利用核磁共振技術研究大米的浸泡蒸煮過程

錢 菲,張錦勝,金志強,劉玉環(huán),林向陽,2,阮榕生,＊

(1.南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047; 2.福州大學生物科學與工程學院,福建福州 350002)

利用核磁共振技術研究大米的浸泡蒸煮過程

錢 菲1,張錦勝1,金志強1,劉玉環(huán)1,林向陽1,2,阮榕生1,＊

(1.南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047; 2.福州大學生物科學與工程學院,福建福州 350002)

稻米的蒸煮是指將含水14%～15%的大米加水加熱成為含水65%左右的米飯的過程。水分作為重要的組成部分,其在米飯中的含量、分布和存在狀態(tài)的差異會顯示出不同的色香味形等特征,對大米的蒸煮食味品質具有顯著影響。本文應用核磁共振技術(NMR)研究大米在不同時間的浸泡過程和蒸煮過程中水分的含量及其存在狀態(tài),結果表明：在浸泡過程中,大米中結合水與有機物的結合程度有所減弱,以游離態(tài)存在的自由水開始出現(xiàn),而在蒸煮過程中隨著糊化過程的進行,自由水的游離程度趨于減弱,各種狀態(tài)的水分與有機物的結合漸漸趨于一致。

核磁共振,弛豫時間,大米,浸泡,蒸煮

1 材料與方法

1.1 材料與設備

散裝東北大米 新米,超市購。

0.3 T(12.7MHZ)YUM ING MR I IMAG ING型核磁共振成像儀 寧波建信磁共振設備有限公司;全自動水分測定儀 METTLER TOLEDO HR83;恒溫水浴鍋 YLE-1000 上海賀德實驗有限公司;SL2002N型電子天平。

1.2 實驗方法

大米的浸泡實驗：在室溫 (25℃)下,將重約 20g的東北大米以 1∶1.5的比例浸漬于蒸餾水中,分七組進行,浸漬時間分別為 0、30、60、90、120、150、180min。然后將大米濾干,等米粒表面水分風干后進行水分含量及NMR測定。

大米的蒸煮實驗：分 7組實驗,每組大米樣品的浸泡時間同上。以第一組,浸泡時間為 0min為例,稱取等量 20g的東北大米 5份,依次編號,再分別加入30g水,用保鮮膜封口并插上溫度計。立即放入水浴鍋中加熱蒸煮。1號加熱至 50℃,然后取出瀝干水分,利用全自動水分測量儀測定大米的水分含量,利用核磁共振系統(tǒng)測定大米的弛豫參數(shù)。2號加熱至 65℃,3號至 75℃,4號 95℃,5號則煮熟,然后進行水分含量及弛豫參數(shù)的測定。其余 6組比照上述步驟進行實驗,只是在蒸煮前進行不同時間的浸泡。

1.3 NMR實驗參數(shù)

利用 Free-induction decay(F ID)序列 (又稱自由感應衰減脈沖序列)測定樣品的自旋-自旋弛豫時間樣品分別置于永久磁場中心位置的射頻線圈的中心,進行 F ID脈沖序列實驗。F ID實驗采用的參數(shù)：采樣點數(shù) TD=1024、重復掃描次數(shù) NS=1、弛豫衰減時間D0=2000ms。利用_F ID擬和程序計算出值。

利用 inversion recovery(I R)序列 (又稱為反轉恢復脈沖序列)測定樣品的自旋-晶格弛豫時間 T1。樣品分別置于永久磁場中心位置的射頻線圈的中心,進行 I R脈沖序列實驗。I R實驗采用的參數(shù)：采樣點數(shù) TD=1024、重復掃描次數(shù) NS=1、弛豫衰減時間D0=2000ms。利用 T1_I R擬和程序計算出 T1值。

2 結果與分析

2.1 大米浸泡過程

大米的浸泡過程中吸收水分,水分主要通過淀粉細胞間隙進入米粒內部,而米粒腹部和背部細胞間隙不同,腹部細胞間隙較大,是米粒吸收水的主要滲透路線。當米粒本身含水量低 (小于 14%)浸漬時,米粒腹部急速吸水與背部產(chǎn)生水分差,兩部分體積產(chǎn)生偏差瞬間引起龜裂,即開花現(xiàn)象。若米粒蒸煮時才產(chǎn)生龜裂,米粒淀粉粒將從龜裂處涌出,使米飯失去應有彈性。本實驗所用東北大米的本身含水量為 12.41%,小于 14%,說明在其蒸煮以前進行浸泡是必須的。

