微波加速陈化过程中大米理化性质和组织结构的变化

项晓月 赵金成 吴建永 钟业俊

（南昌大学食品学院 南昌 330047）

用新收获大米烹饪的米饭较为软烂、黏稠，食用品质不佳，一般自然陈化3～6 个月可以改善米饭的口感[1-2]。然而，新收获大米进行自然陈化不仅需要占用仓储空间，而且在储藏过程中容易受到昆虫和微生物的侵害[2]。近年来有很多研究通过物理处理的方法加速大米的陈化，这种在短时间内处理稻米以获得类似于自然陈化大米的过程被称为加速陈化[3]。Jaisut 等[4]利用高温流化床干燥糙米（130 ℃和150 ℃，干燥30～120 min），发现流化床干燥糙米的蒸煮和食用品质与自然陈化7 个月的糙米发生了相似的变化。Rayaguru 等[5]通过调节环境的温度（43.4 ℃）和湿度（71.0%）可加速香米的陈化。Sung[6]研究表明，γ 射线辐照可以缩短籼稻的陈化时间，进而提高稻米的加工稳定性和品质。

微波是一种常见的物理处理手段，具有加热迅速、应用方便等优点，目前有研究表明微波处理可以加速大米的陈化，改善大米的蒸煮品质[7-8]，然而，目前还没有关于微波加速陈化过程中大米组织结构变化的研究报道，组织结构变化与理化性质变化之间的关系亦不清楚。本研究采用微波处理加速新鲜大米的陈化，通过快速黏度分析仪（RVA）和质构仪测定微波对的糊化性质和质构的影响；通过扫描电镜观察大米微观结构的变化；通过监测大米中游离脂肪酸、二硫键的变化，探讨组成成分变化对大米陈化的影响；同时，以自然陈化大米为参照，探究组成组分变化与理化性质变化之间的关系，以期为解析微波加速稻米陈化的机制提供研究基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

早籼稻（品种：黄花占）为2017 年10 月收获于江西省井冈山市郊区稻田。将新收获稻谷运回实验室（江西南昌），一半稻谷在自然陈化室（年平均气温17.5 ℃，年平均相对湿度78.5%）自然陈化12 个月，另一部分稻谷真空包装后置于4 ℃环境贮藏，备用。

谷胱甘肽、甘氨酸、盐酸胍、5，5'-二硫代双-2-硝基苯甲酸，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；其它试剂均为国产分析纯级。

1.2 仪器与设备

CNWB-1.62ZK 真空微波设备，昆山国晶电子有限公司；THU-35A 碾磨机、TM 05 抛光机，日本佐竹公司；FW100 型高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司；快速黏度分析仪，澳大利亚Newport Scientific 公司；TA.TX2.plus 质构仪，英国Stable 公司；Quanta-200 扫描电子显微镜，荷兰FEI 公司。

1.3 试验方法

1.3.1 微波处理 将新收获稻谷置于真空微波设备中，540 W 分别处理 30，50 s，分别标记为MW30s 和MW50s；对照组为新收获稻谷（fresh rice，简称FR）和自然陈化稻谷（aged rice，简称AR）。使用脱壳机分别对稻谷脱壳，并用碾磨机碾磨得到大米（碾磨率均为10%）。根据需要，将各组中部分大米碾磨成粉，过100 目筛，备用。

1.3.2 糊化性质的测定 参照Molavi 等[9]的方法，利用快速黏度分析仪测定大米糊化性质。先加入25 mL 蒸馏水于RVA 测试铝桶中，再加入3 g 米粉（12%水分基）搅拌混合，然后进行程序搅拌，加热（50～95 ℃）后冷却，总运行时间为12.5 min，米粉被完全糊化和冷却，得到样品的温度-黏度-时间双坐标曲线。每个样品分析3 次，绘制平均黏度曲线，得到样品的峰值黏度、终值黏度、回生值和糊化温度。

1.3.3 质构的测定 参考Park 等[10]的方法并稍作修改，将大米和水以10∶13 的比例加入电饭锅中，蒸煮20 min，保温10 min；趁热取出米饭，选将3 粒大小一致的完整米饭，以环状方式排列并置于测试平台上，使用36 mm 圆柱探头（P/36R）进行2 次下压测试，测试前、测试中和测试后速度分别为0.5，1.0，1.0 mm/s，第1 次压缩量为40%，第2次压缩量为75%，每个样品测定10 次，分析得到米饭的硬度和黏度。

1.3.4 微观结构的变化 根据Wu 等[12]的方法，采用Quanta-200 扫描电子显微镜观察大米的微观结构。用刀片沿完整米粒的横轴方向施加一定的力使其自然断裂。将米粒样品的断裂面向上，用双面胶带将其固定在铝柱上，进行喷金处理，然后用扫描电镜在在5 kV 的加速电压下，观察大米断裂面的微观结构[13]。

