碾磨程度對大米特征組分和米粉品質特性的影響

王立峰 - 張 磊 姚軼俊 -王紅玲 - 徐斐然 - 王海鷗 -

(1. 南京財經大學食品科學與工程學院，江蘇 南京 210023；2. 江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心，江蘇 南京 210023；3. 南京曉莊學院食品科學學院，江蘇 南京 211171)

碾磨是作為大米加工過程中不可缺少的關鍵步驟，會對大米的特征組分(蛋白質和淀粉)的含量產生影響，由此改變大米的糊化、流變、凝膠質構等的特性。碾磨的程度被稱為DOM(Degree of milling)[1]，它不僅決定了大米的精度水平，而且由于各種營養物質(蛋白質、脂類、維生素和礦物質)都集中在大米的外層，DOM值也影響了大米的理化和營養特性。先前的研究[1-3]表明，隨著大米的碾磨程度增加，DOM值增加，大米米粉中蛋白質和脂肪含量下降，直鏈淀粉相對含量增加，米粉的糊化峰值黏度值增加，糊化溫度下降。有研究[4]表明，碾磨程度也會影響米飯的蒸煮品質，低DOM值的米飯由于膨脹吸水率更低，凝聚力和黏附力低，需要的蒸煮時間更長，隨著碾磨程度的提高，米飯外觀、口感、綜合評分總體呈升高趨勢。

目前的研究主要圍繞碾磨程度對大米理化、糊化和米飯蒸煮品質方面的影響，Sandhu等[1]對比了碾磨程度對短鏈和長鏈大米的理化、結構、糊化和蒸煮性質的影響，發現當DOM值增加時，大米的灰分、蛋白質、脂肪和礦物質含量降低，碘藍值和礦物質含量增加，米飯蒸煮時間降低，DOM增加會使得長鏈和短鏈的大米的糊化的黏度增加。Billiris等[5]的研究結果表明，未碾磨過的米比碾磨過的米需要更多的蒸煮時間和能量。對碾磨程度引起的特征組分的改變而導致的大米粉糊化后的流變和凝膠微觀結構的變化，以及不同組分對大米粉品質的相關研究相對較少，Chen等[6]采用不同的碾磨方式研究了碾磨對大米的影響，表明碾磨過程中淀粉顆粒被破壞使得碾磨后的大米粉有更強的溶解性。Sandhu等[1]通過測定不同DOM值的大米的X-射線結果表明，碾磨去除了外層蛋白質和淀粉，使得無定型區域吸收減少。但是對于碾磨程度引起特征組分改變的米粉的其他結構指標及碾磨后糊化的米粉糊的流變性、凝膠質構性質和電鏡結構方面研究較少。本研究擬著重研究碾磨程度對特征組分改變而引起的對大米粉的糊化和凝膠結構方面的影響，測定不同碾磨程度下米粉的糊化、流變性和微觀結構等特征，探究碾磨程度改變下，特征組分含量改變對大米米粉品質產生影響的原因，旨在為大米適度加工提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

特優582稻米：浙江水稻研究所；

氫氧化鈉：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

濃硫酸：分析純，南京化學試劑有限公司；

直鏈淀粉支鏈淀粉標準品：北京索萊寶科技有限公司；

實驗礱谷機：BLH-3250型，浙江伯利恒儀器設備有限公司；

碾米機：JNMJ6型，浙江臺州市糧儀廠；

凱式定氮儀：K-360型，威海市海拓儀器生產有限公司；

RVA快速黏度儀：4500波通型，波通瑞華科學儀器(北京)有限公司；

質構儀：TAXI plus型，蘇州天昊儀器設備有限公司；

臺式掃描電鏡：TM-300型，日本株式會社日立制作所；

旋轉流變儀：MCR302型，奧地利安東帕公司；

X射線衍射儀：D8-Advance型，德國Bruker公司。

1.2 試驗方法

特優582號稻谷經過挑選后用礱谷機脫殼得到糙米，稱取相同質量的糙米用碾米機分別碾磨0，15，30，45，60 s后稱重，按式(1)[7]計算DOM值，為了減少可能因碾磨不均而導致的誤差，將不同DOM值的大米打粉過100目篩備用。