圖 1 大米水分含量隨浸泡時間的變化曲線

圖 2 自旋-自旋弛豫時間隨浸泡時間的變化曲線

利用磁共振 I R序列得到兩個組分的擬合數(shù)據(jù),即 T11、T12。T11代表米粒中與大分子物質結合的那部分水分,T12則代表米粒中游離的那部分水分。如圖3、圖 4所示,在整個浸泡過程中,自旋-晶格弛豫時間 T11和 T12均呈上升趨勢,但兩者又有所不同。大米T11的值在浸泡前 90min變化不大,90min以后開始大幅度增長,而 T12的值則在浸泡的前 90min急劇增大,之后則變化不大,趨于穩(wěn)定。這可能是因為在浸泡的前 90min,米粒吸收大量的水分,且這些水分大部分以游離態(tài)的形式存在,故使得其 T12的值由原本的23.56ms急速升高至 195.53ms,而 T11則僅從原先的1.18ms升至 2.13ms;之后隨著浸泡時間的延長,這部分游離水開始與米粒中的淀粉、蛋白質等結合,故體系中結合水含量開始升高,T11逐漸增大至 3.92ms。

圖 3 自旋-晶格弛豫時間 T11隨浸泡時間的變化曲線

圖 4 自旋-晶格弛豫時間 T12隨浸泡時間的變化曲線

2.2 大米的浸泡蒸煮全過程

在整個浸泡蒸煮過程中,米粒中的總水分含量持續(xù)增加,說明米飯的煮熟過程需要吸收大量的水分,如圖 5、圖 6所示。大米在浸泡之前,其所含水分是以結合狀態(tài)存在于米粒中的,這是因為大米中的游離水在收獲后的干燥處理中已被排出體外,以滿足安全貯藏的需求[9]。圖中可以明顯看出,浸泡過和未經(jīng)浸泡處理的大米在蒸煮過程中水分含量及自旋-自旋弛豫時間有著明顯的差別。未經(jīng)浸泡處理的大米在蒸煮過程中吸收的水分要明顯低于浸泡過的大米。而且由圖 7和圖 8可以看出在蒸煮溫度達到 65℃之前,其自旋-晶格弛豫時間 T11和 T12均增長緩慢,過了 65℃之后,T12才開始大幅度的增大,而 T11則在 75℃后才出現(xiàn)明顯的增大趨勢。而且,在 95℃之后,浸泡時間大于 60min的大米的 T11和 T12已經(jīng)趨于穩(wěn)定,直到蒸煮終了亦未有明顯改變,說明此時大米淀粉已經(jīng)完全糊化,體系中水分已基本達到飽和,結合水與游離水的比例亦趨近平衡狀態(tài)。而未經(jīng)浸泡及浸泡時間僅為 30min的大米在 95℃之后,其T11、T12的值還在大幅度增大,這說明其淀粉的糊化時間較晚,蒸煮終了時,大米淀粉還沒有糊化完全,使米飯失去了應有的彈性,降低了食味品質。

圖 5 大米浸泡蒸煮過程中水分含量的變化曲線注：1-浸泡前;2-浸泡后; 3-蒸煮溫度達到 50℃;4-蒸煮溫度達到 65℃; 5-蒸煮溫度達到 75℃;6-蒸煮溫度達到 95℃; 7-大米完全煮熟;圖 6～圖 8同。

圖 6 大米浸泡蒸煮過程中自旋-自旋弛豫時間 的變化曲線

圖 7 大米浸泡蒸煮過程中自旋-晶格弛豫時間 T11的變化曲線

圖 8 大米浸泡蒸煮過程中自旋-晶格弛豫時間 T12的變化曲線

而且,大米浸泡前后自旋-晶格弛豫時間 T11增長幅度不大,而 T12則急劇增長,蒸煮開始后,隨著溫度的升高,米粒持續(xù)吸收水分,但在溫度達到 50℃之前,T11變化不大,但 T12卻有一個小幅度的下降過程,而且浸泡時間越長,其下降幅度越短,這是因為長時間的浸泡已經(jīng)使米粒內的水分含量達到一個飽和水平,當溫度未有太大改變之前,其飽和度改變不大,故體系吸水量較少,而體系中的游離水隨著溫度的升高與米粒中的淀粉、蛋白質等大分子物質結合,故使得體系中游離水含量有所下降。之后,隨著溫度的持續(xù)升高,體系中的淀粉開始糊化,米粒繼續(xù)吸收水分,故 T11和 T12開始急劇增大。這是因為此時蒸煮溫度已達到淀粉的糊化溫度,米粒中的游離水與大米淀粉反應,使其發(fā)生糊化。所謂糊化作用,實質上就是水分子進入微晶束結構,拆散淀粉分子間的締合狀態(tài),使淀粉分子或其集聚體經(jīng)高度水化形成膠體體系的過程[10]。這種作用的產(chǎn)生,是由于以固-固溶液形式分散在支鏈淀粉所構成的連續(xù)有序的立體網(wǎng)絡中的直鏈淀粉分子,在受熱條件下,從原本處于無序的亞穩(wěn)態(tài)的螺旋線形伸展為直線,開始從網(wǎng)絡中逸出,分散于水中的緣故。在更高的溫度下,由于更多的淀粉分子溶解于水中,淀粉粒逐漸失去原形,微晶束也相應解體,直到全部溶解。因此,各種水分與淀粉的結合應趨于一致。

