氦氣冷等離子處理對(duì)大米蒸煮品質(zhì)及理化特性的影響

劉靜靜，王若蘭，李興軍，段義三，徐詠寧

1.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001

2.國家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院 昌平中試基地，北京 102209

3.山東省軍糧儲(chǔ)備庫，山東 齊河 251100

1928年由Tonks Lewi和Langmuir Irving首次提出“等離子體”的概念，用于定義繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外物質(zhì)的第四狀態(tài)，即氣體部分或完全離子化狀態(tài)，當(dāng)增加能量輸入時(shí)，就會(huì)發(fā)生從固態(tài)到液態(tài)，再到氣態(tài)的相變，然而當(dāng)能量輸入增加到超過氣體狀態(tài)的特定水平時(shí)，會(huì)導(dǎo)致分子電離，從而產(chǎn)生等離子體狀態(tài)[1]。根據(jù)離子溫度與電子溫度是否達(dá)到熱平衡狀態(tài)，等離子體可以分為高溫等離子體和低溫等離子體，而冷等離子體是低溫等離子體的一種，且溫度接近室溫[2]。近年來，冷等離子技術(shù)(CP)作為食品的非熱加工技術(shù)，引起了食品行業(yè)的極大興趣，這個(gè)技術(shù)的新穎性在于它的非熱本性、成本低、設(shè)計(jì)多樣化及環(huán)境友好的特點(diǎn)[3]。

大米是世界上半數(shù)以上人口的主食，亞洲生產(chǎn)的稻谷約占世界總產(chǎn)量的90%，我國稻谷產(chǎn)量約2億t[4]。蒸煮是大米最重要的加工步驟，賦予米飯理想的質(zhì)地，包括熱和質(zhì)量(水分)傳遞。Juliano 等[5]報(bào)道，熱帶種植的大米蒸煮反應(yīng)的變化發(fā)生在90 ℃，而不是粳白米的100～110 ℃。蒸煮期間水分吸收比率的對(duì)數(shù)曲線和蒸煮所需的時(shí)間表明，蒸煮速率遵循一階化學(xué)方程[6]。我國對(duì)粳米和秈米的蒸煮特性研究較少。

等離子體處理已經(jīng)用于薄膜消毒、沉積和蝕刻，增加材料表面能[7-8]。近年來冷等離子體技術(shù)在食品領(lǐng)域中主要用于殺滅果蔬等在加工和儲(chǔ)存過程中伴生的細(xì)菌、真菌等有害微生物[9-10]，提高谷物種子發(fā)芽率[11]，失活酶如過氧化物酶、多酚氧化酶[12-13]，改善油在餅干中的鋪展性[14]。Chen等[15-16]采用直流輝光放電等離子處理提高糙米的蒸煮特性，處理后米粒水分吸附增加，導(dǎo)致蒸煮時(shí)間減少。Thirumdas等[17]分析了低壓空氣冷等離子對(duì)印度香米的蒸煮和質(zhì)地特性的影響，香米蒸煮時(shí)間顯著減少，從20 min減少至13 min，蒸煮損失增大，水分吸收隨等離子功率和處理時(shí)間增大而顯著增加，這可能是因?yàn)槔涞入x子處理會(huì)造成米粒表面受到刻蝕，表面能增加(親水性增強(qiáng))，水分很容易進(jìn)入米粒內(nèi)部，進(jìn)而改善大米的蒸煮品質(zhì)。目前關(guān)于冷等離子體技術(shù)在糧食方面的應(yīng)用主要集中在殺菌和育種方面，對(duì)大米品質(zhì)變化影響的研究較少。國內(nèi)在氦氣冷等離子發(fā)生裝置研發(fā)上具有優(yōu)勢[18-19]，故作者采用氦氣冷等離子處理國產(chǎn)的秈米和粳米，分析大米蒸煮特性、物理特性及生理生化特性的變化，為冷等離子體技術(shù)用于大米加工方面的可行性和安全性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及處理

