3 種功能性甜味劑對(duì)大米蒸煮品質(zhì)和消化特性的影響

裴 斐，倪曉蕾，仲 磊，楊文建，姚軼俊，馬 寧，方 勇，胡秋輝

（1.南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省糧油品質(zhì)控制及加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省現(xiàn)代糧食流通與發(fā)全協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210095）

中國是大米生產(chǎn)和消費(fèi)大國，有60%以上的人口以大米為主食。隨著人們生活水平和消費(fèi)能力的提高，對(duì)日常飲食的要求逐漸提升，大米的蒸煮品質(zhì)越來越受到重視。大米的淀粉結(jié)構(gòu)、含水率和營養(yǎng)組分對(duì)其蒸煮品質(zhì)有重要影響[1]，造成了在蒸煮和食用過程中米飯糊化和回生特性的差異，從而影響其持水力、硬度和貯藏期間淀粉的回生程度。回生會(huì)影響大米等淀粉類制品的品質(zhì)并縮短貨架期[2-4]。因此，如何改善米飯組分及淀粉品質(zhì)特性，提升米飯蒸煮品質(zhì)尤為重要。

目前，米飯及淀粉品質(zhì)特性的改善主要通過物理和化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)。其中，物理方法主要利用超高壓、超聲波和擠壓處理[5-8]，對(duì)設(shè)備選型要求較高，不利于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。化學(xué)方法主要包括添加一些親水性膠體、小分子鹽、糖、乳化劑和酶對(duì)大米進(jìn)行處理，從口感、質(zhì)構(gòu)、回生和消化等方面改善米飯蒸煮品質(zhì)。如Tang Minmin等[9]研究了大米淀粉與黃原膠混合物的短期老化和長期老化，發(fā)現(xiàn)黃原膠對(duì)大米淀粉的回生具有顯著的抑制作用。周顯清等[10]發(fā)現(xiàn)檸檬酸浸泡后制備的蒸谷米顯著降低了體積膨脹率、碘藍(lán)值、pH值及蒸谷米飯的硬度，顯著提高了蒸谷米的色澤及其米飯的滋味、口感和綜合評(píng)分。Koh等[11]研究了不同藻酸鹽對(duì)大米面團(tuán)的結(jié)構(gòu)特性和體外消化的影響，發(fā)現(xiàn)連續(xù)的藻酸鹽相包裹淀粉顆粒，從而延緩了大米面團(tuán)的體外消化。與這些方法相比，功能性甜味劑不會(huì)影響食品原有的味道，并具有低熱量、抗齲齒和改善腸道功能等特點(diǎn)[12]，主要包括功能性低聚糖（如低聚果糖等）和功能性多元糖醇（如山梨糖醇、麥芽糖醇、木糖醇等）。已有研究表明，功能性甜味劑在淀粉性能改良等方面具有重要作用，如低聚果糖能夠抑制淀粉老化，具有耐高溫性和穩(wěn)定性[13-14]。在面包的冷凍貯藏中添加低聚果糖能夠有效延緩面團(tuán)中直鏈淀粉的重排，而添加山梨糖醇和麥芽糖醇能夠減緩面包在貯藏中水分的流失，從而抑制面包的老化[15-17]。然而，利用功能性甜味劑改善米飯的蒸煮品質(zhì)和延緩米飯回生的相關(guān)研究鮮見報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)研究低聚果糖、山梨糖醇和麥芽糖醇3 種功能性甜味劑對(duì)米飯品質(zhì)的影響，利用質(zhì)構(gòu)分析、掃描電子顯微鏡、差示掃描量熱分析、X-射線衍射分析和體外模擬消化等方法，研究這3 種功能性甜味劑對(duì)大米蒸煮品質(zhì)、熱特性、回生和消化的影響，篩選并優(yōu)化功能性甜味劑處理工藝，以得到米飯最佳的蒸煮品質(zhì)和消化特性，旨在為大米精深加工與方便米飯產(chǎn)品開發(fā)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

五常大米購于南京蘇果超市；低聚果糖（食品級(jí)）河南豫中生物科技有限公司；山梨糖醇（食品級(jí)）羅蓋特（中國）精細(xì)化工有限公司；麥芽糖醇（食品級(jí)） 山東福田藥業(yè)有限公司。

鹽酸、醋酸、氫氧化鈉、碘、碘化鉀（均為分析純）國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；α-淀粉酶 索萊寶生物科技有限公司；糖化酶 阿拉丁試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

