張子敬,朱璠,孫娟,李言,錢海峰,王立

(江南大學 食品學院,江蘇 無錫,214122)

隨著消費者對健康的關注度越來越高,有色米的消費量逐年加大。由于富含蛋白質、氨基酸、維生素、微量元素及其他健康成分,紅米逐漸引起了人們的關注[1]。與人們日常食用的精白米相比,紅米具有降膽固醇、預防癌癥[2]、抗炎及抗氧化[3]的作用,但也存在不易蒸煮、難消化等缺點,這大大限制了紅米的推廣應用。因此,人們主要通過高溫流化、超聲[4]、預蒸煮[5]等方法將紅米部分熟化,在保留紅米表皮中原花青素等健康成分的基礎上提升紅米的熟化度。

微波加熱是一種利用微波的能量特征對物體進行加熱的過程,可有效改變淀粉的凝膠化、耐酶性及淀粉的有序結構和分子結構[6],具有產熱快、成本低等優(yōu)點[7],廣泛應用于木薯、土豆[8]等的淀粉改性。近年來,人們將微波加熱技術應用于雜糧的預處理,取得了較好的效果。研究表明,微波預處理可提高紅蕓豆的糊化度來增加其快消化淀粉含量[9]；通過加快淀粉顆粒中水分子的快速交換來破壞支鏈淀粉微晶束,從而降低燕麥和高粱中淀粉的結晶度[10]。

對于紅米的預處理,過去的研究主要集中在高壓蒸煮、高溫流化等常規(guī)方式,尚未有研究報道微波預處理對紅米理化性質的影響。本研究以紅秈米為研究對象,探究了一種新型微波預處理工藝對其理化性質的影響。此外,本研究還采用不同熟化方式對微波預處理紅米與未處理紅米進行比較分析,從淀粉結晶性和糊化特性等方面探究其體外消化特性的差異。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅米,宇順高科種業(yè)股份有限公司；總淀粉測定試劑盒、葡萄糖氧化酶/過氧化物酶(glucose oxiolase/peroxidase,GOPOD)試劑盒,愛爾蘭Megazyme國際有限公司；豬胰α-淀粉酶,西格瑪奧德里奇貿易有限公司；α-淀粉轉葡萄糖苷酶,山東隆大生物工程有限公司；胃蛋白酶、其他試劑(分析純),國藥集團化學試劑有限公司。

M1-L236A微波爐,廣東美的電器股份有限公司；HC-800Y磨粉機,浙江武義海納電氣有限公司；Y-50K3電飯煲、JYC-21HECO5電磁爐,山東九陽股份有限公司；LGJ-10冷凍干燥機,北京四環(huán)科學儀器廠有限公司；IC-B3501電飯煲,廣東太古電器科技有限公司；H1650離心機,湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司；D2 PHASER X-射線衍射儀(X-ray diffractometer,XRD),德國布魯克AXS有限公司；RVA 4500快速黏度分析儀(rapid viscosity analyzer,RVA),波通澳大利亞公司。

1.2 紅米的預處理和熟化

1.2.1 預處理紅米的加工

紅米在體積比1∶3的50 ℃蒸餾水中浸泡30 min,取出瀝干,微波800 W處理90 s；取出用10～25 ℃水浸泡10 s(紅米浸沒在水中),取出瀝干,微波800 W處理90 s；此過程再重復2次,取出室溫冷卻,-20 ℃保存待用。

將上述預處理后的紅米磨粉,過100目篩,-20 ℃儲存待用。

1.2.2 熟化紅米的加工

常壓煮或高壓煮紅米的處理步驟如下：分別取100 g樣品紅米,各加蒸餾水200 g,置于常壓或高壓電飯煲中,以標準米飯蒸煮程序運行至結束。

常壓蒸紅米的處理步驟如下：取蒸鍋加水置于電磁爐上加熱,待水燒開,取100 g紅米加蒸餾水200 g置于不銹鋼容器中并將其置于蒸鍋上層,以電磁爐自帶的蒸米程序蒸40 min。

