粳米重组米的制备工艺优化及性能研究

高 嫚，贾健辉,2，张楚佳，张 智,3，刘 颖，窦博鑫, ，张 娜,

（1.哈尔滨商业大学食品工程学院，黑龙江哈尔滨 150028；2.牡丹江师范学院生命科学与技术学院，黑龙江牡丹江 157011；3.北大荒米业集团有限公司，黑龙江哈尔滨 150090）

近年来，随着人们生活水平的提高，高血糖、高血脂、肥胖等“富贵病”的发病率呈上升趋势[1]。为有效控制血糖和体重，应避免摄入会使血糖升高较快的食物。米饭是人们的主食之一，大米的主要成分是淀粉，研究表明，大米淀粉易被消化吸收，会引起人体餐后血糖水平的迅速上升，不适宜糖尿病患者食用[2]。重组米是指以淀粉基原料（如大米、小麦等）为主体，根据目标产品的需要复配其他组分，经过挤压熟化、切割、干燥制成的与天然大米类似的颗粒。开发适宜糖尿病患者、高血脂和肥胖人群食用的重组米具有重要意义和广泛应用前景。

粳米中直链淀粉含量较低，胶稠度软，口感柔软顺滑，深受消费者青睐[3]。粳米在加工过程中会产生一定比例的碎米，碎米营养成分和整米一致，但价格低廉，可用于重组米的制备，以提高其经济价值[4]。抗性淀粉被认为是一种新型膳食纤维，因其良好的物理化学及功能特性被广泛应用于各种食品中[5-6]。抗性淀粉低热量、易饱腹等特点越来越受到大众认可，抗性淀粉可以减少餐后血糖的升高，可制成适合糖尿病人食用的功能性食品[7]。采用添加抗性淀粉，降低传统稻米的消化速率的方法，能够达到餐后稳糖的效果，有助于糖尿病患者控制病情发展。

近年来，对低消化性重组米的研究越来越多。李卢等[8]将南瓜粉、谷朊粉等添加到燕麦粉、马铃薯全粉中挤压制备重组米，重组米的消化性显著降低。方冲[9]将高直链玉米淀粉添加至籼米粉中，制备的挤压重组米具有良好的降血糖功效。目前这些关于糖尿病患者食用的挤压重组米的制备研究较多，但将抗性粳米淀粉添加到碎粳米粉中挤压制备抗性重组米的研究还未见报道。抗性粳米淀粉由粳米淀粉改性获得，它具有与粳米淀粉类似的优良特质，是制备重组米的优质原料。课题组前期对粳米淀粉进行物理改性获得了抗性粳米淀粉，并将其与碎粳米粉混合，挤压制备得到了具有较低消化性的重组米，但得到的重组米品质与市售粳米尚有差异。众多研究发现，挤压工艺参数对所得产品品质影响较大[10-11]。因此，本文研究挤压工艺参数对重组米品质的影响，确定最佳工艺条件，并以市售粳米和空白重组米为对照，研究重组米的糊化、流变、蒸煮和消化性能，旨在为研发加工特性和食用品质较好的重组米提供理论依据，为我国碎米资源的综合利用及深加工提供一条新的途径。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

碎粳米（水分含量10.14%）、市售粳米（水分含量10.90%）黑龙江省五常金禾米业有限责任公司；抗性粳米淀粉（水分含量9.74%，快消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉含量分别为37.61%、33.65%和28.74%）课题组自制；葡萄糖测定试剂盒Megazyme 公司；α-胰腺淀粉酶（12 U/mg）、淀粉葡萄糖苷酶（82.5 U/mg）Sigma 公司；乙酸、氢氧化钠、无水乙醇 AR，天津市光复科技发展有限公司。

DSE-25 双螺杆挤压膨化机 德国布拉本德公司；FW100 高速万能粉碎机 苏州江东精密仪器有限公司；JA 2003 电子天平 上海浦春计量仪器有限公司；Rapid-20 快速粘度分析仪 瑞典Perten 仪器公司；H-PID200 流变仪 美国TA 仪器公司；DHP-9162 电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 重组米的制备 工艺流程：碎粳米粉、抗性粳米淀粉→调质→挤压→造粒→干燥→成品。

