王立峰 - 張 磊 姚軼俊 -王紅玲 - 徐斐然 - 王海鷗 -

(1. 南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2. 江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023；3. 南京曉莊學(xué)院食品科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211171)

碾磨是作為大米加工過(guò)程中不可缺少的關(guān)鍵步驟，會(huì)對(duì)大米的特征組分(蛋白質(zhì)和淀粉)的含量產(chǎn)生影響，由此改變大米的糊化、流變、凝膠質(zhì)構(gòu)等的特性。碾磨的程度被稱(chēng)為DOM(Degree of milling)[1]，它不僅決定了大米的精度水平，而且由于各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(蛋白質(zhì)、脂類(lèi)、維生素和礦物質(zhì))都集中在大米的外層，DOM值也影響了大米的理化和營(yíng)養(yǎng)特性。先前的研究[1-3]表明，隨著大米的碾磨程度增加，DOM值增加，大米米粉中蛋白質(zhì)和脂肪含量下降，直鏈淀粉相對(duì)含量增加，米粉的糊化峰值黏度值增加，糊化溫度下降。有研究[4]表明，碾磨程度也會(huì)影響米飯的蒸煮品質(zhì)，低DOM值的米飯由于膨脹吸水率更低，凝聚力和黏附力低，需要的蒸煮時(shí)間更長(zhǎng)，隨著碾磨程度的提高，米飯外觀、口感、綜合評(píng)分總體呈升高趨勢(shì)。

目前的研究主要圍繞碾磨程度對(duì)大米理化、糊化和米飯蒸煮品質(zhì)方面的影響，Sandhu等[1]對(duì)比了碾磨程度對(duì)短鏈和長(zhǎng)鏈大米的理化、結(jié)構(gòu)、糊化和蒸煮性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)DOM值增加時(shí)，大米的灰分、蛋白質(zhì)、脂肪和礦物質(zhì)含量降低，碘藍(lán)值和礦物質(zhì)含量增加，米飯蒸煮時(shí)間降低，DOM增加會(huì)使得長(zhǎng)鏈和短鏈的大米的糊化的黏度增加。Billiris等[5]的研究結(jié)果表明，未碾磨過(guò)的米比碾磨過(guò)的米需要更多的蒸煮時(shí)間和能量。對(duì)碾磨程度引起的特征組分的改變而導(dǎo)致的大米粉糊化后的流變和凝膠微觀結(jié)構(gòu)的變化，以及不同組分對(duì)大米粉品質(zhì)的相關(guān)研究相對(duì)較少，Chen等[6]采用不同的碾磨方式研究了碾磨對(duì)大米的影響，表明碾磨過(guò)程中淀粉顆粒被破壞使得碾磨后的大米粉有更強(qiáng)的溶解性。Sandhu等[1]通過(guò)測(cè)定不同DOM值的大米的X-射線結(jié)果表明，碾磨去除了外層蛋白質(zhì)和淀粉，使得無(wú)定型區(qū)域吸收減少。但是對(duì)于碾磨程度引起特征組分改變的米粉的其他結(jié)構(gòu)指標(biāo)及碾磨后糊化的米粉糊的流變性、凝膠質(zhì)構(gòu)性質(zhì)和電鏡結(jié)構(gòu)方面研究較少。本研究擬著重研究碾磨程度對(duì)特征組分改變而引起的對(duì)大米粉的糊化和凝膠結(jié)構(gòu)方面的影響，測(cè)定不同碾磨程度下米粉的糊化、流變性和微觀結(jié)構(gòu)等特征，探究碾磨程度改變下，特征組分含量改變對(duì)大米米粉品質(zhì)產(chǎn)生影響的原因，旨在為大米適度加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