樣品為廣州秈米、常州粳米和東北粳米，基本信息見表1。采用氦氣冷等離子120、320、520 W分別處理大米樣品(300 g)60 s。

表1 原料基本信息

1.2 儀器與試劑

氦氣冷等離子體發(fā)生儀：江蘇常州HD-2N冷等離子體種子處理機(jī)有限公司；DHG9070A烘箱：杭州藍(lán)天化驗(yàn)儀器廠；3-30K高速冷凍離心機(jī)：Sigma公司；紫外可見分光光度計(jì)：上海奧析科學(xué)儀器有限公司；電子天平(萬分之一)、電導(dǎo)率測定儀：梅特勒多利多；JMWT12大米外觀品質(zhì)檢測儀：北京東方孚德技術(shù)發(fā)展中心；HD-U805-1水滴角度測定儀：海達(dá)國際儀器有限公司； Mixolab混合試驗(yàn)測定儀、SDmatic損傷淀粉測定儀：特雷首邦(北京)貿(mào)易有限公司；電磁爐：廣東美的生活電器制造有限公司；FW135型中草藥粉碎機(jī)：天津泰斯特儀器有限公司。

快氯FCF染色試劑：Sigma公司；溴百里香酚藍(lán)：天津福晨化學(xué)試劑廠；酚酞：天津光復(fù)精細(xì)化工研究所；考馬斯亮蘭G-250：Scientific Research Special公司；2-硫代巴比妥酸(生化試劑純)、三氯乙酸、牛血清蛋白：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；Tris、鹽酸、醋酸、磷酸、硼酸、L-亮氨酸、抗壞血酸、水合茚三酮等試劑均為分析純。

1.3 方法

1.3.1 蒸煮特性

蒸煮時(shí)間參考Thirumdas 等[17]的方法，稍有改動(dòng)。稱取2 g米粒置于直徑2.5 cm、長度20 cm試管中，加入20 mL蒸餾水，于沸水浴中蒸煮，間隔0.5 min取1次米粒，在兩個(gè)玻璃板之間壓米粒，直至白芯消失。該過程所用的時(shí)間即為最佳蒸煮時(shí)間。試驗(yàn)重復(fù)5次。

米飯水分吸收比率參考Thirumdas 等[17]的方法，稍有改動(dòng)。稱取米粒2 g(m0)于上述試管中，加入20 mL蒸餾水，在沸水浴中蒸煮，所用時(shí)間為最佳蒸煮時(shí)間。稱量50 mL塑料離心管(直徑2.6 cm、長度10 cm)質(zhì)量(m1)，將米湯和內(nèi)含物移入離心管中，靜置冷卻后傾倒上清液，用鑷子夾濾紙到離心管內(nèi)除去蒸煮的米粒表面水封，稱量離心管和蒸煮米?？傎|(zhì)量(m2)。試驗(yàn)重復(fù)5次。水分吸收比率=(m2-m1-m0)/m0。

蒸煮損失參考Thirumdas 等[17]的方法，稍有改動(dòng)。稱取2 g米粒(m0)于上述試管中，加入20 mL蒸餾水以最佳蒸煮時(shí)間在沸水浴中蒸煮。將米湯和內(nèi)含物倒入50 mL離心管中冷卻。稱量玻璃培養(yǎng)皿(直徑10 cm、高度2.5 cm)質(zhì)量(m3)，然后傾倒離心管中上清液于培養(yǎng)皿中，并在離心管的內(nèi)含物中加入5 mL蒸餾水輕輕振蕩，4 000 r/min離心6 min，將上清液并入培養(yǎng)皿中，120 ℃烘15 h，稱量質(zhì)量(m4)。試驗(yàn)重復(fù)5次。蒸煮損失/(mg·g-1)=1 000(m4-m3)/m0。

