入磨水分對米粉粉質特性的影響研究

宋喜雅,林江濤,岳清華,宋安琪,王 瑞

河南工業大學 糧油食品學院, 河南 鄭州 450001

稻谷是世界上最主要的糧食作物之一,僅次于小麥和玉米居于第3位,但是以大米為主食的人口卻占世界人口的一半以上[1-3]。我國是稻米生產大國,稻谷種植面積僅次于印度,產量居世界首位。國家統計局數據顯示,2021年我國的稻谷總產量達21 284.3萬t[2]。以大米為主要原料的米粉、米發糕等也普遍受到了消費者的喜愛,不同的米制品對其原料的要求也不盡相同,如何實現米制品原料的專用化,是保障其產品質量穩定和規模化生產的關鍵問題。

制粉過程主要是為了改變米粉粒度,使其易于加工成其他產品。據報道,不同的制粉方式對米粉的粒度、破損淀粉含量以及淀粉顆粒的狀態都具有顯著影響[3-4]。濕法磨粉的粒度分布范圍窄,破損淀粉含量低,但工藝復雜[5],除營養物質流失外,易出現雜菌污染,且產生大量的廢水,不利于環境保護與運輸儲存[6-7]。干法制粉最為簡單,大米經除雜后磨粉即為成品,但通常為提升其細膩度會進行多次磨粉,產生較多破損淀粉[8],不利于產品的加工制作。半干法制得的米粉品質介于干濕法之間,既能夠解決濕法制粉產生大量廢水等問題,又能夠提高干法制粉的品質,如何縮小與濕磨米粉的差距仍然是目前研究的重點。3種制粉方式主要的區別在于水分,研磨過程中水分的參與能夠使制得的米粉表現出不同的性質,因此對半干法制粉工藝中入磨水分對米粉粉質特性影響的研究是有必要的。

輥式磨粉機具有研磨效率高、時間短、加工質量好的優點,被廣泛用于糧食加工、釀造等行業。高曉旭等[9]探究不同磨粉工藝對大米粉粉質特性的影響,發現輥式磨粉機對大米的機械損傷相對較小;佟立濤等[10]對調質大米半干法磨粉制備鮮米粉,發現采用輥式磨粉機2道皮磨、2道心磨進行磨粉,在入磨水分為28%和30%時制得米粉的白度顯著高于濕磨粉。輥式磨粉機前路為皮磨系統,后路為心磨系統,目前其對小麥制粉的工藝流程已較為成熟,而對于米制粉工藝流程來說研究相對較少。因此,本研究通過對大米進行調質,利用輥式磨粉機對不同入磨水分大米進行磨粉后對其粉質特性進行測定并分析,研究入磨水分變化對米粉粉質特性的影響。探尋適合輥式磨粉機制米粉工藝的入磨水分,為后續米制粉工藝流程的探究提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

早秈米:桃源縣泰香糧油科技開發有限公司;碘化鉀、硼酸和硫代硫酸鈉:天津市科密歐化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

MLU-202布勒實驗磨:無錫布勒機械制造有限公司;LFS粉篩:無錫錫糧機械制造有限公司;101-1ES電熱鼓風干燥箱:北京永光明醫療儀器有限公司;SD matic破損淀粉儀:法國CHOPIN;Kjeltec TM 8400凱氏定氮儀:瑞典福斯分析儀器公司;RVA-TM快速黏度分析儀:瑞典PERTEN公司;L550離心機:湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司;TA-XT Plus質構儀:英國Stable Micro Systems公司;CR-410色度計:Konica Minolta;NKT2010-L全自動激光粒度分析儀:山東耐克特分析儀器有限公司;差示掃描量熱儀:美國Perkin Elmer有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 米粉制備方法

半干法制備:準確稱取一定質量大米于自封袋中,加入一定比例的水,混合均勻后于室溫下潤米14 h后進行磨粉,過186 μm篩網,40 ℃干燥至水分12%左右備用。

加水量(mL)=W(M1-M0)/(1-M1),

式中:W為樣品質量(g);M1為入磨目標水分(%);M0為原始水分(%)。

1.3.2 基礎理化指標測定

水分含量:參照GB 5009.3—2016,直接干燥法;灰分含量:參照GB 5009.4—2016,食品中總灰分的測定;總淀粉、直鏈淀粉含量:采用試劑盒法測定;粗蛋白含量:參照GB 5009.5—2016,凱氏定氮法,換算系數5.95。

