糙米濃漿制備及其穩定性和消化性研究

李 娟 何雪丹 陳正行 詹錦玲 余培斌 魯振杰

(江南大學食品學院1，無錫 214122)(江南大學糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室2，無錫 214122)

糙米是稻谷脫殼后的稻米籽粒，是一種100%的全谷物，富含維生素、礦物質和必需氨基酸[1]，其中60%～70%都聚積于糙米外層的米糠中，具有高營養價值。但米糠是一種柔性致密物料，難以進行細微粉碎，限制了糙米在食品深加工領域的應用和推廣。因此本研究探求一種高效的粉碎技術，將糙米加工成為糙米濃漿，實現糙米的食品化利用，從根本上解決糙米難粉碎的問題。目前谷物濃漿的加工工藝主要有傳統加工工藝、擠壓膨化工藝和乳酸菌發酵工藝[2]，本研究中采用的是傳統加工工藝。傳統食品領域常采用干法粉碎和濕法粉碎進行加工，在動齒和定齒的部件間隙中受到擠壓、摩擦與剪切從而達到粉碎效果，存在設備易損耗、衛生條件差、難控制出粉粒徑等問題。高壓微通道微粉碎技術(HMUG)是物料在高速剪切效應、流道瞬時壓降產生的空穴效應、物料與管壁的高能沖撞以及物料間的相互碰撞和摩擦作用三重作用下，產生高密度聚集的能量來實現對物料的高效粉碎。不僅能避免傳統粉碎方式的問題，還具有能耗低、處理量大、安全衛生等優點[3]。

根據我國谷物飲料的行業標準QB/T 4221—2011，谷物濃漿歸屬于谷物飲料，是指以谷物為原料，經加工調配制成的含有較多的總固形物和總膳食纖維的飲料。其中谷物添加量不少于4%(m/m)、總固形物含量≥10 g/100 g、總膳食纖維含量≥0.3 g/100 g的一類谷物產品。目前，韓國和日本在糙米飲料產業發展較快，例如早在2003年，韓國的“熊津”牌糙米濃漿就在中國達到了1億瓶的銷售量。但是，國內尚沒有成熟的糙米濃漿產品。因此，本研究探求一種高效的粉碎技術，將糙米制備成糙米濃漿，從根本上解決糙米難粉碎的問題。此外，對減少糧食副產物的產生和糧食浪費，保全糙米營養價值，具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

糙米：盤錦運通米業有限公司，水分(13.18±0.00)%,灰分(1.26±0.01)%,蛋白質(8.02±0.06)%,脂肪(2.02±0.11)%,淀粉(73.90±0.04)%；CaCl2、醋酸鈉、α-淀粉酶、羧甲基纖維素鈉：國藥公司。

1.1.2 儀器與設備

QSWR電熱恒溫鼓風干燥箱；SYF系列多功能干濕法粉碎機；直立式多功能粉碎機；KD-L50F膠體磨；BT-9300s型激光粒度分布儀；高壓微通道超細微粉碎機；HYP-314消化爐；KDN-103F自動定氮儀；LXJ-IIB型離心機。

1.2 方法

1.2.1 糙米濃漿制備

1.2.1.1 糙米預處理

選取優質的實驗原料，洗凈后105 ℃烘烤2 h。烘烤結束冷卻至室溫，備用。

1.2.1.2 干法粉碎法

預處理后的糙米用磨粉機粉碎，得到干磨粉，1∶2料水比混合，加入耐高溫α-淀粉酶[4]，加酶量15 U/g[5]，于90 ℃下酶解，酶解30 min[6]，得到糙米濃漿，于115 ℃下滅菌，時間15 min[7]，滅菌后灌裝于已滅菌的塑料瓶中。

1.2.1.3 濕法粉碎法

浸泡糙米，料水比為1∶2，常溫浸泡24 h(60 ℃浸泡1 h或夏季常溫浸泡12～18 h或冬季浸泡18～24 h)[8]使糙米組織軟化。浸泡完成后進行粗粉碎(膠體磨1次)，之后酶解，條件如1.2.1.2所示。然后進行細粉碎(膠體磨處理)得到糙米濃漿，后滅菌、灌裝，同1.2.1.2。