1.3.2 物理特性

米粒水滴接觸角使用水滴角度測定儀[20]，采用固著液滴法測定，2.5 μL去離子水滴加到大米粒表面，該水滴在米粒表面沉積后立即分析，水滴形狀的動(dòng)態(tài)變化采用CCD照相機(jī)每10 s 記錄1次。

米粒破碎指數(shù)采用快氯FCF染色方法[21]。稱取2 g大米籽粒，置于50 mL塑料離心管，加入0.005% FCF 染色液4 mL在搖床上振蕩10 min。然后用去離子水沖洗至水無色，再用1 mmol NaOH洗脫液4 mL洗脫20 min，測定洗脫液的吸光度D610和D690。D610-D690表示米粒破碎指數(shù)。

1.3.3 生理生化特性

水分含量按照105 ℃恒重法(GB 5497—1985)測定；游離脂肪酸值按照GB/T 5510—2011測定。

電導(dǎo)率參考周顯青等[22]的方法，稍有改動(dòng)。挑選50粒大小相似，無破損、飽滿的籽粒，稱量裝入50 mL離心管，加入25 mL去離子水，混勻后在室溫下放置24 h，其間搖動(dòng)幾次。測定上清液電導(dǎo)率，分別進(jìn)行直接測定和搖勻后測定。試驗(yàn)重復(fù)3次。

丙二醛含量參考周顯青等[22]的方法。稱取米粉2 g，加入10%的三氯乙酸水溶液10 mL研磨，4 000 r/min離心10 min。取上清液2 mL(空白為2 mL 蒸餾水)，加入 0.6% 的2-硫代巴比妥酸溶液 2 mL，混勻，將混合物置于沸水浴15 min。冷卻后離心，取上清液測定吸光值D450、D532、D600。試驗(yàn)重復(fù)3次。

式中：C為丙二醛含量，μmol/g；M為米粉質(zhì)量，g。

可溶性蛋白含量采用考馬斯亮蘭G-250染色法[23]，以牛血清蛋白作標(biāo)準(zhǔn)曲線。游離氨基酸含量采用茚三酮染色法[24]，以亮氨酸作標(biāo)準(zhǔn)曲線。

巰基含量采用田益玲等[25]的方法。稱取2 g米粉，加入15 mL 50%乙醇后超聲波振蕩10 min并混勻。3 000 r/min離心20 min，取4 mL上清液于具塞試管中，加入2 mL重鉻酸鉀-醋酸溶液，用去離子水定容至10 mL。然后90 ℃水浴10 min，吸取上清液在571 nm處測定吸光度。試驗(yàn)重復(fù)3次。

直鏈淀粉含量按照GB/T 15683—2008測定。

破損淀粉含量測定使用SDmatic損傷淀粉測定儀。先稱量3.0 g硼酸和3.0 g碘化鉀放入反應(yīng)杯中，加入120 mL蒸餾水，滴加1滴0.1 mol/L硫代硫酸鈉。再準(zhǔn)確稱量全麥粉樣品(1.000±0.005)g于小匙兩刻度線中間，點(diǎn)擊測試按鈕，輸入樣品質(zhì)量，進(jìn)行測試。

新鮮度指數(shù)參考Takashi等[26]的方法，稍有改動(dòng)。準(zhǔn)確稱量1 g米粉樣品于研缽中，用移液槍加入5 mL溴百里酚藍(lán)溶液研磨2～3 min，將樣品液移入50 mL圓底離心管中，再吸取5 mL溴百里酚藍(lán)溶液洗滌研缽后一并移入離心管，8 000 r/min離心10 min。隨后移液槍吸取4 mL上清液于比色皿中，在615 nm和690 nm處測定吸光度，以蒸餾水做空白，重復(fù)3次。D615-D690表示米粒新鮮度指數(shù)，差值越大，米粒越新鮮。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。LSD檢驗(yàn)中同一列不相同小寫字母表示樣品之間差異顯著(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氦氣冷等離子處理對(duì)大米蒸煮特性的影響

