粳米重組米的制備工藝優化及性能研究

高 嫚，賈健輝,2，張楚佳，張 智,3，劉 穎，竇博鑫, ，張 娜,

（1.哈爾濱商業大學食品工程學院，黑龍江哈爾濱 150028；2.牡丹江師范學院生命科學與技術學院，黑龍江牡丹江 157011；3.北大荒米業集團有限公司，黑龍江哈爾濱 150090）

近年來，隨著人們生活水平的提高，高血糖、高血脂、肥胖等“富貴病”的發病率呈上升趨勢[1]。為有效控制血糖和體重，應避免攝入會使血糖升高較快的食物。米飯是人們的主食之一，大米的主要成分是淀粉，研究表明，大米淀粉易被消化吸收，會引起人體餐后血糖水平的迅速上升，不適宜糖尿病患者食用[2]。重組米是指以淀粉基原料（如大米、小麥等）為主體，根據目標產品的需要復配其他組分，經過擠壓熟化、切割、干燥制成的與天然大米類似的顆粒。開發適宜糖尿病患者、高血脂和肥胖人群食用的重組米具有重要意義和廣泛應用前景。

粳米中直鏈淀粉含量較低，膠稠度軟，口感柔軟順滑，深受消費者青睞[3]。粳米在加工過程中會產生一定比例的碎米，碎米營養成分和整米一致，但價格低廉，可用于重組米的制備，以提高其經濟價值[4]?？剐缘矸郾徽J為是一種新型膳食纖維，因其良好的物理化學及功能特性被廣泛應用于各種食品中[5-6]?？剐缘矸鄣蜔崃?、易飽腹等特點越來越受到大眾認可，抗性淀粉可以減少餐后血糖的升高，可制成適合糖尿病人食用的功能性食品[7]。采用添加抗性淀粉，降低傳統稻米的消化速率的方法，能夠達到餐后穩糖的效果，有助于糖尿病患者控制病情發展。

近年來，對低消化性重組米的研究越來越多。李盧等[8]將南瓜粉、谷朊粉等添加到燕麥粉、馬鈴薯全粉中擠壓制備重組米，重組米的消化性顯著降低。方沖[9]將高直鏈玉米淀粉添加至秈米粉中，制備的擠壓重組米具有良好的降血糖功效。目前這些關于糖尿病患者食用的擠壓重組米的制備研究較多，但將抗性粳米淀粉添加到碎粳米粉中擠壓制備抗性重組米的研究還未見報道?？剐跃椎矸塾删椎矸鄹男垣@得，它具有與粳米淀粉類似的優良特質，是制備重組米的優質原料。課題組前期對粳米淀粉進行物理改性獲得了抗性粳米淀粉，并將其與碎粳米粉混合，擠壓制備得到了具有較低消化性的重組米，但得到的重組米品質與市售粳米尚有差異。眾多研究發現，擠壓工藝參數對所得產品品質影響較大[10-11]。因此，本文研究擠壓工藝參數對重組米品質的影響，確定最佳工藝條件，并以市售粳米和空白重組米為對照，研究重組米的糊化、流變、蒸煮和消化性能，旨在為研發加工特性和食用品質較好的重組米提供理論依據，為我國碎米資源的綜合利用及深加工提供一條新的途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

碎粳米（水分含量10.14%）、市售粳米（水分含量10.90%）黑龍江省五常金禾米業有限責任公司；抗性粳米淀粉（水分含量9.74%，快消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉含量分別為37.61%、33.65%和28.74%）課題組自制；葡萄糖測定試劑盒Megazyme 公司；α-胰腺淀粉酶（12 U/mg）、淀粉葡萄糖苷酶（82.5 U/mg）Sigma 公司；乙酸、氫氧化鈉、無水乙醇 AR，天津市光復科技發展有限公司。

DSE-25 雙螺桿擠壓膨化機 德國布拉本德公司；FW100 高速萬能粉碎機 蘇州江東精密儀器有限公司；JA 2003 電子天平 上海浦春計量儀器有限公司；Rapid-20 快速粘度分析儀 瑞典Perten 儀器公司；H-PID200 流變儀 美國TA 儀器公司；DHP-9162 電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 重組米的制備 工藝流程：碎粳米粉、抗性粳米淀粉→調質→擠壓→造?！稍铩善贰?/p>

