浸润温度对籼米淀粉结构的影响

鲁 姣，熊 诗，谢淑丽，赵思明，荣建华

(华中农业大学食品科技学院，湖北 武汉 430070)



浸润温度对籼米淀粉结构的影响

鲁 姣，熊 诗，谢淑丽，赵思明，荣建华

(华中农业大学食品科技学院，湖北 武汉 430070)

基于米饭烹制过程中，存在低温浸润阶段，研究浸润温度对淀粉颗粒形貌和晶体结构的影响，为米饭烹制条件的优化提供理论依据。结果表明，随着浸润温度的升高，淀粉粒径逐渐增大。温度低于60℃，淀粉颗粒外观变化不明显，高于60℃，淀粉颗粒表面有凹坑和裂痕。随着浸润温度的升高，淀粉结晶由A型向无定型晶型转变，且结晶度逐渐降低，在70℃时急剧下降。

籼米淀粉；结构；浸润温度；米饭烹制

米饭作为我国和东南亚的传统主食，具有柔软、黏弹的口感，随着社会的发展，生活水平的提高，对米饭品质的要求越来越高。淀粉是米饭等稻米食品的主要成分，其结构的变化影响着米粒吸水率、膨胀率及糊化程度，进而影响到米饭的硬度、黏性、黏硬比等物性及适口性[1]。目前，大多数研究主要通过温度和湿度的变化来改变淀粉的结构，进而达到控制米制品品质的目的。

温度和湿度与淀粉结构的关系主要集中在高温段，即糊化温度以上，水分子获得热能进入淀粉分子内部并与其争夺氢键，由无定型区域扩大到结晶内部，淀粉分子微晶束由原来紧密结合状态变成疏松状态，淀粉分子充分伸展，失去平行排列，并且氢键与水分子高度水化[2]。淀粉结晶结构破坏的快慢，除外界因素影响外，直链淀粉和支链淀粉比例的差异也影响着结晶结构破坏的快慢，直链淀粉含量越高，其结晶结构破坏越慢[3]。

米饭的熟化依赖于高温段淀粉的糊化，但是，低于糊化温度的低温浸润是米饭烹制的重要阶段。大米在适宜的低温下浸泡保温一段时间后，可明显提高米饭水溶性蛋白质和游离氨基酸含量[4]，提高米饭的香气、口感及不饱和脂肪酸含量[5]。国内外学者对米饭烹饪工艺进行大量的研究，目的是使烹饪的米饭营养和口感更好，同时也从宏观上说明浸润处理对米饭品质影响较大，但是研究影响米饭品质的淀粉在蒸煮过程中变化的报道极少，浸润处理对淀粉结构的影响尚不清楚。本试验试从微观角度探究低温对籼米淀粉结构的影响，为进一步完善米饭烹饪过程品质变化提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料与设备

实验材料：星2号米，籼米，生产厂家：湖南金健米业股份有限公司，产地：湖南常德；大米淀粉，从星2号米中提取[6]。

实验设备：Mastersizer型激光粒度仪，JSM-6390LV型扫描电子显微镜，X'Pert PRO型X射线衍射仪，VERTEX 70型傅里叶红外光谱仪。

1.2 实验方法

1.2.1 淀粉样品制备

将淀粉与蒸馏水按质量比1∶1.4配制成淀粉悬浊液(实验室前期试验确定星2号籼米与水比为1∶1.4时，采用MB-FS4017型电饭煲(广东美的生活电器制造有限公司)制作的米饭品质最佳，籼米淀粉的水分含量为(8.19±0.35)%，分别置于20℃(对照温度)、30、40、50、60、70℃水浴锅中恒温15 min，取出置于-18℃冰箱冷冻，然后真空冷冻干燥，样品粉碎过100目筛，采用塑料自封袋封装，置于干燥器中保存，备用。

1.2.2 淀粉粒度分布的测定

测试条件：遮光率：15%～20%；颗粒折射率：1.530；分析模式：通用；分散剂：蒸馏水。

取相同量的原淀粉悬浊液和不同温度制备的淀粉悬浊液(制备方法同1.2.1节，样品不冷冻干燥)，加入到样品池内，采用超声清洗器在80 W功率下超声10 min，使淀粉悬浮液分散均匀。每个样品重复3次，取平均值。

1.2.3 扫描电子显微镜观察

在扫描电子显微镜样品台上贴上双面胶，用棉签挑取适量样品涂在双面胶上，洗耳球吹去多余样品粉末，喷金观察，然后在10 000倍下观察，选择视野清晰且具有代表性的样品颗粒并拍摄。

