酶解輔助預糊化處理對糙米食用品質及其理化特性的影響

劉 明，昝學梅,2，譚 斌?

（1.國家糧食和物資儲備局科學研究院，北京 100037；2.集美大學 食品與生物工程學院，福建 廈門 361021）

自古以來民以食為天，隨著生活水平的不斷提高，人們越來越重視食品的營養與保健功能。與精米相比，糙米含有更豐富的營養素、更低的淀粉消化性及胃排空率，常食用可以降低糖尿病與高血脂癥的患病率[1-3]。但到目前為止，糙米的消費仍然較少，精米依然占據主導地位，這主要是因為糙米食用品質遠不及精米，糙米的食用品質主要包括米飯的熟化時間和感官評分。

傳統感官評價法由于概念定義的模糊性和情感意識的主觀性，很難對食品綜合感官做出客觀、準確的評價[4-6]，而模糊數學綜合評判則是一種以模糊變換原理為基礎，通過模糊矩陣將評價信息數值化，從而消除感官評價的模糊性和主觀性，進而對產品的綜合感官品質做出科學、準確、公正的判斷[7-8]。因此，本研究的感官評分采用模糊數學法評價。

糙米熟化所需時間長是因為其表面存在一層蠟質層，蒸煮時會阻礙水分的滲透，延緩淀粉的吸水糊化[9-10]。而糙米中的脂類主要以三酰甘油為主，主要分為游離態脂與結合態脂。游離態脂主要存在于淀粉顆粒表面；而結合態脂主要存在于淀粉顆粒中[11-13]。因此，糙米的脂肪主要為淀粉脂和非淀粉脂兩大類。其中，淀粉脂主要存在于淀粉性胚乳中，非淀粉脂在皮層中含量最高，胚中含量較低[11]。所以，在反應體系中加入淀粉酶能夠酶解糙米皮層中淀粉，將糙米中的組織細胞結構破壞，暴露了淀粉與蛋白質、脂肪構成的復合體，暴露的復合體已被淀粉酶破壞，釋放出其中的油脂。另外，研究認為，淀粉-脂質復合物能限制淀粉的溶脹性能，進而提升其糊化溫度[14-15]。而糙米表面的米糠層較薄，纖維含量相對較低，同時為了更好的破壞油脂復合體，所以酶制劑選用中溫α-淀粉酶。除了酶解技術外，預糊化對糙米的食用品質也有一定的影響，孔祁等[16]研究發現預糊化處理破壞了發芽糙米的糠層結構及內部結構，并使其淀粉顆粒結構發生變化。因此，本研究采用酶解輔助預糊化技術改善糙米的食用品質。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

稻花香糙米：五常金禾米業有限責任公司。

中溫α-淀粉酶（酶活10 000 u/g）：北京索萊寶科技有限公司。

1.2 儀器與設備

DSC 214 Polyma差示掃描量熱儀：上海力晶科學儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 工藝流程

糙米除雜篩選→酶解→預糊化→干燥→備用。實驗所用糙米均存放于–4 ℃冷庫，使用前常溫攤開放置1 h。

1.3.2 單因素實驗設計

考察酶解時間（0、90、120、150、180 min）、酶解溫度（0、50、60、70、80 ℃）、酶的添加量（0%、1.5%、2%、2.5%、3%）、預糊化時間（0、5、10、15、20 min）對酶解糙米的影響，以感官評分和蒸煮時間為檢測指標進行單因素實驗（酶的添加量是指酶占糙米質量的百分比）。

具體操作方法為：取200.0 g（精確到0.1 g）除雜后的糙米，裝入盛有α-淀粉酶緩沖液（檸檬酸鈉緩沖液，pH=5.7）的1 000 mL的燒杯中，攪拌均勻，在設定溫度和時間下進行酶解，每15 min翻料一次，酶解及預糊化結束之后于 90 ℃烘箱烘1 h，–4 ℃冷藏。

