低溫等離子體對(duì)糙米蒸煮品質(zhì)和物化特性的影響

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(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)旅游烹飪學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150076; 2.國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院,北京 100037)

等離子體是一種準(zhǔn)中性電離氣體[1],由電子、離子、自由基、激發(fā)態(tài)原子和大量結(jié)合的中性分子組成,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微電子、材料加工、生物醫(yī)療器械和航天航空等行業(yè)[2-5]。根據(jù)熱力學(xué)性質(zhì),等離子體可分為高溫等離子體和低溫等離子體兩類(lèi)。在等離子體中,如果電離氣體中的電子、離子和中性粒子等成分處于熱力學(xué)不平衡狀態(tài),電子溫度遠(yuǎn)高于離子溫度,則被稱(chēng)為低溫等離子體[6]。低溫等離子體中電子與較重粒子在大氣壓或低壓下不斷碰撞[7],產(chǎn)生的高能電子、活性成分物質(zhì)和紫外線作用于食品中,進(jìn)一步導(dǎo)致食品發(fā)生多種物理和化學(xué)變化,如殺菌[8]、淀粉改性[9-10]、酶失活[11]、改變食品的親疏水性[12]、蝕刻食品表面[13]等。超聲波輻射、微波輻射和γ射線輻射等[14-16]非熱加工技術(shù)對(duì)改善糙米的烹飪和結(jié)構(gòu)特性研究已有報(bào)道,但利用低溫等離子體處理來(lái)改善糙米品質(zhì)的研究相對(duì)較少。

糙米由稻谷脫殼而成,包含著外種皮層、胚和胚乳三部分。相比較于糙米,市面上的白米在精加工過(guò)程中損失了大部分的B族維生素、微量元素和必需脂肪酸;另外酚類(lèi)物質(zhì)也大量損失,特別是阿魏酸和雙魏酸,而對(duì)于抗氧化和降低膽固醇血癥具有積極作用[17]。隨著健康意識(shí)的增加,越來(lái)越多的消費(fèi)者選擇糙米,但難蒸煮、口感差、難消化等缺點(diǎn)導(dǎo)致其很難成為餐桌上的主流食品。

因此,本研究采用低溫等離子體技術(shù)處理糙米,研究其對(duì)糙米籽粒表觀形態(tài)、蒸煮品質(zhì)、質(zhì)構(gòu)特性、糊化特性和營(yíng)養(yǎng)成分的影響,評(píng)估低溫等離子體在糙米加工中應(yīng)用的適宜性,以期為低溫等離子體在糙米加工行業(yè)的工業(yè)化生產(chǎn)提供參數(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

長(zhǎng)粒香糙米、長(zhǎng)粒香白米 2018年收獲,低溫、干燥且密閉儲(chǔ)藏,黑龍江五常市。

PL3002-IC電子分析天平 梅特勒-托利多儀器有限公司;DGG-9000型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;TA.XT2i Plus質(zhì)構(gòu)儀 英國(guó)StableMicro System公司;RVA4500快速粘度分析儀 Rigaku;D/max-r B型X射線衍射儀 日本理學(xué)公司;XDS型近紅外分析儀 丹麥福斯儀器有限公司;S-300N型電鏡 日本Hitachi公司;FW-135型中草藥粉碎機(jī) 天津泰斯特公司;QGWB-PM001全谷物低溫等離子體專(zhuān)用振動(dòng)布料器 河北航興機(jī)械科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 低溫等離子體糙米(LTP-BR)的制備 將樣品放入全谷物低溫等離子體專(zhuān)用振動(dòng)器上首先進(jìn)行真空處理,再將等離子體設(shè)備調(diào)至輝光強(qiáng)度為1.8 A處理2 min進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究。

1.2.2 研究對(duì)象 本文將測(cè)定白米(WR)、未處理糙米(BR)和低溫等離子體處理后糙米(LTP-BR)的蒸煮特性和物化特性變化規(guī)律。

1.2.3 營(yíng)養(yǎng)成分測(cè)定 水分測(cè)定:GB 5009.3-2016直接干燥法;蛋白質(zhì)測(cè)定:GB 5009.5-2016(第一法);脂肪:GB 5009.6-2016(第二法);灰分:GB 5009.4-2016(第一法);總膳食纖維:GB 5009.88-2014;直鏈淀粉測(cè)定:GB/T 15683-2008;氨基酸測(cè)定:GB 5009.124-2016。

