湿热处理对陈米品质的影响及其变化机理初探

宗平,王燕*,廖卢艳,吴卫国,周涛,任剑豪,李娜

1(湖南农业大学 食品科学技术学院,湖南 长沙,410128) 2(中南粮油食品科学研究院,湖南 长沙,410008)

稻谷是世界上最重要的粮食作物之一,更是我国主要的储备粮种,在储藏过程中稻谷会发生比较复杂的变化,其综合作用会影响稻米的加工、外观、微观结构、蒸煮、质构以及糊化等性质[1-3],从而导致其食用品质下降[4],且储藏年限越长,其品质变化越明显,最终造成粮食的滞销。因此,加大对储藏年限较长稻米的品质改良研究,有利于减少稻谷储藏与加工的损失、扩展稻米资源的利用,从而缓解粮食短缺的问题。

目前,应用于稻米品质改善的方法有超高压[5]、蒸谷[6]、微波[7-8]、过热蒸汽[9]、预熟化[10]等。但上述方法对设备的要求较高,操作复杂,无法应用于大规模工业化生产,且在改善稻米品质的同时也可能会出现不利的影响,如:蒸谷处理在增加稻米的营养价值、储藏稳定性和出米率的同时加深了米粒的颜色[6];微波处理在改善糙米储藏性能的同时,大米胚乳表面结构被破坏,导致米内复合淀粉粒崩解,生成膨化大米[8]。所以亟需继续探索一种经济可行的改善稻米品质的技术。

湿热处理(heat-moisture treatment,HMT)是一种物理改性技术,一般是指在一定水分体积分数和温度范围下,处理大米粉、淀粉等物料促使其理化性质的改变但不影响分子结构的变化[11]。湿热处理技术因其过程仅涉及水和热,且操作方便,无任何添加的优势受到学者的广泛关注。现阶段,国内外湿热改性处理技术在大米方面主要集中在对大米淀粉的诸多性质的研究,如颗粒形态、结晶性、热稳定性、糊化特性、老化性质、消化性、溶胀力和溶解度等[12-15]的变化,但少有学者对经湿热处理过的稻谷(heat-moisture treated rice,HMTR)的加工性质、籽粒外观特性和微观结构、米饭的蒸煮质构特性和感官品质以及米粉的糊化特性等进行全面的研究。本文使用湿热技术处理已储藏2年的陈米,研究湿热处理条件对其加工品质、外观品质、微观结构、蒸煮特性、感官品质、质构特性和糊化特性的影响,对比未处理样品并分析其变化规律,旨在为湿热处理技术改善陈米品质提供参考价值。

1 材料与方法

1.1 试验材料

籼稻,2019年12月取于湖南金霞粮食产业有限公司,为2017年12月收获稻谷。清除杂质、发霉粒之后分装于自封袋,于4 ℃下保存。稻谷含水率为(12.96±0.04)%(湿基)。

盐酸(优级纯)、碘化钾(分析纯),国药集团化学试剂有限公司;碘(分析纯),天津市大茂化学试剂厂。

1.2 试验仪器

JLGJ45型检验砻谷机、JNMJ-Ⅱ型检验碾米机,台州市粮仪厂;电热恒温干燥箱,北京市永光明医疗仪器有限公司;白度仪,日本佐竹有限公司;pH计,上海仪电科学仪器股份有限公司;离心机,湖南凯达科学仪器有限公司;722E型可见分光光度计,上海光谱仪器有限公司;质构分析仪,北京盈盛恒泰科技有限责任公司;JSM-6380LV 型扫描电子显微镜,日本电子株式会社;RVA快速黏度仪,波通瑞华科学仪器(北京)有限公司;7890B+5977B Agilent气相-质谱联用仪,上海硅仪生化科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 湿热处理稻米的制备