1.3.3 響應面實驗設計

基于單因素實驗結果，以最佳蒸煮時間、感官評分為檢測指標，對酶解輔助預糊化工藝進行響應面實驗，探究酶解輔助預糊化處理糙米的最佳工藝參數，具體因素水平設置見表1。

表1 響應面實驗因素與水平able 1 Response surface test factors and levels

1.4 蒸煮特性的測定

使用玻璃板–白芯法進行米飯蒸煮時間的測定。稱取5 g樣品，加入到10 mL沸水中進行蒸煮。蒸煮時，每隔2 min隨機取出10粒樣品，將其在玻璃板上進行擠壓。樣品擠壓時無不透明白芯出現的時間為蒸煮時間[17]。

1.5 感官評價

感官評價的指標與詳細描述參考Zhang等[18]，主要包括外觀特性、風味特性、口感特性和軟硬程度等方面，實行百分制原則，具體指標參照表2。對于評定條件規定如下：選擇10名以上專業評審員，每次最多評定4組樣品，所有糙米樣品均放置在白色盤中，減少顏色誤差。

表2 糙米飯感官評價指標定義及評分標準Table 2 Definition and evaluation progress of sensory texture of cooked brown rice 分

1.6 模糊數學模型的建立

新鮮煮好的米飯放于白色陶瓷碗中，挑選10名評審員（5男5女），包括受過專業訓練的學生和老師，每個評審員每次評定5個樣品，每天評審次數不超過2次。評價指標有氣味、外觀、適口性及整體口感喜好程度。評價指標的選擇與描述參考Mestres等[19]和Zhang等[20]，評分采用模糊數學法的百分制。

1.6.1 確定評價對象的論域

論域就是我們對糙米飯進行評價時，要從糙米飯的氣味、色澤、口感、冷飯質地和滋味5個方面進行評價。所以論域U={u1,u2,u3,u4,u5}中的u1表示氣味，u2表示色澤，u3表示口感，u4表示冷飯質地，u5表示滋味。

1.6.2 確定評語等級

論域評語集是選定的評委對樣品根據相對應的標準從各方面做出的總的評價結果組成的集合，用V表示：V={v1,v2,v3}，實際上就是對樣品的變化區間進行劃分。具體等級可以根據評價內容的語言描述進行評定。其中，v1表示對糙米飯感官評定的結果為“好”，v2表示對糙米飯感官評定為“中”，v3表示對糙米飯感官評定為“差”。所以，評價糙米飯可用V={好，中，差}。糙米飯具體的評價標準見表3。

表3 糙米飯的感官評分標準Table 3 Sensory Criteria for Brown rice

1.6.3 確定質量因素權重K

1.6.4 建立模糊關系矩陣R

1.6.5 綜合評價

從實驗室選10名食品專業的同學組成評委，首先通過這10名同學對糙米飯的氣味、色澤、口感、冷飯質地和滋味5個方面進行權重的確定。然后再設定糙米飯感官綜合評價結果向量為 Y，它是感官因素權重向量K和評價矩陣R的合成，即 Y=K?R。

其 中 ， yj=(k1∧ri1)∨(k2∧ri1)∨(k3∧ri1)∨(k4∧ri1)∨(k5∧ri1),(i=1,2,3,4,5),(j=1,2,3)?！啊拧北硎鞠嗉?，“∧”表示相乘。

1.7 理化性質

1.7.1 基本組分的測定

水分含量：GB 5009.3—2016直接干燥法；蛋白質：杜馬斯燃燒法；灰分：GB 5009.4—2016（第一法）；脂肪：GB 5009.6—2016（第二法）；直鏈淀粉：參照Megazyme直鏈淀粉試劑盒測定。

1.7.2 熱力學性質的測定

將糙米粉和精米粉置于鋁盒中，然后用配套鋁蓋密封，在4 ℃冰箱內平衡24 h，以空白鋁盒作為對照，以 10 ℃/min的加熱速率使鋁盒溫度從20 ℃上升到100 ℃。記錄并計算吸熱曲線上的起始糊化溫度(To)、峰值溫度(Tp)和熱焓變化(ΔH)[17]。

1.8 數據分析

采用Excel 2016和 SPSS 22.0整理分析數據，繪圖采用Origin-8.0，所有實驗都重復3次及以上，結果以“平均值±標準差”方式表示。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果分析

