濕熱處理對陳米品質的影響及其變化機理初探

宗平,王燕*,廖盧艷,吳衛國,周濤,任劍豪,李娜

1(湖南農業大學 食品科學技術學院,湖南 長沙,410128) 2(中南糧油食品科學研究院,湖南 長沙,410008)

稻谷是世界上最重要的糧食作物之一,更是我國主要的儲備糧種,在儲藏過程中稻谷會發生比較復雜的變化,其綜合作用會影響稻米的加工、外觀、微觀結構、蒸煮、質構以及糊化等性質[1-3],從而導致其食用品質下降[4],且儲藏年限越長,其品質變化越明顯,最終造成糧食的滯銷。因此,加大對儲藏年限較長稻米的品質改良研究,有利于減少稻谷儲藏與加工的損失、擴展稻米資源的利用,從而緩解糧食短缺的問題。

目前,應用于稻米品質改善的方法有超高壓[5]、蒸谷[6]、微波[7-8]、過熱蒸汽[9]、預熟化[10]等。但上述方法對設備的要求較高,操作復雜,無法應用于大規模工業化生產,且在改善稻米品質的同時也可能會出現不利的影響,如:蒸谷處理在增加稻米的營養價值、儲藏穩定性和出米率的同時加深了米粒的顏色[6];微波處理在改善糙米儲藏性能的同時,大米胚乳表面結構被破壞,導致米內復合淀粉粒崩解,生成膨化大米[8]。所以亟需繼續探索一種經濟可行的改善稻米品質的技術。

濕熱處理(heat-moisture treatment,HMT)是一種物理改性技術,一般是指在一定水分體積分數和溫度范圍下,處理大米粉、淀粉等物料促使其理化性質的改變但不影響分子結構的變化[11]。濕熱處理技術因其過程僅涉及水和熱,且操作方便,無任何添加的優勢受到學者的廣泛關注。現階段,國內外濕熱改性處理技術在大米方面主要集中在對大米淀粉的諸多性質的研究,如顆粒形態、結晶性、熱穩定性、糊化特性、老化性質、消化性、溶脹力和溶解度等[12-15]的變化,但少有學者對經濕熱處理過的稻谷(heat-moisture treated rice,HMTR)的加工性質、籽粒外觀特性和微觀結構、米飯的蒸煮質構特性和感官品質以及米粉的糊化特性等進行全面的研究。本文使用濕熱技術處理已儲藏2年的陳米,研究濕熱處理條件對其加工品質、外觀品質、微觀結構、蒸煮特性、感官品質、質構特性和糊化特性的影響,對比未處理樣品并分析其變化規律,旨在為濕熱處理技術改善陳米品質提供參考價值。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

秈稻,2019年12月取于湖南金霞糧食產業有限公司,為2017年12月收獲稻谷。清除雜質、發霉粒之后分裝于自封袋,于4 ℃下保存。稻谷含水率為(12.96±0.04)%(濕基)。

鹽酸(優級純)、碘化鉀(分析純),國藥集團化學試劑有限公司;碘(分析純),天津市大茂化學試劑廠。

1.2 試驗儀器

JLGJ45型檢驗礱谷機、JNMJ-Ⅱ型檢驗碾米機,臺州市糧儀廠;電熱恒溫干燥箱,北京市永光明醫療儀器有限公司;白度儀,日本佐竹有限公司;pH計,上海儀電科學儀器股份有限公司;離心機,湖南凱達科學儀器有限公司;722E型可見分光光度計,上海光譜儀器有限公司;質構分析儀,北京盈盛恒泰科技有限責任公司;JSM-6380LV 型掃描電子顯微鏡,日本電子株式會社;RVA快速黏度儀,波通瑞華科學儀器(北京)有限公司;7890B+5977B Agilent氣相-質譜聯用儀,上海硅儀生化科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 濕熱處理稻米的制備