将碎粳米粉碎过80 目筛，取350 g 与30%的抗性粳米淀粉（以混合粉质量计）均匀混合，并调节水分含量，然后将其放入4 ℃的冰箱中平衡24 h，水分平衡后放入双螺杆挤压机中进行挤压。将得到的重组米于45 ℃烘箱中干燥，直到水分含量低于14%。空白重组米是不添加抗性粳米淀粉挤压制备的重组米。

1.2.2 单因素实验 根据预实验，在模头温度100 ℃、水分含量28%、螺杆转速120 r/min 的基础条件下，保持其他条件不变，只改变其中一个因素，分别设置模头温度（80、90、100、110、120 ℃）、水分含量（24%、26%、28%、30%、32%）、螺杆转速（80、100、120、140、160 r/min），以重组米的质构、感官和蒸煮损失率的综合得分为考察指标，进行单因素实验。

1.2.3 响应面试验 根据单因素实验结果，选择模头温度、水分含量和螺杆转速3 个因素，分别选取3 个水平，以重组米的质构、感官和蒸煮损失率的综合得分为考察指标，进行响应面试验设计，如表1 所示。

表1 响应面试验因素与水平Table 1 Response surface test factors and levels

1.2.4 感官评价 重组米感官评价参照王娴等[12]的方法，感官评定人员由10 名经培训后的食品专业人员担任。

1.2.5 质构特性测定 根据文献[13-14]描述的方法进行适当的修改。在铝盒中加入1:1.5（m:m）的重组米和蒸馏水，在锅中蒸15 min，然后冷却至室温。蒸煮后的重组米放置于烧杯中，厚度控制为13～15 mm，为模仿人体咀嚼过程，将TPA 压缩次数设为两次。使用直径35 mm 的平底柱形探头P/35 对重组米进行质构分析，测试前、测试期间和测试后的探头速度分别设置为1、2 和1 mm/s。压缩力度为50%，触发力为5 g，时间间隔为5 s。重复测定7 次，去除硬度最大和最小值的两个值后，取另外5 组数据平均，分别得到样品米的硬度、弹性、咀嚼性和黏聚性等指标。

1.2.6 蒸煮损失率测定 参照Lourembam 等[15]的方法稍作调整。在离心管中放置2.00 g（m0）重组米，倒入20 mL 蒸馏水，蒸煮10 min，将全部米汤转移至平皿（m1）内，然后在105 ℃烘箱中干燥，直至恒重（m2），蒸煮损失率的计算公式如下：

1.2.7 综合评分 重组米的综合评分由感官评分、质构评分和蒸煮损失评分3 部分构成，综合评分权重设定为：重组米综合评分=40%感官评分+30%质构评分+30%蒸煮损失评分，具体评分规则参考高帅[16]的方法。

1.2.8 糊化特性的测定 参考Zheng 等[17]的方法，使用快速黏度仪（RVA）测定重组米的糊化特性。根据RVA 自带软件进行水分校正，配制质量分数为14%（以干基计）的淀粉乳溶液，放入仪器中进行测定。测定条件：50 ℃预热1 min，以12 ℃/min 的速率升温至95 ℃，保持2 min，以12 ℃/min 的速率冷却至50 ℃并保持2 min。采用RVA 标准程序，通过TCW3 软件得到峰值黏度、谷值黏度、最终黏度、衰减值和回生值等糊化参数。

1.2.9 流变特性的测定 参考Guo 等[18]的方法并进行适当的修改。使用直径为50 mm 的平板，在室温下进行样品的流变学特性测定，间隙为1 mm，以1%的应变进行频率测试（0.1～20 Hz），记录动态流变数据。

1.2.10 蒸煮特性的测定 参照王肇慈[19]的方法，对样品蒸煮特性进行测定。

1.2.10.1 吸水率测定 称取样品米5.00 g（m0）于烧杯中，加入50 mL 蒸馏水，沸水浴10 min，蒸煮后将样品米沥干至不再有米汤滴下，再将其冷却0.5 h，然后称量样品质量m1，吸水率按照如下公式计算：

