柠檬酸脱镉对糙米粉结构及理化性质的影响

吴亚楠 鞠兴荣 王志高 何 荣 袁 建 邢常瑞

(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1，南京 210023)(江南大学食品学院2，无锡 214122)

柠檬酸脱镉对糙米粉结构及理化性质的影响

吴亚楠1鞠兴荣1王志高2何 荣1袁 建1邢常瑞1

(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1，南京 210023)
(江南大学食品学院2，无锡 214122)

在前期柠檬酸脱除糙米粉中镉的研究基础上，为进一步了解柠檬酸脱镉对糙米粉品质的影响，采用扫描电镜、X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪、差示扫描量热仪、快速黏度分析仪对柠檬酸脱镉前后糙米粉的结构及理化性质进行了测定。结果显示，酸处理糙米粉的直链淀粉含量显著低于原糙米粉；酸处理糙米粉的表面变得粗糙，小颗粒淀粉数目增多，但未改变其晶体类型，也未产生新的化学键或基团；酸处理糙米粉的糊化开始温度、峰值温度、终止温度均显著降低，但吸热焓增大；酸处理糙米粉的最高黏度、崩解值显著增大，最低黏度、最终黏度、回生值、糊化温度显著降低。结果表明，柠檬酸脱镉后糙米粉的结构未发生显著变化，但品质有所提高。

柠檬酸 镉 糙米粉 结构 理化性质

大米是世界上最重要的粮食之一，尤其是在亚洲，为人体提供总热量摄入的35%～60%[1]。但由于受镉污染严重，镉污染大米的利用率大大降低。到目前为止，关于大米中镉的脱除方法的研究报道不多，特别是对脱镉后大米品质变化的研究更少。在前期的研究中，本课题组采用柠檬酸浸泡法脱除了糙米粉中的镉，脱镉率高达94%，获得了镉含量远低于国家限量标准0.2 mg/kg的糙米粉，且脱镉后糙米粉中的主要化学成分，如蛋白质、淀粉、脂肪的含量仍然很高[2]。熊善柏等[3]研究发现，用有机酸溶液浸泡大米，可改善米饭复水前后的色泽，改善制品的黏弹性及口感，增进米饭的香味和滋味，且在储藏过程中不产生日晒味，品质稳定。但要深入了解酸处理对大米品质产生变化的原因，需对酸处理后的大米结构及理化性质进行进一步研究。有研究表明，淀粉-蛋白质复合物的理化性质较单一成分的理化性质有所不同[4]。而目前，对大米粉或糙米粉结构、理化性质的研究主要是通过分离淀粉和蛋白，分别对其结构和性质进行研究，很少有对大米粉或糙米粉的整体结构及理化性质的研究报道。本试验在前期柠檬酸脱除糙米粉中镉的研究基础上，进一步研究该方法对糙米粉结构及理化性质的影响。通过测定柠檬酸脱镉前后糙米粉的晶体结构、颗粒形态、分子结构、黏度特性及糊化特性的变化，研究柠檬酸脱镉对糙米粉品质的影响，为柠檬酸脱镉技术的应用提供更多的科学依据。

1 材料与方法

1.1 原料与设备

过100目筛的原糙米粉及柠檬酸脱镉后的糙米粉：籼稻，湖南省，2015年收获，4 ℃储藏。

氢氧化钠、乙酸、无水乙醇、碘、碘化钾、石油醚、溴化钾：均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；马铃薯直链淀粉、支链淀粉标准样品：黑龙江省农业科学院。

DPCZ-Ⅱ型直链淀粉测定仪：北京智海电子仪器厂有限公司；TM3000扫描电镜：日本株式会社日立高新技术那珂事业所；D/max 2500/PC阳极转靶X射线衍射仪：日本理学公司；TENSOR27傅里叶变换红外光谱仪：德国Bruker公司；DSC8000差示扫描量热仪：美国PerkinElmer公司；RVA-TecMaster快速黏度分析仪：澳大利亚Perten公司。

1.2 试验方法

1.2.1 糙米粉及脱镉糙米粉的制备[2]

将糙米(籼稻米)粉碎，过80目筛，置于自封袋中，并于4 ℃储藏，测其镉含量为(0.957±0.014) mg/kg,含水量为(14.4±0.034)%。脱除糙米粉中的镉，将3 g糙米粉置于50 mL锥形瓶中，加入36 mL 0.08 mol/L的柠檬酸溶液，加盖，置于45 ℃的恒温水浴振荡器中以150 r/min的速度振荡53 min。然后，用3层滤纸过滤，去除滤液，并用去离子水洗2遍，过滤，置于45 ℃烘箱中烘24 h，测其镉含量为(0.055±0.001)mg/kg，含水量为(4.70±0.057)%。采用过100目筛的原糙米粉及脱镉糙米粉进行结构及理化性质的研究。