1.3.3 米粉白度測定

將米粉裝入專用的粉末樣品盒中,使用色差儀進行測定,每組樣品測定3次,使用亨特完全白度公式計算大米粉白度[11]。

H=100-[(100-L*)2+a*2+b*2]1/2,

式中:H為亨特白度;L*為明暗度;a*為紅綠值;b*為黃藍值。

1.3.4 粒度分布

采用激光粒度分析儀測定米粉的粒度分布。設定樣品折射率為1.55,分散介質為空氣,測定過程中遮光度控制在10%～15%。

1.3.5 破損淀粉

采用SD matic破損淀粉儀進行測定[12]。分別稱取(3.0±0.2 )g硼酸、碘化鉀于反應杯中,加入(120.0±0.1) mL蒸餾水,同時加入一滴0.1 mol/L硫代硫酸鈉溶液。然后開啟機器,用儀器專用樣品匙準確稱取(1.000±0.100) g米粉,準確輸入樣品質量、水分及蛋白含量,開始測定。測定結果以碘吸收值表示。

1.3.6 糊化特性

根據GB/T 24852—2010《大米及米粉糊化特性測定 快速黏度儀法》進行測定。

1.3.7 熱特性

參照田曉紅等[13]使用的方法,稍做修改,采用差示掃描量熱法(DSC)對米粉的熱特性進行測定。準確稱取2.5 mg樣品,料液比為1∶3 g/mL,于4 ℃隔夜放置平衡。掃描過程以10 ℃/min的速率從20 ℃升至120 ℃。

1.3.8 凝膠特性

將糊化后的淀粉糊倒入直徑為3.1 cm、高度為1 cm的模具中,于4 ℃冷藏24 h后使用TA-XT Plus質構儀進行測定,選取TPA模式,探頭P/0.5R,測前速度2 mm/s,測中速度、測后速度1 mm/s,壓縮比50%,平行測定6組。

1.3.9 水合特性

參考De la hera等[14]使用的方法,略做修改。稱取0.1 g米粉樣品于20 mL蒸餾水中,混勻后分別在25 ℃和100 ℃下加熱振動30 min,每隔10 min振蕩10 s后,于10 000 r/min離心30 min。將上清液倒入恒重的鋁盒中,105 ℃干燥至恒重,并對濕沉淀稱重。吸水性(WAI),水溶性(WS),溶脹性(SP)計算公式如下:

WAI(%)=濕沉淀質量/樣品干質量,WS(g/g)=上清液干質量/樣品干質量,SP(g/g)=濕沉淀物質量/[樣品干質量×(1-WS)]。

1.4 數據統計與分析

測定結果用平均值±標準偏差表示,使用Excel進行數據整理,Origin 2018進行繪圖,SPSS進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 米粉化學組成

經測定,大米顆粒水分含量為12.3%,飽和水分含量為28.14%,繼續增加水分則米粒表面和自封袋中出現明顯流動水分,不利于輥式磨粉機研磨,因此入磨水分在米粒飽和水分含量范圍內選擇。不同入磨水分大米制粉后其米粉基礎指標見表1,入磨水分對米粉總淀粉含量和直鏈淀粉含量無顯著性影響。米粉灰分含量略有波動,但無顯著性差異。蛋白含量變化范圍在0.24百分點內。有研究表明[15]米粉中蛋白質含量隨著粒徑的增加而增加,但是當粒度較大時并未遵循這一趨勢,并且米粉中蛋白質含量由胚乳外部向內部逐漸減少,因此可能造成米粉粗蛋白含量略有波動。

表1 米粉基礎指標Table 1 Basic indexes of rice flour %

2.2 米粉色澤

米粉的白度對其制品的色澤和感官品質具有重要的影響,通常來說米粉白度越高,其制品色澤越好,越易受消費者的青睞。L*表示樣品明暗度,a*正負表示紅綠,b*正負表示黃藍。由表2可以看出,隨著大米入磨水分的增加,米粉的L*和白度呈現顯著性增加,a*和b*呈現顯著性降低,并且在入磨水分達到26%時,其b*由偏黃轉為了偏藍。這是由于在磨粉的過程中水分的參與使米粉受到的機械損傷減小,平均粒徑減小,其相對表面積增大,反光效果好,因而其白度較高[16]。有研究表明隨著米粉粒度減小,其L*升高,b*下降,與本試驗研究結果相似[17]。