1.2.4 低溫等離子體處理對(duì)糙米蒸煮特性的影響 蒸煮品質(zhì)的測(cè)定參考王肇慈[18]的方法。

1.2.4.1 加熱吸水率 稱(chēng)取 5 g 樣品,加入 50 mL純凈水,置于鋁盒中并在電飯鍋中蒸煮至最適蒸煮時(shí)間(白米20 min、糙米35 min、等離子體糙米26.5 min),濾出米粒并冷卻至室溫(約 25 ℃)后稱(chēng)量,計(jì)算米粒吸水率。

吸水率T(%)=(Wi-W0)×100/W0

式(1)

式中:Wi為樣品蒸煮后質(zhì)量,g;W0為原料米質(zhì)量,g。

1.2.4.2 體積膨脹率 按照1.2.4.1進(jìn)行樣品蒸煮、濾出米粒并冷卻至室溫,用體積置換法測(cè)定同一份樣品蒸煮前、后的體積,計(jì)算樣品蒸煮后的體積膨脹率。

體積膨脹率V(%)=(Vi-V0)×100/V0

式(2)

式中:Vi 為樣品蒸煮后的體積,mL;V0為樣品蒸煮前的體積,mL。

1.2.4.3 固形物損失率 按照1.2.4.1的方法進(jìn)行樣品蒸煮后,將米湯傾入已知質(zhì)量的鋁盒中,在105 ℃下干燥至質(zhì)量恒定,計(jì)算米粒固形物損失率。

固形物損失率(mg/g)S=Si/W0

式(3)

式中:Si為米湯中固形物質(zhì)量,mg;W0為原料米質(zhì)量,g。

1.2.5 感官評(píng)價(jià) 新鮮煮好的米飯放于白色陶瓷碗中,挑選10名評(píng)審員(5男5女),包括受過(guò)專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練的學(xué)生和老師,每個(gè)評(píng)審員每次評(píng)定5個(gè)樣品,每天評(píng)審次數(shù)不超過(guò)2次。評(píng)價(jià)指標(biāo)有氣味、外觀(色澤、米粒完整性)、適口性(軟硬、粘性、彈性、滋味)及整體口感喜好程度。評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇與描述參考Mestres等[19]和Zhang等[20],評(píng)分采用百分制。感官評(píng)價(jià)指標(biāo)的描述情況如表1。

表1 糙米飯感官評(píng)價(jià)指標(biāo)定義及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Definition and evaluation progress of sensory texture of cooked brown rice

1.2.6 質(zhì)構(gòu)特性測(cè)定 將5 g糙米加入8 mL蒸餾水蒸煮成米飯放至室溫后,使用物性?xún)x測(cè)定米飯硬度、粘性等質(zhì)構(gòu)特性。測(cè)定條件:使用P/36R探頭,測(cè)前速度為2.0 mm/s,測(cè)試速度為2.0 mm/s,測(cè)后速度為2.0 mm/s,觸發(fā)力為20 g,形變50%,兩次壓縮間隔時(shí)間為5 s,平行測(cè)定5次,最終結(jié)果取5次平行的平均值。

1.2.7 表觀特性測(cè)定 將糙米固定在載物臺(tái)上,使用離子濺射儀噴金90 s,大約噴上10 nm厚的金,在掃描電鏡下用15 kV的加速電壓進(jìn)行觀察。

1.2.8 近紅外光譜測(cè)定 使用近紅外光譜分析儀進(jìn)行WR、BR和LTP-BR的光譜采集,掃描范圍400～650 nm,分辨率8 cm-1,掃描次數(shù)64次,波長(zhǎng)間隔2 nm,每個(gè)樣品重復(fù)裝樣及掃描2次,取平均值。

1.2.9 X射線衍射測(cè)定 用X射線衍射儀對(duì)WR、BR和LTP-BR進(jìn)行測(cè)試得到相應(yīng)的衍射圖譜,測(cè)定條件:電壓40 kV,電流40 mA,掃描2θ范圍為5～30°,步長(zhǎng)為 0.02°,掃描速率為3°/min。

1.2.10 糊化粘度測(cè)定 將糙米粉碎并過(guò)40目篩,依據(jù)GB/T 24852-2010的檢測(cè)方法,利用快速黏度儀(RVA)測(cè)定。RVA條件程序:50 ℃ 保持1 min;12 ℃/min上升到95 ℃(3.75 min);95 ℃保持2.5 min;12 ℃/min下降至50 ℃(3.75 min);50 ℃保持1.5 min。攪拌器轉(zhuǎn)速960 r/min 10 s,降至160 r/min至結(jié)束。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)都重復(fù)3次,結(jié)果表示為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”,數(shù)據(jù)處理使用軟件Excel 2007和SPSS 17.0,繪圖采用Origin-8.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 營(yíng)養(yǎng)成分評(píng)價(jià)