最佳蒸煮時間是指蒸煮時米粒淀粉完全糊化所需的最短時間，可反映酶解輔助預糊化對糙米蒸煮性能的改善效果。經測定，實驗精白米最佳蒸煮時間為17.27 min，在保證糙米食味品質的前提下，最佳蒸煮時間越接近精米越好；而感官評分則與米飯食味變化相關，可反映糙米被消費者接受的程度，因而感官評分值越高，糙米工藝優化為最佳。如圖 1所示，在酶解溫度為 60 ℃、酶的添加量為2%、預糊化時間為10 min條件下，隨著酶解時間的延長，最佳蒸煮時間逐漸減小，感官評分逐漸增加。酶解時間為120 min時，糙米最佳蒸煮時間為22.92 min，較原料糙米的最佳蒸煮時間（30.83 min）縮短了25.66%，更接近于精白米，感官評分則從原料糙米的 73.75分迅速升至 78.95分，繼續延長酶解時間，最佳蒸煮時間及感官評分的變化不顯著（P>0.05）。因此，確定最佳酶解時間為120 min。

圖1 酶解時間對糙米蒸煮時間和感官評分的影響Fig.1 Effect of enzymatic hydrolysis time on cooking time and sensory score of brown rice

如圖2所示，在酶解時間為120 min、酶的添加量為2%、預糊化時間為10 min條件下，隨著酶解溫度的升高，糙米最佳蒸煮時間呈先減少后增加的趨勢，感官評分呈先增加后減少的趨勢，60 ℃時達到最小值。在酶解溫度由 50 ℃升至60 ℃過程中，糙米最佳蒸煮時間由27.28 min降至22.83 min，感官評分由76.70分升至79.25分，中溫α-淀粉酶對糙米皮層的作用隨酶解溫度的升高而增強，這是由于中溫α-淀粉酶的最適生長溫度為60 ℃，隨著溫度升高，其酶活力逐漸增強，但酶解溫度>60 ℃時，中溫α-淀粉酶的酶活和酶解速度受到抑制，因而60 ℃時感官評分及蒸煮時間均最佳，因此確定最佳酶解溫度為60 ℃。

圖2 酶解溫度對糙米蒸煮時間和感官評分的影響Fig.2 Effect of enzymatic hydrolysis temperature on cooking time and sensory score of brown rice

在酶解時間120 min、酶解溫度60 ℃、酶的添加量為2%條件下，隨著預糊化時間的升高，最佳蒸煮時間呈下降趨勢，感官評分呈先增加后減少的趨勢，結果見圖 3。由此可見，預糊化主要作用于糙米淀粉，隨著預糊化時間的延長，淀粉糊化作用由靠近皮層部分逐漸向糙米中心移動，使糙米淀粉糊化面積增大。而預糊化會使糙米中的蛋白質和淀粉的網絡結構被破壞及重組。所以蒸煮時，米粒表面積及內部的縫隙可以作為新的水分通道促進水分進入，從而縮短蒸煮時間。當預糊化時間大于10 min時，糙米感官評分逐漸降低，引起口感不適，因此，確定最佳預糊化時間為10 min。

圖3 預糊化時間對糙米蒸煮時間和感官評分的影響Fig.3 Effect of pregelatinization time on cooking time and Sensory score of brown rice

在酶解時間120 min、酶解溫度60 ℃、預糊化時間為10 min的條件下，隨著酶的添加量的增加，最佳蒸煮時間呈先減少后增加的趨勢，感官評分呈先增加后減少的趨勢。酶的添加量為1.5%、2%、2.5%、3%時，糙米的最佳蒸煮時間較原料糙米分別下降了 3.95、8.21、8.06、7.69 min，酶的添加量為 2%和 2.5%時改善效果顯著優于其他添加量。可見，在一定范圍內，酶的濃度越高對糙米皮層作用越強，但酶的濃度并非越大越好，這是由于酶的添加量過高時，糙米表皮中有限的結合位點及縫隙抑制了酶解反應，使酶解速度降低，酶解效果變差。酶的添加量為2%和2.5%時，糙米的最佳蒸煮時間和感官評分變化差異不具有顯著性（P>0.05），出于經濟考慮，確定最佳酶的添加量為2%。

