微波处理对大米RVA谱特征值和微观结构的影响

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(南京财经大学食品科学与工程学院,江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心, 江苏高校粮油质量安全控制及深加工重点实验室,江苏南京 210023)



微波处理对大米RVA谱特征值和微观结构的影响

张晓红,万忠民*,孙君,陈培栋,刘兵

(南京财经大学食品科学与工程学院,江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心, 江苏高校粮油质量安全控制及深加工重点实验室,江苏南京 210023)

本研究采用不同的微波功率和时间处理包装大米,并进行品质测定和电镜扫描,系统分析处理后大米的糊化特性和微观结构的变化,从微观结构的角度探讨RVA谱特征值的改变规律及机理。结果表明:微波处理降低了大米蒸煮RVA谱峰值黏度、热浆黏度、最终黏度和回生值,糊化温度和衰减值均随微波功率和处理时间的增加而升高。微波功率(400、640 W)和处理时间(60、90 s)对RVA特征值都有显著影响(p<0.05),800 W的微波功率及120 s的微波时间影响均为极显著(p<0.01);微波处理对淀粉颗粒的结构和形态有修饰作用,使淀粉颗粒间空隙变大,大米在蒸煮时可渗入更多水分,蒸煮品质得到改善。微波处理可以优化大米的糊化性质,改变大米淀粉颗粒形态和结构,提高大米的食味品质。

大米,微波处理,糊化特性,微观结构

大米是人们生活必不可少的主食之一,全世界大米年产量约5.2亿吨,39个国家以大米为主要食物,尤以亚洲对稻米的依赖性最强[1]。大米失去谷壳保护,胚乳外露,储存稳定性差,易受湿、热、氧、虫、霉等影响而劣变[2]。现阶段大米储藏方式主要有常温储藏、低温储藏、气调储藏等,但总体来说在应用性、经济性、安全性以及环境友好性等方面仍然具有一定的局限性,开发出一种高效、绿色、环保的大米保鲜新方法对粮食行业至关重要。

微波保鲜技术具有杀菌效率高、不污染食品和环境等特点,符合粮食行业“绿色储运”和“生态储运”的目标[3],作为一种现代高新技术在稻谷杀菌灭虫与保鲜方面已经有了一定的研究。Zhao等[4]研究发现,当微波功率为500 kW,频率为15 GHz,杀灭害虫只需6 s,可处理大批量谷物和成品粮,微波处理后不破坏粮食品质,不影响谷物发芽率,脂肪酸值显著降低,储藏期延长。张志慧等[5]研究了微波处理对稻谷品质的影响,发现微波处理能在对虫害致死和霉菌抑制的同时,提高稻谷的储藏性能,但该研究未涉及微波处理稻谷加工成大米后的品质变化。目前在粮食行业,微波主要用于谷物干燥、种子处理、水分测定和防治害虫等[6-9],关于微波技术应用于大米保鲜,微波处理对大米品质和微观结构的影响相关研究几乎没有。

课题组已做大量实验证实微波处理可应用于大米的保鲜[10]。本文主要探究微波处理对大米淀粉性质的影响,大米中75%左右是淀粉,Alamri M S[11]等研究表明淀粉在大米的理化性质和营养价值的差异上起决定性作用,糊化特性是反映淀粉品质的一项重要指标,一般采用快速黏度测定仪测定,其可模仿淀粉在糊化过程中发生的一系列黏度变化规律[12]。王日思[13]等研究发现大米糊化特征值与食味具有高度相关性,而决定大米糊化特性的主要原因是淀粉微粒结构变化,所以研究微波处理对大米糊化品质和微观结构的影响具有重要意义。本研究采用不同的微波功率和时间处理包装大米,系统分析处理后大米糊化品质和微观结构的变化规律,从微观结构的角度阐述糊化特性改变的机理,为微波技术应用于加工改性大米淀粉、改善大米食用品质、陈米改良等提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

粳米 淮粳2号稻谷加工而成,一级,直链淀粉含量16.27%,初始水分含量为14.75%,江苏省农垦米业有限公司;戊二醛、叔丁醇、乙腈 分析纯,上海振兴化工一厂;无水乙醇 分析纯,南京化学试剂有限公司;食品级专用耐高温透明塑封袋 PA/PET/CPP三层复合材料,沧州众信塑业有限公司。

