优质籼稻变温储藏糊化特性变化规律与动力学模型

杨 东, 李倩倩, 颉 宇, 石天玉

(国家粮食和物资储备局科学研究院1,北京 100037)

(粮食储运国家工程研究中心2,北京 100037)

稻谷是我国主要的储备粮种,但其在储藏过程中易受环境温湿度、虫霉、自身水分的影响使其品质发生不同程度的变化,甚至出现劣变现象,影响食用和使用价值[1,2]。现阶段,随着我国人民生活水平的提高和消费理念的转变,居民饮食也从“吃得饱”“吃得好”上升到“吃得营养健康”,多数粮食仓储企业采用低温和准低温、气调等绿色储粮技术对稻谷进行保质保鲜储藏,使其能够安全可靠地进入加工环节,确保百姓口粮绿色健康[3,4]。

糊化特性是稻谷储藏过程中品质变化较为敏感的指标之一,也是评价稻谷蒸煮特性、食味品质等重要的参考标准,同时是稻谷加工用途选择的重要依据[5,6]。目前,国内外学者普遍认为稻谷储藏温度、水分、储藏期限对其糊化黏度、回生程度、峰值时间等指标具有较为显著的影响[7-10],随着储藏时间的延长稻谷糊化特性呈现一定规律的变化趋势。

食品储藏和加工品质变化动力学模型能够更好地预测食品品质指标变化趋势和储藏期限,可为样品优选及加工工艺高效施用提供理论依据[11]。目前,零级和一级动力学方程、威布尔模型、Arrhenius方程等典型动力学模型已在谷物蒸煮过程吸水率变化[12],稻谷陈化过程中糊化特性变化[13],食品硬度及质地等参数变化中展开了研究[14],模型的拟合精度存在差异。但目前稻谷样品的研究多数是在等温梯度条件下获取的实验数据,与粮库实仓储藏数据还有一定差距,针对变温条件下的稻谷低温、准低温储藏过程中糊化参数变化的动力学模型研究还鲜有报道。

本研究以优质籼稻为研究对象,模拟粮库低温和准低温储藏过程中变化的环境温度条件,研究稻谷储藏过程中糊化特性指标的变化规律及其与食味品质间的关系,比较不同动力学模型对糊化指标的拟合效果,明确其动态变化特征,以期为稻谷低温储藏过程中品质控制及加工工艺优化升级提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验原料

所用稻谷为晚籼稻(黄华占)2019年底取自于湖北荆州。经检测,样品初始水质量分数14.0%～15.5%,整精米率≥62.0%,垩白度≤1.0%,食味品质≥80,不完善粒≤1.5%,杂质≤0.3%,黄粒米质量分数≤0.5%,多项指标符合优质籼稻定级标准(GB/T 17891—2017)。根据初始水质量分数对样本进行分类,选择14.0%、14.5%、15.0% 3个水分梯度进行不同温度模拟储藏实验。

1.2 储藏条件

模拟低温、准低温、室温储藏全年平均动态温度变化条件,如图1所示:低温储藏全年平均温度为13.8 ℃,最高温度为19.0 ℃,最低温度为9.2 ℃;准低温储藏全年平均温度为18.9 ℃,最高温度为24.0 ℃,最低温度为13.2 ℃;室温储藏(实验室自然环境温度)全年平均温度为23.5 ℃,最高温度为31.5 ℃,最低温度为12.2 ℃。不同初始水分稻谷分别在3种条件下储藏12个月,定期检测稻谷糊化特性指标。

图1 低温、准低温、室温储藏条件下温度变化

1.3 主要仪器与设备

THP501恒温恒湿实验箱,JDMZ 100稻谷出米率检测仪,JSWL大米食味计,JMWT 12米质判定仪,Super3型快速黏度分析仪,JXFM110锤式旋风磨。

1.4 品质指标测定

糊化特性:参照GB/T 24852—2010 《大米及米粉糊化特性测定 快速粘度仪法》;水分含量:参照GB 5009.3—2016 《食品安全国家标准 食品中水分的测定》;食味品质:采用大米食味计,仪器检测精度符合GB/T 24895—2010、GB/T 24896—2010、GB/T 24897—2010相关要求。

1.5 数据处理与分析

采用SPSS、Excel、MATLAB R2018a等软件对稻谷品质指标数据进行统计分析和动力学等模型拟合。粮油食品品质指标随储藏时间的变化趋势可通过动力学等方程进行拟合[11],具体公式为:

零级动力学模型:f(t)=A0+kt;

一级动力学模型:f(t)=eA0+kt;

高斯模型密度函数:

傅里叶级数拟合函数:f(t)=A0+mcosωt+nsinωt;

