挤压碎米制备富锌强化大米

王玉琦，张如春，张 欣，于长华，韩富江，张宏伟,*，于殿宇,*

（1.东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030；2.黑龙江省寒香玉米业有限公司，黑龙江 哈尔滨 150030）

锌是人体生长发育所必需的微量元素，是对于各种生理过程极为重要的矿物质，包括酶作用、细胞膜稳定化、基因表达调控和细胞信号传导等[1-2]。人体内缺锌会影响许多酶的合成，使生命活动不能正常进行，进而导致人体发生多种慢性疾病[3]。目前，改善人体缺锌状况的方式有很多，如食物合理搭配、食品强化和服用锌制剂等[4]。我国是大米最大生产国和消费国，日人均能量摄入的40%是由大米提供的。加工精度高的粮食口感较好，但是在之后的贮藏、食用前的淘洗和蒸煮成米饭的过程中，营养成分损失较为严重[5]。且大米加工精度等级越高，存在于大米外层的营养物质如维生素、蛋白质、脂肪、矿物元素等流失越严重，特别是B族维生素和矿物质，从而影响人们的身体健康[6]。为提高大米的营养价值，从营养功能稻米、免淘洗米、蒸谷米、强化大米等产品中摄取各种营养素是非常经济有效的途径[7]。其中，强化大米以食用范围广、营养素齐全、价格低廉及使用方法简便等优点引起人们的极大重视，在不改变人们食用大米习惯的基础上，通过日常饮食摄入所需营养，以达到促进人体健康的目的[8]。

目前，国内对大米进行强化的方法主要是粉体强化法、浸吸法及表面涂膜法等，但这些方法均存在营养素保留性及食味品质较差等缺点[9]。传统意义上的挤压法是将营养物质与米粉均匀混合后利用蒸汽和水的作用进行调制，然后将其送入挤压机进行重新制粒，最后干燥得到所需营养物质的强化大米。而改良挤压法是在传统挤压法的基础上，增加挤压机螺杆长度，由于机筒内温度较低，螺杆转速较慢，在低温和高压的作用下使得人造米的膨胀率较低，从而使其质构特性与精白米相近，所以营养物质的分布均一性、稳定性较好，对于淘洗过程，损失也较小[10]。本实验原料为碎米，是精白米加工的副产物，含有多种营养物质，如蛋白质、B族维生素和矿质元素[11]。利用挤压碎米制备强化大米，在提高大米营养品质的同时，也拓宽了碾米加工副产品的应用范围。目前，乳酸锌是食品营养强化的最佳补锌剂，在食物中添加乳酸锌，具有含锌量高、口感好、易吸收及应用范围广等特点，因而是乳制品及饮料等营养食品中常用的添加剂，也是医疗制剂最普遍的原料[12]。

本研究以粳米碎米为原料，将其粉碎一定粒度，添加一定量的乳酸锌，通过研究挤压工艺中含水量、机筒温度及螺杆转速对其质构特性的影响，制备富锌强化大米。通过X-射线衍射分析法、扫描电镜法对锌强化大米的淀粉颗粒晶体结构和外表特征进行表征，并对淀粉的糊化特性及α-淀粉酶敏感度进行分析，以期制得质构特性与粳米相近，并按一定比例添加到粳米中，满足人体日常对锌的需求。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

五常稻花香粳米 黑龙江省寒香玉米业有限公司；乳酸锌、盐酸、氢氧化钠、无水碳酸钠、冰醋酸、α-淀粉酶（酶活力40 U/mg） 国药集团化学试剂有限公司；A0512直链淀粉、10120支链淀粉标准品 美国Sigma公司；葡萄糖标准品 上海楷岳生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

