過熱蒸汽處理對(duì)大米粉理化特性的影響

舒星琦， 李波輪， 任傳順， 鄭洋洋， 安紅周， 卞 科， 覃振華

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院1，鄭州 450001) (河南省谷物品質(zhì)分析與加工國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室2，鄭州 450001) (廣西柳州鼎蓉鮮食品生產(chǎn)有限公司3，柳州 545000)

以大米為原料的深加工食品已成為一個(gè)重要趨勢(shì)，但大米原料直接加工后的米制品存在品質(zhì)問題，現(xiàn)有研究表明，適度改善大米原料品質(zhì)，對(duì)米制品品質(zhì)將產(chǎn)生有利影響[1,2]。過熱蒸汽是在相同壓力下溫度超過飽和蒸汽溫度的蒸汽[3]。在一定壓力下加熱水，達(dá)到沸點(diǎn)后，在該壓力下繼續(xù)加熱，蒸汽溫度超過沸點(diǎn)溫度，此時(shí)的蒸汽稱為過熱蒸汽。過熱蒸汽的傳熱效率高，可用于食品的熱加工，目前主要是用于食品烹煮和膨化等[4-6]，以及食品原料的預(yù)糊化[7]。Soponronnarit等[7]發(fā)現(xiàn)糙米經(jīng)過熱蒸汽預(yù)糊化后，其糊化特性發(fā)生改變，相比于未處理組和熱風(fēng)處理組，糙米擁有更低的峰值黏度、崩解值和最終黏度，煮熟后硬度較大。目前，熱處理改良大米品質(zhì)的主要目的包括改變蛋白質(zhì)特性[8]和淀粉特性[9]、提高大米中抗性淀粉和慢消化淀粉含量[10]、提高大米的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[11]、改變大米黏性[12]、增強(qiáng)大米儲(chǔ)藏穩(wěn)定性[13]、改善新型制粉技術(shù)[14]等。目前市場(chǎng)上對(duì)米制品的品質(zhì)改善大多通過改良劑進(jìn)行改良，改良劑具有一定的局限性。

本研究對(duì)過熱處理大米成分變化與理化特性相結(jié)合進(jìn)行分析，測(cè)定在不同蒸汽溫度(120、150、180 ℃)和不同處理時(shí)間(0、2、4、6、8 min)下，大米粒內(nèi)部理化特性的變化，通過不同的處理后其理化特性變化來對(duì)米制品品質(zhì)進(jìn)行改善，為大米深加工工藝提供參考，對(duì)米制品深加工行業(yè)的發(fā)展具有一定意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

秈精米(含水量13.03%，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.59%，淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)76.03%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.39%)。碘化鉀、碘試劑、無水乙醇、氫氧化鉀、硫酸銅、鹽酸、氫氧化鈉、硫酸、硼酸、硫代硫酸鈉，均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

過熱蒸汽處理器(自制)，Quanta250FEG掃描電子顯微鏡，UV-2000紫外分光光度計(jì)，kjeltec8400全自動(dòng)凱氏定氮儀，SD-matic破損淀粉儀，DS-1高速組織搗碎機(jī)，F(xiàn)AST-300振動(dòng)篩分機(jī)，CR-410色彩色差計(jì)，RVA-techmaster快速黏度分析儀，DSC/25差示掃描量熱儀。

1.3 方法

1.3.1 大米過熱蒸汽處理

利用過熱蒸汽設(shè)備，在蒸汽流速為3 mm/s的條件下，將大米在120、150、180 ℃下分別處理0、2、4、6、8 min，在室溫下冷卻，備用。

1.3.2 大米粒掃描電子顯微鏡(SEM)觀察

將過熱蒸汽處理后的大米粒橫向掰斷，置于導(dǎo)電雙面膠上，噴金處理，用掃描電鏡在3kV電壓下觀察米粒的微觀結(jié)構(gòu)，放大倍數(shù)為10 000倍。重復(fù)3次，選取代表性圖片。