WR、BR和LTP-BR的營(yíng)養(yǎng)成分如表2所示,相比較于白米(WR),對(duì)照組糙米(BR)和低溫等離子體處理糙米(LTP-BR)的蛋白質(zhì)、脂肪、灰分和總膳食纖維的含量顯著升高(P<0.05),這說(shuō)明糙米的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富。經(jīng)低溫等離子體處理后,糙米的水分含量由12.70%降到10.95%,這可能是由于真空系統(tǒng)的存在導(dǎo)致糙米表面的水分揮發(fā),揮發(fā)的水分子經(jīng)低溫等離子體技術(shù)處理后被分解成氧自由基的結(jié)果[21]。糙米的直鏈淀粉經(jīng)低溫等離子體作用后含量顯著增加(P<0.05),這可能是由于等離子體中的離子、自由基氧化導(dǎo)致支鏈淀粉解聚,將其降解為更小分子的物質(zhì)引起的[22-23],這點(diǎn)與Thirumdas等[24]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。而糙米蛋白質(zhì)和總膳食纖維的含量經(jīng)低溫等離子體處理后略有增加,但不存在顯著差異(P<0.05);低溫等離子體處理后糙米的脂肪含量減少,這可能有助于糙米的貯藏。糙米的灰分不受低溫等離子體處理的影響,Chen等[25]也報(bào)道了類(lèi)似的結(jié)果。

表2 稻米的營(yíng)養(yǎng)組成成分Table 2 The nutritional components of rice

注:相同指標(biāo)不同米粒上不同字母著代表差異顯著(P<0.05);表3～表7同。

由表2可以看出,WR、BR和LTP-BR中谷氨酸仍是主要的氨基酸。WR的必需氨基酸總量為2.07 g/100 g,相比較于WR,BR和LTP-BR中必需氨基酸含量升高,分別為2.36和2.37 g/100 g,這說(shuō)明糙米外種皮層含有較多的必需氨基酸;相比較于BR,低溫等離子體處理后LTP-BR的必需氨基酸總含量變化不明顯。WR、BR和LTP-BR中非必需氨基酸含量分別為3.95、4.53和4.61 g/100 g,經(jīng)低溫等離子體處理后糙米的非必須氨基酸含量增加。

2.2 蒸煮品質(zhì)分析

WR、BR和LTP-BR的蒸煮品質(zhì)的變化結(jié)果如表3所示。由表3可以看出,WR的加熱吸水率、體積膨脹率和固形物損失率顯著高于BR和LTP-BR(P<0.05),這是因?yàn)椴诿妆砻娴睦w維皮層在一定程度上阻擋了水分進(jìn)入籽粒內(nèi)部和固形物的大量溶出;相比較于對(duì)照組BR,LTP-BR的加熱吸水率顯著增加了54.12%左右(P<0.05),體積膨脹率達(dá)到268.25%,而固形物損失率顯著增高到19.18 mg/g(P<0.05),這是因?yàn)榈蜏氐入x子體中的高能離子源沖擊糙米表面,導(dǎo)致表面產(chǎn)生凹陷和裂縫,有利于水分的進(jìn)入和固形物的溶出;另一方面低溫等離子體處理使得糙米表面能增加,親水性增加,有利于水分的吸收和體積的膨脹。研究表明米湯固形物含量越高,其蒸煮時(shí)米飯?jiān)金?食味品質(zhì)及適口性越好[26],因此低溫等離子體處理對(duì)糙米蒸煮品質(zhì)的改善有積極作用。

表3 WR、BR和LTP-BR的蒸煮特性分析Table 3 Analysis of cooking characteristics of WR,BR and LTP-BR

2.3 感官品質(zhì)分析

WR、BR和LTP-BR的感官評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示。WR樣品的氣味、色澤、適口性均優(yōu)于BR和LTP-BR,感官評(píng)分高,具有良好的食味品質(zhì)。相比較于BR,LTP-BR的氣味得分顯著增高,此時(shí)的糙米飯香氣濃郁,外飯粒完整有光澤,咀嚼時(shí)具有較好的粘彈性,這是因?yàn)榈蜏氐入x子體導(dǎo)致糙米表面產(chǎn)生凹陷和裂縫,有利于水分的進(jìn)入和內(nèi)容物的流出,可以有效的改善糙米的食味品質(zhì)。

表4 WR、BR和LTP-BR的感官品質(zhì)分析(分)Table 4 Analysis of sensory quality of WR,BR and LTP-BR(scores)

