不同品種大米理化性質的探究

王德生，王睿，商文婷，周中凱*

（1.天津科技大學食品工程與生物技術學院，天津 300457；2.海南大學食品科學與工程學院，海南 海口 570228）

大米作為我國重要的主食之一，具有豐富的營養價值，其中亞油酸含量是菜籽油的2倍～5倍，同時大米中蛋白質和氨基酸的構成比例也遠高于小麥、大麥和玉米等農作物。國內主要將大米分為3類：粳米、秈米和糯米[1]。粳米是用粳型非糯性稻谷碾制成的米，形狀為橢圓形，米粒顏色為蠟白，呈透明或者半透明，質地較為堅硬；用秈型非糯性稻谷制成的米稱為秈米，秈米形狀呈現細長型，長度在7 mm以上，質地脆弱易碎，米粒顏色偏白色半透明居多；糯米又稱為江米，米粒顏色為白色不透明，質地較為脆弱，易碎，糯米也有粳秈之分，秈糯米的米粒一般呈長橢圓形或細長形，粳糯米一般為橢圓形，顏色大多為白色不透明，也有半透明狀。大米的生長受到很多外界因素的影響，如氣候、水分、土壤和環境等，其中環境氣候的變化對大米的生長起著非常重要的作用。在海南省黎族地區，就生長著一種獨特的稻谷，人們稱其為“山蘭米”，由于海南獨特的地理位置和氣候，使得山蘭米成為黎族地區獨有的品種。山蘭米是旱生山蘭糯稻谷，生長能力頑強，在生長收割過程中，不施加任何肥料，因此產量很少，但營養價值極高，相比于普通稻谷來講，具有較高含量的鐵、硒、鋅等微量元素。山蘭米從顏色上劃分，又分為白米、紅米和黑米，其中紅米最為獨特，只生長在北緯18度的綠色無污染的五指山地區[2-3]。目前，關于報道山蘭米相關性質的文獻還很少，也并未有相關文獻系統地報道過山蘭米的理化性質。因此，通過研究山蘭米的相關性質，對后續山蘭米的開發利用起著重要的指導意義。本文通過快速黏度分析（rapid viscosity analysis，RVA）、X-射線衍射（X-ray diffraction，XRD）、差式掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）分析、體外消化、流變學對4種大米的理化性質進行探究，為山蘭米的進一步研究提供相關理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鹽豐4期粳米、鑒真2號秈米、山蘭米（白）和山蘭米（紅）：市售。

唾液淀粉酶（500 U/g）、胃蛋白酶（15000 U/g）、中溫 α-淀粉酶（2 000 U/mL）、糖化酶（100 000 U/mL）、淀粉酶（1 500 U/mL）：阿拉丁試劑（上海）有限公司；冰乙酸、無水乙醇（分析純）：上海國藥集團化學試劑有限公司；鹽酸、氫氧化鈉、無水乙酸鈉（分析純）：天津江天化工技術有限公司；葡萄糖試劑盒：長春匯力生物技術有限公司。

1.2 儀器與設備

FW-100高速多功能磨粉碎機：天津市泰斯特儀器有限公司；DSC3差示掃描量熱儀：梅特勒托利多公司；TechMaster2快速黏度分析儀：Newport Scientific公司；Mars60哈克紅外流變聯用儀：賽默飛世爾科技（中國）有限公司；D8Advance X射線衍射儀：德國布魯克公司；TU-1810紫外可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；TS-110XS水浴恒溫振蕩器：上海科辰實驗設備有限公司；7890A-5975氣相色譜-質譜聯用儀：美國Agilent公司；DVB/CAR/PDMS固相微萃取頭：美國Supelco公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

將4種不同品種的稻谷進行清理、礱谷、碾米、過篩等制備成米粉后放入密封袋中進行下一步理化性質的測定。

1.3.2 大米的糊化特性分析

根據美國谷物化學協會的標準方法[4]進行測定，準確稱取3 g樣品放置于鋁制瓶內，用量筒量取25 mL蒸餾水加入其中，并混合均勻，放置于快速黏度分析儀中進行測量，并記錄樣品曲線所對應的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、崩解值、回生值和成糊溫度。