1.2.2 直链淀粉含量的测定

前处理方法按照GB 7648—1987进行，采用直链淀粉仪测定。

1.2.3 糙米粉晶体结构的观察

采用X-射线衍射仪(XRD)对柠檬酸脱镉前后糙米粉的晶体结构进行检测，测定条件：铜靶，石墨单色器，电压为40 kV，电流为100 mA，发射狭缝为1°，防散射狭缝为1°，接受狭缝为0.15 mm，2θ扫描区间为4°～60°，扫描速度为5°/min，2θ/θ连续扫描，步长0.02°。参照陈福泉等[5]的方法进行分析，用MDI JADE7.0软件计算结晶度。

1.2.4 扫描电镜试验

将样品用导电胶固定在样品台上，真空喷金处理后，放入扫描电镜(SEM)中，观察并拍摄样品的颗粒形貌，加速电压为15 kV。

1.2.5 傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析

采用溴化钾压片法，样品按1%的比例与溴化钾充分混合、研磨、压片，在4 000 ～ 400 cm-1范围内对样品进行扫描测量，分辨率为4 cm-1，得到柠檬酸脱镉前后糙米粉的红外光谱图。

1.2.6 糊化特性的测定

采用快速黏度分析仪(RVA)对柠檬酸脱镉前后糙米粉的糊化特性进行测定，称取糙米粉样品4.00 g于样品盒中，加蒸馏水25 mL，于50 ℃保温1 min，以12 ℃/min的升温速率加热到95 ℃，保温2.5 min，再以12 ℃/min的降温速率降温至50 ℃，然后在50 ℃保温2 min。搅拌器初始10 s内转速为960 r/min，之后维持在160 r/min。

1.2.7 热力学特性的测定

称取4 mg糙米粉样品，加入8 μL去离子水，压盖密封后，置于4 ℃冰箱中隔夜平衡。扫描温度范围：20～100 ℃，扫描速率：10 ℃/min，用差示扫描量热仪(DSC)测定样品的糊化温度和热焓值，以真空铝制坩埚为参比。

1.2.8 数据分析

每组数据做3个平行测定，结果以平均值±标准差表示，并用JMP软件进行studentt显著性检验，用Origin软件及Excel软件作图。

2 结果与分析

2.1 直链淀粉含量的变化

直链淀粉含量是影响大米食用品质的最重要因素，表1为柠檬酸脱镉前后糙米粉的直链淀粉含量。由表1可知，糙米粉经柠檬酸脱镉处理后，其直链淀粉含量显著降低，这可能是由于柠檬酸处理使部分直链淀粉发生了降解。这与雷群英[6]采用微生物发酵法获得的脱镉大米不同，其直链淀粉质量分数由23.75%增加到24.93%，可能是由于发酵浸泡的时间较长，导致大米中的其他化学成分如蛋白质、脂肪等损失较多，从而导致直链淀粉所占比例相对提高。之前研究表明，直链淀粉含量低的大米的食味品质比直链淀粉含量高的要好[7]。因此，本试验所采用的柠檬酸处理条件不仅脱除了糙米粉中的镉，而且提高了其食味品质。

表1 柠檬酸处理前后糙米粉的直链淀粉含量(干基)

