蒸谷米超高压浸泡工艺条件优化

高雅文 张大力,2 方 丽 刘春雷 刘景圣,2

(吉林农业大学食品科学与工程学院1，长春 130118) (小麦和玉米深加工国家工程实验室2，长春 130118)

蒸谷米(parboiled rice)是经清理的稻谷再经水热处理后进行砻谷、碾米所得到的大米[1-3]。稻谷籽粒中营养成分分布不均衡，加工副产物皮层及胚中存在大量人体所必需的营养成分，如维生素B族、粗蛋白、粗脂肪等[4-7]。稻米在常规加工过程会不可避免地损失大量营养成分，人体长期食用这种加工精度高的大米必然会引起某些营养素的缺乏症，因此有必要研究及生产食用营养强化米[8,9]。蒸谷米通过水热处理稻谷，使皮层和胚中可溶性营养成分渗透到胚乳中，成为一种纯天然的、无任何添加剂的营养强化米[10-12]。

周显青等[13]研究了柠檬酸浸泡对蒸谷糙米碾米过程中蒸谷米镉含量和品质的影响。结果表明，柠檬酸浸泡提高了蒸谷米单位时间的碾减率，但对蒸谷米的碎米率无显著性影响；柠檬酸浸泡后制备的蒸谷米，其米饭吸水率、体积膨胀率、碘蓝值、pH 值及蒸谷米饭的硬度均显著降低，蒸谷米的色泽及其米饭的滋味、口感及综合评分等显著性提高。侯俐南等[14]以早籼稻为材料，研究超声波辅助浸泡对稻谷含水量和整精米率以及糊化特性的影响，结果表明：超声波功率为600 W，超声波处理时间为25 min，整精米率达68.82%，蒸谷米的品质最好。刘园等[15]研究表明浸泡条件为65～70 ℃、3.5～4 h，蒸煮条件为100 ℃、30 min时，蒸谷米营养品质和蒸煮品质最佳。但不论常压浸泡还是超声波辅助浸泡，浸泡时间均较长，会导致发酵现象产生，对蒸谷米的气味及营养品质和加工品质均有一定的影响[16,17]。本研究采用超高压浸泡生产蒸谷米，可以大幅度缩短浸泡时间，使稻谷在很短的时间内充分吸收水分，随水分的渗透，使蒸谷米中水溶性营养物质的含量增加，避免长时间浸泡，发酵带来的不利影响以及随浸泡水的倒掉，水溶性营养成分的流失。

本研究以北方粳稻为原料，采用超高压浸泡稻谷，考察对超高压浸泡效果影响较大的3个因素(浸泡压力、浸泡水温度、保压时间)对蒸谷米营养品质和加工品质的影响，为蒸谷米生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

吉林白城地区粳稻(采收时间为当年10月)。

硫酸、乙酸钠、高锰酸钾、过氧化氢、连二亚硫酸钠、盐酸、乙酸、氯化钾、硝酸银、氢氧化钠、铁氰化钾、异丁醇、硫胺素、硫酸奎宁、硫酸钾、五水硫酸铜、硼酸、浮石(以上均为分析纯)、乙醇(95%)、维生素B2标准溶液[(99.7±0.2)%]、荧光素标准溶液(98%)、淀粉酶(≥3 700 U/g)。

1.2 仪器与设备

UHPF-800MPa-3L超高压食品处理装置；GZX-9240 MBE电热恒温鼓风干燥箱；JLGJ4.5检验砻谷机；JNMJ3 检验碾米机；BA-6微波干燥装置；960荧光分光光度计；KDN-04型蛋白质测定仪。

1.3 方法

1.3.1 蒸谷米制备

稻谷清理去杂、去稗、去石和原粮中的不完善粒。超高压加温浸泡，浸泡水用量为35%，对浸泡压力、浸泡水温度、保压时间等工艺条件进行优化。温度121 ℃，汽蒸7 min。微波干燥(前期功率为2 000 W、时间3 min，后期功率为6 000 W、时间为2 min)使含水量降至14%(湿基含水量)，冷却至室温。用JLGJ4.5 检验砻谷机砻谷去稻壳后，使用JNMJ3 检验碾米机碾米50 s，整理成品。

对照组：对照组大米为未经水热处理，直接砻谷，碾米得到的全整白米。

1.3.2 整精米率的测定

称取净稻谷试样(W0)，经砻谷脱壳后得糙米，用实验碾米机磨50 s，除去糠粉，分拣出整精米[18]，称重 (W1)，计算整精米率(H)。

1.3.3 营养指标的测定

蛋白质含量的测定参考GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》，第一法 凯氏定氮法。

维生素B1含量的测定参考GB 5009.84—2016《食品安全国家标准 食品中维生素B1的测定》，第二法 荧光分光光度法。

维生素B2含量的测定参考GB 5009.85—2016《食品安全国家标准 食品中维生素B2的测定》，第二法 荧光分光光度法。

1.3.4 单因素实验1.3.4.1 浸泡压力对蒸谷米品质的影响

浸泡水温度40 ℃，保压时间7 min，考察不同浸泡压力100、200、300、400、500 MPa对蒸谷米整精米率及营养品质的影响。

1.3.4.2 浸泡水温度对蒸谷米品质的影响

浸泡压力200 MPa，保压时间7 min，考察不同浸泡水温度30、35、40、45、50 ℃对蒸谷米整精米率及营养品质的影响。

1.3.4.3 保压时间对蒸谷米品质的影响

浸泡压力200 MPa，浸泡水温度40 ℃，考察不同保压时间3、5、7、9、11 min对蒸谷米整精米率及营养品质的影响。

1.3.5 响应面实验设计

在单因素实验基础上，选取浸泡压力(A)、浸泡水温度(B)、保压时间(C)为自变量，以整精米率(Y1)和蛋白质含量(Y2)为响应值，应用Box-Behnken实验原理，采用三因素三水平响应面分析法进行实验设计，优化蒸谷米生产超高压浸泡工艺，响应面实验因素与水平见表1。