式中:f(t)为品质参数(糊化特性指标);t为时间;k为速率常数;A0为拟合常数;b1表示均值;c1表示标准差;ω表示角频率;m和n表示拟合系数。模型的拟合优度采用决定系数(R2)来评价。

2 结果与分析

2.1 不同储藏条件下籼稻峰值黏度变化

峰值黏度可用于表达稻谷中淀粉颗粒或混合物膨胀程度及结合水的能力,是影响稻米食用品质的重要指标。如图2所示,随着储藏时间的延长,籼稻峰值黏度均呈先上升后下降趋势(可能与α-淀粉酶的活性降低或淀粉分子结合水的能力下降[15]),不同水分籼稻峰值黏度曲线分布趋势基本相一致,无显著性差异(P>0.05)。其中,籼稻(14.0%、14.5%、15.0%)低温下储藏6个月时峰值黏度分别达到最高值3 212、3 375、3 264 cP,储藏12月后分别下降至2 706、2 866、2 912 cP,储藏周期内分别增加了502、851、832 cP。准低温和室温储藏下籼稻峰值黏度增长幅度有所增加,储藏12个月后分别上升了1 169、1 227、1 270 cP和1 688、1 884、2 027 cP。由此可知,低温储藏更有利于延缓峰值黏度的上升及食用品质的变化(低温>准低温>室温);籼稻水质量分数、储藏温度的提升其峰值黏度增长幅度较大,可能是加快了稻谷中淀粉或淀粉混合物与水结合能力。

2.2 不同储藏条件下籼稻最低黏度变化

最低黏度可用来表示稻谷在高温下的耐加热性和剪切力度,实验过程中可通过恒定高温(95 ℃) 和机械剪切力的作用来测试。如图3所示,籼稻在储藏过程中最低黏度整体呈上升趋势,低温和准低温储藏4至8个月期间出现波动变化,储藏温度上升变化相对剧烈。其中,籼稻(14.0%、14.5%、15.0%)在低温和准低温下储藏6个月时最低黏度分别从初始值1 344、1 389、1 300 cP和1 320、1 324、1 300 cP增长至最高值1 717、1 803、1 863 cP和2 086、2 103、2 291 cP,储藏12个月后变化至1 696、1 790、1 937 cP和1 868、1 990、2 089 cP。室温下,最低黏度增长幅度(1 062～1 463 cP)明显高于低温(548～789 cP)或准低温(352～637 cP),储藏12月后分别上升了1 062、1 121、1 463 cP。由此可知,储藏过程中温度的上升加快了籼稻最低黏度变化幅度,高水分含量籼稻最低黏度值及变化幅度相对较高,其耐热性和剪切力度较强。

2.3 不同储藏条件下籼稻最终黏度变化

最终黏度可表示稻谷在熟化并冷却后形成凝胶的能力,特别是直链淀粉分子间可能发生的重聚回生现象,形成凝胶。由图4可见,籼稻最终黏度随着储藏时间的延长及储藏温度的上升整体呈增长趋势,且不同水分稻谷最终黏度变化存在差异(P<0.05)。其中,籼稻(水质量分数14.0%、14.5%、15.0%)在低温下储藏12个月后最终黏度从初始值2 972、2 887、2 535 cP分别增长了344、542、657 cP,增长幅度排序为15.0%>14.5%>14.0%;准低温下储藏籼稻最终黏度增长幅度及波动幅度相对较大,储藏12个月后最终黏度分别提升了761、905、868 cP,增长幅度大小为14.5%>15.0%>14.0%;籼稻在室温下储藏最终黏度增长幅度明显高于低温和准低温,储藏12个月后分别增长了1 368、1 693、1 655 cP。由此可知,籼稻熟化过程中形成凝胶的能力受储藏温度及样品水分的影响,低温储藏更有利于保持稻谷食用品质。

2.4 不同储藏条件下籼稻回生值变化

回生值是最终黏度与最低黏度的差值,回生值上升代表淀粉糊在一定温度下冷却过程中老化程度加剧,稻米有陈化的倾向。如图5所示,籼稻回生值整体呈波动上升趋势,但变化幅度不明显,储藏温度及初始水分对回生值变化具有一定影响。其中,水质量分数14.5%和15.0%的籼稻储藏12个月后回生值经波动变化分别提升了140 cP和20 cP,而14.0%的籼稻回生值下降了8 cP,说明低水分稻谷在低温环境下储藏有助于延缓淀粉酶活性的下降,从而抑制其回生值的上升;在准低温下储藏12个月后,籼稻(水质量分数14.0%、14.5%、15.0%)回生值分别增长了212、238、79 cP,室温下储藏籼稻回生值增长幅度为772、406、392 cP。由此可知,室温下储藏籼稻回生值的增长趋势较低温、准低温储藏显著,温度的上升会使稻米的凝胶性能增强,长期储藏淀粉更易于老化。

