糙糯米發(fā)芽過程中淀粉理化特性的變化

王宏偉 肖乃勇 趙雙麗 黃蕓琳 張 華,3

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院1，鄭州 450002) (河南省食品生產(chǎn)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心2, 鄭州 450002) (河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量安全控制重點實驗室3，鄭州 450002)

糙米是指稻谷經(jīng)礱谷脫殼后將米糠層和胚芽共同保留下來的全谷米粒，富含多種礦物質(zhì)、膳食纖維、γ-氨基丁酸等多種功能性成分，具有很高的營養(yǎng)價值。但由于糙米表面米糠層的存在，阻礙了水分的吸收和熱量的傳遞，使得產(chǎn)品食味品質(zhì)較差，且伴有糠味，從而延緩了糙米制品的應(yīng)用推廣[1-3]。近年來，糙米的營養(yǎng)保健價值逐漸引起人們的重視，針對改善糙米食用品質(zhì)及開發(fā)糙米主食食品的研究已成為熱點[4]。

糙米發(fā)芽作為一種清潔生產(chǎn)和綠色制造手段，是將糙米置于一定溫度、濕度條件下培養(yǎng)一段時間，處理過程簡單方便，其基本原理是通過激活和釋放糙米內(nèi)部的酶類物質(zhì)，進而改善糙米內(nèi)部的營養(yǎng)組分組成(淀粉、蛋白質(zhì)和脂質(zhì))及相關(guān)理化特性[5]。糙米主要由淀粉組成(70%左右)，其理化性能的變化將直接影響糙米制品的應(yīng)用。目前，有關(guān)發(fā)芽對糙米淀粉理化特性的影響雖有報道[6-9]，但主要集中在通過凍融穩(wěn)定性、凝沉特性、溶解度、糊化特性等指標(biāo)探究發(fā)芽前后糙米粉理化特性的差異[10-11]，而對不同發(fā)芽階段淀粉糊化、流變性能及質(zhì)構(gòu)特性的探究較少，尤其是以糙糯米為原料的研究鮮有報道。因此，有必要開展糙糯米發(fā)芽過程中淀粉理化性能變化的研究，建立糙糯米淀粉理化性能變化與其質(zhì)構(gòu)特性間的相關(guān)性，為發(fā)芽糙米制品的研制與開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

糙糯米。

HWS-080恒溫恒濕培養(yǎng)箱；UV-1100紫外/可見分光光度計；Discovery流變儀；TX.XT.plus質(zhì)構(gòu)儀；RVA4500快速黏度測定儀；DF-101S磁力攪拌器；TG16-WS臺式高速離心機。

1.2 方法

1.2.1 發(fā)芽糙糯米的制備

選取飽滿完好的糙糯米粒，經(jīng)1%的次氯酸鈉溶液浸泡30 min后用去離子水沖洗干凈，調(diào)至pH為7。室溫下，在蒸餾水中浸泡12 h，每隔0.5 h攪拌一次。棄去水溶液，將糙米轉(zhuǎn)移至平板上(120 mm)。在恒溫恒濕箱中進行發(fā)芽處理，參數(shù)設(shè)定：溫度30 ℃，濕度80%。發(fā)芽時間為 0、12、24、36、48 h(發(fā)芽0 h 為不放入恒溫恒濕箱中，浸泡結(jié)束后，直接干燥)。

1.2.2 糙糯米淀粉的提取

將不同發(fā)芽階段的糙糯米清洗后，蒸餾水中浸泡24 h，打漿過240目篩。然后在4 ℃冰箱中存放48 h，棄去上清液。將沉淀物與0.4%的NaOH溶液以1∶5的比例混勻，4 ℃儲存48 h。棄去上清液，沉淀物重新分散于水中，過240目篩，4 ℃靜置24 h。繼而重復(fù)清洗3次，用1 mol/L的HCl 調(diào)至pH值為7，4 ℃存放24 h。將中和后的淀粉重新溶于水，4 ℃ 存放24 h。最后，棄去上清液，將濕淀粉在45 ℃烘箱中干燥24 h，過160目篩封存?zhèn)溆?。根?jù)糙糯米發(fā)芽過程中發(fā)芽時間的不同，發(fā)芽處理后的淀粉樣品分別命名為糙糯米，GBS-12 h，GBS-24 h，GBS-36 h，GBS-48 h[12]，其蛋白質(zhì)含量測定參考國標(biāo)[13]，分別為0.39、0.43、0.46、0.47、0.74。

