高溫流化改善青稞米蒸煮品質及機理研究

李永富, 高紀儒, 杜 艷, 黃金榮, 史 鋒, 陳正行

(江南大學食品學院；江南大學糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室 1，無錫 214122) (江南大學食品科學與技術國家重點實驗室2，無錫 214122) (江蘇省生物活性制品加工工程技術研究中心3，無錫 214122) (青海華實科技投資管理有限公司；青海省青稞資源綜合利用工程技術研究中心4，西寧 810016)

青稞又稱裸大麥，具有高蛋白質、高纖維、高維生素、低脂肪、低糖等特點。β-葡聚糖是青稞的主要生理活性成分，主要存在于青稞籽粒的胚乳細胞壁與糊粉層中，具有調節血糖、降低膽固醇、提高免疫力、預防腸癌等功能[1，2]。

近年來，青稞在糧谷制品、發酵制品、保健制品的開發方面應用廣泛，但現有青稞產品多數只添加少量青稞原料，無法良好體現青稞的健康功效。隨著消費者對營養均衡的重視及膳食結構的改變，在煮飯時開始添加雜糧雜豆。青稞米胚乳細胞壁較厚[3]的結構特征限制了蒸煮過程中淀粉顆粒對水分的吸收，導致其不能滿足與大米同煮同熟的需求。目前通常采用浸泡的預處理方式來縮短雜糧的蒸煮時間，但多數雜糧內部結構緊密、質地較硬，通常需要長時間浸泡，不符合當今快節奏的生活方式[4，5]，且容易造成細菌滋生及活性物質溶出[6]。已有的技術工藝多采用將青稞米與大米等進行互配重組、擠壓膨化或破碎處理，這破壞了谷物籽粒的天然結構，淀粉的消化特性被改變，消費者認同度低[7]。因此，探究在保證青稞籽粒結構完整的前提下改善其蒸煮性能的適度加工方法尤為重要。

高溫流化即通過熱空氣干燥對谷物顆粒進行處理，耗時短、熱量分布均勻，且熱傳遞效率高。卜玲娟等[8]、滕菲等[9]發現經高溫流化處理的糙米和黑米的蒸煮食用品質提高，同時解決了其蒸煮難、口感硬、糠味重等問題。Li等[10]發現高溫流化處理使得發芽糙米淀粉的相對結晶度降低，且蒸煮硬度顯著降低[11]。介敏等[12]優化了高溫流化改良紅小豆蒸煮品質的工藝，并通過結構特性、水分遷移等來探究紅小豆蒸煮品質得到改善的原因[13]。

目前關于高溫流化改良青稞米蒸煮品質的研究較少，本研究應用該技術處理青稞米，考察流化溫度、處理時間、進料速度和補水量對青稞米蒸煮品質的影響，并通過正交實驗得出最佳處理參數，以達到與大米同煮同熟、口感良好的效果。為探究高溫流化改善青稞米蒸煮品質的機理，從結構形態、淀粉晶型結構和糊化特性等進行分析表征。

1 材料與方法

1.1 材料

青稞米：藏青2000；淮稻5號。

1.2 儀器與設備

CFXB20FC17-35蘇泊爾智能電飯煲，D2 PHASER X射線衍射儀，TA-XT Plus物性分析儀，RVA 4500快速黏度分析儀，SU8100冷場發射掃描電子顯微鏡，HHS-21-6電熱恒溫水浴鍋。高溫流化設備為實驗室自制熱空氣流化干燥機，主要部分為流化室與燃燒器，設備示意圖見圖1。

圖1 高溫流化設備示意圖

1.3 方法

1.3.1 單因素實驗

1.3.1.1 流化溫度對青稞米蒸煮品質的影響

將青稞米原料倒入料斗，流化室溫度分別設置為170、175、180、185 ℃，青稞米以60 kg/h的進料速度輸送至流化室處理60 s，出料后冷卻至室溫。通過測定青稞米與白米同煮后的硬度來選擇最佳流化溫度。

