3种物理处理方法对籼米粉物性和体外消化性的影响

李雅琴，周裔彬,金姗姗，张舒

(安徽农业大学 茶与食品科技学院，安徽 合肥， 230036)



3种物理处理方法对籼米粉物性和体外消化性的影响

李雅琴，周裔彬*,金姗姗，张舒

(安徽农业大学 茶与食品科技学院，安徽 合肥， 230036)

采用超微粉碎、超高压和挤压膨化及复合处理方式处理籼米粉，对比原样研究了其物性和体外消化性。超微粉碎处理使米粉糊化温度上升，糊化焓减小，溶解度增加，膨胀度减小，稠度系数k增加，冻融稳定性和体外消化性得到改善；超高压处理对米粉的理化性质无显著影响。挤压膨化处理使米粉糊化温度下降，糊化焓显著减小，溶解度增大，膨胀度减小，稠度系数显著减小，冻融稳定性和体外消化性得到显著改善。

籼米粉；超微粉碎；超高压；挤压膨化

我国是大米最大的生产国和消费国, 籼米作为主要的稻米品种之一，产量大，但籼米糊化后黏弹性较差、口感差，导致籼米价格低廉[1]。现有的碾米技术，在加工过程中会产生10%～15%的碎米，碎米的营养成分与整米相似，但其价值却远低于整米，种植加工经济效益低下[2]。因此，对籼米或其碎米进行深加工的研究，尤为重要。

作为新型物理处理方法，超微粉碎的强剪切力能有效改善粉体的颗粒粒度。颗粒粒度减小导致物料表面积和空隙率增加，使得超微粉体具有良好的分散性、吸附性、溶解性、化学活性、生物活性等[3]；超高压是指在室温或微加热的条件下利用高压使食品中的蛋白质和淀粉等产生变性、糊化等，从而达到食品杀菌和改性的目的[4]；挤压膨化技术是一种新型物理加工技术，其加工过程中产生的高温高压和强剪切力能使淀粉糊化，蛋白质变性[5]，目前已广泛应用于大米、玉米、小米等食品加工领域。本文采用超微粉碎、超高压、挤压膨化3种物理方法处理籼米粉，并对处理后样品的物性和体外消化性进行了分析比较。

1　材料与方法

1.1实验材料

碎籼米，本地厂家提供；米粉，碎籼米粉碎后过50目筛，取筛下物密封保存，为米粉原样，水分含量11.87%。

1.2主要实验仪器

KC-701超微粉碎机，北京开创同和科技有限公司；DZ-400/2S超高压，包头科发高压科技有限责任公司；DSE32挤压膨化机，济南盛润机械有限公司。

1.3米粉样品的制备

1.3.1米粉的超微粉碎处理

经初步粉碎的米粉，用超微粉碎机处理后得到超微粉碎米粉。超微粉碎具体参数如下：主机转速30r/s， 风机转速35r/s。样品取出后过50目筛，筛下物密封保存，为超微粉碎样。

1.3.2米粉的超高压处理

将米粉原样用真空包装袋密封包装后，放入超静压处理机中，设定参数为：压力500MPa、保压时间300s，取出后粉碎处理并过50目筛，筛下物密封保存，为超高压样。

1.3.3米粉的挤压膨化处理

调节米粉原样水分含量至18%，设定挤压膨化机Ⅱ区温度120 ℃、Ⅲ区温度140 ℃、喂料速度158.4r/min、主机转速 273.6r/min。得到挤出物后，用粉碎机粉碎，过50目筛，筛下物密封保存，为米粉挤压膨化样。

1.3.4米粉的复合处理

将超微粉碎样做超高压处理，设定参数同上，取出后粉碎处理并过50目筛，筛下物密封保存，为超微超压样；将超高压样和挤压膨化样品分别做超微粉碎处理，并过50目筛，筛下物密封保存，分别为超压超微样和挤压超微样。

1.4米粉的热力学特性

用差示扫描量热仪(DSC)测定米粉的热力学特性。准确称取3.5mg米粉置于PE标准液体皿中，用微量进样器添加蒸馏水6.5mL，调节水分含量为65%，压盖密封后室温下平衡24h，上样测试。调试条件为：10 ℃/min的升温速率从20℃扫描到120℃，用空皿作对照。使用PyrisManager8.0软件对数据进行采集分析，可以得到起始温度(TO)、峰值温度(TP)、终止温度(TC)和糊化焓值(ΔH)。