取出樣品稻谷,待稻谷溫度達室溫后,調節稻谷含水率分別至14%、17%、20%、23%、26%,然后密封于玻璃器皿中,室溫下平衡水分18 h,將處理好的樣品放入自封袋,分別置于50、60、70、80、90 ℃鼓風干燥箱,處理1、2、3、4、5 h。每份稻谷樣品500 g。待熱處理結束取出,平鋪于60目的圓形篩中,于40 ℃下鼓風干燥箱中干燥至稻谷初始含水率(12.96±0.04)%,然后再密封于同一干燥溫度下緩蘇2 h,緩蘇結束打開置于于常溫下48 h。將其礱谷、碾米得精白米,裝入密封袋于4 ℃儲存,供品質分析用。

1.3.2 稻谷加工品質的測定

出糙率參考GB/T 5495—2008《糧油檢驗 稻谷出糙率檢驗》;整精米率參考GB/T 21719—2008《稻谷整精米率檢驗法》。

1.3.3 大米外觀品質的測定

白度:采用大米白度儀測定米粒白度。

透明度:采用大米白度儀測定米粒透明度。該設備自動分析光透過樣品的深度,透明度用測得的深度與標準深度的百分比表示。

1.3.4 掃描電鏡觀察

每組樣品各取3粒完整精米,用單面刀片從中部橫向切取厚度2 mm的薄片(與米粒長軸垂直)。用雙面膠帶將切樣固定于載物臺上,在鍍膜機上噴金鍍膜。用掃描電子顯微鏡在加速電壓下拍照[2]。

1.3.5 大米蒸煮特性的測定

蒸煮特性各指標(吸水率、體積膨脹率、米湯pH值、碘藍值、固體溶出物)參考王肇慈[16]的方法測定。

1.3.6 米飯感官評價

每組大米樣品取20 g于鋁盒中清洗,以1∶1.6(g∶mL)的比例加水,浸泡30 min,蒸煮40 min,跳閘后再燜制20 min。選5名感官品評人員,以GB/T 15682—2008《糧油檢驗 稻谷、大米蒸煮食用品質感官評價方法》中米飯感官評價評分標準對HMTR米飯的氣味、外觀結構、適口性、滋味和冷飯質地進行評分,并與未處理樣品米飯對比。

1.3.7 米飯質構特性的測定

米飯質構特性參考畢文雅[17]的方法測定。上述蒸煮大米樣品中間層的不同部位隨機取3 粒米,頭碰頭 120°角的方式放置在物性儀的載物臺上進行測定,獲得米飯的硬度、黏附性、彈性、膠黏性、咀嚼性。TPA 探頭選取P36 柱型探頭;測前速度為10 mm/s,測試速度為30 mm/s,測后速度為5 mm/s,壓縮比為70%。

1.3.8 米粉糊化特性的測定

米粉糊化特性參考姚映西[18]的方法,每組取10 g大米樣品,用粉碎機粉碎,經100目篩過篩,然后取3 g樣品加入RVA專用鋁盒內,加入水定容至25 mL,用攪拌器將樣品攪拌均勻,放入儀器中進行測定。采用升溫/降溫循環,糊化程序:50 ℃保持1 min,4 min內加熱至95 ℃,保溫5.5 min,4 min冷卻至50 ℃并保持4 min。另外旋轉漿在起始10 s內旋轉速度為960 r/min,以后保持160 r/min。

1.3.9 數據分析

測定試驗重復 3次,結果表示為“平均值±標準差”。數據處理使用軟件 Excel 2007 以及 Origin-Pro 8.5。ANOVA分析使用軟件 SPSS 20.0 進行。

2 結果與分析

2.1 濕熱處理前后稻谷加工品質的變化

未濕熱處理稻谷的出糙率和整精米率分別為(78.66±0.12)%、(53.82±0.26)%。如圖1所示,不同濕熱處理條件下稻谷出糙率不存在顯著差異(P>0.05),濕熱處理前后稻谷的出糙率在一定范圍內波動,但不存在明顯的變化趨勢,出糙率出現波動的原因可能是經過濕熱處理以及后續干燥過程后,稻谷含水率不完全一致,影響了糙米的質量;不同濕熱處理條件下稻谷整精米率存在顯著差異(P<0.05),稻谷整精米率隨米粒含水率的提高呈現上升的趨勢,隨熱處理時間的延長而變化不明顯,隨熱處理溫度的升高而升高,3個因素對稻谷整精米率的影響大小排序為:谷粒含水率>熱處理溫度>熱處理時間。總的來說,濕熱處理后的稻谷整精米率相比未處理樣品略有下降,推測原因是在濕熱處理過程中,水分流失,細胞內形成水分梯度,張應力與壓應力的相互作用使米粒產生裂紋[19],碾米過程碎米增多,造成整精米率略有下降。但26%含水率的稻谷經過濕熱處理后,其整精米率明顯上升,達(61.32±0.17)%,推測原因是高濕條件下,米粒糊化更充分,胚乳細胞結構變得更穩定,碾米過程碎米隨之減少。