特優(yōu)582稻米：浙江水稻研究所；

氫氧化鈉：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

濃硫酸：分析純，南京化學(xué)試劑有限公司；

直鏈淀粉支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)品：北京索萊寶科技有限公司；

實(shí)驗(yàn)礱谷機(jī)：BLH-3250型，浙江伯利恒儀器設(shè)備有限公司；

碾米機(jī)：JNMJ6型，浙江臺(tái)州市糧儀廠；

凱式定氮儀：K-360型，威海市海拓儀器生產(chǎn)有限公司；

RVA快速黏度儀：4500波通型，波通瑞華科學(xué)儀器(北京)有限公司；

質(zhì)構(gòu)儀：TAXI plus型，蘇州天昊儀器設(shè)備有限公司；

臺(tái)式掃描電鏡：TM-300型，日本株式會(huì)社日立制作所；

旋轉(zhuǎn)流變儀：MCR302型，奧地利安東帕公司；

X射線衍射儀：D8-Advance型，德國(guó)Bruker公司。

1.2 試驗(yàn)方法

特優(yōu)582號(hào)稻谷經(jīng)過(guò)挑選后用礱谷機(jī)脫殼得到糙米，稱(chēng)取相同質(zhì)量的糙米用碾米機(jī)分別碾磨0，15，30，45，60 s后稱(chēng)重，按式(1)[7]計(jì)算DOM值，為了減少可能因碾磨不均而導(dǎo)致的誤差，將不同DOM值的大米打粉過(guò)100目篩備用。

(1)

式中：

c——DOM，%；

m1——碾磨后輕碾米的質(zhì)量，g；

m2——未碾磨的糙米的質(zhì)量，g。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 蛋白質(zhì)含量測(cè)定 按GB 5009.5—2010《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》中凱式定氮法執(zhí)行。

1.3.2 淀粉含量測(cè)定 按GB/T 5009.9—2008《食品中淀粉的測(cè)定》中酶水解法執(zhí)行。

1.3.3 直鏈淀粉含量測(cè)定 按GB/T 15683—2008《大米直鏈淀粉含量的測(cè)定》執(zhí)行。

1.3.4 吸水指數(shù)的測(cè)定 參照Derycke等[8]的方法稍作修改如下，稱(chēng)取1 g左右由1.2制得的米粉于已知重量離心管中，加入25 mL蒸餾水并分散均勻，置于沸水浴中30 min，并且每隔10 min振蕩30 s，冷卻至室溫后8 000 r/min 離心15 min，上清液置于干燥恒重?zé)?105±5) ℃烘干至恒重，稱(chēng)離心管重。米粉的吸水性指數(shù)、水溶性指數(shù)和溶脹指數(shù)分別按式(2)～(4)計(jì)算：

(2)

(3)

(4)

式中，

C1——吸水性指數(shù)；

C2——水溶性指數(shù)；

C3——溶脹指數(shù)；

W0——米粉質(zhì)量，g；

W1——離心管質(zhì)量，g；

W2——干燥燒杯質(zhì)量，g；

W3——烘干后燒杯質(zhì)量，g；

W4——離心后離心管質(zhì)量，g。

1.3.5 米粉的XRD檢測(cè) 將1.2.1制得的米粉用XRD進(jìn)行檢測(cè)，管電壓40 kV，管流30 mV，掃描范圍3°～50°，速率2°/min，步長(zhǎng)0.02°。

1.3.6 糊化性質(zhì)的測(cè)定 將不同碾磨程度的米粉加入25 mL 蒸餾水快速攪拌后用快速黏度分析儀檢測(cè)，采用系統(tǒng)檢測(cè)程序標(biāo)準(zhǔn)1，即5 ℃/min 的升溫速率升至95 ℃，并在95 ℃保持5 min；隨后樣品以5 ℃/min的速度降溫至50 ℃并保溫4 min，得到不同碾磨程度米粉的糊化參數(shù)曲線。

1.3.7 米粉糊流變性質(zhì)的測(cè)定 經(jīng)過(guò)RVA得到的米粉糊用動(dòng)態(tài)流變儀測(cè)定其黏彈性能，將1.2制備的米粉糊轉(zhuǎn)移到流變板上，使用PP50轉(zhuǎn)子(直徑50 mm)，將上平行板向下移動(dòng)至1 mm間隙，然后去除多余的懸浮液。所有試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。

