浸潤溫度對秈米淀粉結(jié)構(gòu)的影響

魯 姣，熊 詩，謝淑麗，趙思明，榮建華

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖北 武漢 430070)

?

浸潤溫度對秈米淀粉結(jié)構(gòu)的影響

魯 姣，熊 詩，謝淑麗，趙思明，榮建華

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖北 武漢 430070)

基于米飯烹制過程中，存在低溫浸潤階段，研究浸潤溫度對淀粉顆粒形貌和晶體結(jié)構(gòu)的影響，為米飯烹制條件的優(yōu)化提供理論依據(jù)。結(jié)果表明，隨著浸潤溫度的升高，淀粉粒徑逐漸增大。溫度低于60℃，淀粉顆粒外觀變化不明顯，高于60℃，淀粉顆粒表面有凹坑和裂痕。隨著浸潤溫度的升高，淀粉結(jié)晶由A型向無定型晶型轉(zhuǎn)變，且結(jié)晶度逐漸降低，在70℃時急劇下降。

秈米淀粉；結(jié)構(gòu)；浸潤溫度；米飯烹制

米飯作為我國和東南亞的傳統(tǒng)主食，具有柔軟、黏彈的口感，隨著社會的發(fā)展，生活水平的提高，對米飯品質(zhì)的要求越來越高。淀粉是米飯等稻米食品的主要成分，其結(jié)構(gòu)的變化影響著米粒吸水率、膨脹率及糊化程度，進(jìn)而影響到米飯的硬度、黏性、黏硬比等物性及適口性[1]。目前，大多數(shù)研究主要通過溫度和濕度的變化來改變淀粉的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到控制米制品品質(zhì)的目的。

溫度和濕度與淀粉結(jié)構(gòu)的關(guān)系主要集中在高溫段，即糊化溫度以上，水分子獲得熱能進(jìn)入淀粉分子內(nèi)部并與其爭奪氫鍵，由無定型區(qū)域擴(kuò)大到結(jié)晶內(nèi)部，淀粉分子微晶束由原來緊密結(jié)合狀態(tài)變成疏松狀態(tài)，淀粉分子充分伸展，失去平行排列，并且氫鍵與水分子高度水化[2]。淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞的快慢，除外界因素影響外，直鏈淀粉和支鏈淀粉比例的差異也影響著結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞的快慢，直鏈淀粉含量越高，其結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞越慢[3]。

米飯的熟化依賴于高溫段淀粉的糊化，但是，低于糊化溫度的低溫浸潤是米飯烹制的重要階段。大米在適宜的低溫下浸泡保溫一段時間后，可明顯提高米飯水溶性蛋白質(zhì)和游離氨基酸含量[4]，提高米飯的香氣、口感及不飽和脂肪酸含量[5]。國內(nèi)外學(xué)者對米飯烹飪工藝進(jìn)行大量的研究，目的是使烹飪的米飯營養(yǎng)和口感更好，同時也從宏觀上說明浸潤處理對米飯品質(zhì)影響較大，但是研究影響米飯品質(zhì)的淀粉在蒸煮過程中變化的報道極少，浸潤處理對淀粉結(jié)構(gòu)的影響尚不清楚。本試驗(yàn)試從微觀角度探究低溫對秈米淀粉結(jié)構(gòu)的影響，為進(jìn)一步完善米飯烹飪過程品質(zhì)變化提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料：星2號米，秈米，生產(chǎn)廠家：湖南金健米業(yè)股份有限公司，產(chǎn)地：湖南常德；大米淀粉，從星2號米中提取[6]。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：Mastersizer型激光粒度儀，JSM-6390LV型掃描電子顯微鏡，X'Pert PRO型X射線衍射儀，VERTEX 70型傅里葉紅外光譜儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 淀粉樣品制備

將淀粉與蒸餾水按質(zhì)量比1∶1.4配制成淀粉懸濁液(實(shí)驗(yàn)室前期試驗(yàn)確定星2號秈米與水比為1∶1.4時，采用MB-FS4017型電飯煲(廣東美的生活電器制造有限公司)制作的米飯品質(zhì)最佳，秈米淀粉的水分含量為(8.19±0.35)%，分別置于20℃(對照溫度)、30、40、50、60、70℃水浴鍋中恒溫15 min，取出置于-18℃冰箱冷凍，然后真空冷凍干燥，樣品粉碎過100目篩，采用塑料自封袋封裝，置于干燥器中保存，備用。