1.3.3 大米粉制備及基本組分變化

將大米粉碎，過100目篩，-4 ℃下密封保存?zhèn)溆谩?/p>

參照GB/T 5009.3—2016中的烘箱法測(cè)定含水量；參照GB/T 5009.9—2008測(cè)定總淀粉含量；參照GB/T 5009.5—2016測(cè)定蛋白質(zhì)含量。破損淀粉含量測(cè)定參照AACC 76-31肖邦破損淀粉儀法，結(jié)果用碘吸收率表示。參照GB/T 15683—2008測(cè)定大米直鏈淀粉含量，制備碘試劑和測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.4 粒度分布

將處理后的大米粒用60目萬(wàn)能粉碎機(jī)粉碎。參照GB/T 20781—2006，通過80目和100目2個(gè)實(shí)驗(yàn)篩對(duì)大米粉進(jìn)行篩分、稱重。

1.3.5 色澤變化

采用色彩色差計(jì)測(cè)定米線原料粉的色澤。采用下列公式計(jì)算其白度(WI)：

WI=100-[(100-L*)2+a*2+b*2]1/2

(1)

式中：L*為明亮度；a*為表示紅綠值；b*為表示黃藍(lán)值。

1.3.6 大米粉水合特性的測(cè)定

參照Heo等[15]和郭靜璇[16]的方法并加以改進(jìn)，測(cè)定50、60、70、80、90 ℃下大米粉的水溶性、膨脹勢(shì)和吸水指數(shù)。稱取0.8 g干基大米粉(W0)于預(yù)先稱重的50 mL離心管中，加25 mL蒸餾水，混勻，分別置于50、60、70、80、90 ℃下振蕩保溫30 min，在轉(zhuǎn)速為4 000 r/min下離心15 min。上清液轉(zhuǎn)至恒重的鋁盒內(nèi)，在105 ℃下烘至恒重(W1)，離心管中沉淀稱重(W2)，按照式(2)～式(4)進(jìn)行計(jì)算：

吸水指數(shù)=W2/W0×100%

(2)

水溶性=W1/W0×100%

(3)

膨脹勢(shì)=W2/[W0×(100%-WS)]×100%

(4)

式中：WS為水溶性/g/100 g；W0為大米淀粉干基質(zhì)量/g；W1為上清烘干至恒重的質(zhì)量/g；W2為沉淀物的濕重/g。

1.3.7 大米粉糊化特性的測(cè)定

參照GB/T 24852—2010進(jìn)行測(cè)定。

1.3.8 熱特性(DSC)的測(cè)定

當(dāng)收到來自其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的BCD消息,節(jié)點(diǎn)就檢測(cè)自己的橫坐標(biāo)是否小于發(fā)送節(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo)。如果小于,則利用右手規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)BCD消息,否則就丟失。通過這種方式,最終只有一條BCD消息沿著邊界轉(zhuǎn)發(fā),并且被轉(zhuǎn)發(fā)的BCD消息是由橫坐標(biāo)最大的邊界節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的。將此節(jié)點(diǎn)稱為BCD的初始節(jié)點(diǎn)(BCD-I)。

參照田曉紅等[17]的方法。

1.3.9 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft excel 2010、SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用Origin 8.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖。無特別說明，所以數(shù)據(jù)都是3次平行的平均值。結(jié)果以均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)表示，多組間多重比較通過單因素方差分析(one-way ANOVA)進(jìn)行P<0.05表示在統(tǒng)計(jì)學(xué)上具有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 過熱蒸汽處理對(duì)大米內(nèi)部顆粒形貌的影響

