干燥方式對(duì)大米回生情況的影響

楊玎玲,沈 群,*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083;2.國(guó)家果蔬加工工程技術(shù)研究中心,北京 100083)

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干燥方式對(duì)大米回生情況的影響

楊玎玲1,2,沈 群1,2,*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083;2.國(guó)家果蔬加工工程技術(shù)研究中心,北京 100083)

目的:探究不同干燥方法對(duì)已熟化大米回生情況的影響。方法:采用熱風(fēng)、微波、近紅外以及真空-微波四種干燥方式對(duì)已充分糊化的大米進(jìn)行干燥,采用快速粘度分析儀(Rapid Visco Analyser,RVA)、差示掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimeter,DSC)、X-射線衍射儀(X-ray Diffraction,XRD)以及掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)等手段觀察不同干燥方法對(duì)大米結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果:這四種干燥方法均能使大米保持較好的糊化狀態(tài),回生程度較小;但不同的干燥方式對(duì)大米的組織結(jié)構(gòu)有不同的影響,其中真空微波干燥影響最大,出現(xiàn)較大孔洞,結(jié)構(gòu)蓬松,在宏觀上的表現(xiàn)為復(fù)水率最高(5.2%)。

真空-微波干燥,回生,粘度,熱力分析,淀粉晶型,微觀結(jié)構(gòu)

中國(guó)是世界上稻米產(chǎn)量第一的國(guó)家,有“稻米王國(guó)”之稱(chēng),全國(guó)有近60%的人口以大米為主食[1]。目前對(duì)于大米產(chǎn)品的干燥,常用的方法有熱風(fēng)干燥、微波干燥、微波熱風(fēng)干燥以及真空冷凍干燥。而這些干燥方法對(duì)大米品質(zhì)有著不同程度的影響。王文高等[2]的研究表明冷凍干燥所得大米蛋白產(chǎn)品的功能性質(zhì)要強(qiáng)于噴霧干燥所得的大米蛋白。Rewthong等[3]的研究表明冷凍干燥與熱風(fēng)干燥所得大米在質(zhì)構(gòu)方面并無(wú)明顯區(qū)別。Pansa-Ead等[4]提出熱風(fēng)干燥溫度超出60 ℃會(huì)對(duì)糯米內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞而外觀不會(huì)有很大變化。王世忠用熱風(fēng)干燥、冷凍干燥以及熱風(fēng)-冷凍干燥對(duì)已充分糊化的大米進(jìn)行干燥時(shí)發(fā)現(xiàn),這三種干燥方法均能使大米保持糊化狀態(tài),但不同程度的發(fā)生了回生,其中熱風(fēng)干燥回生最為嚴(yán)重[5]。

這些干燥方法主要用于速食米飯以及速食米粥等方便米制品的制作。佟月英等[6]的研究發(fā)現(xiàn)真空冷凍干燥所得的方便米飯品質(zhì)與新出米飯最為接近,復(fù)水率為2.27%,復(fù)水時(shí)間8 min,所需的干燥時(shí)間為900 min?？禆|方等[7]從復(fù)水時(shí)間、復(fù)水率、碘蘭值、酶解率、米湯吸光率等角度研究得出真空冷凍干燥所得方便米飯的品質(zhì)最好的結(jié)論。真空冷凍干燥能最大程度還原大米最初的品質(zhì),但干燥時(shí)間長(zhǎng),速度慢,能耗大,不適用于工業(yè)化生產(chǎn)。從目前文獻(xiàn)檢索結(jié)果來(lái)看,將真空微波干燥應(yīng)用于熟化后大米干燥的很少,其對(duì)大米品質(zhì)的影響鮮有論述。

本文通過(guò)熱風(fēng)、微波、近紅外以及真空微波干燥四種方式對(duì)已充分糊化的大米干燥后,研究其流變性質(zhì)、熱性質(zhì)、結(jié)晶狀態(tài)以及微觀結(jié)構(gòu)，采用快速粘度分析儀(Rapid Visco Analyser,RVA)、差示掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimeter,DSC)、X-射線衍射儀(X-ray Diffractometer,XRD)以及掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)等手段研究不同干燥方法對(duì)已充分糊化大米性質(zhì)的影響,從而比較各種干燥方式的優(yōu)劣。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