1.2.2 淀粉粒度分布的測定

測試條件：遮光率：15%～20%；顆粒折射率：1.530；分析模式：通用；分散劑：蒸餾水。

取相同量的原淀粉懸濁液和不同溫度制備的淀粉懸濁液(制備方法同1.2.1節(jié)，樣品不冷凍干燥)，加入到樣品池內(nèi)，采用超聲清洗器在80 W功率下超聲10 min，使淀粉懸浮液分散均勻。每個樣品重復(fù)3次，取平均值。

1.2.3 掃描電子顯微鏡觀察

在掃描電子顯微鏡樣品臺上貼上雙面膠，用棉簽挑取適量樣品涂在雙面膠上，洗耳球吹去多余樣品粉末，噴金觀察，然后在10 000倍下觀察，選擇視野清晰且具有代表性的樣品顆粒并拍攝。

1.2.4 X射線測試條件

室溫下，使用X'Pert PRO型X 射線衍射儀對樣品進(jìn)行分析測定。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為銅靶Cu Kα，射線波長λ=0.154 06 nm，電壓40 kV，電流40 mA，功率 1 600 W，NaI 晶體閃爍計數(shù)器測量 X 射線強(qiáng)度，掃描范圍為5°～40°，掃描速度為 7°/min，步長為 0.013°，將所得衍射峰分解為結(jié)晶和非結(jié)晶兩部分，結(jié)晶度為結(jié)晶峰的面積與總面積比值。測試數(shù)據(jù)進(jìn)一步通過JADE 6.0軟件進(jìn)行擬合計算結(jié)晶度和微晶尺寸。

1.2.5 傅里葉變換紅外光譜測試條件

制樣采用 KBr 壓片法，稱取上述處理樣品4.0 mg，加入 KBr 至總重200.0 mg，充分研磨，將研磨好的粉末倒入模具中抽真空壓片，12 MPa壓力下保持30 s，壓至透明。將待測樣品置于傅里葉紅外光譜儀中進(jìn)行掃描，掃描范圍為4 000～500 cm-1，分辨率為 4 cm-1，掃描32次，重復(fù)3次，所得結(jié)果用Omnic 軟件進(jìn)行自動基線調(diào)整，取平均光譜數(shù)據(jù)。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)均進(jìn)行3次平行，2次重復(fù)試驗(yàn)。采用Excel和Origin 8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 浸潤溫度對淀粉粒度的影響

由圖1可知，不同浸潤溫度處理后的淀粉顆粒粒徑都呈現(xiàn)出兩個粒度分布峰，第一個小峰位于1 μm左右，所占比重不大，第二個主峰表示淀粉顆粒集中分布在5.80～8.07 μm。由表1可知，浸潤溫度對淀粉顆粒具有一定的影響，隨著溫度的升高，淀粉顆粒的平均粒徑逐漸增大，溫度低于60℃粒徑略有變化，超過60℃粒徑顯著增大，尤其是溫度在70℃時，淀粉粒徑增大明顯。這可能是由于水分子進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部，優(yōu)先破壞無定形區(qū)域分子內(nèi)氫鍵[7]，淀粉的無定形區(qū)與水分子結(jié)合導(dǎo)致淀粉顆粒吸水膨脹，隨著加熱溫度的繼續(xù)升高，結(jié)晶區(qū)的氫鍵逐漸被破壞，此時淀粉顆粒吸收大量水分并繼續(xù)膨脹[8]。

圖1 不同浸潤溫度的淀粉粒徑分布

表1 不同浸潤溫度的淀粉粒徑參數(shù)

注：浸潤時間為15 min，D0.1、D0.5、D0.9分別表示樣品中粒徑小于該直徑的顆粒占顆?？倲?shù)的10%、50%和90%；字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 浸潤溫度對淀粉顆粒形貌的影響