表5 米飯的質(zhì)構(gòu)特性Table 5 Texture properties of rice

2.4 質(zhì)構(gòu)特性分析

表5為WR、BR和LTP-BR飯的質(zhì)構(gòu)特性變化,WR的硬度和咀嚼性較低,彈性高于糙米,食用品質(zhì)良好。相比較于BR,LTP-BR的質(zhì)構(gòu)特性變化明顯,糙米的硬度、膠黏性和咀嚼性分別顯著降低了598.91、80.59和140.01 g(P<0.05),而彈性和粘附性升高。由表3蒸煮損失中可以表明,處理后糙米的固形物損失率更高,導(dǎo)致糙米的粘彈性更高,這主要是因?yàn)榇竺最w粒中固體物質(zhì)溶出的結(jié)果,同樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Leelayuthsoontorn等[27]也報(bào)道過(guò)。Zhou等[28]研究發(fā)現(xiàn)硬度和粘附性參數(shù)與淀粉顆粒的水化過(guò)程有關(guān),水化程度越高,結(jié)合作用越強(qiáng),對(duì)于糙米飯質(zhì)構(gòu)特性的改善效果越好;而糙米經(jīng)低溫等離子體處理后表面粗糙、親水性增加,蒸煮時(shí)水分可以快速進(jìn)入糙米內(nèi)部與淀粉結(jié)合,這表明低溫等離子體技術(shù)可以有效地改善糙米的質(zhì)構(gòu)特性。

2.5 微觀結(jié)構(gòu)分析

低溫等離子體處理前后糙米表面的微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以清楚的看到經(jīng)低溫等離子體處理后糙米顆粒表面的裂縫和凹陷,這樣水分可以很容易進(jìn)入籽粒內(nèi)部,有利于糙米蒸煮品質(zhì)的改善,Chen等[25]的研究中也出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似結(jié)果,這種現(xiàn)象被稱(chēng)為蝕刻效應(yīng)。這是由于等離子體產(chǎn)生了高能粒子,大量的高能粒子不斷撞擊糙米表面,使表面平整度降低,改變了表面物理結(jié)構(gòu),導(dǎo)致粗糙度增加[10]。等離子體處理改變了其自然表面形貌,使得米粒的蒸煮和結(jié)構(gòu)參數(shù)均得到改善。

圖1 低溫等離子體技術(shù)對(duì)米粒微觀結(jié)構(gòu)的影響(×2000)Fig.1 Effects of low-temperature plasma technology on the microstructure of rice(×2000)注a:BR;b:LTP-BR。

2.6 傅里葉近紅外光譜圖分析

圖2是WR、BR和LTP-BR的傅里葉紅外光譜圖。由圖2可以看出,波長(zhǎng)為2920、1650、1450、1350、1089 cm-1時(shí)出現(xiàn)特征吸收峰,其中波長(zhǎng)在1450和1350 cm-1附近的吸收峰分別對(duì)應(yīng)CH2和CH的彎曲振動(dòng)[29],2920和1089 cm-1附近的吸收峰分別代表CH和C-O的伸縮振動(dòng)[30]。當(dāng)波長(zhǎng)在2920 cm-1時(shí)WR的波峰明顯低于BR和LTP-BR,可能是WR的脂肪和膳食纖維的含量較低的原因。相比較于BR和WR,當(dāng)波長(zhǎng)在1650 cm-1處LTP-BR的波峰有所增加,此時(shí)的吸收峰歸屬于水分子中OH的彎曲振動(dòng)[31-32],這表明糙米經(jīng)等離子體處理后親水基團(tuán)有所增加,親水性能得到提高,這也說(shuō)明糙米經(jīng)低溫等離子體處理后蒸煮品質(zhì)改善的原因。

圖2 WR、BR和LTP-BR的傅里葉近紅外光譜圖Fig.2 FTIR images of WR,BR and LTP-BR

2.7 X射線衍射圖譜分析

糙米經(jīng)X射線衍射分析法測(cè)定的晶體結(jié)構(gòu)變化如圖3所示。由圖3可以看出WR、BR和LTP-BR均具有2θ衍射角為15.20°、17.32°、18.21°和23.28°的衍射峰,是谷物淀粉固有的A型結(jié)晶結(jié)構(gòu)[33]。處理前后沒(méi)有新的衍射峰出現(xiàn),表明低溫等離子體技術(shù)對(duì)糙米淀粉的晶型結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響。如表6所示,BR和LTP-BR的結(jié)晶度顯著高于WR(P<0.05);相比較于BR,LTP-BR的結(jié)晶度降低,淀粉結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)被破壞,這可能是由于低溫等離子體處理導(dǎo)致淀粉發(fā)生解聚[34],導(dǎo)致結(jié)晶度下降。