1.2.3 淀粉糊的溶解度和膨脹度

按照3%(m/m)的比例將干基質(zhì)量為M的淀粉加入到蒸餾水中，65 、75、85、95 ℃條件下攪拌30 min后倒入離心管中，在3 500 r/min的轉(zhuǎn)速下離心20 min，分離上清液和沉淀，稱量沉淀記為M2。去上清液于小燒杯中，放入105 ℃烘箱烘干至恒重，稱量記為M1，按公式計算淀粉樣品的溶解度。

溶解度S=M1/M×100%

膨脹度SP(g/g)=M2/M-M1

式中：M1為上清液烘干后剩余的物質(zhì)量/g；M2為離心后管中沉淀物的質(zhì)量/g。

1.2.4 淀粉糊凝沉特性的測定

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的淀粉乳液于25 mL的刻度試管中，沸水浴煮沸10 min，25 ℃條件下每隔一定時間記錄上層清液體積，繪制凝沉曲線。

1.2.5 糊化特性分析

通過快速黏度儀分析不同發(fā)芽階段條件下糙糯米淀粉的糊化性能的差異，具體方法參考AACC[14]，稍加改動：準(zhǔn)確稱取1.2 g淀粉(干基)，配制濃度為6%(m/m)的淀粉乳液，首先在30 ℃下保持1 min；其次以5 ℃ /min的升溫速率升至95 ℃，并在95 ℃下保溫10 min；最后，以5 ℃ /min的降溫速率降至50 ℃，保溫10 min，獲得淀粉糊的黏度曲線及特征參數(shù)的變化。糊化過程中的起始轉(zhuǎn)速為960 r/min，隨后均采用160 r/min轉(zhuǎn)速測定。

1.2.6 淀粉糊流變特性分析

取1.2.5節(jié)中制備好的淀粉糊，放置在流變儀測試平臺上，采用直徑為40 mm的平板-平板系統(tǒng)，間隙為1.0 mm，刮去平板外側(cè)多余的樣品，并加入硅油防止水分蒸發(fā)。在25 ℃條件下，先進行振幅掃描檢測其線性黏彈區(qū)，最終確定應(yīng)變?yōu)?%。

穩(wěn)態(tài)流變特性測定：采用Flow Ramp模式，設(shè)定角頻率為5 rad/s，剪切速率(γ)從0～300 s-1測定樣品剪切應(yīng)力的變化。采用Power law模型對數(shù)據(jù)進行擬合：

τ=K·rn

式中：τ為剪切應(yīng)力/Pa；K為稠度系數(shù)/Pa·sn；γ為剪切速率/s-1；n為流體指數(shù)。

動態(tài)流變性測定：采用 Oscillation Frequency模式，25 ℃進行頻率掃描(0.1～100 rad/s)，測定樣品的損耗角正切值。

1.2.7 淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性的測定

配制6%(m/m)的糙糯米淀粉乳液，在沸水中加熱30 min，冷卻后放入大小均一的小鋁盒中于4 ℃環(huán)境下放置24 h。通過質(zhì)構(gòu)儀測定淀粉凝膠的質(zhì)構(gòu)特性，測定條件：選取TPA模式，測試溫度為25 ℃，壓縮變形為樣品高度的50%，探頭為P/0.5，測試速度為：下壓速度1.5 mm/s，接觸后速度1.0 mm/s，下壓深度為樣品高度的50%，平行測試5次后取平均值[15]。

1.2.8 數(shù)據(jù)處理與分析

所有實驗均重復(fù)3次以上(特別說明除外)，數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，用Microsoft Excel 2013分析處理，通過Origin 9.0作圖，統(tǒng)計分析采用SPSS 22.0軟件，方差分析采用Duncan多重比較法進行顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)芽處理對糙糯米淀粉溶解度和膨脹度的影響

溶解度和膨脹度能夠反映淀粉-水分子相互作用的能力，而研究淀粉在水體系中的吸水性對于加工淀粉類食品具有重要意義。淀粉的膨脹度和溶解度與淀粉顆粒的大小、形態(tài)、分子鏈的排列、分子量等有關(guān)[16]。