圖2是淀粉在不同溫度下浸潤15 min掃描電鏡圖。由圖2可知，原淀粉顆粒棱角分明，呈不規(guī)則多面體結(jié)構(gòu)。不同溫度下浸潤的淀粉顆粒棱角略有破壞，整體多面體結(jié)構(gòu)變化不明顯。40℃和50℃下浸潤15 min后淀粉顆粒的微觀結(jié)構(gòu)部分略有破壞，但跟原淀粉差異不大，此結(jié)論與多數(shù)學(xué)者研究結(jié)果一致[6，9-11]；60℃時，淀粉顆粒表面呈現(xiàn)凹陷現(xiàn)象；70℃，淀粉顆粒表面出現(xiàn)明顯缺損。這可能是較高的溫度下，水分進(jìn)入淀粉顆粒的無定形區(qū)域，受到熱力作用淀粉顆粒吸水溶脹發(fā)生膨脹，冷卻后在淀粉顆粒表面形成塌陷[12-13]。由此可見，浸潤溫度對淀粉顆粒形貌有一定影響。

圖2 不同浸潤溫度的淀粉顆粒掃描電鏡圖

2.3 浸潤溫度對淀粉晶體特性的影響

不同浸潤溫度的淀粉X射線衍射圖見圖3。

圖3 不同浸潤溫度的淀粉X射線衍射圖

分析圖3可知，大米原淀粉和40～60℃浸潤15 min的淀粉，其衍射峰位置主要集中在15°～25°，在衍射角15°、17°、18°和23°處有強(qiáng)衍射吸收峰，17°和18°處為相連的雙峰，呈谷物淀粉典型A型晶體[11]。說明低溫短時間浸潤淀粉，對其晶體結(jié)構(gòu)影響小，仍保持原有晶型。衍射峰強(qiáng)度及半峰寬的變化反映了淀粉顆粒晶粒度的大小、無定形化程度和晶格畸變等[14]。但是隨著溫度的升高，衍射尖峰逐漸左移，峰逐漸變寬，峰高降低，晶體的結(jié)晶度逐漸減小，說明晶體之間的距離增大，晶體排列松散，晶格有序化程度逐漸降低，無定形化程度逐漸增大。70℃浸潤15 min淀粉，其衍射吸收峰變化顯著，15°、17°、18°和23°處吸收峰的峰高和峰面積顯著減弱，變得彌散，表現(xiàn)出非晶體衍射特征，晶型發(fā)生明顯變化，淀粉內(nèi)部的有序結(jié)構(gòu)由結(jié)晶區(qū)向無定型區(qū)域轉(zhuǎn)化。

不同浸潤溫度的淀粉結(jié)晶參數(shù)見表2。

表2 不同浸潤溫度的淀粉結(jié)晶參數(shù)

由表2可知，不同溫度處理的淀粉，其結(jié)晶度隨著溫度的升高逐漸降低。隨著溫度的升高，水分子進(jìn)入淀粉內(nèi)部的速率和數(shù)量增加，淀粉顆粒無定形區(qū)域吸收水分并發(fā)生有限膨脹，結(jié)晶區(qū)部分淀粉鏈雙螺旋結(jié)構(gòu)被解開，淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)晶區(qū)的氫鍵隨加熱溫度的繼續(xù)升高而被破壞，淀粉顆粒的晶型結(jié)構(gòu)逐漸消失，導(dǎo)致結(jié)晶度減少[15-17]。

2.4 浸潤溫度對淀粉紅外吸收光譜的影響

紅外光譜和拉曼光譜可以檢測分子中化學(xué)鍵振動頻率、振動強(qiáng)度和鍵能的變化，檢測淀粉顆粒在受熱過程中的化學(xué)鍵、淀粉結(jié)晶、分子鏈的構(gòu)象及螺旋結(jié)構(gòu)的變化[18-19]。