表2 米粉色澤Table 2 Color of rice flour

2.3 米粉粒度分布

磨粉對于米粉品質來說至關重要,使產品不受顆粒大小的影響,從而易于加工成其他產品,因此粒度是評價米粉品質的重要指標之一。使用激光粒度分布儀對米粉粒度分布進行測定,結果見表3。D10表示細端粒度,D50表示中等粒度,D90表示粗端粒度。從表3可知,不同入磨水分對米粉粒度的影響存在顯著性差異。隨著入磨水分的增加,米粉粒度呈現顯著性降低的趨勢。這可能是水分的參與使大米顆粒膨脹,結構趨于疏松,在研磨過程中易于破碎。同時水分的增加,使制得的米粉水分也增加,由于樣品是先經過篩網后進行干燥的,干燥后米粉中水分流失,粒度可能也有所減小。當入磨水分達到28%時,米粉粒度與入磨水分為26%時無顯著性差異,說明當大米顆粒水分達到26%之后,繼續增加水分,對米粉的粒度影響較小。

表3 米粉粒度分布Table 3 Distribution of particle size of rice flour

2.4 米粉破損淀粉

大米在磨粉過程中,淀粉受到外力作用,完整的淀粉顆粒被破壞,從而形成破損淀粉。淀粉的損傷程度受原料質量、磨粉粒度和磨粉條件3個主要因素的影響[18]。相比于完整的淀粉顆粒,破損淀粉具有更高的吸水能力和酶解速率,從而對米粉的加工品質有著重要影響[19]。利用SD matic破損淀粉儀對米粉破損淀粉含量進行測定,結果見圖1,米粉的碘吸收值越高,說明其破損淀粉含量越高。入磨水分小于24%對米粉破損淀粉含量無顯著性影響,但繼續增加入磨水分,米粉破損淀粉含量顯著性減小,米粉破損淀粉碘吸收值從85.31%減小至82.37%。有研究報道,磨粉的粒度與其破損淀粉含量存在顯著的相關性,通常粒度越小其破損淀粉含量越高[20],而本試驗中結論與之不同。這主要是由于在本試驗中使用同一個篩網對米粉進行過篩,而大米經潤米后顆粒水分含量增加,米粒膨脹,硬度降低,制粉過程中易于破碎,粒度減小,但顆粒中水分未能達到對碾磨過程中產生的機械損傷降低的程度,因此在入磨水分小于24%時,其破損淀粉含量無顯著性差異。但當入磨水分增加至28%,大米籽粒內部水分達到飽和狀態,水分在研磨過程中吸收了熱量,降低了機械損傷,較好地保護了淀粉顆粒,因此米粉破損淀粉含量顯著性降低。

圖1 米粉碘吸收值Fig.1 Iodine absorption value of rice flour

2.5 米粉糊化特性

糊化的本質主要是水分子進入微晶束,使淀粉粒中晶態與非晶態分子間氫鍵斷裂,斷裂的氫鍵與水分子結合,增加了淀粉結構的無序性、減少了結晶區域,因此溶液呈糊狀[21]。米粉中蛋白質含量較少,且米蛋白無法形成蛋白質網絡結構,多數米粉條的加工制作主要靠淀粉糊化、回生后形成凝膠結構,因此糊化特性是評價米粉品質的重要指標之一。表4反映了不同入磨水分對米粉糊化特性的影響。淀粉糊化后其峰值黏度表示淀粉顆粒膨脹和崩解平衡時的黏度,反映了淀粉與水結合能力的強弱,最終黏度可對米粉的最終品質產生影響,反映了淀粉在糊化時形成黏稠糊狀的能力。隨著入磨水分的提高,米粉峰值黏度、最低黏度和最終黏度均呈現顯著性增加的趨勢,這主要是由于在制粉過程中水分的參與,使大米顆粒受到的機械熱損傷減小,降低了其制粉粒度和破損淀粉含量,因此在糊化過程中與水的結合能力更強。Ross等[22]研究發現破損淀粉含量與米粉的最終黏度和回生值密切相關,而粒度分布與峰值黏度有較強的相關性,這與本試驗的結果相似。衰減值表示米粉峰值黏度與最低黏度的差值,研究結果發現米粉衰減值隨著入磨水分的增加而升高,說明淀粉的耐剪切性能變差。回生值反映了淀粉的抗老化程度,隨著入磨水分的增加,其呈現先增加后降低的趨勢,在入磨水分為26%時降到最低值,說明此時的米粉凝膠可能具有更強的抗老化性能。