優(yōu)質(zhì)粳米 市售。

JP-300B型高速多功能粉碎機(jī) 浙江省永康市久品工貿(mào)有限公司;YHG.300S-S型微波-紅外聯(lián)合焙烤設(shè)備 上海博泰有限公司;YHD-6HK型微波真空干燥機(jī) 北京億慧達(dá)微波設(shè)備有限公司;DHG9075A型熱風(fēng)干燥箱 北京中科環(huán)試儀器有限公司;Tecmaster快速粘度分析儀 Newport Scientific 儀器公司;TA-60WS型差示掃描量熱儀 日本島津公司;DMAX-R8 X-射線衍射儀 日本理學(xué)株式會(huì)社;SU8010型掃描電子顯微鏡 株式會(huì)社日立制作所。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品預(yù)處理 將大米按照米水比為1∶7煮制,煮至水干后將已充分糊化的大米鋪成0.5 cm厚的薄層,分別通過(guò)熱風(fēng)干燥(80 ℃),近紅外干燥(900 W),微波干燥(900 W),真空微波干燥(0.08 MPa、900 W)四種方法,將大米水分降至7%左右。

1.2.2 大米淀粉流變性質(zhì)測(cè)定 測(cè)定粉碎過(guò)200目篩的大米粉的水分含量,根據(jù)其水分含量加入米粉以及超純水(總重:(28±0.01) g),采用Standard 1程序測(cè)定[8]。

1.2.3 大米淀粉熱力學(xué)性質(zhì)測(cè)定 參照Li W等的方法[9],將大米粉碎過(guò)200目篩,用分析天平準(zhǔn)確稱(chēng)取5 mg粉末于鋁制坩堝中,用移液槍吸取100 μL超純水加入鋁制坩堝中,室溫下靜置6 h,使米粉與水充分混合。DSC掃描溫度為20～100 ℃,掃描速率為10 ℃/min。同時(shí)取一空盤(pán)作為對(duì)照。

1.2.4 大米淀粉晶型測(cè)定 將大米粉碎過(guò)200目篩,大米的回生再結(jié)晶分析通過(guò)XRD分析完成,儀器的電壓為40 kV,電流為200 mA,衍射角范圍為4°～40°(2θ),掃描速率為4°/min,步長(zhǎng)為0.02°掃描速度為0.1 s/步,發(fā)散狹縫寬度為1°,接收狹縫寬度為0.02 mm,散縫寬度為1°[10]。測(cè)試結(jié)果用MDI Jade 5.0 軟件進(jìn)行分析。

1.2.5 大米淀粉微觀形態(tài)的測(cè)定 用刀片將試樣從中間切斷,斷面朝上并固定于樣品架上。用鍍金機(jī)將樣品鍍金,分別在12.88 mm×30 LM以及12.88 mm×180 LM的分辨率下進(jìn)行觀察[11]。

1.2.6 水分的測(cè)定 按照GB/T5009.3-2003 規(guī)定的方法測(cè)定[12]。

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，遙感測(cè)繪分辨率越來(lái)越高，因此實(shí)際應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。目前該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于對(duì)土地的概查、土地資源現(xiàn)狀的調(diào)查以及土地資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等方面。目前遙感的分辨率已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)由30m范圍至0.61m范圍，針對(duì)不同的土地資源調(diào)查具有不同的作用，首先基于遙感技術(shù)可以對(duì)人機(jī)交互式邊界的提取帶來(lái)一定的改變，實(shí)際產(chǎn)生的誤差僅為0.01～0.1左右，而基于自動(dòng)提取的誤差則為0.1～0.3左右；其次基于遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)可以對(duì)土地使用類(lèi)型進(jìn)行有效識(shí)別，基于人際交互式識(shí)別技術(shù)其準(zhǔn)確率可以達(dá)到90%以上，而自動(dòng)化分類(lèi)識(shí)別技術(shù)也可以達(dá)到85%以上的準(zhǔn)確率。

1.2.7 復(fù)水時(shí)間的測(cè)定 將一定量的米粥置于100 ℃開(kāi)水中加蓋,待米粒完全復(fù)水(米粒中心完全軟化)所用的時(shí)間。

1.2.8 復(fù)水率的測(cè)定 復(fù)水率=B/A;其中A為干燥后的大米粥顆粒的質(zhì)量,g;B為復(fù)水5 min后瀝干的大米粥質(zhì)量,g[13]。

1.2.9 能耗的計(jì)算 能耗=P×t;其中P為干燥設(shè)備所用實(shí)際功率,w;t為干燥時(shí)間,s。

1.2.10 數(shù)據(jù)處理方法 每組實(shí)驗(yàn)做3個(gè)平行,采用OriginPro 9.1以及MDI jade 5.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同干燥方法對(duì)大米流變性質(zhì)的影響