1.2.10.2 体积膨胀率测定 称取样品米5.00 g（m0）于量筒中，测试样品米的体积V0，加入50 mL 蒸馏水，沸水浴10 min，蒸煮后将样品米沥干至不再有米汤滴下，再将其冷却0.5 h，然后用量筒测此时的体积V1，膨胀率按照如下公式计算：

1.2.11 消化特性的测定 参考高嫚等[20]的方法并稍作修改。准确称取100（±5）mg 样品置于50 mL离心管中，加入已预热至37 ℃的混合酶溶液25 mL，混合酶溶液pH 为6.0，酶添加量为AMY（3600 U）+AMG（360 U），涡旋混匀，160 r/min、37 ℃水浴下进行振荡。分别在20、120 min 时取出反应液，用GOPOD 测定其葡萄糖含量。快消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）含量的计算公式如下：

式中：FG 为酶解前淀粉悬浮液中的游离葡萄糖含量（mg）；G20为淀粉酶解20 min 后酶解液中的葡萄糖含量（mg）；G120为淀粉酶解120 min 后酶解液中的葡萄糖含量（mg）；0.9 为葡萄糖转化系数；TS 为样品中总淀粉含量（mg）。

1.3 数据处理

实验数据以平均值±标准偏差表示，使用Origin 2021 和Design Expert 8.0.6 绘图，单因素方差分析使用SPSS 25 进行分析。

2 结果与分析

2.1 模头温度、水分含量和螺杆转速对重组米品质的影响

模头温度是影响重组米品质的重要参数之一。温度的高低决定着重组米品质的好坏，高温可使重组米糊化程度升高，低温反之，糊化程度的高低影响着重组米品质的好坏[21]。由图1 可知，随着模头温度的增加，重组米的综合评分呈现先上升后下降的趋势。当模头温度为100 ℃时，重组米的综合评分最高。当模头温度低于100 ℃时，淀粉糊化程度低，产品结构疏松，米粒香气淡、米饭口感差[22]。而当模头温度高于100 ℃时，淀粉的糊化程度较高，大分子物质降解形成小分子物质，物料水溶性增大，重组米黏性增大，蒸煮后损失率较高，且部分重组米出现膨化现象，重组米表面气泡较多，和大米外观相差较大，品质较差[23]。因此，选取模头温度90～110 ℃进行下一步试验。

图1 模头温度、水分含量和螺杆转速对重组米品质的影响Fig.1 Effect of die temperature,moisture content and screw speed on the quality of recombinant rice

物料水分含量对重组米品质影响较大[24]。由图1 可知，随着水分含量的增加，重组米的综合评分呈现先上升后下降的趋势。当水分含量为28%时，重组米的综合评分最高。物料水分含量较低时，物料难以糊化，水分不充足导致物料与机筒间摩擦增加，物料滞留，产品较难挤出，重组米容易出现开裂、表面粗糙的现象，影响品质[25]。而水分含量过多时，物料糊化过度，重组米黏度大，且产品水分含量较高，干燥时间长，品质差[26]。考虑到重组米的品质特性，选取物料水分含量26%～30%进行下一步试验。

螺杆转速影响物料在挤压机中的剪切程度、停留时间和模口成型压力，从而影响产品质量[27]。由图1 可知，随着螺杆转速的增加，重组米的综合评分呈现先上升后下降的趋势。当螺杆转速为100 r/min时，重组米的综合评分最高。当螺杆转速较低时，螺杆对物料的剪切作用较小，淀粉的糊化程度较低[28]。随着螺杆转速增大，淀粉的糊化程度增大，而当螺杆转速过大时，物料在挤压机内停留及受热时间较短，受热不均匀，不利于良好结构的形成，重组米蒸煮品质差[29]。综上，选取螺杆转速80～120 r/min 进行下一步试验。

2.2 响应面优化

2.2.1 模型的建立与方差分析 为了进一步优化重组米的挤压工艺条件，采用响应面设计进行了17 组试验，试验设计和结果如表2 所示。使用Design Expert 8.0.6 软件对响应面数据进行回归分析，得到的回归方程为：

