劉 明，孟 寧,，朱運(yùn)恒，劉艷香，張培茵，譚 斌，方秀利

低溫等離子體技術(shù)改善糙米蒸煮品質(zhì)工藝優(yōu)化及熱力學(xué)特性研究

劉 明1，孟 寧1,2，朱運(yùn)恒1，劉艷香1，張培茵2，譚 斌1，方秀利1

（1. 國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院 北京 100037；2. 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 旅游烹飪學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150076）

為解決糙米蒸煮時間長、口感粗糙等問題，提出以低溫等離子體處理糙米的新技術(shù)。以糙米為原料，探究低溫等離子體工藝中輝光強(qiáng)度、處理時間和水分含量對糙米蒸煮時間和固形物損失率的影響規(guī)律，并通過差示掃描量熱法（DSC）分析白米、糙米和低溫等離子體處理后糙米的熱力學(xué)性質(zhì)。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得到的低溫等離子體工藝參數(shù)為：輝光強(qiáng)度1.8 A，處理時間2 min，水分含量9.33%，在此條件下蒸煮時間為25.31 min，固形物損失率為19.18 mg/g。熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)低溫等離子體處理可以降低糙米的熱相變溫度、終止溫度和焓值。可為低溫等離子技術(shù)在糙米生產(chǎn)中應(yīng)用提供參考。

低溫等離子體；糙米；蒸煮品質(zhì)；工藝優(yōu)化；熱力學(xué)特性

糙米是稻谷脫殼后的全谷物顆粒米，由麩皮層、胚和胚乳組成。相比較于白米，糙米在加工過程中最大限度的保留了稻谷的營養(yǎng)物質(zhì)，其降血糖、降血脂等作用受到相關(guān)學(xué)者和廣大消費(fèi)者的肯定[1]，但由于糙米皮層中含有較多的粗纖維和蠟質(zhì)層，嚴(yán)重阻礙了蒸煮過程中水分吸收，造成蒸煮時間長、口感粗糙、難消化、食用不方便的缺點(diǎn)，難以適應(yīng)現(xiàn)代人的餐飲習(xí)慣，作為主食的消費(fèi)接受度很低[2]。

等離子體是指氣體在外界高溫、電場、磁場和輻射的作用下電離產(chǎn)生的電離度超過0.1%的氣體，由電子、離子、激發(fā)態(tài)原子、自由基和中性粒子等組成，整體呈電中性，被稱為繼“固、液、氣”三態(tài)之外的物質(zhì)第四態(tài)。離子溫度與室溫相當(dāng)，帶電粒子的溫度為1~10 eV的物質(zhì)狀態(tài)稱為低溫等離子體，整個體系表現(xiàn)為常溫[3]。低溫等離子體中存在的帶電粒子和活性物質(zhì)等對于縮短糙米蒸煮時間，改善糙米蒸煮品質(zhì)具有積極的作用。Chen等[4]通過對糙米進(jìn)行不同電壓的等離子體處理實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明糙米的蒸煮時間有明顯下降。Chen等[5]又以長粒香糙米為研究對象，發(fā)現(xiàn)隨著處理電壓或處理時間的增加，糙米的蒸煮時間均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在4 kV和2 min糙米蒸煮時間最少。這不僅驗(yàn)證了之前實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，還為低溫等離子體技術(shù)在全谷物研究中提供了參考。Thirumdas等[6]通過研究低溫等離子體技術(shù)對糙米蒸煮品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在降低糙米的蒸煮時間方面效果顯著。目前關(guān)于低溫等離子體技術(shù)在糙米中的應(yīng)用多局限于不同輝光強(qiáng)度和處理時間對糙米品質(zhì)的影響規(guī)律，未考慮到糙米樣品自身水分的影響，因此低溫等離子體處理工藝條件對生產(chǎn)效率及蒸煮時間的影響規(guī)律仍需深入研究。