由表2可知，與對(duì)照樣品相比，在120、320、520 W的等離子處理后，3個(gè)品種大米的最佳蒸煮時(shí)間均顯著減少，廣州秈米分別降低至17.33、15.67、13.67 min，常州粳米分別降低至16.90、15.40、14.50 min，東北粳米分別降低至17.50、15.00、14.00 min。而未經(jīng)處理的廣州秈米、常州粳米和東北粳米的蒸煮時(shí)間分別為18.83、19.00、19.50 min。其中，520 W等離子處理的蒸煮時(shí)間最短。冷等離子處理后大米蒸煮時(shí)間縮短可能是因?yàn)樘岣吡舜竺椎奈?。利用蒸煮時(shí)間減少可制備方便米飯[27]，并節(jié)省能源。

表2 氦氣冷等離子對(duì)大米蒸煮特性的影響

冷等離子處理的大米樣品，隨著氦氣冷等離子處理功率增大，水分吸收比率和蒸煮損失均顯著升高。3個(gè)大米品種水分吸收比率最高分別達(dá)到3.67、2.83、3.15，蒸煮損失最高達(dá)到50.55、22.16、29.82 mg/g。這可能是因?yàn)槔涞入x子處理后，大米顆粒表面遭到刻蝕，親水性增加，水分易于吸收，且大米內(nèi)部低分子量化合物浸出將表面顆粒帶入水中。以上表明，冷等離子處理大米后可使蒸煮時(shí)間明顯減少，而蒸煮損失則是增加的，且秈米蒸煮損失較大。

2.2 氦氣冷等離子處理對(duì)大米籽粒物理特性的影響

接觸角指由液-固界面(放置在材料表面的水滴)與液-氣界面的交點(diǎn)形成的角度，與大米籽粒表面親水性密切相關(guān)。冷等離子體處理使米粒表面形成凹陷和裂縫，從而增加了接觸的有效區(qū)域，增加米粒的親水性。由表3可知，采用氦氣冷等離子處理，3個(gè)樣品籽粒的水分接觸角顯著減小，最小分別為91.01°、57.08°、76.52°，經(jīng)520 W處理60 s的樣品具有最小的接觸角，且具有最高的水分吸收比率和最少的蒸煮時(shí)間，而具有較大接觸角的對(duì)照樣品具有更長的蒸煮時(shí)間和較小的水分吸收比率。因此，研究接觸角的變化對(duì)于揭示米粒蒸煮特性的變化機(jī)理非常有意義。冷等離子處理后，3個(gè)樣品籽粒的破碎指數(shù)顯著增大。

表3 氦氣冷等離子對(duì)大米籽粒物理特性的影響

2.3 氦氣冷等離子處理對(duì)大米籽粒生理生化特性的影響

氦氣冷等離子對(duì)大米籽粒生理生化特性的影響見表4—表6。

由表4可知，氦氣冷等離子處理引起大米樣品的水分含量顯著降低，這可能是由于應(yīng)用了真空系統(tǒng)除去了米粒表面的水分或是冷等離子處理后水分子形成氧自由基造成的[15]，在低壓等離子體處理的顆粒淀粉中也發(fā)現(xiàn)了水分含量的類似降低[8]。米粒的水浸提液不搖勻時(shí)電導(dǎo)率差異不顯著，搖勻時(shí)120 W等離子處理引起廣州秈米和東北粳米的電導(dǎo)率顯著增加，而常州粳米的電導(dǎo)率增加不顯著。游離脂肪酸含量和糧食儲(chǔ)藏品質(zhì)有很好相關(guān)性[28]，氦氣等離子處理顯著減少了廣州秈米和常州粳米的游離脂肪酸含量，雖對(duì)東北粳米的游離脂肪酸含量影響不顯著，但有降低其游離脂肪酸含量的趨勢，這說明冷等離子處理后有利于改善大米的儲(chǔ)藏穩(wěn)定性。