AL1043電子天平 瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司；Spectra Max 190酶標(biāo)儀 美國美谷分子儀器（上海）有限公司；WSYH26A電蒸鍋 美的集團(tuán)股份有限公司；TM3000掃描電子顯微鏡 日本日立公司；TA-XT2i質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro Systems公司；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋 江蘇國華電器有限公司；DSC8000差示掃描量熱儀 美國PerkinElmer股份有限公司；FreeZone 12 L真空冷凍干燥機(jī) 美國Labconco公司；X-射線衍射儀 日本Rigaku Smartlab公司；葡萄糖測(cè)定試劑盒 南京建成生物工程研究所。

1.3 方法

1.3.1 大米浸泡吸水率的測(cè)定

在50 mL塑料試管中加入30 mL去離子水，置于25 ℃水浴鍋中恒溫，稱取約10 g（精確到0.001 g）大米m1放入試管，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，分別浸泡5、15、25、35 min后取出米粒，用濾紙吸干表面水分后，稱質(zhì)量記為m2[18]。浸泡吸水率按下式計(jì)算：

1.3.2 米飯的制備

根據(jù)樊奇良等[19]的方法稍作修改。將大米快速淘洗后，瀝干，放入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的低聚果糖、山梨糖醇和麥芽糖醇溶液中，米水質(zhì)量比為1∶1.4，置于25 ℃水浴鍋中恒溫，浸泡時(shí)間為30 min。將浸泡后的大米連同浸泡液放入蒸鍋中進(jìn)行蒸煮，時(shí)間為35 min，得到蒸煮米飯備用。

1.3.3 直鏈淀粉比例測(cè)定

將熟米飯進(jìn)行真空冷凍干燥后磨成粉，根據(jù)AACC 61-03[20]測(cè)定直鏈淀粉比例。

1.3.4 米飯硬度的測(cè)定

使用質(zhì)構(gòu)分析儀，采用TPA模式，測(cè)定熟米飯?jiān)? ℃冰箱中放置0、12、24 h后的硬度，從而分析不同甜味劑對(duì)米飯的回生情況。質(zhì)構(gòu)儀參數(shù)的設(shè)定：P/36R探頭，測(cè)前速率5 mm/s，測(cè)定速率0.5 mm/s，測(cè)后速率5 mm/s，觸發(fā)力5 g，2 次壓縮間隔時(shí)間5 s，壓縮程度75%。每個(gè)樣品測(cè)定6 次。

1.3.5 熱特性的測(cè)定

釆用差示掃描量熱分析樣品的糊化熱力學(xué)特性，空盤為參比。糊化特性測(cè)試過程：將原料大米粉碎并過目篩，得到米生粉。生米粉和蒸餾水按質(zhì)量比1∶3的比例添加到燒杯中，不同甜味劑以生米粉干質(zhì)量為基準(zhǔn)按照不同添加量分別加入。將燒杯置于磁力攪拌器上攪拌2 h，將處于攪拌狀態(tài)的樣品快速轉(zhuǎn)移12 mg于差示掃描量熱儀鋁盤中，置于4 ℃下平衡過夜。掃描溫度20～95 ℃，升溫速率20 ℃/min，然后再冷卻到20 ℃，保護(hù)氣為氮?dú)狻Ｍㄟ^專用配套軟件分析所得數(shù)據(jù)，比較不同處理對(duì)樣品糊化起始溫度、峰值溫度、結(jié)束溫度以及糊化焓值等熱力學(xué)參數(shù)的影響。

1.3.6 米飯微觀結(jié)構(gòu)觀察

通過掃描電子顯微鏡觀察不同處理下米飯的微觀結(jié)構(gòu)。將不同處理?xiàng)l件下的米飯真空冷凍干燥，米飯粒用強(qiáng)力膠黏于掃描電子顯微鏡的專用鋁載物臺(tái)上，離子濺射鍍膜儀中放入載物臺(tái)，在用噴金處理樣品后，取出并置于掃描電子顯微鏡下觀察。

1.3.7 X-射線衍測(cè)定

通過X-射線衍射儀分析米飯的晶型結(jié)構(gòu)。冷凍干燥造成的相對(duì)結(jié)晶度較小[21]，將4 ℃貯存24 h的米飯放于冷凍干燥機(jī)中進(jìn)行干燥，然后粉碎過80 目篩用于測(cè)定，掃描角度范圍5°～40°，掃描速率2°/min，并用MDI Jade V6.0軟件處理并計(jì)算結(jié)晶度。