研究采用低溫等離子體技術(shù)處理糙米，考察輝光強(qiáng)度、處理時間和水分含量對糙米最佳蒸煮時間和固形物損失率的影響，同時對處理前后熱力學(xué)特性的變化進(jìn)行研究，為糙米蒸煮和食用品質(zhì)的改良提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

長粒香糙米、長粒香白米：購于黑龍江五常市，收獲年份為2018年，儲藏于低溫、干燥密閉容器。

電子分析天平：梅特勒托利多公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；DSC 214 Polyma差示掃描量熱儀：上海力晶科學(xué)儀器有限公司；FW-135型中草藥粉碎機(jī)：天津泰斯特公司；QGWB-PM001全谷物低溫等離子體專用振動布料器：河北航興機(jī)械科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 糙米單因素實(shí)驗(yàn)

將樣品放入0.02 mbar的旋轉(zhuǎn)真空泵中除去樣品表面的水分和氣體，對照樣品同樣需要真空處理。將糙米置于50 ℃下烘1、2、3和4 h后建立糙米水分含量梯度。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考察輝光強(qiáng)度（0、0.5、1.0、1.5和2.0 A）、處理時間（1、2、3、4和5 min）、水分含量（6.98%、7.34%、7.41%、8.10%和9.33%）對糙米蒸煮時間和固形物損失率的影響，每次實(shí)驗(yàn)處理200 g樣品。

1.2.2 低溫等離子體正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定合適的因素水平，以輝光強(qiáng)度、處理時間、水分含量3個因素為考察因素，以蒸煮時間和固形物損失率為考察指標(biāo)，進(jìn)行3因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)見表1，確定最佳工藝組合，進(jìn)一步在最優(yōu)條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

表1 L9 (34)正交實(shí)驗(yàn)因素水平

1.2.3 低溫等離子體處理對糙米蒸煮特性的影響

蒸煮特性的測定參考王肇慈[7]的方法。

1.2.3.1 蒸煮時間 使用玻璃板-白芯法進(jìn)行米飯蒸煮時間的測定。稱取5 g樣品，加入到8 mL沸水中進(jìn)行蒸煮。蒸煮時，每隔2 min隨機(jī)取出10粒樣品，放在玻璃板上進(jìn)行擠壓。透明白芯出現(xiàn)的時間為蒸煮時間。

1.2.3.2 固形物損失率 稱取5 g樣品，加入50 mL純凈水，置于鋁盒中，放在電飯鍋中蒸煮制至最適蒸煮時間，濾出樣品，冷卻至室溫（約25 ℃）后，將米湯傾入已知質(zhì)量的鋁盒中，在105 ℃下干燥至質(zhì)量恒定，樣品固形物損失率計(jì)算公式如式（1）。

=i/0（1）

式中：S為米湯中固形物質(zhì)量，mg；0為原料質(zhì)量，g。

1.2.4 差示量熱掃描測定

將糙米粉和精米粉置于鋁盒中，用配套鋁蓋密封，在4 ℃冰箱內(nèi)平衡24 h，以空白鋁盒作為對照，以10 ℃/min的加熱速率使鋁盒溫度從20 ℃上升到100 ℃。記錄并計(jì)算吸熱曲線上的起始糊化溫度（0）、峰值溫度（p）和熱焓變化（Δ）[8]。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理使用軟件Excel 2007和SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，繪圖采用Origin-8.0，所有實(shí)驗(yàn)都重復(fù)3次，結(jié)果表示為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫等離子體技術(shù)對糙米蒸煮時間和固形物損失率的影響

