低温挤压对粳糙米营养特性及理化性质的影响

王 婷,赵建伟,*,周 星,徐学明,金征宇

(1.江南大学食品学院,江苏无锡 214122;2.粮食发酵工艺与技术国家工程实验室,江苏无锡 214122;3.食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡 214122)

糙米是稻谷脱壳后未经碾磨的米粒,由胚芽(2%～3%,占总重的质量分数)、胚乳(91%～93%)和皮层(5%～6%)组成。糙米含有丰富的植物化学物质,包括酚酸、类黄酮、γ-氨基丁酸(GABA)、生育酚和谷维素等生理活性成分,对人体健康有一定的益处[1]。糙米中酚类物质的含量与许多新鲜的水果和蔬菜相当甚至更高[2]。糙米虽然营养丰富,但糙米皮层纤维素含量高、结构致密,导致糙米蒸煮时间长、口感粗糙,食用品质难以被人们接受。因此,改善糙米的食用品质,有助于改进饮食质量,维持人体健康。

食品挤压常用螺杆挤压技术,即在一定温度、水分及压力下,将物料送入挤压机,在螺杆和机筒的作用下强制流动,在此过程中综合了输送、混合、加热或冷却、剪切、成型等一种或多种作用,使物料理化性质发生变化[3]。在高温、高压和高剪切力下进行挤压,食品物料性质会发生明显变化,如酚类物质减少、纤维素降解、淀粉糊化度高、蛋白质变性以及脂质复合物的形成等[4]。目前市场上的挤压膨化食品多是以高膨化度、高糊化度为特征的淀粉质产品,这样的食品消化速度快,不适合那些想控制体重、控制血糖的人群。将营养丰富的糙米经粉碎后,再在较低温度下挤压重组为米粒形状的食品,挤压重组可以将集中在糙米表层的粗糙纤维素分散到整个米粒中,有效改善糙米的粗糙口感,而在低温下进行挤压,不仅可以减少营养成分的损失,更重要的是可以保持淀粉较低的糊化度。淀粉的糊化度对其在人体内的消化速度有显著影响。人体对生淀粉或糊化度低的淀粉消化很慢,而对糊化度高的淀粉消化快。这是因为人体内的淀粉酶对糊化度低的具有晶体结构的淀粉作用较弱[5]。目前将糙米在低温条件下挤压加工未见报道。因此,本文在较低温度下挤压加工成低糊化度米粒产品,以改善糙米的食用口感,减少营养的加工损失,并且满足一些特殊人群对需要有饱腹感,而消化速度慢的食品的需求。Liu等[6]研究发现在机筒温度69.8 ℃、含水量30%、螺杆转速26.6 r/min时挤压米糠,其总膳食纤维含量、蛋白质含量、γ-谷维素等均高于挤压前米糠。冯秋娟等[7]在机筒温度71.35 ℃、物料水分31.81%、转速133.96 r/min、中温α-淀粉酶浓度3.15 U/g的低温挤压条件下,玉米淀粉糊化度的最优值为55.31%。叶鸿剑等[8]在温度65 ℃、水分38%、纤维素酶量3%、转速110 r/min的低温挤压条件下,所得豆渣中可溶性膳食纤维得率为21.74%。

本文的低温挤压是物料在稍高于淀粉糊化起始温度条件下进行的挤压,这既可以提高物料的可塑性,以便于食品成型,又能减少营养成分的损失。本文将糙米粉在65 ℃下挤压重组成米粒,分析挤压前后糙米营养特性及理化性质的变化,以期获得营养丰富、口感较好,并且消化速度较慢的糙米食品。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

粳糙米 江苏省无锡春播秋收电子商务有限公司;没食子酸标准品 百灵威科技有限公司;盐酸﹑甲醇﹑乙腈、福林酚试剂、三氯乙酸等 国药集团化学试剂有限公司,均为分析纯。

FMHE36-24型双螺杆挤压机(螺杆直径36 mm,长径比24∶1) 湖南富马科食品工程技术有限公司;HWS24型电热恒温水浴 上海一恒科技有限公司;GZX-9146MBE数显鼓风干燥箱 上海博讯实业有限公司医疗设备厂;QE-200高速多功能粉碎机 上海冰都电器有限公司;D2 PHASER X射线衍射仪 德国布鲁克AXS有限公司;X-DSC7000型差示扫描量热仪(DSC) 日本精工公司;RVA快速黏度分析仪 波通澳大利亚公司;AB 104-N型电子天平 梅特勒一托利多仪器(上海)有限公司;Agilent 1100高效液相色谱系统 美国安捷伦公司。

