不同品种大米营养组分与糊化、酶解特性的相关性分析

姚哲，张辉，彭金龙，刘双平，韩笑，毛健*

1(江南大学 生物工程学院，江苏 无锡，214122)2(粮食发酵工艺与技术国家工程实验室(江南大学)，江苏 无锡，214122)3(上海金枫酒业股份有限公司，上海，200063)

黄酒的酿造是以大米、麦曲、水为主要原料，在酵母等多种微生物及酶类共同参与下进行的复杂多变的生物化学过程，因此优质的大米、麦曲和酿造用水是高品质黄酒酿造的基础[1]。根据酿造过程中原辅料作用的不同，分别将米、曲、水形象地喻为“酒之肉、酒之骨、酒之血”。由此可见，大米等对酿酒的重要性。大米按照谷物类型可分为籼米、粳米和糯米，其中糯米又有籼糯和粳糯之分。不同品种大米的外观品质、内部组分和加工特性等具有显著差异，并对黄酒的色、香、味和产量等有较大的影响[2]。大米中的营养成分主要有淀粉、蛋白质、脂肪和水等，其中淀粉的含量最多，淀粉中直链和支链淀粉的比例、淀粉分子的大小和淀粉颗粒的结构均与糊化特性等有着密切的关联[3]。

不同品种大米的吸水率、糊化特性与酶解特性存在较大的差异，并且这些特性也影响着浸米、蒸煮和发酵等酿造工艺的难易程度以及黄酒品质的好坏[4]。糯米中支链淀粉含量高，吸水快、易蒸煮糊化和糖化，出酒率高，酒体中残留的糊精和寡糖较多，它们与其他物质赋予黄酒醇厚的口感；粳米的糊化温度较低，蒸煮时米粒吸水较多，出饭率较高，糖化分解较彻底，出酒率高；籼米直链淀粉含量高，蒸煮时米粒干燥蓬松，冷却后变硬，出现回生现象，影响糖化发酵，淀粉利用率低[1]。不被酶解和发酵的淀粉会成为产酸菌的营养源，使发酵醪液生酸，影响黄酒的品质，因此在黄酒生产中主要使用糯米和粳米作为原料，而籼米由于蒸煮和压榨困难、出酒率低等原因逐渐被黄酒行业淘汰[5]。

有关不同品种大米浸米前后的理化性质以及发酵性能的差异虽有报道[6-7]，但是对大米营养组分、糊化特性和酶解特性以及相关性研究较少。因此本实验以16个不同品种的大米为研究对象，比较了大米之间基本营养组分的差异性，并就营养组分与吸水率、糊化特性和酶解特性进行了相关性分析，旨在为黄酒酿造原料的选择提供理论依据和科学指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 原料

12种粳米(沪香粳201、沪香粳205、沪香粳206、沪软1212、沪香软199、沪香软450、长粒香粳209、长粒香粳210、长粒香粳211、申优26、申优28、上师大19号)、4种糯米(沪香糯209、沪香糯1910、沪香糯1911、太湖糯)，上海农科院。取一定质量的大米采用旋风磨磨粉，过100目筛，室温下于干燥器中保存。

1.1.2 试剂

CuSO4、K2SO4、NaOH、H2SO4、二甲基亚砜、冰醋酸、无水乙醇、甲醛、正己烷、三氯乙酸、3,5-二硝基水杨酸(均为分析纯)，国药集团化学试剂有限公司；α-淀粉酶(44 000 U/g)、葡萄糖淀粉酶(130 000 U/g)，苏州宏达制酶有限公司；淀粉总量检测试剂盒、直链淀粉/支链淀粉(胶淀粉)检测试剂盒，Megazyme(中国)有限公司。