2.1.1 輝光強(qiáng)度對糙米蒸煮時間和固形物損失率的影響

設(shè)定處理時間為1 min，水分含量為9.33%，對糙米進(jìn)行低溫等離子體不同輝光強(qiáng)度的處理，糙米蒸煮時間和固形物損失率變化結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明，糙米的蒸煮時間隨著輝光強(qiáng)度的增加不斷減小，與對照組糙米相比，經(jīng)過輝光強(qiáng)度為2 A時的低溫等離子體技術(shù)處理后，糙米的最佳蒸煮時間減少到25 min左右，這可能是由于低溫等離子體處理后糙米表面的刻蝕造成的。低溫等離子體中產(chǎn)生的活性物質(zhì)和高能帶電粒子刻蝕了糙米表面的纖維皮層，導(dǎo)致糙米表面產(chǎn)生凹陷和裂縫，使水分更容易滲透到糙米內(nèi)部，從而加快了淀粉的糊化，縮短了蒸煮時間[9]。而隨著電流強(qiáng)度的增加，糙米固形物損失率不斷增加。研究表明米湯固形物含量越高，蒸煮時米飯?jiān)金?，食味品質(zhì)及口感越好[10]，說明低溫等離子體處理對糙米口感的改善有積極作用，但固形物損失率過高時，糙米飯的營養(yǎng)物質(zhì)大量流失，米飯粘結(jié)嚴(yán)重，影響糙米的食味品質(zhì)。初步設(shè)定低溫等離子體處理的適宜輝光強(qiáng)度為1.5 A。

圖1 輝光強(qiáng)度對糙米蒸煮時間和固形物損失率的影響

注：圖中a、b、c表示同指標(biāo)標(biāo)記不同字母者，差異顯著（<0.05），下同。

2.1.2 處理時間對糙米蒸煮時間和固形物損失率的影響

設(shè)定電流強(qiáng)度為1.5 A，水分含量為9.33%，對糙米進(jìn)行不同處理時間的低溫等離子體技術(shù)處理，蒸煮時間和固形物損失率的變化結(jié)果如圖2所示。糙米粒顆粒由自然狀態(tài)到完全糊化狀態(tài)所需要的時間為最佳蒸煮時間。由圖2可以觀察到，糙米的最佳蒸煮時間隨著處理時間的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)處理時間為1 min或4~ 5 min時，糙米的最佳蒸煮時間最短，25 min左右，比對照組樣品（0 min）減少了約8 min左右，主要是因?yàn)榈蜏氐入x子體機(jī)工作時整個空間呈真空狀態(tài)，在一定范圍內(nèi)，真空度越高，水的沸點(diǎn)越低[11]，糙米經(jīng)過抽真空操作后表面水分揮發(fā)，水分含量減少，導(dǎo)致低溫等離子體產(chǎn)生的活性物質(zhì)與水分子離化后的粒子反應(yīng)效應(yīng)減弱，進(jìn)一步導(dǎo)致糙米最佳蒸煮時間增加；當(dāng)處理時間不斷增加時，低溫等離子體中的高能離子源不斷沖擊糙米表面，導(dǎo)致糙米表面蝕刻效應(yīng)嚴(yán)重，親水性增加[12]，使得蒸煮時間進(jìn)一步縮短。固形物損失率隨著處理時間的增加逐漸增加，當(dāng)處理時間為5 min時，固形物損失率達(dá)到最大，為44 mg/g。這是因?yàn)榈蜏氐入x子體處理時間增加后，糙米的表面的蝕刻效果增加，米粒內(nèi)容物流失較多，導(dǎo)致固形物損失率增加。因此，結(jié)合固形物損失率和蒸煮時間綜合分析，選擇低溫等離子體適宜處理時間為1 min。

