邵小龍,時(shí)小轉(zhuǎn),周立鳴

(南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇高校糧油質(zhì)量安全控制及深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210023)

稻谷是最重要的糧食作物之一,為超過半數(shù)的亞洲人口提供穩(wěn)定的食物需求[1]。隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人民生活水平的提高,人們對(duì)大米品質(zhì)提出了更高的要求。稻米品質(zhì)包括加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)、食用品質(zhì)等。影響稻米品質(zhì)的因素有很多,收獲期是其中一個(gè)。關(guān)于收獲期對(duì)稻米品質(zhì)的影響方面的研究國內(nèi)外已有許多報(bào)道。姜萍[2]、苗德雨等[3]認(rèn)為過早收獲主要影響精米率和整精米率。程建峰等[4]認(rèn)為不同收獲期主要影響稻米的膠稠度和蛋白質(zhì)含量。宋雙[5]的研究結(jié)果表明加工品質(zhì)在不同收獲時(shí)期存在一定差異,但未達(dá)到顯著水平;堊白性狀及食味值不同收獲期差異達(dá)到顯著水平。其他研究者[6-10]也有做過相關(guān)方面的研究。錢春榮[11]的研究結(jié)果表明不同收獲期處理間的味度值和粘滯峰回生值沒有顯著差異;但整精米率、下降粘度和最高粘度均存在顯著或極顯著的差異。邵小龍等[12]基于低場核磁共振(LF-NMR)技術(shù)觀察水稻抽穗到成熟過程中籽粒水分狀態(tài)的變化,探討淀粉、蛋白質(zhì)的積累效應(yīng)對(duì)前者的影響,為水稻品質(zhì)形成規(guī)律提供數(shù)據(jù)參考。

大米食用品質(zhì)是指大米在規(guī)定條件下蒸煮成米飯后,米飯的色澤、氣味、滋味、米飯粘度及軟硬適口程度所呈現(xiàn)出的綜合品質(zhì)。氣味對(duì)大米食用品質(zhì)至關(guān)重要,稻谷是稻米的初始狀態(tài),由于谷殼的包裹,直接通過人類感官辨別氣味較難。電子鼻作為一種模擬生物嗅覺的新穎仿生檢測手段,目前在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已有較多報(bào)道,如病蟲害、水果、飲料、肉類等的快速檢測識(shí)別,證明了電子鼻對(duì)不同物質(zhì)的氣味進(jìn)行分類識(shí)別的有效性。Sung等[13]應(yīng)用電子鼻技術(shù)研究了稻谷分別在不同溫度(0、20、30、40 ℃)儲(chǔ)藏4個(gè)月時(shí)的脂肪酸值、感官特性、風(fēng)味模式,結(jié)果表明,電子鼻能夠?qū)?chǔ)藏的稻谷進(jìn)行篩選和定性分析;胡桂仙等[14]應(yīng)用電子鼻對(duì)不同狀態(tài)下香稻和非香稻進(jìn)行了分類識(shí)別;于春慧等[15]用電子鼻對(duì)來自同一地域的4種水稻谷物進(jìn)行了分類識(shí)別,初步驗(yàn)證了電子鼻進(jìn)行稻米品種識(shí)別的可行性。關(guān)于大米微觀結(jié)構(gòu),陳銀基等[16]研究發(fā)現(xiàn)輻照處理對(duì)淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)和形態(tài)有修飾作用,淀粉顆粒間空間變大,糙米在蒸煮時(shí)可滲入更多水分,進(jìn)而可以改善蒸煮品質(zhì)。劉成梅等[17]研究了韌化及濕熱處理對(duì)大米淀粉理化特性和微觀結(jié)構(gòu)的影響。裴永勝等[18]研究了流化床干燥對(duì)稻谷爆腰增率及微觀結(jié)構(gòu)的影響。