取出样品稻谷,待稻谷温度达室温后,调节稻谷含水率分别至14%、17%、20%、23%、26%,然后密封于玻璃器皿中,室温下平衡水分18 h,将处理好的样品放入自封袋,分别置于50、60、70、80、90 ℃鼓风干燥箱,处理1、2、3、4、5 h。每份稻谷样品500 g。待热处理结束取出,平铺于60目的圆形筛中,于40 ℃下鼓风干燥箱中干燥至稻谷初始含水率(12.96±0.04)%,然后再密封于同一干燥温度下缓苏2 h,缓苏结束打开置于于常温下48 h。将其砻谷、碾米得精白米,装入密封袋于4 ℃储存,供品质分析用。

1.3.2 稻谷加工品质的测定

出糙率参考GB/T 5495—2008《粮油检验 稻谷出糙率检验》;整精米率参考GB/T 21719—2008《稻谷整精米率检验法》。

1.3.3 大米外观品质的测定

白度:采用大米白度仪测定米粒白度。

透明度:采用大米白度仪测定米粒透明度。该设备自动分析光透过样品的深度,透明度用测得的深度与标准深度的百分比表示。

1.3.4 扫描电镜观察

每组样品各取3粒完整精米,用单面刀片从中部横向切取厚度2 mm的薄片(与米粒长轴垂直)。用双面胶带将切样固定于载物台上,在镀膜机上喷金镀膜。用扫描电子显微镜在加速电压下拍照[2]。

1.3.5 大米蒸煮特性的测定

蒸煮特性各指标(吸水率、体积膨胀率、米汤pH值、碘蓝值、固体溶出物)参考王肇慈[16]的方法测定。

1.3.6 米饭感官评价

每组大米样品取20 g于铝盒中清洗,以1∶1.6(g∶mL)的比例加水,浸泡30 min,蒸煮40 min,跳闸后再焖制20 min。选5名感官品评人员,以GB/T 15682—2008《粮油检验 稻谷、大米蒸煮食用品质感官评价方法》中米饭感官评价评分标准对HMTR米饭的气味、外观结构、适口性、滋味和冷饭质地进行评分,并与未处理样品米饭对比。

1.3.7 米饭质构特性的测定

米饭质构特性参考毕文雅[17]的方法测定。上述蒸煮大米样品中间层的不同部位随机取3 粒米,头碰头 120°角的方式放置在物性仪的载物台上进行测定,获得米饭的硬度、黏附性、弹性、胶黏性、咀嚼性。TPA 探头选取P36 柱型探头;测前速度为10 mm/s,测试速度为30 mm/s,测后速度为5 mm/s,压缩比为70%。

1.3.8 米粉糊化特性的测定

米粉糊化特性参考姚映西[18]的方法,每组取10 g大米样品,用粉碎机粉碎,经100目筛过筛,然后取3 g样品加入RVA专用铝盒内,加入水定容至25 mL,用搅拌器将样品搅拌均匀,放入仪器中进行测定。采用升温/降温循环,糊化程序:50 ℃保持1 min,4 min内加热至95 ℃,保温5.5 min,4 min冷却至50 ℃并保持4 min。另外旋转浆在起始10 s内旋转速度为960 r/min,以后保持160 r/min。

1.3.9 数据分析

测定试验重复 3次,结果表示为“平均值±标准差”。数据处理使用软件 Excel 2007 以及 Origin-Pro 8.5。ANOVA分析使用软件 SPSS 20.0 进行。

