微波加速陳化過程中大米理化性質和組織結構的變化

項曉月 趙金成 吳建永 鐘業(yè)俊

（南昌大學食品學院 南昌 330047）

用新收獲大米烹飪的米飯較為軟爛、黏稠，食用品質不佳，一般自然陳化3～6 個月可以改善米飯的口感[1-2]。然而，新收獲大米進行自然陳化不僅需要占用倉儲空間，而且在儲藏過程中容易受到昆蟲和微生物的侵害[2]。近年來有很多研究通過物理處理的方法加速大米的陳化，這種在短時間內處理稻米以獲得類似于自然陳化大米的過程被稱為加速陳化[3]。Jaisut 等[4]利用高溫流化床干燥糙米（130 ℃和150 ℃，干燥30～120 min），發(fā)現流化床干燥糙米的蒸煮和食用品質與自然陳化7 個月的糙米發(fā)生了相似的變化。Rayaguru 等[5]通過調節(jié)環(huán)境的溫度（43.4 ℃）和濕度（71.0%）可加速香米的陳化。Sung[6]研究表明，γ 射線輻照可以縮短秈稻的陳化時間，進而提高稻米的加工穩(wěn)定性和品質。

微波是一種常見的物理處理手段，具有加熱迅速、應用方便等優(yōu)點，目前有研究表明微波處理可以加速大米的陳化，改善大米的蒸煮品質[7-8]，然而，目前還沒有關于微波加速陳化過程中大米組織結構變化的研究報道，組織結構變化與理化性質變化之間的關系亦不清楚。本研究采用微波處理加速新鮮大米的陳化，通過快速黏度分析儀（RVA）和質構儀測定微波對的糊化性質和質構的影響；通過掃描電鏡觀察大米微觀結構的變化；通過監(jiān)測大米中游離脂肪酸、二硫鍵的變化，探討組成成分變化對大米陳化的影響；同時，以自然陳化大米為參照，探究組成組分變化與理化性質變化之間的關系，以期為解析微波加速稻米陳化的機制提供研究基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

早秈稻（品種：黃花占）為2017 年10 月收獲于江西省井岡山市郊區(qū)稻田。將新收獲稻谷運回實驗室（江西南昌），一半稻谷在自然陳化室（年平均氣溫17.5 ℃，年平均相對濕度78.5%）自然陳化12 個月，另一部分稻谷真空包裝后置于4 ℃環(huán)境貯藏，備用。

谷胱甘肽、甘氨酸、鹽酸胍、5，5'-二硫代雙-2-硝基苯甲酸，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；其它試劑均為國產分析純級。

1.2 儀器與設備

CNWB-1.62ZK 真空微波設備，昆山國晶電子有限公司；THU-35A 碾磨機、TM 05 拋光機，日本佐竹公司；FW100 型高速萬能粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司；快速黏度分析儀，澳大利亞Newport Scientific 公司；TA.TX2.plus 質構儀，英國Stable 公司；Quanta-200 掃描電子顯微鏡，荷蘭FEI 公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 微波處理 將新收獲稻谷置于真空微波設備中，540 W 分別處理 30，50 s，分別標記為MW30s 和MW50s；對照組為新收獲稻谷（fresh rice，簡稱FR）和自然陳化稻谷（aged rice，簡稱AR）。使用脫殼機分別對稻谷脫殼，并用碾磨機碾磨得到大米（碾磨率均為10%）。根據需要，將各組中部分大米碾磨成粉，過100 目篩，備用。

1.3.2 糊化性質的測定 參照Molavi 等[9]的方法，利用快速黏度分析儀測定大米糊化性質。先加入25 mL 蒸餾水于RVA 測試鋁桶中，再加入3 g 米粉（12%水分基）攪拌混合，然后進行程序攪拌，加熱（50～95 ℃）后冷卻，總運行時間為12.5 min，米粉被完全糊化和冷卻，得到樣品的溫度-黏度-時間雙坐標曲線。每個樣品分析3 次，繪制平均黏度曲線，得到樣品的峰值黏度、終值黏度、回生值和糊化溫度。

1.3.3 質構的測定 參考Park 等[10]的方法并稍作修改，將大米和水以10∶13 的比例加入電飯鍋中，蒸煮20 min，保溫10 min；趁熱取出米飯，選將3 粒大小一致的完整米飯，以環(huán)狀方式排列并置于測試平臺上，使用36 mm 圓柱探頭（P/36R）進行2 次下壓測試，測試前、測試中和測試后速度分別為0.5，1.0，1.0 mm/s，第1 次壓縮量為40%，第2次壓縮量為75%，每個樣品測定10 次，分析得到米飯的硬度和黏度。

1.3.4 微觀結構的變化 根據Wu 等[12]的方法，采用Quanta-200 掃描電子顯微鏡觀察大米的微觀結構。用刀片沿完整米粒的橫軸方向施加一定的力使其自然斷裂。將米粒樣品的斷裂面向上，用雙面膠帶將其固定在鋁柱上，進行噴金處理，然后用掃描電鏡在在5 kV 的加速電壓下，觀察大米斷裂面的微觀結構[13]。