但關(guān)于收獲期對(duì)粳稻氣味及微觀結(jié)構(gòu)的影響目前國內(nèi)外未見報(bào)道。不同收獲期對(duì)粳稻氣味、質(zhì)構(gòu)特性、微觀結(jié)構(gòu)的變化的影響及其相互關(guān)系,這是本文所要探討的主要問題。因此本文通過田間定期取樣獲得不同收獲期的粳稻樣品,經(jīng)過前處理后,應(yīng)用電子鼻測定分析粳米氣味變化,質(zhì)構(gòu)儀測定粳米質(zhì)構(gòu)特性,掃描電鏡下觀察粳米的微觀結(jié)構(gòu),探討不同收獲期對(duì)粳稻相關(guān)品質(zhì)的影響。為收獲期對(duì)粳稻氣味、微觀結(jié)構(gòu)和質(zhì)構(gòu)特性的影響提供數(shù)據(jù)支持,為粳稻最佳收割期的確定提供科學(xué)依據(jù),使優(yōu)質(zhì)稻米能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢,達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的目的,既能創(chuàng)造較高的經(jīng)濟(jì)效益,又能滿足人們對(duì)于稻米質(zhì)量的需求。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

南粳5055 屬于農(nóng)業(yè)部評(píng)定的超級(jí)稻品種,具有品質(zhì)優(yōu)、口感好、產(chǎn)量高、整精米率高和抗逆性好等優(yōu)點(diǎn)。南梗5055全生育期在160天左右,屬于早熟晚粳稻品種,株型緊湊,長勢較旺,分蘗力較強(qiáng),穗型中等,群體整齊度較好,著粒較密,抗倒性強(qiáng),適宜在江蘇省沿江及蘇南周邊地區(qū)種植。實(shí)驗(yàn)樣品取自南京市江寧區(qū)湯山鎮(zhèn)孟墓村藏龍灣農(nóng)場實(shí)驗(yàn)田,測定分析實(shí)驗(yàn)在南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院糧食儲(chǔ)運(yùn)國家工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

Fox3000型電子鼻 法國AlphaMOS公司;質(zhì)構(gòu)儀 TA.XT2i，英國SMS公司;掃描電鏡 SEM Model 27021-H，英國。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品準(zhǔn)備 取樣于齊穗后42 d至齊穗后66 d,每隔6 d采樣一次,共采樣5次,樣品經(jīng)人工脫粒,除雜,過篩,干燥至水分為14.5%,備用。

1.2.2 基于電子鼻的粳米氣味測定 精確稱取樣品5 g,置于20 mL的頂空瓶;參數(shù):獲取時(shí)間420 s,保持時(shí)間120 s,注射溫度70 ℃,沖洗時(shí)間120 s;載氣為干燥空氣,流速150 mL·min-1,每個(gè)樣品8個(gè)平行[19]。

1.2.3 粳米質(zhì)構(gòu)特性的測定 準(zhǔn)確稱取10 g試樣于鋁盒中,淘洗、沖洗各1次,在每個(gè)鋁盒中各加水10 mL。加蓋后放入帶有抽屜的蒸鍋上,蒸煮40 min后,停止加熱燜制10 min。每次測定時(shí),從蒸煮糙米樣品中間層的不同部位隨機(jī)取3粒完整米粒,對(duì)稱放置在載物臺(tái)上測定。每個(gè)樣品重復(fù)6次,結(jié)果采用去掉最大值和最小值,求平均值。物性測試儀的參數(shù)設(shè)置如下:探頭為P/36(大米專用探頭);操作模式為壓力測定:壓縮比為75%;測試模式為strain,觸發(fā)點(diǎn)為10 g,測試循環(huán)數(shù)為1,測前速度:1 mm·s-1,測試速度為0.5 mm·s-1,測試后速度為1 mm·s-1[16]。

1.2.4 粳米微觀結(jié)構(gòu)的測 取20～25粒完整且裂紋少的大米于直徑5 cm的培養(yǎng)皿中,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的戊二醛溶液浸泡2 h固定,用pH7.8的磷酸緩沖液漂洗3次,時(shí)間分別為15、20、30 min,然后超純水清洗3次,時(shí)間同上,接下來用體積分?jǐn)?shù)為30%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的乙醇梯度脫水各10 min,再分別用50%、70%和100%的叔丁醇各浸泡10 min,然后用叔丁醇-乙腈(體積比2∶1)與叔丁醇-乙腈(體積比1∶1)各浸泡10 min后,100%的乙腈浸泡10 min。樣品干燥后沿長軸垂直方向攔腰切割,放置在黑色的導(dǎo)電雙面膠上,固定在載物臺(tái)上,放入離子濺射儀的噴金室(加速電壓15 kV、濺射電流1.5 mA、濺射時(shí)間90 s),前處理完成后,用掃描電子顯微鏡觀察大米微觀結(jié)構(gòu)[20]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