3 總結

NMR可以通過質子核磁共振譜(1H-NMR)中弛豫時間的測定,以無損檢測的方式來描述水分子的運動情況及其存在的狀態(tài),顯示了該項技術獨特的優(yōu)勢。利用磁共振中 F ID和 I R序列擬合不同的組分,進而分析大米體系中水分的分布和在浸泡、蒸煮過程中的分布和遷移,得到以下結論：

3.1 就本實驗所選用的東北大米而言,其最佳的浸泡時間應為 60～90m in,由于產(chǎn)地、新陳程度等差異都可能造成大米質量及風味的差別,所以其最佳浸泡時間也會有所不同,具體的比較還有待進一步研究。

3.2 在浸泡過程中,結合水與有機物的結合程度有所減弱,以游離態(tài)存在的自由水開始出現(xiàn)。而在蒸煮過程中隨著糊化過程的進行,自由水的游離程度趨于減弱。

3.3 蒸煮過程中,各種狀態(tài)的水分與有機物的結合漸漸趨于一致。

3.4 在蒸煮過程中,大米淀粉糊化是大米中水分的狀態(tài)變化的主要原因,但如蛋白質等其他有機物質對其造成的影響還有待進一步的研究。

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Study on the soaking and cooking process of rice by nuclearm agnetic resonance technology

QI AN Fei1,ZHANG J in-sheng1,JIN Zhi-qiang1,L IU Yu-huan1,L IN Xiang-yang1,2,RUAN Rong-sheng1,＊
(1.State KeyLaboratory of food science and Technology,NanchangUniversity,Nanchang 330047,China; 2.College ofBiological Science and Technology,Fuzhou University,Fuzhou 350002,China)

Rice cooking is a p rocess of turning rice(14%of m ois ture content)to m ea l(65%of wa te r content)w ith add ing wa te r and hea ting.W a te r as an imp ortant p a rt of m ea l,the d iffe rences of its content,d is tribution and exis tence w ill m ake g rea t d iffe rencesin color-flavor cha rac te ris tics and influence the ed ib le qua lities of the rice.This p ap e r s tud ied on the contents and exis tent s ta tes ofwa te r in the p rocess of rice soaking and cooking w ith NMR technology.The exp e r im ent results ind ica ted tha t the bond ing deg ree of the joints be tween bound wa te r and organic comp ounds we re dec lined in the rice-soaking p rocess,while free wa te r was turning up.Howeve r the free deg ree of d issoc ia ted wa te r tended to dec reased and the b ind ing extent am ong wa te rs in d iffe rent kinds of s ta tes and organic comp ounds tended to uniform w ith the rice s ta rch ge la tinized in cooking p rocess.

NMR;re laxa tion t im e;rice;soak;cook

TS213.3

A

1002-0306(2010)03-0119-04

我國是稻谷生產(chǎn)大國,稻谷產(chǎn)量位于世界之首,且品種繁多。我國也是大米消費大國,約有 70%以上的人口常年食用大米,全國每年大米口糧消費總量約為 1.196億 t[1]。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步,我國稻米生產(chǎn)和消費正在從滿足人們能量供應,解決溫飽問題向美味、健康和營養(yǎng)等嗜好與功能需要的轉變。這種轉變對大米品質,特別是對蒸煮食用品質提出了越來越高的要求。大米的蒸煮是指將含水 14%～15%的米加水加熱成為含水 65%左右的飯的過程,其實質是讓米中含有的淀粉 (75%)充分糊化,成為人體易于消化吸收的過程[2]。有研究指出,當本身含水量低 (小于 14%)的米粒蒸煮時易產(chǎn)生龜裂,米粒淀粉粒從龜裂處涌出,使米飯失去應有彈性,而水分含量為 15%以上大米蒸煮米飯彈性較好[3]。故浸泡大米是為了使其吸收適當?shù)乃?為淀粉在蒸煮過程中全部糊化創(chuàng)造必要的條件。大米的蒸煮過程亦是一個水分與熱量的傳遞過程[4]。在熱力作用下,伴隨淀粉的糊化和蛋白質的變性,水分的含量及水分與有機物結合的程度也在隨時發(fā)生著變化。大米中水分的含量、分布和存在狀態(tài)的差異將在很大程度上影響著米飯的粘度、硬度和品味。核磁共振技術(NMR)和磁共振成像技術(MR I)可直觀地顯示食品中水分活性狀態(tài)分布和水分的分布與遷移,可用來研究食品的物理及化學特性以及相關的加工過程,如食品冷凍、干燥、膠凝、浸泡、儲藏等。與其他方法相比,由于其不具侵略性、不損壞樣品及對樣品限制較小等優(yōu)點在食品水分的研究中具有明顯的優(yōu)勢[5-8]。本文利用核磁共振 (NMR)中的 F ID序列和 I R序列測定在浸泡蒸煮過程中大米的自旋-自旋弛豫時間 T＊2和自旋-晶格弛豫時間 T1,由此分析此過程中大米水分含量、分布和存在狀態(tài)的變化趨勢,并初步探討其對大米食味品質的影響。

2009-03-19 ＊通訊聯(lián)系人

錢菲(1986-),女,在讀碩士研究生,研究方向：食品質量與安全。

長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助(IRT0540)。