淀粉的粘度作為淀粉流變性質(zhì)的一種,表示淀粉糊抗剪切能力的大小。本實(shí)驗(yàn)使用RVA分析不同干燥方法對(duì)已充分糊化大米的淀粉流變性質(zhì)的影響,其RVA曲線如圖1所示。

圖1 不同干燥方法所得已充分糊化大米的RVA曲線Fig.1 The RVA curve of fully gelatinized rice dried by different methods

由圖1可知,四種干燥方式的RVA曲線均未出現(xiàn)明顯的峰值,粘度特征值不明顯,且均低于未加工大米的粘度值,分析可能是由于干燥方式的不同所造成的。熱風(fēng)干燥是在高溫(55 ℃以上)和有空氣流動(dòng)的條件下進(jìn)行的[14];微波干燥將具有穿透性的電磁輻射波福射到被干燥物料上使水等極性分子隨微波的頻率作同步旋轉(zhuǎn)[15],并摩擦使物料表面和內(nèi)部同時(shí)升溫到較高的溫度(80～110 ℃);近紅外干燥具有波長(zhǎng)短、能量密度高、穿透性強(qiáng)的特點(diǎn),能夠使物料表面以光的速度接收電磁波,引發(fā)分子強(qiáng)烈共振并發(fā)生激烈摩擦產(chǎn)熱使其溫度上升(80～110 ℃)。這四種干燥方法由于溫度的升高都會(huì)使部分營(yíng)養(yǎng)成分破壞,如維生素類(lèi)、酚類(lèi)物質(zhì)被氧化失去活性,蛋白質(zhì)與還原糖在高溫下發(fā)生美拉德反應(yīng),使蛋白質(zhì)失去對(duì)淀粉顆粒的保護(hù)作用,淀粉顆粒在干燥時(shí)被破壞[16]。因而其粘度值均低于未加工大米。

粘度峰值的出現(xiàn)是由于淀粉顆粒吸水膨脹,淀粉體積分率上升,這四種干燥方法均未出現(xiàn)明顯粘度峰值,熱風(fēng)干燥的粘度峰值相較于其他干燥方法最大。說(shuō)明淀粉分子并未出現(xiàn)明顯的吸水膨脹,這是由于干燥之前大米已經(jīng)經(jīng)過(guò)充分糊化,淀粉顆粒充分吸水膨脹,淀粉的晶體結(jié)構(gòu)崩解,而這四種干燥方法較好的保持了淀粉的糊化狀態(tài)。從圖1還可看出熱風(fēng)干燥、真空微波干燥、近紅外干燥、微波干燥的崩潰值分別為113.67、59.33、29、12.67,這四種干燥方法的崩潰值均顯著低于原米(718),崩潰值越大,表明淀粉顆粒越不穩(wěn)定,在加熱和攪拌過(guò)程中越容易破裂,這說(shuō)明這四種干燥方法所得大米均具有較好的熱穩(wěn)定性,其中微波干燥所得方便大米粥產(chǎn)品的穩(wěn)定性最好[18]。

熱風(fēng)干燥的最終粘度值最高,說(shuō)明熱風(fēng)干燥所得大米淀粉的回生度最高。微波干燥較好地保持了大米的糊化狀態(tài),回生度最小,真空微波干燥以及近紅外干燥介于兩者之間。

2.2 不同干燥方法對(duì)已糊化大米熱力學(xué)性質(zhì)的影響

不同的干燥方法對(duì)大米淀粉回生程度的影響不同,因其糊化焓變也應(yīng)有所不同[5]。本實(shí)驗(yàn)利用DSC對(duì)大米進(jìn)行熱力學(xué)分析以判斷不同干燥方法對(duì)大米回生的影響,結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同干燥方法所得已充分糊化大米的DSC曲線Fig.2 The DSC curve of fully gelatinized rice by different drying methods