電子鼻數(shù)據(jù)分析:使用儀器自帶的AlphaSoftV 12.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、檢測及分析。應(yīng)用IBM SPSS Statistics 22.0對(duì)稻谷揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行主成分分析。其余數(shù)據(jù)和圖表采用Office 2003軟件處理繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 粳稻收獲期對(duì)氣味變化的影響

為更好觀察和分析電子鼻12根傳感器對(duì)不同收獲期粳稻揮發(fā)性物質(zhì)的變化,根據(jù)12根傳感器的響應(yīng)值大小及差異,繪制不同收獲期粳稻雷達(dá)圖譜,如圖1,12根傳感器對(duì)不同收獲期粳稻響應(yīng)值不同,其中傳感器P10/1、P10/2、P40/1的響應(yīng)值在0.25～0.36之間,T30/1、T70/2、PA/2的響應(yīng)值在0.11～0.21之間,其余6根傳感器的響應(yīng)值均低于0.02。不同收獲期粳稻雷達(dá)圖譜具有相似的形狀和變化趨勢,說明粳稻所產(chǎn)生的揮發(fā)物類型是相同的,但傳感器P10/1、P10/2、P40/1的檢測數(shù)據(jù)存在明顯的差異,說明不同收獲期揮發(fā)性物質(zhì)差異可以被傳感器敏感捕捉。

圖2是不同收獲期粳稻采用PCA法的分析圖。在PCA分析結(jié)果中,前2個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為92.66%,4.93%,累積貢獻(xiàn)率達(dá)97.59%,相同收獲期的樣本重現(xiàn)性很高,5個(gè)收獲期的粳稻氣味差異顯著。

圖2 不同收獲期粳稻的主成分分析Fig.2 Principal compounds analysis of japonica rice of different harvest date注:42、48、54、60和66 d分別表示齊穗后42 d、 齊穗后48 d、齊穗后54 d、齊穗后60 d和齊穗后66 d。

2.2 粳稻收獲期對(duì)質(zhì)構(gòu)特性的影響

蒸煮食用是大米的主要食用方式,而質(zhì)構(gòu)特性是大米蒸煮品質(zhì)優(yōu)劣的直觀反映,質(zhì)構(gòu)特性不同,意味著大米組成成分、含量及結(jié)構(gòu)有所不同,從而影響到大米的食用品質(zhì)[21-22]。不同收獲期粳米蒸煮后質(zhì)構(gòu)特性變化如圖3所示,其中硬度的變化如圖3a,隨著收獲期的增加大米硬度逐漸減小,54 d至66 d趨于平緩。42 d收割的粳米蒸煮后硬度最大,口感最差。大米的黏附性是指咀嚼時(shí),大米與牙齒摩擦接觸,表面間分子力的作用使其產(chǎn)生局部固態(tài)連接,由圖3b可知,隨著收獲期的增加,大米黏附性逐漸先升高,54 d之后變化不大。米飯的彈性是反映米飯滋味的重要指標(biāo),彈性越大越有嚼勁,不同收獲期粳米蒸煮后彈性變化如圖3c所示,齊穗后42 d收割的粳稻彈性最低,60 d收割的粳稻彈性最高。膠黏性反映大米的粘牙程度,大米越粘牙,口感越差,由圖3d可知,隨著收獲期的增加粳米的蒸煮膠黏性呈降低趨勢,54 d之后趨于平穩(wěn),42 d收割的粳稻大米蒸煮后膠黏性最大。不同收獲期粳米的咀嚼性變化如圖3e,隨著收獲期的增加,咀嚼性整體呈下降趨勢,即粳米的咀嚼性隨著收獲期的增加而降低?？傮w而言,齊穗后54 d之后收割的粳米食味品質(zhì)相對(duì)較好。

圖3 不同收獲期粳米質(zhì)構(gòu)特性變化Fig.3 Textural characteristics of japonica rice with different harvest date