1.3.3 大米的晶型結構分析

將過篩后的樣品采用X射線衍射儀對樣品的晶型結構進行測定，掃描速度為2°/min，掃描角度2θ=5°～40°，電壓 40 kV，管流 30 mA。將得到的 X-射線衍射圖譜采用Jade 6.5軟件對樣品的彌散區和結晶區進行擬合，計算樣品的結晶度，計算公式如下。

RC/%=Ac/（Ac+Aa）×100

式中：RC為樣品的相對結晶度，%；Ac為結晶區部分面積；Aa為非結晶區部分面積。

1.3.4 大米的熱特性分析

準確稱取4 mg樣品置于DSC儀鋁制空坩堝內，向坩堝內加入10 μL蒸餾水并混合均勻，加蓋然后使用壓片機壓片，將制備的樣品放置于室溫（25℃）靜置平衡12 h，然后將其放置于DSC儀器內盤中，并采用相同質量的空坩堝作為空白對照，然后以10℃/min升溫速率進行升溫，升溫范圍為25℃～120℃，進行掃描[5]，將掃描后的曲線采用DSC儀自帶的分析軟件對曲線進行擬合積分，計算出樣品兩次掃描的起始溫度（To）、峰值溫度（Tp）、終止溫度（Tc）和熱焓值（△H）的變化。

1.3.5 大米的流變學特性分析

1.3.5.1 動態流變特性測定（黏彈性）

選用直徑為35mm的平板模具，間隙設置為0.1mm。設定流變儀溫度為25℃，角頻率為10 rad/s，進行振幅掃描，確定樣品的線性黏彈區振蕩頻率。頻率范圍：0.1 rad/s～100 rad/s，應變 0.5%。

1.3.5.2 靜態流變特性測定（觸變性）

流動掃描，測試溫度25℃，剪切速率從0～300 s-1遞增，再從300s-1～0遞減，設置程序連續，中間不間斷。

1.3.6 大米的體外消化分析

準確稱取200 mg樣品于250 mL錐形瓶中，向其中加入300 μL的唾液淀粉酶溶液（取300 μL唾液淀粉酶原液溶解于25 mL醋酸-醋酸鈉緩沖液中），在水浴振蕩搖床（37℃，120 r/min）中振蕩 5 min，向其中加入15mL胃蛋白酶（將250mg胃蛋白酶溶解于0.02mol/L的鹽酸中），并振蕩反應30min，再向反應物中加入15mL 0.02 mol/L NaOH溶液和25 mL無酶醋酸鈉緩沖液和10 mL復合酶溶液（取中溫α-淀粉酶600 μL和糖化酶100 μL溶解于50 mL的pH5.0的醋酸-醋酸鈉緩沖液中），在 37 ℃下繼續反應 12 h，在 0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、6.0、9.0、12.0 h 分別取 1 mL 反應液，然后于1 000 r/min離心10 min，取上清液于沸水浴下滅酶10 min，冷卻后用葡萄糖試劑盒法測定反應液中的葡萄糖含量，每次取樣測量3次，取平均值。

水解淀粉含量/mg=樣品中葡萄糖含量（mg）×0.9

1.3.7 頂空固相微萃取

1.3.7.1 生樣品處理

準確稱量5 g生樣品于30 mL頂空瓶中，并加入20 μL 20 mg/L 2，4，6-三甲基吡啶后旋緊瓶蓋。 在 60℃的水浴中平衡15 min后將萃取頭緩緩插入頂空瓶中30 min，使萃取頭纖維暴露在空氣中。然后在進樣口于250℃下解吸附7 min，用于氣相色譜-質譜聯用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）分析。

1.3.7.2 蒸煮樣品處理

準確稱量5 g樣品和7 mL蒸餾水于30 mL頂空瓶中，用保鮮膜封口。在電蒸鍋中蒸煮60 min后，放于60℃的水浴鍋中靜置60 min。之后的平衡和萃取條件同1.3.7.1。

1.4 數據統計及處理

將所得的數據采用Statistix 9進行數據分析，分析各指標差異顯著性，鄧肯氏多重比較法（Duncan's multiple range test）進行多重比較。通過origin 8.5軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 黏度性質分析

