大米儲藏過程品質變化及其動力學

趙卿宇，郭 輝，陳博睿，沈 群

（中國農業大學食品科學與營養工程學院，植物蛋白與谷物加工北京市重點實驗室，國家果蔬加工工程技術研究中心，北京 100083）

大米是世界各地主食的主要來源，90%以上的大米在亞洲生產和消費，其中，中國是最大生產國。2018年中國的大米產量是21 212.90萬 t，除了工業用糧和食用之外，每年剩余大量大米需進行儲藏。通常推薦低溫和可控氣調儲藏大米。但由于冷卻系統的初始成本高，而可控氣調儲藏需要特殊的包裝和儲存設施，對成本要求也較高，故均不適用于發展中國家[1]；因此開展不同儲藏條件下大米品質變化的研究，最大限度地保持大米品質是很有必要的。

大米隨著儲藏時間的延長，其物理、化學特性會發生變化，例如大米籽粒會進行新陳代謝，體內各種酶活性下降，細胞的呼吸強度減弱[2]。影響大米儲藏品質變化的內因主要有蛋白質、脂類和酶活力等的變化，外因主要包括溫度和濕度等儲藏條件的變化[3]。最近的研究多集中在包裝[4]、輻照[5]、紅外干燥[6]、真空度[7]和高壓處理[8]對大米儲藏特性的影響，而對儲藏溫度則較少關注。大米儲藏是一個復雜的變化過程，其通過綜合作用影響微觀結構、食用品質等。氣味是影響大米食用品質的主要因素之一，傳統的氣相色譜-質譜（gas chromatographymass spectrometry，GC-MS）法耗時長、靈敏度低，而電子鼻技術存在精確度低、結果重現性差等缺點，故需要開發一種快速、靈敏、高通量且結果直觀的鑒定方法。目前GC-離子遷移譜（ion mobility spectrometry，IMS）作為一種新的聯用技術，將GC技術的簡易快捷與IMS法的高分辨、高準確度分析有機融合。GC-IMS近些年陸續應用在食品研究領域，國內外相關文獻較少且主要集中于肉[9]、蛋[10]、油摻假[11]以及大米溯源[12]等方面，鮮見在儲藏大米中應用的報道。食品加工和儲藏過程中品質損失動力學回歸模型的研究一直是個熱點問題，目前大米品質的動力學研究多側重于表面油脂變化[13]、VB1和VB2含量變化[14]和糊化特性[15]等，缺乏對大米儲藏期間其他重要品質指標的系統研究。

本實驗以中國東北地區產量較高的‘遼星’大米為對象，研究其在不同儲藏溫度下理化性質、微觀形態、外觀特性、質構特性、蒸煮特性、糊化特性和氣味成分的變化規律，找出各項指標與儲藏時間及儲藏溫度的動力學關系，旨在為大米儲藏提供一定的科學依據和參考價值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

‘遼星’大米（2015年收獲）由中儲糧沈陽直屬庫提供。

三羥甲基氨基甲烷（Tris） 美國Amresco公司；5,5’-二硫代二硝基苯甲酸鹽（5,5’-dithio bis-(2-nitrobenzoic acid)，DNTB） 美國Sigma-Aldrich公司；甘氨酸 國藥集團化學試劑有限公司；脲、鹽酸胍北京化工廠；所有溶劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

KDY-9820凱氏定氮儀 北京通潤機電技術有限公司；V1800可見分光光度計 尤尼柯（上海）儀器有限公司；FE20K pH計 上海青浦滬西儀器廠；ColorQuestXE 色差儀 美國HunterLab 公司；JSM-5610LV掃描電子顯微鏡 日本電子公司；TX-XT Plus質構儀 英國Stable Micro Systems公司；TecMaster快速黏度分析儀 澳大利亞Newport Scientific儀器公司；FlavourSpec?食品風味分析與質量控制系統德國G.A.S.公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