從圖2可以看出,未加工大米淀粉的糊化溫度范圍在65～76 ℃范圍之間,糊化晗為2.1 J/g。而四種干燥方法的 DSC 曲線在65～76 ℃之間均未出現(xiàn)吸熱峰,糊化晗變?yōu)?,這與RVA分析結(jié)果比較一致。這是因?yàn)榇竺捉?jīng)過(guò)充分糊化之后,淀粉分子的氫鍵斷裂,晶體結(jié)構(gòu)被破壞,分子的化學(xué)能已充分釋放[19],不再吸收熱量;且由于蛋白質(zhì)在60 ℃便會(huì)開(kāi)始變性,大米經(jīng)過(guò)充分糊化并在高于80 ℃條件下干燥,蛋白質(zhì)已變性,因此由蛋白質(zhì)變性引起的熱晗值的變化未出現(xiàn)在DSC圖譜上,因此這四種干燥方式的DSC曲線變化平緩,未出現(xiàn)明顯吸熱峰。說(shuō)明四種干燥方法所得大米均保持較好的糊化狀態(tài),回生度很小,因此在加熱和吸水過(guò)程中沒(méi)有明顯的糊化焓變。

從圖2還可看出熱風(fēng)干燥以及微波干燥在加熱過(guò)程中吸收的總熱量要明顯多于近紅外干燥以及真空-微波干燥。說(shuō)明這兩種干燥方式所得大米需要吸收更多的能量使大米回生所形成的氫鍵斷裂,因而可判斷出熱風(fēng)干燥大米的回生度最高,真空微波干燥的回生度最低。

2.3 不同干燥方法所得大米的晶型分析

已充分糊化的淀粉在失水和降溫的過(guò)程中,因?yàn)榉肿舆\(yùn)動(dòng)減慢,而使淀粉分子發(fā)生重排,重新形成微晶束[20],形成新的結(jié)晶體,因此干燥方法的選擇是影響大米淀粉回生的關(guān)鍵因素。通過(guò)使用X射線衍射儀對(duì)通過(guò)四種干燥方式所得大米淀粉的晶型進(jìn)行研究,結(jié)果如圖3和表2所示。

圖3 不同干燥方法所得大米的X-射線衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction patterns of rice obtained by different drying methods

結(jié)晶的含量和大小決定了衍射峰的高度和寬度,峰愈高、愈窄,意味著結(jié)晶含量愈多、結(jié)晶愈大或結(jié)晶區(qū)域越完整[21]。大米淀粉為A型淀粉,在2θ為15 °、17 °、18 °和23.5 °時(shí)有明顯的衍射峰出現(xiàn),結(jié)晶度分別為88.55%、91.89%、34.74%以及84.81%。經(jīng)四種干燥方式得到的大米的 X 射線衍射圖譜發(fā)生明顯改變,表現(xiàn)出非晶態(tài)的漫散峰,為無(wú)定型態(tài),結(jié)晶度為0,說(shuō)明大米淀粉經(jīng)過(guò)充分糊化后,淀粉的晶體結(jié)構(gòu)被破壞,而經(jīng)過(guò)干燥后大米依然保持糊化狀態(tài),回生度很小,這與DSC的分析結(jié)果一致。

表1 不同干燥方法所得大米的XRD波普數(shù)據(jù)

注:同列不同小寫(xiě)字母表示p<0.05,表2同。

表2 不同干燥方法復(fù)水率及能耗的比較

除熱風(fēng)干燥在2θ為20 °時(shí)出現(xiàn)衍射峰外,另外三種干燥方式均在 2θ為 13 °和 20 °左右時(shí)出現(xiàn)衍射峰,表現(xiàn)為V 型淀粉特征圖譜,如表2所示。熱風(fēng)干燥在2θ為13 °時(shí)的衍射峰消失,可能是由于熱風(fēng)干燥主要是通過(guò)高溫與空氣流動(dòng)帶走水分,而另外三種干燥工藝都是通過(guò)輻射使物質(zhì)升溫而使水分流失。因?yàn)楦稍锕に嚨牟煌乖?3 °的特征峰不同,熱風(fēng)干燥的衍射圖譜峰的強(qiáng)度和面積較大,真空微波干燥次之,微波干燥的峰強(qiáng)和峰面積最小,說(shuō)明四種干燥方式所得的大米均保持在糊化狀態(tài),回生度很小,但相對(duì)而言,熱風(fēng)干燥的回生度較大,真空微波干燥次之,微波干燥所得大米淀粉的回生度最小。

2.4 不同干燥方法所得大米的顯微結(jié)構(gòu)分析

加工方式不同,米粒受熱與吸水的情況不同,因而大米的組織結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之發(fā)生改變,本實(shí)驗(yàn)從宏觀角度即不同干燥方法所得大米的復(fù)水性以及利用SEM對(duì)不同干燥方法所得大米顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察,從而對(duì)大米的糊化和回生進(jìn)行分析。