圖1為經(jīng)不同處理的大米截面掃描電鏡圖，未處理大米橫截面較為平整堅(jiān)實(shí)。隨著處理溫度和處理時(shí)間的增加，大米的組分聚集，顆粒表面出現(xiàn)凹陷蜂窩狀，淀粉顆粒的棱角模糊，表面變得光滑、膨大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散。熱處理會(huì)促進(jìn)小麥蛋白和淀粉發(fā)生交聯(lián)，蛋白和蛋白之間發(fā)生聚集、以及直鏈淀粉和脂質(zhì)發(fā)生結(jié)合形成復(fù)合物[18,19]。另外，淀粉也會(huì)通過分子內(nèi)或者分子間氫鍵進(jìn)行結(jié)合[20]。同時(shí)，熱處理使淀粉顆粒吸水膨脹，表面部分發(fā)生糊化，冷卻后顆粒表面凹陷或棱角模糊[21]。因此，過熱蒸汽會(huì)使大米發(fā)生部分糊化，且對(duì)蛋白-蛋白、蛋白-淀粉、淀粉-淀粉及脂質(zhì)-淀粉之間的結(jié)合有影響。Wu等[22]研究發(fā)現(xiàn)，過熱蒸汽對(duì)輕碾米的裂紋和微觀力學(xué)行為的影響不顯著，能夠保持其完整的形貌和較好的蒸煮品質(zhì)和質(zhì)構(gòu)特性。但整體來看，大米淀粉顆粒結(jié)構(gòu)保持的較完整，這有利于米制品的制作。

圖1 過熱蒸汽處理前后大米掃描電鏡圖(放大10 000倍)

2.2 過熱蒸汽處理對(duì)大米粉基本組分的影響

表1為過熱蒸汽處理前后大米粉組分的變化。其中，含水量隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，先升高再降低，隨處理溫度的升高而降低。含水量上升是由“初始冷凝”造成，高溫的過熱蒸汽遇到低溫樣品會(huì)發(fā)生冷凝，使樣品水分暫時(shí)升高，當(dāng)處理時(shí)間或蒸汽溫度增加，其含水量減少；直鏈淀粉含量隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)和處理溫度的增加先升高后降低，且溫度的影響更顯著，但在6 min或8 min的長(zhǎng)時(shí)間處理下，變化不明顯。直鏈淀粉含量的高低，直接影響糊化后淀粉的短期老化和米線的凝膠強(qiáng)度，米線的復(fù)水時(shí)間、斷條率、蒸煮損失率都與秈米的直鏈淀粉含量相關(guān)[23]。直鏈淀粉溶出可能是由于溫度和時(shí)間的增加，淀粉鏈發(fā)生斷裂，雙螺旋結(jié)構(gòu)減少[24]。在150 ℃，2、4 min條件下處理后直鏈淀粉含量提高到最大值，可提高12%?？赡苁菬崽幚磉^程中淀粉分子中的支鏈淀粉或較長(zhǎng)直鏈淀粉的糖苷鍵被破壞[25]。破損淀粉含量在較低溫度(120 ℃)或較短時(shí)間(2 min)的處理?xiàng)l件下無顯著性變化，在較高溫度或較長(zhǎng)時(shí)間的處理?xiàng)l件下升高，總淀粉和蛋白的變化不顯著。

表1 過熱蒸汽處理對(duì)大米粉組分的影響

2.3 過熱蒸汽處理對(duì)大米粉粒徑的影響

由圖2可知，大米粉的粒度隨著處理時(shí)間延長(zhǎng)先增加后減小，在處理2 min時(shí)，粒度顯著升高，達(dá)到最大值。隨著處理溫度的增加，粒度減小，在處理180 ℃，6 min時(shí)，粒度最小，且留存在80目篩的樣品量占比最大，80目/100目占比最小。大米粉粒徑的增大可能與大米含水量和結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。當(dāng)含水量減小時(shí)，大米較脆。由圖1可知，隨著處理時(shí)間和溫度的增加，大米內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散，有研究表明，小麥籽粒經(jīng)過過熱蒸汽處理后變得蓬松易碎，且蛋白和淀粉間相互聚集，淀粉糊化導(dǎo)致其粘連、膨脹[26]，都會(huì)造成大米更易破碎，導(dǎo)致粒徑減小。然而，在2 min短時(shí)間的處理時(shí)，可能是是由于冷凝水的凝結(jié)使大米結(jié)構(gòu)變得致密、堅(jiān)硬，在磨粉時(shí)難以被破碎，造成粒徑增加。