(1)

式中：

c——DOM，%；

m1——碾磨后輕碾米的質量，g；

m2——未碾磨的糙米的質量，g。

1.3 測定方法

1.3.1 蛋白質含量測定 按GB 5009.5—2010《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》中凱式定氮法執行。

1.3.2 淀粉含量測定 按GB/T 5009.9—2008《食品中淀粉的測定》中酶水解法執行。

1.3.3 直鏈淀粉含量測定 按GB/T 15683—2008《大米直鏈淀粉含量的測定》執行。

1.3.4 吸水指數的測定 參照Derycke等[8]的方法稍作修改如下，稱取1 g左右由1.2制得的米粉于已知重量離心管中，加入25 mL蒸餾水并分散均勻，置于沸水浴中30 min，并且每隔10 min振蕩30 s，冷卻至室溫后8 000 r/min 離心15 min，上清液置于干燥恒重燒杯中(105±5) ℃烘干至恒重，稱離心管重。米粉的吸水性指數、水溶性指數和溶脹指數分別按式(2)～(4)計算：

(2)

(3)

(4)

式中，

C1——吸水性指數；

C2——水溶性指數；

C3——溶脹指數；

W0——米粉質量，g；

W1——離心管質量，g；

W2——干燥燒杯質量，g；

W3——烘干后燒杯質量，g；

W4——離心后離心管質量，g。

1.3.5 米粉的XRD檢測 將1.2.1制得的米粉用XRD進行檢測，管電壓40 kV，管流30 mV，掃描范圍3°～50°，速率2°/min，步長0.02°。

1.3.6 糊化性質的測定 將不同碾磨程度的米粉加入25 mL 蒸餾水快速攪拌后用快速黏度分析儀檢測，采用系統檢測程序標準1，即5 ℃/min 的升溫速率升至95 ℃，并在95 ℃保持5 min；隨后樣品以5 ℃/min的速度降溫至50 ℃并保溫4 min，得到不同碾磨程度米粉的糊化參數曲線。

1.3.7 米粉糊流變性質的測定 經過RVA得到的米粉糊用動態流變儀測定其黏彈性能，將1.2制備的米粉糊轉移到流變板上，使用PP50轉子(直徑50 mm)，將上平行板向下移動至1 mm間隙，然后去除多余的懸浮液。所有試驗均在室溫下進行。

(1) 靜態流變掃描：將米粉糊樣品放在掃描范圍0.1～300.0 s-1，測定剪切應力隨著剪切速率的變化趨勢，試驗結果使用Power-law冪律方程擬合：

τ=K×εn，

(5)

式中：

τ——剪切應力，Pa；

K——稠度系數，Pa·sn；

ε——剪切速率，s-1；

n——流體指數[9]。

(2) 動態頻率掃描：將米糊按之前的方法放好，掃描應變2%，頻率范圍0.2～20.0 Hz，得到儲存模量(G′)和損耗模量(G″)，并計算tanδ(G″/G′)，以表示凝膠彈性和黏性的變化。

1.3.8 米粉糊凝膠質構的測定 從1.3.6制備的樣品轉移到有蓋子的小瓶子中冷卻至室溫，密封好以防止水分流失，并在4 ℃下儲存12 h。TPA測試采用直徑為10 mm 的P/6圓柱探頭，測試速度為0.5 mm/s，測試距離10.0 mm，測量凝膠的硬度、彈性、咀嚼性等特性。在試驗過程中除去明顯斷裂的凝膠，并測試相同批次的凝膠以避免凝膠變化的影響。