Perten RVA4500快速粘度分析仪 波通瑞华科学仪器有限公司;日立TM-3000台式扫描电镜 日本株式会社日立高新技术那珂事务所;微波炉 佛山美的微波电器制造有限公司;101-3AS型电热鼓风干燥箱 上海速进仪器设备厂;FW80高速万能粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 大米包装 将新加工的大米装入食品级专用耐高温透明塑封袋(规格18 cm×25 cm,500 g/袋),将袋内的空气排出,立即用封口机进行封口,待微波处理。

1.2.2 微波处理 包装大米放入微波炉腔内,采用不同的微波功率和时间进行处理。大量预实验结果显示选用微波功率≤800 W,处理时间≤120 s时,大米外观、食用品质较好,过度处理会使大米色泽发生变化。本实验在微波时间60 s时，研究0、240、400、640、800 W时的糊化特征值；在微波功率640 W时，研究0、30、60、90、120 s时的糊化特征值，每个处理做3组平行。因包装袋密闭性较好,处理后大米的水分几乎无散失,爆腰率和碎米率无变化。为保证大米受微波辐照均匀,每袋大米厚度相同(将大米装入包装袋后,用直尺压平,留2 cm边距进行封口),每次放入微波炉的位置相同,处理结束待大米冷却至常温,进行品质测定。

1.2.3 糊化特性的测定 按照国际谷物科学与技术协会的方法(ICC Stan-dard No.162)[14]进行测定。测试程序参数见表1。为了保证测试结果的可靠性,根据大米试样的实际水分(水分测定按照GB/T 5497-1985),按14%水分校正,以确定称取样品的量。测得RVA谱特征值主要包括:峰值粘度(Peak viscosity,PV)、热浆黏度(Hot through viscosity,HV)、衰减值(Breakdown viscosity,BD=PV-HV)、最终粘度(Final viscosity,FV)、回生值(Setback viscosity,SB=FV-PV)、糊化温度(Pasting temperature,PaT)。

表1 大米糊化特性测试程序Table 1 Test program of rice pasting properties

注:表中时间对应参数开始变化的时刻,中间时间段转速保持不变。

1.2.4 大米微观结构的测定 取20～25粒完整大米样品于培养皿中,用质量分数为2.5%的戊二醛溶液浸泡2 h进行固定,pH7.8的磷酸缓冲液漂洗3次,每次10 min,用超纯水清洗3次,分别用体积分数30%、50%、60%、70%、80%、90%、100%乙醇梯度脱水,再分别用体积分数50%、70%、100%叔丁醇过渡10 min,然后用叔丁醇、乙腈混合液干燥样品[15]。干燥后,用刀片将大米拦腰切割,置于黑色导电双面胶上并固定在载物台上,放入离子溅射仪的喷金室,溅射电流为1.5 mA,加速电压为15 kV,溅射时间为90 s,处理完毕后,扫描电镜下放大不同倍率观察大米胚部形态及淀粉组织结构。

1.2.5 实验数据处理 采用Excel 2013进行数据统计分析,用SPSS 22.0进行显著性分析和多重比较,p<0.05差异显著,p<0.01差异极显著。

表2 不同微波输出功率处理60 s对大米RVA谱特征值的影响Table 2 Changes of RVA characteristics of rice treated for 60 s with different microwave output power

注:同一特征值标有不同字母,表示不同功率间差异显著(p<0.05);*表示与对照组差异显著(p<0.05),**表示与对照组差异极显著(p<0.01);表3同。

2 结果与分析

2.1微波处理对大米糊化性质的影响

2.1.1 不同微波输出功率对大米糊化特征值的影响 糊化特性是反映淀粉品质的一项重要指标,大米糊化特征值与食味具有高度相关性。淀粉糊化顺序为:无定形区吸水膨胀,小分子聚合物溶出,结晶区逐渐消失,大分子聚合物溶出,最终淀粉颗粒破裂[16]。从表2中数据可看出微波处理大米,随着微波功率的增加大米糊化峰值黏度(PV)、热浆黏度(HV)、最终黏度(FV)和回生值(SB)减小,衰减值(BD)、糊化温度(PaT)逐渐上升。