表1 响应面实验设计因素与水平

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2010、SPSS19.0、Design-Expert 8.0等分析软件对所得数据进行统计分析，每个实验重复3次。

2 结果与分析

2.1 浸泡工艺条件的确定

2.1.1 浸泡压力对产品整精米率及品质的影响

浸泡压力可影响淀粉、蛋白质分子间的结合形式，引起键的破坏和重组，形成胶体网状结构，改善米粒硬度和延展性[19]，过高的压力也会破坏已形成的网络结构，降低稻谷的硬度，碎米率增加，故整精米率先增大后下降。压力大，稻谷吸水快而且均匀，皮层中水溶性蛋白质随水分的渗透进入胚乳中，使大米中蛋白质含量增加，压力过大，蛋白质可能部分发生变性，水溶性降低，渗入胚乳中的蛋白质减少，致使大米中蛋白质含量降低。

注：**表示差异极显著(P<0.01)，*表示差异显著(P<0.05)，余同。
图1 浸泡压力对蒸谷米品质的影响

超高压处理对维生素具有较好的保护作用[20]。压力大，稻谷吸水快且均匀，皮层中几乎全部水溶性VB1、VB2随水分的渗透进入胚乳中，使大米中VB1、VB2含量增加，因皮层中VB1、VB2含量有限，所以随着压力继续增大，大米中VB1、VB2含量趋于平稳。

综合考虑，调整压力为100、150、200 MPa做响应面实验。

2.1.2 浸泡水温度对产品整精米率及品质的影响

随浸泡水温度升高，对稻谷的水热处理程度加深，米粒结构紧实，整精米率逐渐增大。温度过高，会破坏米粒中淀粉、蛋白质结构，使整精米率下降。

浸泡水温度高，稻谷吸水速率快、均匀且吸水量大，糠粉层中水溶性蛋白质，维生素等营养成分更有效地渗透到胚乳中，增加蒸谷米中蛋白质的含量，与Sujatha等[21]报道的蒸谷米中蛋白质含量比精白米要高的研究结果一致。

图2 浸泡水温度对蒸谷米品质的影响

温度是影响维生素稳定性的重要因素[22]，温度超过35 ℃后，VB1、VB2有不同程度的破坏，因此蒸谷米中VB1、VB2含量下降。综合考虑，选取温度为30、35、40 ℃做响应面实验。

2.1.3 保压时间对产品整精米率及品质的影响

压力可影响淀粉、蛋白质分子间的结合形式，引起键的破坏和重组，形成胶体网状结构，改善米粒硬度和延展性[23]，保压时间过长也会破坏已形成的网络结构，降低稻谷的硬度，碎米率增加，故整精米率先增大后下降。

保压时间短，稻谷不能充分吸收水分，随水分渗透到米粒内部的水溶性营养成分少；随着时间的延长，水分能均匀地渗透到米粒内部，蛋白质、维生素B1、维生素B2含量随之增加。

因此，选择5、7、9 min做响应面实验。

图3 保压时间对蒸谷米品质的影响

2.2 响应面实验结果

在单因素实验的基础上，选择浸泡压力(A)、浸泡水温度(B)及保压时间(C)做自变量，选取对蒸谷米加工品质和营养品质影响较大的整精米率和蛋白质含量为响应值，根据Box-Benhnken的中心组合实验设计原理做响应面实验，结果见表2～表4。

利用软件对表2实验数据进行回归分析，得回归模型方程：

整精米率Y1=72.09-1.33A-1.33B-0.36C-0.76AB+2.53AC+2.54BC-2.83A2-3.57B2-4.16C2

蛋白质含量Y2=9.07+0.095A-0.055B+0.025C-0.27AB-0.27AC-0.24BC-0.55A2-0.35B2-0.37C2

表2 响应面实验结果

表3 整精米率方差分析结果

注：*P<0.05为差异显著；**P<0.01为差异极显著，下同。

表4 蛋白质含量方差分析结果

说明回归方程可以很好地描述各因素与响应值之间的真实关系，实验结果与数学模型拟合程度良好，实验误差小，预测值与实测值之间有较好的相关性[24]，可用该模型来分析和预测蒸谷米超高压浸泡的最佳工艺条件。

由Design-Expert软件分析得到整精米率和蛋白质含量最大时对应的最佳条件是浸泡压力149.84 MPa、浸泡水温度34.32 ℃、保压时间6.98 min，整精米率为72.216 9%，蛋白质质量分数为9.069 85%。验证实验：浸泡压力150 MPa、浸泡水温度35 ℃、保压时间7 min，整精米率为71.38%，蛋白质含量为9.06%，与理论值基本相符，因此，以整精米率和蛋白质含量为检测指标，响应面法优化蒸谷米超高压浸泡工艺条件是可行的。

3 结论

生产蒸谷米超高压浸泡最佳工艺条件：浸泡水用量为35%，浸泡压力为150 MPa，浸泡水温度为35 ℃，保压时间为7 min，此条件下，整精米率为71.38%，蛋白质质量分数为9.06%，维生素B1含量为0.40 mg/100 g、维生素B2含量为0.14 mg/100 g。与普通精白米相比较，蛋白质含量，维生素B1、维生素B2含量均有差异极显著性(P<0.01)。采用高压加温浸泡，可大幅度缩短浸泡时间，有效解决长时间浸泡，易产生发酵现象，影响成品的风味问题，提高生产效率。