1.3.9 米粉糊凝膠微觀結構觀察 利用1.3.6處理得到的米粉糊放入模具冷卻成型，用3%戊二醛固定凝膠結構，用0.1 mol/L的磷酸緩沖液沖洗后，分別用30%，50%，70%，90%，100%的乙醇梯度洗脫除去戊二醛，經冷凍干燥后，離子濺射噴金，置于掃描電子顯微鏡下觀察其表面微觀結構。

1.4 數據分析

所有試驗3次平行，結果用(平均值±標準差)表示。采用SPSS 16.0對鄧肯檢驗進行方差分析(ANOVA)，P<0.05的概率值認為有顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 不同碾磨程度大米的組成

脫除稻殼的糙米經碾米機分別碾磨0，15，30，45，60 s后，DOM值分別為0.00%，10.89%，17.39%，22.21%，24.10%，分別定義為D1、D2、D3、D4和D5。不同DOM值大米的理化指標如表1所示。D1～D5碾磨程度逐步加深，蛋白質含量從(11.24±0.06)%降到(7.89±0.27)%，D2與D3之間的差異最顯著，淀粉含量從(70.24±1.53)%增加到(65.74±0.17)%，未呈現顯著規律。直鏈淀粉含量從(18.51±0.27)%增加到(25.93±2.42)%。賀財俊[10]和周曉晴[7]表明，碾磨過程逐漸加深，使得大米蛋白質含量降低，直鏈淀粉含量隨碾磨時間增加而增加，可能是碾磨除去了米糠層的營養物質，表層的蛋白質和脂肪被不均勻去除，促使淀粉和直鏈淀粉不同程度溶出。

表1 不同碾磨程度大米粉特征組分的含量?

? 字母不同代表具有顯著性差異(P<0.05)。

2.2 吸水性質的變化

不同碾磨程度的大米粉的吸水性性質如表2所示，各項吸水指數均隨著碾磨程度的增加而增加，吸水性指數從(11.21±0.78)%增加到(12.28±0.29)%，水溶性指數從(0.15±0.01)%增加到(0.20±0.01)%，溶脹指數從(13.24±0.93)%增加到(15.35±0.51)%。吸水性指數增加說明淀粉顆粒間隙增大，水分子很容易進入，淀粉與水分子作用加強，更多氫鍵形成了更穩定的結構也導致了水分子的不可逆吸收。從D1增加到D5，大米粉的吸水性、水溶性指數增加，直鏈淀粉含量增加，二者變化趨勢相同，與Cai等[11]水溶性與直鏈淀粉含量正相關的結論一致。加熱過程中，淀粉顆粒水化，一些可溶性淀粉會浸出到液體中[12]。蛋白質的存在會導致吸水性的降低，可能是蛋白質包裹著淀粉顆粒，限制了淀粉顆粒的膨脹和浸出能力[13]。

表2 不同碾磨程度米粉的吸水性?

? 字母不同代表具有顯著性差異(P<0.05)。

2.3 不同碾磨程度米粉的XRD特征

由圖1可知，所有樣品的X射線衍射圖譜相似，均顯示出典型的A型衍射，在2θ為15°和23°左右出峰，未解析的雙峰在2θ為17°和18°左右，與玉米、小麥和大米淀粉[14]的X射線衍射圖譜一致。隨著碾磨程度的提高，峰值強度增大，可能是碾磨程度高的米粉中蛋白質和其他非淀粉成分含量較低所致。Sandhu等[1]的研究結果表明，非淀粉物質如蛋白質會使無定型區域吸收峰增強，結晶區域的吸收峰強度隨著碾磨程度的增加而加強，其結論與本試驗結果一致。此外，蛋白質的去除可促進水分子滲透和淀粉的相互作用，從而提高了峰的衍射強度。