將蒸煮好的米飯放入-80 ℃冰箱冷凍,然后用冷凍干燥機干燥24 h,磨粉,過100目篩,-20 ℃儲存待用。

1.3 實驗方法

1.3.1 紅米的淀粉體外模擬消化

紅米的淀粉體外模擬消化參照CHUSAK等[11]的方法并稍作修改。取3 g豬胰α-淀粉酶(10 U/mg)于100 mL錐形瓶中,加入蒸餾水60 mL,37 ℃水浴振蕩活化10 min,4 000 r/min離心10 min,取上清液,加α-淀粉轉葡萄糖苷酶150 μL(200 000 U/mL),記為混合酶液A。取1 g(干基)待測試紅米樣品加入50 mL離心管中,加入10 mL pH 2的鹽酸,均質30 s,37 ℃預熱5 min。胃模擬階段：立即加入0.3 mg胃蛋白酶(1 200 U/g)于離心管中,37 ℃水浴振蕩30 min。小腸模擬階段：以100 μL pH 14的NaOH溶液中和消化液中的鹽酸,然后加入25 mL pH 6的磷酸緩沖液,攪拌均勻,加入5 mL混合酶液A,立即在37 ℃下以90 r/min水浴振蕩2 h。分別在胃模擬消化的0及30 min,小腸模擬消化的20、40、60、80、100及120 min取0.1 mL消化液于0.9 mL無水乙醇中,12 000 r/min離心3 min。取0.1 mL上清液與3 mL GOPOD試劑充分混合,以0.1 mL蒸餾水+3 mL GOPOD試劑為空白,以0.1 mLD-葡萄糖標準溶液+3 mL GOPOD試劑為對照,50 ℃水浴20 min,于510 nm波長下測吸光值,淀粉水解率按公式(1)計算。

(1)

式中：A樣,樣品吸光值；A標,葡萄糖標準液的吸光值；ρ標,葡萄糖標準液的質量濃度,mg/mL；V總,消化液的總體積,mL；f,稀釋倍數(shù)；0.9,葡萄糖轉化為淀粉的系數(shù)；m總淀粉；樣品中淀粉的質量,mg。

1.3.2 淀粉消化動力學和評估血糖指數(shù)的測定方法

淀粉體外消化可以看做是一級動力學過程[12],消化曲線符合一級動力學形式[13],如公式(2)所示：

Ct=C∞(1-e-kt)

(2)

式中：Ct,消化時間為t時淀粉的水解量,%；C∞,消化終點淀粉的水解量,%；t,消化時間,min；k,一階動力學常數(shù),min-1。

淀粉消化曲線下面積的計算如公式(3)所示：

AUG=C∞(tf-t0)-(C∞/k){1-exp[-k(tf-t0)]}

(3)

式中：AUG,淀粉消化曲線下面積；tf,消化開始時間,min；t0,消化終止時間,min。

水解指數(shù)(hydrolysis index,HI)定義為：測試樣品的水解曲線下面積與白面包的水解曲線下面積的比值。

評估血糖指數(shù)(evaluste glycemic index,eGI)按公式(4)計算[14]：

eGI=39.71+0.549HI

(4)

1.3.3 紅米的溶脹力測定

參考WANG等[15]的方法對1.2.1及1.2.2制備的生熟紅米粉進行溶脹力測定。稱取40 mg紅米粉于2 mL離心管中,加蒸餾水1 mL,分別在50～90 ℃下水浴30 min,期間顛倒混勻。樣品水浴后迅速冷水冷卻至室溫,13 000 r/min離心15 min,倒掉上清液稱量沉淀。溶脹力按公式(5)計算：

(5)

式中：m1,初始米粉的質量,mg；m2,水浴后溶脹米粉的質量,mg。

1.3.4 紅米的結晶特性分析

參考WANG等[16]的方法對1.2.1及1.2.2制備的生熟紅米粉進行淀粉晶體結構的測定。將米粉在相對濕度為75%(飽和NaCl溶液)的干燥器中室溫平衡水分一周,利用XRD在電壓40 kV,電流30 mA,射線源Cu-Ku源,波長0.154 nm的條件下掃描米粉樣品,掃描速率為2°/min,范圍為5～35°,步長為0.02°。所得圖譜利用Jade 6進行處理,計算相對結晶度,如公式(6)所示：

(6)

