入磨水分对米粉粉质特性的影响研究

宋喜雅,林江涛,岳清华,宋安琪,王 瑞

河南工业大学 粮油食品学院, 河南 郑州 450001

稻谷是世界上最主要的粮食作物之一,仅次于小麦和玉米居于第3位,但是以大米为主食的人口却占世界人口的一半以上[1-3]。我国是稻米生产大国,稻谷种植面积仅次于印度,产量居世界首位。国家统计局数据显示,2021年我国的稻谷总产量达21 284.3万t[2]。以大米为主要原料的米粉、米发糕等也普遍受到了消费者的喜爱,不同的米制品对其原料的要求也不尽相同,如何实现米制品原料的专用化,是保障其产品质量稳定和规模化生产的关键问题。

制粉过程主要是为了改变米粉粒度,使其易于加工成其他产品。据报道,不同的制粉方式对米粉的粒度、破损淀粉含量以及淀粉颗粒的状态都具有显著影响[3-4]。湿法磨粉的粒度分布范围窄,破损淀粉含量低,但工艺复杂[5],除营养物质流失外,易出现杂菌污染,且产生大量的废水,不利于环境保护与运输储存[6-7]。干法制粉最为简单,大米经除杂后磨粉即为成品,但通常为提升其细腻度会进行多次磨粉,产生较多破损淀粉[8],不利于产品的加工制作。半干法制得的米粉品质介于干湿法之间,既能够解决湿法制粉产生大量废水等问题,又能够提高干法制粉的品质,如何缩小与湿磨米粉的差距仍然是目前研究的重点。3种制粉方式主要的区别在于水分,研磨过程中水分的参与能够使制得的米粉表现出不同的性质,因此对半干法制粉工艺中入磨水分对米粉粉质特性影响的研究是有必要的。

辊式磨粉机具有研磨效率高、时间短、加工质量好的优点,被广泛用于粮食加工、酿造等行业。高晓旭等[9]探究不同磨粉工艺对大米粉粉质特性的影响,发现辊式磨粉机对大米的机械损伤相对较小;佟立涛等[10]对调质大米半干法磨粉制备鲜米粉,发现采用辊式磨粉机2道皮磨、2道心磨进行磨粉,在入磨水分为28%和30%时制得米粉的白度显著高于湿磨粉。辊式磨粉机前路为皮磨系统,后路为心磨系统,目前其对小麦制粉的工艺流程已较为成熟,而对于米制粉工艺流程来说研究相对较少。因此,本研究通过对大米进行调质,利用辊式磨粉机对不同入磨水分大米进行磨粉后对其粉质特性进行测定并分析,研究入磨水分变化对米粉粉质特性的影响。探寻适合辊式磨粉机制米粉工艺的入磨水分,为后续米制粉工艺流程的探究提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

早籼米:桃源县泰香粮油科技开发有限公司;碘化钾、硼酸和硫代硫酸钠:天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

MLU-202布勒实验磨:无锡布勒机械制造有限公司;LFS粉筛:无锡锡粮机械制造有限公司;101-1ES电热鼓风干燥箱:北京永光明医疗仪器有限公司;SD matic破损淀粉仪:法国CHOPIN;Kjeltec TM 8400凯氏定氮仪:瑞典福斯分析仪器公司;RVA-TM快速黏度分析仪:瑞典PERTEN公司;L550离心机:湖南湘仪实验室仪器开发有限公司;TA-XT Plus质构仪:英国Stable Micro Systems公司;CR-410色度计:Konica Minolta;NKT2010-L全自动激光粒度分析仪:山东耐克特分析仪器有限公司;差示扫描量热仪:美国Perkin Elmer有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 米粉制备方法

半干法制备:准确称取一定质量大米于自封袋中,加入一定比例的水,混合均匀后于室温下润米14 h后进行磨粉,过186 μm筛网,40 ℃干燥至水分12%左右备用。

加水量(mL)=W(M1-M0)/(1-M1),

式中:W为样品质量(g);M1为入磨目标水分(%);M0为原始水分(%)。

1.3.2 基础理化指标测定

水分含量:参照GB 5009.3—2016,直接干燥法;灰分含量:参照GB 5009.4—2016,食品中总灰分的测定;总淀粉、直链淀粉含量:采用试剂盒法测定;粗蛋白含量:参照GB 5009.5—2016,凯氏定氮法,换算系数5.95。