1.2.4 X射线测试条件

室温下，使用X'Pert PRO型X 射线衍射仪对样品进行分析测定。实验参数为铜靶Cu Kα，射线波长λ=0.154 06 nm，电压40 kV，电流40 mA，功率 1 600 W，NaI 晶体闪烁计数器测量 X 射线强度，扫描范围为5°～40°，扫描速度为 7°/min，步长为 0.013°，将所得衍射峰分解为结晶和非结晶两部分，结晶度为结晶峰的面积与总面积比值。测试数据进一步通过JADE 6.0软件进行拟合计算结晶度和微晶尺寸。

1.2.5 傅里叶变换红外光谱测试条件

制样采用 KBr 压片法，称取上述处理样品4.0 mg，加入 KBr 至总重200.0 mg，充分研磨，将研磨好的粉末倒入模具中抽真空压片，12 MPa压力下保持30 s，压至透明。将待测样品置于傅里叶红外光谱仪中进行扫描，扫描范围为4 000～500 cm-1，分辨率为 4 cm-1，扫描32次，重复3次，所得结果用Omnic 软件进行自动基线调整，取平均光谱数据。

1.2.6 数据处理

所有试验均进行3次平行，2次重复试验。采用Excel和Origin 8.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 浸润温度对淀粉粒度的影响

由图1可知，不同浸润温度处理后的淀粉颗粒粒径都呈现出两个粒度分布峰，第一个小峰位于1 μm左右，所占比重不大，第二个主峰表示淀粉颗粒集中分布在5.80～8.07 μm。由表1可知，浸润温度对淀粉颗粒具有一定的影响，随着温度的升高，淀粉颗粒的平均粒径逐渐增大，温度低于60℃粒径略有变化，超过60℃粒径显著增大，尤其是温度在70℃时，淀粉粒径增大明显。这可能是由于水分子进入淀粉颗粒内部，优先破坏无定形区域分子内氢键[7]，淀粉的无定形区与水分子结合导致淀粉颗粒吸水膨胀，随着加热温度的继续升高，结晶区的氢键逐渐被破坏，此时淀粉颗粒吸收大量水分并继续膨胀[8]。

图1 不同浸润温度的淀粉粒径分布

表1 不同浸润温度的淀粉粒径参数

注：浸润时间为15 min，D0.1、D0.5、D0.9分别表示样品中粒径小于该直径的颗粒占颗粒总数的10%、50%和90%；字母不同表示差异显著(P<0.05)。

2.2 浸润温度对淀粉颗粒形貌的影响

图2是淀粉在不同温度下浸润15 min扫描电镜图。由图2可知，原淀粉颗粒棱角分明，呈不规则多面体结构。不同温度下浸润的淀粉颗粒棱角略有破坏，整体多面体结构变化不明显。40℃和50℃下浸润15 min后淀粉颗粒的微观结构部分略有破坏，但跟原淀粉差异不大，此结论与多数学者研究结果一致[6，9-11]；60℃时，淀粉颗粒表面呈现凹陷现象；70℃，淀粉颗粒表面出现明显缺损。这可能是较高的温度下，水分进入淀粉颗粒的无定形区域，受到热力作用淀粉颗粒吸水溶胀发生膨胀，冷却后在淀粉颗粒表面形成塌陷[12-13]。由此可见，浸润温度对淀粉颗粒形貌有一定影响。

图2 不同浸润温度的淀粉颗粒扫描电镜图

2.3 浸润温度对淀粉晶体特性的影响

不同浸润温度的淀粉X射线衍射图见图3。

图3 不同浸润温度的淀粉X射线衍射图

分析图3可知，大米原淀粉和40～60℃浸润15 min的淀粉，其衍射峰位置主要集中在15°～25°，在衍射角15°、17°、18°和23°处有强衍射吸收峰，17°和18°处为相连的双峰，呈谷物淀粉典型A型晶体[11]。说明低温短时间浸润淀粉，对其晶体结构影响小，仍保持原有晶型。衍射峰强度及半峰宽的变化反映了淀粉颗粒晶粒度的大小、无定形化程度和晶格畸变等[14]。但是随着温度的升高，衍射尖峰逐渐左移，峰逐渐变宽，峰高降低，晶体的结晶度逐渐减小，说明晶体之间的距离增大，晶体排列松散，晶格有序化程度逐渐降低，无定形化程度逐渐增大。70℃浸润15 min淀粉，其衍射吸收峰变化显著，15°、17°、18°和23°处吸收峰的峰高和峰面积显著减弱，变得弥散，表现出非晶体衍射特征，晶型发生明显变化，淀粉内部的有序结构由结晶区向无定型区域转化。

不同浸润温度的淀粉结晶参数见表2。

表2 不同浸润温度的淀粉结晶参数

由表2可知，不同温度处理的淀粉，其结晶度随着温度的升高逐渐降低。随着温度的升高，水分子进入淀粉内部的速率和数量增加，淀粉颗粒无定形区域吸收水分并发生有限膨胀，结晶区部分淀粉链双螺旋结构被解开，淀粉颗粒内部结晶区的氢键随加热温度的继续升高而被破坏，淀粉颗粒的晶型结构逐渐消失，导致结晶度减少[15-17]。

