優質秈稻變溫儲藏糊化特性變化規律與動力學模型

楊 東, 李倩倩, 頡 宇, 石天玉

(國家糧食和物資儲備局科學研究院1,北京 100037)

(糧食儲運國家工程研究中心2,北京 100037)

稻谷是我國主要的儲備糧種,但其在儲藏過程中易受環境溫濕度、蟲霉、自身水分的影響使其品質發生不同程度的變化,甚至出現劣變現象,影響食用和使用價值[1,2]。現階段,隨著我國人民生活水平的提高和消費理念的轉變,居民飲食也從“吃得飽”“吃得好”上升到“吃得營養健康”,多數糧食倉儲企業采用低溫和準低溫、氣調等綠色儲糧技術對稻谷進行保質保鮮儲藏,使其能夠安全可靠地進入加工環節,確保百姓口糧綠色健康[3,4]。

糊化特性是稻谷儲藏過程中品質變化較為敏感的指標之一,也是評價稻谷蒸煮特性、食味品質等重要的參考標準,同時是稻谷加工用途選擇的重要依據[5,6]。目前,國內外學者普遍認為稻谷儲藏溫度、水分、儲藏期限對其糊化黏度、回生程度、峰值時間等指標具有較為顯著的影響[7-10],隨著儲藏時間的延長稻谷糊化特性呈現一定規律的變化趨勢。

食品儲藏和加工品質變化動力學模型能夠更好地預測食品品質指標變化趨勢和儲藏期限,可為樣品優選及加工工藝高效施用提供理論依據[11]。目前,零級和一級動力學方程、威布爾模型、Arrhenius方程等典型動力學模型已在谷物蒸煮過程吸水率變化[12],稻谷陳化過程中糊化特性變化[13],食品硬度及質地等參數變化中展開了研究[14],模型的擬合精度存在差異。但目前稻谷樣品的研究多數是在等溫梯度條件下獲取的實驗數據,與糧庫實倉儲藏數據還有一定差距,針對變溫條件下的稻谷低溫、準低溫儲藏過程中糊化參數變化的動力學模型研究還鮮有報道。

本研究以優質秈稻為研究對象,模擬糧庫低溫和準低溫儲藏過程中變化的環境溫度條件,研究稻谷儲藏過程中糊化特性指標的變化規律及其與食味品質間的關系,比較不同動力學模型對糊化指標的擬合效果,明確其動態變化特征,以期為稻谷低溫儲藏過程中品質控制及加工工藝優化升級提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗原料

所用稻谷為晚秈稻(黃華占)2019年底取自于湖北荊州。經檢測,樣品初始水質量分數14.0%～15.5%,整精米率≥62.0%,堊白度≤1.0%,食味品質≥80,不完善粒≤1.5%,雜質≤0.3%,黃粒米質量分數≤0.5%,多項指標符合優質秈稻定級標準(GB/T 17891—2017)。根據初始水質量分數對樣本進行分類,選擇14.0%、14.5%、15.0% 3個水分梯度進行不同溫度模擬儲藏實驗。

1.2 儲藏條件

模擬低溫、準低溫、室溫儲藏全年平均動態溫度變化條件,如圖1所示:低溫儲藏全年平均溫度為13.8 ℃,最高溫度為19.0 ℃,最低溫度為9.2 ℃;準低溫儲藏全年平均溫度為18.9 ℃,最高溫度為24.0 ℃,最低溫度為13.2 ℃;室溫儲藏(實驗室自然環境溫度)全年平均溫度為23.5 ℃,最高溫度為31.5 ℃,最低溫度為12.2 ℃。不同初始水分稻谷分別在3種條件下儲藏12個月,定期檢測稻谷糊化特性指標。

圖1 低溫、準低溫、室溫儲藏條件下溫度變化

1.3 主要儀器與設備

THP501恒溫恒濕實驗箱,JDMZ 100稻谷出米率檢測儀,JSWL大米食味計,JMWT 12米質判定儀,Super3型快速黏度分析儀,JXFM110錘式旋風磨。