1.5米粉流变性的测定

配制3%的米粉糊，95℃水浴30min，取出冷却至25 ℃。选用CC40型转子。在25 ℃下，测量剪切速率从0～1 000s-1进行递增(所得到的流变曲线叫做上行线)，间隔10s，然后1 000～0s-1进行递减(所得到的流变曲线叫做下行线)，由计算机自动采集数据。测定7种米粉糊在剪切过程中的剪切应力和表观黏度变化，用SPSSStatistics对表观黏度变化曲线进行线性估计，根据表观黏度曲线函数计算滞后面积。

流变模型：米粉糊分散体系大多为非牛顿流体，可用Herschel-Bulkley模型进行回归[6]，分析其剪切应力和剪切速率之间的关系。

τ=τ0+ kγn

(1)

式中：τ为剪切应力，Pa；τ0为屈服应力，Pa；k为黏稠系数，(Pa·sn)；γ为剪切速率，s-1；n为流动性特征指数。

该模型方程是具有一定屈服应力的非牛顿流体方程，其中τ0是塑性流体的特征值，表示使流体开始流动所需的最低剪切应力。k值和增稠能力有关，k值越大，表明增稠能力越强。n值表征非牛顿流体与牛顿流体之间的差异程度，0

1.6溶解度与膨胀力的测定

称取0.5g样品悬浮于30mL水中，分别在55、65、75、85和95 ℃下加热30min，取出冷却至室温后3 000g下离心15min，倒出上清液，称量沉淀的质量。上清液在120 ℃下烘12h后称量质量，平行3次。

溶解度和膨胀度计算公式如下：

(2)

(3)

1.7冻融稳定性的测定

配制6%的米粉悬浮液，在90℃下水浴15min，快速冷却至室温后，将样品置于-10℃下24h，然后30℃下12h，取出解冻至室温后3 000g下离心10min，称量5次冻融循环后的析水率，平行3次。

1.8淀粉体外消化性的测定

参考ENGLYST[8]提出的体外模拟酶水解法，经改善后测定样品中淀粉的体外消化性：称取200mg待测样品于具塞试管中，添加2mL纯水，振荡混匀后，沸水浴加热糊化20min，37 ℃水浴20min后，加入4mL胃蛋白酶溶液水解30min，加入6颗玻璃珠与2mL0.5mol/LNaAc缓冲溶液，摇匀，37℃水浴振荡30min，添加2mL混酶液(胰酶∶糖化酶 = 4∶1，酶活比)，保持水浴振荡，分别于20、30、60、90、120、150、180min取样，沸水浴灭酶活后，用葡萄糖测定试剂(GOPOD)法测定所产生的葡萄糖含量。

1.9数据统计分析

本文中所有数据至少进行了3次重复测定，并采用统计分析软件SPSS进行方差分析和显著性分析，数据显著性差异P≤0.05。

2　结果与讨论

2.1各米粉样品的热力学性质分析

超微粉碎米粉的糊化温度(TO、TP、TC)与糊化焓(ΔH)列于表1中。

表1　样品的热力学参数

注：表1中，同列数字中不同英文字母表示差异显著(P<0.05)，相同字母表示差异不显著。表2同。

SRIKAEO和SOPADE的研究表明，大米的热力学性质可能与其中一些非淀粉成分有关，例如蛋白质和脂质[9]。相较于原样，超微粉碎样，超微超压样和超压超微样的峰值温度TP略有上升，而糊化焓值略有下降，这可能因为超微粉碎过程的强剪切力破坏了部分蛋白质和脂质与淀粉的复合结构。超高压样的糊化温度与糊化焓与原样无显著性差异。对比原样、超微粉碎样和超高压样，挤压膨化样和挤压超微样的糊化温度有显著降低，糊化焓值大大减小，COOKE和GIDLEY[10]认为，淀粉的糊化是淀粉从半结晶结构到非晶体结构的转变，在挤压膨化过程中的高温高压条件下，大部分米粉已经完成了从半结晶态到非晶态的转变，又在之后的储藏过程中，发生了部分老化，从而表现出糊化温度降低，糊化焓值大大减小的现象。挤压超微的峰值温度TP略高于挤压膨化样，这可能也与超微粉碎处理有关。