圖4 酶的添加量對糙米蒸煮時間和感官評分的影響Fig.4 Effect of the amount of enzyme added on cooking time and sensory score of brown rice

2.2 模糊數學感官評價

2.2.1 模糊變換及綜合評價結果

根據模糊變換原理Y=K?R，R是將表4中各質量因素不同等級的票數除以評價員個數(10人)，得到模糊矩陣R1到R29，則對第i號樣品評價結果為 Yi=Ki?Ri。

酶解輔助預糊化糙米中心復合設計實驗的蒸煮時間感官評分結果見表4。

表4 酶解輔助預糊化糙米中心復合設計實驗的蒸煮時間感官評分結果Table 4 Sensory score results of cooking time of enzyme-assisted pregelatinized brown rice complex design experiment

2.2.2 數學模型的建立與檢驗

采用 Design Expert 8.0.6中的 Box-Behnken程序設計，對模糊數學綜合評價結果進行二次回歸擬合分析，得到多元二次回歸方程：

R1=74.82+1.25A+1.85B+0.57C–1.57D+0.075A B+0.13AC+0.78AD+0.35BC+1.65BD–0.35CD–1.11 A2–1.24B2–1.50C2–1.09D2

R2=267.31+32.1A–7.27B+8.76C–8.77D+3.94A B–14.87AC+13.48AD–0.049BC+20.76BD–0.058CD–27.68A2–11.5B2–6.26C2–14.5D2

對回歸方程進行方差分析，結果見表 5。方差分析結果表明，方程回歸模型的決定系數均為P<0.000 1，說明實驗所選的模型具有極顯著性，能夠反映蒸煮時間和感官評分與各因素之間得關系。失擬項的P值分別為0.330 4和0.320 7，均P>0.1，說明失擬項影響不顯著，該模型與實際情況擬合程度較好；相關系數分別為R2=0.963 7和R2=0.957 2，說明該模型能解釋96.37%和95.72%響應值的變化，表示每個模型條件能夠較好與實際值擬合，其它因素影響對蒸煮時間和感官評分的影響忽略不計，所以適合酶解輔助預糊化工藝的優化。

表5 蒸煮時間和感官評分回歸模型方差分析表Table 5 Table of variance for regression model of cooking time and sensory score

在所選取的四因素水平范圍內，F值的大小代表各因素對酶解輔助預糊化糙米的蒸煮時間和感官評分影響的強弱，F值越大，說明影響作用越強。蒸煮時間和感官評分中對結果的影響順序為：B預糊化時間>C酶解時間>D酶的添加量>A酶解溫度。

數學模型結果表明：在蒸煮時間中，一次項A、B、C、D與二次項A2、B2、D2差異性極顯著（P<0.01），C2與 AC 和 BC 達到顯著性（P<0.05）。

結果表明：各測試因素對蒸煮時間的影響具有交互作用，而不是簡單的線性關系?？捎迷摶貧w方程代替實驗真實點對實驗結果進行分析和預測。在 Design Expert 8.0.6軟件中得到，變異系數C.V%=1.62%<15%，說明數據正常。

在感官評分中，一次項A、B、C、D與二次項 A2、B2、C2、D2及 BC 差異性極顯著（P<0.01），交互項AC達到顯著（P<0.05）。結果表明：各測試因素對感官評分的影響明顯。酶解時間與酶解溫度及酶解時間與預糊化時間對酶解輔助預糊化糙米的感官評分有交互作用，而不是簡單的線性關系。變異系數C.V%=0.79%<15%，說明數據正常。

2.2.3 各交互項對感官評分的響應面分析

響應面圖分析是在合理的實驗設計的基礎上，利用響應曲面的變化情況和等高線的稀疏程度，確定最佳工藝條件，同時可直觀地評價各因素之間的交互作用[21]。在 3D曲面圖中，曲線越陡表明該因素對響應值的影響越顯著?？刂迫我?個自變量不變，交互項對響應值的影響從等高線圖中也能體現。等高線反映了2個因素交互作用的顯著程度，等高線圖中弧度越大表示交互作用越顯著，相反越接近圓形則越不顯著[21]。該實驗中通過觀察圖5和圖6中響應曲面和等高線的變化直觀的反映了酶解溫度（A）、預糊化時間（B）、酶解時間（C）、酶的添加量（D）之間的交互作用對酶解輔助預糊化糙米的蒸煮時間和感官評分的影響。