2 结果与分析

2.1 湿热处理前后稻谷加工品质的变化

未湿热处理稻谷的出糙率和整精米率分别为(78.66±0.12)%、(53.82±0.26)%。如图1所示,不同湿热处理条件下稻谷出糙率不存在显著差异(P>0.05),湿热处理前后稻谷的出糙率在一定范围内波动,但不存在明显的变化趋势,出糙率出现波动的原因可能是经过湿热处理以及后续干燥过程后,稻谷含水率不完全一致,影响了糙米的质量;不同湿热处理条件下稻谷整精米率存在显著差异(P<0.05),稻谷整精米率随米粒含水率的提高呈现上升的趋势,随热处理时间的延长而变化不明显,随热处理温度的升高而升高,3个因素对稻谷整精米率的影响大小排序为:谷粒含水率>热处理温度>热处理时间。总的来说,湿热处理后的稻谷整精米率相比未处理样品略有下降,推测原因是在湿热处理过程中,水分流失,细胞内形成水分梯度,张应力与压应力的相互作用使米粒产生裂纹[19],碾米过程碎米增多,造成整精米率略有下降。但26%含水率的稻谷经过湿热处理后,其整精米率明显上升,达(61.32±0.17)%,推测原因是高湿条件下,米粒糊化更充分,胚乳细胞结构变得更稳定,碾米过程碎米随之减少。

图1 米粒含水率、热处理时间及热处理温度对HMTR加工品质的影响Fig.1 Effect of moisture content of rice,heat treatment time and heat treatment temperature on processing quality of HMTR注:同一曲线下相同字母表示差异不显著,不同字母表示差异显著(P<0.05)(下同)

2.2 湿热处理前后外观品质的变化

湿热处理前后米粒的白度和透明度如表1所示,米粒含水率、热处理时间以及热处理温度对米粒白度的影响明显,总体而言,湿热处理后稻米的白度相比未处理样品米的白度要高一些,推测原因是米粒会在脱水的过程中出现腹白,从而米粒白度会增大;但高温高湿条件下的米粒白度严重下降,推测原因是高温高湿促进色素由稻壳和米糠层迁移到胚乳内部,还伴随着美拉德反应、酶促反应等,米粒颜色加深,从而降低米粒白度;不同湿热处理条件下米粒透明度存在显著差异(P<0.05),湿热处理后稻米的透明度较未处理米的透明度显著下降,推测原因是米粒在湿热处理过程中裂纹和腹白的出现使米粒内部质地不均,阻挡光线透过,导致米粒的透明度下降。

表1 HMT对米粒外观品质的影响Table 1 Effect of HMT on the appearance quality of rice

2.3 扫描电镜观察

淀粉是大米的主要成分,胚乳淀粉的形态和组成的变化能很大程度的影响大米的品质。扫描电镜观察胚乳的形态结构及淀粉颗粒的形状和分布特点可以有效地了解稻米在湿热处理过程中的品质改变。图2-a显示经过较长储藏时间后的稻米胚乳横截面裸露的淀粉颗粒较多,表面裂纹较多,蛋白质网状结构和淀粉结合处比较松散,这些变化直接显现的现象为米饭黏弹性不足,口感较差。B1～B5、C1～C5和D1～D5分别是不同稻米含水量、热处理时间和热处理温度经湿热处理后大米的扫描电镜图,经过湿热处理之后,稻米胚乳横截面裸露的淀粉颗粒减少,表面裂纹减少,棱角分明,排列紧密。原因在于裸露的淀粉颗粒重组形成稳定有序的结构,并以复合淀粉体嵌入蛋白质网状结构中,形成稳定的胚乳结构[20],从而导致蒸煮后的米饭黏弹性上升,溶胀力下降。