不同品種大米的黏度變化見圖1。

圖1 不同品種大米的黏度曲線Fig.1 Pasting profiles of different varieties of rices

從圖1中可以看出，粳米和秈米的RVA譜圖較為接近，說明二者的糊化過程相似，其中粳米和秈米的峰值黏度、谷值黏度和崩解值均高于山蘭米，這說明了粳米和秈米的熱糊穩定性較差，而山蘭米則具有較強的耐高溫和抗剪切能力，從而賦予了樣品糊較高的穩定性，其中山蘭米（紅）尤為顯著。山蘭米的回生值高于粳米和秈米，這歸因于樣品糊在冷卻的過程中，淀粉分子之間在氫鍵的作用下發生分子之間的重排，促進了老化回生行為的發生。4種樣品的成糊溫度均在80℃～90℃之間，其中山蘭系列米的成糊溫度高于粳米和秈米，山蘭米（紅）在4種樣品中呈現最高的成糊溫度，88.85℃，這說明山蘭米（紅）中較高的直鏈淀粉含量和較為致密的晶體結構在一定程度上減緩了淀粉顆粒吸水膨脹的速度。舒慶堯等[6]發現了類似的結果，一般淀粉的直鏈淀粉含量越高，其峰值黏度、崩解值越小，而最終黏度和回生值則越高。

2.2 結晶結構

不同品種大米的X-射線衍射圖見圖2。

圖2 不同品種大米的X-射線衍射圖Fig.2 X-ray diffraction patterns of different varieties of rices

大部分米粉中都含有約75%的淀粉，而淀粉又是一種多晶體聚合物，其顆粒結構由結晶區、亞微晶區和非晶區構成，結晶區是分子之間較為致密的結構所致，因而在X-射線衍射圖譜中會呈現尖峰衍射特征，而亞微晶和非晶區則是由于樣品內部晶粒結構小和結晶的不完全所致，在衍射圖譜中會呈現彌散衍射特征。結晶區的大小一般與支鏈淀粉雙螺旋結構的相互作用程度、雙螺旋的取向和晶體的大小等因素有關[6-7]，而非晶區大部分是由于直鏈淀粉和支鏈淀粉分叉導致的不規則排列，因而非晶區之間的分子排列無序，較為松散，穩定性較差。從圖2中可以看出，4種樣品均在 15°、17°、18°和 23°附近出現特征衍射峰，是屬于典型的A型結晶結構[7-8]，其中秈米的結晶度最高，為39.49%，這可能歸因于秈米中較高含量的支鏈淀粉，通過氫鍵作用形成雙螺旋結構，排列成較為有序的結晶結構，而山蘭米的相對結晶度低于粳米和秈米，這主要是歸因于無定形區的直鏈淀粉大部分以游離的或者松散的結構聚集在一起，因此造成顆粒內部結構較為松散，結晶度相對較低。

2.3 不同品種米粉的熱特性

不同品種大米的熱力學值變化見表1。

米粉中的淀粉顆粒在加熱的過程中吸水膨脹，分子間的氫鍵斷裂，達到糊化溫度之后，淀粉顆粒發生非晶化轉變，顆粒中有序的晶體結構變成無序的非晶體結構，并伴隨著能量的變化，從而在差式掃描量熱儀的圖譜中出現吸熱峰，因此可以根據所出現的起始溫度To、峰值溫度Tp、終止溫度Tc和熱焓值ΔH的變化來反映顆粒內部結構的變化[9]。從表1中可以看出，山蘭米（紅）呈現較高的峰值溫度Tp和熱焓值ΔH，熱焓值的變化則反映了淀粉顆粒在相變過程中雙螺旋結構的解聚所需要的能量，是表示顆粒中有序結構的變化，而不是結晶度的破壞，這主要是由于淀粉顆粒之間的緊密連接是由于支鏈淀粉雙螺旋結構之間的相互束縛，而不是結晶體之間的密集性聚集[10]。因此，ΔH的降低是由于顆粒內部的雙螺旋結構被破壞，淀粉顆粒發生相變時所需要的解旋能量降低，ΔH的增加是由于無定形區先被破壞，后續雙螺旋的解旋則需要更多的能量[11]，這同時也說明了山蘭米（紅）具有較高的熱穩定性，說明其顆粒內部結構較為緊密，在淀粉顆粒吸水膨脹的過程中水分子的擴散速度較慢，可以在一定程度上提高米粉的成糊溫度，賦予其較高的熱穩定性[12]，這與RVA結果相一致。