1.3.8 體外消化

參照Englyst[22]的方法，并作適當(dāng)調(diào)整。稱取0.4 g米飯與5 顆玻璃磁置于25 mL三角瓶中，加入15 mL 0.5 mol/L pH 5.2的醋酸緩沖液，然后加入10 mL α-淀粉酶（290 U/mL）和糖化酶（15 U/mL）的混酶溶液，在離心管中加入5 顆小玻璃磁后，將離心管置于37 ℃、200 r/min的振蕩水浴鍋中進(jìn)行酶解反應(yīng)并開始計(jì)時(shí)。水解10、20、30、60、90、120、180 min后，分別準(zhǔn)確吸取0.5 mL水解液，加入4 mL無水乙醇進(jìn)行滅酶，然后3 000 r/min離心10 min，利用葡萄糖測(cè)定試劑盒測(cè)定不同時(shí)間段的葡萄糖含量，并計(jì)算快消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉的含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，P＜0.05，差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 功能性甜味劑對(duì)大米浸泡吸水率的影響

大米浸泡后吸水膨脹，有利于內(nèi)部淀粉吸回水分和蒸煮過程米淀粉的均一糊化[23]，縮短蒸煮時(shí)間。大米浸泡時(shí)吸水率越高，蒸煮后米飯的食用品質(zhì)越高。將大米分別浸泡在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的低聚果糖、山梨糖醇和麥芽糖醇溶液中，從圖1可以看出，與對(duì)照組相比，3 種甜味劑的添加都能夠提高大米的吸水率。在浸泡時(shí)間5 min時(shí)，1.6%低聚果糖和0.4%山梨糖醇處理下，大米吸水率顯著提高（P＜0.05），分別提高了41.23%和34.93%。其中，在浸泡時(shí)間25 min時(shí)，在1.6%低聚果糖、0.4%山梨糖醇和1.6%麥芽糖醇處理下的大米吸水率與對(duì)照組相比分別顯著提高11.18%、13.16%、12.94%，在浸泡時(shí)間25 min后，吸水率趨于平穩(wěn)。糖醇是用羥基取代醛基得到的[24]，多羥基結(jié)構(gòu)使其具有與水結(jié)合的能力，有一定的吸水性。麥芽糖醇中的羥基與水相互作用形成氫鍵并搶奪水分子，所以麥芽糖醇的加入導(dǎo)致大米的吸水率在短時(shí)間內(nèi)受到一定影響。隨著米粒吸水膨脹，大米表面縫隙增多，內(nèi)部淀粉快速吸回水分，吸水率趨于穩(wěn)定。

圖1 低聚果糖（A）、山梨糖醇（B）和麥芽糖醇（C）對(duì)大米吸水率的影響Fig. 1 Effects of fructo-oligosaccharide (A), sorbitol (B) and maltitol (C)on water absorption of rice

2.2 功能性甜味劑對(duì)米飯中直鏈淀粉含量的影響

大米中直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例是影響大米蒸煮和口感品質(zhì)的主要原因[25]。研究表明，米飯的硬度、彈性和黏性等與大米中直鏈淀粉含量密切相關(guān)。直鏈淀粉含量高的米飯較硬，而直鏈淀粉含量低的米飯較軟，水分充足，具有光澤。Li Hongyan等[26]研究表明直鏈淀粉對(duì)煮熟大米的硬度有顯著影響。如圖2所示，在0.8%和1.6%低聚果糖處理下，米飯中直鏈淀粉比例顯著降低（P＜0.05），與對(duì)照組相比分別降低了8.50%和7.36%。直鏈淀粉含量的降低可能是因?yàn)榈途酃堑奶砑釉黾恿舜竺孜剩诮莺驼糁蟮倪^程中更多直鏈淀粉溶出[27]。米飯中直鏈淀粉含量低，相應(yīng)的適口性高[28]。因此，添加0.8%、1.6%低聚果糖處理后得到的米飯直鏈淀粉含量低，硬度低，適口性高。

圖2 低聚果糖、山梨糖醇和麥芽糖醇處理對(duì)米飯中直鏈淀粉比例的影響Fig. 2 Effects of fructo-oligosaccharide, sorbitol and maltitol on the proportion of amylose in rice

2.3 功能性甜味劑對(duì)不同放置時(shí)間下米飯硬度的影響

圖3 低聚果糖（A）、山梨糖醇（B）和麥芽糖醇（C）處理后米飯放置24 h內(nèi)硬度變化Fig. 3 Changes in hardness of cooked rice treated with fructooligosaccharide (A), sorbitol (B) and maltitol (C) within 24 h

