高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理對全谷物糙米粉品質(zhì)的影響

馬永軒， 張名位， 張瑞芬， 劉 磊， 賈栩超， 黃 菲， 董麗紅， 白亞娟

(廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部功能食品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510610)

全谷物糙米是稻谷脫去稻殼后的穎果，與普通精米相比，包含完整的果皮、種皮、珠心層和胚，含有豐富的營養(yǎng)成分和多酚等活性物質(zhì)，具有抗氧化、抗衰老以及預(yù)防退行性疾病等功能[1-3]。然而糙米不易蒸煮、適口性差，因此，糙米多經(jīng)加工后再食用。擠壓膨化加工技術(shù)是集混合、攪拌、破碎、加熱、殺菌、膨化及成型等為一體的高新技術(shù)，具有效率高、能耗低、多功能、連續(xù)生產(chǎn)、衛(wèi)生環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。擠壓過程中，在高溫、高壓、高剪切力的作用下，淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、粗纖維等大分子物質(zhì)被切斷成小分子物質(zhì)[7]，可有效提高全谷物糙米的食用性。

但是，單獨(dú)采用擠壓膨化工藝制得的全谷物糙米粉存在沖調(diào)分散性差、黏度高等問題，食用不方便。前期學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，通過添加α-淀粉酶預(yù)酶解后擠壓膨化可以提高谷物粉水溶性、降低沖調(diào)黏度[8-9]。近年來，預(yù)酶解輔助擠壓膨化已成為研究熱點(diǎn)。然而，全谷物先經(jīng)預(yù)酶解處理再擠壓膨化雖可改善其品質(zhì)特性，但此工藝操作不便且復(fù)雜。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上采用高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合加工技術(shù)，即擠壓膨化的同時(shí)通過水分調(diào)節(jié)管道注入液態(tài)高溫α-淀粉酶，該技術(shù)在擠壓膨化的同時(shí)發(fā)生酶解反應(yīng)，操作簡便，且可有效改善糙米粉品質(zhì)。以普通糙米、紅米、黑米3 種糙米為原料，比較分析了高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理與直接擠壓膨化制得的糙米粉品質(zhì)差異，探討高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理對全谷物糙米粉理化和營養(yǎng)特性的影響，旨在為改善全谷物糙米粉食用品質(zhì)提供技術(shù)參考，進(jìn)一步促進(jìn)全谷物的加工利用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

普通糙米、紅米、黑米，深圳市滕泰農(nóng)業(yè)科技有限公司；高溫α-淀粉酶(酶活力40 000 U/g)，江蘇銳陽生物科技有限公司；其他試劑均為國產(chǎn)分析純，廣州齊云生物技術(shù)有限公司 。

1.2 儀器與設(shè)備

LS- 75HD型立式壓力蒸汽滅菌鍋，江陰濱江醫(yī)療設(shè)備有限公司；MY- 56型雙螺桿膨化機(jī)，江蘇牧羊集團(tuán)有限公司； K8400型蛋白質(zhì)分析儀，瑞典FOSS公司；Biofuge Stratos Sorvall型高速冷凍離心機(jī)，美國Thermo公司；UV- 1240型紫外可見分光光度計(jì)，日本島津分析儀器公司；D- 500型高剪切均質(zhì)分散乳化機(jī)，德國WIGGENS公司；PCE- E3000型恒溫水浴振蕩器，蘇州威爾實(shí)驗(yàn)用品有限公司；AR- 1500ex型流變儀，美國TA公司；UltraScan VIS型色差儀，美國Hunter Lab公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1擠壓膨化工藝

3種糙米粉碎至10～20目，利用雙螺桿膨化機(jī)進(jìn)行擠壓膨化，膨化機(jī)前、中、后段溫度分別為80、130、150 ℃，擠壓膨化過程通過水分調(diào)節(jié)管道加入液態(tài)高溫α-淀粉酶，制得加酶膨化粉，高溫α-淀粉酶最終添加量相當(dāng)于750 U/g(以糙米質(zhì)量計(jì))；擠壓膨化過程中加入蒸餾水，制得未加酶膨化粉作為對照。膨化后樣品粉碎后過80目篩，密封保存以備后續(xù)實(shí)驗(yàn)分析。

1.3.2徑向膨化率的測定

隨機(jī)選取5 段膨化物，用游標(biāo)卡尺測量其直徑，徑向膨化率計(jì)算見式(1)。

徑向膨化率=d(擠出)/d(模具) 。

(1)

式(1)中，d(擠出)為擠出物直徑，mm；d(模具)為模具直徑，mm。

1.3.3分散時(shí)間的測定

參考張冬媛等[9]的方法略加修改。準(zhǔn)確稱取5 g樣品，通過直徑11.5 cm的漏斗加入到60 r/min磁力攪拌的60 ℃溫水中(200 mL燒杯中加入100 mL水)，樣品加入漏斗開始計(jì)時(shí)，粉體分散均勻終止計(jì)時(shí)，此段時(shí)間即為分散時(shí)間，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3 次。

