王 靜 毛慧佳 李洪巖

（北京工商大學食品與健康學院 中加食品營養(yǎng)與健康聯(lián)合實驗室 北京 100048）

水稻是世界上種植最廣泛的糧食作物之一，主要分布在南亞、東亞和東南亞地區(qū)。在我國，三分之二的人們以大米為主食，其在國民經(jīng)濟中占有極其重要的地位[1]。隨著生活質量的不斷提高，消費者對大米外觀、香氣、味道、硬度、黏度等食味品質的要求逐漸提高。其中，米飯的質構（硬度、黏度）被認為是大米食味品質中最重要的品質，代表了米飯的適口性，成為消費者購買的決定性因素[2-3]。

米飯的質構特性受多種因素影響，如直鏈淀粉含量[4]、（收獲）后加工方式[5]、碾米程度[6]和烹煮方法[7]等。了解這些影響因素對大米質構特性的作用機理，將有助于大米種植、加工以及更好地控制和改善大米的食味品質。此外，相比糙米，精白米仍然是當下大米最廣為食用的形式。由于淀粉是精白大米的主要成分，因此，本文結合課題組前期研究成果，綜述大米淀粉結構對米飯質構品質的影響機制。

1 大米質構特性的影響因素

首先，從大米結構上講，米粒由外殼和穎果組成（如圖1）。經(jīng)碾磨除去外殼得到糙米，糙米各組分的質量分布為：果皮占1%～2%，糊粉層、種皮和珠心占4%～6%，胚占2%～3%，胚乳占89%～94%。糙米經(jīng)碾米、拋光，去除皮層和胚，得到胚乳，即人們平時食用的精白大米。碾米工序會造成脂質、蛋白質、纖維素、還原糖、總糖、灰分和微量成分（維生素、游離氨基酸和游離脂肪酸）大量損失，降低淀粉的糖化力、蛋白質的水解力和脂肪分解力[8]。其次，從組分上看，淀粉是主要成分，占干重的90%～95%；蛋白質是第二大組分，約占干重7%～8%[9]。下面從后加工方式、烹煮方法、淀粉、蛋白質4個主要因素闡述其影響大米質構特性的作用機理。

1.1 后加工方式

精白大米由糙米經(jīng)碾磨去除外殼和米糠層制得，其食用品質受（收獲）后加工方式的影響較大，比如：干燥方式、含水量和碾米程度等處理方式。不同國家和地區(qū)的干燥方式不同，美國采用機械烘干使糙米干燥至含水量12%，日本多用自然晾干和機械烘干使含水量降至14%～15%。Champagne等[5]發(fā)現(xiàn)干燥方式對大米黏度品質具有顯著影響，這與Lyon等[10]的結論一致。稻谷收獲時的含水量通過影響酶系代謝過程進而對大米的質構特性產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)當?shù)竟群吭?7%～29%時，淀粉和蛋白質的合成基本完成，而收獲的稻谷中仍含有大量未成熟的谷粒，組分的細微變化會影響大米的理化特性，進而改變大米的質構品質[11]。碾米程度是指在碾米過程中米糠層的去除率。碾米過程可降低大米脂質、蛋白質、還原糖的含量，同時提高大米淀粉的相對含量。Juliano等[12]指出碾米可去除超過98%的表層脂質和50%的蛋白質，使大米食用品質顯著提高。然而，碾米程度并非越高越好，過度碾磨會降低谷物長時間儲存后的食味品質。

圖1 大米的結構Fig.1 The detailed structure of rice grains

1.2 烹煮方法

大米常用的烹煮方法有傳統(tǒng)蒸汽蒸煮、微波加熱、電飯鍋蒸煮、壓力蒸煮等。不同烹煮方式，其熱量的產(chǎn)生機理、升溫速率和蒸煮時間等對米飯的質構特性產(chǎn)生較大影響。傳統(tǒng)方法中能量由外向內(nèi)傳遞，而微波加熱則使能量從中心傳遞到邊緣[13]。多數(shù)人認為微波烹煮的米飯較難被接受，而Khatoon等[14]發(fā)現(xiàn)兩種方法煮熟米飯的感官評分相近。本課題組最新研究結果顯示：微波烹煮米飯相比蒸汽蒸煮和電壓力鍋蒸煮的米飯，硬而不黏[15-16]。高靜水壓是新興的非熱加工方法，其施加的壓力可使水分均勻分布在大米顆粒內(nèi)部，對米飯口感品質具有顯著提升作用。Boluda-Aguilar等[17]研究表明使用高靜壓法處理大米，可顯著縮短煮飯時間，且在300MPa和400MPa條件下處理大米的外形、黏度、團聚性等質構特性更佳。