1.2 实验方法

1.2.1 粳糙米挤压样品的制备 将粳糙米粉碎(粒度全部通过孔径0.25 mm标准筛),送入双螺杆挤压机中挤压成型,通过控制物料的水分含量、温度、压力条件,在机腔内螺杆的挤压作用将糙米粉形成具有一定糊化度的面团状流体,当物料通过米粒形的模孔时,切割机将条状物料切割成米粒形状的产品。机筒温度从进料段到出口段分5段控制,分别为65、65、65、60、50 ℃,物料含水量质量分数38%(按GB 5009.3-2016测定),螺杆转速70 r/min,进料速度8 kg/h。挤压后重组糙米粒于40 ℃热风干燥至水分含量10%左右,干燥后样品粉碎通过孔径0.125 mm标准筛,密封保存待分析。未挤压糙米样品的分析前处理:将粳糙米粉碎后通过孔径0.125 mm标准筛,再进行各项成分分析。

1.2.2 粳糙米成分的测定

1.2.2.1 基本营养成分的测定 总淀粉、粗蛋白、灰分、粗脂肪、总膳食纤维含量分别根据GB 5009.9-2016、GB 5009.5-2016、GB 5009.4-2016、GB 5009.6-2016、GB5009.88-2014进行测定,每个数据平行测定至少3次。

1.2.2.2 总酚含量的测定 称取2.0000 g(精确到0.0001 g)粳糙米粉,加入20 mL甲醇混合,摇床振荡提取2 h后,4000×g离心20 min,取上清液,剩余残渣再用15 mL甲醇提取两次,合并滤液,弃去滤渣,将上清液用旋转蒸发器浓缩蒸干,甲醇定容至10 mL,-40 ℃保存备用。参考Zhao等[9]所述采用福林酚法测定总酚含量,含量以每100 g干重粳糙米样品所对应的没食子酸(GAE)表示。没食子酸在浓度范围为0～50 μg/mL内与其吸光值具有较好的线性关系,标准方程为:y=0.80839x-0.13，线性相关系数为0.9992。

1.2.2.3 游离氨基酸和GABA含量的测定 采用Agilent 1100高效液相色谱系统测定粳糙米粉的游离氨基酸和GABA含量[10]。称取1 g粳糙米粉(精确至0.0001 g),用5%三氯乙酸定容至25 mL,混匀,在40 kHz频率、功率300 W下超声处理20 min,静置至少2 h后过滤。吸取1 mL滤液于1.5 mL离心管中,15000×g离心30 min,吸取400 μL上清液进行液相分析。色谱分析条件如下:ODS Hypersil色谱柱(4.0 mm×250 mm),流动相(A:50%乙腈;B:90%乙腈),柱温40 ℃,流速1 mL/min,采用梯度洗脱(0 min 8% B→17 min 50% B→20.1 min 100% B→24 min 0% B),紫外检测波长338 nm,测定结果以干基为计算基础。

1.2.3 热特性的测定 准确称取已知水分的3 mg(精确至0.001 mg)粳糙米粉,于差示扫描量热仪(DSC)PE液体铝制坩埚中,以粉水比1∶2 mg/mL加入去离子水与粉样混合,加盖密封,室温下平衡过夜。用DSC测试时,以空坩埚为参照,以10 ℃/min的升温速率将样品从20 ℃加热至90 ℃,记录DSC热流曲线,糊化参数包括起始温度、终止温度、峰值温度、糊化焓变等。

1.2.4 糊化特性的测定 粳糙米粉的糊化特性通过快速黏度分析仪(RVA)进行测定,具体参照GB/T 14490-2008。按物料含水率14%计,即称取3.00 g样品和25.0 mL蒸馏水依次加入样品筒中,将搅拌器在样品筒中上下快速搅动10次,使试样分散后进行黏度分析。测试程序为:起始温度50 ℃保持1 min,然后以12 ℃/min的速度升温至95 ℃并保持2.5 min,再以12 ℃/min的速率降温至50 ℃并保持1 min。测试过程搅拌器的转速为160 r/min。并记录样品的峰值黏度、保持黏度、崩解值、最终黏度、回生值和出峰时间。