1.3.1.2 進料速度對青稞米蒸煮品質的影響

將青稞米原料倒入料斗，流化室溫度設置為180 ℃，青稞米分別以45、60、75、90 kg/h的進料速度輸送至流化室處理60 s，出料后冷卻至室溫。通過測定青稞米與白米同煮后的硬度來選擇最佳進料速度。

1.3.1.3 處理時間對青稞米蒸煮品質的影響

將青稞米原料倒入料斗，流化室溫度設置為180 ℃，青稞米以60 kg/h的進料速度輸送至流化室分別處理20、40、60、80 s，出料后冷卻至室溫。通過測定青稞米與白米同煮后的硬度來選擇最佳處理時間。

1.3.1.4 補水量對青稞米蒸煮品質的影響

對青稞米原料進行補水處理，使青稞米的含水量提升2%、4%、6%、8%。將補過水的青稞米倒入料斗，流化室溫度設置為180 ℃，青稞米以60 kg/h的進料速度輸送至流化室處理60 s，出料后冷卻至室溫。通過測定青稞米與白米同煮后的硬度來選擇最佳補水量。

1.3.2 正交實驗

選擇影響青稞米蒸煮硬度的因素：流化溫度、處理時間、進料速度、補水質量分數。根據單因素實驗的結果，進行四因素三水平正交實驗，設計方案如表1所示。

表1 正交實驗的設計

1.3.3 含水量的測定

參照GB 5009.3—2016的方法進行測定。

1.3.4 吸水率的測定

在離心管中放入事先稱好的5.0 g青稞米，加入30 mL去離子水后在30 ℃條件下恒溫水浴，分別浸泡0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 h。浸泡時間到達時，用漏斗瀝干水分并擦干青稞米表面的殘余水分，稱其質量并依據公式計算，得到青稞米的浸泡吸水率[14]。

式中：m1為吸水后樣品質量/g；m2為吸水前樣品質量/g。

1.3.5 質構特性的測定

稱取青稞米25 g和精米75 g進行混勻，淘米后按照米水比1∶1.9添加水于電飯煲中蒸煮，蒸煮結束后保溫25 min。采用質構儀的TPA模式測試青稞米的質構特性，參照楊曉娜[15]的測試方式并做適當調整。從青稞米飯中間不同位置挑選3粒外觀、大小相近的青稞米放射狀置于測試臺上，目標值設定為50%，觸發點為5.0 g，探頭選用P/25，探頭的測前速度、測試速度和測后速度分別為2.0、0.5、0.5 mm/s。在10個平行結果中去掉最大值和最小值，并取平均值。

1.3.6 青稞米橫截面形態觀察

將青稞米橫向切片，進行真空噴鍍金膜，在加速電壓3 kV的條件對其進行35、300、1 000倍的掃描觀察。

1.3.7 晶型結構分析

通過X-射線衍射儀對淀粉的晶型結構進行測定，測試前將青稞米粉置于濕度高的環境中平衡12 h。測試參數：掃描速率0.5 s/步，測試步長0.05(°)/步，掃描區間為5°～50°。用MDI Jade6.0軟件分析處理得到的X衍射圖譜，得到其相對結晶度。

1.3.8 糊化特性分析

通過快速黏度分析儀測定青稞米粉的糊化參數。按照3.0 g校準所需樣品質量、12%校準水分體積。測定程序：50 ℃保持1 min；從50 ℃上升至95 ℃，速率為12 ℃/min；在95 ℃保持2.5 min；以12 ℃/min的速率冷卻至50 ℃；50 ℃保持2 min。根據RVA的糊化曲線得到峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、糊化溫度、崩解值、回生值等參數。

1.3.9 糊化度的測定

按照1.3.6所述制備青稞米飯，挑出其中的青稞米進行真空冷凍干燥，并粉碎過篩得到樣品。參考熊易強[16]的實驗方法測定糊化度。

1.4 數據統計與分析

除硬度外，實驗每次測3個平行，數值結果以平均值±標準差的形式表示。用SPSS Statistics 22進行方差分析與顯著性分析。采用Origin 9.0作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 流化溫度對青稞米蒸煮硬度的影響