2.4 浸润温度对淀粉红外吸收光谱的影响

红外光谱和拉曼光谱可以检测分子中化学键振动频率、振动强度和键能的变化，检测淀粉颗粒在受热过程中的化学键、淀粉结晶、分子链的构象及螺旋结构的变化[18-19]。

不同浸润温度的淀粉红外吸收光谱见图4。

图4 不同浸润温度的淀粉红外吸收光谱

从图4可以看出，籼米淀粉和浸润低温加热后淀粉的红外光谱图谱差异不显著，没有新的吸收峰出现，随着浸润温度的升高，吸收峰波数向低波数方向移动。部分吸收峰的图谱宽度和强度发生变化。1 200～800 cm-1属于指纹区，是高度耦合的[JG(]C[ZJY]O[JG)]、[JG(]C[ZJY]C[JG)]、[JG(]C[ZJY]H[JG)]等键的震动，对淀粉结构的变化非常敏感。1 047 cm-1和995 cm-1处表征的是淀粉结晶区的结构特征，代表短程分子内的有序结构，1 047 cm-1处对应淀粉聚集态结构中的有序或结晶结构，995 cm-1处对应于脱水葡萄糖单元的羟基在淀粉分子间所形成的氢键有序化结构，与淀粉中的短程有序化结构有密切联系，1 022 cm-1处是淀粉无定形区的结构特征，对应于淀粉大分子的无规线团结构。

不同浸润温度下淀粉红外指纹区吸收光谱见图5。

图5 不同浸润温度下淀粉红外指纹区吸收光谱

由图5可知，浸润温度显著影响淀粉指纹区吸收峰的宽度和强度，随着温度的升高，吸收峰的宽度和强度逐渐减弱，60℃和70℃时的淀粉，1 047、995和1 022 cm-1处的吸收峰基本消失，进一步说明淀粉在此温度范围内，结晶结构逐渐消失。

吸收峰的强度比值R(A1 047/A1 022)和R(A995/A1 022)的比值反映淀粉分子结构中有序化结构和无规线团结构的比例关系，表示淀粉颗粒在短程范围内的结晶程度[20]。

不同浸润温度下淀粉吸收峰的比值R(A1 047/A1 022)和R(A995/A1 022)见表3。

表3 不同浸润温度下淀粉吸收峰的比值R(A1 047/A1 022)和R(A995/A1 022)

由表3可知,吸收峰强度的比值R(A1 047/A1 022)和R(A995/A1 022)随着浸润温度的升高，其比值逐渐增大，淀粉颗粒在短程范围内的结晶程度越小。

X射线衍射测量的是分子链堆砌形成的分子间次序(或称为长程序列)，傅里叶红外测量的是短程分子内的序列。两种方法都印证浸润温度的升高，淀粉的结晶度逐渐下降，结晶结构逐渐被破坏。

3 结论

低温浸润对籼米淀粉的微观形貌和晶体特性有显著的影响，随着浸润温度升高，淀粉颗粒吸水膨胀，淀粉粒径逐渐增大，温度高于60℃，淀粉颗粒表面凹坑，并且淀粉颗粒的结晶度随着温度的升高而降低。低温浸润有利于淀粉颗粒充分吸水，体积膨胀导致破裂，温度越高，淀粉颗粒越易破裂，有利于淀粉糊化。

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(责任编辑：赵琳琳)

Influence of temperature on starch structure of long-shaped rice

LU Jiao,XIONG Shi,XIE Shu-li,ZHAO Si-ming,RONG Jian-hua

(College of Food Science and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China)

Based on soak stage in low temperature during rice cooking process,the influence of soak temperature on the microstructure and crystal structure of rice starch were studied,in order to provide a theoretical basis for optimizing the conditions for rice cooking.The results showed that the starch particle size gradually increased with soak temperature rising.The starch granules changed little in appearance when temperature was below 60℃,but there were pits and cracks on the surface of starch granule when temperature was over 60℃.The crystal type of starch changed from A-type to amorphous type with increase of soak temperature,then degree of crystallinity was gradually low,and was decreased sharply at 70℃.

lactic acid bacteria；soybean meal fermentation；bacteria amount；polypeptides；rice cooking

2017-02-28；

2017-05-13

湖南省科技厅2014年度科学发展计划专项资金(项目编号：2014FJ1008)。

鲁 姣(1992-)，女，硕士研究生，研究方向为食品工程。

荣建华(1972-)，女，副教授，博士，研究方向为食品大分子结构及功能特性。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.06.005

TS235.1

A

1003-6202(2017)06-0019-04