蒸谷米超高壓浸泡工藝條件優(yōu)化

高雅文 張大力,2 方 麗 劉春雷 劉景圣,2

(吉林農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院1，長春 130118) (小麥和玉米深加工國家工程實驗室2，長春 130118)

蒸谷米(parboiled rice)是經(jīng)清理的稻谷再經(jīng)水熱處理后進行礱谷、碾米所得到的大米[1-3]。稻谷籽粒中營養(yǎng)成分分布不均衡，加工副產(chǎn)物皮層及胚中存在大量人體所必需的營養(yǎng)成分，如維生素B族、粗蛋白、粗脂肪等[4-7]。稻米在常規(guī)加工過程會不可避免地損失大量營養(yǎng)成分，人體長期食用這種加工精度高的大米必然會引起某些營養(yǎng)素的缺乏癥，因此有必要研究及生產(chǎn)食用營養(yǎng)強化米[8,9]。蒸谷米通過水熱處理稻谷，使皮層和胚中可溶性營養(yǎng)成分滲透到胚乳中，成為一種純天然的、無任何添加劑的營養(yǎng)強化米[10-12]。

周顯青等[13]研究了檸檬酸浸泡對蒸谷糙米碾米過程中蒸谷米鎘含量和品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，檸檬酸浸泡提高了蒸谷米單位時間的碾減率，但對蒸谷米的碎米率無顯著性影響；檸檬酸浸泡后制備的蒸谷米，其米飯吸水率、體積膨脹率、碘藍值、pH 值及蒸谷米飯的硬度均顯著降低，蒸谷米的色澤及其米飯的滋味、口感及綜合評分等顯著性提高。侯俐南等[14]以早秈稻為材料，研究超聲波輔助浸泡對稻谷含水量和整精米率以及糊化特性的影響，結(jié)果表明：超聲波功率為600 W，超聲波處理時間為25 min，整精米率達68.82%，蒸谷米的品質(zhì)最好。劉園等[15]研究表明浸泡條件為65～70 ℃、3.5～4 h，蒸煮條件為100 ℃、30 min時，蒸谷米營養(yǎng)品質(zhì)和蒸煮品質(zhì)最佳。但不論常壓浸泡還是超聲波輔助浸泡，浸泡時間均較長，會導致發(fā)酵現(xiàn)象產(chǎn)生，對蒸谷米的氣味及營養(yǎng)品質(zhì)和加工品質(zhì)均有一定的影響[16,17]。本研究采用超高壓浸泡生產(chǎn)蒸谷米，可以大幅度縮短浸泡時間，使稻谷在很短的時間內(nèi)充分吸收水分，隨水分的滲透，使蒸谷米中水溶性營養(yǎng)物質(zhì)的含量增加，避免長時間浸泡，發(fā)酵帶來的不利影響以及隨浸泡水的倒掉，水溶性營養(yǎng)成分的流失。

本研究以北方粳稻為原料，采用超高壓浸泡稻谷，考察對超高壓浸泡效果影響較大的3個因素(浸泡壓力、浸泡水溫度、保壓時間)對蒸谷米營養(yǎng)品質(zhì)和加工品質(zhì)的影響，為蒸谷米生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

吉林白城地區(qū)粳稻(采收時間為當年10月)。

硫酸、乙酸鈉、高錳酸鉀、過氧化氫、連二亞硫酸鈉、鹽酸、乙酸、氯化鉀、硝酸銀、氫氧化鈉、鐵氰化鉀、異丁醇、硫胺素、硫酸奎寧、硫酸鉀、五水硫酸銅、硼酸、浮石(以上均為分析純)、乙醇(95%)、維生素B2標準溶液[(99.7±0.2)%]、熒光素標準溶液(98%)、淀粉酶(≥3 700 U/g)。

1.2 儀器與設備

UHPF-800MPa-3L超高壓食品處理裝置；GZX-9240 MBE電熱恒溫鼓風干燥箱；JLGJ4.5檢驗礱谷機；JNMJ3 檢驗碾米機；BA-6微波干燥裝置；960熒光分光光度計；KDN-04型蛋白質(zhì)測定儀。

