半干法磨粉过程中水分变化对糯米粉品质的调控机制

蔺泽雪，秦婉瑜，耿栋辉，刘 璐，周素梅，黄峻榕，佟立涛*

（1陕西科技大学食品与生物工程学院 西安 710021 2中国农业科学院农产品加工研究所 北京 100193）

糯米在我国拥有悠久的种植和食用历史，汤圆、驴打滚等食品均以糯米粉为主要原料[1]。我国目前的糯米粉生产以传统的湿法制粉为主，湿磨法糯米粉具有破损淀粉含量低，淀粉颗粒完整度高等优势，是绝大部分糯米食品获得优异品质的关键基础[2]，然而，其加工过程中会产生大量废水，且存在安全隐患[3-4]。本实验室研究人员前期研究了糯米半干法磨粉技术，发现水分含量调制为33%的糯米，经旋风磨制成的糯米粉粉质特性与湿法糯米粉无显著性差异[5]，并且热风预处理能够使米粒产生裂缝，提高半干法磨粉的润米效率[6-7]，显著降低了糯米中本底微生物的含量[8]。这些研究表明半干法磨粉技术能制得适于工业生产的优质糯米粉产品，然而，在磨粉过程中米粒特性与粉质特性间的关系以及水分迁移转化并调控米粒性质的作用机制尚不明确。

本研究观察不同热风预处理时间、着水量条件下糯米米粒的表观变化，研究热风预处理时间、着水量及干燥时间对糯米粉粉质特性的影响，分析米粒硬度和水分变化对糯米粉品质的影响规律，揭示半干法磨粉过程中水分的迁移变化对糯米粉品质的调控机制，为完善糯米半干法磨粉技术，生产优质糯米粉原料提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

原料：籼糯米，赣州市九鲤湖食品有限公司，水分含量为12.90%。

试剂：破损淀粉试剂盒，爱尔兰Megazyme 公司。

1.2 仪器与设备

SMZ800N 体视显微镜，日本尼康株式会社；RVA-Tec Master 快速黏度分析仪，波通瑞华科学仪器（北京）有限公司；SU8010 场发射扫描电子显微镜，日立高新技术（上海）国际贸易有限公司；NMI20-030H-I 核磁共振成像与分析系统，上海纽迈电子科技有限公司；GWJ-Ⅱ型谷物硬度计，浙江托普仪器有限公司；CT410 型旋风磨，福斯赛诺分析仪器（苏州）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 裂缝观察 参照Wu 等[9]的方法，在体视显微镜下观察45 ℃热风处理0～60 min 米粒的表观裂缝。

1.3.2 米粒体积测量 取大小均匀的籼糯米20 g于托盘中，为调制水分质量分数为饱和含水量（33%），加入适量的蒸馏水润米35 min（通过浸泡6 h 前、后原料的质量差及质量变化计算得到[8]），每隔5 min 用游标卡尺测量米粒的长度、宽度和厚度，平行测量5 次，取平均值。

1.3.3 糯米粉的制备 参照Tong 等[10]的方法并稍作修改，准确称取籼糯米200 g，于45 ℃电热鼓风干燥箱中热风处理60 min，以质量分数33%为目标调制水分，加入适量的蒸馏水润米35 min，旋风磨磨粉后过100 目筛，于45 ℃干燥30 min。控制单一变量重复制备热风处理0，15 min，润米0，5，10，20 min 和干燥0，15 min 的糯米粉。样品装于密封袋，在干燥器或-20 ℃中保存待用。

1.3.4 糯米粉粉质特性的测定

1.3.4.1 破损淀粉含量的测定 采用酶比色法，使用Megazyme 破损淀粉试剂盒测定。

1.3.4.2 微观结构的测定 将冷冻干燥后的样品均匀的分散在双面导电胶上，固定于铝平板，真空喷金后装样，在10 kV 的加速电压下放大3 000 倍观察。

1.3.4.3 水合特性的测定 参照Heo 等[11]的方法并稍作修改，0.1 g 糯米粉样品与20 mL 蒸馏水混匀，分别在25 ℃和100 ℃下加热振动30 min 后，于8 500×g 离心30 min。分离上清液于铝盒，在105 ℃下烘干至恒重，对湿沉淀物进行称重。吸水指数（WAI）、水溶性（WS）、溶胀性（SP）计算公式如下：

1.3.4.4 糊化特性的测定 参照Cham 等[12]的方法并稍作修改，使用Perten RVA-Tec Master 快速黏度分析仪，取3.5 g 样品溶于25 mL 蒸馏水中，按照14%的校准水分计算粉量和水量。升温程序如下：以9 ℃/min 的速率从50 ℃升温至95 ℃，保温3 min，再以15 ℃/min 的速率冷却至50 ℃，保温2 min，测量时搅拌机转速160 r/min。