峰值黏度指在机械剪切力作用下,淀粉糊化黏度增加与淀粉颗粒破裂黏度减小间的平衡点黏度值[12]。从表2可知,对照组大米(未经微波处理)的峰值黏度为(2434.14±88.07) cp，峰值黏度随功率的增大逐渐减小,800 W时最小为(2232.65±90.59) cp,降低了200 cp;显著性分析结果显示,240 W处理组与对照组无显著差异,400 W处理组与对照组差异显著(p<0.05),640 W和800 W处理组与对照组差异极其显著(p<0.01)。陈银基[17]研究表明:大米峰值黏度降低后更耐蒸煮,食味品质更高。Antipov S T等[18]研究表明微波处理稻谷后,温度升高会加速稻谷内部淀粉-米谷蛋白络合物与籽粒内部含氮化合物的络合,提高籽粒内部大颗粒淀粉在蒸煮过程形状和分子特性的稳定性。本实验结果表明微波处理使大米峰值黏度降低,说明微波处理有利于提高大米耐蒸煮性。

热浆黏度代表淀粉颗粒溶胀程度与破裂程度之间的平衡。Taghinezhad E[12]等研究表面稻米淀粉的热浆黏度随储藏时间的延长逐渐增大,溶胀程度不足以使淀粉颗粒破裂,食用品质变差。由表2可知大米热浆黏度随着微波功率的增大呈下降趋势,400 W和640 W处理组与对照组比较,大米热浆黏度显著(p<0.05)降低,两功率处理组的热浆黏度无显著差异,800 W处理组与对照组差异极其显著(p<0.01)。

衰减值是糊化性质中最敏感的指标[19],代表淀粉颗粒的破裂程度,其值越大,说明越多的淀粉颗粒在加热中破裂,内部淀粉分子被释放出来,衰减值越大食味越好。从表2可看出衰减值随微波处理功率的增大而增大,不同的功率对衰减值都有显著影响,800 W功率对其影响极其显著(p<0.01),说明微波处理后增大了淀粉颗粒的破碎。Tan等[20]研究证实衰减值降低与大米支链淀粉含量和微观结构有显著关系。衰减值增大可能是在微波场的作用下,淀粉中的羟基等极性分子发生高频振动,相互摩擦,产生热能使氢键断裂,破坏了分子间的缔合状态,双螺旋打开形成分离状态,破坏了支链淀粉的微晶体结构,微晶束分散,较小的支链淀粉从颗粒中游离出来,增加米饭口感柔软度,提高食味品质。

最终黏度代表冷糊的凝胶程度,与淀粉在蒸煮冷却后形成黏稠糊状物和凝胶的能力有关,最终黏度增大,米饭黏度下降,硬度上升[21]。从表2可看出随着微波功率的增大最终黏度减小,功率≥400 W时对最终黏度有显著影响(p<0.05),400 W和640 W处理组之间没有显著性差异；800 W处理组与对照组比较,差异极显著(p<0.01),降低了约300 cp。

回生值代表淀粉冷糊的稳定性和老化趋势[22]。回生值越大大米越易老化,食用品质越差,相同处理时间,回生值随微波功率的增大而减小,对照组大米回生值为1117 cp,800 W时为1006.95 cp,下降了约110 cp,说明微波处理可减小大米老化能力,改善大米品质。与Kong X[23]的研究结论微波处理使淀粉内部米谷蛋白与其他蛋白质间二硫键桥络合作用力增加,导致蛋白质水溶特性和淀粉-蛋白质交联作用降低,抑制淀粉的老化一致。

糊化温度是大米蒸煮过程中使淀粉颗粒发生不可逆膨胀的温度,值越高,在糊化过程中需要吸收更多水分,大米蒸煮品质越高[17]。从表2可明显看出大米糊化温度随微波功率的增大而增大。与对照组相比,240 W的微波功率对大米糊化温度影响不显著,功率增大至400 W时有显著影响(p<0.05),640 W和800 W时有极其显著的影响(p<0.05),640 W和800 W两功率间无显著差异。微波处理后大米糊化温度升高可能是微波改变了淀粉的组织形态和结构使得糊化时需要更多的能量,因此更耐蒸煮。