表2 响应面分析试验设计及结果Table 2 Design and results of response surface test

对回归方程进行方差分析，结果如表3 所示。由表3 可知，模型的F值38.64，其相应的P值小于0.01，表明试验中使用的回归模型具有极其显著的意义。失拟项F=6.03，对应的P值为0.0577，不显著（P＞0.05），表明试验获得的模型是可靠的，具有良好的拟合性。该模型的决定系数R2为0.9803，校正后为0.9549，表明方程拟合较好，并且变异系数（1.33）较低，说明试验精确度较高，可靠性强。

表3 回归模型及方差分析Table 3 Regression model and analysis of variance

模型中A、B、A2、B2、C2、AB 对响应值的影响是极显著的（P＜0.01），因素C 达到显著水平（P＜0.05）。F值越大，表明该因素对重组米综合评分的影响越显著，由分析可得影响响应值的因素顺序由大到小为：A（模头温度）＞B（水分含量）＞C（螺杆转速）。

2.2.2 各因素交互作用影响分析 各因素交互作用的响应面图见图2。由图可知，响应曲面均为开口向下，响应值随着因素水平的增加而增加，当增加到极值点后，它又随着因素水平的增加而逐渐降低，响应面具有最高点，表明此模型在选定范围内存在最优条件。A 和B 的响应曲面比较陡峭，响应值变化比较大，表明因素之间的交互作用比较大；A 和C、B 和C 两组对应的响应面相对平坦，表明这两组因素之间的交互作用比较弱。

图2 模头温度、水分含量、螺杆转速间交互作用对综合评分的影响Fig.2 Influence of the interaction between die temperature,moisture content and screw speed on the comprehensive score

2.2.3 试验验证 经过Design Expert 8.0.6 软件分析得到响应面优化制备重组米的最佳工艺条件为：模头温度101.72 ℃，水分含量28.32%，螺杆转速96.48 r/min，此时的综合评分为70.4。考虑实际操作，将最佳工艺条件调整为模头温度100 ℃，水分含量28%，螺杆转速96 r/min。在此优化条件下得到的综合评分为70.7±0.5，与理论预测值无显著差异。因此，由响应面模型得到的制备重组米最佳工艺条件是合理的。

2.3 糊化特性分析

重组米的糊化特性如表4 所示。由表4 可知，重组米与市售粳米相比，其峰值黏度、谷值黏度、衰减值、最终黏度、回生值和糊化温度均显著降低（P＜0.05），重组米与市售粳米的糊化特性差异大，这与郭世龙等[30]研究结果一致。这可能是因为在挤压机内部高温、高压和高剪切力的作用下，淀粉的颗粒结构被破坏，导致熔融和破裂，吸水膨胀后相互之间的摩擦力减小，一些淀粉大分子链也发生降解，分子量降低，都会导致挤压后淀粉的糊化特性值低[31]。此外，蛋白质发生变性，脂肪与淀粉形成复合物等变化，这些都会导致糊化黏度以及回生值的显著下降[32]。重组米衰减值、回生值低于市售粳米，说明重组米淀粉颗粒热稳定性好，不易于破裂。重组米相比市售粳米糊化温度低，可能是由于重组米经历过一次糊化，再糊化时所需要的温度低[33]。与空白重组米相比，重组米的黏度值均较高，说明添加抗性粳米淀粉可以促进淀粉的溶胀，提高淀粉糊的黏度。衰减值反映淀粉在高温下的抗剪切能力，重组米的衰减值略低于空白重组米，说明重组米淀粉颗粒抗剪切能力较好[27]。

