田文楠,郭玉寶,寧俊帆,董鵬
(安徽工程大學(xué) 生物與食品工程學(xué)院,安徽 蕪湖,241000)
大米是人類食用的最主要糧食之一,一直面臨著在收獲后的貯藏期間發(fā)生陳化的問題。相較于新米蒸煮出的米飯,陳米蒸煮的米飯食用品質(zhì)下降,其質(zhì)地較硬,黏性降低,且更加蓬松缺乏嚼勁[1-2]。隨著人們生活水平的日益提高,對(duì)大米食用品質(zhì)的要求也越來越高,研究大米陳化的機(jī)理進(jìn)而調(diào)控陳化速度,是迫切需要解決的問題。
稻米的蒸煮食用品質(zhì)與淀粉顆粒的吸水、膨潤、糊化等性質(zhì)密切相關(guān)。TULYATHAN等[3]研究發(fā)現(xiàn),稻米脂質(zhì)在貯藏過程會(huì)形成揮發(fā)性羰基化合物,產(chǎn)生陳米霉味,但對(duì)于蒸煮品質(zhì)影響不大[4]。相關(guān)的研究表明貯藏過程中直鏈淀粉含量略有增加、不溶性直鏈淀粉含量顯著增加、淀粉分子微晶束加強(qiáng),從而導(dǎo)致淀粉在熱水中溶解度和糊化度下降,蒸煮米飯黏度減小、硬度增大[5-6]。TEO等[7]將陳米中淀粉分離出來,但發(fā)現(xiàn)陳化對(duì)淀粉糊化沒有明顯影響。CHRASTIL等[5]和HAMAKER[8]等研究發(fā)現(xiàn)陳化過程中蛋白質(zhì)總含量基本不變,但蛋白質(zhì)的巰基會(huì)被氧化成二硫鍵,在淀粉外圍形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),限制淀粉的吸水溶脹。盡管大米陳化劣變的機(jī)理仍不清楚,但越來越多的證據(jù)顯示蛋白質(zhì)在品質(zhì)劣變中起到了重要作用。WU等[9]、李彤等[10]的研究發(fā)現(xiàn)大米中脂質(zhì)氧化產(chǎn)生的過氧化物會(huì)進(jìn)一步誘導(dǎo)蛋白質(zhì)發(fā)生氧化。陳能等[11]和謝宏等[12]通過添加二硫代蘇糖醇來打斷陳米中蛋白質(zhì)的二硫鍵,發(fā)現(xiàn)陳米米飯硬度下降,黏度上升,從而認(rèn)為大米貯藏過程中蛋白結(jié)構(gòu)的改變可影響蛋白質(zhì)與淀粉相互作用,從而影響稻米蒸煮食用品質(zhì)。汪健等[13]和吳偉[14]通過添加十二烷基硫酸鈉、β-巰基乙醇、抗壞血酸等試劑改變蛋白質(zhì)的性質(zhì),發(fā)現(xiàn)確實(shí)改變了陳米中淀粉的糊化。以上研究多是通過化學(xué)方法分離或破壞蛋白質(zhì)進(jìn)行的,可能同時(shí)也破壞了大米的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和蛋白與淀粉間的結(jié)合狀態(tài)。
目前在研究大米蛋白質(zhì)對(duì)陳化的影響時(shí),多是采用添加酶[15]、其他化學(xué)試劑來分解蛋白質(zhì)或打斷蛋白質(zhì)之間的二硫鍵,或者添加外源蛋白質(zhì)改變蛋白質(zhì)的組成[16],所得結(jié)果在一定程度上反映了蛋白質(zhì)對(duì)大米糊化的影響。但是化學(xué)分離、酶或其他化學(xué)試劑對(duì)大米內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞的影響也混雜于其中,以及添加的外源蛋白質(zhì)的性質(zhì)與米中原位蛋白質(zhì)的性質(zhì)和結(jié)合狀態(tài)不一定相同,可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際不符。本實(shí)驗(yàn)通過碾磨原位去除米粒外層,通過質(zhì)構(gòu)、糊化黏度、粒度分布及掃描電鏡(scanning electron microscopy,SEM)形態(tài)變化,研究蛋白質(zhì)對(duì)大米食用品質(zhì)的影響,進(jìn)而揭示蛋白質(zhì)在陳化中的作用,以期在不破壞米粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)與淀粉間內(nèi)在結(jié)合狀態(tài)的條件下進(jìn)行研究,為改善食用品質(zhì)、調(diào)控大米陳化及陳化機(jī)理的研究提供新的思路。