2.1.2 不同微波处理时间对大米糊化特征值的影响 从表3可以看出相同微波输出功率,随着微波处理时间的增加,大米蒸煮时峰值黏度、热浆黏度、最终黏度和回生值均呈现下降趋势,衰减值和糊化温度随处理时间的延长逐渐上升。处理时间为30 s时,糊化特征值与对照组无显著差异,随着时间的增加,开始出现显著差异,处理时间达120 s时,峰值黏度、热浆黏度、最终黏度、回生值和糊化温度与对照组比较都有极其显著的影响(p<0.01),对衰减值有显著影响(p<0.05)。微波处理后大米糊化特征值的变化趋势,说明微波处理可改变支链淀粉的微晶结构,抑制淀粉老化,提高耐蒸煮性,增大淀粉颗粒的溶胀程度,使更多的较小支链淀粉游离出来,增加米饭的软度,减小硬度,提高食味品质。大米RVA谱各特征值随微波处理时间变化趋势(表3)与随功率的变化趋势(表2)基本一致,因为相同水分含量,微波参数功率和时间是影响处理效果的两个重要因素,作用原理一致,微波功率的增加和时间的延长作用效果一定程度上可以相互转换。

表3 640 W输出功率时不同微波处理时间对大米RVA谱特征值的影响Table 3 Changes of RVA characteristics of rice treated with 640 W for different microwave time

图1 胚乳横截面结构随时间变化(100×)Fig.1 Structural changes of endosperm cross-sectional with time(100×)注:A、B、C、D、E分别为对照组、640 W处理30 s组、640 W处理60 s组、640 W处理90 s组、640 W处理120 s组;图2同。

2.2微波处理对大米微观结构的影响

2.2.1 微波处理后大米横断面微观结构的变化 SEM放大100倍观察大米横截面的结构,如图1所示。大米的主要食用部分是胚乳,胚乳的形态结构及其中各物质成分的累积分布特点是大米食用品质形成的基础,通过解剖观察胚乳结构可了解大米品质的直接成因[15]。从图1A可以看出对照组大米胚乳细胞为长多边形的柱状细胞,排列整齐有序,淀粉粒包裹其中,表面光滑,清晰可见胚乳细胞以胚乳中心或近中心为同心圆呈放射状,由中心向外辐射,中心位置胚乳细胞相对外层细胞较小,这与包金阳[24]研究观察到的新鲜大米结构一致。640 W的功率下处理30 s,大米横截面结构变化不明显(图1B),随着微波处理时间增加,小淀粉颗粒暴露显著增多,细胞间断面变粗糙,放射状分布的轮廓逐渐减弱(图1C和1D)。处理时间继续延长,大米胚乳细胞间的棱角变模糊,放射状轮廓被破坏,几乎看不到(图1E)。可能是微波辐射淀粉颗粒并穿透至颗粒内部,紧密的无定型区域和结晶结构发生变化,淀粉颗粒外部产生凹坑粗糙现象。

2.2.2 微波处理后大米淀粉颗粒微观结构的变化 SEM放大2000倍观察到大米淀粉颗粒结构如图2。对照组大米(图2A)淀粉粒以复粒形式存在,表面有较厚的膜,从破损的复粒淀粉中可观察到饱满的单淀粉粒为棱角分明的多面体,形状规则,排列整齐致密,符合前人[25]对新鲜大米的淀粉结构形态的特性描述。从图2可以看出大米胚乳细胞内主要包含复合淀粉体、蛋白体(图2A)、单粒淀粉(图2E)和一些分散在淀粉体周围的脂肪滴(图2D),此结论和周显青[26]的研究结果一致。此外,从图2C可以看出大米横断面分布有一些“小孔”,这些小孔是细胞内外之间的物质在胚乳生长时进行物质交换时留下的通道[27]。从图2可以看出随着微波处理时间的延长,淀粉复粒崩解,单淀粉颗粒增多,当处理时间增大到一定程度时(图2E),单淀粉粒大小不一,之间的排列变得疏松,可清晰看到空隙。淀粉颗粒结构的变化表明微波造成淀粉内部分子的迁移,颗粒内部结构重新排列。

图2 大米淀粉颗粒微观结构(2000×)Fig.2 The microscopic structure of rice starch granules(2000×)