圖1 米粒含水率、熱處理時間及熱處理溫度對HMTR加工品質的影響Fig.1 Effect of moisture content of rice,heat treatment time and heat treatment temperature on processing quality of HMTR注:同一曲線下相同字母表示差異不顯著,不同字母表示差異顯著(P<0.05)(下同)

2.2 濕熱處理前后外觀品質的變化

濕熱處理前后米粒的白度和透明度如表1所示,米粒含水率、熱處理時間以及熱處理溫度對米粒白度的影響明顯,總體而言,濕熱處理后稻米的白度相比未處理樣品米的白度要高一些,推測原因是米粒會在脫水的過程中出現腹白,從而米粒白度會增大;但高溫高濕條件下的米粒白度嚴重下降,推測原因是高溫高濕促進色素由稻殼和米糠層遷移到胚乳內部,還伴隨著美拉德反應、酶促反應等,米粒顏色加深,從而降低米粒白度;不同濕熱處理條件下米粒透明度存在顯著差異(P<0.05),濕熱處理后稻米的透明度較未處理米的透明度顯著下降,推測原因是米粒在濕熱處理過程中裂紋和腹白的出現使米粒內部質地不均,阻擋光線透過,導致米粒的透明度下降。

表1 HMT對米粒外觀品質的影響Table 1 Effect of HMT on the appearance quality of rice

2.3 掃描電鏡觀察

淀粉是大米的主要成分,胚乳淀粉的形態和組成的變化能很大程度的影響大米的品質。掃描電鏡觀察胚乳的形態結構及淀粉顆粒的形狀和分布特點可以有效地了解稻米在濕熱處理過程中的品質改變。圖2-a顯示經過較長儲藏時間后的稻米胚乳橫截面裸露的淀粉顆粒較多,表面裂紋較多,蛋白質網狀結構和淀粉結合處比較松散,這些變化直接顯現的現象為米飯黏彈性不足,口感較差。B1～B5、C1～C5和D1～D5分別是不同稻米含水量、熱處理時間和熱處理溫度經濕熱處理后大米的掃描電鏡圖,經過濕熱處理之后,稻米胚乳橫截面裸露的淀粉顆粒減少,表面裂紋減少,棱角分明,排列緊密。原因在于裸露的淀粉顆粒重組形成穩定有序的結構,并以復合淀粉體嵌入蛋白質網狀結構中,形成穩定的胚乳結構[20],從而導致蒸煮后的米飯黏彈性上升,溶脹力下降。

2.4 濕熱處理前后大米蒸煮特性的變化

濕熱處理顯著改變HMTR的蒸煮特性(表2)。相比未處理樣品大米,HMTR的體積膨脹率、pH值、碘藍值顯著下降(P<0.05),固體溶出物顯著上升(P<0.05)。隨著米粒含水率的增大、熱處理時間的延長、熱處理溫度的升高,HMTR的體積膨脹率、pH值、碘藍值均呈現下降的趨勢,HMTR的固體溶出物均呈上升的趨勢,HMTR的吸水率為264%～376%。吸水率上升可能是因為在濕熱處理過程中米粒細胞壁遭到破壞,增強了細胞的吸水能力。而高溫高濕處理條件下的HMTR吸水率反而下降,推測原因是在高濕高溫條件下淀粉糊化、脂質-直鏈淀粉復合物形成、直鏈淀粉與支鏈淀粉分子間的相互作用增強、淀粉的流失及熱分解[21-22],造成淀粉溶脹、吸水能力降因此HMTR的吸水率下降,同樣伴隨著HMTR的體積膨脹率下降。體積膨脹率代表大米在蒸煮過程中的脹性,隨著體積膨脹率的下降,米飯的黏彈性增大,故其口感變好。pH值下降推測原因是濕熱處理在一定程度破壞細胞壁的同時,促進了細胞內酚酸的流出[23]。而酚酸含量的增加能提高HTMR的總酚含量和抗氧化性,可以增強其營養價值。碘藍值與固體溶出物呈負相關,其變化主要與米湯中可溶性淀粉的含量有關。HMTR的碘藍值顯著下降、固體溶出物顯著上升,說明米湯中可溶性淀粉的含量增多,推測原因是濕熱處理降低了細胞間的黏聚力,在蒸煮時米粒細胞更易分離破裂,造成可溶性淀粉顆粒增多[24],而高溫、長時間、高濕條件均加深了細胞間黏聚力降低的程度。