粳型大米,江蘇省農(nóng)墾米業(yè)集團(tuán)有限公司,初始含水量為(14.38±0.18)%。
稻谷精米檢測機(jī)(JGMJ8090),上海嘉定糧油儀器有限公司;高速萬能粉碎機(jī)(FW-100),天津市泰斯特儀器有限公司;杜馬斯定氮儀,德國元素分析系統(tǒng)Elementar公司;質(zhì)構(gòu)儀(TA.new plus),上海保圣實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司;快速黏度分析儀(rapod visco analuyzer,RVA),瑞典Perten有限公司;冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(S-4800),日本Hitachi公司;激光粒度儀(MS2000),英國馬爾文儀器有限公司。
1.3.1 樣品制備
將大米分成2份,分別裝入廣口瓶中密封,一份在4 ℃下貯存保鮮,作為對(duì)照;另一份放置在37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中貯藏12個(gè)月,獲得陳米[5, 17]。利用精米機(jī)對(duì)大米進(jìn)行碾磨,碾磨度(degree of milling,DM)依次為0%、2%、5%、10%、15%、20%和25%,收集碾磨后得到的內(nèi)核米粒和米粒外層。米粒外層取40目篩下物,內(nèi)核米粒用1 mm圓孔篩去除碎米,裝入自封口袋中在4 ℃下貯存?zhèn)溆谩D肽ザ扔?jì)算如公式(1)所示:
(1)
1.3.2 蛋白質(zhì)含量測定
將樣品用高速粉碎機(jī)粉碎,取80目篩下物測定。稱取250.00 mg的米粉包裹在錫箔紙內(nèi),擠壓排除空氣后放置在進(jìn)樣盤上,通過杜馬斯燃燒定氮儀進(jìn)行測定[18]。
1.3.3 米飯質(zhì)構(gòu)測定
參照DIAO等[19]的方法,取10 g的樣品米放置在鋁盒中,加入14 mL的蒸餾水浸泡1 h。將鋁盒用錫紙包裹后放置在電飯鍋的蒸屜上,蒸煮12 min后,調(diào)至保溫模式保溫30 min。然后放在25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中冷卻90 min后,進(jìn)行質(zhì)構(gòu)測定。每次取單粒米進(jìn)行測試,每個(gè)樣品至少測30個(gè)平行。質(zhì)構(gòu)參數(shù):5 kg傳感器,圓柱探針(直徑為50 mm),測定速度2 mm/s,壓縮率為90%。
1.3.4 米粉糊化特性測定
取40目下的米粉3.5 g,倒入裝有25 mL蒸餾水的樣品筒中,攪拌后放入快速黏度分析儀中測定[20],可得以下特征參數(shù):峰值黏度(peak viscosity,PV)、谷值黏度(holding strength,HS)、衰減值(breakdown,BD)、最終黏度(final viscosity,F(xiàn)V)、回升值(setback,SB)和成糊溫度(pasting temperature,PaT)。
1.3.5 米粉糊化后粒度分布測定