1.3.5 紅米的糊化特性測定

參考LEE等[17]的方法對1.2.1和1.2.2制備的生熟紅米粉進行糊化特性測定,并進行一定修改。稱量2.6 g樣品(干基)置于RVA鋁桶中,加水至28 g。測定程序為：紅米粉在RVA中以50 ℃懸浮1 min,然后以12 ℃/min的速率加熱至95 ℃(3.75 min),在95 ℃保持2.5 min,然后以12 ℃/min的速率降溫至50 ℃,在50 ℃保持2 min。攪拌速率前10 s為960 r/min,然后以160 r/min保持至分析結束。測定完成后可以從RVA曲線上獲得峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度,回生值和糊化溫度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

每組實驗重復3次。數(shù)據(jù)以平均值±標準差的形式表示,采用Origin 9.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和作圖,用Jade 6軟件處理XRD圖譜,用SPSS軟件進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對紅米淀粉體外消化的影響

以相同樣品質量(干基)為基礎,用體外模擬方法測定熟化后紅米的淀粉消化率(圖1)。對于所有樣品,在胃模擬消化階段均未觀察到葡萄糖的釋放,這可能是胃模擬階段缺乏淀粉酶的作用造成的；而在小腸模擬消化的前20 min,淀粉水解度快速增高,隨著時間的延長,淀粉水解度緩慢增加。對于原料紅米,不同熟化方式處理后的最終淀粉水解率相似,沒有顯著性差異[18]。經熟化后,微波紅米在小腸模擬消化的前20 min淀粉水解度高于原料紅米；最終淀粉水解度均有一定程度提升,經高壓煮后增加了14.77%,表明微波預處理對熟化后紅米的淀粉水解具有顯著性影響。此外,值得注意的是,盡管常壓煮和常壓蒸在處理時間上大于高壓煮,但淀粉水解度增加最大的仍是高壓煮,說明高壓高溫在增加微波預處理紅米的淀粉水解度上更有效[19]。

a-常壓煮；b-高壓煮；c-常壓蒸

通過對各紅米樣品的實驗數(shù)據(jù)進行一級動力學數(shù)學模型擬合,得出各樣品組的最大淀粉水解度(C∞)、水解速率(k)、水解指數(shù)(HI)和評估血糖指數(shù)(eGI)(表1)。6個樣品組的C∞分別是74.2%、72.1%、76.8%、78.1%、85.4%及83.4%。其中,微波紅米高壓煮的C∞最高。k值越高,體外消化的速率越高。與原料紅米相比,微波紅米的k值均有所增加。所有樣品組的eGI在80.8～89.1,這反映出它們均是高GI產品。此外,相比于原料紅米,微波紅米的eGI值均有所提升,具有顯著性差異,這與淀粉體外消化的數(shù)據(jù)吻合。米粉中淀粉消化特性的差異可能是由不同加工導致的糊化差異造成的[20]。

表1 由紅米的體外模擬消化實驗得到的消化動力學參數(shù)

2.2 不同處理對紅米溶脹力的影響

原料和微波后紅米粉的溶脹力隨溫度的升高而增加(圖2-a)。當溫度>70 ℃時,原料和微波后紅米粉都顯示出較高的溶脹力,這可能是由于淀粉糊化引起的淀粉結晶消散導致的[21]。隨著微波次數(shù)的增加,紅米粉的溶脹力降低。微波加熱后米粉溶脹力的降低可能是由于淀粉顆粒中結晶區(qū)的重新排列更加無序導致的[22]。劉佳男[10]的研究表明微波預處理可以降低黑米中的支鏈淀粉含量,而淀粉的溶脹主要受支鏈淀粉的影響。

對于所有樣品組,其溶脹力隨溫度的升高而增加。在熟化處理后,微波紅米比原料紅米擁有更低的溶脹力(圖2-b)。這種顯著性差異可能是因為對于經過熟化處理的2種樣品,微波預處理樣品的糊化程度更高,對淀粉顆粒結構的破壞更大,淀粉顆粒中結晶區(qū)的重新排列更加無序導致的。同時,淀粉顆粒中結晶區(qū)的消散降低了鏈堆積密度,促進了酶在淀粉顆粒中的擴散和酶分子與淀粉鏈的結合,從而增加了其淀粉消化率[20]。

a-微波次數(shù)；b-熟化方式

2.3 不同處理對紅米糊化特性的影響

使用RVA探究了微波預處理紅米和熟化后紅米粉的糊化特性(表2、表3)。與原料米粉相比,微波預處理紅米粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度和回生值隨微波次數(shù)的增加而降低。此外,微波預處理紅米粉的糊化溫度隨微波次數(shù)的增加而升高。這可能是由于預處理過程中淀粉顆粒的破壞導致淀粉吸水能力和膨脹能力降低引起的[18]。此外,微波預處理也會促進淀粉-脂質復合物的形成,導致糊化溫度的升高和黏度的降低。