1.4 品質指標測定

糊化特性:參照GB/T 24852—2010 《大米及米粉糊化特性測定 快速粘度儀法》;水分含量:參照GB 5009.3—2016 《食品安全國家標準 食品中水分的測定》;食味品質:采用大米食味計,儀器檢測精度符合GB/T 24895—2010、GB/T 24896—2010、GB/T 24897—2010相關要求。

1.5 數據處理與分析

采用SPSS、Excel、MATLAB R2018a等軟件對稻谷品質指標數據進行統計分析和動力學等模型擬合。糧油食品品質指標隨儲藏時間的變化趨勢可通過動力學等方程進行擬合[11],具體公式為:

零級動力學模型:f(t)=A0+kt;

一級動力學模型:f(t)=eA0+kt;

高斯模型密度函數:

傅里葉級數擬合函數:f(t)=A0+mcosωt+nsinωt;

式中:f(t)為品質參數(糊化特性指標);t為時間;k為速率常數;A0為擬合常數;b1表示均值;c1表示標準差;ω表示角頻率;m和n表示擬合系數。模型的擬合優度采用決定系數(R2)來評價。

2 結果與分析

2.1 不同儲藏條件下秈稻峰值黏度變化

峰值黏度可用于表達稻谷中淀粉顆粒或混合物膨脹程度及結合水的能力,是影響稻米食用品質的重要指標。如圖2所示,隨著儲藏時間的延長,秈稻峰值黏度均呈先上升后下降趨勢(可能與α-淀粉酶的活性降低或淀粉分子結合水的能力下降[15]),不同水分秈稻峰值黏度曲線分布趨勢基本相一致,無顯著性差異(P>0.05)。其中,秈稻(14.0%、14.5%、15.0%)低溫下儲藏6個月時峰值黏度分別達到最高值3 212、3 375、3 264 cP,儲藏12月后分別下降至2 706、2 866、2 912 cP,儲藏周期內分別增加了502、851、832 cP。準低溫和室溫儲藏下秈稻峰值黏度增長幅度有所增加,儲藏12個月后分別上升了1 169、1 227、1 270 cP和1 688、1 884、2 027 cP。由此可知,低溫儲藏更有利于延緩峰值黏度的上升及食用品質的變化(低溫>準低溫>室溫);秈稻水質量分數、儲藏溫度的提升其峰值黏度增長幅度較大,可能是加快了稻谷中淀粉或淀粉混合物與水結合能力。

2.2 不同儲藏條件下秈稻最低黏度變化

最低黏度可用來表示稻谷在高溫下的耐加熱性和剪切力度,實驗過程中可通過恒定高溫(95 ℃) 和機械剪切力的作用來測試。如圖3所示,秈稻在儲藏過程中最低黏度整體呈上升趨勢,低溫和準低溫儲藏4至8個月期間出現波動變化,儲藏溫度上升變化相對劇烈。其中,秈稻(14.0%、14.5%、15.0%)在低溫和準低溫下儲藏6個月時最低黏度分別從初始值1 344、1 389、1 300 cP和1 320、1 324、1 300 cP增長至最高值1 717、1 803、1 863 cP和2 086、2 103、2 291 cP,儲藏12個月后變化至1 696、1 790、1 937 cP和1 868、1 990、2 089 cP。室溫下,最低黏度增長幅度(1 062～1 463 cP)明顯高于低溫(548～789 cP)或準低溫(352～637 cP),儲藏12月后分別上升了1 062、1 121、1 463 cP。由此可知,儲藏過程中溫度的上升加快了秈稻最低黏度變化幅度,高水分含量秈稻最低黏度值及變化幅度相對較高,其耐熱性和剪切力度較強。