然而，加水量是所有烹煮方法中影響米飯質構特性的最主要因素。烹煮時的加水量（即米水比）隨大米品質而異，粳米的米水比一般是1∶1.3，秈米的為1∶1.6，高直鏈大米一般為1∶1.8[18]。烹煮時，如果加水過少，淀粉無法充分吸收水分導致糊化不均勻，硬度就變大；加水過多，導致米粒腹背水分差異大而產(chǎn)生龜裂，使淀粉流失，彈性減弱。Srisawas等[19]研究了米水比對米飯的硬度、黏度和香味的影響，隨水分比例的增加，硬度降低，黏度增加，而對香味沒有顯著影響，當水過量時則不存在此相關性[20]。

1.3 淀粉

淀粉是大米的主要成分，約占干物質的90%，包含直鏈淀粉（amylose，Am）和支鏈淀粉（amylopectin，Ap）。支鏈淀粉是由 α-（1→4）糖苷鍵連接的D-葡萄糖單元鏈和α-（1→6）鍵構成的分支點組成的高度分支化的聚合物，具有大量的短支鏈且分子質量較大，直鏈淀粉分支少且分子質量較小。大米直鏈淀粉含量因品種而異，然而，不同品種間大米淀粉含量差別較小[21]，淀粉結構成為制約米飯質構特性的關鍵因素。

Rao等[22]首次研究表明，表觀直鏈淀粉含量（Apparent amylose content，AAC）與大米的質構品質具有顯著相關性[23]，即：與硬度正相關，與黏度呈反比[24]。隨后，Bhattacharya等[25]發(fā)現(xiàn)AAC相同的不同品種大米淀粉在熱水（96℃）中的溶解度不同，由此“熱水不溶性直鏈淀粉含量（即：直鏈淀粉總量除去可溶性直鏈淀粉）”的概念被提出，而且顯示與大米質構特性更加顯著的相關性，成為決定大米品質的關鍵參數(shù)。然而，脫分支的大米淀粉支鏈經(jīng)凝膠色譜分離后可分為長B鏈、中長B鏈以及A鏈和短B鏈組，而高直鏈大米比其它大米具有更多的長B鏈[26]。Reddy等[27]研究發(fā)現(xiàn)長B鏈及其外鏈的比例與不溶性直鏈淀粉含量顯著正相關，進而認為支鏈淀粉中長鏈B的含量是決定大米質構品質更重要的因素。Radhika等[28]和Ong等[29]發(fā)現(xiàn)長B鏈可能與其它支鏈相互纏繞，形成更為致密的結晶區(qū)，從而限制蒸煮時水分遷移和熱膨脹，產(chǎn)生較硬的質構。最近，本課題組研究結果顯示，直鏈淀粉的中長鏈含量和分子尺寸可協(xié)同決定大米的硬度品質[21]。

1.4 蛋白質

蛋白約占精白米含量的7%～8%，是大米中的第二大組分[30]。其中，堿溶性谷蛋白含量占精米總蛋白的79%～83%，且主要以“I型球狀聚合體”的形式存在于胚乳中[31]。關于蛋白對米飯黏度的影響一直存在爭議。早期研究認為蛋白并未對米飯黏度品質產(chǎn)生影響[32]；隨后，Martin等[33]發(fā)現(xiàn)酶法脫除蛋白可顯著降低大米粉的黏度，并認為蛋白通過影響大米吸水量進而改變米飯的質構特性；另一部分學者則持相反觀點，比如，通過對比不同品種的大米發(fā)現(xiàn)蛋白含量高的大米的黏度較低[34]；最新研究顯示，如Nawaz等[35]通過去除大米顆粒表面蛋白顯著提高了米飯的黏度，并認為這可能與熱溶出直鏈淀粉有關。本課題組的研究結果支持Nawaz的結論，發(fā)現(xiàn)大米顆粒表面蛋白的去除會促進淀粉的熱溶出，從而提高米飯的黏度[36-37]。

2 大米質構特性的評價方法

目前，大米質構特性的評價方法主要有主觀評價和客觀評價兩種方法。主觀評價通過人的感官評價來直接反映消費者對大米的接受程度；而客觀評價則利用儀器分析等手段對食品的理化指標、質構特性進行測定，與感官評價相比，具有更高的可靠性和科學性。