將碎粳米粉碎過80 目篩，取350 g 與30%的抗性粳米淀粉（以混合粉質量計）均勻混合，并調節水分含量，然后將其放入4 ℃的冰箱中平衡24 h，水分平衡后放入雙螺桿擠壓機中進行擠壓。將得到的重組米于45 ℃烘箱中干燥，直到水分含量低于14%?？瞻字亟M米是不添加抗性粳米淀粉擠壓制備的重組米。

1.2.2 單因素實驗 根據預實驗，在模頭溫度100 ℃、水分含量28%、螺桿轉速120 r/min 的基礎條件下，保持其他條件不變，只改變其中一個因素，分別設置模頭溫度（80、90、100、110、120 ℃）、水分含量（24%、26%、28%、30%、32%）、螺桿轉速（80、100、120、140、160 r/min），以重組米的質構、感官和蒸煮損失率的綜合得分為考察指標，進行單因素實驗。

1.2.3 響應面試驗 根據單因素實驗結果，選擇模頭溫度、水分含量和螺桿轉速3 個因素，分別選取3 個水平，以重組米的質構、感官和蒸煮損失率的綜合得分為考察指標，進行響應面試驗設計，如表1 所示。

表1 響應面試驗因素與水平Table 1 Response surface test factors and levels

1.2.4 感官評價 重組米感官評價參照王嫻等[12]的方法，感官評定人員由10 名經培訓后的食品專業人員擔任。

1.2.5 質構特性測定 根據文獻[13-14]描述的方法進行適當的修改。在鋁盒中加入1:1.5（m:m）的重組米和蒸餾水，在鍋中蒸15 min，然后冷卻至室溫。蒸煮后的重組米放置于燒杯中，厚度控制為13～15 mm，為模仿人體咀嚼過程，將TPA 壓縮次數設為兩次。使用直徑35 mm 的平底柱形探頭P/35 對重組米進行質構分析，測試前、測試期間和測試后的探頭速度分別設置為1、2 和1 mm/s。壓縮力度為50%，觸發力為5 g，時間間隔為5 s。重復測定7 次，去除硬度最大和最小值的兩個值后，取另外5 組數據平均，分別得到樣品米的硬度、彈性、咀嚼性和黏聚性等指標。

1.2.6 蒸煮損失率測定 參照Lourembam 等[15]的方法稍作調整。在離心管中放置2.00 g（m0）重組米，倒入20 mL 蒸餾水，蒸煮10 min，將全部米湯轉移至平皿（m1）內，然后在105 ℃烘箱中干燥，直至恒重（m2），蒸煮損失率的計算公式如下：

1.2.7 綜合評分 重組米的綜合評分由感官評分、質構評分和蒸煮損失評分3 部分構成，綜合評分權重設定為：重組米綜合評分=40%感官評分+30%質構評分+30%蒸煮損失評分，具體評分規則參考高帥[16]的方法。

1.2.8 糊化特性的測定 參考Zheng 等[17]的方法，使用快速黏度儀（RVA）測定重組米的糊化特性。根據RVA 自帶軟件進行水分校正，配制質量分數為14%（以干基計）的淀粉乳溶液，放入儀器中進行測定。測定條件：50 ℃預熱1 min，以12 ℃/min 的速率升溫至95 ℃，保持2 min，以12 ℃/min 的速率冷卻至50 ℃并保持2 min。采用RVA 標準程序，通過TCW3 軟件得到峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、衰減值和回生值等糊化參數。

1.2.9 流變特性的測定 參考Guo 等[18]的方法并進行適當的修改。使用直徑為50 mm 的平板，在室溫下進行樣品的流變學特性測定，間隙為1 mm，以1%的應變進行頻率測試（0.1～20 Hz），記錄動態流變數據。

1.2.10 蒸煮特性的測定 參照王肇慈[19]的方法，對樣品蒸煮特性進行測定。

1.2.10.1 吸水率測定 稱取樣品米5.00 g（m0）于燒杯中，加入50 mL 蒸餾水，沸水浴10 min，蒸煮后將樣品米瀝干至不再有米湯滴下，再將其冷卻0.5 h，然后稱量樣品質量m1，吸水率按照如下公式計算：