2.5 不同储藏条件下籼稻峰值时间变化

峰值时间通常可用来表示稻米蒸煮所需时间,是指样品开始加热至达到峰值黏度的时间,淀粉易糊化即峰值时间越短。如图6所示,籼稻峰值时间在储藏过程中无明显规律性变化,均在一定小范围内浮动,储藏温度及初始水分对其变化无显著性影响,这与周显青等[15]的研究结果相一致。在低温和准低温下储藏,籼稻峰值时间变化趋势基本相一致,不同水分籼稻峰值时间分别从初始范围6.05～6.10 min和6.05～6.11 min经12个月储藏后变化至6.10～6.15 min和6.03～6.12 min,其中水质量分数15.0%的籼稻峰值时间增幅略高于其他水分,分别提升了0.10 min和0.04 min;室温下,不同水质量分数籼稻峰值时间的变化差异不大,从初始范围6.04～6.07 min到储藏12个月后变化至6.09～6.12 min范围内。

2.6 不同储藏条件下籼稻糊化温度变化

糊化温度是稻谷糊化过程中黏度开始增大时的温度,用来表示稻谷淀粉颗粒糊化的难易程度。通常情况下,淀粉糊化温度的高低与稻谷直链淀粉结晶度和支链淀粉的外链长相关[16]。由图7可知,随着储藏时间的延长,籼稻糊化温度略有提升,但整体变化幅度较为平缓,无显著性规律。在低温下储藏12个月后水质量分数14.5%和15.0%的籼稻糊化温度分别提高了1.0 ℃和1.4 ℃,14.0%籼稻降低了1.0 ℃,整体变化差异性较小,这与谢岚等[5]的研究基本相一致。准低温下,籼稻(水质量分数14.0%、14.5%、15.0%)储藏12个月后糊化温度分别在84.1～85.7 ℃、85.1～87.2 ℃、84.3～88.6 ℃范围内浮动变化。室温下储藏籼稻糊化温度上升幅度较为明显,储藏12个月后分别上升了5.25、4.82、7.39 ℃。进一步分析可知,3种条件下储藏8个月时糊化温度均出现明显上升,最高温度>90 ℃,这可能与每月变温环境条件相关,变温储藏使稻谷支链淀粉的外链增长,或是稻谷中蛋白质的含量及结构发生变化导致糊化温度上升。

2.7 籼稻食味值变化及其与糊化指标相关性

如图8所示,在不同储藏条件下籼稻食味值总体呈逐渐下降趋势,不同水质量分数稻谷在储藏0～4个月内食味值下降幅度较缓差异不显著,储藏6个月后,准低温和室温下食味值下降幅度较快。参考LS/T 3108—2017的定等标准,籼稻在低温下储藏2个月为二等(90≥食味值≥85),4个月后下降到三等(85≥食味值≥80),直至12个月食味值均在83～85间浮动变化。籼稻在准低温和室温下储藏2个月后均下降为三等,其中室温下储藏10个月后食味值降至80以下,不推荐食用。由此可知,籼稻在低温下储藏1年后仍具有较优的食味品质。

图8 低温、准低温和室温储藏下籼稻食味值变化

由表1可知,不同储藏条件下,籼稻峰值黏度和最低黏度与食味值呈现出极显著相关性(P<0.01),最终黏度和回生值为显著相关性(P<0.05),表明峰值黏度和最低黏度对籼稻食味品质变化的影响较大。随着储藏温度提升,糊化指标变化相对剧烈,与食味值的相关系数更高。峰值时间和糊化温度与食味值相关性不显著,可能与其实物理变量有关。因此,选择与食味值具有相关性的峰值黏度、最低黏度、最终黏度和回生值做进一步动力学分析。

表1 不同储藏条件下籼稻食味值与糊化指标相关性

2.8 籼稻糊化指标变化动力学模型拟合

如表2所示,针对籼稻峰值黏度,2种模型在室温下储藏的拟合结果(0.814≤R2≤0.851)要优于低温(0.497≤R2≤0.640)和准低温(0.605≤R2≤0.757)。其中,一级动力学模型对水质量分数14.0%籼稻的峰值黏度变化趋势拟合结果更优,R2为0.851,反应速率k为0.057。针对最低黏度,模型在3种储藏条件下的拟合效果为:室温>准低温>低温。其中,一级动力学模型对不同水分籼稻(14.0%、14.5%、15.0%)在室温下储藏最低黏度的拟合结果最优,R2分别为0.827、0.807、0.838。低温和准低温下,一级动力学模型的拟合效果略优于零级动力学模型,但决定系数R2均有待提升(低温:0.520～0.611;准低温:0.588～0.630)。针对最终黏度,2种模型的拟合效果无明显差异。其中,室温下储藏模型拟合结果相对较好(0.701≤R2≤0.735),准低温下次之(0.535≤R2≤0.667),低温下拟合效果较差(0.509≤R2≤0.599)。2种模型对籼稻回生值变化的拟合效果均较差,其中室温下模型R2均小于0.5,最低仅为0.386;低温和准低温下模型拟合效果无明显差异,R2分别在0.558～0.674和0.482～0.631范围内。