1.2.5 水合性质的测定 参考 Jafari等[11]的方法,略作修改。准确称取3.0000 g(m0,精确到0.0001 g)粳糙米粉(水分干燥至10%以下),分散在30 mL去离子水中,振荡溶解,30 ℃下30 min,每5 min轻轻搅拌一次,在3000×g下离心15 min。将上清液置于铝盒中并在105 ℃下干燥至恒重称量m3,并称量盛有固体沉淀的离心管重m2。计算公式如下:

式(1)

式(2)

式中:m0表示样品的质量(g);m1表示空离心管质量(g);m2表示盛有固体沉淀的离心管质量(g);m3表示盛有上清液的铝盒干燥恒重质量(g);m4表示空铝盒质量(g)。

1.2.6 晶体结构的测定 采用X-射线衍射仪(XRD)测定粳糙米挤压前后晶体结构的变化。取适量粳糙米粉末样品平铺于玻璃板样品凹槽中,置于XRD样品台上,管压40 kV,管流40 mA,扫描范围(2θ)为5～35 °,扫描步长为0.02 °。采用MDI Jade 6.0处理图像并计算相对结晶度。

1.3 数据处理

数据平行测定3次,结果用平均值±标准偏差的形式表示。采用SPSS 20.0软件对数据进行分析,用Duncan’s多重比较法进行显著性分析,p<0.05表示差异显著,Origin 8.5软件对数据进行图形化处理。

2 结果与分析

2.1 低温挤压对粳糙米基本成分的影响

由表1中可以看出,粳糙米经过低温挤压后,总淀粉含量相对减少了1.89%,粗蛋白含量变化不显著,这是因为挤压温度低,对淀粉和蛋白质的破坏程度小。总的膳食纤维含量显著降低了15.69%(p<0.05),而马永轩等[12]采用高温挤压膨化糙米粉后,糙米总膳食纤维量降低了35.2%,这是因为低温挤压过程中纤维素等大分子发生少量降解,从而使得总膳食纤维的含量降低程度小,且轻度的降低有利于改善糙米的粗糙口感[13]。挤压后粳糙米的脂肪含量显著低于挤压前粳糙米,这可能是由于脂肪与淀粉形成了Ⅰ型淀粉-脂肪复合物[14],这是一种在60 ℃左右时能快速形成的复合物结构,这种复合物的形成可以降低糙米的消化速率,减缓吸收,继而降低血糖上升速度[15]。

表1 低温挤压处理对粳糙米基本营养成分的影响Table 1 Effect of lower-temperature extrusion on the basic nutritional components of japonica brown rice

糙米是酚类物质的丰富来源,而其中多酚作为一种重要的抗氧化剂,以游离态和结合态的形式存在,起到抗炎症、免疫调节、预防和抗癌以及抑制醛糖还原酶活性等作用[16]。粳糙米经低温挤压后,总酚含量从33.99 mg/100 g显著增加至36.59 mg/100 g(干基)(p<0.05)。而杨凌霄等[17]研究发现采用110～140 ℃挤压糙米,总酚含量显著降低(p<0.05)。Zieliński等[18]也发现高温挤压处理对糙米的总酚含量下降作用明显,这是因为高温容易引起游离酚的降解,造成游离酚含量减少继而引起总酚含量下降。由于本文的挤压条件较为温和,低温挤压作为一种机械过程可能使细胞壁周围成分部分降解,有助于释放结合酚类和游离酚类物质继而使总酚含量增加[19]。这表明,低温挤压处理可以更多地保留糙米中的酚类物质。

GABA是一种含有四个碳原子的非蛋白质氨基酸,主要是由谷氨酸脱羧反应而形成,广泛存在于多种谷物中。GABA具有促进乙醇代谢,改善高脂血症以及预防机体肥胖等多种生理功效[20-21]。挤压前粳糙米的GABA含量为94.79 mg/kg(干基),挤压后为105.44 mg/kg(干基),相对增加了11.24%,差异显著(p<0.05)。韩永斌[22]也发现挤压处理糙米可以增加GABA含量。这一变化结果可能有两方面的原因:一方面,谷氨酸脱羧酶的耐受温度为60 ℃,在65 ℃挤压过程中,物料温度在常温至65 ℃之间,糙米中谷氨酸脱羧酶仍然可以保持活性,将谷氨酸转变成GABA,使得GABA含量有所增加[23]。本挤压条件下温度、螺杆转速、喂料速度并不高,挤压机内的模头压力在3.5～4.0 MPa之间,对酶不会有大的影响。另一方面,可能是由于糙米经过挤压后,谷氨酸含量增加,为谷氨酸脱羧酶提供更多的底物,从而生成更多的GABA[24]。因此,低温挤压可以作为一种富集GABA的有效途径。