圖2 處理時間對糙米蒸煮時間和固形物損失率的影響

2.1.3 水分含量對低溫等離子體處理下糙米蒸煮時間和固形物損失率的影響

當(dāng)電流強(qiáng)度為1.5 A，處理時間為1 min時，糙米的蒸煮時間隨著水分含量的增加不斷減少，而固形物損失率隨著水分含量增加逐漸增加，當(dāng)水分含量為9.33%時，糙米的蒸煮時間最低，此時的固形物損失率為20%左右（見圖3）。糙米蒸煮時間的長短主要取決于低溫等離子體產(chǎn)生的刻蝕效應(yīng)的強(qiáng)弱，水分含量越少，糙米的蝕刻效應(yīng)越弱，因此蒸煮時間越長；另外，水分被電離產(chǎn)生的粒子可能與糙米淀粉發(fā)生交聯(lián)，影響糙米的蒸煮時間和固形物損失率[13]。綜合來看，當(dāng)水分含量為9.33%時，糙米蒸煮時間最低。

圖3 水分含量對糙米蒸煮時間和固形物損失率的影響

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由表2中的極差結(jié)果可以看出，影響糙米蒸煮時間的各因素強(qiáng)弱順序?yàn)椋禾幚頃r間>電流強(qiáng)度>水分含量，即處理時間對糙米蒸煮時間影響最大，正交實(shí)驗(yàn)的最佳組合為321，即：電流強(qiáng)度1.8 A，處理時間2 min，水分含量9.33%。以固形物損失率為指標(biāo)的最佳處理工藝為322，三因素影響大小順序?yàn)樗趾?處理時間>電流強(qiáng)度。

表2 正交分析實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

2.2.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了考查實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，在優(yōu)化的工藝參數(shù)下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。低溫等離子體對糙米蒸煮時間的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4，白米（WR）、糙米（BR）、低溫等離子處理的糙米（LTP-BR）的蒸煮時間之間的差異顯著（<0.05）。相比較于BR，LTP-BR的蒸煮時間縮短了9 min左右（<0.05），接近于WR，根據(jù)已有的電飯煲熱力學(xué)設(shè)計(jì)，LTP-BR可以很好地實(shí)現(xiàn)與WR的共煮同熟。而組合321的LTP-BR的蒸煮時間低于組合322，固形物損失率不存在差異，因此選用組合321進(jìn)行后期實(shí)驗(yàn)分析，即輝光強(qiáng)度1.8 A、處理時間2 min、水分含量9.33%。

圖4 低溫等離子體對糙米蒸煮時間和固形物損失率的影響

2.3 糙米的熱力學(xué)性質(zhì)分析

淀粉顆粒在加熱過程中遇水迅速膨脹，導(dǎo)致分子內(nèi)和分子間的氫鍵斷裂，淀粉顆粒逐漸擴(kuò)散的過程稱為淀粉的糊化，這一過程伴隨著能量的變化，在DSC圖譜中體現(xiàn)為吸熱反應(yīng)[14]。低溫等離子體技術(shù)處理前后糙米粉的熱力學(xué)參數(shù)如表3所示。由表3可以觀察到，經(jīng)低溫等離子體技術(shù)處理后糙米樣品的糊化起始溫度低于未處理糙米和白米樣品，可能是由于等離子體活性粒子導(dǎo)致淀粉顆粒的解聚或者直鏈淀粉與支鏈淀粉比例的改變引起溫度的降低[15]，導(dǎo)致其損傷程度更高；LTP-BR樣品的峰值溫度略高于BR，這是由于等離子體中的活性粒子（OH）交聯(lián)在兩個C-OH鏈之間形成新的C-O-C鍵，分子間結(jié)合力增強(qiáng)，顆粒結(jié)構(gòu)更致密，導(dǎo)致糙米的峰值溫度升高[16]，與Wongsagonsup等[17]實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似。糙米中的脂類物質(zhì)主要存在于外種皮中，白米不含種皮，脂類物質(zhì)含量很少，而稻米中的直鏈淀粉與脂類結(jié)合會影響米粉的糊化[18]，正好解釋了BR和LTP-BR的糊化溫度低于WR的原因。Wang等[19]研究發(fā)現(xiàn)焓值代表著淀粉分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的丟失，低溫等離子體處理后的糙米焓值為6.14 kJ/g，略低于對照組糙米樣品，表明糙米在蒸煮過程中可以消耗更少的能量。