2.4 湿热处理前后大米蒸煮特性的变化

湿热处理显著改变HMTR的蒸煮特性(表2)。相比未处理样品大米,HMTR的体积膨胀率、pH值、碘蓝值显著下降(P<0.05),固体溶出物显著上升(P<0.05)。随着米粒含水率的增大、热处理时间的延长、热处理温度的升高,HMTR的体积膨胀率、pH值、碘蓝值均呈现下降的趋势,HMTR的固体溶出物均呈上升的趋势,HMTR的吸水率为264%～376%。吸水率上升可能是因为在湿热处理过程中米粒细胞壁遭到破坏,增强了细胞的吸水能力。而高温高湿处理条件下的HMTR吸水率反而下降,推测原因是在高湿高温条件下淀粉糊化、脂质-直链淀粉复合物形成、直链淀粉与支链淀粉分子间的相互作用增强、淀粉的流失及热分解[21-22],造成淀粉溶胀、吸水能力降因此HMTR的吸水率下降,同样伴随着HMTR的体积膨胀率下降。体积膨胀率代表大米在蒸煮过程中的胀性,随着体积膨胀率的下降,米饭的黏弹性增大,故其口感变好。pH值下降推测原因是湿热处理在一定程度破坏细胞壁的同时,促进了细胞内酚酸的流出[23]。而酚酸含量的增加能提高HTMR的总酚含量和抗氧化性,可以增强其营养价值。碘蓝值与固体溶出物呈负相关,其变化主要与米汤中可溶性淀粉的含量有关。HMTR的碘蓝值显著下降、固体溶出物显著上升,说明米汤中可溶性淀粉的含量增多,推测原因是湿热处理降低了细胞间的黏聚力,在蒸煮时米粒细胞更易分离破裂,造成可溶性淀粉颗粒增多[24],而高温、长时间、高湿条件均加深了细胞间黏聚力降低的程度。

图2 湿热处理大米扫描电镜图(×200)Fig.2 SEM observation of HTMRA-未处理样品;B1～B5-14%、17%、20%、23%、26%米粒含水量经湿热处理得到的HMTR样品;C1～C5-以1、2、3、4、5 h不同热处理时间处理得到的HMTR样品;D1～D5-以50、60、70、80、90 ℃不同热处理温度处理得到的HMTR样品

表2 HMT对稻米的蒸煮特性的影响Table 2 Effect of HMT on cooking properties of rice

2.5 湿热处理前后米饭感官评价的结果

湿热处理显著改变HMTR的感官值(表3)。HMTR的米饭感官评分受米粒含水率、热处理时间、热处理温度的影响均较大。米粒含水率对HMTR的米饭气味、外观结构、滋味以及冷饭质地影响不明显、对HMTR的米饭适口性和感官总分影响显著。米饭的适口性与米饭的软硬度以及黏弹性息息相关,适口性增大,代表米饭的黏弹性增大和软硬度适中,米饭感官总分随之增大。米饭的适口性随米粒含水率的增大呈现先上升后下降的趋势,与下述HMTR的质构特性的变化结果一致。热处理时间对HMTR的米饭气味、外观结构、适口性、滋味、冷饭质地以及感官总分影响均显著。随着热处理时间的延长,HMTR的米饭气味、适口性、滋味以及冷饭质地呈现持续下降的趋势,外观结构和感官总分先有所上升,然后持续下降。热处理温度对HMTR的米饭气味、外观结构、适口性、滋味、冷饭质地以及感官总分影响均显著。与未处理样品大米相比,湿热处理在一定程度上可以改善气味、外观、适口性、滋味以及冷饭质地等方面,但高含水量、长时间以及高温度的湿热处理会对稻米产生负面影响,降低其食用品质。因此,采用湿热处理改善稻米品质时,要选择合适的湿热处理条件,否则会对稻米品质造成不良影响。