表1 不同品種大米的熱力學值變化Table 1 Viscosity changes of different varieties of rices

2.4 流變學特性

2.4.1 動態流變學特性分析（黏彈性）

不同品種大米的動態流變學特性趨勢圖見圖3。

圖3 不同品種大米的動態流變變化趨勢圖Fig.3 The dynamic rheological changes of different varieties of rices

儲能模量（G′）用來表征樣品糊在發生形變過程中由于彈性形變而儲存的能量，它反映了樣品糊恢復到原來形狀的能力。損耗模量（G″）則可以用來表征樣品糊在發生形變過程中，由于黏性形變而損耗的能量，反映了樣品糊抵抗流動的能力[13]。從圖3中可以看出，4種樣品隨著角頻率的增加，損耗模量和儲能模量也呈現緩慢增加的趨勢，且儲能模量遠遠大于損耗模量，表現為典型的弱凝膠流變學動態體系，山蘭系列米的儲能模量以及損耗模量明顯高于秈米和粳米，這說明山蘭系列的米內部結構較為致密有序，可以形成更強的三維凝膠網絡結構。損耗模量與儲能模量之比，即tanδ=G″/G′，可以在一定程度上反映流體的黏彈性[14]，從圖3可以看出，山蘭米的tanδ明顯低于秈米和粳米，這說明山蘭系列米形成的體系更加具有黏彈性，其中，山蘭米（紅）更為突出，這可能是由于山蘭系列的米在受到外界壓力時顆粒內部的雙螺旋結構受到破壞，因而顯現出略具黏性的流體性質[2]。另一方面，山蘭米（紅）表現為更具彈性的流體性質，也能進一步說明，其內部結構較為致密，從而可以形成更加有序、硬性、牢固的構象[15]。

2.4.2 靜態流變學特性分析（觸變性）

不同品種大米的靜態流變學特性分析（觸變性）見圖4。

圖4 不同品種大米的觸變性變化Fig.4 Thixotropy changes of different varieties of rices

不同品種大米的靜態流變學特性分析（滯后環面積）見表2。

靜態流變學在一定程度上可以反映樣品糊由于外部剪切的作用對顆粒內部的有序凝膠網絡結構的破壞程度[16]。隨著剪切作用的增加，顆粒內部的結構受到破壞，而當剪切速率降低時，顆粒內部結構的恢復速度又遠遠低于受到破壞的速率，因此就形成滯后環，出現觸變性。觸變性是指樣品在振動、攪拌等過程中黏度減小、流動性增加的過程。剪切速率在0～300 s-1范圍內增加，剪切應力增大，黏度變小，此時該流變曲線為上行線；當剪切速率從300 s-1減小到0時，剪切應力減小，黏度逐漸恢復，此時該流變曲線為下行線。上行線與下行線之間包圍的面積即為滯后環。從表2可以看出，4種樣品受破壞的程度從高到低依次是：山蘭米（紅）、山蘭米（白）、粳米和秈米，山蘭米（紅）明顯高于山蘭米（白），說明山蘭米（紅）受破壞程度最大，其凝膠網絡結構也最不容易恢復到剪切前的狀態，山蘭米（白）的觸變性相對較小，恢復能力強。

表2 不同品種大米的滯后環面積Table 2 Lag ring area of different rice varieties

2.5 不同大米的消化性分析

不同品種大米的酶解速率的變化見圖5。

圖5 不同品種大米的酶解速率的變化Fig.5 Change of enzymatic hydrolysis rate of different varieties of rices