1.3.5 米粒硬度的测定 参照何顺武[13]的方法并稍作修改，使用谷物硬度计测量热风预处理每10 min、润米每5 min 的米粒硬度，测定结果以米粒裂开时的最大压力（kgf）为标准，平行测量40 次，取平均值。

1.3.6 核磁共振指数的测定 在半干法磨粉过程中，热风预处理每10 min 取样，润米和干燥过程每5 min 取样。准确称取1.0 g 的样品于18 mm 样品管中，采用CPMG 脉冲序列测量样品的自旋-自旋弛豫时间（T2）。CPMG 脉冲序列参数设置为：主频SF=21 MHz，90°脉冲射频脉宽P1=15 μs，180°脉冲射频脉宽P2=25.04 μs，接收机带宽SW=200 kHz，回波时间TE=0.2 ms，回波个数NECH=8 000。重复采集3 次，反演结果取平均值作为样品的弛豫时间和信号幅值。

1.4 数据处理

试验数据采用软件SPSS 20.0 进行方差分析，Tukey-Kramer 多重比较。

2 结果与分析

2.1 热风预处理对糯米籽粒表观裂缝的影响

前期研究发现半干法磨粉前的热风预处理加速了米粒中水分向外迁移的速度，形成众多水分通道从而产生裂缝[7]，然而裂缝在热风预处理过程中的形成规律尚不明确。基于此本研究采用45 ℃热风处理糯米，结果如图1所示。结果显示未经处理的米粒表面完整光滑无裂缝，随着处理时间的延长，糯米籽粒表观裂缝逐渐增多，根据Courtois等[14]的判定方法可认定预处理30 min 后的米粒为重度裂缝，表明热风预处理糯米30 min 可获得促进米粒吸水的重度裂缝。

图1 不同热风预处理时间对糯米籽粒的表观裂纹的影响Fig.1 Effects of different hot air treatment time on surface fissures of glutinous rice grain

2.2 着水量对糯米籽粒体积的影响

试验考察了糯米着水过程中米粒体积的变化，结果如图2所示，糯米籽粒的长、宽、高均随润米时间的延长逐渐增大，长度在润米5～10 min 时增加迅速，而宽度和厚度增加较缓。籽粒体积的增加可能是由于糯米中含有8%左右的蛋白质，蛋白质相比淀粉吸水膨胀率高[15]，润米时吸水膨润的蛋白质体积显著增大，与淀粉发生相对位移从而使籽粒体积增大。

图2 不同着水量对糯米籽粒体积的影响Fig.2 Effects of different water content on volume of glutinous rice grain

2.3 糯米粉的破损淀粉含量

破损淀粉含量是评价糯米粉品质的核心关键指标。不同润米水分对破损淀粉含量的影响已在前期研究中证实[5]，然而预处理及干燥过程对其影响有待分析。本研究考察了半干法过程对糯米粉破损淀粉含量的影响，结果如图3所示。随着预处理时间的延长，所得糯米粉的破损淀粉含量显著降低（P<0.05），表明热风预处理后进行半干法磨粉不仅可以加快润米速率，还可以进一步降低糯米粉破损淀粉含量。然而干燥15 min后糯米粉破损淀粉含量略有增加（P<0.05），这可能是由干燥处理的热损伤导致[16-17]。进一步干燥至30 min，破损淀粉含量未进一步增加，仍保持在2%以下，表明干燥处理的影响在可接受范围之内。

图3 半干法磨粉过程对糯米粉破损淀粉含量的影响Fig.3 Effect of semidry-milled process on damaged starch content of glutinous rice flour

2.4 糯米粉微观结构

通过扫描电子显微镜观察半干法磨粉不同阶段糯米粉中淀粉颗粒的完整性，结果显示随着热风预处理和润米时间的延长，糯米粉中的淀粉颗粒由相互粘连、缺损，逐渐变得独立、完整，这与破损淀粉含量的变化趋势相一致（图4、图5）。在不同干燥时间下，淀粉颗粒完整性无明显变化（图6），表明干燥处理对淀粉颗粒完整性影响较小。

图4 不同热风预处理时间糯米粉的微观结构Fig.4 Microscopic structure of glutinous rice grains with different hot air treatment time

图5 不同着水量糯米粉的微观结构Fig.5 Microscopic structure of glutinous rice grains with different moisture contents

图6 不同干燥时间糯米粉的微观结构Fig.6 Microscopic structure of glutinous rice grains in different drying time