2.2 低温挤压对粳糙米游离氨基酸含量的影响

低温挤压对粳糙米游离氨基酸含量的影响:低温挤压对粳糙米中游离氨基酸含量的影响如图1所示,共检测出17种游离氨基酸,总游离氨基酸含量从(1930.60±92.26) mg/kg降为(1853.03±47.09) mg/kg(干基),变化不显著,表明低温挤压处理有利于保留糙米中的氨基酸成分。图1A中可知,挤压粳糙米的必需氨基酸总量减少了14.71%。赖氨酸含量显著降低(p<0.05),从185.41 mg/kg降至124.5 mg/kg(干基),这可能是挤压过程中发生了美拉德反应导致[25]。

图1B中也可以看出,谷氨酸仍然占据主要部分,含量从364.50 mg/kg(干基)增加至369.15 mg/kg(干基),挤压前糙米总的非必需氨基酸含量为1242.24 mg/kg(干基),低温挤压后为1230.15 mg/kg(干基),变化不显著(p>0.05)。这一结果说明低温挤压处理对糙米中游离氨基酸含量影响不显著。

图1 低温挤压处理对粳糙米游离氨基酸含量的影响Fig.1 Effect of lower-temperature extrusion on free amino acids contents in japonica brown rice注:A:必需氨基酸,B:非必需氨基酸; 不同小写字母代表挤压前后差异显著,p<0.05。

2.3 低温挤压对粳糙米热特性和糊化特性的影响

2.3.1 低温挤压对粳糙米热特性的影响 挤压前后粳糙米的DSC糊化热流曲线和糊化参数值分别如图2和表2所示。由图2可以看出,挤压前和挤压后粳糙米粉均在65～75 ℃有吸热峰,挤压后粳糙米粉的热吸收峰虽不如挤压前的大,但仍很明显,表明挤压后的产品中仍有较多的未糊化淀粉。由表2可知,挤压粳糙米粉的起始糊化温度(To)、峰值温度(Tp)、终止糊化温度(Tc)均升高,这可能是由于挤压后直链淀粉-脂质复合物的形成,直链淀粉分子与支链淀粉链在支化结晶区更自由的相互作用,降低了支链淀粉链的流动性,促使糊化温度升高[26]。Giménez等[27]认为原料粉一般有两个吸热峰,一种是淀粉糊化峰,还有一种是在90～95 ℃蛋白质变性或者直链淀粉-脂质复合物解离而形成的。挤压后原料在95～105 ℃形成的是Ⅱ型淀粉-脂质复合物,它们的形成有利于物料的缓慢冷却和干燥,形成的淀粉-脂质复合物也会减缓淀粉的消化速度[27]。挤压后粳糙米粉的糊化焓变降低了67.42%,糊化焓变可以衡量分子有序性的损失程度,糊化焓变降低的程度越小,淀粉分子有序性损失越小,糊化度越低[28]。Rafiq等[29]指出糊化度直接影响消化率的变化,糊化度越低,消化速度越慢,提供更长时间的饱腹感。

表2 低温挤压前后粳糙米粉的DSC糊化参数值Table 2 DSC gelatinization parameters of japonica brown rice and extruded brown rice

图2 低温挤压前后粳糙米粉的DSC糊化热流曲线Fig.2 DSC gelatinization thermograms of japonica brown rice and extruded brown rice

2.3.2 低温挤压对粳糙米糊化特性的影响 挤压前后粳糙米的RVA曲线和具体的糊化参数值如图3和表3所示。粳糙米经过低温挤压处理后,峰值黏度、崩解值分别降低了55.87%和90.89%。而林雅丽[30]采用100 ℃挤压糙米,峰值黏度降低了94.09%。峰值黏度是淀粉颗粒吸水膨胀后,相互摩擦使黏度增加导致的[31]。淀粉的糊化程度越低,残留的淀粉颗粒越多,溶胀程度越大,继而导致峰值黏度(PV)降低程度小[32]。崩解值代表淀粉凝胶的稳定性,

图3 低温挤压前后粳糙米粉的RVA曲线Fig.3 RVA curves of japonica brown rice and extruded brown rice