將樣品米粉碎后過120目和140目篩,取120~140目的米粉備用。稱取0.2 g米粉于試管中,加入10 mL蒸餾水,渦旋使其分散均勻后靜置10 min,然后放入90 ℃恒溫水浴鍋中加熱5 min,取出后放置在50 ℃的恒溫水浴鍋中保溫,防止其老化。測試條件:分散劑為水,儀器轉(zhuǎn)速為1 800 r/min,超聲分散,加樣至遮光度在10%~20%[21]。每個(gè)樣品測5次,取平均值[22]。
1.3.6 米粉糊化形態(tài)觀察
糊化方法與粒度分布制樣相同,糊化后將樣品凍干,研磨后,用導(dǎo)電膠黏在樣品臺(tái)上進(jìn)行噴金,厚度為10 nm。加速電壓15 kV,放大倍數(shù)為3 000倍。
1.3.7 數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)采用SAS 8.01進(jìn)行ANOVA單因素方差分析及鄧肯多重比較 (Duncan′s multiple range test,P<0.05),結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。圖形采用 Microsoft Excel 2003進(jìn)行繪制。
由表1可知,隨著碾磨度的增大,新米的蛋白含量總體上呈下降趨勢,與SANDHU等[23]的研究結(jié)果一致;陳米的蛋白含量也有小幅下降,但碾磨度超過5%后變化不顯著。說明米粒外層富含蛋白質(zhì),越是外層含量越高。
表1 不同碾磨度下米粒蛋白含量變化Table 1 Changes in protein content of rice grains with different degree of milling
質(zhì)構(gòu)是評(píng)價(jià)米飯食用品質(zhì)的一個(gè)重要方法。食用品質(zhì)好的米飯黏度大,硬度小,黏硬比高[24]。碾磨對(duì)米飯質(zhì)構(gòu)的影響見表2和表3。隨碾磨度的增大,新米和陳米的黏度都呈逐漸增大的趨勢,當(dāng)陳米的DM達(dá)到25%時(shí),最接近新米0%DM的黏度;而硬度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,陳米DM達(dá)到15%時(shí)的硬度即可降低至新米0%DM的水平;黏硬比的變化趨勢與黏度類似。這可能是因?yàn)殡S碾磨度增大,富含蛋白質(zhì)的外層被逐漸去除,因此米粒吸水能力逐漸增強(qiáng)[25],糊化程度增大,淀粉顆粒破裂釋放出的淀粉分子增多,從而使米飯硬度減小而黏度增大,說明米粒外層具有抑制淀粉糊化的作用,是大米陳化劣變的重要原因。這與NAWAZ等[26]通過堿處理去除米粒表面蛋白從而導(dǎo)致米飯黏度增大的結(jié)果相一致。LI等[27]等通過蛋白酶水解去除米粒表面蛋白,也發(fā)現(xiàn)可促進(jìn)淀粉溶出,提高米飯的黏度。
而新米與陳米對(duì)比來看,陳米的黏度遠(yuǎn)低于新米,而硬度高于新米,即使當(dāng)陳米的碾磨度達(dá)到25%時(shí),其黏硬比接近于新米但仍有一定的差距,這可能是由于大米陳化后,蛋白質(zhì)氧化生成二硫鍵,在淀粉粒周圍形成了較強(qiáng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),因此淀粉顆粒的吸水溶脹受到了抑制,難以溶脹,破裂釋放出的小淀粉粒減少[6]。因此陳米的黏度減小,硬度增大,食用品質(zhì)差[28]。
表2 碾磨度對(duì)新米米飯質(zhì)構(gòu)的影響Table 2 Effect of degree of milling on texture of cooked fresh rice