(1) 靜態(tài)流變掃描：將米粉糊樣品放在掃描范圍0.1～300.0 s-1，測(cè)定剪切應(yīng)力隨著剪切速率的變化趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)果使用Power-law冪律方程擬合：

τ=K×εn，

(5)

式中：

τ——剪切應(yīng)力，Pa；

K——稠度系數(shù)，Pa·sn；

ε——剪切速率，s-1；

n——流體指數(shù)[9]。

(2) 動(dòng)態(tài)頻率掃描：將米糊按之前的方法放好，掃描應(yīng)變2%，頻率范圍0.2～20.0 Hz，得到儲(chǔ)存模量(G′)和損耗模量(G″)，并計(jì)算tanδ(G″/G′)，以表示凝膠彈性和黏性的變化。

1.3.8 米粉糊凝膠質(zhì)構(gòu)的測(cè)定 從1.3.6制備的樣品轉(zhuǎn)移到有蓋子的小瓶子中冷卻至室溫，密封好以防止水分流失，并在4 ℃下儲(chǔ)存12 h。TPA測(cè)試采用直徑為10 mm 的P/6圓柱探頭，測(cè)試速度為0.5 mm/s，測(cè)試距離10.0 mm，測(cè)量凝膠的硬度、彈性、咀嚼性等特性。在試驗(yàn)過(guò)程中除去明顯斷裂的凝膠，并測(cè)試相同批次的凝膠以避免凝膠變化的影響。

1.3.9 米粉糊凝膠微觀結(jié)構(gòu)觀察 利用1.3.6處理得到的米粉糊放入模具冷卻成型，用3%戊二醛固定凝膠結(jié)構(gòu)，用0.1 mol/L的磷酸緩沖液沖洗后，分別用30%，50%，70%，90%，100%的乙醇梯度洗脫除去戊二醛，經(jīng)冷凍干燥后，離子濺射噴金，置于掃描電子顯微鏡下觀察其表面微觀結(jié)構(gòu)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)3次平行，結(jié)果用(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)表示。采用SPSS 16.0對(duì)鄧肯檢驗(yàn)進(jìn)行方差分析(ANOVA)，P<0.05的概率值認(rèn)為有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同碾磨程度大米的組成

脫除稻殼的糙米經(jīng)碾米機(jī)分別碾磨0，15，30，45，60 s后，DOM值分別為0.00%，10.89%，17.39%，22.21%，24.10%，分別定義為D1、D2、D3、D4和D5。不同DOM值大米的理化指標(biāo)如表1所示。D1～D5碾磨程度逐步加深，蛋白質(zhì)含量從(11.24±0.06)%降到(7.89±0.27)%，D2與D3之間的差異最顯著，淀粉含量從(70.24±1.53)%增加到(65.74±0.17)%，未呈現(xiàn)顯著規(guī)律。直鏈淀粉含量從(18.51±0.27)%增加到(25.93±2.42)%。賀財(cái)俊[10]和周曉晴[7]表明，碾磨過(guò)程逐漸加深，使得大米蛋白質(zhì)含量降低，直鏈淀粉含量隨碾磨時(shí)間增加而增加，可能是碾磨除去了米糠層的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，表層的蛋白質(zhì)和脂肪被不均勻去除，促使淀粉和直鏈淀粉不同程度溶出。

表1 不同碾磨程度大米粉特征組分的含量?