1.2.1.4 高壓微通道微粉碎法

糙米進行粗粉碎(多功能干濕法粉碎機，頻率40 Hz)，按照料水比1∶2混合后酶解，條件如1.2.1.2所示。漿液冷卻至室溫，用高壓微通道微粉碎機進行微粉碎，得到糙米濃漿，后滅菌、灌裝，同1.2.1.2。

1.2.2 糙米濃漿成分測定

含水量測定：105 ℃恒重法參照GB 5009.3—2010；粗灰分含量測定：干法灰化法參照GB 5009.4—2010；蛋白質含量測定：凱氏定氮法參照GB 5009.5—2010；粗脂肪含量測定：索氏抽提法參照GB/T 5009.6—2003；淀粉含量測定：酸水解法參照GB/T 5009.9—2008；總膳食纖維測定：酶重量法參照GB/T 5009.88；總固形物含量測定：參照QB/T 4221—2011。

1.2.3 糙米濃漿粒度測定

將樣品逐滴加入激光粒度分布儀樣品池中直至儀器顯示遮光度范圍在15%～25%之間，由系統給出粒子體積為權重的重量為平均粒徑分布[9]。激光功率為75 mW，室溫下測定，每個樣品重復測量3次。

1.2.4 糙米濃漿穩定性測定

以穩定系數(R)和離心沉淀率(SR)為指標，對選用的海藻酸鈉、明膠、黃原膠和羧甲基纖維素鈉4種穩定劑進行單因素實驗和正交實驗，優化出最佳的穩定劑復配方案。

1.2.4.1 穩定系數的測定

樣品稀釋10倍，在785 nm波長下測定其吸光度值A前，3 000 r/min離心10 min，再次在785 nm波長下測定上清液的吸光度值A后。R越大，則所測定的料液越穩定。

R=A后/A前

(1)

1.2.4.2 離心沉淀率的測定

準備離心管，稱量其質量m0。加入適量的樣品，稱量質量m1，3 500 r/min離心20 min。棄去上清液，再次準確稱量沉淀和離心管質量記為m2。SR值越小，料液越穩定。

SR=(m2-m0)÷(m1-m0)×100

(2)

1.2.5 糙米濃漿消化特性和血糖生成指數(GI值)測定

配制酶液：4 mmol/L CaCl2的0.1 mol/L的醋酸鈉緩沖溶液，配制成最終酶活為豬胰α-淀粉酶290 U/mL、AMG酶15 U/mL的粗酶液[10]。高速振蕩10 min，后置于37 ℃水浴搖床中恒溫活化30 min。4 500 r/min離心15 min，收集上清液(酶液)待用。

1.2.5.1 體外消化實驗

準確稱取600 mg糙米濃漿/200 mg糙米粉于含5顆小玻璃珠的50 mL離心管中，加入10 mL混合酶液，置于37 ℃，185 r/min的振蕩水浴鍋中開始反應并精確計時。水解20 min和120 min后分別準確吸取100 μL水解液加入含900 μL無水乙醇的試管中滅酶。用葡萄糖氧化酶法(GOPOD)在510 nm的波長下測定水解出的葡萄糖含量，并按以下公式進行分析計算。

RDS(%)=(G20-FG)×0.9×100/TS

(3)

SDS(%)=(G120-G20)×0.9×100/TS

(4)

RS(%)=1-RDS-SDS

(5)

SDI=(RDS/TS)×100%

(6)

式中：RDS為快消化淀粉；SDS為慢消化淀粉；RS為抗性淀粉；G20為水解20 min后樣液中葡萄糖質量/mg；FG為水解前樣品的游離葡萄糖質量/mg；G120為水解120 min后樣液中的葡萄糖質量/mg；TS為樣品的總淀粉質量/mg；SDI為淀粉消化指數。

