浸泡處理對(duì)大米淀粉糊化特性及流變特性的影響

李棒棒,路 源,于吉斌,閔照永,李留柱,師玉忠,*

(1.河南科技學(xué)院食品學(xué)院,糧食資源深度利用河南省工程實(shí)驗(yàn)室,河南新鄉(xiāng) 453003;2.河南科技學(xué)院新科學(xué)院,河南新鄉(xiāng) 453003;3.河南米多奇食品有限公司,河南新鄉(xiāng) 453003)

大米是我國(guó)最主要的食糧之一,有三分之二以上的人口以大米為主食。近年來(lái),大米制品的研究開(kāi)發(fā)也越來(lái)越受到人們的關(guān)注[1]。精制大米主要是由淀粉、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和纖維素組成,其中淀粉含量為60%～70%[2],是大米最主要的成分,其形成凝膠的特性將決定大米制品的食用品質(zhì)。

大米的淀粉分子以淀粉顆粒形式存在,其形狀大多呈不規(guī)則的多角形[3]。淀粉在水中被加熱時(shí),隨著溫度的升高,淀粉結(jié)晶區(qū)膠束中較弱的氫鍵斷裂,出現(xiàn)縫隙,使水分子進(jìn)入膠束內(nèi)部與一部分淀粉分子以氫鍵結(jié)合,淀粉分子吸水膨脹,繼續(xù)吸熱,淀粉的結(jié)晶膠束全部崩解,形成黏性糊狀溶液的現(xiàn)象稱為淀粉的糊化[4]。淀粉的糊化特性可以充分體現(xiàn)大米產(chǎn)品的性能。此外,淀粉的性質(zhì)還可以通過(guò)流變性來(lái)表現(xiàn),淀粉的流變特性能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、解釋其凝膠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及黏彈性等多方面性質(zhì)[5]。近年來(lái),通過(guò)流變學(xué)性質(zhì)反映凝膠特性已經(jīng)成為廣大學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一[6]。將大米在自然條件下浸泡是工業(yè)生產(chǎn)米餅、米粉等產(chǎn)品的關(guān)鍵步驟。

本文通過(guò)對(duì)大米浸泡不同時(shí)間后其淀粉的糊化特性和流變特性的測(cè)定,研究浸泡處理對(duì)大米淀粉性質(zhì)影響,以期為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

金滿園東北大米 新鄉(xiāng)市世紀(jì)華聯(lián)超市;氫氧化鈉、碘化鉀、碘 分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司;冰乙酸、甲醇、石油醚 分析純，天津市德恩化學(xué)試劑有限公司。

CHRIST冷凍干燥機(jī) 德國(guó)CHRIST凍干機(jī)有限公司;7200可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海尤尼柯儀器有限公司;L550臺(tái)式低速離心機(jī) 湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司;SHP-160型生化培養(yǎng)箱 上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司;RVA Super 4型快速黏度分析儀 澳大利亞New-port Scientific儀器公司:ARES動(dòng)態(tài)流變儀 美國(guó)TA公司;HJ-4聯(lián)磁力加熱攪拌器 金壇華峰儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 大米粉的制備 稱取6份150 g大米于500 mL的潔凈燒杯中,加入450 mL蒸餾水,放入30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中。每隔6 h取1次大米,用自來(lái)水沖洗1次,蒸餾水沖洗3次。然后用打漿機(jī)打漿1 min,在室溫條件下,3000 r/min離心5 min,棄去上清液,將沉淀物冷凍干燥72 h,樣品過(guò)100目篩后用自封袋標(biāo)記,放入-18 ℃冰箱中備用。同時(shí)取150 g大米加水打漿,作為空白對(duì)照樣品[7]。

1.2.2 直鏈淀粉含量測(cè)定 直鏈淀粉含量依據(jù)GB/T 15683-2008《大米 直鏈淀粉含量的測(cè)定》測(cè)定[8]。

1.2.3 蛋白質(zhì)含量的測(cè)定 蛋白質(zhì)含量依據(jù)GB/T 5009.5-2010 《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》測(cè)定[9]。

1.2.4 破損淀粉含量測(cè)定 破損淀粉含量依據(jù)GB/T 9826-2008《糧油檢驗(yàn) 小麥粉破損淀粉測(cè)定α-淀粉酶法》測(cè)定[10]。