2.2各米粉样品的流变性分析

表2为25℃下，浓度为3%的各米粉样品流变特征参数值，其中各样品曲线拟合的相关系数值均接近于1，说明在25℃下，3%的各米粉样品，其流变性均服从Herschel-Bulkley模型；所有样品的流体指数n值都小于1, 说明各米粉样品糊均为假塑性流体。

表2　浓度为3%的样品流变特性参数值

对比原样，超微粉碎样，超微超压样和超压超微样都呈现出触变环变小、n值变小、k值变大的现象，其中超压超微样有最小的流体指数n值(0.595)和最大的稠度系数k值(0.196Pa·s)，说明超微粉碎处理使米粉糊的剪切变稀现象减弱，米粉糊稠度比原样大；这可能是因为超微粉碎处理使淀粉颗粒粒径变小，颗粒比表面积增大，与水的接触面积增大，结合水的能力增强，形成了更加稳定的网络结构，所以剪切作用对体系的结构破坏作用变小。超高压样的流变特征参数与原样无显著差异，说明超高压处理对样品流变性几乎无影响。挤压膨化样和挤压超微样的触变环面积分别为20.47和19.07，相比其他5个样品有显著降低。说明挤压膨化处理样的触变性几乎不存在；挤压样的n值非常接近1，说明挤压膨化处理使米粉糊的流体特性偏近于牛顿流体，并有效地改善了米粉糊的流动性；挤压样的k值远小于原样和超微粉碎样，说明挤压膨化处理降低了米粉糊的增稠能力。

2.3不同温度下各米粉样品溶解度与膨胀度的变化

溶解度和膨胀度反映了淀粉与水之间相互作用的大小。生淀粉分子靠分子间氢键结合而紧密排列，当其水溶液经加热后，淀粉分子结晶区的部分氢键被切断，结晶结构受到破坏，使得游离水渗入淀粉分子内部，所以米粉的溶解度随着温度的升高而增大。

由图1知，对比原样，超微粉碎样，超微超压样和超压超微样的溶解度都有明显上升。这可能是因为超微粉碎处理使米粉颗粒粒度大大降低，比表面积大大提高，与水的接触面积也增大了，所以溶解度得到了提高。超高压样的溶解度与原样无显著差异。挤压膨化样和挤压超微样的溶解度远远高于其他5个样品的溶解度，这可能因为挤压处理时在高温剪切的条件下，淀粉颗粒中部分支链淀粉大分子物质降解成为直链淀粉和麦芽糊精等小分子物质[11]，从而使溶解度增加；LIU等[5]和JONGSUTJARITTAM等[12]得出了相似结论。

图1　不同温度下各米粉样的溶解度Fig.1　Water solubility of samples at different temperatures

淀粉膨胀度是指米粉的吸水能力。米粉水溶液经加热后，靠分子间氢键紧密结合的淀粉分子部分被溶解形成空隙，水分子浸入内部，淀粉颗粒因吸水而体积膨胀，导致淀粉膨润[13]。所以淀粉的膨胀度随着加热温度的升高而增大。

由图2知，超微粉碎样，超微超压样和超压超微样的膨胀度相比原样略有下降，原因可能有两方面：一是由于超微粉碎导致淀粉颗粒结构被破坏，溶解度增大，更多的淀粉分子溶解在水中，吸水膨胀的淀粉颗粒数减少；二是超微粉碎处理形成了一些分子质量相对较小的直链淀粉，直链淀粉的膨胀度不如支链淀粉，因而降低了其膨胀度[14]。超高压样的膨胀度与原样无显著差异。挤压膨化样与挤压超微样的膨胀度明显低于其他5个样品。在55～75 ℃之间，挤压处理样的膨胀度有明显的上升趋势，从75～95 ℃又开始呈现下降的趋势，这可能因为挤压过程中的强剪切力作用破坏了淀粉颗粒，使部分支链淀粉降解为糊精等小分子物质，当达到一定温度时，由于糊精含量增加，膨胀度又开始下降。

图2　不同温度下各米粉样的膨胀度Fig.2　Swelling power of samples at different temperatures

2.4各米粉样品的冻融稳定性分析

冷冻和解冻会使淀粉糊出现脱水收缩现象，最明显的是形成海绵状结构，水分被挤出，形成较硬的结构[15]。冻融稳定性由析水率表示，析水率越高，表明米粉的冻融稳定性越差。