取稻谷用小型礱谷機去殼得到糙米，再在碾米機上制成GB/T 1354—2018《大米》所規定的標準一等大米；制得的大米密封于聚乙烯袋中，并分別置于15 ℃、室溫（約20～25 ℃）和37 ℃氣候培養箱（相對濕度均為50%）中300 d，每隔60 d取樣。

1.3.2 理化性質測定

脂肪酸值按照GB/T 5510—2011《糧油檢驗 糧食、油料脂肪酸值測定》測定。水分質量分數根據GB/T 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》測定；蛋白質量分數根據GB/T 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》測定；脂肪質量分數根據GB/T 5009.6—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》測定；脂肪酶活力按照GB/T 5523—2008《糧油檢驗 糧食、油料的脂肪酶活動度的測定》堿滴定法測定；過氧化氫酶活力按照GB/T 5522—2008《糧油檢驗 糧食、油料的過氧化氫酶活動度的測定》測定；巰基質量分數根據Ellman試劑比色法[16]測定。

1.3.3 掃描電子顯微鏡觀察微觀形態

大米被切成約2 mm厚的橫斷面。在加速電壓下，采用掃描電子顯微鏡對儲藏0、150 d和300 d大米的橫斷面進行拍照。

1.3.4 色澤的測定

約50 g大米倒進石英皿中，采用色差儀通過標準光源照射測得L*、a*、b*值。

1.3.5 質構特性測定

測試步驟：稱取10 g大米于鋁盒中，以1∶3（m/V）的比例加入蒸餾水，靜置10 min；沸水蒸制40 min，保溫10 min，取出鋁盒冷卻至室溫。測定質構時去除表面米粒，從鋁盒中心部位隨機取3 粒平行放在質構儀載物臺上進行測試。參數設定：P36/R探頭；選用TPA模式；測試類型為壓縮；測試前速率1 mm/s，測試速率0.5 mm/s，測試后速率1 mm/s；壓縮比70%。

1.3.6 蒸煮特性測定

參照王肇慈[17]的蒸煮特性實驗，測定大米的吸水率、膨脹率和米湯的固形物含量、pH值。

1.3.7 糊化特性測定

取5 g大米，粉碎后過40 目篩，快速黏度測量儀選擇Standard1程序（以水分質量分數14%為基準）進行測定。測定程序：在50 ℃下平衡1 min，再以12 ℃/min的速率升溫至95 ℃，并在此溫度下保持3 min，然后以12 ℃/min的速率降至50 ℃，并保持1.5 min。攪拌器的轉動速率在最初的10 s之內是960 r/min，此后一直是160 r/min。

1.3.8 GC-IMS分析氣味物質

取儲藏結束時的大米5 g轉移到20 mL頂空瓶中，采用FlavourSpec?食品風味分析與質量控制系統進行分析。GC-IMS分析條件：FS-SE-54-CB-0.5色譜柱（15 m×0.53 mm）；柱溫：40 ℃；載氣程序：0～2 min，2 mL/min；2～15 min，從2 mL/min升至100 mL/min；漂移氣流量：150 mL/min；載氣/漂移氣：N2；IMS溫度：45 ℃；進樣針溫度：98 ℃。GC-IMS譜圖中的樣品編號見表1。

表1 大米儲藏末期GC-IMS樣品信息Table 1 Numbering of rice samples at the end of storage under different temperatures in GC-IMS profiles

1.3.9 動力學級數的確定

零級動力學模型和一級動力學模型的計算分別如式（1）和式（2）所示。

式中：y為儲藏期間大米的品質指標；b0、b1為擬合參數；x為儲藏時間/d。

1.4 數據處理與分析

GC-IMS數據使用G.A.S.公司開發的LAV軟件中GalleryPlot插件處理。采用Excel 2016軟件進行各級動力學方程擬合。其他數據采用SPSS 22.0軟件進行統計學分析，結果以平均值±標準差表示；組間平均值比較采用Duncan’s分析（P＜0.05表示差異顯著）。采用OriginPro 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 大米在不同儲藏溫度下的理化性質變化