注：同一列中字母不同表示在P<0.05水平差异显著，下同。

2.2 糙米粉的晶体结构及颗粒形貌

糙米的主要成分是淀粉，淀粉是一种天然的多晶态聚合物，其颗粒结构包括结晶区和无定形区，结晶区主要由支链淀粉分子以双螺旋结构形成，结构较为致密，不易受外力和化学试剂的作用；无定形区主要由直链淀粉分子以松散的结构形成，易受外力和化学试剂的作用[5]。从图1中可以看出，柠檬酸处理后的糙米粉与原糙米粉的X射线衍射图相似，均在2θ为15°、17°、18°、23°表现出强的衍射峰，说明柠檬酸处理后的糙米粉的淀粉晶体结构没有发生变化，仍然为A型晶体结构。而王增兴等[8]用0.1 mol/L醋酸溶液配制的普鲁兰酶溶液处理米饭，获得了高抗性淀粉含量的米饭，但其晶体类型由A型转变为V型，说明本试验采用的柠檬酸处理条件较其他一些方法相对温和，对淀粉晶体结构的影响较小。但柠檬酸处理后的糙米粉与原糙米粉相比，其结晶度有所增加，由19.2%增加到22.4%，这是由于柠檬酸处理糙米粉的过程中，结构较为致密的结晶区不易被水解，而结构较为松散的无定形区易被水解，使得无定形区的水解速率大于结晶区，而酸解后淀粉链断裂形成的短链易于重排形成晶格小的微晶[9]，从而导致淀粉的结晶度增大，这与直链淀粉含量降低的结果一致。该结果与李源[10]报道的采用酸湿热方法处理大米粉得到的结果不同，其结晶度由45.7%降低到41.8%，可能是由于该处理条件较为剧烈，对大米粉结晶区的破坏力较强，从而导致淀粉的结晶度减小。

图1 柠檬酸处理前后糙米粉样品的X射线衍射图

采用扫描电镜观察柠檬酸脱镉前后糙米粉的颗粒形态变化。图2a为原糙米粉在3 000倍下的扫描电镜图，从中可以看出，原糙米粉以团粒的形式存在，呈不规则的多面体，表面光滑，相互之间连接紧密。柠檬酸脱镉后糙米粉的颗粒形态如图2b所示，其团粒结构依然存在，仍为不规则多面体，但表面变得粗糙，部分出现了凹陷、裂痕，且团粒周围小颗粒淀粉的数量增多，这些小颗粒淀粉可能是在柠檬酸脱除糙米粉中镉的同时被释放出来的，小颗粒数目的增多也证明了无定形区主要存在于淀粉结构的内部，结晶区主要存在于淀粉的外层。综上，酸处理对糙米粉的结构造成了一定的破坏，但糙米粉的团粒结构依然存在。

图2 柠檬酸处理前后糙米粉的扫描电镜图

2.3 傅里叶变换红外光谱分析

图3 柠檬酸处理前后糙米粉的FTIR光谱图

2.4 糊化特性分析

图4是柠檬酸脱镉前后糙米粉的RVA黏度曲线。酸处理前后糙米粉的黏度变化趋势基本一致，当温度低于糊化温度时，淀粉颗粒仅存在吸水膨胀[13]，淀粉黏度很低且曲线平坦；当温度高于糊化温度时，晶体崩解，淀粉颗粒开始溶胀，黏度迅速升高，达到峰值黏度[14]；继续受热，淀粉颗粒破裂，直链淀粉大量溶出，黏度下降，达到最低黏度[15]；随着温度的降低，直链淀粉开始回生，黏度逐渐上升[16]。

图4 柠檬酸处理前后糙米粉的RVA黏度曲线

表2是柠檬酸脱镉前后糙米粉的黏度特征值，从中可以看出，酸处理前后糙米粉的峰值黏度、最低黏度、崩解值、最终黏度、回生值、糊化温度都存在显著性差异。有研究表明，直链淀粉分子间以氢键结合，结合力较强，直链淀粉含量越高，淀粉越难糊化，越易回生[17]。与原糙米粉相比，柠檬酸脱镉后糙米粉的直链淀粉含量显著降低，因此酸处理糙米粉的糊化温度和回生值也显著降低。回生值的降低，说明酸处理糙米粉的冷糊稳定性提高，不易发生老化。糙米粉经柠檬酸处理后，淀粉中的部分氢键遭到破坏，使得直链分子之间、支链分子之间、或者直链分子与支链分子之间形成了更大、更稳定的支链分子[18]，提高了淀粉的平均分子质量，增加了溶液的黏度，因此，酸处理糙米粉的峰值黏度显著高于原糙米粉的峰值黏度。酸处理糙米粉的崩解值显著高于原糙米粉的崩解值，说明酸处理糙米的淀粉颗粒结构更为松散，水分更容易渗透到淀粉内部，使淀粉颗粒更容易吸水膨胀。酸处理糙米粉的最终黏度显著低于原糙米粉，可能是由于柠檬酸对糙米胚乳细胞壁的软化作用，使得糙米溶胀的淀粉颗粒在搅拌过程中受到破坏，从而导致黏度的下降[19]。在一定范围内，峰值黏度越大，最终黏度越小，回生值越小，糊化温度越低，食味品质越好[20]。因此，柠檬酸脱镉后的糙米粉的食味品质较原糙米粉有所提高。

