氦气冷等离子处理对大米蒸煮品质及理化特性的影响

刘静静，王若兰，李兴军，段义三，徐咏宁

1.河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001

2.国家粮食和物资储备局科学研究院 昌平中试基地，北京 102209

3.山东省军粮储备库，山东 齐河 251100

1928年由Tonks Lewi和Langmuir Irving首次提出“等离子体”的概念，用于定义继固态、液态、气态之外物质的第四状态，即气体部分或完全离子化状态，当增加能量输入时，就会发生从固态到液态，再到气态的相变，然而当能量输入增加到超过气体状态的特定水平时，会导致分子电离，从而产生等离子体状态[1]。根据离子温度与电子温度是否达到热平衡状态，等离子体可以分为高温等离子体和低温等离子体，而冷等离子体是低温等离子体的一种，且温度接近室温[2]。近年来，冷等离子技术(CP)作为食品的非热加工技术，引起了食品行业的极大兴趣，这个技术的新颖性在于它的非热本性、成本低、设计多样化及环境友好的特点[3]。

大米是世界上半数以上人口的主食，亚洲生产的稻谷约占世界总产量的90%，我国稻谷产量约2亿t[4]。蒸煮是大米最重要的加工步骤，赋予米饭理想的质地，包括热和质量(水分)传递。Juliano 等[5]报道，热带种植的大米蒸煮反应的变化发生在90 ℃，而不是粳白米的100～110 ℃。蒸煮期间水分吸收比率的对数曲线和蒸煮所需的时间表明，蒸煮速率遵循一阶化学方程[6]。我国对粳米和籼米的蒸煮特性研究较少。

等离子体处理已经用于薄膜消毒、沉积和蚀刻，增加材料表面能[7-8]。近年来冷等离子体技术在食品领域中主要用于杀灭果蔬等在加工和储存过程中伴生的细菌、真菌等有害微生物[9-10]，提高谷物种子发芽率[11]，失活酶如过氧化物酶、多酚氧化酶[12-13]，改善油在饼干中的铺展性[14]。Chen等[15-16]采用直流辉光放电等离子处理提高糙米的蒸煮特性，处理后米粒水分吸附增加，导致蒸煮时间减少。Thirumdas等[17]分析了低压空气冷等离子对印度香米的蒸煮和质地特性的影响，香米蒸煮时间显著减少，从20 min减少至13 min，蒸煮损失增大，水分吸收随等离子功率和处理时间增大而显著增加，这可能是因为冷等离子处理会造成米粒表面受到刻蚀，表面能增加(亲水性增强)，水分很容易进入米粒内部，进而改善大米的蒸煮品质。目前关于冷等离子体技术在粮食方面的应用主要集中在杀菌和育种方面，对大米品质变化影响的研究较少。国内在氦气冷等离子发生装置研发上具有优势[18-19]，故作者采用氦气冷等离子处理国产的籼米和粳米，分析大米蒸煮特性、物理特性及生理生化特性的变化，为冷等离子体技术用于大米加工方面的可行性和安全性提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料及处理

样品为广州籼米、常州粳米和东北粳米，基本信息见表1。采用氦气冷等离子120、320、520 W分别处理大米样品(300 g)60 s。

表1 原料基本信息

1.2 仪器与试剂

氦气冷等离子体发生仪：江苏常州HD-2N冷等离子体种子处理机有限公司；DHG9070A烘箱：杭州蓝天化验仪器厂；3-30K高速冷冻离心机：Sigma公司；紫外可见分光光度计：上海奥析科学仪器有限公司；电子天平(万分之一)、电导率测定仪：梅特勒多利多；JMWT12大米外观品质检测仪：北京东方孚德技术发展中心；HD-U805-1水滴角度测定仪：海达国际仪器有限公司； Mixolab混合试验测定仪、SDmatic损伤淀粉测定仪：特雷首邦(北京)贸易有限公司；电磁炉：广东美的生活电器制造有限公司；FW135型中草药粉碎机：天津泰斯特仪器有限公司。