1.3 方法

1.3.1 蒸谷米制備

稻谷清理去雜、去稗、去石和原糧中的不完善粒。超高壓加溫浸泡，浸泡水用量為35%，對浸泡壓力、浸泡水溫度、保壓時間等工藝條件進行優(yōu)化。溫度121 ℃，汽蒸7 min。微波干燥(前期功率為2 000 W、時間3 min，后期功率為6 000 W、時間為2 min)使含水量降至14%(濕基含水量)，冷卻至室溫。用JLGJ4.5 檢驗礱谷機礱谷去稻殼后，使用JNMJ3 檢驗碾米機碾米50 s，整理成品。

對照組：對照組大米為未經(jīng)水熱處理，直接礱谷，碾米得到的全整白米。

1.3.2 整精米率的測定

稱取凈稻谷試樣(W0)，經(jīng)礱谷脫殼后得糙米，用實驗碾米機磨50 s，除去糠粉，分揀出整精米[18]，稱重 (W1)，計算整精米率(H)。

1.3.3 營養(yǎng)指標的測定

蛋白質(zhì)含量的測定參考GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質(zhì)的測定》，第一法 凱氏定氮法。

維生素B1含量的測定參考GB 5009.84—2016《食品安全國家標準 食品中維生素B1的測定》，第二法 熒光分光光度法。

維生素B2含量的測定參考GB 5009.85—2016《食品安全國家標準 食品中維生素B2的測定》，第二法 熒光分光光度法。

1.3.4 單因素實驗1.3.4.1 浸泡壓力對蒸谷米品質(zhì)的影響

浸泡水溫度40 ℃，保壓時間7 min，考察不同浸泡壓力100、200、300、400、500 MPa對蒸谷米整精米率及營養(yǎng)品質(zhì)的影響。

1.3.4.2 浸泡水溫度對蒸谷米品質(zhì)的影響

浸泡壓力200 MPa，保壓時間7 min，考察不同浸泡水溫度30、35、40、45、50 ℃對蒸谷米整精米率及營養(yǎng)品質(zhì)的影響。

1.3.4.3 保壓時間對蒸谷米品質(zhì)的影響

浸泡壓力200 MPa，浸泡水溫度40 ℃，考察不同保壓時間3、5、7、9、11 min對蒸谷米整精米率及營養(yǎng)品質(zhì)的影響。

1.3.5 響應面實驗設計

在單因素實驗基礎上，選取浸泡壓力(A)、浸泡水溫度(B)、保壓時間(C)為自變量，以整精米率(Y1)和蛋白質(zhì)含量(Y2)為響應值，應用Box-Behnken實驗原理，采用三因素三水平響應面分析法進行實驗設計，優(yōu)化蒸谷米生產(chǎn)超高壓浸泡工藝，響應面實驗因素與水平見表1。

表1 響應面實驗設計因素與水平

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2010、SPSS19.0、Design-Expert 8.0等分析軟件對所得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，每個實驗重復3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 浸泡工藝條件的確定

2.1.1 浸泡壓力對產(chǎn)品整精米率及品質(zhì)的影響

浸泡壓力可影響淀粉、蛋白質(zhì)分子間的結(jié)合形式，引起鍵的破壞和重組，形成膠體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改善米粒硬度和延展性[19]，過高的壓力也會破壞已形成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，降低稻谷的硬度，碎米率增加，故整精米率先增大后下降。壓力大，稻谷吸水快而且均勻，皮層中水溶性蛋白質(zhì)隨水分的滲透進入胚乳中，使大米中蛋白質(zhì)含量增加，壓力過大，蛋白質(zhì)可能部分發(fā)生變性，水溶性降低，滲入胚乳中的蛋白質(zhì)減少，致使大米中蛋白質(zhì)含量降低。

注：**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05)，余同。
圖1 浸泡壓力對蒸谷米品質(zhì)的影響

超高壓處理對維生素具有較好的保護作用[20]。壓力大，稻谷吸水快且均勻，皮層中幾乎全部水溶性VB1、VB2隨水分的滲透進入胚乳中，使大米中VB1、VB2含量增加，因皮層中VB1、VB2含量有限，所以隨著壓力繼續(xù)增大，大米中VB1、VB2含量趨于平穩(wěn)。

綜合考慮，調(diào)整壓力為100、150、200 MPa做響應面實驗。

2.1.2 浸泡水溫度對產(chǎn)品整精米率及品質(zhì)的影響

隨浸泡水溫度升高，對稻谷的水熱處理程度加深，米粒結(jié)構(gòu)緊實，整精米率逐漸增大。溫度過高，會破壞米粒中淀粉、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，使整精米率下降。