從圖5可以看出，4種樣品均隨著消化時間的增加，水解淀粉的含量也逐漸增加，當消化時間達到8 h后，水解淀粉的含量趨于平衡，其中山蘭米的酶解速率低于粳米和秈米，其中山蘭米（紅）在4種樣品中消化酶解的速率最低。影響淀粉顆粒的酶解速率有很多因素：淀粉的來源、顆粒大小、直鏈/支鏈淀粉比例、脂質、直鏈淀粉含量等[17-18]。通常降低淀粉顆粒的酶解速率，一方面，是通過抑制淀粉顆粒的吸水膨脹，提高其熱穩定性，使得酶分子難以進入到顆粒內部；另一方面，可以通過減少淀粉顆粒與酶分子之間的結合位點，來降低其酶解速率。結合RVA、DSC等數據，可以推測出，山蘭米（紅）呈現出較低的酶解速率主要是歸因于顆粒內部較為緊密的結構，抑制了淀粉的吸水膨脹速率，使得酶分子較難進入到顆粒內部發生酶解反應，同時RVA的曲線中山蘭米較高的回生值也說明山蘭米中富含較高含量的直鏈淀粉，這一現象在其他文獻中也有報道[19]，另外，在一定程度上，直鏈淀粉含量與樣品的酶解速率之間呈現負相關性，這主要歸因于直鏈淀粉的線性結構相比于支鏈淀粉具有較多的氫鍵，賦予顆粒更高的穩定性，繆銘等[11]曾通過掃描電鏡觀察到在酶解時間2 h之后，酶解殘余的樣品多為無定形和結晶片層構成的層狀結構。

2.6 GC-MS在大米香氣成分分析中的應用

不同品種大米生米和熟米的香氣成分變化見表3和表4。

采用頂空固相微萃取（soild phase micro-extraction，HS-SPME）技術對4種樣品中的主要揮發性風味物質進行富集，然后通過GC-MS進行分析。如表3所示，在生米中共檢測到43種揮發性風味化合物，包括5種醛、12種醇、4種酮、7種酯和2種酸及烷烴化合物等。這些化合物是構成生米香氣的主要物質。山蘭米（白）、秈米和粳米在化合物的數量和濃度上無顯著性差異，含量均較小。在山蘭米（紅）中檢測到的化合物數量雖少但濃度較前3種米高。經過蒸煮之后，通過GC-MS分析共檢測到34種揮發性風味物質（如表4所示），并且整體上化合物含量較蒸煮前升高。包括7種醛、7種醇、5種酮和3種酯以及6種烷烴化合物等。己醛和2-庚酮的含量大幅度增加，且這些物質在山蘭米（紅）中的含量最高，己醛和壬醛均屬于脂肪醛，表現為青草香，對蒸煮后的大米風味起到重要的作用。

表3 不同品種的生米中香氣成分分析Table 3 Fragrance compounds of different varieties of raw rices

續表3 不同品種的生米中香氣成分分析Continue table 3 Fragrance compounds of different varieties of raw rices

表4 不同品種的熟米中香氣成分分析Table 4 Fragrance compounds of different varieties of cooked rices

3 結論

通過本研究發現，山蘭米具有較高的回生值，直鏈淀粉含量是影響淀粉老化回生的一個重要的因素，這說明了山蘭系列的米具有較高含量的直鏈淀粉，同時山蘭米較高的成糊溫度說明其具有較強的耐高溫和抗剪切能力。山蘭米（紅）具有較高的熱焓值，這說明了山蘭米顆粒內部的結構較為緊密，在一定程度上抑制了顆粒的吸水膨脹。動態流變學表明，隨著角頻率的增加，山蘭米的儲能模量（G′）和損耗模量（G″）相比于粳米和秈米緩慢增加，tanδ值明顯低于粳米和秈米，這說明山蘭系列米形成的凝膠體系更加具有黏彈性，凝膠網絡更強，顆粒內部結構排列更加致密有序，靜態流變學表明山蘭米（紅）在受到外部的剪切應力下出現較大面積的滯后環，這說明山蘭米（紅）受破壞程度最大，其凝膠網絡結構也最不容易恢復到剪切前的狀態。X-射線衍射圖譜表明4種大米均屬于典型的A型結晶結構，其中秈米在4種樣品中呈現出較高的相對結晶度，為39.49%，這可能歸因于秈米中較高含量的支鏈淀粉通過氫鍵形成雙螺旋結構，進一步堆疊成有序的結晶結構。體外消化試驗中得到山蘭米（紅）具有較強的耐酶解能力，這主要歸因于紅米內部排列有序的結構通過減緩顆粒吸水膨脹的速度，來降低淀粉顆粒與酶分子之間的結合位點，從而降低淀粉的酶解速率，另外，在生米中檢測到43種揮發性風味化合物，在熟米中檢測到34種揮發性風味化合物。這為后續山蘭米的開發利用提供了一定的理論依據。