1.2.5 pH的測(cè)定 取適量浸泡大米時(shí)的上清液,用校準(zhǔn)后的pH計(jì)測(cè)定其pH。

1.2.6 大米淀粉的提取 取1.2.1制備的大米粉20 g,加200 mL石油醚浸泡24 h脫脂,加150 mL蒸餾水浸泡米粉,用玻璃棒攪拌均勻后,然后于室溫下靜置12 h,在室溫條件下,3000 r/min離心20 min,將沉淀物冷凍干燥后取出研磨并倒入400 mL 4 g/L NaOH溶液,在室溫下用磁力攪拌器攪拌18 h,加入10 mL 80%乙醇沉淀淀粉,然后在室溫條件下,3000 r/min離心20 min,去除上層及底部殘?jiān)?。加入適量蒸餾水,用玻璃棒攪拌均勻,滴加1 mol/L鹽酸中和溶液。在室溫條件下,3000 r/min離心20 min,沉淀物冷凍干燥48 h,粉碎過(guò)100目篩,裝入自封袋中標(biāo)記備用[11]。

1.2.7 RVA黏度快速測(cè)定 取2.4 g大米淀粉于RVA黏度快速測(cè)定儀專用鋁盒內(nèi),加入25 mL蒸餾水,充分?jǐn)嚢枋够旌衔锘旌暇鶆?。鋁盒內(nèi)的溫度變化50 ℃保持1 min,以12 ℃/min的速度升溫至95 ℃,95 ℃保持3.75 min,然后以12 ℃/min的速度降溫至50 ℃,最后50 ℃保持3.75 min。攪拌器在前10 s內(nèi)的轉(zhuǎn)速為960 r/min,之后的糊化過(guò)程中轉(zhuǎn)速一直保持在160 r/min[7]。測(cè)定大米淀粉的峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度、回生值。

1.2.8 流動(dòng)模式下的流變行為 取8 g大米淀粉加入100 mL蒸餾水配制成淀粉粉漿,充分?jǐn)嚢韬笤诜兴≈屑訜岷?0 min。將以上制備的米糊放入流變儀的測(cè)試平臺(tái)。選擇直徑為60 mm的平板模具和流動(dòng)模式,設(shè)置間隙1.000 mm,刮去平板外多余樣品,在恒定25 ℃下,剪切速率從0～800 s-1,測(cè)定剪切速率提高過(guò)程中大米糊的表觀黏度和剪切應(yīng)力的變化[10]。

1.2.9 振蕩模式下的流變行為 取10 g大米淀粉,在室溫條件下加3倍質(zhì)量的蒸餾水制成懸濁液,選擇直徑為60 mm的平板模具和振蕩模式,設(shè)置間隙1.000 mm,角頻率1 Hz,應(yīng)力5.000 Pa,將淀粉懸濁液放在測(cè)定平臺(tái)上,壓下蓋板,刮去蓋板外多余的懸濁液,并在蓋板邊緣涂上一層硅油,防止水分蒸發(fā)。在25 ℃下平衡1 min,從25～95 ℃程序升溫,然后從95～25 ℃程序降溫,升降溫速度為3 ℃/min,使大米粉充分糊化。在25 ℃下保持1 min,然后用5.000 Pa的應(yīng)力進(jìn)行0.1～20 Hz的頻率掃描。測(cè)定大米粉糊在升溫過(guò)程中的儲(chǔ)能模量(G′)、耗能模量(G″)和損耗因子(tanδ)的變化[12],頻率掃描的數(shù)據(jù)代入方程(1):

logG′=KG′×logf

式(1)

注:G′表示儲(chǔ)能模量(Pa),f表示頻率(Hz),KG ′表示斜率。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本實(shí)驗(yàn)中所有數(shù)據(jù)均是3次相同水平重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值,采用SPSS 19.0中的單因素方差分析進(jìn)行顯著性差異分析,以p<0.05表示顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同浸泡時(shí)間的大米的化學(xué)成分分析

由表1可以看出,隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng),大米的直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量逐漸減少,同時(shí)破損淀粉含量以及浸泡液的pH明顯降低。由表1可以看出,隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng),大米的直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量逐漸減少,同時(shí)破損淀粉含量以及浸泡液的pH明顯降低。這可能是由于在浸泡過(guò)程中,大米的淀粉顆粒吸水膨脹同時(shí)微生物大量生長(zhǎng)繁殖,使淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)遭到破壞,淀粉顆粒內(nèi)部的直鏈淀粉游離,導(dǎo)致大米的直鏈淀粉含量減少[13-14];蛋白質(zhì)含量的降低可能是由于蛋白質(zhì)作為微生物生長(zhǎng)繁殖的碳源和氮源,在浸泡過(guò)程中被消耗;同時(shí)由于微生物的生長(zhǎng)繁殖產(chǎn)生大量有機(jī)酸,故浸泡液的pH降低;大米在浸泡過(guò)程中吸水膨脹,組織結(jié)構(gòu)疏松,在制粉過(guò)程中所受到的機(jī)械應(yīng)力減少,淀粉顆粒所受到的機(jī)械破壞減少,故破損淀粉含量降低。