DP-70双螺杆挤压机 济南大鹏机械设备有限公司（螺杆直径70 mm，螺杆转速0～300 r/min，功率30 kW）；TPA质构仪 英国Stable Micro System公司；S-3400N型扫描电镜 日本Hitachi公司；密封型手提式高速粉碎机 广州市旭朗机械设备有限公司；101-2A电热恒温鼓风干燥箱 上海五久自动化设备有限公司；RVA快速黏度分析仪 瑞联科技有限公司；XRD-6000 X-射线衍射仪 日本岛津公司。

1.3 方法

1.3.1 锌强化大米制备工艺

将粳米碎米粉碎过100 目筛后，测定其含水量。称取一定量的乳酸锌溶解于水中，加入到粳米粉中，然后将其搅拌混匀。将原料送入挤压机中，改变实验所需的挤压机参数，挤压机正常运行后，收集样品。然后将样品强化米在35 ℃、相对湿度70%条件下老化3 h左右。老化后的强化米送入热风干燥箱中，45 ℃干燥40 min，冷却包装。

1.3.2 响应面试验

根据前期单因素试验结果，选取乳酸锌添加量2%，以含水量、螺杆转速、机筒温度3 个因素为自变量，以强化大米的质构特性为响应值设计3因素3水平试验，因素与水平见表1。

表1 响应面试验因素与水平Table 1 Coded levels and corresponding actual levels of independent variables used for response surface analysis

1.3.3 质构特性的测定

选取50 g锌强化大米，加入50 mL蒸馏水，电饭煲蒸煮15 min后保温10 min。以市售粳米质构作为对照，使用TPA质构分析仪，TA36探头，测前速率：2 mm/s；力：20 g，测后速率：1.00 mm/s；测试速率：1.00 mm/s；停留时间：2.00 s；压缩程度：70%。从样品中随机选取3 粒大小基本一致的完整营养强化米，以中心对称的形式摆放在载物台中心，保持表面平整，平行测定10 次，剔除差异很大的曲线，取平均值。测试指标为硬度、弹性、黏着性及咀嚼性。

1.3.4 指标成分的测定

对大米的主要成分淀粉、蛋白质、脂肪、直链/支链淀粉、还原糖以及锌含量进行测定分析，各成分重复测定3 次。

淀粉的测定：GB/T 5514—2008《粮油检验 粮食、油料中淀粉含量测定》；蛋白质的测定：GB 5009.5—2010《食品中蛋白质的测定》半微量凯氏定氮法；脂肪的测定：GB/T 14772—2008《食品中粗脂肪的测定》索氏抽提法；直链/支链淀粉的测定：碘显色法；可溶性还原糖的测定：3,5-二硝基水杨酸法；锌的测定：GB/T 14609—2008《粮油检验 谷物及其制品中铜、铁、锰、锌、钙、镁的测定 火焰原子吸收光谱法》。

1.3.5 大米晶体结构的测定

通过X-射线衍射仪获得大米的衍射图谱，扫描衍射区域角度变化范围为4°～30°，目标电压为40 kV，电流为30 mA，扫描速率为8°/min。通过衍射图谱观察结晶区与非结晶区的变化。

1.3.6 扫描电镜观察

通过扫描电镜对大米淀粉颗粒形态结构的变化进行检测。分别称取5 mg粉碎后的大米于1 mL 50%乙醇溶液中，超声匀化成淀粉悬浊液。分别取少量样品直接铺在载玻片的表面，在红外灯下烘干液体后镀金90 s。处理后的样品装入S-3400N扫描电镜观察室，在加速电压5.00 kV、放大倍数550条件下进行检测观察。

1.3.7 大米糊化特性的测定

参考GB/T 24852—2010《大米及米粉糊化特性测定快速粘度仪法》，量取（25.0±0.1）mL水，移入干燥洁净的样品筒中，准确称取（3.00±0.01）g大米移入盛水的样品筒中，用搅拌器上下快速搅动10 次，使试样分散。用RVA快速黏度分析仪测定，每个大米样品重复测定3 次。