1.2.5.2 GI值的測定

血糖生成指數(GI值)按照Goni等[11-12]建立的方法進行測量和計算。按照1.2.5.1的方法分別測定水解10、20、30、40、60、90、120、180 min之后樣液中的葡萄糖含量，按照公式計算淀粉的水解率。

淀粉水解率=(取樣時間點消化液中葡萄糖含量×0.9)÷總淀粉含量×100%

(7)

以淀粉水解率和消化時間分別作為橫、縱坐標，繪制淀粉水解曲線。計算AUC(曲線下面積)[13]，并計算GI值。

GI=39.71+0.549HI

(8)

HI=AVC樣品÷AVC參考食品(面包)

(9)

式中：HI為水解指數/%；AUC為水解曲線下方面積。

1.2.6 數據統計與分析

采用Origin 9.0軟件對實驗數據進行圖形處理；采用SPSS 18.0和Excel軟件對實驗數據進行顯著性分析，P<0.01為極顯著，P<0.05為顯著。

2 結果與討論

2.1 糙米濃漿成分測定

糙米濃漿基本成分如表1、2所示，不同粉碎方式對糙米濃漿基本成分無明顯影響。糙米濃漿中總固形物含量≥10 g/100 g；總膳食纖維含量≥0.3 g/100 g，符合QB/T 4221—2011。

表1 糙米濃漿基本成分測定/%

注：同列字母相同表示差異不顯著，余同。

表2 糙米濃漿其他成分測定/%

2.2 不同粉碎方式處理后粒徑變化

糙米經過干法粉碎處理前后，平均粒徑D50值的變化如圖1a所示。隨著粉碎時間的延長，當糙米粉碎量分別為100、125、250 g，糙米濃漿的平均粒徑D50均有顯著下降趨勢(P<0.05)。當處理時間達到150 s以上，糙米平均粒徑的下降趨勢不再顯著(P>0.05)。由此可見，當糙米粉碎量為100 g，粉碎時間為150s，所得的糙米平均粉碎粒徑最小約為106.40 μm。

糙米平均粒徑D50值隨膠體磨粉碎次數和膠體磨輥磨之間的間隙的變化如圖1b所示。隨著粉碎次數的增加，糙米濃漿的粒徑無顯著變化(P>0.05)；隨著膠體磨間隙的減小，糙米濃漿的粒徑有顯著減小的趨勢(P<0.05)。這是由于樣品在膠體磨中受到的剪切力而達到粉碎效果，剪切力的大小是由間隙的大小決定[14]。因此，當膠體磨的粉碎間隙為0.01 mm，粉碎次數為1次，所得的糙米粉碎粒徑最小(約為66.65 μm)。

圖1 不同粉碎方式對糙米濃漿粒徑的影響

糙米濃漿經過高壓微通道微粉碎處理后其平均粒徑D50值的變化如圖1c所示。糙米在不同粉碎壓力下，粉碎1至2次后，D50值均出現顯著的下降趨勢(P<0.05)；粉碎次數達3次后，糙米粒徑已無顯著下降趨勢(P>0.05)。此外，隨著微通道壓力從30 MPa升至35 MPa時，糙米的平均粒徑呈顯著下降趨勢(P<0.05)；但隨著微通道壓力的繼續升高(>35 MPa)時，糙米的平均粒徑下降不顯著(P>0.05)。因此，當微通道粉碎壓力為35 MPa，且粉碎2次后，糙米的粉碎粒徑最小可達24.38 μm且粉碎最經濟。

綜上所述，糙米經高壓微通道微粉碎技術粉碎后(35 MPa，處理2次)所得的糙米濃漿平均粒徑值最小(約24 μm)。考慮到粉碎能耗和經濟成本等因素，因此選擇經高壓微通道微粉碎技術粉碎后(35 MPa，處理2次)所制備的糙米濃漿進行后續的穩定性實驗和淀粉消化特性與血糖生成指數測定等實驗。