2.4 不同碾磨程度米粉糊化性質

不同碾磨程度米粉的糊化曲線如圖2所示，糊化參數如表3所示。隨著碾磨程度加深，米粉糊化的峰值、谷值、最終黏度都顯著上升，糊化溫度顯著下降，峰值黏度從(2 025.0±169.2) cp增加到(4 847.0±140.5) cp，谷值黏度從(1 169.0±100.8) cp增加到(3 246.0±90.2) cp，最終黏度從(2 438.0±156.8) cp增加到(5 897.0±121.7) cp，糊化溫度從(71.82±0.67) ℃下降到(70.10±0.04) ℃，其中D2和D3之間的數值差異最顯著。

圖1 不同碾磨程度米粉XRD

峰值黏度是米粉在高溫下快速剪切所能達到的最高黏度，反映了淀粉顆粒在糊化過程中溶脹和結合水的能力[15]，碾磨程度高的米粉峰值黏度也較高說明其吸水溶脹性能較好，且糊化穩定性高。崩解值是峰值黏度和谷值黏度的差值，通常與淀粉顆粒在高溫剪切下的膨脹破裂趨勢有關[16]。崩解值增加，說明由于碾磨程度增加，蛋白質或其他物質對水分子進入淀粉顆粒的限制減少，同時淀粉顆粒吸水破裂的阻礙降低。回復值從(1 269.0±56.6) cp增加到(2 650.0±49.6) cp，回復值反映了短期內淀粉分子的重排回生，回復值越大，表明形成的淀粉凝膠強度越大。碾磨過程中由于蛋白質等其他物質的含量減小，導致體系的回生能力增強。

李艷等[2]對比了堿處理得到的不同蛋白質殘留量的大米淀粉的糊化特性，蛋白質含量低的淀粉糊化黏度高，與本試驗結論一致。糊化峰值黏度、谷值黏度、崩解值、峰值時間、回復值均增加，糊化溫度降低，說明碾磨使得大米粉更易糊化。低碾磨程度的米粉的低黏度值可能是蛋白質和淀粉之間對水分子的競爭較高或者蛋白質分子包裹淀粉顆粒阻止水分子進入淀粉顆粒[17-18]。

2.5 不同碾磨程度米粉糊的流變特性

2.5.1 靜態流變特性 如圖3所示，所有樣品的剪切應力都隨著剪切速率的增加而增加，同樣剪切速率下，碾磨程度高的米粉體系有著更高的剪切應力，尤其是D2和D3之間的差值是最顯著的，與之前RVA結果一致，高剪切力的樣品結構往往具有更高的穩定性[12]，所以D5的剪切應力最高，說明碾磨程度更高的體系結構更穩定。曲線按照Power-low冪律方程擬合的結果如表4所示，R2>0.9，說明冪函數能較好地描述流體曲線，n<1，說明不同碾磨程度的米粉糊均為非牛頓假塑性流體，K值能反映流體的黏度特征，K值越高，流體的增稠性、假塑性越大[19]，黏度越大[20]。K值隨著碾磨程度的提高而增加，從(161.46±3.58) Pa·sn增加到(296.618±8.229) Pa·sn，與RVA的結果趨勢是一致的。

圖2 不同碾磨程度的米粉RVA黏度變化曲線

表3 不同碾磨程度米粉的糊化曲線參數?

? 字母不同代表具有顯著性差異(P<0.05)。

圖3 不同碾磨程度米粉糊靜態流變圖

Table4Fittingresultsofpowerlawequationforstaticrheologicalcurveofriceflourpastewithdifferentmillingdegrees

碾磨程度K/(Pa·sn)nR2D1161.460±3.580a0.197±0.060a0.997D2215.364±8.044b0.182±0.010b0.995D3276.167±12.526c0.167±0.183c0.987D4284.475±11.510c0.151±0.010c0.990D5296.618±8.229c0.149±0.008c0.982