1.3.8 大米对酶的敏感性测定

分别称取9 份10 g强化米和粳米淀粉分散在磷酸缓冲液（pH 6.0）中，加入酶活力为40 U/mg的α-淀粉酶1.2 g，淀粉分散液于37 ℃、120 r/min水浴摇床中分别培养2、6、12、18、24、30、36、42 h及48 h。然后向培养液中加入pH 3.0的0.l mol/L HCl溶液，搅拌15 min使酶失活。再用0.l mol/L NaOH溶液进行中和，2 000 r/min离心20 min。每隔一定时间后，用3,5-二硝基水杨酸比色法测定上清液中还原糖质量分数。每个试样至少重复3 次。

1.4 数据统计分析

每组均进行3 次平行和重复实验，数据处理采用SPSS 22、Design-Expert 8.0分析软件和Origin 8.5绘图软件。

2 结果与分析

2.1 响应面试验结果

2.1.1 回归方程的建立与分析

硬度、黏着性、弹性和咀嚼性等质构特性是影响产品质量和可接受性的重要因素[13-14]，将锌强化大米的质构特性作为考察指标进行优化，试验设计方案及结果见表2。

表2 响应面试验设计方案及结果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

用Design-Expert 8.0软件对表2数据进行多元回归分析，得到锌强化大米的硬度（Y1）、弹性（Y2）、黏着性（Y3）和咀嚼性（Y4）相对于机筒温度（A）、螺杆转速（B）及含水量（C）的二次多项回归模型方程：Y1=1 354.40＋26.25A＋76.87B－26.63C－46.00AB－64.50AC－16.25BC－122.07A2－163.32B2－254.83C2；Y2=0.67＋0.076A＋0.039B＋0.077C＋0.037AB－0.001AC＋0.030BC－0.039A2－0.029B2－0.006 751 4C2；Y3=0.75－0.022A－0.077B＋0.060C＋0.037AB－0.017AC－0.013BC－0.026A2－0.021B2－0.11C2；Y4=964.60－1.00A＋26.50B＋26.50C－43.75AB＋23.75AC－9.25BC－51.18A2－82.67B2－79.68C2。

由表3可知，4 个模型的P值均小于0.000 1，表明该回归模型极显著，失拟项不显著（P＞0.05），且4 个模型硬度、弹性、黏着性、咀嚼性的决定系数分别为0.995 3、0.983 0、0.990 0及0.980 8，表明选取的模型与实际情况拟合程度好，具有较好的代表性，可以用来对试验结果进行分析和预测。

表3 方差分析结果Table 3 Analysis of variance of response surface quadratic models

2.1.2 交互作用分析

图1 两因素交互作用对锌强化大米质构的影响Fig. 1 Response surface plots showing the interactive effect of various variables on the texture of zinc-fortified rice

从图1可以看出，随着螺杆转速、机筒温度以及含水量的增加，咀嚼性及硬度均呈现先增大后减小的趋势。分析其原因，可能是由于当含水量小于20%时，强化米糊化度较低，膨胀度较低，强化米颗粒较小。当含水量为20%时，强化米淀粉颗粒吸水较多，挤压作用打乱了淀粉颗粒内部有序的淀粉链排列，使其晶体结构被破坏，造成强化米糊化度增高，导致强化米颗粒变大。淀粉的糊化度越高，越易被酶水解，有利于消化吸收。当含水量高于20%时，强化米的润滑度提高，机腔内挤压和剪切作用力相应减小，晶体结构破坏程度少，使强化米淀粉糊化度降低[15]。强化米颗粒越小，达到一定形变所需的力越小，测定的硬度越小，而硬度与咀嚼性呈正相关，硬度的提高使咀嚼性也提高。当螺杆转速较低时，物料所受的剪切力作用较小，物料糊化度较低，当螺杆转速较高时，物料在挤压腔中停留的时间过短，物料糊化度降低。螺杆转速对弹性的影响不大，弹性随着含水量以及机筒温度的升高均呈现增大的趋势。机筒温度对黏着性影响不大，随着螺杆转速的增加，黏着性呈现增大的趋势，随着含水量的增加也呈现先增大后减小的趋势。