米飯硬度是反映米飯品質(zhì)最直觀的數(shù)據(jù)，且與大米蒸煮中溶出的直支比密切相關(guān)[29]。淀粉糊化后，米飯?jiān)谫A存期間極易發(fā)生老化作用，米飯的硬度增加，食用品質(zhì)降低[30]。蒸煮后的熟米飯?jiān)诜胖?4 h內(nèi)老化速度最快，后期趨于平緩[31]。實(shí)驗(yàn)分析在4 ℃下，用低聚果糖、山梨糖醇和麥芽糖醇處理的米飯?jiān)?4 h內(nèi)硬度的變化。由圖3可以看出，當(dāng)時(shí)間為0 h時(shí)，米飯硬度差異不明顯，但是隨著放置時(shí)間的延長，空白對(duì)照組的硬度顯著增加，24 h后顯著高于處理組（P＜0.05）。由此反映出低聚果糖、山梨糖醇和麥芽糖醇均能顯著延緩米飯變硬的程度。米飯?jiān)诜胖眠^程中的硬度變化可以反映米飯的回生情況，因此，低聚果糖處理組和麥芽糖醇處理組抑制米飯回生效果顯著。其中1.6%低聚果糖的添加使得米飯放置24 h后的硬度顯著降低（P＜0.05），與對(duì)照組相比降低了21.79%，回生程度顯著低于對(duì)照組和其他處理組。低聚糖是易溶于水的小分子，在淀粉糊化過程中，能夠隨著水分滲透到淀粉顆粒的內(nèi)部，與淀粉分子相互作用，達(dá)到抑制淀粉回生的效果[32]。

2.4 功能性甜味劑對(duì)樣品熱力學(xué)性質(zhì)的影響

表1 低聚果糖、山梨糖醇和麥芽糖醇處理后樣品的熱力學(xué)性質(zhì)Table 1 Changes in thermal properties of rice starch samples treated with fructo-oligosaccharide, sorbitol and maltitol

由表1可知，與對(duì)照組相比，低聚果糖和山梨糖醇處理組的糊化溫度和峰值溫度均顯著上升（P＜0.05），最終溫度無明顯變化。影響糊化溫度因素的原因有很多，如淀粉顆粒大小、晶體結(jié)構(gòu)、淀粉顆粒的形態(tài)及分布等[33]。糊化溫度的升高可能是由于這些甜味劑對(duì)可用水的競(jìng)爭(zhēng)而導(dǎo)致水的可用性降低[34]。糊化焓值是在淀粉糊化過程中雙螺旋結(jié)構(gòu)解聚和熔融所需要吸回的能量[35]，其大小受淀粉顆粒溶脹和微晶區(qū)熔融的影響，也與分子鏈的重排和水合作用相關(guān)。與對(duì)照組相比，經(jīng)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)低聚果糖處理后，米飯糊化焓值均顯著降低（P＜0.05），其中1.6%低聚果糖處理后的糊化焓值與對(duì)照組相比顯著降低了22.91%（P＜0.05）。而山梨糖醇處理組和麥芽糖醇處理組的糊化焓值與對(duì)照組之間無顯著性差異（P＞0.05）。低聚果糖的親水性較好，與水分子結(jié)合的能力強(qiáng)于大米淀粉分子，低聚果糖處理組糊化焓值顯著降低，這可歸因于水的可用性降低導(dǎo)致淀粉顆粒中結(jié)晶區(qū)域的部分糊化[36]。

2.5 功能性甜味劑對(duì)米飯微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖4 低聚果糖、山梨糖醇和麥芽糖醇處理對(duì)米飯截面微觀結(jié)構(gòu)的變化Fig. 4 Changes in microstructure of rice treated with fructooligosaccharide, sorbitol and maltitol

如圖4A所示，對(duì)照組其孔隙稀疏且顯著少于處理組。圖4B～D顯示其表面有致密的孔隙，并且分布均勻，這能夠讓米飯?jiān)趦龈珊蟮膹?fù)水率提高，復(fù)水時(shí)間縮短。復(fù)水是指在冷凍干燥工藝中形成了蜂窩狀的孔隙結(jié)構(gòu)，遇水會(huì)快速吸水填充其孔隙，致使飯粒逐漸回軟，孔隙越大，吸水回軟速度越快[37]。由圖4E～J可以看出少量孔隙。對(duì)照與其他組樣品相比，添加低聚果糖的每個(gè)樣品呈現(xiàn)出更多孔的結(jié)構(gòu)。低聚果糖等甜味劑的添加改變了米飯微觀結(jié)構(gòu)，影響了浸泡時(shí)直鏈淀粉的浸出，在蒸煮時(shí)會(huì)有更多的淀粉游離出去，進(jìn)一步導(dǎo)致了大小不等的孔洞，復(fù)水時(shí)能夠大大提升其復(fù)水性，為后期方便米飯產(chǎn)品復(fù)水提供基礎(chǔ)。