表3 湿热处理米饭感官评价结果Table 3 Sensory evaluation of heat-moisture treated rice

2.6 湿热处理前后米饭质构特性的变化

未处理样品的硬度、黏附性、弹性、胶黏性以及咀嚼性为(23.855±0.139)N、(0.280±0.016)N·mm、(0.405±0.026)mm、(2.815±0.037)N以及(1.299±0.145)mJ。湿热处理显著改变HMTR的质构特性(图3)。相比未处理样品大米,HMTR的米饭硬度显著下降,弹性、胶黏性以及咀嚼性显著上升。米饭硬度下降可能是因为湿热处理过程以及后续的干燥过程对稻米表层细胞结构具有一定的破坏作用,促进了稻米蒸煮时吸水糊化,从而降低米饭硬度。而高温高湿条件下的米饭硬度有所增大但不超过未处理米饭硬度,可能存在直链淀粉-脂质复合物形成、直链淀粉与支链淀粉分子的相互作用增强[21-22]等促使大米淀粉形成更稳定的结构。HMTR的米饭黏附性随湿热处理条件的变化比较复杂,随着米粒含水率的增大以及热处理温度的升高,其黏附性呈现先升高后下降的趋势。黏附性上升推测原因是在湿热处理以及后续干燥过程中支链淀粉结构发生断裂生成直链淀粉,直链淀粉重排形成更稳定的结构[18],从而造成米饭黏附性上升。LU等[25]的研究表明,米饭的黏附性与米粒内直链淀粉含量密切相关。高温高湿条件下的米饭黏附性反而下降,可能是HMTR内部直链淀粉-脂质复合物形成、脂质与蛋白质分子的相互作用增强等变化增强了HMTR的热稳定性,限制了直链淀粉的生成,从而降低了米饭的黏附性。弹性和胶黏性增大是由湿热处理对稻米糊粉层结构的软化和破坏作用以及淀粉的糊化溶胀造成的[26]。咀嚼性是硬度、弹性和内聚性之间的关联,代表着淀粉、蛋白质、脂质等分子间的作用力的大小[17],咀嚼性的增大说明湿热处理增强了稻米内分子间的作用力,促使其结构更稳定[9]。

图3 米粒含水率、热处理时间及热处理温度对HMTR的米饭硬度、黏附性、弹性、胶黏性、咀嚼性的影响Fig.3 Effect of moisture content of rice,heat treatment time and temperature on hardness,adhesiveness,springiness,gumminess,and chewiness of cooked HMTR

2.7 湿热处理前后米粉糊化特性的变化

湿热处理显著改变HMTR的米粉糊化特性(表4)。相比未处理样品大米米粉,HMTR的谷值黏度、最终黏度、回生值以及糊化温度显著上升,崩解值显著下降,峰值黏度变化比较复杂。米粒含水率、热处理时间以及热处理温度对HMTR的米粉糊化特性影响显著。随着米粒含水率的增大、热处理时间的延长以及热处理温度的升高,HMTR的米粉谷值黏度、最终黏度以及回生值呈现先增大后减小的趋势,崩解值持续下降,糊化温度持续上升。HMTR的米粉峰值黏度升高的原因可能是在水和热的作用下,短链淀粉分子之间以及与其他分子发生重排和相互作用[27]。而高米粒含水率、长时间以及高温的湿热处理条件下,淀粉分子结构发生变化、结晶度增加、分子链结构的破坏以及淀粉-脂质复合物的形成等[28]导致其峰值黏度、谷值黏度、最终黏度均下降,随之糊化温度升高。崩解值反映的是溶胀的淀粉颗粒在连续加热和剪切作用力下的稳定性,崩解值越低,热稳定性越好[29]。崩解值的变化说明湿热处理可以明显改善大米粉的热稳定性。回生值反映淀粉糊化后的老化回生能力,回生值高,淀粉更容易老化,赵思明等[30]研究发现糊化时直链淀粉的溶出量与短期老化程度有关。

表4 HMTR的米粉糊化特性的变化Table 4 Changes of pasting properties of heat-moisture treated rice

3 结论

湿热处理对陈米的加工、外观、微观结构、蒸煮、感官评价、质构与糊化特性均影响显著。经过湿热处理后稻谷的米粒白度、直链淀粉含量、米汤固体溶出物、米饭适口性、滋味、感官总评分、弹性、胶黏性、咀嚼性、谷值黏度、最终黏度、回生值以及糊化温度显著上升,HMTR的米粒透明度、米饭体积膨胀率、米汤pH值、碘蓝值、硬度以及崩解值显著下降,HMTR的出糙率无明显变化。米粒含水率、热处理时间以及热处理温度对陈米品质均有显著影响。湿热处理主要是通过影响淀粉颗粒形态和结晶程度、表层细胞结构、淀粉分子之间以及与其他分子的作用力等来改变其外观、蒸煮、质构和糊化特性,从而改善了陈米的品质。但高温、高米粒含水率以及长时间热处理会出现白度下降、硬度变大、适口性变差,反而降低其品质。