表4 氦氣冷等離子對(duì)大米水分含量、電導(dǎo)率及游離脂肪酸含量的影響

從表5看出，以320 W和520 W的氦氣等離子處理60 s, 廣州秈米、常州粳米和東北粳米的丙二醛含量顯著減少。冷等離子處理后，3個(gè)大米樣品的游離氨基酸含量和可溶性蛋白含量均呈增加趨勢，蒸煮品質(zhì)的改善可能與之有關(guān)。Misra等[29]采用60～70 kV 空氣冷等離子處理軟麥和硬麥面粉5～10 min, 提高了面團(tuán)混合時(shí)間和面團(tuán)強(qiáng)度，認(rèn)為面粉中的蛋白質(zhì)巰基被氧化，半胱氨酸基團(tuán)之間形成了二硫鍵。本試驗(yàn)用520 W的氦氣等離子處理60 s，顯著增加了廣州秈米的巰基含量，其他兩個(gè)品種的巰基含量也呈增加趨勢，表明氦氣冷等離子引發(fā)的反應(yīng)中可能包含還原反應(yīng)。

表5 氦氣冷等離子對(duì)大米丙二醛含量及蛋白質(zhì)相關(guān)指標(biāo)的影響

從表6看出，不同功率的氦氣等離子處理60 s，3個(gè)大米樣品的直鏈淀粉含量變化不明顯。Thirumdas等[30]采用冷等離子直接處理大米淀粉時(shí)，直鏈淀粉含量降低，而本研究是直接處理大米籽粒，所以結(jié)果有所不同。320、520 W的氦氣等離子60 s處理均顯著減少廣州秈米和常州粳米的破損淀粉含量，卻顯著增加?xùn)|北粳米的破損淀粉含量。破損淀粉可以吸收更多的水分，從而影響其加工性能。320、520 W的氦氣等離子處理60 s顯著增加廣州秈米和常州粳米的新鮮度指數(shù)，并保持了東北粳米的新鮮度指數(shù)。這與表4中游離脂肪酸含量變化較一致，進(jìn)一步說明冷等離子處理可以延長大米的貨架期，使大米更耐儲(chǔ)藏。

表6 氦氣冷等離子對(duì)大米淀粉指標(biāo)及新鮮度指數(shù)的影響

3 結(jié)論

研究了大米冷等離子處理后的蒸煮特性、物理及生理生化特性。采用≥120 W氦氣冷等離子處理60 s 可減少廣州秈米、常州粳米和東北粳米的蒸煮時(shí)間，增加水分吸收比率和蒸煮損失，明顯改善了大米的蒸煮品質(zhì)；水分接觸角顯著減小，說明大米親水性增加，520 W處理60 s時(shí)具有最小的接觸角，且具有最大的吸水比率和最短的蒸煮時(shí)間；3個(gè)大米品種的籽粒破碎指數(shù)顯著增加；3個(gè)大米品種的水分含量顯著降低，游離脂肪酸和丙二醛含量減少，巰基含量增加，可一定程度上延長大米貨架期；冷等離子處理對(duì)大米直鏈淀粉含量沒有顯著影響，但可改變不同品種大米破損淀粉含量，進(jìn)而影響大米的加工性能。從工業(yè)化角度看，冷等離子處理可改善大米蒸煮品質(zhì)，有望用于蒸煮的節(jié)能工藝及速食米飯的制備；冷等離子處理具有改善大米儲(chǔ)藏穩(wěn)定性的效果，可延長大米的儲(chǔ)藏期；不同功率冷等離子處理對(duì)大米品質(zhì)有不同影響，選擇合適的處理?xiàng)l件可以達(dá)到不同的處理效果?？傊?，冷等離子體技術(shù)作為食品的非熱加工技術(shù)，可以有效改善大米蒸煮品質(zhì)，并影響大米的理化特性。