2.6 功能性甜味劑對(duì)樣品晶體結(jié)構(gòu)的影響

圖5 低聚果糖（A）、山梨糖醇（B）和麥芽糖醇（C）處理后米飯樣品的X-射線衍射圖Fig. 5 X-ray diffraction patterns of rice samples treated with fructooligosaccharide (A), sorbitol (B) and maltitol (C)

在4 ℃下貯藏24 h后，對(duì)不同樣品進(jìn)行X-射線衍射分析，如圖5所示。淀粉糊化后，破壞了原有的晶體結(jié)構(gòu)，在X衍射圖譜中無衍射峰出現(xiàn)。圖中顯示不同處理組大約均在7.8°、17.8°和20.5°處具有衍射峰。碘、脂肪酸、乳化劑等配體物質(zhì)和直鏈淀粉混合可以獲得V-型結(jié)晶結(jié)構(gòu)，在7.5°、13°和19.5°附近有明顯的衍射峰。這表明這些樣品出現(xiàn)回生現(xiàn)象，衍射峰表現(xiàn)出典型的V-型結(jié)構(gòu)。利用衍射圖計(jì)算各組的結(jié)晶度，結(jié)果表明，當(dāng)?shù)途酃翘砑恿繛?.6%和2.4%時(shí)，米飯的結(jié)晶度最小，并且低于其他處理組和對(duì)照組。這主要是因?yàn)榈途酃欠肿淤|(zhì)量小且分子結(jié)構(gòu)中含有羥基，在冷藏過程中，會(huì)與部分支鏈淀粉分子的短側(cè)鏈結(jié)合，阻礙了支鏈淀粉分子締合，抑制支鏈淀粉的重結(jié)晶，即支鏈淀粉的重結(jié)晶度降低，回生程度降低，這與常曉紅等[38]得出的結(jié)論一致。與上述硬度測(cè)定結(jié)果相對(duì)應(yīng)，說明低聚果糖延緩米飯回生效果顯著。

2.7 功能性甜味劑對(duì)米飯?bào)w外消化的影響

由圖6可知，低聚果糖、山梨糖醇和麥芽糖醇處理組體外消化水解率均低于對(duì)照組。影響淀粉消化的因素很多，如淀粉的分子結(jié)構(gòu)和添加改良劑的種類均能影響淀粉的消化水解率[39-40]。低聚果糖、山梨糖醇和麥芽糖醇的添加使得米飯消化率降低的原因可能是3 種功能性甜味劑在淀粉顆粒周圍形成了屏障，延緩淀粉水解[41]。

圖6 低聚果糖（A）、山梨糖醇（B）和麥芽糖醇（C）處理后米飯的體外消化水解率Fig. 6 In vitro starch hydrolysis rate of rice samples treated with fructo-oligosaccharide (A), sorbitol (B) and maltitol (C)

表2 低聚果糖、山梨糖醇和麥芽糖醇處理對(duì)米飯?bào)w外消化性能的影響Table 2 Effects of fructo-oligosaccharide, sorbitol and maltitol treatments on digestibility in vitro of cooked rice

Englyst[22]將體外消化實(shí)驗(yàn)中的食用淀粉分為3 類：快消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉。經(jīng)體外消化后，米飯3 類淀粉含量的變化如表2所示。各處理組的慢消化淀粉相對(duì)含量都低于對(duì)照組，而抗性淀粉相對(duì)含量都高于對(duì)照組。其中低聚果糖處理組與其他組相比，慢消化淀粉相對(duì)含量顯著降低（P＜0.05），抗性淀粉相對(duì)含量顯著增加（P＜0.05），尤其是在1.6%低聚果糖處理下效果顯著。抗性淀粉含量較多，使得淀粉水解速度較慢。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)探究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)低聚果糖、山梨糖醇和麥芽糖醇3 種功能性甜味劑對(duì)大米蒸煮品質(zhì)、抗回生效果和消化特性的影響。結(jié)果表明，3 種甜味劑浸泡處理均能夠提高大米的吸水率，降低米飯的硬度。此外，低聚果糖、山梨糖醇和麥芽糖醇處理均能降低米飯的體外消化水解率。其中，1.6%低聚果糖處理與其他處理相比，顯著降低了糊化焓值和結(jié)晶度，并表現(xiàn)出較好的微觀結(jié)構(gòu)和抗回生性。通過研究不同濃度功能性甜味劑（低聚果糖、山梨糖醇和麥芽糖醇）處理對(duì)大米蒸煮品質(zhì)、回生和消化的影響，為大米精深加工與方便米飯產(chǎn)品開發(fā)提供依據(jù)。