大米脂肪酸值越高說明大米品質越差。當大米中的脂肪酸值超過25 mg/100 g時，則被認為不宜再儲存。由圖1A可知，大米儲藏期間脂肪酸值不斷增加。在15 ℃、室溫和37 ℃下儲存時，大米分別于240、180 d和120 d達到不宜再儲存水平。高溫能促進脂肪酸值增加，是因為高溫能加速微生物對大米脂肪的水解，并促進脂肪中的油酸和亞油酸等不飽和酸的雙鍵發生氧化水解作用，產生脂肪酸。

過氧化氫酶活力在一定程度上可以反映儲糧新鮮度。由圖1B可知，15 ℃條件下儲藏時大米過氧化氫酶活力下降較緩，而室溫和37 ℃時過氧化氫酶活力下降速率快，大米新鮮度下降迅速。綜合以上兩個指標來看，儲存溫度越高，大米新鮮度下降越快，越不適宜大米儲存。

由圖1C可知，隨著儲藏時間的延長，大米水分質量分數呈下降趨勢，37 ℃儲藏大米前240 d水分質量分數下降的幅度最大，這因為高溫會使大米的游離水蒸發速度加快。高溫儲藏后期水分含量又略有升高，原因可能是此時大米內部酶（如過氧化氫酶）的活力已經很低，其呼吸作用弱，水分不易散失，重新吸附了一些水分。

如圖1D所示，大米在儲藏期間的脂肪質量分數呈下降趨勢，一方面是因為大米儲藏過程中脂肪發生水解產生過氧化物、甘油和游離脂肪酸；另一方面高溫也能促進脂質氧化產生醛酮類等物質，其中37 ℃下的脂肪質量分數下降最快。脂肪酶屬水解酶類，是脂肪分解中第一個參與反應的酶。如圖1E所示，儲藏期間脂肪酶活力不斷下降，這可能是因為儲藏大米的脂肪酸含量增加，pH值降低，導致脂肪酶活力降低。儲存溫度越高，大米脂肪酶活力下降越多，這可能因為高溫促進脂肪酸的產生，導致pH值降低，并進一步抑制脂肪酶活力。

如圖1F所示，大米蛋白質量分數在15 ℃和室溫的條件下變化幅度很小，在37 ℃條件下儲藏300 d后蛋白質量分數下降了7.08%；因此，在不同條件下儲藏對大米蛋白質含量的影響并不大，原因可能是大米中的蛋白質水解酶和肽類酶含量很少。大米巰基質量分數在儲藏期間呈下降趨勢（圖1G），是因為其在光和熱的作用下巰基轉化成二硫鍵，并且溫度越高，轉化速率越快。

圖1 ‘遼星’大米儲藏期間理化性質的變化Fig. 1 Changes in physicochemical properties of ‘Liaoxing’ rice during storage

2.2 大米在不同儲藏溫度下的掃描電子顯微鏡觀察結果

圖2 ‘遼星’大米掃描電子顯微鏡圖（×700）Fig. 2 Scanning electron microscope observation of ‘Liaoxing’ rice (× 700)

胚乳是大米主要的食用部分，胚乳淀粉的組成和結構在很大程度上能夠決定大米的品質[18]。通過掃描電子顯微鏡觀察胚乳的形態結構及淀粉顆粒的分布特點和形態可以了解大米品質形成的基礎及品質劣變過程[19]。與儲藏初期相比，在15 ℃條件下儲藏的大米胚乳表面形態基本沒有發生變化（圖2B1、B2），在室溫條件下儲藏的大米胚乳表面的裂紋變大，表面光滑度下降（圖2C1、C2），在37 ℃條件下儲藏的大米胚乳表面模糊不清，出現了不同程度的破損和坑槽，且淀粉顆粒大多變為表面粗糙的圓形或橢圓形（圖2D1、D2）。室溫儲藏的大米胚乳表面形態變化介于15 ℃和37 ℃儲藏組之間。劉海虹等[20]的研究表明，與新鮮大米相比，劣變大米胚乳橫斷面裸露的淀粉顆粒增多，表面裂痕和小孔增多，表面膜翹起程度增加且厚度下降，這與本實驗結果類似。