1.2 仪器与设备

YXQ-LS-50SII立式压力蒸汽灭菌锅，上海博迅实业有限公司；4500快速黏度分析仪(rapid visco analyzer，RVA)，波通澳大利亚公司；FE20k精密pH计、EL3002分析天平，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；UV-2100紫外分光光度计，尤尼科(上海)仪器有限公司；8盘智能定时款立式蒸饭柜，佛山市乐创网络科有限公司；5804R高速离心机，艾本德中国有限公司；DHG-914OA电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；K9840凯氏定氮仪，济南海能仪器股份有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 营养组分的测定

水分含量按照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》；脂肪含量按照GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》；蛋白含量按照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》；总淀粉和直链淀粉含量分别采用淀粉总量检测试剂盒和直链淀粉/支链淀粉检测试剂盒法[8]进行测定。

1.3.2 吸水率的测定

吸水率的测定参考文献[6]并稍作改动。称取50 g原大米样品，将其浸泡在500 mL水中，水的温度控制在25 ℃。浸泡时间分别为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120 min，浸泡结束后取出并滤去大部分水，然后将大米倒在滤纸上轻轻擦拭吸干大米表面水分后进行称重。吸水率(R)计算如公式(1)所示：

(1)

式中：m0，浸泡前大米的质量，g；m1，浸泡后大米的质量，g。

1.3.3 糊化特性的测定

利用RVA来测定不同品种大米粉的糊化特性。按14%水分校正后，称取一定质量的样品和水于铝盒中，并用搅拌桨上下搅拌使样品均匀分散。在RVA中进行热反应，根据RVA仪器提供的standard 1程序测定混合物的黏度曲线[9]。具体程序如下：将混合后的样品在50 ℃下保持1 min，以12 ℃/min从50 ℃加热到95 ℃，在95 ℃保持2.5 min，同样以12 ℃/min的速率从95 ℃冷却至50 ℃，并在50 ℃保持2 min。加热过程中前10 s以960 r/min恒定速率旋转搅拌，随后恒定在160 r/min旋转搅拌至分析结束，每个样品重复3次。

1.3.4 酶解特性的测定

大米酶解特性的测定参考杨建刚等[7]的方法并稍作改动。取一定质量的大米在60 ℃水浴中浸泡20 min，然后在蒸饭柜中进行蒸煮。将蒸煮好的米饭和水按照1∶4的质量比均匀混合，加入质量分数0.2%的α-淀粉酶、0.1%的葡萄糖淀粉酶(以生米计)，置于60 ℃水浴中糖化8 h，每隔1 h取样，灭酶(体积分数为20% NaOH)后进行离心(12 000 r/min，5 min)，并测定糖化液中还原糖(以葡萄糖计)的含量。还原糖含量采用DNS比色法测定[6]，标准曲线为：y=1.561x-0.023 5，R2=0.997 9。

1.4 数据统计分析

每个样品进行3次平行实验，数据采用Excel软件整理，以平均值±标准差表示，采用SPSS 25.0进行单因素方差和相关性分析(Pearson相关系数法)，组间差异在95%上则为显著(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同品种大米的营养组分分析

16种大米的营养组分统计分析见表1和表2。从表中可以看出不同品种大米的水分、蛋白质和总淀粉差异性较小，变异系数分别为3.61%、6.90%和3.37%，变异系数均小于10%；直链淀粉和脂肪差异性较大，变异系数分别为45.78%和31.3%，这与叶玲旭等[10]的研究结果相近，可能与大米的遗传组成、气候和生长环境有关[11]。

表1 不同品种大米的营养组分(以干基计) 单位：%Table 1 Nutrient components of different varieties of rice (on dry basis)