表2 籼稻糊化特性指标零级和一级动力学模型拟合结果

由此可知,一级动力学模型更适合用于拟合参数呈指数变化趋势的数据,如峰值黏度和最低黏度随储藏时间的延长整体呈逐渐上升趋势,室温下的变化相比于低温和准低温较为平缓,因此拟合效果更优。最终黏度和回生值的变化无明显规律性,导致2种模型的拟合效果较差。因此,稻谷储藏过程中生理生化指标变化较为复杂,简单的线性或指数模型难以准确全面的表征其品质变化全过程。

进一步采用高斯模型对籼稻糊化特性指标变化趋势进行拟合,结果如表3所示。高斯模型对峰值黏度的拟合结果整体上优于零级或一级动力学模型,其中室温下储藏拟合结果最佳,不同水质量分数籼稻(14.0%、14.5%、15.0%)拟合模型R2(0.911、0.942、0.921)比零级(0.821、0.819、0.814)和一级(0.851、0.826、0.818)模型分别提升了0.09、0.123、0.107和0.06、0.116、0.103,水质量分数14.5%的籼稻拟合结果最优(图9a)。高斯模型对最低黏度的拟合效果同样得到了改善,其中水质量分数14.0%籼稻最低黏度在3种储藏条件下的拟合结果最优(图9b),R2分别为0.738、0.712和0.906,分别提高了0.215、0.091、0.094(零级模型)和0.146、0.082、0.089(一级模型)。高斯模型对籼稻最终黏度和回生值变化趋势的拟合效果较差,模型R2未得到明显提升,其中低温储藏下回生值变化趋势未得到有效拟合数据。

表3 籼稻糊化特性指标高斯模型拟合结果

图9 籼稻峰值黏度和最低黏度高斯模型拟合曲线

采用傅里叶级数重点针对籼稻最终黏度和回生值的变化趋势进行拟合,结果如表4所示。傅里叶级数对最终黏度的拟合效果要整体优于其他模型,其中水质量分数15.0%的籼稻样品的拟合结果最优(图10a),在低温、准低温、室温储藏下模型R2分别为0.691、0.759、0.861,高于零级(0.543、0.535、0.712)、一级(0.574、0.619、0.706)和高斯模型(0.601、0.688、0.724)的拟合结果。傅里叶级数对籼稻回生值变化趋势的拟合效果得到了明显提升,模型R2均高于0.70,低温下储藏模型的拟合结果优于其他条件,水质量分数14.0%的籼稻回生值拟合结果最优,在3种储藏条件下模型R2分别为0.868、0.727、0.744,拟合曲线如图10b所示。

表4 籼稻最终黏度和回生值傅里叶级数拟合结果

图10 籼稻最终黏度和回生值傅里叶级数拟合曲线

3 结论

研究了初始水质量分数为14.0%、14.5%、15.0%的籼稻在变温(低温、准低温、室温)储藏条件下糊化特性食味品质变化规律,并采用零级和一级动力学模型、高斯模型和傅里叶级数分别对籼稻峰值黏度、最低黏度、最终黏度和回生值进行了模型拟合。结果表明:随着储藏时间的延长,室温下储藏籼稻峰值黏度、最低黏度、最终黏度和回生值的增长幅度较低温、准低温下显著,平均增幅分别为1 866、1 215、1 572、523 cP,偏高水分籼稻糊化指标变化幅度相对剧烈。峰值时间和糊化温度在储藏过程中整体变化幅度较为平缓,无明显规律性。峰值黏度和最低黏度对籼稻食味品质变化的影响较大,表现出极显著相关性(P<0.01),最终黏度和回生值为显著相关性(P<0.05)。高斯模型对籼稻在不同储藏条件下峰值黏度和最低黏度变化的拟合结果最优,模型决定系统R2分别在0.668～0.942和0.687～0.906范围内;傅里叶级数对最终黏度和回生值变化的拟合结果最优,R2分别在0.661～0.861和0.701～0.868范围内。低温或准低温下储藏有利于延缓籼稻食味品质变化,偏高温度协同储藏时间可以加速籼稻陈化,有助于调控籼稻的加工品质。高斯模型和傅里叶级数可为籼稻储藏过程中糊化特性指标变化和储藏期进行预测与评估,同时可为低温储粮工艺合理调控,实现保质保鲜储藏提供参考。