2.1 理化法

理化法是通過構建大米的組分成分與含量及其與大米質構特性的關聯(lián)性，實現(xiàn)用理化指標來預測或評估大米質構品質的方法，常見的理化指標有碘藍值、布拉班德黏度計、膠稠度等。碘藍值法最早用于預測大米的口感品質，該方法主要基于通過碘藍值強度預測大米的直鏈淀粉含量，而直鏈淀粉含量常與大米硬度品質呈正相關[38]。布拉班德黏度曲線常用于記錄淀粉糊化過程的黏度變化，高直鏈大米的黏度曲線具有較低的峰值黏度和較高的消減值，而糯米的黏度曲線則顯示較高的峰值黏度、崩解值和較低的消減值[39]。膠稠度是將大米粉經(jīng)稀堿熱糊化成膠，冷卻后在水平放置的試管中做一定程度的延伸，測量出延伸后的米膠長度。該長度與大米直鏈淀粉含量呈反比，可用來預測大米的質構品質。從以上方法可知，理化法大都基于理化指標與直鏈淀粉含量之間的相關性對大米質構特性進行評估，因為人們一直將直鏈淀粉含量作為口感評估的標志，即：直鏈含量高的大米，硬度大而不黏；直鏈淀粉含量低的糯米則軟糯、黏度大。其局限性是：對于直鏈淀粉含量相似，而質構品質差異顯著的大米，該方法很難進行區(qū)分。

2.2 物性分析法

隨著機械科技的發(fā)展，F(xiàn)riedman等[40]首次建立了食品機械性能與其質構之間的直接聯(lián)系，發(fā)明了物性分析儀。其作用原理如圖2所示，通過探頭兩次擠壓被測食品，獲得的壓力-位移曲線，通過曲線可計算被測食品的硬度、黏度、內(nèi)聚力、粘合性、彈性和耐嚼性等質構參數(shù)。該方法又稱為質構分析法（TPA），也是目前最常用的質構分析方法。然而，該方法有其局限性，比如只能模擬食物進入口腔后的第1次咬合的過程；眾多質構參數(shù)中，只有硬度和黏度的真實性較好；而且，該方法的重復性較差，通常需要多次試驗才能得到統(tǒng)計學上有意義的數(shù)據(jù)。此外，由于大米淀粉在室溫條件下快速回生，因此對新鮮米飯的結果重復性也很差[41]。

圖2 質構分析法[42] Fig.2 Texture profile analysis[42]

2.3 描述性感官分析法

描述性感官分析是精確分析大米多維度質構特性的有效方法。Szczesniak等[42]將質構定義為“從力學、幾何結構、脂肪和水分等方面感知食品的性質，以及各方面的感知程度，甚至包括從初次咬合到完全咀嚼的順序”，并提出質構三維輪廓法。隨后，Stokes等[43]將此過程分為6個階段：初次咬合、咀嚼、造粒、成團、吞咽和咽后后感，如圖3所示。隨著食品種類的增加，研究人員開發(fā)出定量描述感官分析方法，如表1所示，其中列出大米感官評價不同階段所感知的不同質構屬性，以及評估方法和術語。當然，感官評價更接近人類的實際感受，就會存在操作復雜，耗時長，易受主觀影響和結果重復性差等缺點。

圖3 固體食品在口腔中的6個關鍵階段[43] Fig.3 Depiction of 6 key stages proposed to occur during oral processing of solid food[43]

表1 大米感官評價術語Table1 Vocabulary for sensory texture attributes of cooked rice

3 淀粉的結構及測定方法

淀粉結構可以分為多層次、不同水平，如圖4所示。1級結構指淀粉分子中的分支鏈，由脫水葡萄糖單元通過α-1，4糖苷鍵連接在一起的單個線性鏈[44]，通常用鏈長分布表示。2級結構指完全分支化的單個淀粉分子，包括相對分子質量約為106的直鏈淀粉分子，以及高度支化的相對分子質量約為102的支鏈淀粉分子。3級結構指淀粉分子的構象，主要包括：淀粉鏈聚集、淀粉鏈纏繞形成螺旋結構、螺旋聚集形成微晶以及微晶排列形成無定形區(qū)和結晶區(qū)。除此之外，天然淀粉的高級結構包括結晶區(qū)與無定形區(qū)交替排列形成的生長環(huán)結構、生長環(huán)構成淀粉顆粒結構以及非淀粉組分與淀粉相互作用形成的米粒結構[45]。

淀粉鏈長分布（1級結構）的測定方法主要有電泳法和色譜法兩類。如熒光輔助毛細管電泳法（Fluorophore-assisted carbohydrate electrophoresis，F(xiàn)ACE），利用帶電荷的熒光基團在脫分支鏈的還原性末端進行標記，根據(jù)線性分子的不同質荷比進行分離，然而，這種方法只能表征聚合度≤180的淀粉支鏈。高效陰離子交換色譜法（High-performanceanion exchangechromatography，HPAEC）是近年發(fā)展起來的多糖分析的有效方法，采用脈沖安培對淀粉鏈長分布進行測定[47]。與FACE相似的是HPAEC同樣無法定量檢測聚合度＞100的淀粉鏈，因此兩種方法更適用于支鏈淀粉鏈長分布的測定。而高效體積排阻色譜（HPSEC）通過淀粉支鏈的水力學半徑差異對淀粉鏈進行分離，且不受聚合度的限制，可用于直鏈淀粉以及脫分支支鏈淀粉鏈長分布的測定。此外，可通過1H NMR計算α-1，6糖苷鍵和總糖苷鍵的比例而準確測定分支度。淀粉的分子尺寸（2級結構）通常采用凝膠排阻色譜法進行表征，然而該方法無法完全區(qū)分直鏈和支鏈淀粉，因為排阻色譜通過水力學半徑對樣品進行分離，而小的支鏈淀粉和大的直鏈淀粉在溶劑中可能具有相似的水力學半徑，因此，目前尚未有有效的方法可以完全精確地進行二級結構表征。淀粉分子的聚集形成淀粉的3級結構?？赏ㄟ^13C CP/MAS NMR觀察到淀粉的雙螺旋結構，由于部分的結晶區(qū)會嵌入無定形區(qū)而無法完全檢測。從有序光譜中可推斷出淀粉的螺旋特征：A型晶體或B型晶體主要由雙螺旋結構構成，V型微晶主要為單螺旋結構。此外，還可以通過X-射線衍射（XRD）獲得淀粉的晶體類型及結晶區(qū)大小[45]。