2.3 不同親水膠體對糙米濃漿穩定性的影響

2.3.1 單因素實驗

四種不同穩定劑對糙米濃漿穩定性的影響如表3所示。黃原膠、羧甲基纖維素鈉、海藻酸鈉的穩定系數R和離心沉淀率SR與空白對照都有顯著性差異(P<0.05)，其中，黃原膠穩定效果最好，穩定系數最大為3.07。羧甲基纖維素鈉和海藻酸鈉對糙米濃漿的穩定性次之。明膠對糙米濃漿的穩定系數最小，穩定效果最差，它的R和SR與未添加穩定劑的空白對照無明顯差異(P>0.05)。

表3 單一穩定劑對糙米濃漿穩定性的影響

2.3.2 正交實驗

選取單因素試驗2.3.1中穩定效果最優的3種穩定劑進行正交實驗。穩定劑復配實驗設計方案和穩定劑正交復配如表4、表5所示。

表4 穩定劑復配實驗水平因素設計表

表5 穩定劑復配L16(43)正交實驗結果

圖2分別為3種穩定劑穩定系數和離心沉淀率的極差分析表，反映了不同穩定劑對糙米濃漿穩定系數和離心沉淀率的影響。由極差分析可得出2組優化水平組合(表6)，分別是A2B1C4和A2B2C4。羧甲基纖維素鈉對穩定系數和離心沉淀率的影響最大，綜合平衡以確定最優工藝條件，可以參考正交實驗中羧甲基纖維素鈉的添加量為0.05%(m/V)的組別中的數據。最終確定最優方案為A2B1C4，即穩定劑添加量為羧甲基纖維素鈉0.05%(m/V)，黃原膠0.15%(m/V)，不添加海藻酸鈉。以此方案添加的糙米濃漿離心沉淀率為(5.23±0.13)%。

圖2 穩定系數R和離心沉淀率SR極差分析直觀圖

實驗指標主次順序優化水平組合穩定系數RACBA2B1C4離心沉淀率SRACBA2B2C4

2.4 消化特性與血糖生成指數測定結果

2.4.1 體外消化實驗

高壓微通道微粉碎處理后，糙米中的淀粉消化特性變化如表7所示。經過微通道微粉碎后，慢消化淀粉比例有所下降，快消化淀粉含量增加。這可能是因為粉碎過程中破壞了淀粉的顆粒結構，產生破損淀粉[15]，結構疏松，導致淀粉更容易被酶解，進而提高了淀粉的消化指數。

表7 高壓微通道微粉碎對淀粉消化性的影響

圖3 糙米濃漿與糙米、白面包的水解曲線

2.4.2 血糖生成指數

根據圖3糙米濃漿水解曲線圖式(6)～式(8)計算可得GI值(表8)。將GI值曲線經過平滑處理，計算得糙米濃漿和糙米均為GI值低于55的低血糖食品，遠低于人們常食用的大米飯的GI值88。因此，糙米濃漿特別適合需要控制血糖的和控制體重的人群食用。

表8 糙米與糙米濃漿的GI值

3 結論

基于高密度能量聚焦粉碎原理的高壓微通道超細微粉碎技術突破傳統粉碎方式的局限性，顯現出較好的粉碎優勢。通過高壓微通道微粉碎技術可顯著降低糙米濃漿的平均粒徑，最小粒徑可達24 μm且制得的糙米濃漿感官特性較好。本研究并對糙米濃漿中存在的主要問題即穩定性問題進行了深入研究。糙米濃漿中添加0.05%(m/m)的羧甲基纖維素鈉和0.15%(m/m)的黃原膠可使糙米濃漿的離心沉淀率從19.69%降至5.23%，顯著提升糙米濃漿的懸浮穩定性，進而解決了糙米濃漿貯藏穩定性差的關鍵問題。最后對糙米濃漿的營養健康性進行了研究，實驗結果表明糙米濃漿的GI值為40.28，屬于低血糖食品，特別適合需要控制血糖以及控制體重的人群食用。