圖1為不同發(fā)芽處理階段糙糯米淀粉溶解度與膨脹度的變化情況。由圖1可見，發(fā)芽處理可提高淀粉的溶解度及膨脹度。隨著水和體系溫度的提高和發(fā)芽時間的延長，糙糯米淀粉的溶解度和膨脹度逐漸增大，并在體系溫度95 ℃、發(fā)芽處理時間48 h時達到最大值，即溶解度與膨脹度分別為4.6%和43.6 g/g。這主要是由于糙糯米在發(fā)芽過程中，內(nèi)源淀粉酶被激活，導(dǎo)致糙糯米淀粉分子鏈斷裂或降解，有序化結(jié)構(gòu)疏松，增強了糙糯米淀粉顆粒的親水性并促進了淀粉分子與水分子間氫鍵等相互作用，進而提高了淀粉的膨脹度及溶解度。

圖1 發(fā)芽處理對糙糯米淀粉溶解度和膨脹度的影響

2.2 發(fā)芽處理對糙糯米淀粉凝沉特性的影響

淀粉糊發(fā)生凝沉主要是由于直鏈淀粉或支鏈淀粉分子間的有序化重排，形成束狀結(jié)構(gòu)或凝膠微球，最終導(dǎo)致水分子從淀粉分子內(nèi)部析出[17]。由圖2可知，隨著發(fā)芽處理時間的延長，糙糯米淀粉的凝沉速度逐漸減慢。其中，靜置時間在10 h內(nèi)，不同發(fā)芽程度糙糯米淀粉糊的凝沉特性變化不大，這可能由于糙糯米淀粉內(nèi)部直鏈淀粉含量較低，盡管經(jīng)過不同時間的發(fā)芽處理，但其直鏈淀粉含量的減少有限，因而在短期回生的過程中并無顯著性變化；淀粉在糊化過程中，雖然支鏈淀粉中短支鏈淀粉形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，但這些鏈仍保持著規(guī)則的形態(tài)并具有一定的“記憶”功能，這些短支鏈(主要源于同一子鏈)形成了膠體球，而一個支鏈淀粉分子可以形成一個獨立的超級球，從而有利于水分子的析出，導(dǎo)致其凝沉性增強。此外，糙糯米經(jīng)過不同程度的發(fā)芽處理后，其支鏈淀粉可能被淀粉酶降解形成更多的膠體球，有利于包裹較多的水分子，從而降低了其凝沉特性。

圖2 發(fā)芽處理對糙糯米淀粉糊凝沉特性的影響

2.3 發(fā)芽處理對糙糯米淀粉糊化特性的影響

圖3和表1分別為不同發(fā)芽階段糙糯米淀粉的成糊曲線變化情況及相應(yīng)的糊化參數(shù)。由研究結(jié)果可知，發(fā)芽處理可導(dǎo)致糙糯米淀粉起糊溫度升高，并引起峰值黏度、最終黏度、回生值降低以及糊化曲線整體黏度降低。這表明糙糯米經(jīng)不同發(fā)芽時間處理后，由于其內(nèi)部淀粉酶的作用，其顆粒內(nèi)部排列不規(guī)整、致密度低的晶體受到破壞，從而提高了糙糯米淀粉結(jié)晶的完美性，導(dǎo)致起糊溫度上升；淀粉酶的作用還會降低淀粉顆粒的剛性及分子量，從而致使糙糯米淀粉糊峰值黏度及糊化曲線整體黏度降低；發(fā)芽處理后，由于淀粉分子鏈的斷裂及降解導(dǎo)致其在剪切過程中不容易發(fā)生重排，分子締合度降低，最終使淀粉的回生值下降。上述現(xiàn)象隨著處理時間的上升而不斷增強，這主要是與發(fā)芽處理時間延長提高其內(nèi)部淀粉酶活性進而破壞糙糯米淀粉的結(jié)構(gòu)有關(guān)。Veluppillai等[18]研究發(fā)現(xiàn)淀粉酶活性在未發(fā)芽糙米粉中很低而在發(fā)芽糙米中活性顯著提高，且隨發(fā)芽時間的延長而增加。這與張國權(quán)[19]研究蕎麥淀粉的發(fā)現(xiàn)一致，苦蕎種子在發(fā)芽過程中淀粉酶活力升高導(dǎo)致淀粉水解增多，提高了淀粉結(jié)構(gòu)的疏松程度。此外，糙糯米經(jīng)不同發(fā)芽時間處理后，其崩解值下降，表明發(fā)芽處理可增強糙糯米淀粉糊的抗剪切和熱穩(wěn)定性能力。