由此可以得出，相对于粳米，强化米经过挤压、老化后，淀粉分子重新排列组合形成新的结构，使强化米内部作用力加强，使硬度和咀嚼性增大。由于挤压作用使强化米的晶体结构被破坏，而支链淀粉是形成大米淀粉结晶结构的主要结构，结晶度的减少说明在挤压作用下部分支链淀粉发生降解，原本完整的淀粉颗粒破裂，无定形区有序性丧失，因此支链淀粉含量降低，黏着性降低。而强化剂对强化米的结构起到一定的松散作用，使强化米米饭的弹性和咀嚼性小幅下降。

2.1.3 富锌强化大米工艺优化及应用结果

应用响应面试验方法对回归方程模型进行分析，考虑到实际操作的便利性，经过修正后的最佳工艺条件为含水量20%、螺杆转速80 r/min、机筒温度100 ℃，制备的富锌强化大米硬度为1 339.05 g，黏着性为0.75 mJ，弹性为0.79 mm，咀嚼性为967.42 mJ，与粳米的质构特性[16]接近，制得的强化大米中锌含量为450.0 mg/kg。将强化米与粳米按照1∶10的比例进行复配，蒸煮成米饭，其外观、口感良好，米饭中锌含量为48.0 mg/kg。

2.2 挤压对大米成分的影响

表4 主要基本成分质量分数Table 4 Proximate composition of glutinous rice and zinc-forti fied rice%

从表4可以看出，淀粉、蛋白质、脂肪及可溶性还原糖含量全部降低。经过挤压后，大米中直链淀粉的质量分数从18.64%升高到22.21%，支链淀粉从69.68%降低到52.84%。由此可知淀粉总量的减少主要是由于部分支链淀粉发生变化，一部分支链淀粉转化成直链淀粉，另一部分支链淀粉被降解成麦芽糊精等小分子物质。阐述其原因可能是由于挤压作用使分子内疏水性的氨基酸残基暴露在外，和一些还原糖或其他羰基化合物发生美拉德反应，使氨基酸损失，从而造成蛋白质、还原糖含量的减少。脂肪的减少可能是由于在挤压作用下生成了脂肪复合物，致使游离脂肪含量减少[17-18]。挤压作用使淀粉平均分子质量减小，淀粉中的糖苷键断裂，淀粉裂解成麦芽糊精等小分子物质，因此挤压后的支链淀粉含量显著减少[19]，淀粉总量降低。蛋白质、脂肪含量的减少及支链淀粉的裂解均有利于酶解作用。

2.3 挤压对大米晶体结构的影响

图2 大米的X-射线衍射图谱Fig. 2 X-ray diffraction patterns of starch from glutinous rice and zinc-fortified rice

如图2所示，粳米淀粉分别在15°、17°、18°、23°附近有较强的衍射峰，表明粳米淀粉是典型的A型晶体结构[20-21]，强化米淀粉在12°、16°、20°、23°、25°出现了锌的特征峰，证明强化米中乳酸锌的存在，而粳米淀粉颗粒典型的A型晶体结构的特征峰消失，呈现无定形结构衍射曲线，晶体的有序化程度逐渐降低，无定形化程度逐渐增强，说明挤压作用打乱了淀粉颗粒内部有序的淀粉链排列，结晶区被严重破坏，挤压处理对大米淀粉具有非晶化的作用[22]。大米中支链淀粉是形成淀粉结晶结构的主要物质，结晶度的减少意味着在挤压作用下部分支链淀粉发生降解，原本完整的淀粉颗粒破裂，无定形区有序性丧失，因此支链淀粉含量降低。淀粉晶体的溶解、颗粒的膨胀以及直链淀粉的析出等所需能量都由淀粉的糊化所提供，所以结晶度的减少可能导致糊化焓降低，因此有利于酶解作用[23-24]。