表2 柠檬酸处理前后糙米粉的黏度特征参数

2.5 热特性分析

图5和表3分别为柠檬酸脱镉前后糙米粉的DSC曲线和热力学性质参数。由图5和表3可以看出，与原糙米粉相比，酸处理糙米粉的糊化开始温度(To)、糊化峰值温度(Tp)、糊化终止温度(Tc)都显著降低，说明酸处理糙米粉的热糊化特性发生了改变，糊化温度降低，糊化温度的降低也说明了淀粉的结晶区的分子构造发生了变化，这与RVA及XRD的测试结果一致。糙米粉的吸热焓(ΔH)由(4.81±0.44) J/g增大到(5.11±0.30) J/g，可能是由于进入到酸处理糙米粉的淀粉分子内部的水分子数目增多，淀粉糊化完全，反应所需要的能量增加，从而导致吸热焓的增大，但差异不显著。另一方面，结晶度的增大，体现为ΔH的增大，需要更大的能量才能糊化完全。但冷雪等[21]研究发现，随着盐酸浓度的增加，小米粉糊化温度降低，但吸热焓也下降，可能是由于盐酸的酸性太强，破坏了淀粉分子的糖苷键，生成相对分子质量较小的淀粉分子和葡萄糖，使得淀粉分子完全糊化所需的热量降低。

图5 柠檬酸处理前后糙米粉的DSC曲线

表3 柠檬酸处理前后糙米粉的热力学性质参数

样品To/℃Tp/℃Tc/℃ΔH/J/g原糙米粉70.08±0.09a74.58±0.32a78.91±0.50a4.81±0.44a酸处理糙米粉67.78±0.10b72.14±0.05b76.38±0.04b5.11±0.30a

3 结论

与原糙米粉相比，柠檬酸脱镉后糙米粉的直链淀粉含量显著降低，在一定程度上提高了糙米粉的食味品质。采用XRD、SEM、FTIR对柠檬酸脱镉前后糙米粉的结构进行检测，发现酸处理糙米粉的基本结构并未发生显著的变化，表明酸处理对糙米粉结构的影响较小。通过DSC对糙米粉的热特性分析，得到酸处理糙米粉的To、Tp、Tc较原糙米粉都显著降低。由RVA测试结果可知，酸处理糙米粉的峰值黏度增大，最终黏度、回生值以及糊化温度降低，提高了糙米粉的食味品质。柠檬酸脱镉技术不仅能有效脱除糙米粉中的镉，而且能改善糙米粉的食味品质，具有很好的应用前景。

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Effect of Removing Cadmium from Citric Acid on the Structure and Physicochemical Properties of Brown Rice Flour

Wu Yanan1Ju Xingrong1Wang Zhigao2He Rong1Yuan Jian1Xing Changrui1

(College of Food Science and Engineering; Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety of Jiangsu Province; Key Laboratory of Grains and Oils Quality Control and Processing, Nanjing University of Finance and Economics1, Nanjing 210023) (School of Food Science and Technology,Jiangnan University2, Wuxi 214122)

This study was based on our previous study of removing cadmium (Cd) from brown rice flour with citric acid. In order to further understand whether removing Cd with citric acid will affect the quality of brown rice flour, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, differential scanning calorimeter and rapid viscosity analyzer were used to determine the structure and physicochemical properties of brown rice flour before and after removing Cd with citric acid. The results were as follows: the amylose content of acid treated brown rice flour was significantly lower than that of the original brown rice flour. The surface of brown rice flour with acid treatment became rough, and the number of small starch granules increased. The crystal type of brown rice flour was not changed, and new chemical bonds or groups were not produced in the brown flour with acid treatment. The initial gelatinization temperature, peak gelatinization temperature and pasting termination temperature of acid treated brown rice flour decreased evidently, but the gelatinization enthalpy increased. The peak viscosity and breakdown values of acid treated brown rice flour increased notably, and the minimum viscosity, final viscosity, setback values and gelatinization temperature decreased remarkably. These results indicated that the structure of brown rice flour was not changed significantly, but its quality was improved after removing Cd with citric acid.

citric acid, cadmium, brown rice flour, structure, physicochemical property

粮食公益性行业科研专项经费(201313007)，江苏省产学研计划(BY2016009-02)

2016-06-22

吴亚楠，女，1990年出生，硕士，食品科学

鞠兴荣，男，1957年出生，教授，博士生导师，食品营养、功能食品及农产品深加工

TS210.1；TS210.7

：A

：1003-0174(2017)08-0008-06