圖3 發(fā)芽處理對糙糯米淀粉黏度的影響

/ ℃/mPa·s/mPa·s/mPa·s/mPa·s59.9±0.6c1174.1±52a511.6±22a720.8±73a66.7±4.5aGBS-12 h60.2±0.8c1120.8±42a422.6±13b720.5±64a64.8±4.1aGBS-24 h60.9±1.2b1004.2±32b399.1±18c640.2±62b46.8±3.4bcGBS-36 h61.5±1.4a984.8±31c390.5±32c663.2±54b49.8±2.8bGBS-48 h61.2±1.1a943.1±52d349.4±25d598.0±58c51.6±2.3b

注：同一列中不同字母代表顯著性差異(P<0.05),下同。

2.4 發(fā)芽處理對糙糯米淀粉流變性能的影響

2.4.1 不同發(fā)芽處理時間糙糯米淀粉穩(wěn)態(tài)流變學(xué)特性

圖4為不同發(fā)芽時間處理后糙糯米淀粉的穩(wěn)態(tài)流變學(xué)行為曲線。隨著剪切速率的增加，糙糯米經(jīng)不同發(fā)芽時間處理后，其淀粉的表觀黏度急速下降，最后趨于平穩(wěn)，即存在剪切稀化現(xiàn)象，表明各淀粉糊均屬于假塑性流體。其中，淀粉的分子鏈結(jié)構(gòu)(構(gòu)型、構(gòu)型、大小及剛性)是影響淀粉糊剪切稀化現(xiàn)象的決定因素[20]。本研究中，發(fā)芽處理前后糙糯米淀粉剪切稀化性能的差異可能源于淀粉分子量及剛性的變化。

圖4b為糙糯米原淀粉及發(fā)芽處理的糙糯米淀粉的剪切應(yīng)力變化曲線.隨著剪切速率的增加，剪切應(yīng)力不斷提高，且糙糯米原淀粉的剪切應(yīng)力始終最大。此外，隨著發(fā)芽處理時間的延長，糙糯米淀粉的剪切應(yīng)力逐漸下降。對圖4b的數(shù)據(jù)根據(jù)冪定律方程進行擬合，得到相應(yīng)擬合參數(shù)，如表2所示。由相關(guān)系數(shù)R2的大小(R2= 0.993 6～0.996 5)可知，淀粉的靜態(tài)流變學(xué)特性符合Power Law模型。流體指數(shù)n均小于1，表明淀粉糊為假塑性流體，與表觀黏度的變化相一致，表明原淀粉與發(fā)芽糙糯米淀粉糊容易受到外力的作用而破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，凝膠結(jié)構(gòu)弱。同樣地，代表抗剪切和形變能力的稠度系數(shù)K在經(jīng)發(fā)芽處理后有所下降，且隨著發(fā)芽處理時間的延長不斷降低，這與前人研究相一致[21]。

圖4 發(fā)芽處理對糙糯米淀粉靜態(tài)流變特性的影響

表2 靜態(tài)流變學(xué)擬合參數(shù)A

2.4.2 不同發(fā)芽處理時間糙糯米淀粉動態(tài)流變學(xué)特性

圖5為糙糯米經(jīng)不同發(fā)芽時間處理后淀粉糊的儲能模量(G′)和損耗模量(G″)，其中儲能模量是指淀粉糊在外力作用下的形變程度，即因彈性形變而儲存的能量，表征淀粉糊經(jīng)外力作用后自我恢復(fù)的能力；損耗模量是指淀粉糊在形變過程中，因黏性形變(即不可逆形變)而損耗的能量，反映了淀粉糊的可流動性能。損耗角正切值為黏性與彈性的比值(G″/G′)，tanδ越大表明淀粉糊黏性比例越大，流動性越好，反之彈性比例越大。由圖5c損耗角正切隨角頻率變化曲線可知，所有樣品的tanδ均小于1，表明樣品主要表現(xiàn)出彈性特征。