由图3知，第一次冻融循环后的原样米粉糊的析水率最大，之后的几次循环中，总析水率虽然继续增加，但增加量逐渐减少。在同一次冻融循环中，超微粉碎样，超微超压样和超压超微样的析水率相较于原样明显降低，这可能是因为超微粉碎处理大大降低了米粉的颗粒粒径，使米粉颗粒吸水膨胀不易破裂，持水能力强，因此超微粉碎处理有利于改善米粉糊的冻融稳定性。超高压处理样的析水率与原样无显著差异。挤压膨化样和挤压超微样的析水率相较于其他5个样品均有大幅降低，这说明挤压膨化处理能显著改善米粉糊的冻融稳定性，且改善效果明显强于超微粉碎处理与超高压处理。

图3　样品的冻融稳定性Fig.3　Freezing and thawing stability of different samples

2.5各米粉样品的体外消化动力学分析

影响淀粉消化速率的原因有两方面：淀粉与酶接触的物理结构(如蛋白质包埋)和降低酶反应速率的化学结构(如脂质和淀粉的复合结构)[16]。

由图4知，米粉在前20min的消化速率很快，这说明米粉中的大部分淀粉为快消化淀粉；随着消化时间的增加，消化速率呈现逐渐变慢的趋势，这是因为底物被消化后浓度降低造成的。对比原样，超微粉碎样，超微超压样和超压超微样的体外消化速率和消化率皆有显著增加，这可能是因为米粉中脂质与淀粉的复合结构阻碍了淀粉与酶的接触，从而阻碍了淀粉的消化，超微粉碎处理的强剪切作用破坏了这些复合结构，打破了脂肪对淀粉消化的影响。超高压样的体外消化速率和消化率与原样无显著差异。挤压膨化样和挤压超微样的体外消化速率和消化率相较于其他的5个样品皆有显著增加，这可能是因为挤压膨化过程中的高温高压强剪切力作用，使米粉中的淀粉大分子发生降解生成糊精；因此，挤压膨化处理可明显改善米粉的消化率，并提高米粉的消化速率。

图4　样品体外消化性Fig.4　In vitro digestibility of different samples

3　结论

(1)超微粉碎后，碎米粉的糊化温度上升，糊化焓减小；溶解度增加，膨胀度减小，冻融稳定性得到改善，米粉糊剪切变稀现象变弱，稠度增大，体外消化速率和消化率增大。

(2)超高压处理方式对米粉的理化性质无显著性影响。

(3)挤压膨化处理使碎米粉糊化温度下降，糊化焓显著减小；溶解度明显增加，膨胀度减小，冻融稳定性和米粉糊剪切变稀现象得到很大改善，体外消化速率和消化速率显著增大。

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EffectsofthreephysicalprocessingmethodsonthephysicalpropertiesandinvitrodigestibilityofIndicarice

LIYa-qin,ZHOUYi-bin*,JINShan-shan,ZHANGShu

(SchoolofTeaandFoodTechnology,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China)

BrokenIndicaricewassubjectedtosuperfinegrinding,ultra-highpressure,extrusion,andcombinedtreatments,thephysicochemicaloftheresultingricefloursampleswereinvestigated.Comparedtonativericeflour,superfinegroundriceflourhadhighergelatinizationtemperature,lowergelatinizationenthalpy,greatersolubility,weakerswellingpower,betterfreeze-thawstabilityanddigestibility,greaterviscositycoefficientk.Ultra-highpressuretreatmenthadnoeffectsonthephysicochemicalofricefloursamples.Comparedtonativericeflour,extrusionriceflourhadlowergelatinizationtemperature,muchlowergelatinizationenthalpy,greatersolubility,weakerswellingpower,muchbetterfreeze-thawstabilityandinvitrodigestibility,muchlowerviscositycoefficientk.

BrokenIndicarice;superfinegrinding;ultra-highpressure;extrusion

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201608016

硕士研究生(周裔彬教授为通讯作者，E-mail：zhouyibin@ahau.edu.cn)。

安徽省科技计划(1401032009)

2015-12-30，改回日期：2016-01-26