表1 不同浸泡時(shí)間的大米米粉的化學(xué)成分Table 1 The chemical composition of rice in different soaking times

2.2 大米浸泡處理后其淀粉的糊化特性

圖1是不同浸泡時(shí)間的大米淀粉的黏度的變化趨勢(shì)。其黏度的變化趨勢(shì)基本一致,在加熱過(guò)程中,隨著溫度的升高,黏度也開(kāi)始增大;當(dāng)黏度升高到最大值后,隨溫度的升高開(kāi)始降低。在冷卻過(guò)程中,黏度隨溫度的下降而升高。這是因?yàn)榈矸廴芤菏軣?顆粒之間的氫鍵強(qiáng)度減弱,淀粉顆粒吸水膨脹,故黏度增大[15],直至達(dá)到峰值粘度;繼續(xù)受熱,淀粉顆粒持續(xù)膨脹至破裂,導(dǎo)致直鏈淀粉溶出,黏度下降[16]。冷卻過(guò)程中,隨著溫度降低,直鏈淀粉回生,其間氫鍵重新形成,黏度增大[15]。

圖1 不同浸泡時(shí)間的大米淀粉的黏度隨時(shí)間變化曲線Fig.1 Viscosity-temp curves of ice flour with different immersion time

由表2可知,經(jīng)過(guò)浸泡之后大米淀粉的峰值黏度和崩解值都有顯著提高(p<0.05),糊化溫度有一定程度的降低;而最終黏度和回生值則隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)先上升后下降。經(jīng)過(guò)浸泡的大米淀粉的崩解值均明顯高于未浸泡的大米,大米在浸泡過(guò)程中由于自身的酶解和微生物的作用使淀粉顆粒的通透性增強(qiáng),淀粉顆粒更容易吸水膨脹,使其破裂,故經(jīng)過(guò)浸泡的大米淀粉的崩解值較大[17]，根據(jù)以往的研究[18],直鏈淀粉的含量和分子結(jié)構(gòu)對(duì)淀粉的峰值黏度有顯著影響,隨著溫度升高淀粉顆粒吸熱膨脹,淀粉顆粒的膨脹會(huì)使黏度增大,而直鏈淀粉的存在能夠阻止淀粉顆粒的膨脹,故直鏈淀粉含量越高,淀粉的峰值黏度就越低[18]。大米經(jīng)過(guò)浸泡之后,峰值黏度顯著提高(p<0.05),這可能是大米在浸泡過(guò)程中直鏈淀粉游離,使大米淀粉中直鏈淀粉含量降低的緣故[19];同時(shí)在浸泡過(guò)程中,由于微生物活動(dòng)以及酶解作用,包裹淀粉顆粒的蛋白質(zhì)堿膜被分解,淀粉顆粒更易于吸水膨脹,使得峰值黏度上升。經(jīng)過(guò)浸泡的大米糊化溫度均低于未浸泡的大米,這可能是由于經(jīng)過(guò)浸泡處理之后,以結(jié)合力較強(qiáng)的氫鍵相互結(jié)合的直鏈淀粉含量減少,系統(tǒng)熵值降低,故直鏈淀粉含量低的淀粉易于糊化,糊化溫度較低[20]。

表2 不同浸泡時(shí)間的大米淀粉的糊化特性Table 2 Pasting properties of rice flour with different immersion time

2.3 大米浸泡處理后淀粉的流動(dòng)特征

根據(jù)以往的研究可知,大米淀粉屬于假塑性、非牛頓流體[21-22]。從圖2可以看出,不同浸泡時(shí)間的大米淀粉都有剪切稀化的現(xiàn)象,這是假塑性流體所特有的現(xiàn)象,即隨著剪切速率的增加,流體的表觀黏度降低。在剪切速率增加的過(guò)程中,表觀黏度起初降低較快,當(dāng)表觀黏度降低到一定值后開(kāi)始趨于穩(wěn)定。在相同的剪切速率下,未經(jīng)浸泡的大米淀粉的表觀黏度最小,這可能是由于大米浸泡之后,直鏈淀粉含量降低,所以,聚合度更大的支鏈淀粉比例升高,對(duì)凝膠的流動(dòng)行為產(chǎn)生更大的阻力,致使其表觀黏度更大。