浸泡水溫度高，稻谷吸水速率快、均勻且吸水量大，糠粉層中水溶性蛋白質(zhì)，維生素等營養(yǎng)成分更有效地滲透到胚乳中，增加蒸谷米中蛋白質(zhì)的含量，與Sujatha等[21]報道的蒸谷米中蛋白質(zhì)含量比精白米要高的研究結(jié)果一致。

圖2 浸泡水溫度對蒸谷米品質(zhì)的影響

溫度是影響維生素穩(wěn)定性的重要因素[22]，溫度超過35 ℃后，VB1、VB2有不同程度的破壞，因此蒸谷米中VB1、VB2含量下降。綜合考慮，選取溫度為30、35、40 ℃做響應面實驗。

2.1.3 保壓時間對產(chǎn)品整精米率及品質(zhì)的影響

壓力可影響淀粉、蛋白質(zhì)分子間的結(jié)合形式，引起鍵的破壞和重組，形成膠體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改善米粒硬度和延展性[23]，保壓時間過長也會破壞已形成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，降低稻谷的硬度，碎米率增加，故整精米率先增大后下降。

保壓時間短，稻谷不能充分吸收水分，隨水分滲透到米粒內(nèi)部的水溶性營養(yǎng)成分少；隨著時間的延長，水分能均勻地滲透到米粒內(nèi)部，蛋白質(zhì)、維生素B1、維生素B2含量隨之增加。

因此，選擇5、7、9 min做響應面實驗。

圖3 保壓時間對蒸谷米品質(zhì)的影響

2.2 響應面實驗結(jié)果

在單因素實驗的基礎上，選擇浸泡壓力(A)、浸泡水溫度(B)及保壓時間(C)做自變量，選取對蒸谷米加工品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)影響較大的整精米率和蛋白質(zhì)含量為響應值，根據(jù)Box-Benhnken的中心組合實驗設計原理做響應面實驗，結(jié)果見表2～表4。

利用軟件對表2實驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，得回歸模型方程：

整精米率Y1=72.09-1.33A-1.33B-0.36C-0.76AB+2.53AC+2.54BC-2.83A2-3.57B2-4.16C2

蛋白質(zhì)含量Y2=9.07+0.095A-0.055B+0.025C-0.27AB-0.27AC-0.24BC-0.55A2-0.35B2-0.37C2

表2 響應面實驗結(jié)果

表3 整精米率方差分析結(jié)果

注：*P<0.05為差異顯著；**P<0.01為差異極顯著，下同。

表4 蛋白質(zhì)含量方差分析結(jié)果

說明回歸方程可以很好地描述各因素與響應值之間的真實關系，實驗結(jié)果與數(shù)學模型擬合程度良好，實驗誤差小，預測值與實測值之間有較好的相關性[24]，可用該模型來分析和預測蒸谷米超高壓浸泡的最佳工藝條件。

由Design-Expert軟件分析得到整精米率和蛋白質(zhì)含量最大時對應的最佳條件是浸泡壓力149.84 MPa、浸泡水溫度34.32 ℃、保壓時間6.98 min，整精米率為72.216 9%，蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為9.069 85%。驗證實驗：浸泡壓力150 MPa、浸泡水溫度35 ℃、保壓時間7 min，整精米率為71.38%，蛋白質(zhì)含量為9.06%，與理論值基本相符，因此，以整精米率和蛋白質(zhì)含量為檢測指標，響應面法優(yōu)化蒸谷米超高壓浸泡工藝條件是可行的。

3 結(jié)論

生產(chǎn)蒸谷米超高壓浸泡最佳工藝條件：浸泡水用量為35%，浸泡壓力為150 MPa，浸泡水溫度為35 ℃，保壓時間為7 min，此條件下，整精米率為71.38%，蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為9.06%，維生素B1含量為0.40 mg/100 g、維生素B2含量為0.14 mg/100 g。與普通精白米相比較，蛋白質(zhì)含量，維生素B1、維生素B2含量均有差異極顯著性(P<0.01)。采用高壓加溫浸泡，可大幅度縮短浸泡時間，有效解決長時間浸泡，易產(chǎn)生發(fā)酵現(xiàn)象，影響成品的風味問題，提高生產(chǎn)效率。