籼米凝胶的应力松弛特性研究

陈 芸 李江涛 赵思明 李云波

（华中农业大学食品科技学院，武汉 430070）

应力松弛是恒定应变下，高分子体系内部的应力随时间增长而减少的现象。应力松弛特性可以反映食品的硬、软、黏性和弹性等质地、口感信息，为食品的加工和品质控制等提供依据。

大米的品种、组成成分等对凝胶的形成及凝胶的力学特性都有一定的影响[1-4]。米饭[5]、米线[6]等是以大米为原料制作的凝胶食品，凝胶食品的品质对原料的特性都有较大的依赖性[5-10]。直链淀粉、蛋白质含量高的大米吸水性差，用其制作的米饭弹性和黏性小、硬度大[5，9]。与糯稻和粳稻相比，较高直链淀粉含量和蛋白质含量的籼米较适于加工方便米粉[7-8]。用直链淀粉含量高的早籼米制作米线时，米线吸水率和煮沸损失低；高蛋白、低脂肪含量的米线硬度大、弹性和黏性低[6]。不同品种的籼米由于化学组成不同，制作的凝胶性质也有差异。与晚籼米相比，早籼米凝胶有较高的黏附性和较低的回弹性[3]，籼米凝胶的蠕变特性与其化学成分有相关性[1]。目前对于不同品种的籼米凝胶的力学特性的报道较少，本试验通过对16种籼米凝胶应力松弛特性的测定，从高分子结构的角度探索主要化学成分对籼米凝胶的影响，为淀粉质凝胶食品的生产加工及品质评价提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用稻谷为16种当年收获精选晾晒的籼稻，室温储藏。使用前用实验砻谷机加工成糙米，再用实验碾米机碾米60 s碾成白米。试验所用籼米的品种名称、类型及主要化学成分见表1，其中编号为01～08、10～11的籼米均产自于湖北，编号为 09、12～16的籼米均来自湖南金健米业股份有限公司。

1.2 凝胶的制作

基于米粉的工艺[5]制作大米凝胶。

1.3 凝胶质构特性的测定

将用1.2的方法制作的凝胶切成长方体（长×宽×高 ＝20 mm×20 mm×7 mm）。用质构仪（XT Plus Texture Analyser，TA-XT2型：Stable Micro Systems Ltd，美国）测定，测试时环境温度为25℃。设定参数为：采用Hold on模式，探头为P／36R。压缩比为50%，探头测试前下压速度为5 mm／s，测试速度为 10 mm／s，测试后返回速度 10 mm／s，探头自动采集感应力，数据采集速度为400 pp／s。

松弛段曲线采用Maxwell三元件质构模型进行拟合，此质构模型由一个虎克体和一个阻尼体串联后再与另一虎克体并联组成。虎克体模拟的是网络结构的可逆变形即理想弹性体，阻尼体模拟的是线形分子的不可逆变形即理想黏性体。用该模型可以反映高分子形成的网络结构，线形分子间的摩擦及网络结构与线形分子间的相互作用[11]。

表1 籼米品种名称、类型及主要化学成分（平均值±标准差）

其数学模型为：

式中：σ为物料承受的应力／kg·f／m2；E0为普弹模量／kg·f／m2；E1为高弹模量／kg·f／m2；ε为变形量，本试验为50%；t为松弛段试验时间／s；τ为应力松弛时间／s，是应力σ降到初始应力σ0的1／e时所需的时间；n为应力松弛非线形指数。η＝E1·τ，为阻尼体黏滞系数／kg·f·s／m2。

1.4 数据处理

采用OriginPro8进行绘图，MATLAB进行数学模型拟合，SAS 8.1进行相关性分析。2次重复试验，每次试验做3个平行。

2 结果与分析

2.1 籼米凝胶的应力松弛特性

图1 不同品种籼米凝胶的应力松弛特征曲线

籼米凝胶应力松弛特性曲线见图1。以60 s时的应力σ60为标志将其分为2组，其中图1a为σ60≥7 500 kg·f／m2的大米凝胶的应力随时间的响应图（0～60 s）。图1c为 σ60＜7 500 kg·f／m2的大米凝胶的应力响应图（0～60 s）。图1b和图1d分别为图1a和图1c的局部放大图（0～1 s）。