1.3.4結(jié)塊率的測定

參考劉靜波等[10]的方法略加修改。準(zhǔn)確稱取20 g樣品，置于500 mL燒杯中，加入預(yù)熱至60 ℃的溫水150 mL，靜置10 min后用干燥至恒重的20目篩網(wǎng)過濾，清水漂洗結(jié)塊，105 ℃干燥至恒重。結(jié)塊率的計(jì)算見式(2)。

(2)

式(2)中，m0為篩網(wǎng)和結(jié)塊質(zhì)量，g；m1為篩網(wǎng)質(zhì)量，g；m2為樣品質(zhì)量，g。

1.3.5水溶性指數(shù)和吸水性指數(shù)的測定

水溶性指數(shù)(water solubility index, WSI)和吸水性指數(shù)(water absorption index, WAI)的測定參照Anderson等[11]的方法略加修改。準(zhǔn)確稱取2.5 g樣品置于50 mL離心管中，加入30 mL去離子水，以275 r/min的速率振搖30 min，然后4 000 r/min離心15 min，分離上清液和沉淀物；上清液傾倒于恒重的稱量盒中，在105 ℃的烘箱中蒸發(fā)至恒重。WSI和WAI按式(3)和式(4)計(jì)算：

(3)

(4)

式(3)、式(4)中，m1為上清液殘余物干質(zhì)量，g；m2為樣品干質(zhì)量，g；m3為沉淀物質(zhì)量，g。

1.3.6還原糖含量的測定

參考文偉等[12]的方法。準(zhǔn)確稱取2 g樣品，置于100 mL離心管中，加去離子水30 mL，25 ℃振蕩30 min，4 000 r/min離心10 min，取上清液定容至50 mL，二硝基水楊酸法測定其還原糖含量，結(jié)果以每克干基中的葡萄糖質(zhì)量(mg/g)表示。

1.3.7總蛋白質(zhì)含量、可溶性蛋白含量的測定

總蛋白質(zhì)含量的測定： 凱氏定氮法，《GB 5009.5—2016 食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測定》。

可溶性蛋白質(zhì)含量的測定：參照方勇等[13]的方法。稱取1.0 g樣品，加入9 mL生理鹽水，冰浴條件下勻漿，懸濁液2 500 r/min下離心10 min，上清液定容至25 mL。取定容后的上清液50 μL，加入3.0 mL考馬斯亮藍(lán)顯色劑，混合均勻并靜置10 min，595 nm波長測定吸光度A1。50 μL去離子水代替樣液作空白對照，測定吸光度A0；50 μL蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)品(質(zhì)量濃度為0.563 g/L的牛血清白蛋白)作為標(biāo)準(zhǔn)對照，測定吸光度A2。可溶性蛋白質(zhì)含量計(jì)算見式(5)。

(5)

式(5)中，w(可溶性蛋白質(zhì))，mg/g；R=0.563。

1.3.8糊化度的測定

參照文獻(xiàn)[14-15]略加修改。準(zhǔn)確稱取0.1 g樣品，分散于49 mL的去離子水中，添加1.0 mL 10 mol/L的 KOH溶液，以10 r/min速率在磁力攪拌器中攪拌5 min，懸浮液5 000 r/min離心10 min；吸取1.0 mL上清液，混合0.6 mL的0.5 mol/L鹽酸，用去離子水定容至10 mL，最后添加0.1 mL的碘液(0.5 g晶體碘和2 g KI溶于50 mL去離子水)，混勻后在600 nm波長處測定吸光值A(chǔ)1；上述步驟中KOH的體積替換為2.5 mL，鹽酸的體積替換為1.5 mL，其他相同，測得吸光值A(chǔ)2。糊化度(degree of gelatinization，DG)按式(6)計(jì)算：

(6)

1.3.9黏度的測定

參照趙志浩等[8]的方法略加修改。稱取20 g樣品，加入80 mL 80 ℃熱水，緩慢攪拌至均勻。設(shè)置流變儀夾具與樣品臺間距為1 mm，溫度25 ℃，角頻率范圍0.01～200 rad/s。取適量米糊樣品于樣品臺上，靜置10 min，啟動程序進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件單因子方差分析(one way ANOVA)進(jìn)行組間差異比較，顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 全谷物糙米粉徑向膨化率分析

徑向膨化率是衡量膨化效果的重要指標(biāo)，高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理對全谷物糙米粉徑向膨化率的影響見圖1。由圖1可以看出，3種全谷物糙米經(jīng)過高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理后其徑向膨化率均顯著降低(P<0.05)。普通糙米由2.0降低到1.2，紅米由2.5降低到1.6，黑米由2.1降低到1.2。這可能是由于高溫α-淀粉酶將部分淀粉降解為多糖，導(dǎo)致3種全谷物糙米粉的徑向膨化率大幅降低。

不同字母表示差異顯著(P<0.05)。圖1 高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理對全谷物糙米粉徑向膨化率的影響Fig.1 Effect of thermostable α-amylase assisted extrusion treatment on radial expansion rate of whole brown rice flour