1.3.3 米粉白度测定

将米粉装入专用的粉末样品盒中,使用色差仪进行测定,每组样品测定3次,使用亨特完全白度公式计算大米粉白度[11]。

H=100-[(100-L*)2+a*2+b*2]1/2,

式中:H为亨特白度;L*为明暗度;a*为红绿值;b*为黄蓝值。

1.3.4 粒度分布

采用激光粒度分析仪测定米粉的粒度分布。设定样品折射率为1.55,分散介质为空气,测定过程中遮光度控制在10%～15%。

1.3.5 破损淀粉

采用SD matic破损淀粉仪进行测定[12]。分别称取(3.0±0.2 )g硼酸、碘化钾于反应杯中,加入(120.0±0.1) mL蒸馏水,同时加入一滴0.1 mol/L硫代硫酸钠溶液。然后开启机器,用仪器专用样品匙准确称取(1.000±0.100) g米粉,准确输入样品质量、水分及蛋白含量,开始测定。测定结果以碘吸收值表示。

1.3.6 糊化特性

根据GB/T 24852—2010《大米及米粉糊化特性测定 快速黏度仪法》进行测定。

1.3.7 热特性

参照田晓红等[13]使用的方法,稍做修改,采用差示扫描量热法(DSC)对米粉的热特性进行测定。准确称取2.5 mg样品,料液比为1∶3 g/mL,于4 ℃隔夜放置平衡。扫描过程以10 ℃/min的速率从20 ℃升至120 ℃。

1.3.8 凝胶特性

将糊化后的淀粉糊倒入直径为3.1 cm、高度为1 cm的模具中,于4 ℃冷藏24 h后使用TA-XT Plus质构仪进行测定,选取TPA模式,探头P/0.5R,测前速度2 mm/s,测中速度、测后速度1 mm/s,压缩比50%,平行测定6组。

1.3.9 水合特性

参考De la hera等[14]使用的方法,略做修改。称取0.1 g米粉样品于20 mL蒸馏水中,混匀后分别在25 ℃和100 ℃下加热振动30 min,每隔10 min振荡10 s后,于10 000 r/min离心30 min。将上清液倒入恒重的铝盒中,105 ℃干燥至恒重,并对湿沉淀称重。吸水性(WAI),水溶性(WS),溶胀性(SP)计算公式如下:

WAI(%)=湿沉淀质量/样品干质量,WS(g/g)=上清液干质量/样品干质量,SP(g/g)=湿沉淀物质量/[样品干质量×(1-WS)]。

1.4 数据统计与分析

测定结果用平均值±标准偏差表示,使用Excel进行数据整理,Origin 2018进行绘图,SPSS进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 米粉化学组成

经测定,大米颗粒水分含量为12.3%,饱和水分含量为28.14%,继续增加水分则米粒表面和自封袋中出现明显流动水分,不利于辊式磨粉机研磨,因此入磨水分在米粒饱和水分含量范围内选择。不同入磨水分大米制粉后其米粉基础指标见表1,入磨水分对米粉总淀粉含量和直链淀粉含量无显著性影响。米粉灰分含量略有波动,但无显著性差异。蛋白含量变化范围在0.24百分点内。有研究表明[15]米粉中蛋白质含量随着粒径的增加而增加,但是当粒度较大时并未遵循这一趋势,并且米粉中蛋白质含量由胚乳外部向内部逐渐减少,因此可能造成米粉粗蛋白含量略有波动。

表1 米粉基础指标Table 1 Basic indexes of rice flour %

2.2 米粉色泽

米粉的白度对其制品的色泽和感官品质具有重要的影响,通常来说米粉白度越高,其制品色泽越好,越易受消费者的青睐。L*表示样品明暗度,a*正负表示红绿,b*正负表示黄蓝。由表2可以看出,随着大米入磨水分的增加,米粉的L*和白度呈现显著性增加,a*和b*呈现显著性降低,并且在入磨水分达到26%时,其b*由偏黄转为了偏蓝。这是由于在磨粉的过程中水分的参与使米粉受到的机械损伤减小,平均粒径减小,其相对表面积增大,反光效果好,因而其白度较高[16]。有研究表明随着米粉粒度减小,其L*升高,b*下降,与本试验研究结果相似[17]。