表3 碾磨度對(duì)陳米米飯質(zhì)構(gòu)的影響Table 3 Effect of degree of milling on texture of cooked aged rice
糊化特征值與食用品質(zhì)間關(guān)系密切,衰減值、回升值等都可以有效區(qū)分食用品質(zhì)的優(yōu)劣,衰減值越大,食用品質(zhì)越好[29];而回升值越大,米飯?jiān)揭桌匣?,食用品質(zhì)越差[30]。碾磨對(duì)陳米糊化特性的影響見表4和表5。
由表4可以看出,0%~25%DM,隨碾磨度增大,新米的PV、HS、BD、FV總體上都呈增大的趨勢;而SB和PaT變化不明顯。PV代表淀粉顆粒的溶脹程度,BD代表淀粉顆粒的破裂程度,SB代表淀粉糊的老化趨勢[30]。以上變化趨勢說明,隨碾磨度的增大,淀粉顆粒的溶脹和破裂程度逐漸增大,增加了米飯的柔軟度,而老化程度不變,所以食用品質(zhì)改善。這可能是因?yàn)榇竺淄鈱拥鞍踪|(zhì)含量較高,與淀粉結(jié)合緊密,淀粉-蛋白質(zhì)相互作用強(qiáng),抑制了淀粉的吸水膨脹,從而使外層的糊化程度比內(nèi)層低,去除外層后糊化時(shí)內(nèi)層更容易吸水溶脹,破裂釋放出小分子,賀財(cái)俊等[31]的研究結(jié)果與此一致;同時(shí),也與蛋白質(zhì)含量低的稻米食用品質(zhì)更好相一致[32]。SB變化不明顯說明碾磨度對(duì)新米淀粉糊的老化影響不明顯。
表4 碾磨度對(duì)新米糊化特性的影響Table 4 Effect of degree of milling on pasting properties of fresh rice
由表5可以看出,除HS隨碾磨度有所提高而SB有所降低外,其他特征參數(shù)隨碾磨度變化不明顯。但與新米相比,陳米的PV、BD都小于新米,說明陳化后蛋白質(zhì)的變化使淀粉顆粒的溶脹程度和破裂程度都小于新米。謝新華等[33]也利用二硫蘇糖醇打斷二硫鍵證明了陳化后蛋白質(zhì)對(duì)淀粉的糊化溶脹有抑制作用。SB大于新米,說明陳米比新米更易發(fā)生老化[30]。PV和BD降低,而SB升高,因此陳米食用品質(zhì)變差。陳米的PaT要高于新米,其值越高,說明糊化需要吸收的能量越多[34],所以同等條件下,陳米的硬度更大。
表5 碾磨度對(duì)陳米糊化特性的影響Table 5 Effect of degree of milling on pasting properties of aged rice
但是,陳米的糊化特征參數(shù)隨碾磨度變化不明顯,說明陳化不只是米粒外層發(fā)生變化,米粒內(nèi)部也發(fā)生了陳化;也可能是因?yàn)楹匦杂妹追圩鳛闃悠愤M(jìn)行測定消除了應(yīng)有的差別,因而顯得米粒外層變化對(duì)糊化特性的影響不大。為此,對(duì)碾磨分離的米粒外層的糊化特性進(jìn)行測定以進(jìn)一步說明,結(jié)果見表6和表7。
由表6可以看出,在0%~5%DM,新米外層米粉隨碾磨度增大,PV、HS、BD呈增大趨勢,F(xiàn)V和SB變化不明顯,而PaT明顯降低,這說明米粒外層0%~5%DM對(duì)淀粉糊化有明顯抑制作用;5%~20%DM時(shí)PV和HS變化不顯著,而20%~25%DM又增大。除SB外,黏度特征參數(shù)均表現(xiàn)為外層低,內(nèi)層波動(dòng)性升高。蛋白主要分布在米粒外層,越到內(nèi)層蛋白含量越低,表明蛋白對(duì)淀粉顆粒溶脹具有抑制作用。
表6 碾磨度對(duì)新米外層米粉糊化特性的影響Table 6 Effect of degree of milling on pasting properties of outer layer of fresh rice grain