2.3 不同儲藏條件下秈稻最終黏度變化

最終黏度可表示稻谷在熟化并冷卻后形成凝膠的能力,特別是直鏈淀粉分子間可能發生的重聚回生現象,形成凝膠。由圖4可見,秈稻最終黏度隨著儲藏時間的延長及儲藏溫度的上升整體呈增長趨勢,且不同水分稻谷最終黏度變化存在差異(P<0.05)。其中,秈稻(水質量分數14.0%、14.5%、15.0%)在低溫下儲藏12個月后最終黏度從初始值2 972、2 887、2 535 cP分別增長了344、542、657 cP,增長幅度排序為15.0%>14.5%>14.0%;準低溫下儲藏秈稻最終黏度增長幅度及波動幅度相對較大,儲藏12個月后最終黏度分別提升了761、905、868 cP,增長幅度大小為14.5%>15.0%>14.0%;秈稻在室溫下儲藏最終黏度增長幅度明顯高于低溫和準低溫,儲藏12個月后分別增長了1 368、1 693、1 655 cP。由此可知,秈稻熟化過程中形成凝膠的能力受儲藏溫度及樣品水分的影響,低溫儲藏更有利于保持稻谷食用品質。

2.4 不同儲藏條件下秈稻回生值變化

回生值是最終黏度與最低黏度的差值,回生值上升代表淀粉糊在一定溫度下冷卻過程中老化程度加劇,稻米有陳化的傾向。如圖5所示,秈稻回生值整體呈波動上升趨勢,但變化幅度不明顯,儲藏溫度及初始水分對回生值變化具有一定影響。其中,水質量分數14.5%和15.0%的秈稻儲藏12個月后回生值經波動變化分別提升了140 cP和20 cP,而14.0%的秈稻回生值下降了8 cP,說明低水分稻谷在低溫環境下儲藏有助于延緩淀粉酶活性的下降,從而抑制其回生值的上升;在準低溫下儲藏12個月后,秈稻(水質量分數14.0%、14.5%、15.0%)回生值分別增長了212、238、79 cP,室溫下儲藏秈稻回生值增長幅度為772、406、392 cP。由此可知,室溫下儲藏秈稻回生值的增長趨勢較低溫、準低溫儲藏顯著,溫度的上升會使稻米的凝膠性能增強,長期儲藏淀粉更易于老化。

2.5 不同儲藏條件下秈稻峰值時間變化

峰值時間通常可用來表示稻米蒸煮所需時間,是指樣品開始加熱至達到峰值黏度的時間,淀粉易糊化即峰值時間越短。如圖6所示,秈稻峰值時間在儲藏過程中無明顯規律性變化,均在一定小范圍內浮動,儲藏溫度及初始水分對其變化無顯著性影響,這與周顯青等[15]的研究結果相一致。在低溫和準低溫下儲藏,秈稻峰值時間變化趨勢基本相一致,不同水分秈稻峰值時間分別從初始范圍6.05～6.10 min和6.05～6.11 min經12個月儲藏后變化至6.10～6.15 min和6.03～6.12 min,其中水質量分數15.0%的秈稻峰值時間增幅略高于其他水分,分別提升了0.10 min和0.04 min;室溫下,不同水質量分數秈稻峰值時間的變化差異不大,從初始范圍6.04～6.07 min到儲藏12個月后變化至6.09～6.12 min范圍內。

2.6 不同儲藏條件下秈稻糊化溫度變化

糊化溫度是稻谷糊化過程中黏度開始增大時的溫度,用來表示稻谷淀粉顆粒糊化的難易程度。通常情況下,淀粉糊化溫度的高低與稻谷直鏈淀粉結晶度和支鏈淀粉的外鏈長相關[16]。由圖7可知,隨著儲藏時間的延長,秈稻糊化溫度略有提升,但整體變化幅度較為平緩,無顯著性規律。在低溫下儲藏12個月后水質量分數14.5%和15.0%的秈稻糊化溫度分別提高了1.0 ℃和1.4 ℃,14.0%秈稻降低了1.0 ℃,整體變化差異性較小,這與謝嵐等[5]的研究基本相一致。準低溫下,秈稻(水質量分數14.0%、14.5%、15.0%)儲藏12個月后糊化溫度分別在84.1～85.7 ℃、85.1～87.2 ℃、84.3～88.6 ℃范圍內浮動變化。室溫下儲藏秈稻糊化溫度上升幅度較為明顯,儲藏12個月后分別上升了5.25、4.82、7.39 ℃。進一步分析可知,3種條件下儲藏8個月時糊化溫度均出現明顯上升,最高溫度>90 ℃,這可能與每月變溫環境條件相關,變溫儲藏使稻谷支鏈淀粉的外鏈增長,或是稻谷中蛋白質的含量及結構發生變化導致糊化溫度上升。