1.3.5 游離脂肪酸定測定 參考Zhao 等[8]的方法，將10 g 大米粉加入50 mL 乙醇中，用磁力攪拌器攪拌10 min 后過濾，用蒸餾水將濾液補足至50 mL 后，以酚酞為指示劑，采用0.01 mol/L KOH進行滴定。游離脂肪酸的含量即為滴定所需的KOH 的量。

1.3.6 二硫鍵含量的測定 參考Beveridge 等[14]的方法，大米的二硫鍵含量為還原后-SH 的含量與還原前-SH 含量的差值。75 mg 的米粉樣品用1 mL Tris-甘氨酸緩沖液混勻后加4.7 g 鹽酸胍，用緩沖液定容至10 mL，測定巰基時，取1 mL 該液加4 mL 脲-鹽酸胍溶液和0.05 mL Ellman’s 試劑，于412 nm 波長處測吸光值。測定二硫鍵時，取1 mL 溶液，加0.05 mL 巰基乙醇和4 mL 脲-鹽酸胍溶液，于25 ℃保溫1 h，然后加入10 mL 12%三氯乙酸，繼續(xù)于25 ℃恒溫1 h，5 000×g 離心10 min，用5 mL 12%三氯乙酸清洗沉淀物2 次，將沉淀物溶于10 mL 8 mol/L 脲中，加0.04 mL Ellman’s 試劑，測取412 nm 波長處的吸光值。二硫鍵的含量按式（1）、（2）計算。

式中，A412——波長412 nm 處的吸光值；D——稀釋因子，值為5；C——樣品質量濃度，mg/mL。

式中，N1——還原前巰基數；N2——還原后巰基數。

1.3.7 數據處理 每個試驗重復3 次除非另作說明，試驗結果用平均值±標準偏差表示。使用SPSS 17.0 軟件分析試驗數據，采用單因素方差分析（Turkey’s 檢驗）對均值進行兩兩比較，顯著性水平設為0.05。

2 結果與分析

2.1 微波處理對大米糊化性質的影響

糊化性質可以反映稻米的陳化進程，也是決定米飯及米制品品質的重要指標[10，15]。從表1 可知，在自然陳化過程中，大米的峰值黏度、終值黏度、回生值和糊化溫度都顯著增加（P＜0.05），這與已有的研究[12，16]結果一致。微波處理后大米的峰值黏度、終值黏度、回生值（P＜0.05）和糊化溫度（P＞0.05）均有所增加，尤其微波處理50 s 后，大米的峰值黏度、終值黏度、回生值和糊化溫度繼續(xù)增加（P＜0.05）；可見，微波處理對大米糊化性質的影響與自然陳化相同。實際上，峰值黏度是評估稻米陳化過程的敏感指標[17-18]，陳化大米通常具有更高的峰值黏度[19]，即陳化大米在糊化過程中具有更強的抗溶脹能力；回生值也是反映稻米陳化程度的重要指標[20]，陳化過程中淀粉回生值的增加導致大米硬度增加、黏性降低[21]。此外，終值黏度和回生值是預測直條米粉質量的重要參數[17]，終值黏度和回生值的增加，有利于提高直條米粉的質量，這是因為終值黏度和回生值增加，使米粉的凝膠硬度增加、黏度降低，從而避免新鮮大米生產直條米粉時易出現的米粉粘連，不易成形等問題[22]。因此，微波處理加速大米陳化，還可用于直條米粉的原料制備和優(yōu)化。

表1 微波處理對大米糊化性質的影響Table 1 Effect of microwave treatment on the pasting properties of rice

2.2 微波處理對大米米飯質構的影響

由圖1 可知，陳化后米飯的硬度增加，黏度降低（P＜0.05），這與Tananuwong 等[18]的研究結果相同。這是由于陳化過程中大米的組織結構不斷增強[23]，造成大米糊化時淀粉顆粒更難吸水和溶脹，顯示出更強的抗溶脹能力[18，20]。從圖1 可知，與自然陳化大米米飯的質構變化一樣，微波處理后米飯的硬度增加、黏度降低（P＜0.05），且微波處理時間延長硬度進一步增大，黏度降低。這可能是因為微波處理時，樣品中具有極性基團的分子（如羥基極性基團和氨基極性基團）在磁場作用下發(fā)生定向[8]，從而加強了淀粉和其它組分的相互作用[7]，使淀粉顆粒與大米中其它組分更難分離，淀粉顆粒的抗溶脹能力增強[24]。

圖1 微波處理對大米米飯質構的影響Fig.1 Effect of microwave treatment on the textural properties of cooked rice