2.2 全谷物糙米粉沖調(diào)分散性分析

WSI表明粉體溶于水的能力，常作為評價(jià)淀粉分子降解程度的指標(biāo)；而WAI表明淀粉在水中溶脹形成凝膠的能力；分散時(shí)間表明粉體溶于水的速度，結(jié)塊率表明粉體溶于水的結(jié)塊情況，這4個(gè)指標(biāo)可用來衡量粉體的沖調(diào)特性。高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理對全谷物糙米粉沖調(diào)分散性的影響見表1。由表1可知，3種全谷物糙米經(jīng)高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理后其WSI均顯著升高，WAI顯著降低，WSI分別升高了2.51倍、1.89倍和2.73倍，WAI分別降低了77.29%、33.41%和67.44%。3種全谷物糙米經(jīng)高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理后其分散時(shí)間和結(jié)塊率均顯著降低，分散時(shí)間分別減少了64.60%、60.66%和65.40%，結(jié)塊率分別降低了75.57%、84.64%和75.24%。這可能是因?yàn)榻?jīng)高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理，部分淀粉轉(zhuǎn)化為糖類，可溶性物質(zhì)和小分子親水物質(zhì)含量增加，結(jié)構(gòu)松散，糙米粉親水性增強(qiáng)[16]。

2.3 全谷物糙米粉還原糖、總蛋白質(zhì)和可溶性蛋白質(zhì)含量分析

高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理對全谷物糙米粉還原糖、總蛋白質(zhì)和可溶性蛋白質(zhì)含量的影響見表2。由表2可知，3種全谷物糙米經(jīng)高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理后其還原糖含量顯著提高，分別提高了66.63倍、102.07倍和15.06倍。由此表明，高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理對淀粉等大分子成分有一定的降解作用。淀粉基物料在升壓、升溫、剪切和酶的共同作用下發(fā)生了部分降解，高分子的結(jié)構(gòu)鍵斷裂變成了低分子產(chǎn)物，如淀粉結(jié)構(gòu)中的糖苷鍵斷裂使其成為葡萄糖、麥芽糖等[17]。

表1 高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理對全谷物糙米粉沖調(diào)分散性的影響

同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

由表2可知，高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理可提高3種全谷物糙米粉的總蛋白質(zhì)含量，但提高不顯著；而其可溶性蛋白質(zhì)含量顯著提高，分別提高了32.37%、17.38%和22.12%。這可能是因?yàn)楦邷卅?淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理使部分淀粉水解，與其緊密結(jié)合的蛋白質(zhì)暴露、分離[18]。

表2 高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理對全谷物糙米粉還原糖、總蛋白質(zhì)和可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

不同字母表示同列數(shù)據(jù)差異顯著(P<0.05)。

2.4 全谷物糙米粉糊化度分析

高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理對全谷物糙米粉糊化度的影響見圖2。由圖2可知，3種全谷物糙米經(jīng)過高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理后其糊化度均顯著降低(P<0.05)。普通糙米由88%降低到70%，紅米由91%降低到83%，黑米由93%降低到80%。這可能是由于3種全谷物糙米粉在高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理過程中受到濕熱作用，粉質(zhì)變軟及壓力和溫度的降低造成的。此外，淀粉的部分水解也是其糊化度降低的一個(gè)重要原因[19]。

不同字母表示差異顯著(P<0.05)。圖2 高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理對全谷物糙米粉糊化度的影響Fig.2 Effect of thermostable α-amylase assisted extrusion treatment on degree of gelatinization of whole brown rice flour

2.5 全谷物糙米粉黏度分析

圖3 高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理對全谷物糙米粉黏度的影響Fig.3 Effect of thermostable α-amylase assisted extrusion treatment on dissolving viscosity of whole brown rice flour

粉體沖調(diào)黏度直接影響其沖調(diào)分散性，高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理對全谷物糙米粉黏度的影響見圖3。由圖3可知，3種全谷物糙米經(jīng)高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理后其沖調(diào)黏度均顯著下降，加酶和未加酶處理的糙米粉均有剪切稀釋特性，經(jīng)高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理后其糙米粉在低剪切速率下具有較低黏度，黏度曲線趨于平直，但剪切稀釋效應(yīng)與未加酶處理相比不明顯，說明高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理可降低糙米粉的黏度，改善糙米粉的沖調(diào)特性。

3 結(jié) 論

3種全谷物糙米經(jīng)過高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理后徑向膨化率、糊化度、WAI、分散時(shí)間、結(jié)塊率均顯著降低(P<0.05)，WSI均顯著升高(P<0.05)。此外，3種全谷物糙米經(jīng)處理后沖調(diào)黏度呈下降趨勢，加酶處理的糙米粉在低剪切速率下具有較低黏度，其黏度曲線趨于平直，但剪切稀釋效應(yīng)與未加酶處理相比不明顯。3種全谷物糙米經(jīng)高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理后其還原糖、可溶性蛋白質(zhì)和總蛋白質(zhì)含量均提高?？傮w來說，高溫α-淀粉酶- 擠壓膨化耦合處理可顯著改善全谷物糙米粉的沖調(diào)和營養(yǎng)特性，研究結(jié)果以期為改善全谷物糙米的食用品質(zhì)，拓寬加工利用途徑提供一定參考。