圖5 發(fā)芽處理對糙糯米淀粉動態(tài)流變性能的影響

由圖5可見，不同發(fā)芽時間處理的糙糯米淀粉糊的儲能模量和損耗模量均隨角頻率的增大而增大，且在相同角頻率下其儲能模量均大于損耗模量，表明不同發(fā)芽時間處理下的糙糯米淀粉糊均呈現(xiàn)凝膠性。隨著發(fā)芽時間的延長，糙糯米淀粉糊的G′和G″呈逐漸降低的趨勢，表明糙糯米淀粉經(jīng)發(fā)芽處理后，糊流動性增強，這與表2研究結(jié)果相一致。

2.5 發(fā)芽處理對糙糯米淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響

表3為不同發(fā)芽時間處理后糙糯米淀粉質(zhì)構(gòu)特性的變化情況。由表3可知，糙糯米經(jīng)發(fā)芽處理后，其淀粉凝膠的硬度、內(nèi)聚性、膠黏性、咀嚼性等數(shù)值呈下降趨勢，且隨著發(fā)芽時間的延長趨勢更加明顯。其中，硬度的降低可能是因為糙糯米在發(fā)芽過程中，其內(nèi)部的淀粉酶對淀粉顆粒的剛性和有序化結(jié)構(gòu)造成了破壞，致使糙糯米淀粉分子鏈的斷裂，從而影響了糙糯米淀粉在形成凝膠過程中排列行為，引起了硬度的降低。內(nèi)聚性、膠著性、咀嚼性的等參數(shù)的下降，可歸結(jié)為淀粉斷裂后形成多個分子量較小的分子鏈結(jié)構(gòu)，分子鏈間的締合度以及淀粉糊形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)減弱，導(dǎo)致凝膠內(nèi)部黏結(jié)的緊密度、抗擊壓、抗剪切能力降低，從而在凝膠內(nèi)聚性、膠黏性、咀嚼性上有一定的體現(xiàn)。這也與本研究糙糯米淀粉糊化特性以及其流變學(xué)特性結(jié)果一致。

表3 發(fā)芽處理對糙糯米淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響A

2.6 糙糯米淀粉糊化、流變特性與質(zhì)構(gòu)特性相關(guān)分析

淀粉的糊化、流變特性和凝膠質(zhì)構(gòu)特性對淀粉基食品的加工極為重要，能夠影響淀粉基食品的生產(chǎn)過程及最終品質(zhì)[22]。由表4可知，糙糯米淀粉凝膠的膠黏性與淀粉糊的峰值黏度、最終黏度呈極顯著正相關(guān)，與淀粉糊的崩解值呈顯著正相關(guān)，這表明峰值黏度、最終黏度以及崩解值較大的糙糯米淀粉容易形成膠黏性高的凝膠。糙糯米淀粉凝膠的咀嚼性與淀粉糊的起糊溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，與峰值黏度、稠度系數(shù)呈顯著正相關(guān)，這表明淀粉糊起糊溫度越低、峰值黏度越大，形成的淀粉糊黏稠度越高，淀粉凝膠咀嚼的持續(xù)抵抗程度越高。

表4 發(fā)芽糙糯米不同特性間相關(guān)分析

注：檢驗的顯著性水平 *表示P<0.05，**表示P<0.01。

3 結(jié)論

研究了糙糯米發(fā)芽過程中淀粉理化特性的變化。結(jié)果表明，糙糯米經(jīng)不同程度的發(fā)芽處理后，其溶解度和膨脹度增加，凝沉特性得到改善。此外，糙糯米經(jīng)不同發(fā)芽時間處理后，其峰值黏度、終值黏度及黏度曲線有所下降，熱糊穩(wěn)定性及冷糊穩(wěn)定性提高；發(fā)芽處理不僅能夠降低體系的稠度系數(shù)及凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而提高淀粉糊的流動性，且還可減弱糙糯米淀粉的凝膠性能，影響其內(nèi)聚性、膠黏性及咀嚼性，最終影響發(fā)芽制品的品質(zhì)。