1.2.10.2 體積膨脹率測定 稱取樣品米5.00 g（m0）于量筒中，測試樣品米的體積V0，加入50 mL 蒸餾水，沸水浴10 min，蒸煮后將樣品米瀝干至不再有米湯滴下，再將其冷卻0.5 h，然后用量筒測此時的體積V1，膨脹率按照如下公式計算：

1.2.11 消化特性的測定 參考高嫚等[20]的方法并稍作修改。準確稱取100（±5）mg 樣品置于50 mL離心管中，加入已預熱至37 ℃的混合酶溶液25 mL，混合酶溶液pH 為6.0，酶添加量為AMY（3600 U）+AMG（360 U），渦旋混勻，160 r/min、37 ℃水浴下進行振蕩。分別在20、120 min 時取出反應液，用GOPOD 測定其葡萄糖含量。快消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）含量的計算公式如下：

式中：FG 為酶解前淀粉懸浮液中的游離葡萄糖含量（mg）；G20為淀粉酶解20 min 后酶解液中的葡萄糖含量（mg）；G120為淀粉酶解120 min 后酶解液中的葡萄糖含量（mg）；0.9 為葡萄糖轉化系數；TS 為樣品中總淀粉含量（mg）。

1.3 數據處理

實驗數據以平均值±標準偏差表示，使用Origin 2021 和Design Expert 8.0.6 繪圖，單因素方差分析使用SPSS 25 進行分析。

2 結果與分析

2.1 模頭溫度、水分含量和螺桿轉速對重組米品質的影響

模頭溫度是影響重組米品質的重要參數之一。溫度的高低決定著重組米品質的好壞，高溫可使重組米糊化程度升高，低溫反之，糊化程度的高低影響著重組米品質的好壞[21]。由圖1 可知，隨著模頭溫度的增加，重組米的綜合評分呈現先上升后下降的趨勢。當模頭溫度為100 ℃時，重組米的綜合評分最高。當模頭溫度低于100 ℃時，淀粉糊化程度低，產品結構疏松，米粒香氣淡、米飯口感差[22]。而當模頭溫度高于100 ℃時，淀粉的糊化程度較高，大分子物質降解形成小分子物質，物料水溶性增大，重組米黏性增大，蒸煮后損失率較高，且部分重組米出現膨化現象，重組米表面氣泡較多，和大米外觀相差較大，品質較差[23]。因此，選取模頭溫度90～110 ℃進行下一步試驗。

圖1 模頭溫度、水分含量和螺桿轉速對重組米品質的影響Fig.1 Effect of die temperature,moisture content and screw speed on the quality of recombinant rice

物料水分含量對重組米品質影響較大[24]。由圖1 可知，隨著水分含量的增加，重組米的綜合評分呈現先上升后下降的趨勢。當水分含量為28%時，重組米的綜合評分最高。物料水分含量較低時，物料難以糊化，水分不充足導致物料與機筒間摩擦增加，物料滯留，產品較難擠出，重組米容易出現開裂、表面粗糙的現象，影響品質[25]。而水分含量過多時，物料糊化過度，重組米黏度大，且產品水分含量較高，干燥時間長，品質差[26]?？紤]到重組米的品質特性，選取物料水分含量26%～30%進行下一步試驗。

螺桿轉速影響物料在擠壓機中的剪切程度、停留時間和?？诔尚蛪毫?，從而影響產品質量[27]。由圖1 可知，隨著螺桿轉速的增加，重組米的綜合評分呈現先上升后下降的趨勢。當螺桿轉速為100 r/min時，重組米的綜合評分最高。當螺桿轉速較低時，螺桿對物料的剪切作用較小，淀粉的糊化程度較低[28]。隨著螺桿轉速增大，淀粉的糊化程度增大，而當螺桿轉速過大時，物料在擠壓機內停留及受熱時間較短，受熱不均勻，不利于良好結構的形成，重組米蒸煮品質差[29]。綜上，選取螺桿轉速80～120 r/min 進行下一步試驗。

2.2 響應面優化

2.2.1 模型的建立與方差分析 為了進一步優化重組米的擠壓工藝條件，采用響應面設計進行了17 組試驗，試驗設計和結果如表2 所示。使用Design Expert 8.0.6 軟件對響應面數據進行回歸分析，得到的回歸方程為：