2.3 微波處理對大米微觀結構的影響

用刀片在完整米粒中部區(qū)域輕微施壓，米粒會從中間應力斷裂，形成橫截面（圖2）；在米粒橫截面上有兩種不同類型的區(qū)域，一種是由緊密排列的復合淀粉顆粒和具有鋒利邊角的單淀粉顆粒組成的粗糙面（如圖2a 中空心箭頭所示），這主要是由于胚乳細胞壁的機械強度弱于胚乳細胞之間的黏附強度，造成的細胞內斷裂；另一種是光滑區(qū)域，由平整光滑的細胞壁組成（如圖2a 中實心箭頭所示），主要是由于胚乳細胞之間的黏附強度弱于細胞壁的機械強度而發(fā)生了細胞間斷裂[12-13，25]。從圖2 可知，FR 米粒截面上粗糙區(qū)域和光澤區(qū)域所占比例差不多（圖2a），而AR 米粒的粗糙區(qū)域所占比例高于光澤區(qū)域（圖2b），表明新鮮大米陳化后細胞間裂解增加[12]。相比于FR，圖2c 和2d 中的粗糙區(qū)域都明顯增加，表明微波處理也可以增加米粒的細胞內裂解。實際上，微波加熱時物料的除水速度非?？欤锪蟽炔克查g失水可能導致大量的細胞膜和細胞壁紊亂[7]，且微波處理過程中谷物水分的損失容易引起細胞膜的解體[26]，因此微波處理導致的細胞內裂解增加，可能是由于微波處理影響了胚乳細胞壁，造成細胞壁的機械強度降低。值得一提的是，細胞內裂解增加，會引起大米胚乳細胞的內聚強度降低，進而造成米粒在烹飪過程中更易爆裂[25]，這也可能是適度陳化大米的食用品質優(yōu)于新收獲大米的原因。

圖2 微波處理對大米微觀結構的影響Fig.2 Effect of microwave treatment on the microstructure of rice

2.4 微波處理對大米中游離脂肪酸的影響

大米在陳化過程中，脂質會發(fā)生酸敗，導致大米及其米制品的食用品質變差[27]。由圖3 可知，與新收獲大米相比，自然陳化大米的游離脂肪酸含量顯著上升（P＜0.05），而微波處理大米的游離脂肪酸含量則有所降低。實際上，已有研究表明微波輻射可降低大米中游離脂肪酸含量[14]，部分原因是由于微波處理引起脂肪酶和脂氧化酶的失活[14，28]。因此，微波處理可以減少稻米中的游離脂肪酸，避免稻米自然陳化過程中因脂肪氧化導致的酸敗問題，有利于提升大米及米制品的品質。

圖3 微波處理對大米中游離脂肪酸和二硫鍵的影響Fig.3 Effect of microwave treatment on free fatty acids and disulfide bond of rice

2.5 微波處理對大米中二硫鍵的影響

研究表明，陳化過程中稻米糊化特性的變化主要是由于蛋白質結構發(fā)生變化[17，19，23]。由圖3 可知，與FR 相比，AR 的二硫鍵含量顯著增加，同時，微波處理30 s 或50 s 樣品的二硫鍵含量也顯著增加，表明微波處理可以與自然陳化一樣增加稻米二硫鍵的含量。在一般的糊化過程中，稻米中蛋白可能會展開，暴露出更多的反應基團，與浸出的淀粉結合，形成淀粉-蛋白質復合物，黏附在溶脹淀粉顆粒表面，形成一層糊化層（該糊化層與糊化產物的黏度密切相關）[29]；同時，二硫鍵會穩(wěn)定球狀蛋白質結構，阻止蛋白質的完全展開[18]。因此，二硫鍵的增加，會抑制淀粉-蛋白質的相互作用，使糊化層變薄，從而影響米飯的質構。另外，在蛋白質凝膠化狀態(tài)下，分子間二硫鍵的增加會延長蛋白多肽鏈，從而限制多肽的相對熱運動并且強化蛋白質凝膠網絡的穩(wěn)定性[8]，同時降低溶脹淀粉顆粒的脆性使溶脹顆粒不易破裂[17]。因此自然陳化和微波處理造成稻米二硫鍵增加，迫使稻米糊化后形成的凝膠網狀結構增強，造成米飯硬度增加，黏度下降[6，18]。

3 結論

新收獲稻米的食用品質不佳（軟爛、粘稠），自然陳化（3～6 個月）可以改善米飯的口感，而采用物理方法不僅可以加速稻米陳化還能節(jié)省陳化時間，降低倉儲成本。本研究采用適度的微波處理加速了稻米陳化，主要是微波處理降低了稻米胚乳細胞壁的機械強度，蛋白質的二硫鍵增多，強化了大米在糊化過程中的抗溶脹能力，造成米飯硬度提高、黏度降低。值得注意的是，與自然陳化過程中游離脂肪酸含量逐漸上升的變化不同，微波處理后大米中的游離脂肪酸含量降低，從而減少哈敗味的產生。采用微波加速陳化的大米用于生產直條米粉，不僅可以避免新鮮大米生產直條米粉時易出現的米粉粘連，不易成形等問題，還可避免產品游離脂肪酸含量過高等問題。