1.3.5 游离脂肪酸定测定 参考Zhao 等[8]的方法，将10 g 大米粉加入50 mL 乙醇中，用磁力搅拌器搅拌10 min 后过滤，用蒸馏水将滤液补足至50 mL 后，以酚酞为指示剂，采用0.01 mol/L KOH进行滴定。游离脂肪酸的含量即为滴定所需的KOH 的量。

1.3.6 二硫键含量的测定 参考Beveridge 等[14]的方法，大米的二硫键含量为还原后-SH 的含量与还原前-SH 含量的差值。75 mg 的米粉样品用1 mL Tris-甘氨酸缓冲液混匀后加4.7 g 盐酸胍，用缓冲液定容至10 mL，测定巯基时，取1 mL 该液加4 mL 脲-盐酸胍溶液和0.05 mL Ellman’s 试剂，于412 nm 波长处测吸光值。测定二硫键时，取1 mL 溶液，加0.05 mL 巯基乙醇和4 mL 脲-盐酸胍溶液，于25 ℃保温1 h，然后加入10 mL 12%三氯乙酸，继续于25 ℃恒温1 h，5 000×g 离心10 min，用5 mL 12%三氯乙酸清洗沉淀物2 次，将沉淀物溶于10 mL 8 mol/L 脲中，加0.04 mL Ellman’s 试剂，测取412 nm 波长处的吸光值。二硫键的含量按式（1）、（2）计算。

式中，A412——波长412 nm 处的吸光值；D——稀释因子，值为5；C——样品质量浓度，mg/mL。

式中，N1——还原前巯基数；N2——还原后巯基数。

1.3.7 数据处理 每个试验重复3 次除非另作说明，试验结果用平均值±标准偏差表示。使用SPSS 17.0 软件分析试验数据，采用单因素方差分析（Turkey’s 检验）对均值进行两两比较，显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 微波处理对大米糊化性质的影响

糊化性质可以反映稻米的陈化进程，也是决定米饭及米制品品质的重要指标[10，15]。从表1 可知，在自然陈化过程中，大米的峰值黏度、终值黏度、回生值和糊化温度都显著增加（P＜0.05），这与已有的研究[12，16]结果一致。微波处理后大米的峰值黏度、终值黏度、回生值（P＜0.05）和糊化温度（P＞0.05）均有所增加，尤其微波处理50 s 后，大米的峰值黏度、终值黏度、回生值和糊化温度继续增加（P＜0.05）；可见，微波处理对大米糊化性质的影响与自然陈化相同。实际上，峰值黏度是评估稻米陈化过程的敏感指标[17-18]，陈化大米通常具有更高的峰值黏度[19]，即陈化大米在糊化过程中具有更强的抗溶胀能力；回生值也是反映稻米陈化程度的重要指标[20]，陈化过程中淀粉回生值的增加导致大米硬度增加、黏性降低[21]。此外，终值黏度和回生值是预测直条米粉质量的重要参数[17]，终值黏度和回生值的增加，有利于提高直条米粉的质量，这是因为终值黏度和回生值增加，使米粉的凝胶硬度增加、黏度降低，从而避免新鲜大米生产直条米粉时易出现的米粉粘连，不易成形等问题[22]。因此，微波处理加速大米陈化，还可用于直条米粉的原料制备和优化。

表1 微波处理对大米糊化性质的影响Table 1 Effect of microwave treatment on the pasting properties of rice

2.2 微波处理对大米米饭质构的影响

由图1 可知，陈化后米饭的硬度增加，黏度降低（P＜0.05），这与Tananuwong 等[18]的研究结果相同。这是由于陈化过程中大米的组织结构不断增强[23]，造成大米糊化时淀粉颗粒更难吸水和溶胀，显示出更强的抗溶胀能力[18，20]。从图1 可知，与自然陈化大米米饭的质构变化一样，微波处理后米饭的硬度增加、黏度降低（P＜0.05），且微波处理时间延长硬度进一步增大，黏度降低。这可能是因为微波处理时，样品中具有极性基团的分子（如羟基极性基团和氨基极性基团）在磁场作用下发生定向[8]，从而加强了淀粉和其它组分的相互作用[7]，使淀粉颗粒与大米中其它组分更难分离，淀粉颗粒的抗溶胀能力增强[24]。

图1 微波处理对大米米饭质构的影响Fig.1 Effect of microwave treatment on the textural properties of cooked rice