2.4 挤压对大米形态的影响

图3 扫描电镜图Fig. 3 Scanning electron micrographs of starch granules in glutinous rice and zinc-fortified rice

从图3可以看出，粳米中淀粉颗粒具有比较规则的外表，颗粒较大且外形完整，分布较松散，而强化米中淀粉颗粒的外表呈不规则的小型类似鳞片形状，完整淀粉颗粒较少，并且较粳米淀粉颗粒分布紧密[25]。淀粉颗粒不完整可能是由于在高温剪切的挤压作用下，打乱了淀粉颗粒内部有序的淀粉链排列，使其晶体结构被破坏，造成强化米糊化度增加，大分子的支链淀粉降解成为直链淀粉和麦芽糊精等小分子物质[19]，这种降解有利于酶的水解作用。直链淀粉具有良好的成型性、成模型及凝胶性，直链淀粉含量增多，样品的质构紧密均一[26]。由此也可以验证质构检测结果，淀粉易被酶水解，其糊化度越高，越有利于消化吸收。

2.5 挤压对大米糊化特性的影响

如图4所示，强化米糊化曲线变化较为平缓，证明挤压处理对大米糊化特性产生明显影响。

图4 大米糊化特征曲线Fig. 4 Starch gelatinization curves

从图4可以看出，强化米中淀粉的各项糊化参数值均显著低于粳米，糊化温度从77.9 ℃降到56.2 ℃，淀粉糊化特性改变的主要原因可能是无定形区域和结晶区中分子链与链之间的束缚力发生变化[27]，结晶度的减少将导致与糊化过程相联系的糊化焓的降低，从而使糊化温度降低。由于大多数酶的水解温度一般在50～70 ℃左右，较低的黏度可以使酶与淀粉接触更为充分，因此黏度和糊化温度的降低均有利于酶解作用。

2.6 挤压大米对酶敏感性的影响

图5 大米淀粉的酶解反应Fig. 5 Change in reducing sugar content during enzymatic hydrolysis of starch in glutinous rice and zinc-fortified rice

如图5所示，在酶解24 h之前随酶解时间的延长，强化米和粳米淀粉还原糖质量分数均逐渐增加，在酶解24 h时达到最大量。在24 h以后，还原糖质量分数呈现减少趋势。分析其原因可能是由于随着酶解时间的延长，生成的一部分葡萄糖发生复合反应的缘故[28]。二者还原糖增加量基本达到23%以上，24 h和48 h后强化米生成的还原糖比粳米分别多20%和22.1%，说明强化米在高温剪切挤压作用下，其晶体结构被破坏，造成强化米糊化度增加，随着酶解时间的延长，淀粉生成的一部分葡萄糖发生复合反应的程度比粳米的小。由此可知，淀粉颗粒结晶区域面积的减少，淀粉颗粒不规则外表以及黏度的降低均有利于酶的水解作用。

3 结 论

以粳米加工过程中产生的碎米为主要原料，将碎米粉碎成粉末，向碎米粉中添加2.0%乳酸锌，利用挤压法制备富锌强化大米，采用响应面法考察含水量、螺杆转速及机筒温度对富锌强化大米质构特性的影响，在最优工艺参数条件下，制得强化米的质构特性和粳米相接近，锌含量为450.0 mg/kg。通过X-射线衍射分析法、扫描电镜表征发现，挤压后强化米中部分支链淀粉发生降解和转化，结晶度明显减少，淀粉颗粒几乎不完整，呈现出不规则的小型类似鳞片形状。通过对强化米的糊化特性及α-淀粉酶敏感性研究表明，大米的糊化温度和黏度降低，对α-淀粉酶的敏感性有显著提高，还原糖含量增加，促进强化大米淀粉颗粒的酶解作用。将其按1∶10的比例添加到粳米中，米饭口感、外观良好，锌含量为48.0 mg/kg，在使碎米得到充分利用的同时，满足人体对锌的需求。