表2 米粉色泽Table 2 Color of rice flour

2.3 米粉粒度分布

磨粉对于米粉品质来说至关重要,使产品不受颗粒大小的影响,从而易于加工成其他产品,因此粒度是评价米粉品质的重要指标之一。使用激光粒度分布仪对米粉粒度分布进行测定,结果见表3。D10表示细端粒度,D50表示中等粒度,D90表示粗端粒度。从表3可知,不同入磨水分对米粉粒度的影响存在显著性差异。随着入磨水分的增加,米粉粒度呈现显著性降低的趋势。这可能是水分的参与使大米颗粒膨胀,结构趋于疏松,在研磨过程中易于破碎。同时水分的增加,使制得的米粉水分也增加,由于样品是先经过筛网后进行干燥的,干燥后米粉中水分流失,粒度可能也有所减小。当入磨水分达到28%时,米粉粒度与入磨水分为26%时无显著性差异,说明当大米颗粒水分达到26%之后,继续增加水分,对米粉的粒度影响较小。

表3 米粉粒度分布Table 3 Distribution of particle size of rice flour

2.4 米粉破损淀粉

大米在磨粉过程中,淀粉受到外力作用,完整的淀粉颗粒被破坏,从而形成破损淀粉。淀粉的损伤程度受原料质量、磨粉粒度和磨粉条件3个主要因素的影响[18]。相比于完整的淀粉颗粒,破损淀粉具有更高的吸水能力和酶解速率,从而对米粉的加工品质有着重要影响[19]。利用SD matic破损淀粉仪对米粉破损淀粉含量进行测定,结果见图1,米粉的碘吸收值越高,说明其破损淀粉含量越高。入磨水分小于24%对米粉破损淀粉含量无显著性影响,但继续增加入磨水分,米粉破损淀粉含量显著性减小,米粉破损淀粉碘吸收值从85.31%减小至82.37%。有研究报道,磨粉的粒度与其破损淀粉含量存在显著的相关性,通常粒度越小其破损淀粉含量越高[20],而本试验中结论与之不同。这主要是由于在本试验中使用同一个筛网对米粉进行过筛,而大米经润米后颗粒水分含量增加,米粒膨胀,硬度降低,制粉过程中易于破碎,粒度减小,但颗粒中水分未能达到对碾磨过程中产生的机械损伤降低的程度,因此在入磨水分小于24%时,其破损淀粉含量无显著性差异。但当入磨水分增加至28%,大米籽粒内部水分达到饱和状态,水分在研磨过程中吸收了热量,降低了机械损伤,较好地保护了淀粉颗粒,因此米粉破损淀粉含量显著性降低。

图1 米粉碘吸收值Fig.1 Iodine absorption value of rice flour

2.5 米粉糊化特性

糊化的本质主要是水分子进入微晶束,使淀粉粒中晶态与非晶态分子间氢键断裂,断裂的氢键与水分子结合,增加了淀粉结构的无序性、减少了结晶区域,因此溶液呈糊状[21]。米粉中蛋白质含量较少,且米蛋白无法形成蛋白质网络结构,多数米粉条的加工制作主要靠淀粉糊化、回生后形成凝胶结构,因此糊化特性是评价米粉品质的重要指标之一。表4反映了不同入磨水分对米粉糊化特性的影响。淀粉糊化后其峰值黏度表示淀粉颗粒膨胀和崩解平衡时的黏度,反映了淀粉与水结合能力的强弱,最终黏度可对米粉的最终品质产生影响,反映了淀粉在糊化时形成黏稠糊状的能力。随着入磨水分的提高,米粉峰值黏度、最低黏度和最终黏度均呈现显著性增加的趋势,这主要是由于在制粉过程中水分的参与,使大米颗粒受到的机械热损伤减小,降低了其制粉粒度和破损淀粉含量,因此在糊化过程中与水的结合能力更强。Ross等[22]研究发现破损淀粉含量与米粉的最终黏度和回生值密切相关,而粒度分布与峰值黏度有较强的相关性,这与本试验的结果相似。衰减值表示米粉峰值黏度与最低黏度的差值,研究结果发现米粉衰减值随着入磨水分的增加而升高,说明淀粉的耐剪切性能变差。回生值反映了淀粉的抗老化程度,随着入磨水分的增加,其呈现先增加后降低的趋势,在入磨水分为26%时降到最低值,说明此时的米粉凝胶可能具有更强的抗老化性能。