由图1可知，在设定测试模式下，压缩段应力迅速上升，所需时间约0.4～0.5 s，进入松弛段，应力释放由快而慢，然后逐渐减缓并趋近定值平衡应力σ60。不同品种籼米凝胶压缩50%的最大应力约在8 000～32 000 kg·f／m2之间。最大应力反映籼米凝胶的硬度，由图1可知，余赤米的凝胶硬度最大，而两优301的凝胶质地最软。

2.2 籼米凝胶的应力松弛参数

凝胶的应力松弛过程主要由高弹松弛和普弹松弛2部分组成。对于黏弹性体而言，达到完全的应力平衡需要较长时间。本试验对60 s内的应力-时间数据，应用Maxwell三元件模型进行拟合，得到不同品种大米凝胶的应力松弛参数见表2。所有样品的校正系数R2均在0.96以上，表明所用的方程拟合精度很高。

表2 不同品种稻米凝胶的应力松弛参数

由表2可知，不同品种大米凝胶之间的应力松弛参数有差异，普弹模量E0分布在1.472～11.400 kg·f／m2之间，高弹模量 E1分布在988～6 955 kg·f／m2之间，松弛时间τ分布在0.129～0.220 s之间，松弛非线形指数n分布在0.057～0.162之间，黏滞系数η分布在217.777～927.102 kg·f·s／m2之间。以余赤米凝胶的普弹模量E0和松弛时间τ最大，高弹模量E1、松弛非线形指数n和黏滞系数η最小，表明其初始硬度最大，在压缩过程中凝胶弹性与黏性小，外力对高分子网络结构的破坏作用较大，凝胶线形分子链间存在较大的摩擦和较小的相对位移。以两优106凝胶的E0最小，其质地柔软。两优301凝胶的松弛时间τ最小，则表明其应力松弛衰减速度快。以金优207凝胶的高弹模量E1、松弛非线形指数n和黏滞系数η最大，表明其凝胶黏性与弹性大，外力对高分子网络结构的破坏作用较小，凝胶线形分子链间存在较大的相对位移。

2.3 大米主要化学成分对凝胶松弛参数的影响

大米中主要成分是淀粉，包括直链淀粉和支链淀粉，其次是水分、蛋白质和脂肪，它们对大米凝胶的形成有不同程度的影响[12-13]。不同品种稻米的水分含量、蛋白质含量、碘兰值、脂肪含量与应力松弛参数相关性见表3。

表3 凝胶应力松弛参数与籼米化学成分的相关性分析（n＝16，r／P）

由表3可知，普弹模量E0与碘兰值呈极显著正相关，高弹模量E1与碘兰值呈显著负相关。松弛时间τ与碘兰值呈显著正相关。碘兰值较大说明大米的直链淀粉含量较高，导致凝胶体系的刚性较大，从而使松弛时间τ较大。在大米凝胶中，直链淀粉穿插缠结在支链淀粉网络中，参与凝胶网络结构的形成。直链淀粉有助于高分子链间氢键的形成，分子链段运动时受到的阻力较大，导致普弹模量E0和松弛时间τ较大，高弹模量E1较小，从而表现出凝胶的刚度[14]和硬度增强，弹性降低，应力松弛衰减速度缓慢。如M102s／中组1号凝胶的碘兰值比两优105大，即M102s／中组1号凝胶的直链淀粉含量高，与两优105相比，其硬度大、弹性小，松弛时间长而应力松弛衰减速度缓慢。直链淀粉含量高，籼米凝胶E1较小，这与米饭凝胶的松弛特性[5]相似，而直链淀粉含量高，籼米凝胶松弛时间长，这与米饭凝胶的松弛特性[5]相反。这可能是因为籼米凝胶的蛋白质或脂肪与淀粉分子缠绕或交联，使得分子间发生相对滑动的能力较低，也可能是籼米凝胶经过重组织化，质地较均匀，分子链间相互作用力较大，而导致与米饭凝胶的应力松弛特性有所不同。