表4 重组米的糊化特性Table 4 Gelatinization characteristics of recombinant rice

2.4 流变特性分析

动态流变学可用于测定不同样品的黏弹性，对样品的加工特性和品质控制具有很大的应用价值[34]。重组米的动态流变学特性如图3 所示。由图3 可知，重组米的储能模量（G'）大于其损耗模量（G"），且G'与G"随着振荡频率的增加呈现出上升趋势，表现出频率依赖性，为典型的弱凝胶体系特征[35]。在同一频率下，重组米和空白重组米的G'、G"明显低于市售粳米。这可能与挤压过程中淀粉分子的降解有关，挤压过程中淀粉分子量的降低和侧链分支的降解可能会削弱淀粉分子间的相互作用，增强淀粉凝胶的流动性，形成较弱的凝胶结构[36]。Wani 等[37]在研究挤压对淀粉糊流变特性的影响时也得到了类似的结果。此外，重组米的G'、G"高于空白重组米，说明抗性粳米淀粉的添加对重组米的黏弹性有影响，重组米和空白重组米相比具有更好的粘弹性，凝结体系网络结构相对较强。损耗角正切值（tanδ）是G"与G'的比值，tanδ越大，说明体系的黏性比例越大，流动性强，反之则弹性比例较大。由图3c 可知，重组米tanδ高于市售粳米，这表明挤压后体系的流动性较强，具有良好的亲水性。三个样品的tanδ均小于1，说明弹性是样品糊的主要特征，并且随着频率的增加而不断增大，表明样品G"随频率的变化比G'更快，样品逐渐接近类似液体的趋势[38]。

图3 重组米的流变学特性Fig.3 Rheology characteristics of recombinant rice

2.5 蒸煮特性分析

大米的蒸煮特性能直观地表示其食味品质，重组米、空白重组米和市售粳米的蒸煮特性如表5 所示。由表5 可知，三种米之间的蒸煮特性具有显著性差异（P＜0.05）。吸水率可以反映米粒在蒸煮过程中吸收水分能力的强弱[39]。Bwa 等[31]研究表明，米粒的吸水率和体积膨胀率之间存在显著的正相关关系，吸水率的提高会造成体积膨胀率的提高。重组米的吸水率和体积膨胀率最高，分别为242.18%和150.30%，这可能是由于挤压会破坏淀粉的晶体结构，增加破损淀粉的含量，从而使重组米具有较高的吸水率和体积膨胀率[40]。大米吸水率越高，蒸煮时间越短，口感越好，但吸水率和体积膨胀率过高易引起大米过度软烂，无黏弹性，降低米饭口感[41]。重组米的蒸煮损失率高于市售粳米，这可能是由于在高温、高压和高剪切力的作用下，淀粉充分糊化，大分子物质断裂成小分子物质，可溶性物质增加，从而导致重组米的蒸煮损失增加[42]。

表5 重组米蒸煮特性Table 5 Cooking characteristics of recombinant rice

2.6 消化特性分析

重组米的消化特性如表6 所示。由表6 可知，重组米、空白重组米和市售粳米的消化特性存在显著差异（P＜0.05）。空白重组米中RDS 含量显著低于市售粳米，SDS 和RS 含量显著高于市售粳米（P＜0.05），这可能是因为糊化的淀粉分子重排形成结晶；另外，挤压过程中米粉含有的脂质与淀粉复合，从而提高了淀粉对酶解的抗性，并最终将部分RDS 转化为SDS 或RS[43]。当添加抗性粳米淀粉后，重组米中SDS 和RS 含量进一步增加，说明抗性粳米淀粉的添加对重组米的抗消化性具有促进作用，这可能是由于加入的抗性粳米淀粉中存在较难被消化酶降解的结构[44]。综上，相比于空白重组米和市售粳米，重组米的SDS 和RS 含量较高，RDS 含量较低，具有良好的抗消化性。

表6 重组米消化特性Table 6 Digestion characteristics of recombinant rice

3 结论

本研究以碎粳米粉和抗性粳米淀粉为原料挤压制备重组米，通过单因素和响应面试验得到制备重组米的最佳工艺条件为：模头温度100 ℃、水分含量28%、螺杆转速96 r/min，在此条件下挤压制备的重组米的综合评分为70.7±0.5。研究结果表明，重组米与市售粳米相比，峰值黏度、谷值黏度、衰减值、最终黏度、回生值和糊化温度均显著降低；与空白重组米相比，衰减值降低，黏度、回生值和糊化温度升高。流变学特性结果表明，重组米的G'、G"低于市售粳米，略高于空白重组米。重组米的吸水率、体积膨胀率和蒸煮损失率均高于空白重组米和市售粳米。与空白重组米和市售粳米相比，重组米具有较高的SDS、RS 和较低的RDS，抗消化性能较好。本研究制备的重组米品质得到了改善，研究可为重组米的产品开发提供新思路，为进一步提升重组米品质提供了理论研究基础，对实现健康饮食和碎米资源的有效利用具有重要意义。