2.7 秈稻食味值變化及其與糊化指標相關性

如圖8所示,在不同儲藏條件下秈稻食味值總體呈逐漸下降趨勢,不同水質量分數稻谷在儲藏0～4個月內食味值下降幅度較緩差異不顯著,儲藏6個月后,準低溫和室溫下食味值下降幅度較快。參考LS/T 3108—2017的定等標準,秈稻在低溫下儲藏2個月為二等(90≥食味值≥85),4個月后下降到三等(85≥食味值≥80),直至12個月食味值均在83～85間浮動變化。秈稻在準低溫和室溫下儲藏2個月后均下降為三等,其中室溫下儲藏10個月后食味值降至80以下,不推薦食用。由此可知,秈稻在低溫下儲藏1年后仍具有較優的食味品質。

圖8 低溫、準低溫和室溫儲藏下秈稻食味值變化

由表1可知,不同儲藏條件下,秈稻峰值黏度和最低黏度與食味值呈現出極顯著相關性(P<0.01),最終黏度和回生值為顯著相關性(P<0.05),表明峰值黏度和最低黏度對秈稻食味品質變化的影響較大。隨著儲藏溫度提升,糊化指標變化相對劇烈,與食味值的相關系數更高。峰值時間和糊化溫度與食味值相關性不顯著,可能與其實物理變量有關。因此,選擇與食味值具有相關性的峰值黏度、最低黏度、最終黏度和回生值做進一步動力學分析。

表1 不同儲藏條件下秈稻食味值與糊化指標相關性

2.8 秈稻糊化指標變化動力學模型擬合

如表2所示,針對秈稻峰值黏度,2種模型在室溫下儲藏的擬合結果(0.814≤R2≤0.851)要優于低溫(0.497≤R2≤0.640)和準低溫(0.605≤R2≤0.757)。其中,一級動力學模型對水質量分數14.0%秈稻的峰值黏度變化趨勢擬合結果更優,R2為0.851,反應速率k為0.057。針對最低黏度,模型在3種儲藏條件下的擬合效果為:室溫>準低溫>低溫。其中,一級動力學模型對不同水分秈稻(14.0%、14.5%、15.0%)在室溫下儲藏最低黏度的擬合結果最優,R2分別為0.827、0.807、0.838。低溫和準低溫下,一級動力學模型的擬合效果略優于零級動力學模型,但決定系數R2均有待提升(低溫:0.520～0.611;準低溫:0.588～0.630)。針對最終黏度,2種模型的擬合效果無明顯差異。其中,室溫下儲藏模型擬合結果相對較好(0.701≤R2≤0.735),準低溫下次之(0.535≤R2≤0.667),低溫下擬合效果較差(0.509≤R2≤0.599)。2種模型對秈稻回生值變化的擬合效果均較差,其中室溫下模型R2均小于0.5,最低僅為0.386;低溫和準低溫下模型擬合效果無明顯差異,R2分別在0.558～0.674和0.482～0.631范圍內。

表2 秈稻糊化特性指標零級和一級動力學模型擬合結果

由此可知,一級動力學模型更適合用于擬合參數呈指數變化趨勢的數據,如峰值黏度和最低黏度隨儲藏時間的延長整體呈逐漸上升趨勢,室溫下的變化相比于低溫和準低溫較為平緩,因此擬合效果更優。最終黏度和回生值的變化無明顯規律性,導致2種模型的擬合效果較差。因此,稻谷儲藏過程中生理生化指標變化較為復雜,簡單的線性或指數模型難以準確全面的表征其品質變化全過程。