? 字母不同代表具有顯著性差異(P<0.05)。

2.5.2 動態流變特性 如圖4所示，不同碾磨程度的米粉糊在25 ℃下儲存模量(G′)、損耗模量(G″)和tanδ(G″/G′)的值均隨著掃描頻率的增加而增加，碾磨程度D2與D3之間G′和G″的差值最大，與之前的數據2.4趨勢一致。動態流變的結果表明，碾磨程度增加，G′和G″的值均增加，說明樣品的黏度和彈性均增加。tanδ的變化趨勢與G′和G″的變化趨勢相同，均隨蛋白質含量的降低而增大。Tanδ<1，說明G″的值遠低于G′，凝膠黏度的變化遠小于彈性的變化。因此，碾磨程度提高，蛋白質濃度降低，淀粉分子間的相互作用增強，凝膠的黏度、彈性及強度增加。

2.6 不同碾磨程度米粉的凝膠質構特性

由圖5可知，隨著碾磨程度的增加，凝膠的各項質構參數尤其是硬度在顯著增加，咀嚼性、黏聚性和回復性在TPA凝膠測試中的變化較小，直鏈淀粉老化是硬度增加的主要原因。碾磨程度較低的樣品，會含有除淀粉之外的很多物質如蛋白質，阻礙淀粉分子之間通過氫鍵重排，隨著碾磨程度的增加，米粉凝膠的硬度增強，說明通過碾磨去除了外層的蛋白質等物質后，米粉淀粉分子間的作用增強。質構結果表明碾磨過程降低了蛋白質濃度，削弱了蛋白質與淀粉尤其是與直鏈淀粉的相互作用，但是增強了淀粉分子內部氫鍵和凝膠網絡的形成，所以碾磨程度高的米粉蛋白含量低而淀粉含量高，但是凝膠強度更大。

圖4 不同碾磨程度米粉糊動態流變特性

2.7 不同碾磨程度米粉凝膠微觀結構

米粉糊化，凝膠固定，凍干，取完整部分觀察微觀結構，不同凝膠在500倍和1 200倍下的結構如圖6所示。隨著研磨程度的增加，蛋白質比例降低，由于吸水膨化不完全的顆粒減少，凝膠層變薄，結構密度增強，凝膠結構更加均勻、光滑。相似地，Joshi等[21]的研究表明在扁豆淀粉中添加扁豆蛋白，當淀粉比例高于蛋白時，蛋白比例越低凝膠電鏡結構更加精細，說明淀粉凝膠網絡的形成過程中，蛋白質會有部分阻礙作用。碾磨加工過程使得米粉的結構更加精細，削弱了蛋白質對淀粉凝膠結構的影響，米粉中淀粉分子間相互作用較強，凝膠結構更均勻光滑。

圖5 不同碾磨程度米粉的凝膠質構特性

圖6 不同碾磨程度米粉凝膠微觀結構

3 結論

隨著碾磨程度的增加，大米中蛋白質含量降低，直鏈淀粉相對含量增加，大米粉的糊化黏度增加，糊化溫度降低，糊化的米粉糊流動性降低，流體假塑性提高，老化后凝膠硬度更大，凝膠微觀結構質地也更為均勻穩定，淀粉特征峰的吸收強度也相應增加。結果表明，碾磨加工對大米粉的糊化和短期老化有促進作用，碾磨程度高的大米粉在糊化期間穩定性更高，碾磨主要除去的是外層蛋白質，可以推測蛋白質對淀粉的糊化有阻礙作用，短期老化期間淀粉分子之間通過氫鍵的相互作用增強，蛋白質對淀粉分子間氫鍵的形成有阻礙作用。從大米特征組分變化角度說明了碾磨程度對大米粉品質特性的影響，不同碾磨程度的大米粉的不同特性可為大米生產加工及提高大米整體碾米利用率提供有效的理論依據，碾磨時間間隔均為15 s，而D2和D3之間的各項指標參數差異最為顯著，即碾磨30 s的大米與未加工的大米有顯著差異。