2.6 米粉热特性

淀粉分子凝胶化是一个吸热的过程,DSC热特性能够显示淀粉在糊化过程中的有序结构破坏的过程,反映其热力学变化。起始温度为米粉开始糊化时的温度,峰值温度表明米粉凝胶形成时的温度,终止温度表示米粉糊化完成时的温度。表5中数据显示,随着入磨水分的增加,米粉起始温度、峰值温度和终止温度略有降低,其变化范围在0.19～1.15 ℃之间。有报告显示,米粉的T0、Tp、Tc和ΔH与破损淀粉含量呈现负相关,主要是由于破损淀粉有更高的吸水速率,因此更利于米粉的糊化[23]。而本试验则出现了与之不同的结果,这可能主要与米粉的粒度有关,米粉粒度越小与水分子的接触更加完全,更易糊化,因此,起始温度、峰值温度和终止温度略有降低。焓变值反映了淀粉结晶结构向非结晶结构的转变,表示米粉颗粒的结晶程度,焓变值越小,淀粉晶体的有序化程度越低。随着入磨水分的增加,米粉焓变值呈现显著性增加的趋势,这与米粉的破损淀粉含量有关,完整的淀粉颗粒由于结晶结构完整,在溶解过程中相比于破损淀粉会吸收更多的热量[24]。

2.7 米粉凝胶特性

凝胶是一种介于固体和液体之间的胶体,米粉在高水分和高温的作用下,淀粉与水分子相互作用,氢键断裂,老化回生后淀粉分子相互缠绕形成具有一定黏弹性和强度的凝胶网络。米粉凝胶的硬度、弹性等,与米粉成品的质构特性及蒸煮品质具有一定的相关性[25]。不同入磨水分米粉凝胶特性测定结果见表6,随着入磨水分的增加,米粉凝胶的硬度显著性降低,弹性、内聚性和回复性略有波动但无显著性变化,在入磨水分为28%时弹性最大,这与曹世阳[26]的研究结果一致。米粉粒度小,破损淀粉含量低,淀粉分子间更易于水分子之间形成氢键,老化后相互交联聚合,胶体结构致密,弹韧性较大,形成的凝胶网络结构更均匀致密。

表6 米粉凝胶特性Table 6 Gel properties of rice flour

2.8 米粉水合特性

水合特性可反映水与淀粉和蛋白质的结合能力,对于淀粉食品的品质有显著影响[27]。米粉的溶解度和溶胀性可能与鲜湿米粉的蒸煮损失有关,而吸水性可能与其抗剪切能力有关。由表7可知,不同制粉方式对米粉的水合特性存在显著性差异。在25 ℃时,随着入磨水分的增加,其吸水性(WAI)、水溶性(WS)和溶胀性(SP)均呈现降低的趋势,这可能主要与破损淀粉的含量有关,破损淀粉含量越低,淀粉颗粒结晶破坏程度减小,因此亲水性的羟基暴露少,其在水中的吸水性、水溶性和溶胀性都降低[28]。当加热到100 ℃时,米粉充分糊化,其吸水性和溶胀性有先升高后降低的趋势,而水溶性逐渐降低,这可能与米粉的粒度和破损淀粉有关,米粉粒度降低,糊化时与水分子接触更多,因此吸水性和溶胀性升高,而继续增加入磨水分,米粉粒度虽减小,但其破损淀粉含量显著降低,淀粉颗粒结晶完整,因此吸水性和溶胀性降低。

表7 米粉水合特性Table 7 Hydration properties of rice flour

3 结论

分析了不同入磨水分对米粉品质的影响,结果表明随着大米入磨水分的增加,大米颗粒内部水分逐渐趋于饱和,硬度降低,在磨粉过程中易于粉碎,显著降低了其平均粒径和破损淀粉含量,使淀粉颗粒结晶保存更加完整。当入磨水分达到26%之后米粉粒度不再降低,但破损淀粉含量显著降低;其最终黏度、焓变值升高,凝胶硬度降低。米粉在25 ℃时,吸水性、水溶性和溶胀性呈降低趋势,当温度升至100 ℃时,米粉水溶性降低,吸水性和溶胀性呈现先升高后降低的趋势。因此当大米润米至饱和水分含量后,降低了制粉过程中产生的机械损伤,且具有较好的粉碎特性,适合选作辊式磨粉机制米粉工艺的入磨水分。