圖2 過熱蒸汽處理對(duì)大米粉粒徑分布的影響

2.4 過熱蒸汽處理對(duì)大米粉色澤變化的影響

將大米經(jīng)過熱蒸汽處理后粉碎，大米粉色澤的變化見表2，與對(duì)照組相比，L*和WI在120 ℃，4 min和150 ℃，2 min處顯著降低，大米粉顏色變暗，其他條件下無顯著變化。經(jīng)過熱蒸汽處理后，大米粉的a*降低。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，a*在2 min和8 min處顯著降低，b*在8 min處顯著增高。隨處理溫度的升高，a*和b*無顯著變化。綜合來看，過熱蒸汽處理對(duì)大米粉色澤的影響不大，僅在120 ℃，4 min和150 ℃，2 min時(shí)會(huì)使大米粉的顏色變暗。且2 min和8 min會(huì)使大米粉顏色變?yōu)槠G，8 min的處理會(huì)使大米粉顏色變?yōu)槠S。

表2 過熱蒸汽處理對(duì)大米粉色澤的影響

2.5 過熱蒸汽處理對(duì)大米粉水合特性的影響

圖3 過熱蒸汽處理對(duì)大米粉水合特性的影響

2.6 熱蒸汽處理對(duì)大米粉糊化特性的影響

由表3分析可知過熱蒸汽處理可以使大米粉的峰值黏度、衰減值減小，最終黏度、回生值、糊化溫度升高，低溫短時(shí)間(120 ℃，2 min)的處理可以使峰值黏度、谷值黏度增加，高溫長(zhǎng)時(shí)間的處理會(huì)使峰值時(shí)間、衰減值，以及最終黏度、回生值、糊化溫度升高。峰值黏度隨溫度的增加而減小，120 ℃時(shí)，隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)先增加后減小，150 ℃和180 ℃時(shí)，隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。谷值黏度在2 min處顯著升高，處理溫度對(duì)其無顯著性影響。峰值黏度在180 ℃，8 min處顯著升高。衰減值隨處理時(shí)間和處理溫度的增加而減小，但在8 min處顯著升高。最終黏度、回生值、糊化溫度隨處理時(shí)間和處理溫度的增加而增加，但回生值在較低溫度(120 ℃和150 ℃)和較低處理時(shí)間(2 min和4 min)時(shí)無顯著性差異。

表3 過熱蒸汽處理對(duì)大米粉糊化特性的影響

峰值黏度降低可能是過熱蒸汽處理造成大米淀粉降解，部分分子鏈變小，直鏈淀粉含量增加造成的[30]；也可能是大米淀粉鏈間相互作用，分子內(nèi)或分子間氫鍵增強(qiáng)，耐熱性提高，顆粒不易膨脹[31]；此外，淀粉顆粒在糊化過程中熔融，降低了淀粉吸水膨脹的能力[32]。120 ℃、2 min處峰值黏度的增加、2 min處谷值黏度的增加，以及最終黏度的升高可能是由于過熱蒸汽處理改變了大米淀粉的結(jié)構(gòu)，淀粉也可能與非淀粉組分反應(yīng)，提高了其結(jié)合水的能力，另一個(gè)原因可能是過熱蒸汽處理引起蛋白質(zhì)的聚集，使黏度增大[32]。此外，淀粉顆粒的膨脹和糊化作用也會(huì)使其黏度增加[33]。衰減值表示淀粉顆粒對(duì)剪切力的忍耐力值，其值降低，表明大米淀粉顆粒的熱穩(wěn)定性增強(qiáng)，這可能是是因?yàn)榈矸垲w粒發(fā)生部分糊化和熔融以及淀粉-脂復(fù)合物的形成造成的[19]。此外，有研究表明，支鏈淀粉的分子長(zhǎng)分支和短分支分別與衰減值呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)[34]，這驗(yàn)證了熱對(duì)淀粉糖苷鍵的破壞，使長(zhǎng)支鏈變?yōu)槎讨ф?，直鏈淀粉增加。回生值的升高表明淀粉糊的穩(wěn)定性以及淀粉凝膠的硬度增強(qiáng)，主要是直鏈淀粉含量的升高造成的[35]。糊化溫度的升高以及峰值時(shí)間的增加可能是由于淀粉糊化和淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成阻礙了淀粉顆粒的吸水能力，從而導(dǎo)致了淀粉顆粒膨脹溫度升高[36]。