快氯FCF染色试剂：Sigma公司；溴百里香酚蓝：天津福晨化学试剂厂；酚酞：天津光复精细化工研究所；考马斯亮兰G-250：Scientific Research Special公司；2-硫代巴比妥酸(生化试剂纯)、三氯乙酸、牛血清蛋白：国药集团化学试剂有限公司；Tris、盐酸、醋酸、磷酸、硼酸、L-亮氨酸、抗坏血酸、水合茚三酮等试剂均为分析纯。

1.3 方法

1.3.1 蒸煮特性

蒸煮时间参考Thirumdas 等[17]的方法，稍有改动。称取2 g米粒置于直径2.5 cm、长度20 cm试管中，加入20 mL蒸馏水，于沸水浴中蒸煮，间隔0.5 min取1次米粒，在两个玻璃板之间压米粒，直至白芯消失。该过程所用的时间即为最佳蒸煮时间。试验重复5次。

米饭水分吸收比率参考Thirumdas 等[17]的方法，稍有改动。称取米粒2 g(m0)于上述试管中，加入20 mL蒸馏水，在沸水浴中蒸煮，所用时间为最佳蒸煮时间。称量50 mL塑料离心管(直径2.6 cm、长度10 cm)质量(m1)，将米汤和内含物移入离心管中，静置冷却后倾倒上清液，用镊子夹滤纸到离心管内除去蒸煮的米粒表面水封，称量离心管和蒸煮米粒总质量(m2)。试验重复5次。水分吸收比率=(m2-m1-m0)/m0。

蒸煮损失参考Thirumdas 等[17]的方法，稍有改动。称取2 g米粒(m0)于上述试管中，加入20 mL蒸馏水以最佳蒸煮时间在沸水浴中蒸煮。将米汤和内含物倒入50 mL离心管中冷却。称量玻璃培养皿(直径10 cm、高度2.5 cm)质量(m3)，然后倾倒离心管中上清液于培养皿中，并在离心管的内含物中加入5 mL蒸馏水轻轻振荡，4 000 r/min离心6 min，将上清液并入培养皿中，120 ℃烘15 h，称量质量(m4)。试验重复5次。蒸煮损失/(mg·g-1)=1 000(m4-m3)/m0。

1.3.2 物理特性

米粒水滴接触角使用水滴角度测定仪[20]，采用固着液滴法测定，2.5 μL去离子水滴加到大米粒表面，该水滴在米粒表面沉积后立即分析，水滴形状的动态变化采用CCD照相机每10 s 记录1次。

米粒破碎指数采用快氯FCF染色方法[21]。称取2 g大米籽粒，置于50 mL塑料离心管，加入0.005% FCF 染色液4 mL在摇床上振荡10 min。然后用去离子水冲洗至水无色，再用1 mmol NaOH洗脱液4 mL洗脱20 min，测定洗脱液的吸光度D610和D690。D610-D690表示米粒破碎指数。

1.3.3 生理生化特性

水分含量按照105 ℃恒重法(GB 5497—1985)测定；游离脂肪酸值按照GB/T 5510—2011测定。

电导率参考周显青等[22]的方法，稍有改动。挑选50粒大小相似，无破损、饱满的籽粒，称量装入50 mL离心管，加入25 mL去离子水，混匀后在室温下放置24 h，其间摇动几次。测定上清液电导率，分别进行直接测定和摇匀后测定。试验重复3次。

丙二醛含量参考周显青等[22]的方法。称取米粉2 g，加入10%的三氯乙酸水溶液10 mL研磨，4 000 r/min离心10 min。取上清液2 mL(空白为2 mL 蒸馏水)，加入 0.6% 的2-硫代巴比妥酸溶液 2 mL，混匀，将混合物置于沸水浴15 min。冷却后离心，取上清液测定吸光值D450、D532、D600。试验重复3次。