2.5 糯米粉水合特性

为进一步评价糯米粉的粉质特性，本研究考察了半干法磨粉过程对糯米粉水合特性的影响，结果如表1所示。25 ℃时，热风预处理对糯米粉的吸水指数和溶胀性无显著影响，当糯米粉被加热到100 ℃时，吸水指数和溶胀性随预处理时间的延长而增加，这是因为预处理时间长的糯米粉破损淀粉含量低，完整的淀粉颗粒在糊化温度下更易吸水膨胀[18]。在润米阶段，25 ℃下糯米粉的水溶性随润米时间的延长而减小，这是由于润米时间长的糯米粉破损淀粉含量低，室温下完整淀粉颗粒比破损淀粉更难溶于水[19]。在干燥阶段，随着干燥时间的延长，糯米粉的吸水指数和溶胀性均显著增加（P<0.05），这是由干燥处理后水分散失所引起。

表1 不同半干法处理条件下糯米粉的水合特性指标Table 1 Hydration properties of glutinous rice floor with different semidry-milled condition

2.6 糯米粉糊化特性

糯米粉的糊化特性直接影响糯米制品的食用品质，本研究测定了不同半干法处理条件下糯米粉的糊化特性，结果如表2所示。随着热风预处理时间的延长，糯米粉的峰值黏度呈上升趋势，这与破损淀粉的含量有关，糯米粉破损淀粉含量低，糊化时更易膨胀，从而有更高的峰值黏度。在热风预处理、润米和干燥阶段，糯米粉的回生值均随处理时间的延长而减小，表明热风预处理、润米和干燥对于提高糯米粉稳定性和抗老化性有帮助。

表2 不同半干法处理条件下糯米粉的糊化特性指标Table 2 Pasting properties of glutinous rice floor in different semidry-milled condition

2.7 糯米籽粒的硬度变化

有研究证实大米在浸泡过程中蛋白质和淀粉吸水，会引起米粒硬度的降低[20]，而半干法磨粉过程中糯米籽粒硬度的变化规律还有待考察。热风预处理和润米过程中糯米籽粒的硬度变化如图7所示，热风预处理过程中，随着米粒裂缝的逐渐增多，米粒硬度下降。润米过程中米粒硬度在前15 min 下降迅速，后趋于稳定。糯米吸水导致的硬度降低有利于减小磨粉时的机械输入从而降低糯米粉的破损淀粉含量。

图7 热风预处理和润米过程中糯米籽粒的硬度变化Fig.7 Hardness changes of glutinous rice during hot air treatment and soaking

2.8 核磁共振指数

上述结果表明半干法磨粉过程中水分的进出是调控糯米粉品质的关键，然而这一过程中水分的动态变化规律仍不清楚。核磁共振分析中的横向弛豫时间（T2）大小可反映水分与糯米中蛋白质等物质的结合程度，T2越小，结合程度越大，水分流动性越小[21]。本研究考察了半干法磨粉过程中的水分变化，结果如图8所示。根据T2的分布，将水分划分为结合水T21（0.01～10 ms），毛细管水T22（10～1 000 ms）和自由水T23（>1 000 ms）。本研究中随着热风预处理的进行，毛细管水和自由水的占比增加（图8a，8d），表明部分结合水在处理过程中转化为了毛细管水和自由水，这有利于水分向外蒸发迁移，促进米粒裂缝的形成。由图8a，8b，8e可知，润米后T21增大且润米过程中无明显变化，说明结合水的流动性增强并在润米阶段保持稳定。润米过程中自由水和毛细管水的占比降低，这是因为润米时糯米吸收的自由水与米粒中的蛋白质、糖类等物质结合，转化为毛细管水甚至是结合水，这与宋平等[22]、余瑞鑫等[23]的研究结果一致。干燥过程中结合水、毛细管水和自由水的流动性不断降低（图8c），水分流动性的降低可使糯米粉达到安全水分，有利于保持糯米粉的良好品质。

图8 半干法磨粉过程中糯米/糯米粉核磁共振指数的变化Fig.8 NMR index changes of glutinous rice/rice floor during semidry-milled process

3 结论

热风预处理过程中结合水转化为毛细管水和自由水后向外迁移形成的水分通道使糯米籽粒产生裂缝，提高了润米效率；润米过程中米粒吸收的自由水与蛋白质等物质结合转化为毛细管水和结合水，蛋白质吸水膨胀，米粒体积增大，硬度降低，减小了磨粉时机械能的输入，破损淀粉含量低；干燥过程降低了糯米粉的含水量，水分流动性降低，使糯米粉达到安全水分。因此，水分在米粒中的“出-进-出”以及这一过程中不同种类水分的动态转化是降低米粒硬度从而保护淀粉颗粒完整性，获得品质优异糯米粉的内在机制。