? 字母不同代表具有顯著性差異(P<0.05)。

2.2 吸水性質(zhì)的變化

不同碾磨程度的大米粉的吸水性性質(zhì)如表2所示，各項(xiàng)吸水指數(shù)均隨著碾磨程度的增加而增加，吸水性指數(shù)從(11.21±0.78)%增加到(12.28±0.29)%，水溶性指數(shù)從(0.15±0.01)%增加到(0.20±0.01)%，溶脹指數(shù)從(13.24±0.93)%增加到(15.35±0.51)%。吸水性指數(shù)增加說(shuō)明淀粉顆粒間隙增大，水分子很容易進(jìn)入，淀粉與水分子作用加強(qiáng)，更多氫鍵形成了更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致了水分子的不可逆吸收。從D1增加到D5，大米粉的吸水性、水溶性指數(shù)增加，直鏈淀粉含量增加，二者變化趨勢(shì)相同，與Cai等[11]水溶性與直鏈淀粉含量正相關(guān)的結(jié)論一致。加熱過(guò)程中，淀粉顆粒水化，一些可溶性淀粉會(huì)浸出到液體中[12]。蛋白質(zhì)的存在會(huì)導(dǎo)致吸水性的降低，可能是蛋白質(zhì)包裹著淀粉顆粒，限制了淀粉顆粒的膨脹和浸出能力[13]。

表2 不同碾磨程度米粉的吸水性?

? 字母不同代表具有顯著性差異(P<0.05)。

2.3 不同碾磨程度米粉的XRD特征

由圖1可知，所有樣品的X射線衍射圖譜相似，均顯示出典型的A型衍射，在2θ為15°和23°左右出峰，未解析的雙峰在2θ為17°和18°左右，與玉米、小麥和大米淀粉[14]的X射線衍射圖譜一致。隨著碾磨程度的提高，峰值強(qiáng)度增大，可能是碾磨程度高的米粉中蛋白質(zhì)和其他非淀粉成分含量較低所致。Sandhu等[1]的研究結(jié)果表明，非淀粉物質(zhì)如蛋白質(zhì)會(huì)使無(wú)定型區(qū)域吸收峰增強(qiáng)，結(jié)晶區(qū)域的吸收峰強(qiáng)度隨著碾磨程度的增加而加強(qiáng)，其結(jié)論與本試驗(yàn)結(jié)果一致。此外，蛋白質(zhì)的去除可促進(jìn)水分子滲透和淀粉的相互作用，從而提高了峰的衍射強(qiáng)度。

2.4 不同碾磨程度米粉糊化性質(zhì)

不同碾磨程度米粉的糊化曲線如圖2所示，糊化參數(shù)如表3所示。隨著碾磨程度加深，米粉糊化的峰值、谷值、最終黏度都顯著上升，糊化溫度顯著下降，峰值黏度從(2 025.0±169.2) cp增加到(4 847.0±140.5) cp，谷值黏度從(1 169.0±100.8) cp增加到(3 246.0±90.2) cp，最終黏度從(2 438.0±156.8) cp增加到(5 897.0±121.7) cp，糊化溫度從(71.82±0.67) ℃下降到(70.10±0.04) ℃，其中D2和D3之間的數(shù)值差異最顯著。

圖1 不同碾磨程度米粉XRD

峰值黏度是米粉在高溫下快速剪切所能達(dá)到的最高黏度，反映了淀粉顆粒在糊化過(guò)程中溶脹和結(jié)合水的能力[15]，碾磨程度高的米粉峰值黏度也較高說(shuō)明其吸水溶脹性能較好，且糊化穩(wěn)定性高。崩解值是峰值黏度和谷值黏度的差值，通常與淀粉顆粒在高溫剪切下的膨脹破裂趨勢(shì)有關(guān)[16]。崩解值增加，說(shuō)明由于碾磨程度增加，蛋白質(zhì)或其他物質(zhì)對(duì)水分子進(jìn)入淀粉顆粒的限制減少，同時(shí)淀粉顆粒吸水破裂的阻礙降低?；貜?fù)值從(1 269.0±56.6) cp增加到(2 650.0±49.6) cp，回復(fù)值反映了短期內(nèi)淀粉分子的重排回生，回復(fù)值越大，表明形成的淀粉凝膠強(qiáng)度越大。碾磨過(guò)程中由于蛋白質(zhì)等其他物質(zhì)的含量減小，導(dǎo)致體系的回生能力增強(qiáng)。