2.6 米粉熱特性

淀粉分子凝膠化是一個吸熱的過程,DSC熱特性能夠顯示淀粉在糊化過程中的有序結構破壞的過程,反映其熱力學變化。起始溫度為米粉開始糊化時的溫度,峰值溫度表明米粉凝膠形成時的溫度,終止溫度表示米粉糊化完成時的溫度。表5中數據顯示,隨著入磨水分的增加,米粉起始溫度、峰值溫度和終止溫度略有降低,其變化范圍在0.19～1.15 ℃之間。有報告顯示,米粉的T0、Tp、Tc和ΔH與破損淀粉含量呈現負相關,主要是由于破損淀粉有更高的吸水速率,因此更利于米粉的糊化[23]。而本試驗則出現了與之不同的結果,這可能主要與米粉的粒度有關,米粉粒度越小與水分子的接觸更加完全,更易糊化,因此,起始溫度、峰值溫度和終止溫度略有降低。焓變值反映了淀粉結晶結構向非結晶結構的轉變,表示米粉顆粒的結晶程度,焓變值越小,淀粉晶體的有序化程度越低。隨著入磨水分的增加,米粉焓變值呈現顯著性增加的趨勢,這與米粉的破損淀粉含量有關,完整的淀粉顆粒由于結晶結構完整,在溶解過程中相比于破損淀粉會吸收更多的熱量[24]。

2.7 米粉凝膠特性

凝膠是一種介于固體和液體之間的膠體,米粉在高水分和高溫的作用下,淀粉與水分子相互作用,氫鍵斷裂,老化回生后淀粉分子相互纏繞形成具有一定黏彈性和強度的凝膠網絡。米粉凝膠的硬度、彈性等,與米粉成品的質構特性及蒸煮品質具有一定的相關性[25]。不同入磨水分米粉凝膠特性測定結果見表6,隨著入磨水分的增加,米粉凝膠的硬度顯著性降低,彈性、內聚性和回復性略有波動但無顯著性變化,在入磨水分為28%時彈性最大,這與曹世陽[26]的研究結果一致。米粉粒度小,破損淀粉含量低,淀粉分子間更易于水分子之間形成氫鍵,老化后相互交聯聚合,膠體結構致密,彈韌性較大,形成的凝膠網絡結構更均勻致密。

表6 米粉凝膠特性Table 6 Gel properties of rice flour

2.8 米粉水合特性

水合特性可反映水與淀粉和蛋白質的結合能力,對于淀粉食品的品質有顯著影響[27]。米粉的溶解度和溶脹性可能與鮮濕米粉的蒸煮損失有關,而吸水性可能與其抗剪切能力有關。由表7可知,不同制粉方式對米粉的水合特性存在顯著性差異。在25 ℃時,隨著入磨水分的增加,其吸水性(WAI)、水溶性(WS)和溶脹性(SP)均呈現降低的趨勢,這可能主要與破損淀粉的含量有關,破損淀粉含量越低,淀粉顆粒結晶破壞程度減小,因此親水性的羥基暴露少,其在水中的吸水性、水溶性和溶脹性都降低[28]。當加熱到100 ℃時,米粉充分糊化,其吸水性和溶脹性有先升高后降低的趨勢,而水溶性逐漸降低,這可能與米粉的粒度和破損淀粉有關,米粉粒度降低,糊化時與水分子接觸更多,因此吸水性和溶脹性升高,而繼續增加入磨水分,米粉粒度雖減小,但其破損淀粉含量顯著降低,淀粉顆粒結晶完整,因此吸水性和溶脹性降低。

表7 米粉水合特性Table 7 Hydration properties of rice flour

3 結論

分析了不同入磨水分對米粉品質的影響,結果表明隨著大米入磨水分的增加,大米顆粒內部水分逐漸趨于飽和,硬度降低,在磨粉過程中易于粉碎,顯著降低了其平均粒徑和破損淀粉含量,使淀粉顆粒結晶保存更加完整。當入磨水分達到26%之后米粉粒度不再降低,但破損淀粉含量顯著降低;其最終黏度、焓變值升高,凝膠硬度降低。米粉在25 ℃時,吸水性、水溶性和溶脹性呈降低趨勢,當溫度升至100 ℃時,米粉水溶性降低,吸水性和溶脹性呈現先升高后降低的趨勢。因此當大米潤米至飽和水分含量后,降低了制粉過程中產生的機械損傷,且具有較好的粉碎特性,適合選作輥式磨粉機制米粉工藝的入磨水分。