2.3微波处理后大米RVA谱特征值变化与微观结构变化的相关性分析

由图1和图2可知,微波处理后大米横断面的胚乳细胞相邻淀粉粒之间出现融合,放射状轮廓变模糊,随着微波处理时间的增加,复粒淀粉发生崩解,单个小淀粉颗粒增多。从微波处理后大米的糊化特征值分析,所有RVA谱特征值呈现使食味值变好的趋势。可能是因为微波处理大米后,淀粉结构得到修饰,淀粉中的羟基等极性分子发生高频振动,相互摩擦,产生热能,使氢键断裂,分子间的缔合状态改变,双螺旋打开形成分离状态,支链淀粉降解,较小的支链淀粉从颗粒中游离出来,分散的淀粉颗粒增大了与水结合的表面积,大米在蒸煮过程中水分子可以更容易渗入,增大淀粉颗粒的溶胀程度,使更多的淀粉颗粒在加热中破裂,淀粉分子释放出来,增加米饭口感柔软度,提高食味品质。

3 结论

大量预实验结果表明若选用微波功率>800 W,处理时间>120 s的微波参数处理包装大米,大米体系温度上升较高使大米亮度降低,略有变黄。所以本实验选用微波功率0、240、400、640、800 W,处理包装大米0、30、60、90、120 s。结果表明微波处理时间和微波功率对RVA谱特征值都有显著影响(p<0.05),微波功率的增大与处理时间的延长影响效果一致。随着微波功率的增大或处理时间的延长,大米蒸煮糊化的PV、HV、FV、SB值降低,PaT和BD升高,大米淀粉的老化能力减弱,蒸煮食味品质得到提高。与其他微波功率相比,在800 W微波参数条件下RVA谱特征值最佳。与其他微波时间相比，120 s时的RAV谱特征值最佳。微波处理对大米微观结构起到一定修饰作用,随着微波功率的增大或处理时间的延长,大米内部复粒淀粉颗粒崩解,单粒小淀粉颗粒增多,淀粉颗粒间空隙变大,增大了与水结合的表面积,淀粉颗粒的溶胀程度增加,糊化特性变优。综上可知,微波处理大米可以修饰大米淀粉微观结构,改善大米糊化RVA谱特征值,提高大米蒸煮食味品质。此结论可为微波技术应用于加工改性大米淀粉、改善大米蒸煮食用品质、陈米改良等提供一定的理论基础。微波具有辐照均匀、处理效率高、不污染大米和环境等特点,应用于大米工业化生产具有很大优势。

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EffectofmicrowavetreatmentonRVAspectrumcharacteristicvaluesandmicrostructureofrice

ZHANGXiao-hong,WANZhong-min*,SUNJun,CHENPei-dong,LIUBing

(College of Food Science and Engineering,Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety,Key Laboratory of Grain and Oils Quality Control and Processing,Nanjing University of Finance and Economics,Nanjing 210023,China)

Different microwave power and time was to deal with packaged rice,and then quality measurement and scanning electron microscopy(SEM)were made.The changes of rice gelatinization quality and microstructure were analyzed systematically.Moreover,the variation and mechanism of the RVA spectrum characteristic value were dicussed from the point view of microstructure. The results showed that microwave treatment reduced the rice cooking gelatinization peak viscosity,through viscosity,final viscosity and setback. Gelatinization temperature and breakdown values increased with the increase of microwave power and treatment time. Both microwave power(400,640 W)and treatment time(60,90 s)had significant effects on the characteristic value of RVA(p<0.05),while the power increased to 800 W and time reached to 120 s were both extremely significant(p<0.01).Microwave treatment modified the structure and morphology of starch granules,the space of starch granules became larger after microwave treatment,and then more water could be penetrated during cooking,so the quality of rice was improved. Microwave treatment optimized pasting properties of rice,changed the morphology and structure of rice starch granules and improved the eating quality of rice.

rice;microwave treatment;pasting properties;microstructure

2016-12-14

张晓红(1992-)，女，硕士研究生，研究方向:粮食储藏与加工，E-mail:15951913557@163.com。

*通讯作者:万忠民(1968-)，男，硕士，副教授，主要从事粮油食品的加工与保鲜方面的研究，E-mail：wzm160701@163.com。

农业成果转化资金(SQ2013ECC100008)；粮食公益性行业科研专项经费项目(201513001)；江苏高校优势学科建设工程资助项目。

TS210.1

:A

:1002-0306(2017)12-0087-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.12.016