圖2 濕熱處理大米掃描電鏡圖(×200)Fig.2 SEM observation of HTMRA-未處理樣品;B1～B5-14%、17%、20%、23%、26%米粒含水量經濕熱處理得到的HMTR樣品;C1～C5-以1、2、3、4、5 h不同熱處理時間處理得到的HMTR樣品;D1～D5-以50、60、70、80、90 ℃不同熱處理溫度處理得到的HMTR樣品

表2 HMT對稻米的蒸煮特性的影響Table 2 Effect of HMT on cooking properties of rice

2.5 濕熱處理前后米飯感官評價的結果

濕熱處理顯著改變HMTR的感官值(表3)。HMTR的米飯感官評分受米粒含水率、熱處理時間、熱處理溫度的影響均較大。米粒含水率對HMTR的米飯氣味、外觀結構、滋味以及冷飯質地影響不明顯、對HMTR的米飯適口性和感官總分影響顯著。米飯的適口性與米飯的軟硬度以及黏彈性息息相關,適口性增大,代表米飯的黏彈性增大和軟硬度適中,米飯感官總分隨之增大。米飯的適口性隨米粒含水率的增大呈現先上升后下降的趨勢,與下述HMTR的質構特性的變化結果一致。熱處理時間對HMTR的米飯氣味、外觀結構、適口性、滋味、冷飯質地以及感官總分影響均顯著。隨著熱處理時間的延長,HMTR的米飯氣味、適口性、滋味以及冷飯質地呈現持續下降的趨勢,外觀結構和感官總分先有所上升,然后持續下降。熱處理溫度對HMTR的米飯氣味、外觀結構、適口性、滋味、冷飯質地以及感官總分影響均顯著。與未處理樣品大米相比,濕熱處理在一定程度上可以改善氣味、外觀、適口性、滋味以及冷飯質地等方面,但高含水量、長時間以及高溫度的濕熱處理會對稻米產生負面影響,降低其食用品質。因此,采用濕熱處理改善稻米品質時,要選擇合適的濕熱處理條件,否則會對稻米品質造成不良影響。