2.3 粳稻收獲期對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響

2.3.1 胚乳橫斷面 SEM放大100倍觀察大米橫截面胚乳顯微結(jié)構(gòu)如圖4所示。5個(gè)收獲期的粳稻胚乳橫斷面中,60 d收割的粳稻(圖4c)大米可清晰觀察到胚乳細(xì)胞為長多邊形的柱狀細(xì)胞,排列整齊有序,淀粉粒包裹其中,表面光滑,清晰可見胚乳細(xì)胞以胚乳中心或近中心為同心圓呈放射狀,由中心向外輻射,中心位置胚乳細(xì)胞相對(duì)外層細(xì)胞較小,這與一些研究者[23-25]觀察到的新鮮大米結(jié)果一致。42 d收割的粳稻(圖4a)橫斷面極易產(chǎn)生小裂紋,這可能是因?yàn)榕呷閮?nèi)淀粉發(fā)育不成熟,淀粉間排列疏松導(dǎo)致的。66 d收割的粳稻(圖4e)橫斷面可觀察到胚乳細(xì)胞破裂,淀粉裸露出來,胚乳細(xì)胞破裂主要出現(xiàn)在中心部位,使得胚乳細(xì)胞放射狀分布的輪廓變得模糊。

圖4 胚乳橫截面結(jié)構(gòu)隨收獲期變化(100×)Fig.4 Structural changes of endosperm cross-sectional with different harvest date(100×)

2.3.2 胚乳細(xì)胞表面 SEM放大2000倍觀察大米橫截面胚乳細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)如圖5所示。齊穗后48 d收割的稻谷(圖5b)胚乳細(xì)胞表面最光滑,幾乎看不到淀粉體紋路,淀粉體間隙有可觀察到蛋白體。齊穗后42 d稻谷(圖5a)和齊穗后54 d稻谷(圖5c)胚乳細(xì)胞表面可清晰看到淀粉體紋路,同時(shí)可觀察到少量小孔,這主要是胚乳細(xì)胞在生長過程中,細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)進(jìn)行交換留下的通道[26]。齊穗后60 d收割的稻谷(圖5c)胚乳細(xì)胞表面淀粉體紋路清晰可見且淀粉體之間出現(xiàn)明顯間隙。齊穗后60 d收割的稻谷(圖5c)胚乳細(xì)胞表面出現(xiàn)較多或大或小的小孔,細(xì)胞膜有翹起,胚乳內(nèi)部淀粉部分裸露出來,細(xì)胞表面粗糙。

圖5 粳米胚乳細(xì)胞表面膜的顯微結(jié)構(gòu)形態(tài)(2000×)Fig.5 Microscopic structure of endosperm cell membrane of milled Japonica rice after artificial storage(2000×)注:Po表示小孔;Pro表示蛋白體。

2.3.3 胚乳淀粉顆粒形態(tài) 大米的主要食用部分是胚乳,胚乳的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其中各物質(zhì)成分的累積分布特點(diǎn)是大米食用品質(zhì)形成的基礎(chǔ),通過解剖觀察胚乳結(jié)構(gòu)可了解大米品質(zhì)的直接成因。水稻胚乳的淀粉體中的淀粉是復(fù)粒淀粉,這是因?yàn)榈矸垠w中的淀粉粒是相互獨(dú)立存在,互不黏連的發(fā)育起來的[27]?；ê笈呷榧?xì)胞中開始產(chǎn)生了小的淀粉體,其中的淀粉粒少棱角,呈卵狀或球形,淀粉體間有間隙,隨著生長的進(jìn)行,淀粉體和其中淀粉粒由于相互擠壓而呈多面體形,最終,內(nèi)胚乳細(xì)胞被淀粉體充滿,蛋白體變形,殘留在淀粉體的縫隙中[28]。