李艷等[2]對(duì)比了堿處理得到的不同蛋白質(zhì)殘留量的大米淀粉的糊化特性，蛋白質(zhì)含量低的淀粉糊化黏度高，與本試驗(yàn)結(jié)論一致。糊化峰值黏度、谷值黏度、崩解值、峰值時(shí)間、回復(fù)值均增加，糊化溫度降低，說(shuō)明碾磨使得大米粉更易糊化。低碾磨程度的米粉的低黏度值可能是蛋白質(zhì)和淀粉之間對(duì)水分子的競(jìng)爭(zhēng)較高或者蛋白質(zhì)分子包裹淀粉顆粒阻止水分子進(jìn)入淀粉顆粒[17-18]。

2.5 不同碾磨程度米粉糊的流變特性

2.5.1 靜態(tài)流變特性 如圖3所示，所有樣品的剪切應(yīng)力都隨著剪切速率的增加而增加，同樣剪切速率下，碾磨程度高的米粉體系有著更高的剪切應(yīng)力，尤其是D2和D3之間的差值是最顯著的，與之前RVA結(jié)果一致，高剪切力的樣品結(jié)構(gòu)往往具有更高的穩(wěn)定性[12]，所以D5的剪切應(yīng)力最高，說(shuō)明碾磨程度更高的體系結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。曲線按照Power-low冪律方程擬合的結(jié)果如表4所示，R2>0.9，說(shuō)明冪函數(shù)能較好地描述流體曲線，n<1，說(shuō)明不同碾磨程度的米粉糊均為非牛頓假塑性流體，K值能反映流體的黏度特征，K值越高，流體的增稠性、假塑性越大[19]，黏度越大[20]。K值隨著碾磨程度的提高而增加，從(161.46±3.58) Pa·sn增加到(296.618±8.229) Pa·sn，與RVA的結(jié)果趨勢(shì)是一致的。

圖2 不同碾磨程度的米粉RVA黏度變化曲線

表3 不同碾磨程度米粉的糊化曲線參數(shù)?

? 字母不同代表具有顯著性差異(P<0.05)。

圖3 不同碾磨程度米粉糊靜態(tài)流變圖

Table4Fittingresultsofpowerlawequationforstaticrheologicalcurveofriceflourpastewithdifferentmillingdegrees

碾磨程度K/(Pa·sn)nR2D1161.460±3.580a0.197±0.060a0.997D2215.364±8.044b0.182±0.010b0.995D3276.167±12.526c0.167±0.183c0.987D4284.475±11.510c0.151±0.010c0.990D5296.618±8.229c0.149±0.008c0.982

? 字母不同代表具有顯著性差異(P<0.05)。

2.5.2 動(dòng)態(tài)流變特性 如圖4所示，不同碾磨程度的米粉糊在25 ℃下儲(chǔ)存模量(G′)、損耗模量(G″)和tanδ(G″/G′)的值均隨著掃描頻率的增加而增加，碾磨程度D2與D3之間G′和G″的差值最大，與之前的數(shù)據(jù)2.4趨勢(shì)一致。動(dòng)態(tài)流變的結(jié)果表明，碾磨程度增加，G′和G″的值均增加，說(shuō)明樣品的黏度和彈性均增加。tanδ的變化趨勢(shì)與G′和G″的變化趨勢(shì)相同，均隨蛋白質(zhì)含量的降低而增大。Tanδ<1，說(shuō)明G″的值遠(yuǎn)低于G′，凝膠黏度的變化遠(yuǎn)小于彈性的變化。因此，碾磨程度提高，蛋白質(zhì)濃度降低，淀粉分子間的相互作用增強(qiáng)，凝膠的黏度、彈性及強(qiáng)度增加。

