可以看出,不同浸泡時間的大米淀粉都有剪切稀化的現(xiàn)象,這是假塑性流體所特有的現(xiàn)象,即隨著剪切速率的增加,流體的表觀黏度降低。在剪切速率增加的過程中,表觀黏度起初降低較快,當(dāng)表觀黏度降低到一定值后開始趨于穩(wěn)定。在相同的剪切速率下,未經(jīng)浸泡的大米淀粉的表觀黏度最小,這可能是由于大米浸泡之后,直鏈淀粉含量降低,所以,聚合度更大的支鏈淀粉比例升高,對凝膠的流動行為產(chǎn)生更大的阻力,致使其表觀黏度更大。

圖2 大米淀粉和不同浸泡時間的大米淀粉的表觀黏度隨剪切速率的變化曲線Fig.2 Apparent viscosity of rice starch and different soaking time with the shear rate curve

如圖3所示,在剪切速率不斷增加的過程中,剪切應(yīng)力也逐漸增大。剪切應(yīng)力曲線不經(jīng)過原點,是因為大米淀粉和經(jīng)過浸泡處理后的大米淀粉皆有屈服應(yīng)力,即流體開始流動時需要的應(yīng)力。經(jīng)過浸泡之后的大米淀粉的屈服應(yīng)力較大,這說明浸泡之后的大米淀粉的黏度高,粘稠性強(qiáng)[15]。且在相同剪切速率下,經(jīng)過浸泡的大米淀粉的剪切應(yīng)力較大,表明其具有更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[23]。

圖3 大米淀粉和不同浸泡時間的大米淀粉的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線Fig.3 Curve of shear stress of rice starch and different starch soaking time with shear rate

2.4 大米浸泡處理后淀粉的黏彈特征

動態(tài)流變學(xué)是以溫度或頻率作為變化因子,在非破壞性區(qū)域內(nèi)通過研究儲能模量(G′)和耗能模量(G″)的變化來探究淀粉體系結(jié)構(gòu)信息[24].。其中G′是反映流變特性的最主要的動態(tài)流變參數(shù),用來表征大米淀粉糊的彈性特征。大米淀粉的凝膠強(qiáng)度和硬度的變化都可以通過G′的變化反映出來,G′值越大,說明大米淀粉凝膠的強(qiáng)度越大[25]。

由圖4可知,以恒定的速率(3 ℃/min)加熱,大米淀粉的G′值變化。在加熱過程中,大米淀粉的儲能模量G′值起初幾乎不變;當(dāng)溫度上升到70 ℃左右時,G′值開始急速上升,這表明隨著溫度升高淀粉開始糊化,懸濁液開始轉(zhuǎn)化為溶膠狀態(tài),可能是由于直鏈淀粉從膨脹的淀粉顆粒中析出[26],同時膨脹的淀粉顆粒與析出的直鏈淀粉纏繞形成密集的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[27],一些膨脹的淀粉顆粒填充其中,故G′值迅速增加;當(dāng)溫度上升到75 ℃之后,G′值開始有所下降,表明長時間的加熱導(dǎo)致淀粉的凝膠結(jié)構(gòu)被破壞,這可能是因為膨脹的淀粉顆粒中的剩余結(jié)晶區(qū)融化,淀粉顆粒變得松散;或者是由于淀粉顆粒中的支鏈淀粉解纏,使淀粉顆粒變軟[28-30],也可能是由于系統(tǒng)熵值達(dá)到最大,三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遭到破壞,隨著氫鍵斷裂和大量淀粉顆粒的破裂,系統(tǒng)強(qiáng)度降低,G′值開始降低[31]。

圖4 大米淀粉懸濁液在升溫過程中的動態(tài)振蕩流變圖Fig.4 Dynamic oscillatory rheological diagram of rice starch solution during heating process

表3 大米淀粉懸濁液的動態(tài)流變特性Table 3 Rice starch solution of the dynamic rheological properties

3 結(jié)論

本實驗結(jié)果表明,浸泡處理對大米淀粉糊化特性和流變學(xué)性質(zhì)有一定程度的影響。隨著浸泡時間的延長,大米淀粉的峰值黏度和崩解值顯著提高(p<0.05),糊化溫度有一定程度的降低;最終黏度和回生值則隨浸泡時間的增長先上升后下降,其糊化特性發(fā)生變化;同時,經(jīng)過浸泡處理的大米淀粉的凝膠結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、黏彈性與未經(jīng)處理的大米淀粉凝膠相比存在顯著性差異。為企業(yè)的實際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。