進一步采用高斯模型對秈稻糊化特性指標變化趨勢進行擬合,結果如表3所示。高斯模型對峰值黏度的擬合結果整體上優于零級或一級動力學模型,其中室溫下儲藏擬合結果最佳,不同水質量分數秈稻(14.0%、14.5%、15.0%)擬合模型R2(0.911、0.942、0.921)比零級(0.821、0.819、0.814)和一級(0.851、0.826、0.818)模型分別提升了0.09、0.123、0.107和0.06、0.116、0.103,水質量分數14.5%的秈稻擬合結果最優(圖9a)。高斯模型對最低黏度的擬合效果同樣得到了改善,其中水質量分數14.0%秈稻最低黏度在3種儲藏條件下的擬合結果最優(圖9b),R2分別為0.738、0.712和0.906,分別提高了0.215、0.091、0.094(零級模型)和0.146、0.082、0.089(一級模型)。高斯模型對秈稻最終黏度和回生值變化趨勢的擬合效果較差,模型R2未得到明顯提升,其中低溫儲藏下回生值變化趨勢未得到有效擬合數據。

表3 秈稻糊化特性指標高斯模型擬合結果

圖9 秈稻峰值黏度和最低黏度高斯模型擬合曲線

采用傅里葉級數重點針對秈稻最終黏度和回生值的變化趨勢進行擬合,結果如表4所示。傅里葉級數對最終黏度的擬合效果要整體優于其他模型,其中水質量分數15.0%的秈稻樣品的擬合結果最優(圖10a),在低溫、準低溫、室溫儲藏下模型R2分別為0.691、0.759、0.861,高于零級(0.543、0.535、0.712)、一級(0.574、0.619、0.706)和高斯模型(0.601、0.688、0.724)的擬合結果。傅里葉級數對秈稻回生值變化趨勢的擬合效果得到了明顯提升,模型R2均高于0.70,低溫下儲藏模型的擬合結果優于其他條件,水質量分數14.0%的秈稻回生值擬合結果最優,在3種儲藏條件下模型R2分別為0.868、0.727、0.744,擬合曲線如圖10b所示。

表4 秈稻最終黏度和回生值傅里葉級數擬合結果

圖10 秈稻最終黏度和回生值傅里葉級數擬合曲線

3 結論

研究了初始水質量分數為14.0%、14.5%、15.0%的秈稻在變溫(低溫、準低溫、室溫)儲藏條件下糊化特性食味品質變化規律,并采用零級和一級動力學模型、高斯模型和傅里葉級數分別對秈稻峰值黏度、最低黏度、最終黏度和回生值進行了模型擬合。結果表明:隨著儲藏時間的延長,室溫下儲藏秈稻峰值黏度、最低黏度、最終黏度和回生值的增長幅度較低溫、準低溫下顯著,平均增幅分別為1 866、1 215、1 572、523 cP,偏高水分秈稻糊化指標變化幅度相對劇烈。峰值時間和糊化溫度在儲藏過程中整體變化幅度較為平緩,無明顯規律性。峰值黏度和最低黏度對秈稻食味品質變化的影響較大,表現出極顯著相關性(P<0.01),最終黏度和回生值為顯著相關性(P<0.05)。高斯模型對秈稻在不同儲藏條件下峰值黏度和最低黏度變化的擬合結果最優,模型決定系統R2分別在0.668～0.942和0.687～0.906范圍內;傅里葉級數對最終黏度和回生值變化的擬合結果最優,R2分別在0.661～0.861和0.701～0.868范圍內。低溫或準低溫下儲藏有利于延緩秈稻食味品質變化,偏高溫度協同儲藏時間可以加速秈稻陳化,有助于調控秈稻的加工品質。高斯模型和傅里葉級數可為秈稻儲藏過程中糊化特性指標變化和儲藏期進行預測與評估,同時可為低溫儲糧工藝合理調控,實現保質保鮮儲藏提供參考。