圖4 大米淀粉的多層級結構[46] Fig.4 The structural levels of starch[46]

4 淀粉結構對大米質構特性的影響

硬度和黏度品質是大米眾多口感品質中最具識別性的兩種，可通過物性分析法檢測分析[48]。淀粉是大米最主要的成分，有研究者指出直鏈淀粉和支鏈淀粉含量與大米的質構特性存在顯著相關性，高直鏈大米往往硬度較大且黏度較低，而低直鏈大米則相對黏軟。然而這一結論的適用范圍有限，比如直鏈淀粉含量相似而口感差異大的大米。綜上，解析淀粉的分子精細結構，對探究大米質構品質具有重要意義。

4.1 硬度和直鏈淀粉的關系

直鏈淀粉的結構特征是影響米飯硬度品質的主要因素。對于直鏈淀粉分子在淀粉顆粒內(nèi)的位置及其與支鏈淀粉的相互作用機制，目前主要有兩種推測，如圖5所示。一些研究者認為長直鏈淀粉的鏈存在于淀粉顆粒的無定形區(qū)；另一些研究者則提出直鏈淀粉可能與支鏈淀粉分支共結晶[49]。本課題組的研究推測直鏈淀粉鏈可能與支鏈淀粉支鏈形成結晶并分散于結晶區(qū)，從而增強淀粉晶體結構的耐熱性，限制蒸煮過程中淀粉的膨脹和熱溶出，導致米飯硬度增加[21]。

4.2 黏度和溶出的支鏈淀粉的關系

本課題組的系列研究顯示，大米在蒸煮過程中的熱溶出物與米飯的黏度品質直接相關。在大米蒸煮的過程中，米粒會吸水、溶脹、糊化，同時伴隨著淀粉受熱溶出顆粒，并黏附于米粒表面。熱溶出物中，淀粉含量約80%～90%，這些淀粉分子，尤其是支鏈淀粉分子通過分子間相互作用力相互黏連，決定了米飯的黏度品質。本課題組還探討了熱溶出淀粉分子結構的熱力學和動力學，研究表明小的支鏈淀粉較直鏈淀粉更容易從米粒中溶出[51]。此外，大米的表觀直鏈淀粉含量與米飯黏度有顯著負相關，這是因為，隨著大米直鏈淀粉含量的增加，米飯蒸煮時熱溶出物中可溶性支鏈淀粉含量、短鏈比例和分子尺寸都降低，從而減弱了米粒表面淀粉分子間的相互作用力，使得質構儀探頭測定米粒時的黏附力和脫附阻力都減小，進而降低了大米黏度[52-53]。

圖5 大米硬度和黏度品質的分子機制推測圖[50] Fig.5 The proposed molecular mechanisms for hardness and stickiness of cooked rice[50]

5 展望

隨著人民生活水平的提高，越來越重視大米的食味品質，米飯的硬度和黏度是大米眾多口感品質中最重要的兩種品質。近年來，關于大米質構的研究主要集中在質構的影響因素及評價方法上。以往常用的碘藍值、膠稠度等理化指標已經(jīng)無法滿足對大米質構特性精確表征的需求，而最新的口腔加工學顯示米飯的口感品質是多重質構特性與多維度感知過程的復合，這也對未來大米質構特性的發(fā)展提供了參考。淀粉結構是決定大米質構品質的關鍵因素。本文列舉了決定大米質構品質的結構基礎及發(fā)展進程，從表觀直鏈淀粉含量、熱不溶性直鏈淀粉含量，長B鏈，再到最新的淀粉一級和二級結構協(xié)同影響，并最終對大米硬度和黏度兩種質構品質的構效關系進行闡述。隨著這些基礎研究的不斷加深，人們可以更好地調控大米加工和口感品質，開發(fā)出美味的米制食品。