表2 大米营养组分分析 单位：%Table 2 Analysis of nutrient components of rice

16种大米总淀粉的平均质量分数为86.61%，直链淀粉的平均质量分数为10.77%，蛋白质平均质量分数为8.40%，这与范华等[12]的研究结果相近。淀粉和蛋白质是大米中的2大主要营养组分，大米的加工特性以及黄酒的风味品质受二者的影响较大[1]。总淀粉含量以申优28最高，为92.03%，其次是申优26、沪香粳205等；沪香糯209最低，为80.92%。直链淀粉含量以申优26和申优28最高，分别为20.42%和20.98%；沪香糯1910、沪香糯1911等相对较低，其中沪香糯209最低，为4.35%。淀粉含量和组成的差异会影响大米的糊化特性，造成蒸煮时糊化程度不一，进而影响发酵体系中有关微生物的代谢[7]。对于蛋白质而言，沪香糯209的蛋白质含量最高，为9.32%，其次是长粒香粳210、沪香粳205等；沪软1212最低，为7.15%。研究表明在黄酒发酵过程中，原料米中的蛋白质含量越高，经蛋白酶水解生成的氨基酸就越多，酵母将多余的氨基酸代谢转化成杂醇，造成酒体中杂醇含量偏高[1]。其他营养组分中，平均含水量为13.58%，脂肪的含量在0.69%～1.80%，平均质量分数为1.12%。其中脂肪的含量与叶玲旭等[10]的研究结果相比普遍较低，可能与大米的品种和碾磨程度不同有关[1,6]，从糙米到精制米，随着碾磨程度的增加，水分、脂肪、灰分等稻米成分呈下降趋势。

2.2 不同品种大米的吸水率分析

16种大米的吸水率和相关性分析如图1和图2所示。结果表明16种大米整体的吸水率曲线具有一致性，初始阶段吸水率急剧上升，在30～40 min达到最大值，此后虽有波动但基本稳定，这与油卉丹等[6]的研究结果一致。浸泡前期，米粒内、外水分梯度较大，使得米粒的吸水速度保持较高水平，随着水分梯度逐渐减小，米粒吸收水分的速度逐渐降低，至米粒内、外部水分梯度消失时，米粒停止吸水达到饱和状态[13]。

图1 不同品种大米的吸水率Fig.1 Water absorption rate of different varieties of rice

吸水率的高低影响着浸米效果的好坏以及蒸煮过程中糊化的难易程度[1,6]。由图1可以看出太湖糯、沪香糯1910、沪香糯1911和沪香糯209的最大吸水率相对较高，分别为40.78%、39.44%、38.97%和38.09%，与其他品种的大米有明显的差异。杨建刚等[7]对几种不同大米的吸水率研究发现，吸水率的大小依次为R(糯米)>R(粳米)>R(籼米)，且糯米在浸泡时间30 min后便达到最大吸水率(37%)。图2结果表明，大米的吸水率与直链淀粉的含量呈极显著负相关(P<0.01)，这与DUTTA等[14]的研究结果一致。大米吸水率的高低在于它们直链和支链淀粉比例的不同。浸米过程中，直链淀粉紧密的封闭型螺旋线形结构有利于形成较强的分子内氢键，不利于与水分子接近[15]，而在几乎不含直链淀粉的糯米中，支链淀粉所具有的高度分支结构，使其在冷水中极易与溶剂水分子以氢键结合，保持高度有序的水合淀粉粒形态。30～40 min以后吸水率有小范围下降的原因可能是在大米本身吸水达到饱和时，其中的可溶性蛋白、固形物等溶解于水。

a-水分；b-脂肪；c-蛋白质；d-总淀粉；e-直链淀粉图2 大米吸水率与营养组分之间的相关性Fig.2 Correlation between water absorption rate and nutrient components of rice注：显著相关(P<0.05)；极显著相关(P<0.01)(下同)