表4 過熱蒸汽處理對(duì)大米粉熱特性的影響

2.7 過熱蒸汽處理對(duì)大米粉熱特性的影響

在120 ℃時(shí)，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，大米粉開始糊化時(shí)的溫度T0在6 min時(shí)顯著升高，在較高溫度下無顯著性變化，隨處理溫度的升高而降低，但在長(zhǎng)時(shí)間(8 min)時(shí)，無顯著變化。大米粉糊化達(dá)到峰值的溫度Tp無顯著性變化，大米粉糊化結(jié)束的溫度Tc只在150 ℃，8 min處顯著降低，ΔH在120 ℃隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)顯著降低。150 ℃時(shí)，在4 min處顯著降低后再升高，180 ℃時(shí)無顯著差異。

熱相變溫度和糊化焓降低表明過熱蒸汽處理導(dǎo)致淀粉結(jié)晶中的雙螺旋結(jié)構(gòu)被部分破壞，淀粉發(fā)生了糊化[37]。過熱蒸汽處理可以使未被糊化的淀粉晶型結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，這與Sun等[38]的研究結(jié)果相似。此外，直鏈淀粉具有抑制溶脹的作用，特別是在存在脂類時(shí)，脂類物質(zhì)可與部分直鏈淀粉在溶脹和糊化過程中形成復(fù)合物[37]，同時(shí)熱作用還會(huì)導(dǎo)致淀粉和淀粉相互作用，從而引起熱相變溫度升高[38]。

3 結(jié)論

大米經(jīng)過熱蒸汽處理后，蛋白、淀粉和脂質(zhì)間會(huì)發(fā)生聚集現(xiàn)象。低溫或短時(shí)間的過熱蒸汽處理可增加大米粉的含水量、直鏈淀粉含量和粒度，減小樣品的吸水指數(shù)、膨脹勢(shì)和水溶性，但高溫或長(zhǎng)時(shí)間的過熱蒸汽處理起反作用，并會(huì)使破損淀粉升高。過熱蒸汽處理還可影響大米粉的糊化特性和熱特性，使大米粉的峰值黏度、衰減值減小，最終黏度、回生值、糊化溫度升高，低溫短時(shí)間(120 ℃，2 min)的處理可以使峰值黏度、谷值黏度增加，高溫長(zhǎng)時(shí)間的處理會(huì)使峰值時(shí)間、衰減值，以及最終黏度、回生值、糊化溫度升高。適當(dāng)?shù)倪^熱蒸汽處理可以改善米制品深加工產(chǎn)品的品質(zhì)。直鏈淀粉含量、谷值黏度、最終黏度和回生值的升高以及吸水指數(shù)、膨脹勢(shì)、水溶性、衰減值、相變溫度和糊化焓的降低有利于米線的加工。適當(dāng)?shù)倪^熱蒸汽處理有利于米線擠壓成型，口感的爽滑性和柔韌性，提高米線的蒸煮品質(zhì)，同時(shí)經(jīng)過過熱蒸汽處理的米加工制作的米線復(fù)水性更好。