由表7可以看出,隨碾磨度增大,在0%~5%DM陳米外層的黏度參數(shù)都是逐漸增大的,而5%~25%DM則總體基本不變。PaT也不變,但遠(yuǎn)高于新米。這表明,0%~5%DM的外層米粉糊化溶脹程度較低,可能對(duì)內(nèi)層吸水具有抑制作用,因此降低了其黏度。結(jié)合前述陳米內(nèi)核米粒0%~5%DM糊化特性的變化,說明采用米粉這種形式來測定糊化特性,確實(shí)降低了米粒外層對(duì)糊化特性的影響。
表7 碾磨度對(duì)陳米外層米粉糊化特性的影響Table 7 Effect of degree of milling on pasting properties of outer layer of aged rice grain
碾磨度對(duì)新米、陳米糊化后粒度分布的影響見圖1和表8。由圖1和表8可以看出,糊化后新米粒度分布呈現(xiàn)小粒徑峰大而大粒徑峰小的現(xiàn)象,說明新米糊化后大部分米粉顆??梢苑蛛x成小淀粉顆粒,溶脹而不破裂的米粉顆粒很少。此外,碾磨度對(duì)新米的粒度分布影響不大,這是因?yàn)樾旅椎矸垲w粒之間更容易分離。
圖1 碾磨度對(duì)新米和陳米糊化后粒度分布的影響Fig.1 Effect of degree of milling on particle size distribution of gelatinized fresh and aged rice
與新米相反,陳米糊化后呈現(xiàn)小粒徑峰小、大粒徑峰大的特征(圖1和表8)??赡芤?yàn)殛惢螅椎鞍讕€基氧化成二硫鍵,抑制了淀粉吸水溶脹[5],所以大多數(shù)米粉顆粒溶脹程度不足以使其分離釋放出小淀粉顆粒,這在糊化黏度特征值中也表現(xiàn)為陳米的BD值遠(yuǎn)小于新米(表4和表5)。隨碾磨度增大,陳米的小粒徑峰逐漸減小,大粒徑峰逐漸增大,說明越是陳米內(nèi)部的淀粉顆粒之間越難分離,呈整體溶脹趨勢,這可能是因?yàn)槟肽ザ刃r(shí),富含蛋白的米粒外層顆粒保留多,蛋白質(zhì)對(duì)淀粉的吸水抑制作用大,使得米粉顆粒邊緣和中間吸水溶脹差異大,易于使邊緣的淀粉顆粒分離開來。隨碾磨度增大,富含蛋白的米粒外層顆粒保留少,米粉顆粒內(nèi)外吸水更加均勻,淀粉溶脹程度增大,但不能溶脹到足以分離的程度,因此呈整體溶脹,大顆粒增多。此外,除5%DM外,隨碾磨度增加,新米的粒度分布峰變化幅度很小,而陳米的變化幅度很大,說明陳米外層對(duì)淀粉顆粒的分離有明顯影響。
表8 碾磨度對(duì)新米和陳米糊化后粒度分布的影響Table 8 Effect of degree of milling on particle size distribution of gelatinized fresh and aged rice
為進(jìn)一步說明米粒外層對(duì)糊化的作用,對(duì)不同碾磨度新米、陳米碾磨分離所得外層進(jìn)行糊化后測定其粒度分布,結(jié)果見圖2和表9。由圖2和表9可見米粒外層具有與米粒內(nèi)核類似的粒度分布曲線,即新米小粒峰大、大粒峰小,而陳米小粒峰小、大粒峰大。但與米粒內(nèi)核相比,米粒外層的小粒峰減小、大粒徑峰增大,可能是因?yàn)橥鈱用追鄣鞍踪|(zhì)含量較高,淀粉吸水溶脹受阻[35],米粉顆粒溶脹和分離比內(nèi)層困難。隨著碾磨度增大,新米外層0%~5%DM粒度分布變化不顯著,而5%~25%DM小粒徑峰逐漸減小,大粒徑峰逐漸增大,說明隨著蛋白質(zhì)含量降低,米粉顆粒溶脹程度增大,顆粒內(nèi)外溶脹均勻度增加,顆粒分離更困難。
圖2 碾磨度對(duì)米粒外層米粉糊化后粒度分布的影響Fig.2 Effect of degree of milling on particle size distribution of gelatinized rice grain outer layer