2.3 大米在不同儲藏溫度下的色澤變化

圖3 ‘遼星’大米儲藏期間L*（A）、a*（B）、b*（C）值的變化Fig. 3 Changes in L* (A), a* (B) and b* (C) values of ‘Liaoxing’ rice during storage

色澤是衡量大米外觀品質的重要指標，同時也影響消費者對大米的購買欲望。由圖3可知，大米L*值在儲藏期間呈下降趨勢，表明大米表面的亮度逐漸下降，顏色逐漸變暗。其中，高溫促進了亮度的下降。大米在儲藏過程中亮度下降除了可能是產生有色物質外，還可能是儲藏期間大米表面的光潔度降低，對光的反射能力下降所致[21]。儲藏期間大米a*值始終為負，說明大米顏色偏綠，且儲藏溫度越高，綠色越明顯。b*值隨著儲藏時間的延長，總體呈增大趨勢。各儲存條件下大米b*值整體呈現升高的趨勢，是因為大米表面存在脂類等物質，在儲藏期間會受到溫度、濕度等的影響而發生脂質氧化和美拉德反應，使大米的黃色變深[22]；而大米在37 ℃下儲藏過程中b*值發生了短暫的下降，可能由于長期處在高溫高濕條件下，大米會出現生蟲現象，并且在一定的時間內害蟲的數量會不斷增多，滋生的害蟲會蛀蝕大米的外皮層，從而使大米的胚乳部分暴露出來，導致大米b*值下降。

2.4 不同儲藏溫度下大米蒸煮后的質構特性變化

圖4 ‘遼星’大米儲藏期間質構特性的變化Fig. 4 Changes in texture characteristics of ‘Liaoxing’ rice during storage

質構特性是影響大米食用品質的最主要指標。通過對大米蒸煮后的質構特性進行測定可以較為直觀地反映大米的劣變陳化程度。在15 ℃條件下儲藏的大米，隨儲藏時間延長，其蒸煮后米飯硬度整體呈上升趨勢，而室溫和37 ℃儲藏組米飯則呈現出先升高后降低的趨勢（圖4A）。硬度增加可能是因為淀粉老化與蛋白質的相互作用加強，淀粉分子中的羥基和蛋白質的電荷基團形成靜電復合物，使硬度增加[23]。而室溫和37 ℃儲藏組大米在儲藏后期制得的米飯硬度下降，可能是高溫促進大米在儲存后期吸水率和膨脹率大幅增加，大米無法保持其顆粒完整性，導致大米變得松散，因此米飯硬度減小。黏著性是反映米粒對口腔接觸面黏著的性質。隨儲藏時間延長，15 ℃儲藏組米飯黏度變化不顯著；而室溫和37 ℃儲藏組米飯黏度下降顯著（圖4B），可能因為溫度升高導致更多的游離脂肪酸生成并包裹淀粉粒，導致淀粉難以糊化[24]，使黏著性下降。米飯的彈性能夠反映出米飯的口感，彈性越大的米飯越有嚼勁，儲藏期間彈性的變化表現出下降的趨勢，但沒有顯著性變化（圖4C）。

2.5 大米在不同儲藏溫度下的蒸煮特性變化

圖5 ‘遼星’儲藏期間蒸煮特性的變化Fig. 5 Changes in cooking characteristics of ‘Liaoxing’ rice during storage