本文觀察不同收獲期即齊穗后42 d至66 d大米胚乳淀粉變化如圖6,SEM放大2000倍觀察到的大米淀粉顆粒結(jié)構(gòu)。如圖6a和圖6b所示,淀粉體充滿整個(gè)胚乳,從裸露的淀粉體可以看出淀粉粒呈多面體且棱角分明,在淀粉體的縫隙可觀察到蛋白體,這和Tsutomu Ishimaru等[29]的觀察結(jié)果一致。此外,對(duì)比圖6a和圖6b可知,齊穗后48 d的稻谷的胚乳內(nèi)淀粉排列較42 d更加致密。齊穗后54 d的稻谷的胚乳內(nèi)淀粉體的淀粉粒之間開始出現(xiàn)縫隙如圖6c,齊穗后60 d胚乳內(nèi)可觀察到大量的淀粉顆粒,淀粉顆粒棱角分明,到齊穗后66 d,淀粉體排列變得疏松,淀粉顆粒的棱角也開始變得模糊不清。

圖6 大米淀粉顆粒微觀結(jié)構(gòu)(2000×)Fig.6 The microscopic structure of rice starch granules(2000×)

3 討論

從對(duì)不同收獲期粳米的橫斷面微觀結(jié)構(gòu)的觀察,結(jié)合李棟梁[28]的研究可知,隨著收獲期的增加,胚乳的變化過程為:由疏松變?yōu)橹旅茉僮優(yōu)槭杷?在粳稻沒有完全成熟之前,胚乳結(jié)構(gòu)疏松,隨著胚乳細(xì)胞內(nèi)的淀粉粒不斷膨大,淀粉粒和淀粉體之間相互擠壓最終使整個(gè)胚乳結(jié)構(gòu)變得致密,隨著收獲期的進(jìn)一步加深,復(fù)粒淀粉發(fā)生崩解,單個(gè)小淀粉顆粒增多,裸露淀粉也增多,放射狀輪廓變模糊,經(jīng)田間取樣觀察,齊穗后54 d粳稻已經(jīng)完熟,66 d時(shí)已達(dá)到枯熟,因此,可能是因?yàn)榈竟韧晔旌筇镩g的自然環(huán)境不再是其賴以生長的必要條件,而是促使其內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)的相關(guān)因素,至于發(fā)生了什么反應(yīng),該反應(yīng)對(duì)稻谷綜合品質(zhì)的影響是利是弊,有待進(jìn)一步研究。從粳稻質(zhì)構(gòu)特性的變化情況來看,隨著收獲期的增加,尤其是齊穗后54 d之后,粳米的硬度較低,彈性升高,黏附性較高,膠黏性低,這些變化有利于粳米的食味品質(zhì),結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)的變化我們得出分散的淀粉顆粒增大了與水結(jié)合的表面積,大米在蒸煮過程中水分子可以更容易滲入,增大淀粉顆粒的溶脹程度,使更多的淀粉顆粒在加熱中破裂,淀粉分子釋放出來,增加米飯口感柔軟度,提高食味品質(zhì)。

4 結(jié)論

本文通過田間定期取樣,應(yīng)用電子鼻等測定不同收獲期粳稻相關(guān)品質(zhì)指標(biāo)變化,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,研究表明不同收獲期對(duì)粳稻的氣味、質(zhì)構(gòu)特性和微觀結(jié)構(gòu)有顯著影響。電子鼻傳感器可以敏感捕捉粳稻氣味信息,通過對(duì)氣味信息的PCA分析,不同收獲期粳稻的氣味呈現(xiàn)出顯著差異;質(zhì)構(gòu)特性的變化情況為隨著收獲期的增加,尤其是齊穗后54 d之后,粳米的硬度較低,彈性升高,黏附性較高,膠黏性低,蒸煮品質(zhì)呈變好趨勢;隨著收獲期的增加粳稻橫斷面的放射形狀由不清晰到清晰再到模糊甚至消失,胚乳細(xì)胞表面由光滑少孔,淀粉體紋路不清晰到粗糙多孔,淀粉體紋路清晰,淀粉則由復(fù)粒淀粉居多排列疏松到復(fù)粒淀粉居多排列緊密再到淀粉顆粒居多結(jié)構(gòu)疏松;通過對(duì)比微觀結(jié)構(gòu)和質(zhì)構(gòu)特性變化情況我們得出齊穗54 d后的粳稻中分散的淀粉顆粒增大了與水結(jié)合的表面積,大米在蒸煮過程中水分子可以更容易滲入,增大淀粉顆粒的溶脹程度,使更多的淀粉顆粒在加熱中破裂,淀粉分子釋放出來,增加米飯口感柔軟度,提高食味品質(zhì)。