表2 響應面分析試驗設計及結果Table 2 Design and results of response surface test

對回歸方程進行方差分析，結果如表3 所示。由表3 可知，模型的F值38.64，其相應的P值小于0.01，表明試驗中使用的回歸模型具有極其顯著的意義。失擬項F=6.03，對應的P值為0.0577，不顯著（P＞0.05），表明試驗獲得的模型是可靠的，具有良好的擬合性。該模型的決定系數R2為0.9803，校正后為0.9549，表明方程擬合較好，并且變異系數（1.33）較低，說明試驗精確度較高，可靠性強。

表3 回歸模型及方差分析Table 3 Regression model and analysis of variance

模型中A、B、A2、B2、C2、AB 對響應值的影響是極顯著的（P＜0.01），因素C 達到顯著水平（P＜0.05）。F值越大，表明該因素對重組米綜合評分的影響越顯著，由分析可得影響響應值的因素順序由大到小為：A（模頭溫度）＞B（水分含量）＞C（螺桿轉速）。

2.2.2 各因素交互作用影響分析 各因素交互作用的響應面圖見圖2。由圖可知，響應曲面均為開口向下，響應值隨著因素水平的增加而增加，當增加到極值點后，它又隨著因素水平的增加而逐漸降低，響應面具有最高點，表明此模型在選定范圍內存在最優條件。A 和B 的響應曲面比較陡峭，響應值變化比較大，表明因素之間的交互作用比較大；A 和C、B 和C 兩組對應的響應面相對平坦，表明這兩組因素之間的交互作用比較弱。

圖2 模頭溫度、水分含量、螺桿轉速間交互作用對綜合評分的影響Fig.2 Influence of the interaction between die temperature,moisture content and screw speed on the comprehensive score

2.2.3 試驗驗證 經過Design Expert 8.0.6 軟件分析得到響應面優化制備重組米的最佳工藝條件為：模頭溫度101.72 ℃，水分含量28.32%，螺桿轉速96.48 r/min，此時的綜合評分為70.4?？紤]實際操作，將最佳工藝條件調整為模頭溫度100 ℃，水分含量28%，螺桿轉速96 r/min。在此優化條件下得到的綜合評分為70.7±0.5，與理論預測值無顯著差異。因此，由響應面模型得到的制備重組米最佳工藝條件是合理的。

2.3 糊化特性分析

重組米的糊化特性如表4 所示。由表4 可知，重組米與市售粳米相比，其峰值黏度、谷值黏度、衰減值、最終黏度、回生值和糊化溫度均顯著降低（P＜0.05），重組米與市售粳米的糊化特性差異大，這與郭世龍等[30]研究結果一致。這可能是因為在擠壓機內部高溫、高壓和高剪切力的作用下，淀粉的顆粒結構被破壞，導致熔融和破裂，吸水膨脹后相互之間的摩擦力減小，一些淀粉大分子鏈也發生降解，分子量降低，都會導致擠壓后淀粉的糊化特性值低[31]。此外，蛋白質發生變性，脂肪與淀粉形成復合物等變化，這些都會導致糊化黏度以及回生值的顯著下降[32]。重組米衰減值、回生值低于市售粳米，說明重組米淀粉顆粒熱穩定性好，不易于破裂。重組米相比市售粳米糊化溫度低，可能是由于重組米經歷過一次糊化，再糊化時所需要的溫度低[33]。與空白重組米相比，重組米的黏度值均較高，說明添加抗性粳米淀粉可以促進淀粉的溶脹，提高淀粉糊的黏度。衰減值反映淀粉在高溫下的抗剪切能力，重組米的衰減值略低于空白重組米，說明重組米淀粉顆?？辜羟心芰^好[27]。