普弹模量E0与脂肪含量呈正相关，应力松弛非线形指数n与脂肪呈负相关。这是由于脂肪与淀粉分子以结合态形式存在[15]，增加了分子链间的交联度，使胶体网络结构更加致密，从而提高了凝胶硬度。如M103s／中组1号凝胶的脂肪含量比两优301的高，表现出M103s／中组1号凝胶的普弹模量E0较大。脂肪含量较高时，籼米凝胶的硬度较大，这与籼米凝胶的蠕变特性研究结果[1]不同。这可能是因为镶嵌在凝胶网络中的脂肪，一方面增加分子链间的交联度，分子链段运动受到阻碍；另一方面脂肪有润滑作用，脂肪分子间或脂肪与其他化学键间产生斥力，克服分子间的相互作用，使分子链发生位移。当斥力小于分子间的相互作用力时，分子链间的位移较小，宏观上使凝胶表现出较小的弹韧性。

3 结论

籼米凝胶的应力松弛过程主要由普弹松弛和高弹松弛2部分组成，以高弹松弛为主。籼米凝胶的应力松弛特性与品种有较大关系。直链淀粉含量、脂肪含量对松弛特性有显著影响。直链淀粉诱导高分子链间产生较多的氢键，使分子链段运动时受到的阻力增大；脂肪与淀粉分子结合增加分子链间交联度，导致籼米凝胶的硬度增大、弹性减小、应力松弛衰减速度缓慢。

[1]Xu YongLiang，Xiong ShanBai，Li YunBo，et al.Study on creep properties of indica rice gel[J].Journal of Food Engineering，2008，86：10-16

[2]李云波，刘晓翠，张伟，等.米粉凝胶形成过程的质构特性及凝胶品质控制研究[J].食品科技，2006（7）：39-42

[3]丁文平，丁霄霖.大米品种对其淀粉凝胶特性的影响[J].中国粮油学报，2003，18（3）：17-20

[4]许金东，李云波，赵思明.籼米凝胶的压缩与剪切特性研究[J].中国农学通报，2007，23（5）：109-114

[5]许永亮，熊善柏，赵思明.蒸煮工艺和化学成分对米饭应力松弛特性的影响[J].农业工程学报，2007，23（10）：235-140

[6]孟岳成，刘鑫，陈杰.原料组分及应力松弛与方便米线品质的关系[J].农业工程学报，2011，27（10）：375-382

[7]赵思明，刘友明，熊善柏，等.方便米粉的原料适应性与品质特性研究[J].粮食与饲料工业，2002，（6）：37-39

[8]刘友明，谭汝成，荣建华，等.方便米粉加工原料的选择研究[J].食品科技，2008（3）：133-136

[9]莫紫梅，许金东，赵思明.米饭品质的研究进展[J].粮食与饲料工业，2008（11）：5-8

[10]孙庆杰，丁文平，丁霄霖，等.米粉（米线）原料标准的研究[J].中国粮油学报，2004，19（1）：12-15

[11]Del Nobile M A，Chillo S，Mentana A，et al.Use of the generalized Maxwellmodel for describing the stress relaxation behavior of solid-like foods[J].Journal of Food Engineering，2007，78：978-983

[12]Ding YuQin，Zhao SiMing，Xiong ShanBai.Thermal relaxation and mechanical relaxation of rice gel[J].Journal of Central South University of Technology，2008，15：534-539

[13]李云波.籼米的胶体特性研究[D].武汉：华中农业大学，2006

[14]Varavinit S，Shobsngob S，Varanyanond W，etal.Effectof amylose content on gelatinization，retrogradation and pasting properties of flours from different cultivars of thai rice[J].Starch／Stärke，2003，55：410-415

[15]Gunaratne A，Corke H.Influence of unmodified and modified cyclohepta amylose（β-cyclodextrin）on transition parameters of amylose-lipid complex and functional properties of starch[J].Carbohydrate Polymers，2007，68：226-234.