表3 濕熱處理米飯感官評價結果Table 3 Sensory evaluation of heat-moisture treated rice

2.6 濕熱處理前后米飯質構特性的變化

未處理樣品的硬度、黏附性、彈性、膠黏性以及咀嚼性為(23.855±0.139)N、(0.280±0.016)N·mm、(0.405±0.026)mm、(2.815±0.037)N以及(1.299±0.145)mJ。濕熱處理顯著改變HMTR的質構特性(圖3)。相比未處理樣品大米,HMTR的米飯硬度顯著下降,彈性、膠黏性以及咀嚼性顯著上升。米飯硬度下降可能是因為濕熱處理過程以及后續的干燥過程對稻米表層細胞結構具有一定的破壞作用,促進了稻米蒸煮時吸水糊化,從而降低米飯硬度。而高溫高濕條件下的米飯硬度有所增大但不超過未處理米飯硬度,可能存在直鏈淀粉-脂質復合物形成、直鏈淀粉與支鏈淀粉分子的相互作用增強[21-22]等促使大米淀粉形成更穩定的結構。HMTR的米飯黏附性隨濕熱處理條件的變化比較復雜,隨著米粒含水率的增大以及熱處理溫度的升高,其黏附性呈現先升高后下降的趨勢。黏附性上升推測原因是在濕熱處理以及后續干燥過程中支鏈淀粉結構發生斷裂生成直鏈淀粉,直鏈淀粉重排形成更穩定的結構[18],從而造成米飯黏附性上升。LU等[25]的研究表明,米飯的黏附性與米粒內直鏈淀粉含量密切相關。高溫高濕條件下的米飯黏附性反而下降,可能是HMTR內部直鏈淀粉-脂質復合物形成、脂質與蛋白質分子的相互作用增強等變化增強了HMTR的熱穩定性,限制了直鏈淀粉的生成,從而降低了米飯的黏附性。彈性和膠黏性增大是由濕熱處理對稻米糊粉層結構的軟化和破壞作用以及淀粉的糊化溶脹造成的[26]。咀嚼性是硬度、彈性和內聚性之間的關聯,代表著淀粉、蛋白質、脂質等分子間的作用力的大小[17],咀嚼性的增大說明濕熱處理增強了稻米內分子間的作用力,促使其結構更穩定[9]。

圖3 米粒含水率、熱處理時間及熱處理溫度對HMTR的米飯硬度、黏附性、彈性、膠黏性、咀嚼性的影響Fig.3 Effect of moisture content of rice,heat treatment time and temperature on hardness,adhesiveness,springiness,gumminess,and chewiness of cooked HMTR

2.7 濕熱處理前后米粉糊化特性的變化

濕熱處理顯著改變HMTR的米粉糊化特性(表4)。相比未處理樣品大米米粉,HMTR的谷值黏度、最終黏度、回生值以及糊化溫度顯著上升,崩解值顯著下降,峰值黏度變化比較復雜。米粒含水率、熱處理時間以及熱處理溫度對HMTR的米粉糊化特性影響顯著。隨著米粒含水率的增大、熱處理時間的延長以及熱處理溫度的升高,HMTR的米粉谷值黏度、最終黏度以及回生值呈現先增大后減小的趨勢,崩解值持續下降,糊化溫度持續上升。HMTR的米粉峰值黏度升高的原因可能是在水和熱的作用下,短鏈淀粉分子之間以及與其他分子發生重排和相互作用[27]。而高米粒含水率、長時間以及高溫的濕熱處理條件下,淀粉分子結構發生變化、結晶度增加、分子鏈結構的破壞以及淀粉-脂質復合物的形成等[28]導致其峰值黏度、谷值黏度、最終黏度均下降,隨之糊化溫度升高。崩解值反映的是溶脹的淀粉顆粒在連續加熱和剪切作用力下的穩定性,崩解值越低,熱穩定性越好[29]。崩解值的變化說明濕熱處理可以明顯改善大米粉的熱穩定性。回生值反映淀粉糊化后的老化回生能力,回生值高,淀粉更容易老化,趙思明等[30]研究發現糊化時直鏈淀粉的溶出量與短期老化程度有關。

表4 HMTR的米粉糊化特性的變化Table 4 Changes of pasting properties of heat-moisture treated rice

3 結論

濕熱處理對陳米的加工、外觀、微觀結構、蒸煮、感官評價、質構與糊化特性均影響顯著。經過濕熱處理后稻谷的米粒白度、直鏈淀粉含量、米湯固體溶出物、米飯適口性、滋味、感官總評分、彈性、膠黏性、咀嚼性、谷值黏度、最終黏度、回生值以及糊化溫度顯著上升,HMTR的米粒透明度、米飯體積膨脹率、米湯pH值、碘藍值、硬度以及崩解值顯著下降,HMTR的出糙率無明顯變化。米粒含水率、熱處理時間以及熱處理溫度對陳米品質均有顯著影響。濕熱處理主要是通過影響淀粉顆粒形態和結晶程度、表層細胞結構、淀粉分子之間以及與其他分子的作用力等來改變其外觀、蒸煮、質構和糊化特性,從而改善了陳米的品質。但高溫、高米粒含水率以及長時間熱處理會出現白度下降、硬度變大、適口性變差,反而降低其品質。