2.3 微波处理对大米微观结构的影响

用刀片在完整米粒中部区域轻微施压，米粒会从中间应力断裂，形成横截面（图2）；在米粒横截面上有两种不同类型的区域，一种是由紧密排列的复合淀粉颗粒和具有锋利边角的单淀粉颗粒组成的粗糙面（如图2a 中空心箭头所示），这主要是由于胚乳细胞壁的机械强度弱于胚乳细胞之间的黏附强度，造成的细胞内断裂；另一种是光滑区域，由平整光滑的细胞壁组成（如图2a 中实心箭头所示），主要是由于胚乳细胞之间的黏附强度弱于细胞壁的机械强度而发生了细胞间断裂[12-13，25]。从图2 可知，FR 米粒截面上粗糙区域和光泽区域所占比例差不多（图2a），而AR 米粒的粗糙区域所占比例高于光泽区域（图2b），表明新鲜大米陈化后细胞间裂解增加[12]。相比于FR，图2c 和2d 中的粗糙区域都明显增加，表明微波处理也可以增加米粒的细胞内裂解。实际上，微波加热时物料的除水速度非常快，物料内部瞬间失水可能导致大量的细胞膜和细胞壁紊乱[7]，且微波处理过程中谷物水分的损失容易引起细胞膜的解体[26]，因此微波处理导致的细胞内裂解增加，可能是由于微波处理影响了胚乳细胞壁，造成细胞壁的机械强度降低。值得一提的是，细胞内裂解增加，会引起大米胚乳细胞的内聚强度降低，进而造成米粒在烹饪过程中更易爆裂[25]，这也可能是适度陈化大米的食用品质优于新收获大米的原因。

图2 微波处理对大米微观结构的影响Fig.2 Effect of microwave treatment on the microstructure of rice

2.4 微波处理对大米中游离脂肪酸的影响

大米在陈化过程中，脂质会发生酸败，导致大米及其米制品的食用品质变差[27]。由图3 可知，与新收获大米相比，自然陈化大米的游离脂肪酸含量显著上升（P＜0.05），而微波处理大米的游离脂肪酸含量则有所降低。实际上，已有研究表明微波辐射可降低大米中游离脂肪酸含量[14]，部分原因是由于微波处理引起脂肪酶和脂氧化酶的失活[14，28]。因此，微波处理可以减少稻米中的游离脂肪酸，避免稻米自然陈化过程中因脂肪氧化导致的酸败问题，有利于提升大米及米制品的品质。

图3 微波处理对大米中游离脂肪酸和二硫键的影响Fig.3 Effect of microwave treatment on free fatty acids and disulfide bond of rice

2.5 微波处理对大米中二硫键的影响

研究表明，陈化过程中稻米糊化特性的变化主要是由于蛋白质结构发生变化[17，19，23]。由图3 可知，与FR 相比，AR 的二硫键含量显著增加，同时，微波处理30 s 或50 s 样品的二硫键含量也显著增加，表明微波处理可以与自然陈化一样增加稻米二硫键的含量。在一般的糊化过程中，稻米中蛋白可能会展开，暴露出更多的反应基团，与浸出的淀粉结合，形成淀粉-蛋白质复合物，黏附在溶胀淀粉颗粒表面，形成一层糊化层（该糊化层与糊化产物的黏度密切相关）[29]；同时，二硫键会稳定球状蛋白质结构，阻止蛋白质的完全展开[18]。因此，二硫键的增加，会抑制淀粉-蛋白质的相互作用，使糊化层变薄，从而影响米饭的质构。另外，在蛋白质凝胶化状态下，分子间二硫键的增加会延长蛋白多肽链，从而限制多肽的相对热运动并且强化蛋白质凝胶网络的稳定性[8]，同时降低溶胀淀粉颗粒的脆性使溶胀颗粒不易破裂[17]。因此自然陈化和微波处理造成稻米二硫键增加，迫使稻米糊化后形成的凝胶网状结构增强，造成米饭硬度增加，黏度下降[6，18]。

3 结论

新收获稻米的食用品质不佳（软烂、粘稠），自然陈化（3～6 个月）可以改善米饭的口感，而采用物理方法不仅可以加速稻米陈化还能节省陈化时间，降低仓储成本。本研究采用适度的微波处理加速了稻米陈化，主要是微波处理降低了稻米胚乳细胞壁的机械强度，蛋白质的二硫键增多，强化了大米在糊化过程中的抗溶胀能力，造成米饭硬度提高、黏度降低。值得注意的是，与自然陈化过程中游离脂肪酸含量逐渐上升的变化不同，微波处理后大米中的游离脂肪酸含量降低，从而减少哈败味的产生。采用微波加速陈化的大米用于生产直条米粉，不仅可以避免新鲜大米生产直条米粉时易出现的米粉粘连，不易成形等问题，还可避免产品游离脂肪酸含量过高等问题。