由圖2可知，青稞米的蒸煮硬度隨處理溫度的升高呈下降趨勢，185 ℃條件下處理得到的青稞米蒸煮硬度最低。高溫流化處理過程中，水分梯度差產生的應力使得青稞米表面產生細微裂縫，從而提升蒸煮過程中青稞米的吸水性能。研究表明，谷物表面的微小裂縫形成的水分通道可促進蒸煮過程中水分向內胚乳的滲透，從而降低米飯硬度，改善蒸煮食用品質[17]。分析可知，180～185 ℃青稞米的蒸煮硬度雖然有所下降，但差異不顯著(P>0.05)。由此，高溫流化處理青稞米的最佳溫度為180 ℃。

2.1.2 進料速度對青稞米蒸煮硬度的影響

在高溫流化處理時，當熱量供給恒定時，進料速度越快每粒青稞米吸收的熱量就越少。圖2為進料速度對青稞米蒸煮硬度的影響，青稞米硬度隨著進料速度的提高呈現上升趨勢，進料速度為45 kg/h時，青稞米蒸煮硬度最低；進料速度上升至60 kg/h時，蒸煮硬度變化不明顯；而當進料速度大于60kg/h時，蒸煮硬度顯著增大(P<0.05)。由于進料速度和生產效率呈正相關，為提高生產效率，進料速度60 kg/h最合適。

2.1.3 處理時間對青稞米蒸煮硬度的影響

由圖2可知，隨著流化時間的增加，青稞米蒸煮硬度逐漸降低。與原料的蒸煮硬度相比，處理時間為20 s時的青稞米蒸煮硬度為1 742.06 g，兩者沒有顯著差異(P>0.05)。當處理時間增加至40、60 s時，青稞米的蒸煮硬度顯著降低(P<0.05)。而當處理時間達到80 s時，青稞米出現過度美拉德反應[18]，表面焦化嚴重。因此，選擇60 s為青稞米的最佳流化處理時間。

2.1.4 補水量對青稞米蒸煮硬度的影響

對原料流化前的補水處理有助于改良其蒸煮品質，且合適參數條件的流化處理可帶走青稞米補充的多余水分，不會影響后續儲藏[12]。由圖2可知，隨著補水量的增加，青稞米硬度呈先降低后升高趨勢。流化前的補水處理軟化了青稞米的胚乳質地，使其內部蛋白質與淀粉粒的結合力減弱[19]，因此，流化處理過程中的熱量傳導更為均衡，且高溫流化處理過后的青稞米胚乳細胞間的緊密度低于未補水的青稞米。較低的胚乳細胞緊密度加速了蒸煮過程中水分的滲入，故補水使得青稞米蒸煮硬度降低。由于補水使青稞米含水量提高6%蒸煮硬度最低，故選其為最佳補水量。

圖2 流化溫度、進料速度、處理時間和補水量對青稞米蒸煮硬度的影響

2.2 正交實驗

由表2可知，對青稞米蒸煮硬度影響的大小順序為：溫度>補水量>處理時間>進料速度。由此，以蒸煮硬度為指標得到的最佳工藝參數組合為A1B1C2D3，即流化溫度175 ℃、不補水、進料速度60 kg/h、處理時間80 s。以此參數處理青稞米并進行驗證實驗，結果見表3。青稞米經過高溫流化處理后，吸水性能得到顯著改善，同時蒸煮硬度降低至1 409.75 g，接近于白米飯的硬度1 367.80 g[8]。