蒸煮特性是評價大米食用品質的重要方法，其中的吸水率、米湯固形物含量、米湯pH值與米飯的食味關系密切，因此通過這些指標可以評判米飯食味的優劣[25]。普遍認為大米若吸水率較小、米湯固形物含量較高，則具有較好的食味水平。隨儲藏時間延長，大米在蒸煮過程中的吸水率不斷上升，這可能是因為儲藏過程中大米所含的蛋白質、果膠和纖維素等物質的細胞壁遭到破壞，增加了細胞的吸水能力[26]。在蒸煮過程中，15 ℃和室溫儲藏組的大米吸水率在較為接近，而37 ℃儲藏組變化較大，其浮動范圍為2 6 5%～3 7 2%（圖5A），這可能因為高溫使儲存大米淀粉的微晶束結構增強，能溶于水的物質減少，導致蒸煮過程中吸水率增加。膨脹率代表米飯在蒸煮過程中的脹性，其變化趨勢和吸水率較為類似（圖5B）。膨脹率過高會造成米飯變得蓬松、發軟、適口性較差。隨著儲藏時間延長，大米中的脂類降解不斷產生游離脂肪酸和其他有機酸類，使米湯pH值降低，從而導致米飯滋味降低。隨儲藏時間延長，15 ℃和室溫儲存組米湯pH值變化幅度較小；而在37 ℃儲存組米湯pH值下降幅度較大（圖5C），這可能是因為隨著儲藏溫度升高，大米脂質降解程度加劇。米湯固形物表示蒸煮過程中溶出的物質，也就是可溶性淀粉，米湯固形物含量越高代表米飯的口感越好。由圖5D可知，隨儲藏時間延長，各儲藏組米湯固形物含量下降，這可能是由于大米在陳化過程中細胞壁的溶解性下降，從而使細胞內的淀粉可溶物溶出受到抑制[27]。隨大米儲藏溫度升高，其米湯固形物含量下降幅度增加，這可能因為高溫可能促進細胞壁的溶解性下降，使米湯固形物含量下降速率增加[27]。

2.6 大米在不同儲藏溫度下的糊化特性變化

表2 ‘遼星’大米不同儲藏條件下的糊化特性Table 2 Changes in pasting properties of ‘Liaoxing’ rice under different storage conditions

峰值黏度代表著淀粉顆粒的膨脹性能，是糊化特性中最具代表性的指標之一。由表2可知，峰值黏度在儲藏期間總體呈現先上升再降低的趨勢。Zhou Zhongkai等[28]的研究表明，若儲藏期間某時段的大米峰值黏度高于其儲藏期前，說明此時的陳化程度還較低。儲藏結束后，大米在15 ℃和室溫條件下的峰值黏度高于初始狀態，而37 ℃條件下則低于初始狀態，說明高溫儲藏的大米陳化嚴重。大米在15 ℃條件下儲藏過程中谷值黏度呈上升趨勢，而室溫和37 ℃儲藏組大米在儲藏后期則表現出下降趨勢。谷值黏度增加表明淀粉顆粒還沒有溶脹到顆粒破裂的程度。大米儲藏過程中最終黏度高于初始狀態，原因可能是儲藏體系中存在較多的完整淀粉顆粒，并且周圍聚集了大量的水分子[29]。

崩解值和米飯的食味呈正相關，崩解值越大，說明在大米加熱過程中釋放出的淀粉分子越多。在15 ℃和室溫下儲藏180 d后，大米崩解值達到最大，大米在37 ℃下儲藏60 d時崩解值達到最大，表明高溫儲藏在短時間內就能促進淀粉顆粒溶脹破裂。儲藏期間大米回生值上升可能是因為直鏈淀粉及少量的凝膠化淀粉殘余物從淀粉顆粒中析出。在15 ℃、室溫、37 ℃下儲藏300 d后，大米的糊化溫度分別比儲藏前上升了6.25%、7.26%、13.43%。糊化溫度的升高會伴隨著淀粉無定形區性質的變化，淀粉分子間的結締狀態更難被水分子拆散，淀粉顆粒溶脹受到阻礙，因此淀粉難以糊化，符合陳米的特征。