不同浸潤溫度的淀粉紅外吸收光譜見圖4。

圖4 不同浸潤溫度的淀粉紅外吸收光譜

從圖4可以看出，秈米淀粉和浸潤低溫加熱后淀粉的紅外光譜圖譜差異不顯著，沒有新的吸收峰出現(xiàn)，隨著浸潤溫度的升高，吸收峰波數(shù)向低波數(shù)方向移動。部分吸收峰的圖譜寬度和強(qiáng)度發(fā)生變化。1 200～800 cm-1屬于指紋區(qū)，是高度耦合的[JG(]C[ZJY]O[JG)]、[JG(]C[ZJY]C[JG)]、[JG(]C[ZJY]H[JG)]等鍵的震動，對淀粉結(jié)構(gòu)的變化非常敏感。1 047 cm-1和995 cm-1處表征的是淀粉結(jié)晶區(qū)的結(jié)構(gòu)特征，代表短程分子內(nèi)的有序結(jié)構(gòu)，1 047 cm-1處對應(yīng)淀粉聚集態(tài)結(jié)構(gòu)中的有序或結(jié)晶結(jié)構(gòu)，995 cm-1處對應(yīng)于脫水葡萄糖單元的羥基在淀粉分子間所形成的氫鍵有序化結(jié)構(gòu)，與淀粉中的短程有序化結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系，1 022 cm-1處是淀粉無定形區(qū)的結(jié)構(gòu)特征，對應(yīng)于淀粉大分子的無規(guī)線團(tuán)結(jié)構(gòu)。

不同浸潤溫度下淀粉紅外指紋區(qū)吸收光譜見圖5。

圖5 不同浸潤溫度下淀粉紅外指紋區(qū)吸收光譜

由圖5可知，浸潤溫度顯著影響淀粉指紋區(qū)吸收峰的寬度和強(qiáng)度，隨著溫度的升高，吸收峰的寬度和強(qiáng)度逐漸減弱，60℃和70℃時的淀粉，1 047、995和1 022 cm-1處的吸收峰基本消失，進(jìn)一步說明淀粉在此溫度范圍內(nèi)，結(jié)晶結(jié)構(gòu)逐漸消失。

吸收峰的強(qiáng)度比值R(A1 047/A1 022)和R(A995/A1 022)的比值反映淀粉分子結(jié)構(gòu)中有序化結(jié)構(gòu)和無規(guī)線團(tuán)結(jié)構(gòu)的比例關(guān)系，表示淀粉顆粒在短程范圍內(nèi)的結(jié)晶程度[20]。

不同浸潤溫度下淀粉吸收峰的比值R(A1 047/A1 022)和R(A995/A1 022)見表3。

表3 不同浸潤溫度下淀粉吸收峰的比值R(A1 047/A1 022)和R(A995/A1 022)

由表3可知,吸收峰強(qiáng)度的比值R(A1 047/A1 022)和R(A995/A1 022)隨著浸潤溫度的升高，其比值逐漸增大，淀粉顆粒在短程范圍內(nèi)的結(jié)晶程度越小。

X射線衍射測量的是分子鏈堆砌形成的分子間次序(或稱為長程序列)，傅里葉紅外測量的是短程分子內(nèi)的序列。兩種方法都印證浸潤溫度的升高，淀粉的結(jié)晶度逐漸下降，結(jié)晶結(jié)構(gòu)逐漸被破壞。

3 結(jié)論

低溫浸潤對秈米淀粉的微觀形貌和晶體特性有顯著的影響，隨著浸潤溫度升高，淀粉顆粒吸水膨脹，淀粉粒徑逐漸增大，溫度高于60℃，淀粉顆粒表面凹坑，并且淀粉顆粒的結(jié)晶度隨著溫度的升高而降低。低溫浸潤有利于淀粉顆粒充分吸水，體積膨脹導(dǎo)致破裂，溫度越高，淀粉顆粒越易破裂，有利于淀粉糊化。

[1] 鄧靈珠.大米蒸煮與米飯物性及食味形成機(jī)理[D].鄭州：河南工業(yè)大學(xué),2012.

[2] 楊毅才.淀粉糊化的過程及影響因素[J].農(nóng)產(chǎn)品加工,2009,(2):18-19.

[3] 李 玥,鐘 芳,麻建國,等.大米淀粉糊化過程的光譜分析[J].高分子學(xué)報,2008(7):720-725.

[4] 龔 婷,趙思明,熊善柏,等.蒸煮工藝對米飯蛋白質(zhì)及氨基酸的影響[J].中國糧油學(xué)報,2008，23(4):14-17.

[5] 張瑞霞,熊善柏,趙思明,等.蒸煮工藝對米飯脂質(zhì)及感官品質(zhì)的影響[J].中國糧油學(xué)報,2008,23(5):4-8.