表2 正交實驗結果分析

表3 驗證實驗及其結果

2.3 高溫流化對青稞米食味品質和淀粉糊化度的改善效果

2.3.1 高溫流化處理前后青稞米飯的質構特性

如表4所示，青稞米經高溫流化處理后，硬度、咀嚼性降低，黏著性、彈性增加。研究表明，質構特性中的硬度和彈性與感官評價中適口性指標呈顯著負相關，米飯適口性評價的關鍵質構指標為硬度和彈性[20]。黏著性亦能反映米飯感官品質，黏著性值越高則米飯越松軟可口；咀嚼性和感官評分呈顯著負相關[21]。高溫流化處理青稞米硬度值的降低與黏著性的增大使其具有良好適口性，彈性值雖然有所提高，但是差異不顯著(P>0.05)。青稞米經高溫流化處理，咀嚼性顯著降低(P<0.05)，適口性提高。經高溫流化處理的青稞米在與白米同煮時能同熟，且食味品質得到改善。

表4 青稞米飯的質構特性

2.3.2 高溫流化處理前后青稞米飯的淀粉糊化度

由表5可以看出，青稞米飯中高溫流化青稞米糊化度顯著高于原料青稞米的糊化度(P<0.05)，高溫流化青稞米的淀粉糊化度達95.01%，在蒸煮過程中基本全部糊化。高溫流化處理使青稞米部分淀粉顆粒發生一定程度的糊化，其吸水溶脹破裂，結構不可逆地由有序轉變為無序。蒸煮過程中，高溫流化青稞米吸水更加充分，淀粉更易糊化，進而青稞米飯的糊化度提高，蒸煮硬度降低[22]，與2.3.1質構特性結果相一致，白潔等[23]的研究中亦發現蒸煮硬度與糊化度呈負相關。此外，糊化度高的淀粉越容易被人體的酶水解，高溫流化青稞米更有利于腸道的消化吸收[24]。

表5 青稞米飯的糊化度

2.4 高溫流化改善青稞米蒸煮品質的原因探索

2.4.1 高溫流化處理前后橫截面形態的變化

用SEM觀察高溫流化處理前后青稞米的橫截面形態，結果如圖3所示，橫截面近似圓形形態的顆粒與仁欣等[25]通過SEM觀察的青稞淀粉顆粒形態相似，由此可推測橫截面的橢圓顆粒即為淀粉顆粒。由圖3a、圖3c可以看出，原料青稞米的橫截面質構均勻、較為規整光滑，胚乳細胞緊密排列，淀粉顆粒堆疊在一起并包裹其中，這與紅小豆[23]、大米[26]等橫截面的微觀結構相似。由圖3b、圖3d所示的流化青稞米橫截面可以看出，高溫流化處理使青稞米內部結構發生一定程度的改變，淀粉顆粒經流化處理顆粒膨脹、直徑增大；部分相鄰淀粉粒之間由于糊化作用出現融合現象，邊界模糊甚至消失，與紅小豆蒸煮[23]及百合熱燙[27]過程中淀粉顆粒的糊化現象一致。高溫流化處理后的青稞米淀粉顆粒產生間隙，排列變得疏松，這有利于蒸煮過程中水分滲入淀粉顆粒間隙使其充分吸水糊化。因此，在相同的蒸煮條件下，高溫流化青稞米的硬度顯著低于未處理青稞米。

圖3 青稞米橫截面形態

2.4.2 高溫流化對青稞米粉晶型結構的影響

如圖4所示，青稞米淀粉是典型的A型圖譜，在2θ為15°、17°、18°及23°附近有4個較為明顯的特征峰。經過高溫流化處理后，淀粉的出峰位置沒有明顯的變化，說明高溫流化處理并沒有導致青稞米淀粉的結晶構型發生變化，但結晶峰趨于平緩，結晶度由10.41%降低至8.49%。青稞米20°附近的較弱衍射峰是直鏈淀粉與脂的無定型峰，說明青稞淀粉中有內源性的淀粉-脂質復合物[28]。與原料青稞米淀粉相比，流化青稞米淀粉在20°附近的衍射峰略微增強，說明在熱作用下青稞米中直鏈淀粉與脂肪形成更多復合物。A型結構的減少、結晶度的降低與Horrungsiwat等[29]過熱蒸汽干燥白米的研究結果一致。另一方面，高溫流化處理過程中，部分淀粉發生糊化，分子結晶區的部分氫鍵斷裂，原有的結晶結構遭到破壞，導致淀粉雙螺旋結構的展開和解離，這有助于改善蒸煮過程中淀粉顆粒的吸水性能[30]。