2.7 大米在不同儲藏溫度下的氣味物質分析結果

大米在儲藏過程中淀粉、蛋白質、脂類等物質容易遭到破壞，加上水分和微生物的分解作用，大米氣味物質會發生很大的改變。依據特征峰選取原則，通過GC-IMS將大米樣品中不同有機揮發性物質對應的特征峰區域進行排序對照，得到如圖6所示的指紋圖譜。圖中橫軸為選取的特征峰物質，縱軸為樣品編號。圖6每一行代表一個大米樣品中全部的揮發性有機物信息，每一列代表同一揮發性有機物在不同樣品中的信息。白色表示濃度較低，紅色表示濃度較高，紅色越深表示濃度越高。從圖6a中可看出儲藏300 d后不同溫度條件下大米香氣的差異，儲藏溫度越高，大米中1-丁醇、二甲基二硫、環己酮濃度越高，故這些物質可能是大米儲藏過程中出現不良氣味的關鍵性物質。從圖6b中發現，2-丁酮單體、2-庚酮單體、2-己烯-1-醇、2-壬酮、3-甲基乙酸丁酯、2,3-戊二酮、1-辛醇、1-戊醇單體、1-戊醇二聚體、苯甲醛單體、苯甲醛二聚體等物質在3 個溫度下濃度沒有變化。

可通過不同特征區域的對比判別儲藏期間氣味差異，但仍受限于觀察者的主觀性，無法實現GC-IMS三維譜的數字化表達。故以選取的特征峰對應的峰強度值為特征參數變量進行主成分分析，得到圖7。不同溫度的GC-IMS數據經主成分分析處理后可以明顯區分開，表明了GC-IMS對儲藏期間大米香氣鑒別的可能性。儲藏期結束后，3 個溫度下儲藏的大米樣品分布于不同區域，說明這3 組大米在揮發性組分上已具有明顯差異。

圖6 不同儲藏條件‘遼星’大米氣相離子遷移譜圖中選取的揮發性有機物的Gallery Plot圖Fig. 6 Gallery plots of selected volatile organic compounds from GC-IMS profiles of ‘Liaoxing’ rice under different storage conditions

圖7 不同儲藏條件下‘遼星’大米的主成分分析Fig. 7 Principal component analysis analysis of ‘Liaoxing’ rice samples under different storage conditions

2.8 動力學分析結果

食品品質在儲藏過程中的變化可以用化學反應動力學來表征，且大多數與食品有關的品質隨時間的變化都遵循零級或一級反應模式[30]。對儲藏期間大米的理化性質、外觀特性、質構特性、蒸煮特性和糊化特性的各項指標進行各級動力學方程擬合，結果見表3。其中，模型決定系數越大，表示擬合效果越好。由表3可知，采用零級動力學模型可較好地反映大米儲藏過程中的脂肪質量分數、膨脹率、米湯pH值、米湯固形物含量、脂肪酶活力、脂肪酸值和過氧化氫酶活力的變化規律，一級動力學模型可較好地反映大米儲藏過程中的巰基和吸水率的變化規律。

表3 零級和一級模型決定系數Table 3 Determination coefficients or zero-order and frist-order models

續表3

3 結 論

儲藏溫度越高，對大米胚乳表面形態影響越大，37 ℃儲藏300 d時大米胚乳表面已模糊不清，并且出現了不同程度的破損和坑槽，達到了劣質大米的水平。隨著儲藏時間延長，大米L*值、水分質量分數、蛋白質量分數、巰基質量分數、脂肪質量分數、脂肪酶活力、過氧化氫酶活力、黏著性、彈性和米湯pH值、米湯固形物含量不斷下降，大米a*值、b*值、脂肪酸值、吸水率、膨脹率不斷上升，且溫度越高，這些指標變化越大。糊化特性在儲藏期間也發生了明顯的變化。綜合脂肪酸值和過氧化氫酶活力來看，溫度越高，大米新鮮度下降越快。此外，GC-IMS的數據表明儲藏期間大米的氣味已經發生改變，且這種改變主要是因為具有不良氣味的醛酮類等物質的生成。最后發現通過零級動力學模型和一級動力學模型能較好地反映大米儲藏期間品質指標的變化，但未來還需設置更多的儲藏溫度，以建立完整的動力學模型。