表2 微波次數(shù)對紅米糊化特性的影響

表3 不同熟化方式對未預處理和微波預處理紅米糊化特性的影響

與原料紅米相比,微波紅米經熟化處理后的峰值黏度、谷值黏度和最終黏度均較低。這可能是因為微波預處理已經極大地破壞了紅米的淀粉顆粒完整性,降低了紅米粉的峰值黏度、谷值黏度和最終黏度,進一步的熟化處理導致了其更低的糊化特性值。在3種熟化方式中,高壓煮表現(xiàn)出更低的峰值黏度、谷值黏度和最終黏度,這可能是因為高壓導致了分子有序性的減少及淀粉-脂質復合物與直鏈淀粉分子的纏繞,限制了淀粉分子的溶脹[23]。OYEYINKA等[22]的數(shù)據(jù)表明,米粉的峰值黏度和谷值黏度與稻米的熟化程度有關,隨熟化程度的增高而降低。此外,一些數(shù)據(jù)表明,稻米的淀粉體外消化率與米粉的峰值黏度和最終黏度呈負相關,與糊化溫度呈正相關[24]。

2.4 不同處理對紅米結晶性的影響

所有樣品的XRD圖如圖3所示。原料紅米粉在衍射角為15、17、18及23°時均能觀察到明顯的衍射峰,說明紅米淀粉的晶型為A型[25]。隨著微波次數(shù)的增加,樣品在15、17、18及23°的衍射峰逐漸減小,說明微波處理不會改變淀粉的晶型,但會破壞淀粉結晶(圖3-a)。此外,隨著微波次數(shù)的增加,在20°出現(xiàn)了脂質-淀粉復合物衍射峰。相比于常壓煮和常壓蒸,2種樣品在經過高壓熟化后的脂質-淀粉復合衍射峰更加明顯,這與高壓蒸煮比常壓蒸煮更有利于淀粉-脂類復合物的形成相一致[26]。熟化后,微波紅米的晶型衍射峰基本消失,而原料紅米的結晶度分別為1.51%、1.36%和0.84%(圖3-b、c、d),這可能因為微波紅米在經預處理后淀粉結晶就已經基本消失。

a-微波次數(shù)；b-常壓煮；c-高壓煮；d-常壓蒸

微波預處理促進了紅米淀粉的糊化,導致紅米中淀粉顆粒和結晶的破壞、吸水和膨脹能力的下降,RVA和XRD數(shù)據(jù)均已經說明了這一點。因而,在經過相同的熟化處理后,微波紅米表現(xiàn)出更高的熟化程度,這使得紅米表現(xiàn)出更低的黏度,有利于淀粉體外消化過程中消化酶與底物的結合[27]。此外,微波和熟化的雙重處理導致淀粉顆粒晶層中的螺旋排列減弱,結晶層發(fā)生一定斷裂,這導致淀粉顆粒多尺度結構中鏈堆積密度的降低,進而促進了酶在淀粉基質結構中的擴散和酶分子與淀粉鏈的結合[28]。這也解釋了經過3種熟化方式處理,微波預處理紅米擁有更高的淀粉水解度的原因。

3 結論

微波預處理提高了熟化后紅米的淀粉體外水解率,同時使紅米粉的糊化特性和結晶特性發(fā)生了顯著性變化,降低了紅米粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度和回生值,提高了糊化溫度;顯著降低了紅米粉的淀粉結晶度和熟化后的溶脹力。熟化后,微波紅米的淀粉結晶基本消散,而原料紅米依舊殘存些許淀粉結晶。結果顯示,微波預處理可以有效提升紅米的糊化度和熟化后的熟化程度,降低淀粉顆粒中鏈堆積密度,從而提升淀粉的體外消化率。