圖4 青稞米的X-衍射圖譜

2.4.3 高溫流化對青稞米糊化特性的影響

由表6可知，高溫流化使青稞米淀粉糊化溫度升高，糊化黏度、回生值、崩解值均降低。流化青稞米的峰值黏度與最終黏度均低于原料青稞米，可能是高溫處理過程中淀粉發生預糊化，顆粒破壞導致直鏈分子溶出，短直鏈分子集聚而形成耐熱結構，故總體黏度降低[31]。糊化溫度作為表征淀粉糊化難易程度的指標，其值高代表淀粉結構更穩定、顆粒不易被破壞，更耐蒸煮，同時糊化溫度與蒸煮品質呈正相關[32]。糊化溫度升高可能是因為高溫流化處理過程中形成的復合物附著在淀粉顆粒表面，阻礙了糊化時淀粉顆粒的膨脹，由于淀粉-脂類復合物在溫度趨于100 ℃時會溶解，故少量復合物并不影響其蒸煮[33]。

表6 青稞米粉的糊化特性

崩解值由已經糊化的淀粉顆粒結構瓦解引起，高溫流化使得淀粉的抗剪切力和耐攪拌力明顯提高。原料青稞米淀粉的膨脹能力大，顆粒內部分子間結合力較弱，故容易在剪切作用下發生破裂與瓦解，其崩解值較高反映了這一特征[26]。回生值反映淀粉的老化趨勢，回生值越大的青稞米越易老化，即食用品質降低。推測高溫流化處理使得青稞米內部蛋白間二硫鍵絡合作用增強，蛋白質水溶特性和淀粉-蛋白質交聯作用降低，因而抑制了淀粉的老化[25]。因此，與原料青稞米淀粉相比，高溫流化青稞米更耐蒸煮且不易老化，蒸煮食用品質得到提升。

2.4.4 高溫流化對青稞米吸水性能的影響

蒸煮是水分通過胚乳細胞的間隙進入青稞米內部，胚乳細胞中淀粉顆粒在水與熱的作用下發生糊化行為的過程。因此，吸水性能與蒸煮品質密切相關，而青稞米胚乳細胞間的致密性及較厚的胚乳細胞壁影響了蒸煮過程中水分的遷移。由圖5可以看出，高溫流化青稞米吸水性能顯著高于未處理青稞米。隨著浸泡的延長，青稞米吸水率呈增大趨勢，吸水曲線變平表示青稞米趨于吸水飽和。高溫處理的過程中，水分蒸發速率的差異使得青稞米內部產生水分梯度，水分梯度差產生超過本身結構能承受的應力時青稞米產生的微縫形成水分進入的通道，吸水性能得以改善。因此，蒸煮過程中淀粉與水得以充分反應，得到的青稞米飯適口性更好。此外，處理過后青稞米密度降低、組織較為疏松，可能是吸水能力提高的另一原因[34]。

注：小寫字母不同表示青稞米浸泡不同時間的吸水率差異顯著(P<0.05)；大寫字母不同表示原料青稞米和流化青稞米浸泡時間相同吸水率差異顯著(P<0.05)。 圖5 青稞米處理前后的吸水率變化

3 結論

高溫流化處理對青稞米的蒸煮品質有良好的改善作用，最佳工藝參數為流化溫度175 ℃、處理時間80 s、進料速度60 kg/h，此參數條件下青稞米的蒸煮硬度為1 409.75 g。由此可見，高溫流化能夠有效解決青稞米胚乳細胞致密及胚乳細胞壁厚的結構特征導致的吸水困難、蒸煮耗時和口感硬等問題，青稞米不用浸泡即可與白米同煮同熟。高溫流化使得青稞米淀粉顆粒緊密度降低、相對結晶度下降、糊化特性發生改變，同時改善了青稞米的吸水性能。