通過對建立的回歸模型進行響應面分析，得到AB、AC、AD、BC、BD、CD交互作用的等高線圖和三維響應面。酶的添加量、酶解時間、酶解溫度和預糊化時間交互作用對蒸煮時間和感官評分的影響結果見圖5和圖6。從圖5可以看出，酶解溫度與預糊化時間、酶解溫度與酶的添加量、預糊化時間與酶的添加量和酶解時間與酶的添加量的交互作用對蒸煮時間的影響不顯著（P<0.05）。從圖6可以看出，酶解溫度與預糊化時間、酶解溫度與酶的添加量、預糊化時間與酶的添加量和酶解時間與酶的添加量的交互作用對感官評分的影響不顯著（P<0.05）。

圖5 各因素交互作用對酶解輔助預糊化糙米蒸煮時間影響的響應面和等高線圖Fig.5 The response surface and contour map of the influence of the interaction of various factors on the cooking time of enzyme-assisted pregelatinized brown rice

從圖5和圖6可以看出，在恒定因素條件：酶解溫度為60 ℃、酶的添加量2%、酶解時間120 min和預糊化時間10 min的條件下，預糊化時間與酶解時間和酶解溫度與酶解時間的交互作用對蒸煮時間和感官評分的影響均為顯著（P<0.05）。隨著酶解時間和預糊化時間的增加，酶解輔助預糊化糙米的蒸煮時間呈先下降后上升趨勢，感官評分呈先上升后下降的趨勢；同時，隨著酶解時間和酶解溫度的增加，酶解輔助預糊化糙米的蒸煮時間呈先下降后上升趨勢，感官評分呈先上升后下降的趨勢；而酶解時間與酶的添加量、酶的添加量與預糊化時間、酶的添加量與酶解溫度和酶解溫度與預糊化時間的交互作用均不顯著（P>0.05）。這四種交互條件下隨著酶解時間、酶的添加量、預糊化時間和酶解溫度的增加，糙米的蒸煮時間均呈先下降后上升趨勢，感官評分呈先上升后下降的趨勢。

圖6 各因素交互作用對酶解輔助預糊化糙米感官評分影響的響應面和等高線圖Fig.6 The response surface and contour map of the influence of the interaction of various factors on the sensory score of enzyme-assisted pregelatinized brown rice

2.2.4 最佳工藝條件的檢驗

最佳的工藝需要蒸煮時間趨于最小值，感官評分趨于最大值，結合數學模型的數學分析并由Design-Expert8.0.6軟件分析出最佳工藝參數為：酶解溫度為 61.39 ℃，酶的添加量為 2.11%，酶解時間為127.33 min，預糊化時間為11.89 min，此條件下蒸煮時間為 22.58 min和感官評分為79.45分。

為了進一步驗證響應面優化分析結果的可靠性，在優化的工藝參數下進行驗證實驗，考慮到實際操作條件，將最佳工藝參數修正為：酶解溫度為61 ℃，酶的添加量為2%，酶解時間為127 min，預糊化時間為12 min。在此條件下，進行3次平行實驗，此條件下蒸煮時間為22.39 min，感官評分為 78.75分，實際值與模型預測值較為接近，所以可信度高，說明回歸方程能夠較真實地反映各因素對酶解輔助預糊化工藝的影響，充分表明采用響應面分析方法優化得到的酶解輔助預糊化糙米的最佳工藝參數準確、可靠，具有一定的實用價值。