[6] 范大明.微波熱效應(yīng)對米淀粉結(jié)構(gòu)的影響[D].無錫：江南大學(xué),2012.

[7] 丁文平,檀亦兵,丁霄霖.水分含量對大米淀粉糊化和回生的影響[J].糧食與飼料工業(yè),2003(8):44-45.

[8] SUN Q J,WANG T,LIU X,et al.The effect of heat moisture treatment on physicochemical properties of early indica rice[J].Food Chemistry,2013,141(2):853-857.

[9] 趙 佳.水-熱處理對淀粉理化特性的影響[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2012.

[10] 馬文睿,范大明,王麗云,等.微波蒸煮對米粉品質(zhì)的影響[J].食品工業(yè)科技,2012,33(21):49-52.

[11] WADUGE RN,HOOVER R,VASANTHAN T,et al.Effect of annealing on the structure and physicochemical properties of barley starches of varying amylose content[J].Food Research International,2006,39(1):59-77.

[12] 汪樹生,王 強(qiáng),蘇玉春.水分含量對濕熱處理玉米淀粉性質(zhì)的影響[J].中國糧油學(xué)報,2009,24(9):32-35.

[13] 劉成梅,楊曉會,鐘業(yè)俊,等.韌化及濕熱處理對大米淀粉理化特性和微觀結(jié)構(gòu)的影響[J].食品工業(yè)科技,2016,37(5):49-53.

[14] 張本山,張友全,楊連生,等.玉米、木薯及馬鈴薯淀粉顆粒微晶結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的研究[J].食品科學(xué),2001,22(2):11-14.

[15] DOUZAL J P,MARECHAL P A,COQUILLE J C,et al.Microscopic study of starch gelatinization under high hydrostatic pressure[J].Journal of Agicultural and Food Chemistry,1996,44(6):1 403-1 408.

[16] HERMANSSON A,SVEGMARK K.Developments in the understanding of starch functionality[J].Trends in Food Science and Technology,1996,7(11):345-353.

[17] 劉培玲,沈 群,胡小松,等.X射線衍射法研究不同類型淀粉高靜壓處理后晶體結(jié)構(gòu)的變化[J].光譜學(xué)與光譜分析,2012,32(9):2 579-2 582.

[18] KARIM A A,NORZIAH M H,SEOW C C.Methods for the study of starch retrogradation[J].Food Chemistry,2000,71(1):9-36.

[19] 吳 航,冉祥海,張坤玉,等.紅外光譜法研究交聯(lián)淀粉的退化行為[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報,2006,27(4):775-778.

[20] SOEST J J G,TOURNOIS H,de WIT D,et al.Short-range structure in (partially) crystalline potato starch determined with attenuated total reflectance Fourier-transform IR spectroscopy[J].Carbohydrate Research，1995,279(95)：201-214.

(責(zé)任編輯：趙琳琳)

Influence of temperature on starch structure of long-shaped rice

LU Jiao,XIONG Shi,XIE Shu-li,ZHAO Si-ming,RONG Jian-hua

(College of Food Science and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China)

Based on soak stage in low temperature during rice cooking process,the influence of soak temperature on the microstructure and crystal structure of rice starch were studied,in order to provide a theoretical basis for optimizing the conditions for rice cooking.The results showed that the starch particle size gradually increased with soak temperature rising.The starch granules changed little in appearance when temperature was below 60℃,but there were pits and cracks on the surface of starch granule when temperature was over 60℃.The crystal type of starch changed from A-type to amorphous type with increase of soak temperature,then degree of crystallinity was gradually low,and was decreased sharply at 70℃.

lactic acid bacteria；soybean meal fermentation；bacteria amount；polypeptides；rice cooking

2017-02-28；

2017-05-13

湖南省科技廳2014年度科學(xué)發(fā)展計劃專項(xiàng)資金(項(xiàng)目編號：2014FJ1008)。

魯 姣(1992-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称饭こ獭?/p>

榮建華(1972-)，女，副教授，博士，研究方向?yàn)槭称反蠓肿咏Y(jié)構(gòu)及功能特性。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.06.005

TS235.1

A

1003-6202(2017)06-0019-04