表3 低温挤压前后粳糙米粉的糊化参数值Table 3 RVA pasting parameters of japonica brown rice and extruded brown rice

崩解值越小,说明淀粉凝胶更加稳定[33]。最终黏度和保持黏度之间的差值定义为回生值。由表3可以看出挤压后粳糙米的回生值只降低了17.83%,回生值减小表明挤压可以减缓糙米淀粉的短期老化[34]。同时,回生值反映淀粉的降解程度,回生值降低程度越小,说明糙米经过低温挤压处理后,糙米淀粉降解少。

2.4 低温挤压对粳糙米吸水指数和水溶指数的影响

吸水指数(WAI)代表淀粉吸水能力,可以衡量淀粉糊化程度。由图4可知,挤压粳糙米的WAI由挤压前的2.03%增加至挤压后的3.03%,显著性增加了49.26%(p<0.05)。Chauhan等[35]认为挤压蒸煮破坏了淀粉的晶体结构,破损淀粉含量的增加,是挤压物具有更高WAI的主要原因。本研究中挤压粳糙米的WAI值增加幅度小,说明破损淀粉少,淀粉糊化程度低。水溶指数(WSI)能够表明淀粉颗粒的降解程度,也可以衡量淀粉大分子在挤压过程中受温度、剪切力的作用降解成为可溶性多糖的程度。粳糙米的水溶性指数由0.05%增至0.07%,显著增加了40%(p<0.05)。因此,低温挤压后粳糙米的水溶性指数提高,其营养素也相应提高[36]。同时,由于受到螺杆的机械作用,物料的分子结构也逐渐伸展,更多亲水基团暴露出来,从而导致与水的结合能力增强,有利于糙米的后期干燥[37]。

图4 低温挤压对粳糙米吸水指数和水溶指数的影响Fig.4 Effect of lower-temperature extrusion on WAI and WSI of japonica brown rice 注:不同小写字母代表同一指标在挤压前后差异显著,p<0.05。

2.5 低温挤压对粳糙米晶体结构的影响

X-射线衍射分析常用于表征淀粉的晶体结构,衍射图上尖峰对应淀粉的结晶区,弥散峰对应淀粉的亚结晶区和非结晶区[38-39]。挤压前后粳糙米的X-射线衍射图如图5所示。挤压前粳糙米在2θ角为15 °、17 °、18 °、23 °都出现了典型的A型峰,而挤压后粳糙米在2θ角为17 °、18 °、23 °附近的衍射峰相对减弱,说明粳糙米淀粉晶体结构被破坏,发生了部分糊化,这与Liu等[40]研究结果一致。挤压糙米在2θ角为20 °时出现了新的衍射峰,Ye等[41]发现原淀粉在2θ角为20°时不存在这种衍射峰,这是一种V型峰,是由于挤压过程中直链淀粉-脂质复合物形成而生成的。糙米的相对结晶度从37.52%降至27.33%,仅降低了27.16%,糊化度为68.43%。低温挤压后粳糙米结晶度的降低,表明淀粉发生糊化需要吸收的能量也减少,即糊化焓变降低,与上述DSC结果一致。

图5 挤压前后粳糙米粉的X-射线衍射图Fig.5 X-ray diffractograms of japonica brown rice and extruded brown rice

3 结论

粳糙米经65 ℃低温挤压后,总淀粉、蛋白质、游离氨基酸含量与组成变化不显著,脂肪含量显著降低,总的膳食纤维含量减少,有助于改善糙米粗糙的口感。总酚含量和GABA含量显著增加(p<0.05),表明低温挤压可以提高糙米的营养价值。DSC分析结果显示,挤压后糙米的糊化温度显著升高,糊化焓变降低程度小,吸热峰减小,糊化度为68.43%。RVA结果显示,挤压后粳糙米粉的黏度值、崩解值、回生值显著降低,回生值的降低使挤压糙米不易老化。同时,X-射线衍射分析表明相对结晶度降低了27.16%。这些表明,经低温挤压的糙米仍保持有大部分的晶体结构,并形成了淀粉-脂质的复合物,这些都将减缓淀粉在人体的消化吸收。此外,糙米的吸水指数与水溶指数也相应增加,这有利于糙米后续干燥加工。综上所述,粳糙米经低温挤压后,营养成分损失较少,糙米糊化度较低,以便于进一步制备消化慢、营养丰富、口感好的糙米食品。