式中：C为丙二醛含量，μmol/g；M为米粉质量，g。

可溶性蛋白含量采用考马斯亮兰G-250染色法[23]，以牛血清蛋白作标准曲线。游离氨基酸含量采用茚三酮染色法[24]，以亮氨酸作标准曲线。

巯基含量采用田益玲等[25]的方法。称取2 g米粉，加入15 mL 50%乙醇后超声波振荡10 min并混匀。3 000 r/min离心20 min，取4 mL上清液于具塞试管中，加入2 mL重铬酸钾-醋酸溶液，用去离子水定容至10 mL。然后90 ℃水浴10 min，吸取上清液在571 nm处测定吸光度。试验重复3次。

直链淀粉含量按照GB/T 15683—2008测定。

破损淀粉含量测定使用SDmatic损伤淀粉测定仪。先称量3.0 g硼酸和3.0 g碘化钾放入反应杯中，加入120 mL蒸馏水，滴加1滴0.1 mol/L硫代硫酸钠。再准确称量全麦粉样品(1.000±0.005)g于小匙两刻度线中间，点击测试按钮，输入样品质量，进行测试。

新鲜度指数参考Takashi等[26]的方法，稍有改动。准确称量1 g米粉样品于研钵中，用移液枪加入5 mL溴百里酚蓝溶液研磨2～3 min，将样品液移入50 mL圆底离心管中，再吸取5 mL溴百里酚蓝溶液洗涤研钵后一并移入离心管，8 000 r/min离心10 min。随后移液枪吸取4 mL上清液于比色皿中，在615 nm和690 nm处测定吸光度，以蒸馏水做空白，重复3次。D615-D690表示米粒新鲜度指数，差值越大，米粒越新鲜。

1.3.4 数据处理

采用随机区组试验设计，数据以平均值±标准差表示。LSD检验中同一列不相同小写字母表示样品之间差异显著(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 氦气冷等离子处理对大米蒸煮特性的影响

由表2可知，与对照样品相比，在120、320、520 W的等离子处理后，3个品种大米的最佳蒸煮时间均显著减少，广州籼米分别降低至17.33、15.67、13.67 min，常州粳米分别降低至16.90、15.40、14.50 min，东北粳米分别降低至17.50、15.00、14.00 min。而未经处理的广州籼米、常州粳米和东北粳米的蒸煮时间分别为18.83、19.00、19.50 min。其中，520 W等离子处理的蒸煮时间最短。冷等离子处理后大米蒸煮时间缩短可能是因为提高了大米的吸水率。利用蒸煮时间减少可制备方便米饭[27]，并节省能源。

表2 氦气冷等离子对大米蒸煮特性的影响

冷等离子处理的大米样品，随着氦气冷等离子处理功率增大，水分吸收比率和蒸煮损失均显著升高。3个大米品种水分吸收比率最高分别达到3.67、2.83、3.15，蒸煮损失最高达到50.55、22.16、29.82 mg/g。这可能是因为冷等离子处理后，大米颗粒表面遭到刻蚀，亲水性增加，水分易于吸收，且大米内部低分子量化合物浸出将表面颗粒带入水中。以上表明，冷等离子处理大米后可使蒸煮时间明显减少，而蒸煮损失则是增加的，且籼米蒸煮损失较大。

2.2 氦气冷等离子处理对大米籽粒物理特性的影响

接触角指由液-固界面(放置在材料表面的水滴)与液-气界面的交点形成的角度，与大米籽粒表面亲水性密切相关。冷等离子体处理使米粒表面形成凹陷和裂缝，从而增加了接触的有效区域，增加米粒的亲水性。由表3可知，采用氦气冷等离子处理，3个样品籽粒的水分接触角显著减小，最小分别为91.01°、57.08°、76.52°，经520 W处理60 s的样品具有最小的接触角，且具有最高的水分吸收比率和最少的蒸煮时间，而具有较大接触角的对照样品具有更长的蒸煮时间和较小的水分吸收比率。因此，研究接触角的变化对于揭示米粒蒸煮特性的变化机理非常有意义。冷等离子处理后，3个样品籽粒的破碎指数显著增大。