2.3 不同品种大米的糊化特性分析

16种大米的糊化特性和相关性分析如表3和表4所示。不同品种大米的糊化特性具有明显的差异性(P<0.05)。淀粉糊化过程中，当体系温度高于淀粉起始糊化温度时，淀粉晶体崩解，开始吸水溶胀，黏度快速升高，并逐渐达到峰值。其中长粒香粳210(2 974.67 mPa·s)、沪香粳201(2 919 mPa·s)和上师大19(2 873.67 mPa·s)峰值黏度相对较高，沪香糯209(656.67 mPa·s)、太湖糯(1 086.67 mPa·s)等峰值黏度相对较低。峰值黏度反映了淀粉颗粒的膨胀程度或者结合水的能力，通常峰值黏度越高，样品黏滞性越强。崩解值表示淀粉的热糊稳定性，崩解值越大，大米淀粉糊的热稳定性越低[16]。沪香糯209(332.33 mPa·s)、沪香粳206(362.67 mPa·s)等崩解值相对较小，表明其溶胀后的淀粉颗粒强度大，不易破裂，热糊稳定性好；沪香粳201(1 046.33 mPa·s)等崩解值相对较大，热糊稳定性较差。回生值与淀粉的短期回生有关，回生值越高，样品冷糊稳定性越低，凝胶性越强，越易老化[16]。沪香粳205(1 187 mPa·s)、长粒香粳209(1 074.33 mPa·s)、申优28(1 031 mPa·s)等大米回生值高，短期内更易老化回生。由表3可以看出回生值与直链淀粉呈极显著正相关(P<0.01)，与脂肪等呈负相关，这与叶玲旭等[10]的研究一致。

表4 大米糊化特性与营养组分之间的相关性(Pearson相关系数)Table 4 Pearson correlation between pasting properties and nutrient components of rice

通常情况下糊化温度的高低代表着淀粉糊化的难易程度，糊化温度越低，淀粉越易糊化[16]，大米的蒸煮效率越高。其中沪香粳201(77.39 ℃)、沪香糯1910(75 ℃)等糊化温度相对较高，太湖糯(69.87 ℃)、长粒香粳211(70.12 ℃)等糊化温度相对较低。糊化温度不仅由直链淀粉含量、淀粉颗粒形状和淀粉分子间的结合紧密程度决定，还与蛋白质、脂肪等非淀粉物质的含量有关[17](表3)。杨晓蓉等[18]研究发现籼米淀粉的直链淀粉含量高，其糊化温度均在74 ℃以上，粳米直链淀粉含量相对较低，糊化温度在67～70 ℃。尽管糯米的直链淀粉含量很少，但通常糯米淀粉的分子质量较粳米和籼米的大很多，且当支链淀粉外链较长时，也可能形成较紧密的双螺旋结构，导致糊化温度较高。此外，淀粉-脂质复合物也可以增强淀粉颗粒的完整性，保护其不受破坏，这可能与较高的糊化温度有关[19]。

表3 不同品种大米RVA糊化特性参数Table 3 RVA pasting properties of of different varieties of rice

2.4 不同品种大米米饭的酶解特性分析

采用α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶对蒸煮后的16种大米进行酶解，酶解曲线如图3所示。从0 h开始，酶解液中的还原糖含量急剧上升，6 h基本酶解完全，而后随着酶解时间的延长，还原糖含量变化不明显。其中沪香糯209的酶解程度最高，最终还原糖含量为115.04 g/L，太湖糯(110.50 g/L)、沪香糯1911(109.90 g/L)、沪软1212(107.73 g/L)和沪香糯1910(107.48 g/L)相对较高，沪香软450还原糖含量最低，为97.57 g/L。

图3 不同品种大米米饭的酶解特性曲线Fig.3 Enzymatic hydrolysis properties curves of different varieties of the cooked rice

酶解的程度影响着淀粉的出酒率[7]，而且淀粉酶解速率快倾向于在黄酒发酵前期转化为更多的酒精，高的酒精度会抑制过多杂菌的生长[1,7]。不同品种大米蒸煮所得米饭的酶解程度不仅会受酶解反应条件、酶的特异性、非淀粉多糖、蛋白质和脂肪等外在因素的影响，还受到淀粉颗粒自身因素的影响，比如分子结构(结晶度)、形状大小、直链淀粉和支链淀粉的占比[20]。酶扩散至淀粉颗粒表面并进入颗粒内部的过程是酶解的关键限速步骤，支链淀粉整体呈树枝状，其分子内含有大量的分支结构，使其与淀粉酶的接触面积更广，更容易被酶解。RENDLEMAN等[21]研究表明，淀粉的消化程度通常随着直链淀粉含量的增加而降低，支链淀粉由于其多分支结构而易被淀粉酶攻击降解，这与本研究的结果一致。直链淀粉-脂质复合物减少了酶与底物紧密结合的机会，使淀粉分子难以进入淀粉酶的底物结合位点，并且增加了淀粉的疏水性，从而降低了酶解性能[22]。