2.3 酶解輔助預糊化處理對糙米理化特性的影響

白米（WR）、糙米（BR）和酶解輔助預糊化糙米（EPBR）的營養成分如表6所示。由表中可以看出，相比較于WR，對照組BR和EPBR的蛋白質、脂肪和灰分的含量顯著升高（P<0.05），這說明糙米和酶解輔助預糊化糙米的營養價值豐富。糙米經酶解輔助預糊化處理后，糙米的水分含量由11.43%降到8.38%，這可能是由于酶解輔助預糊化糙米被烘干的原因。糙米的直鏈淀粉經酶解輔助預糊化作用后含量顯著增加（P<0.05），這可能是由于α-淀粉酶使淀粉側鏈斷裂而產生更多的直鏈淀粉[22]，而預糊化處理使淀粉顆粒吸水膨脹，達到一定限度后，淀粉顆粒破損，促使顆粒內的直鏈淀粉析出。因此測得EPBR的直鏈淀粉含量高于BR和WR。而EPBR的淀粉含量顯著增加是因為α-淀粉酶中本身含有淀粉。糙米的灰分、蛋白質和脂肪的含量經酶解輔助預糊化處理后均顯著降低（P<0.05），這可能是由于α-淀粉酶將糙米皮層中的淀粉與蛋白質、脂肪構成的復合體破壞，進而釋放出皮層中的油脂、蛋白質等。同時，也破壞了糙米皮層的結構，使灰分含量減少。糙米中脂肪含量的減少有助于糙米的貯藏[23]。

表6 酶解輔助預糊化糙米的營養組成成分Table 6 Enzymatic hydrolysis assists in pregelatinizing the nutritional components of brown rice g/100 g

淀粉糊化是糙米淀粉在蒸煮過程中遇熱吸水發生溶脹現象，分子氫鍵斷裂，從有序排列向無序散亂狀態轉變的過程，DSC圖譜可以表現出整個吸熱過程[17]。淀粉糊化受多個因素的影響，包括淀粉中水分含量、直支鏈淀粉含量、淀粉顆粒特性等[24]。酶解輔助預糊化技術處理前后糙米粉的熱力學參數如表8所示。由表8可看出，起始溫度To、峰值溫度TP和終止溫度TC變化顯著，說明酶解輔助預糊化對糙米淀粉的相轉變溫度影響顯著。起始溫度 To、峰值溫度 TP和終止溫度TC大小是由結晶區的分子構造決定的，它和支鏈淀粉短鏈分布相對應[25]。To～TC反應了淀粉的凝膠溫度范圍，即酶解輔助預糊化對糙米淀粉的凝膠溫度范圍有顯著的影響。淀粉焓值的變化主要反映淀粉顆粒中雙螺旋有序結構的破壞，而不是結晶度的破壞[26]，反映了糊化的難易程度。焓值越大表示化合物的穩定性越好，結晶度越大，淀粉難糊化。由表8可知酶解輔助預糊化處理后淀粉焓值顯著降低，這是因為糙米經酶解輔助預糊化處理之后迅速烘干，所以抑制了直鏈淀粉重新結晶增加糊化難度。因此，酶解輔助預糊化糙米的焓值低，易糊化[27]。

3 結論

本研究結合預糊化和外源酶對糙米進行處理，利用中心組合實驗模型，以酶解溫度、酶解時間、預糊化時間和酶的添加量4個因素為自變量，處理后糙米的蒸煮時間和感官評分為響應值，設計了四因素三水平的響應面分析實驗。同時研究酶解輔助預糊化處理對糙米基本組分以及糙米處理前后的熱力學性質的影響。結果表明：酶解輔助預糊化處理的酶解溫度、酶解時間、預糊化時間和酶的添加量對糙米的蒸煮時間和感官評分均有顯著的影響。通過響應面分析，酶解溫度為61 ℃，酶的添加量為2%，酶解時間為127 min，預糊化時間為12 min。在此條件下，進行3次平行實驗，此條件下蒸煮時間為22.39 min，感官評分為 78.75分。從酶解輔助預糊化糙米的理化特性來看，酶解輔助預糊化處理顯著降低了脂肪含量，有利于糙米的儲藏。酶解輔助預糊化技術不僅改變了糙米的凝膠溫度范圍，而且使糙米更易糊化。

表7 糙米粉的熱力學性質Table 7 Thermodynamic properties of enzyme-assisted pregelatinization of brown rice

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