圖3 WR、BR和LTP-BR的X-射線衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction patterns of WR,BR and LTP-BR

表7 WR、BR和LTP-BR的RVA特征值分析Table 7 Analysis of RVA characteristic values of WR,BR and LTP-BR

表6 WR、BR和LTP-BRX射線衍射參數(shù)Table 6 X-ray diffraction parameters of WR,BR and LTP-BR

2.8 糊化特性分析

糊化是指稻米淀粉顆粒受熱吸水膨脹,氫鍵斷裂,淀粉分子由有序向無(wú)序轉(zhuǎn)化的過(guò)程[]。低溫等離子體處理前后糙米粉的糊化特性統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表7。由表7可知,WR的峰值粘度、最低粘度、最終粘度和崩解值顯著高于BR和LTP-BR(P<0.05),這也解釋了WR的食味品質(zhì)良好的原因。LTP-BR的峰值粘度、最低粘度、崩解值和最終粘度略高于BR,但不存在顯著差異,而回生值顯著高于BR和WR(P<0.05)。

峰值粘度是淀粉吸水膨脹,溶出物發(fā)生摩擦讓糊液粘度急劇增加造成,是衡量淀粉顆粒膨脹程度和直鏈淀粉溶出數(shù)量多少的標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)表7顯示LTP-BR的峰值粘度高于BR,可能是因?yàn)榈入x子體中的活性粒子導(dǎo)致化學(xué)鍵強(qiáng)度減弱或化學(xué)鍵斷裂,促進(jìn)了部分淀粉的膨脹以及直鏈淀粉溶出,導(dǎo)致峰值粘度升高[9]。崩解值是峰值粘度減去最低粘度,能比較直觀的反應(yīng)米飯口感。有研究表明,稻米的RVA崩解值在1200 cp以上食味品質(zhì)較好[36],由表7中數(shù)據(jù)可以看出經(jīng)低溫等離子體處理后糙米的崩解值增加,有效的改善了糙米的口感?；厣荡淼矸酆蟮睦匣厣俣?LTP-BR回生值升高說(shuō)明經(jīng)低溫等離子體技術(shù)處理導(dǎo)致糙米飯易于老化,而短期老化跟糊化時(shí)直鏈淀粉的溶出量呈正相關(guān)[37],這說(shuō)明低溫等離子體處理一方面促進(jìn)糊化過(guò)程中直鏈淀粉的溶出,能夠改善糙米飯的口感;另一方面會(huì)導(dǎo)致糙米飯易老化。

3 結(jié)論

低溫等離子體作為非熱加工技術(shù),提升糙米食用品質(zhì)的發(fā)展?jié)摿薮蟆５蜏氐入x子體處理后糙米的加熱吸水率、體積膨脹率和固形物損失率顯著升高了54.12%、13.37%和4.11 mg/g,有效的提升了糙米的蒸煮性能;彈性、峰值粘度和崩解值顯著升高,使糙米的硬度、咀嚼性顯著降低,一定程度上改善了糙米的質(zhì)構(gòu)特性和糊化特性;但低溫等離子體導(dǎo)致糙米的回生值升高,會(huì)加速糙米飯的老化;糙米的直鏈淀粉、蛋白質(zhì)、膳食纖維和非必需氨基酸含量增加,這在一定程度上豐富了糙米的營(yíng)養(yǎng)成分;掃描電子顯微鏡顯示低溫等離子體預(yù)處理后糙米皮層遭到破壞,表面出現(xiàn)凹陷和裂縫;糙米的親水基團(tuán)含量和結(jié)晶度得到提高,破壞了糙米淀粉的晶體結(jié)構(gòu),證實(shí)了糙米蒸煮特性和物化特性改善的原因,這對(duì)低溫等離子體在全谷物工業(yè)化加工具有指導(dǎo)意義,將會(huì)極大地促進(jìn)低溫等離子體在全谷物行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。然而通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)糙米短時(shí)間易老化,回生值升高,還需要進(jìn)一步深入研究;另外將這一技術(shù)更廣泛的應(yīng)用于食品行業(yè),還需要詳細(xì)的評(píng)估其他品質(zhì),例如糙米的安全性問(wèn)題和儲(chǔ)藏期品質(zhì)的變化問(wèn)題以及糙米風(fēng)味變化等,使低溫等離子體技術(shù)在全谷物科學(xué)研究中的應(yīng)用前景更加廣闊。