2.6 不同碾磨程度米粉的凝膠質(zhì)構(gòu)特性

由圖5可知，隨著碾磨程度的增加，凝膠的各項(xiàng)質(zhì)構(gòu)參數(shù)尤其是硬度在顯著增加，咀嚼性、黏聚性和回復(fù)性在TPA凝膠測(cè)試中的變化較小，直鏈淀粉老化是硬度增加的主要原因。碾磨程度較低的樣品，會(huì)含有除淀粉之外的很多物質(zhì)如蛋白質(zhì)，阻礙淀粉分子之間通過(guò)氫鍵重排，隨著碾磨程度的增加，米粉凝膠的硬度增強(qiáng)，說(shuō)明通過(guò)碾磨去除了外層的蛋白質(zhì)等物質(zhì)后，米粉淀粉分子間的作用增強(qiáng)。質(zhì)構(gòu)結(jié)果表明碾磨過(guò)程降低了蛋白質(zhì)濃度，削弱了蛋白質(zhì)與淀粉尤其是與直鏈淀粉的相互作用，但是增強(qiáng)了淀粉分子內(nèi)部氫鍵和凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成，所以碾磨程度高的米粉蛋白含量低而淀粉含量高，但是凝膠強(qiáng)度更大。

圖4 不同碾磨程度米粉糊動(dòng)態(tài)流變特性

2.7 不同碾磨程度米粉凝膠微觀結(jié)構(gòu)

米粉糊化，凝膠固定，凍干，取完整部分觀察微觀結(jié)構(gòu)，不同凝膠在500倍和1 200倍下的結(jié)構(gòu)如圖6所示。隨著研磨程度的增加，蛋白質(zhì)比例降低，由于吸水膨化不完全的顆粒減少，凝膠層變薄，結(jié)構(gòu)密度增強(qiáng)，凝膠結(jié)構(gòu)更加均勻、光滑。相似地，Joshi等[21]的研究表明在扁豆淀粉中添加扁豆蛋白，當(dāng)?shù)矸郾壤哂诘鞍讜r(shí)，蛋白比例越低凝膠電鏡結(jié)構(gòu)更加精細(xì)，說(shuō)明淀粉凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成過(guò)程中，蛋白質(zhì)會(huì)有部分阻礙作用。碾磨加工過(guò)程使得米粉的結(jié)構(gòu)更加精細(xì)，削弱了蛋白質(zhì)對(duì)淀粉凝膠結(jié)構(gòu)的影響，米粉中淀粉分子間相互作用較強(qiáng)，凝膠結(jié)構(gòu)更均勻光滑。

圖5 不同碾磨程度米粉的凝膠質(zhì)構(gòu)特性

圖6 不同碾磨程度米粉凝膠微觀結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

隨著碾磨程度的增加，大米中蛋白質(zhì)含量降低，直鏈淀粉相對(duì)含量增加，大米粉的糊化黏度增加，糊化溫度降低，糊化的米粉糊流動(dòng)性降低，流體假塑性提高，老化后凝膠硬度更大，凝膠微觀結(jié)構(gòu)質(zhì)地也更為均勻穩(wěn)定，淀粉特征峰的吸收強(qiáng)度也相應(yīng)增加。結(jié)果表明，碾磨加工對(duì)大米粉的糊化和短期老化有促進(jìn)作用，碾磨程度高的大米粉在糊化期間穩(wěn)定性更高，碾磨主要除去的是外層蛋白質(zhì)，可以推測(cè)蛋白質(zhì)對(duì)淀粉的糊化有阻礙作用，短期老化期間淀粉分子之間通過(guò)氫鍵的相互作用增強(qiáng)，蛋白質(zhì)對(duì)淀粉分子間氫鍵的形成有阻礙作用。從大米特征組分變化角度說(shuō)明了碾磨程度對(duì)大米粉品質(zhì)特性的影響，不同碾磨程度的大米粉的不同特性可為大米生產(chǎn)加工及提高大米整體碾米利用率提供有效的理論依據(jù)，碾磨時(shí)間間隔均為15 s，而D2和D3之間的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)差異最為顯著，即碾磨30 s的大米與未加工的大米有顯著差異。