表3 米粉的熱力學(xué)性質(zhì)

2.4 討論

低溫等離子體技術(shù)作為一種新興的非熱食品加工技術(shù)，目前在改善谷物品質(zhì)方面引起廣泛關(guān)注。有研究報(bào)道，低溫等離子體能夠有效的縮短糙米的蒸煮時間，且隨著電壓和處理時間的增加糙米的蒸煮時間均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢[4]。研究在前人研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析物料水分在低溫等離子體技術(shù)作用下對其蒸煮特性的影響，通過優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)經(jīng)低溫等離子體處理后糙米的蒸煮時間明顯減少，縮短至25 min左右，蒸煮時間受處理時間的影響趨勢與前人研究結(jié)果相似，而蒸煮時間隨著輝光強(qiáng)度和水分含量的增加逐漸減小。不同產(chǎn)區(qū)的糙米水分含量會存在一定的差異，而糙米中的水分在低溫等離子體的作用下生成×OH、×O和×H等可以和淀粉發(fā)生交聯(lián)，另一方面羥基自由基可能會與微生物體中的多種成分發(fā)生發(fā)應(yīng)[20]，從而阻礙微生物的正常生長，有利于糙米的貯藏。由此來看，低溫等離子體技術(shù)在糙米行業(yè)具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 結(jié)論

低溫等離子體處理糙米各工藝參數(shù)對蒸煮時間和固形物損失率影響顯著，優(yōu)化參數(shù)組合為：輝光強(qiáng)度1.8 A，處理時間2 min，水分含量9.33%，此時糙米蒸煮時間為25.3 min，固形物損失率為19.18 mg/g，與驗(yàn)證結(jié)果相對誤差小于5%；但與原始糙米相比，蒸煮時間縮短了9 min左右，固形物損失率增加了4 mg/g。

熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明低溫等離子體可以降低糙米的起始溫度、終止溫度和焓值，在一定程度上可以減少糙米在糊化過程中的能耗。

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Process optimization and thermodynamic property analysis of brown rice cooking quality improvement by low temperature plasma technology

LIU Ming1, MENG Ning1,2, ZHU Yun-heng1, LIU Yan-xiang1, ZHANG Pei-yin2, TAN Bin1, FANG Xiu-li1

(1. Academy of National Food and Strategic Reserves Administration, Beijing 100037, China; 2. Harbin University of Commerce, College of Tourism and Cooking, Harbin, Heilongjiang 150076, China)

In order to solve the problems of long cooking time and rough taste of brown rice, a new technology based on low temperature plasma treatment was put forward. Taking brown rice as raw material, the effects of glow intensity, treatment time and moisture content in low-temperature plasma processing on cooking time and solid loss rate of brown rice were studied, and the thermodynamic properties of white rice, brown rice and low-temperature plasma treated brown rice were analyzed by DSC. On the basis of single factor experiment, orthogonal experiment parameters of optimizing the low-temperature plasma process was glow intensity 1.8a, treatment time 2 min, moisture content 9.33%, then cooking time was about 25.31 min under this condition, solid loss rate was 19.18 mg/g. Thermodynamic analysis shows that low temperature plasma treatment can reduce the thermal phase transition temperature, termination temperature and enthalpy of brown rice. The results can be used as reference for low temperature plasma in brown rice production.

low temperature plasma; brown rice; cooking quality; process optimization; thermodynamic characteristic

TS213.3；TS210.3

A

1007-7561(2020)02-0049-06

2019-04-12

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFD0400802）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（2017ZX1725）

劉明，1980年出生，男，博士，副研究員，研究方向?yàn)榧Z食加工.

10.16210/j.cnki.1007-7561.2020.02.008

譚斌，1972年出生，男，博士，研究員，研究方向?yàn)榧Z食加工.