2.5 酶解特性与营养组分及糊化特性之间的相关性分析

不同品种大米米饭的酶解特性与营养组分及糊化特性的相关性研究如图4所示，可以看出总淀粉(r=-0.520 6，P<0.05)、直链淀粉(r=-0.547 3，P<0.05)与酶解程度成显著负相关。于轩[20]发现大米中的直链淀粉含量与酶解率呈负相关，支链淀粉比直链淀粉更易受到淀粉酶的降解作用，酶解作用时间越长，降解程度越大。

a-水分；b-脂肪；c-蛋白质；d-总淀粉；e-直链淀粉；f-峰值黏度；g-谷值黏度；h-崩解值；i-最终黏度；j-回生值；k-糊化温度；l-峰值时间图4 酶解特性与营养组分及糊化特性之间的相关性Fig.4 Correlation between enzymatic hydrolysis properties and nutrient components and pasting properties

糊化特性参数中峰值黏度(r=-0.803 4，P<0.01)、谷值黏度(r=-0.793 9，P<0.01)、最终黏度(r=-0.834 8，P<0.01)、回生值(r=-0.752 7，P<0.01)与酶解程度呈极显著负相关。高佳敏等[23]研究发现糯米淀粉在老化过程中，支链淀粉的外侧短链通过氢键缓慢进行结晶，由于形成的支链淀粉重结晶对酶有一定的抗性，导致酶解力下降，消化性降低。对清酒中的研究表明米饭粒的老化回生与其酶解率密切相关，直链淀粉含量越高越容易老化，越不利于清酒的酿造[24]。黄酒生产酿造过程中，大米在蒸饭机中蒸煮熟化后，经过风冷和水冷，米饭温度迅速降低，淀粉发生短期回生，回生后的米饭不易被微生物等酶解利用，这就导致了原料利用不完全、出酒率低等问题[1]。

3 结论

16个不同品种大米的淀粉、蛋白质、脂肪等营养组分存在显著差异(P<0.05)，其中淀粉的含量最高，平均质量分数为86.61%，脂肪的含量最低，平均质量分数为1.12%。太湖糯、沪香糯1910、沪香糯1911和沪香糯209的最大吸水率相对较高，分别为40.78%、39.44%、38.97%和38.09%，与其他品种的大米有明显的差异。糊化特性中回生值与直链淀粉呈极显著正相关(P<0.01)，糊化温度的高低不仅与直链淀粉含量有关，还与蛋白质、脂肪等非淀粉物质的含量有关。沪香糯209(115.04 g/L)、太湖糯(110.50 g/L)、沪香糯1911(109.90 g/L)、沪软1212(107.73 g/L)和沪香糯1910(107.48 g/L)蒸制米饭的酶解性能好，酶解程度高。Pearson相关性分析表明酶解特性与峰值黏度(r=-0.803 4，P<0.01)、谷值黏度(r=-0.793 9，P<0.01)、最终黏度(r=-0.834 8，P<0.01)、回生值(r=-0.752 7，P<0.01)等糊化特性呈极显著负相关。综合吸水率、糊化特性和酶解特性等初步选出沪软1212、沪香糯209、沪香糯1910、沪香糯1911和太湖糯5种大米用于黄酒的生产酿造。然而由于实验的局限性，后续研究需深入分析黄酒基本理化指标、风味与基本营养组分、糊化特性以及酶解特性之间的相关性，为黄酒的生产酿造提供理论依据和科学指导。