表3 氦气冷等离子对大米籽粒物理特性的影响

2.3 氦气冷等离子处理对大米籽粒生理生化特性的影响

氦气冷等离子对大米籽粒生理生化特性的影响见表4—表6。

由表4可知，氦气冷等离子处理引起大米样品的水分含量显著降低，这可能是由于应用了真空系统除去了米粒表面的水分或是冷等离子处理后水分子形成氧自由基造成的[15]，在低压等离子体处理的颗粒淀粉中也发现了水分含量的类似降低[8]。米粒的水浸提液不摇匀时电导率差异不显著，摇匀时120 W等离子处理引起广州籼米和东北粳米的电导率显著增加，而常州粳米的电导率增加不显著。游离脂肪酸含量和粮食储藏品质有很好相关性[28]，氦气等离子处理显著减少了广州籼米和常州粳米的游离脂肪酸含量，虽对东北粳米的游离脂肪酸含量影响不显著，但有降低其游离脂肪酸含量的趋势，这说明冷等离子处理后有利于改善大米的储藏稳定性。

表4 氦气冷等离子对大米水分含量、电导率及游离脂肪酸含量的影响

从表5看出，以320 W和520 W的氦气等离子处理60 s, 广州籼米、常州粳米和东北粳米的丙二醛含量显著减少。冷等离子处理后，3个大米样品的游离氨基酸含量和可溶性蛋白含量均呈增加趋势，蒸煮品质的改善可能与之有关。Misra等[29]采用60～70 kV 空气冷等离子处理软麦和硬麦面粉5～10 min, 提高了面团混合时间和面团强度，认为面粉中的蛋白质巯基被氧化，半胱氨酸基团之间形成了二硫键。本试验用520 W的氦气等离子处理60 s，显著增加了广州籼米的巯基含量，其他两个品种的巯基含量也呈增加趋势，表明氦气冷等离子引发的反应中可能包含还原反应。

表5 氦气冷等离子对大米丙二醛含量及蛋白质相关指标的影响

从表6看出，不同功率的氦气等离子处理60 s，3个大米样品的直链淀粉含量变化不明显。Thirumdas等[30]采用冷等离子直接处理大米淀粉时，直链淀粉含量降低，而本研究是直接处理大米籽粒，所以结果有所不同。320、520 W的氦气等离子60 s处理均显著减少广州籼米和常州粳米的破损淀粉含量，却显著增加东北粳米的破损淀粉含量。破损淀粉可以吸收更多的水分，从而影响其加工性能。320、520 W的氦气等离子处理60 s显著增加广州籼米和常州粳米的新鲜度指数，并保持了东北粳米的新鲜度指数。这与表4中游离脂肪酸含量变化较一致，进一步说明冷等离子处理可以延长大米的货架期，使大米更耐储藏。

表6 氦气冷等离子对大米淀粉指标及新鲜度指数的影响

3 结论

研究了大米冷等离子处理后的蒸煮特性、物理及生理生化特性。采用≥120 W氦气冷等离子处理60 s 可减少广州籼米、常州粳米和东北粳米的蒸煮时间，增加水分吸收比率和蒸煮损失，明显改善了大米的蒸煮品质；水分接触角显著减小，说明大米亲水性增加，520 W处理60 s时具有最小的接触角，且具有最大的吸水比率和最短的蒸煮时间；3个大米品种的籽粒破碎指数显著增加；3个大米品种的水分含量显著降低，游离脂肪酸和丙二醛含量减少，巯基含量增加，可一定程度上延长大米货架期；冷等离子处理对大米直链淀粉含量没有显著影响，但可改变不同品种大米破损淀粉含量，进而影响大米的加工性能。从工业化角度看，冷等离子处理可改善大米蒸煮品质，有望用于蒸煮的节能工艺及速食米饭的制备；冷等离子处理具有改善大米储藏稳定性的效果，可延长大米的储藏期；不同功率冷等离子处理对大米品质有不同影响，选择合适的处理条件可以达到不同的处理效果。总之，冷等离子体技术作为食品的非热加工技术，可以有效改善大米蒸煮品质，并影响大米的理化特性。