表4 重組米的糊化特性Table 4 Gelatinization characteristics of recombinant rice

2.4 流變特性分析

動態流變學可用于測定不同樣品的黏彈性，對樣品的加工特性和品質控制具有很大的應用價值[34]。重組米的動態流變學特性如圖3 所示。由圖3 可知，重組米的儲能模量（G'）大于其損耗模量（G"），且G'與G"隨著振蕩頻率的增加呈現出上升趨勢，表現出頻率依賴性，為典型的弱凝膠體系特征[35]。在同一頻率下，重組米和空白重組米的G'、G"明顯低于市售粳米。這可能與擠壓過程中淀粉分子的降解有關，擠壓過程中淀粉分子量的降低和側鏈分支的降解可能會削弱淀粉分子間的相互作用，增強淀粉凝膠的流動性，形成較弱的凝膠結構[36]。Wani 等[37]在研究擠壓對淀粉糊流變特性的影響時也得到了類似的結果。此外，重組米的G'、G"高于空白重組米，說明抗性粳米淀粉的添加對重組米的黏彈性有影響，重組米和空白重組米相比具有更好的粘彈性，凝結體系網絡結構相對較強。損耗角正切值（tanδ）是G"與G'的比值，tanδ越大，說明體系的黏性比例越大，流動性強，反之則彈性比例較大。由圖3c 可知，重組米tanδ高于市售粳米，這表明擠壓后體系的流動性較強，具有良好的親水性。三個樣品的tanδ均小于1，說明彈性是樣品糊的主要特征，并且隨著頻率的增加而不斷增大，表明樣品G"隨頻率的變化比G'更快，樣品逐漸接近類似液體的趨勢[38]。

圖3 重組米的流變學特性Fig.3 Rheology characteristics of recombinant rice

2.5 蒸煮特性分析

大米的蒸煮特性能直觀地表示其食味品質，重組米、空白重組米和市售粳米的蒸煮特性如表5 所示。由表5 可知，三種米之間的蒸煮特性具有顯著性差異（P＜0.05）。吸水率可以反映米粒在蒸煮過程中吸收水分能力的強弱[39]。Bwa 等[31]研究表明，米粒的吸水率和體積膨脹率之間存在顯著的正相關關系，吸水率的提高會造成體積膨脹率的提高。重組米的吸水率和體積膨脹率最高，分別為242.18%和150.30%，這可能是由于擠壓會破壞淀粉的晶體結構，增加破損淀粉的含量，從而使重組米具有較高的吸水率和體積膨脹率[40]。大米吸水率越高，蒸煮時間越短，口感越好，但吸水率和體積膨脹率過高易引起大米過度軟爛，無黏彈性，降低米飯口感[41]。重組米的蒸煮損失率高于市售粳米，這可能是由于在高溫、高壓和高剪切力的作用下，淀粉充分糊化，大分子物質斷裂成小分子物質，可溶性物質增加，從而導致重組米的蒸煮損失增加[42]。

表5 重組米蒸煮特性Table 5 Cooking characteristics of recombinant rice

2.6 消化特性分析

重組米的消化特性如表6 所示。由表6 可知，重組米、空白重組米和市售粳米的消化特性存在顯著差異（P＜0.05）?？瞻字亟M米中RDS 含量顯著低于市售粳米，SDS 和RS 含量顯著高于市售粳米（P＜0.05），這可能是因為糊化的淀粉分子重排形成結晶；另外，擠壓過程中米粉含有的脂質與淀粉復合，從而提高了淀粉對酶解的抗性，并最終將部分RDS 轉化為SDS 或RS[43]。當添加抗性粳米淀粉后，重組米中SDS 和RS 含量進一步增加，說明抗性粳米淀粉的添加對重組米的抗消化性具有促進作用，這可能是由于加入的抗性粳米淀粉中存在較難被消化酶降解的結構[44]。綜上，相比于空白重組米和市售粳米，重組米的SDS 和RS 含量較高，RDS 含量較低，具有良好的抗消化性。

表6 重組米消化特性Table 6 Digestion characteristics of recombinant rice

3 結論

本研究以碎粳米粉和抗性粳米淀粉為原料擠壓制備重組米，通過單因素和響應面試驗得到制備重組米的最佳工藝條件為：模頭溫度100 ℃、水分含量28%、螺桿轉速96 r/min，在此條件下擠壓制備的重組米的綜合評分為70.7±0.5。研究結果表明，重組米與市售粳米相比，峰值黏度、谷值黏度、衰減值、最終黏度、回生值和糊化溫度均顯著降低；與空白重組米相比，衰減值降低，黏度、回生值和糊化溫度升高。流變學特性結果表明，重組米的G'、G"低于市售粳米，略高于空白重組米。重組米的吸水率、體積膨脹率和蒸煮損失率均高于空白重組米和市售粳米。與空白重組米和市售粳米相比，重組米具有較高的SDS、RS 和較低的RDS，抗消化性能較好。本研究制備的重組米品質得到了改善，研究可為重組米的產品開發提供新思路，為進一步提升重組米品質提供了理論研究基礎，對實現健康飲食和碎米資源的有效利用具有重要意義。