從表2以及圖4看出采用不同的干燥方式,所得大米的組織結(jié)構(gòu)不同,產(chǎn)品的復(fù)水性也不一樣。熱風(fēng)干燥所得米粒粒形較為完整(圖4A),由其斷面的局部放大圖(圖4a)可知,米粒內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)致密無(wú)間,不利于米粒吸水,這是由于熱風(fēng)干燥速度較慢、時(shí)間長(zhǎng),且干燥過(guò)程破壞了產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu),造成物料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)塌陷所致[5],此結(jié)果與表2中熱風(fēng)干燥所得的米粒的復(fù)水率最低、復(fù)水時(shí)間最長(zhǎng)的結(jié)果一致;經(jīng)微波干燥所得大米組織結(jié)構(gòu)均勻蓬松(圖4C),由其局部放大圖(圖4c)可知,米粒組織斷面呈海綿狀,米粒表面有較多孔隙與裂紋,因此有利于米粒復(fù)水,復(fù)水率高于熱風(fēng)干燥所得的大米,復(fù)水時(shí)間較短。紅外干燥大米顆粒結(jié)構(gòu)(圖4B,b)介于微波干燥與熱風(fēng)干燥之間,復(fù)水率和復(fù)水時(shí)間與微波干燥接近;經(jīng)真空微波干燥所得大米中部形成較大的空心(圖4D),從其局部放大圖(圖4d)可看出其斷面上有56 μm到131 μm大小不等的孔洞,且由于真空度的降低對(duì)米粒具有膨化作用而使米粒周邊組織遍布孔隙,結(jié)構(gòu)組織蓬松,孔隙最多且呈海綿狀,因此所得大米的復(fù)水率也最高,復(fù)水時(shí)間最短。說(shuō)明真空微波干燥處理對(duì)于已熟化大米的品質(zhì)影響最小。

圖4 不同干燥方法所得大米的顯微結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Microstructure of rice by different drying methods注:A-熱風(fēng)干燥,放大30倍;a-A的局部放大圖,放大180倍;B-紅外干燥,放大30倍;b-B的局部放大圖,放大180倍;C-微波干燥,放大30倍;c-C的局部放大圖,放大180倍;D-真空微波干燥,放大30倍;d-D的局部放大圖,放大180倍。

3 結(jié)論

RVA、DSC以及XRD三種測(cè)試結(jié)果表明這四種干燥方法均能使大米保持較好的糊化狀態(tài),回生度較小,相比較而言熱風(fēng)干燥的回生度最大;不同的干燥方式對(duì)大米的外觀以及組織結(jié)構(gòu)影響不同,其中真空微波干燥影響最大,出現(xiàn)較大孔洞,結(jié)構(gòu)蓬松,在宏觀上的表現(xiàn)為復(fù)水率最高(5.2%);不同干燥方式能耗也不同,熱風(fēng)干燥能耗最大,真空微波干燥與紅外干燥能耗相同為最小。

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Effects of drying methods on the retrogradation of rice

YANG Ding-ling1,2,SHEN Qun1,2,*

(1.College of Food Science and Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China;2.National Engineering Research Center for Fruit and Vegetable Processing,Beijing 100083,China)

Hot-air drying,microwave drying,near infrared drying and vacuum-microwave drying were used to dry the fully gelatinized rice in order to reduce the degree of retrogradation. Rapid viscosity analyzer(RVA),differential scanning calorimeter(DSC),X-ray diffractometer(XRD),and scanning electron microscope(SEM)etc. were applied to observe the effects of different drying methods on the structure of rice. Results showed that the four kinds of drying method can well keep the good state of gelatinized rice and to a lesser extent of retrogradation. However,different drying methods impacted differently on rice tissue structure. The microwave vacuum drying had the greatest impact,which resulted in larger pores,and fluffy structure,as well as the highest(5.2%)rehydration rate in the macro performance.

vacuum-microwave drying;retrogradation;viscosity;thermal analysis;starch crystal;microstructure

2016-05-06

楊玎玲(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：谷物科學(xué)，E-mail:ydingling728@126.com。

*通訊作者:沈群(1967-)，女，博士，教授，研究方向：谷物科學(xué)，E-mail:shenqun@cau.edu.cn。

十二五科技支撐項(xiàng)目(2014BAD04B02)。

TS213.3

A

1002-0306(2016)22-0121-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.22.016