圖2 大米淀粉和不同浸泡時(shí)間的大米淀粉的表觀黏度隨剪切速率的變化曲線Fig.2 Apparent viscosity of rice starch and different soaking time with the shear rate curve

如圖3所示,在剪切速率不斷增加的過(guò)程中,剪切應(yīng)力也逐漸增大。剪切應(yīng)力曲線不經(jīng)過(guò)原點(diǎn),是因?yàn)榇竺椎矸酆徒?jīng)過(guò)浸泡處理后的大米淀粉皆有屈服應(yīng)力,即流體開(kāi)始流動(dòng)時(shí)需要的應(yīng)力。經(jīng)過(guò)浸泡之后的大米淀粉的屈服應(yīng)力較大,這說(shuō)明浸泡之后的大米淀粉的黏度高,粘稠性強(qiáng)[15]。且在相同剪切速率下,經(jīng)過(guò)浸泡的大米淀粉的剪切應(yīng)力較大,表明其具有更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[23]。

圖3 大米淀粉和不同浸泡時(shí)間的大米淀粉的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線Fig.3 Curve of shear stress of rice starch and different starch soaking time with shear rate

2.4 大米浸泡處理后淀粉的黏彈特征

動(dòng)態(tài)流變學(xué)是以溫度或頻率作為變化因子,在非破壞性區(qū)域內(nèi)通過(guò)研究?jī)?chǔ)能模量(G′)和耗能模量(G″)的變化來(lái)探究淀粉體系結(jié)構(gòu)信息[24].。其中G′是反映流變特性的最主要的動(dòng)態(tài)流變參數(shù),用來(lái)表征大米淀粉糊的彈性特征。大米淀粉的凝膠強(qiáng)度和硬度的變化都可以通過(guò)G′的變化反映出來(lái),G′值越大,說(shuō)明大米淀粉凝膠的強(qiáng)度越大[25]。

由圖4可知,以恒定的速率(3 ℃/min)加熱,大米淀粉的G′值變化。在加熱過(guò)程中,大米淀粉的儲(chǔ)能模量G′值起初幾乎不變;當(dāng)溫度上升到70 ℃左右時(shí),G′值開(kāi)始急速上升,這表明隨著溫度升高淀粉開(kāi)始糊化,懸濁液開(kāi)始轉(zhuǎn)化為溶膠狀態(tài),可能是由于直鏈淀粉從膨脹的淀粉顆粒中析出[26],同時(shí)膨脹的淀粉顆粒與析出的直鏈淀粉纏繞形成密集的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[27],一些膨脹的淀粉顆粒填充其中,故G′值迅速增加;當(dāng)溫度上升到75 ℃之后,G′值開(kāi)始有所下降,表明長(zhǎng)時(shí)間的加熱導(dǎo)致淀粉的凝膠結(jié)構(gòu)被破壞,這可能是因?yàn)榕蛎浀牡矸垲w粒中的剩余結(jié)晶區(qū)融化,淀粉顆粒變得松散;或者是由于淀粉顆粒中的支鏈淀粉解纏,使淀粉顆粒變軟[28-30],也可能是由于系統(tǒng)熵值達(dá)到最大,三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遭到破壞,隨著氫鍵斷裂和大量淀粉顆粒的破裂,系統(tǒng)強(qiáng)度降低,G′值開(kāi)始降低[31]。

圖4 大米淀粉懸濁液在升溫過(guò)程中的動(dòng)態(tài)振蕩流變圖Fig.4 Dynamic oscillatory rheological diagram of rice starch solution during heating process

表3 大米淀粉懸濁液的動(dòng)態(tài)流變特性Table 3 Rice starch solution of the dynamic rheological properties

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,浸泡處理對(duì)大米淀粉糊化特性和流變學(xué)性質(zhì)有一定程度的影響。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng),大米淀粉的峰值黏度和崩解值顯著提高(p<0.05),糊化溫度有一定程度的降低;最終黏度和回生值則隨浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)先上升后下降,其糊化特性發(fā)生變化;同時(shí),經(jīng)過(guò)浸泡處理的大米淀粉的凝膠結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、黏彈性與未經(jīng)處理的大米淀粉凝膠相比存在顯著性差異。為企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。