陳米外層出現(xiàn)3個(gè)粒徑峰,說明陳米顆粒溶脹后可能呈二級(jí)分離(大顆?!虚g顆?!☆w粒)或兩模式分離(大顆?!☆w粒,或大顆?!虚g顆粒)。隨碾磨度增大,小粒徑峰和中間粒徑峰逐漸變小,而大粒徑峰逐漸增大,表明中間粒徑顆粒分散成小顆粒不是限速步驟。隨著碾磨度增大,蛋白質(zhì)含量降低,對(duì)淀粉吸水的抑制作用降低,水分子在米粉顆粒內(nèi)的分布更加均勻,使較大顆粒難于分離。綜上所述,米粒外層對(duì)陳米內(nèi)核小粒徑峰的降低具有重要作用。
表9 碾磨度對(duì)米粒外層米粉糊化后粒度分布的影響Table 9 Effect of degree of milling on particle size distribution of gelatinized rice grain outer layer
由圖3可以看出,新米外層0%~2%DM(圖3-a)和2%~5%DM(圖3-b)的米粉糊化后,裸露可見的蛋白體和淀粉顆粒多數(shù)溶脹較大,而5%~25%DM裸露可見的蛋白體和淀粉顆粒變小,只有少數(shù)較大(圖3-c~圖3-f)。蛋白質(zhì)本身具有吸水性,糊化時(shí)會(huì)與淀粉競爭吸水從而抑制淀粉的溶脹,但自身吸水不足,組織致密,透水性較差,這說明在米粒不同部位的蛋白其吸水能力不同,位于0%~5%DM的米粒外層中的蛋白其吸水能力較高。因此,隨碾磨度增大,蛋白含量逐漸減少,吸水能力降低,對(duì)淀粉吸水的抑制能力減弱,透水性增大。
而陳米只有0%~2%DM(圖3-a′)和2%~5%DM(圖3-b′)的外層中可見少數(shù)蛋白體和淀粉顆粒溶脹較大,但也比對(duì)應(yīng)新米外層中的小,5%~25%DM外層中可見的蛋白體均較小或少,這可能與陳化過程中蛋白質(zhì)性質(zhì)發(fā)生變化而難以吸水溶脹有關(guān),說明大米陳化后米粒0%~5%DM的外層中蛋白體的吸水溶脹能力降低可能是大米陳化后食用品質(zhì)劣變的重要原因。
a-新米外層0%~2%DM;a′-陳米外層0%~2%DM;b-新米外層2%~5%DM;b′-陳米外層2%~5%DM;c-新米外層5%~10%DM;c′-陳米外層5%~10%DM;d-新米外層10%~15%DM;d′-陳米外層10%~15%DM;e-新米外層15%~20%DM;e′-陳米外層15%~20%DM;f-新米外層20%~25%DM;f′-陳米外層20%~25%DM圖3 不同碾磨度的米粒外層糊化后掃描電鏡圖Fig.3 Scanning electron microscopy of gelatinized outer layer of rice grains with different degree of milling
將大米剝蝕碾磨去除富含蛋白的米粒外層,研究碾磨對(duì)陳米食用品質(zhì)的影響。隨著碾磨度的增大,陳米米飯硬度逐漸減小,黏度和黏硬比逐漸增大,糊化曲線回升值有所減少,說明陳米的食用品質(zhì)得到一定改善。同時(shí),陳米米粒和外層米粉糊化后的粒度分布中小粒徑峰逐漸減少,大粒徑峰逐漸增加,表明米粉顆粒的溶脹程度逐漸增大,且呈整體溶脹,而淀粉顆粒間難于分離。另一方面,陳米外層的黏度特征值在0%~5%DM逐漸增大,而在5%~25%DM總體變化不明顯。通過米粒外層的掃描電鏡顯示,陳米0%~5%DM的外層中蛋白體和淀粉顆粒的溶脹程度遠(yuǎn)低于新米,而5%~25%DM的外層中可見蛋白體和淀粉顆粒較小或少。由此可見,大米食用品質(zhì)劣變的原因可能是富含蛋白的米粒外層自身吸水能力下降,溶脹度低,透水性不足,抑制了內(nèi)部淀粉的吸水溶脹,使得淀粉顆粒間難于分離,進(jìn)而導(dǎo)致糊化程度低,米飯硬而不黏。將為揭示大米陳化機(jī)理,進(jìn)而調(diào)控其食用品質(zhì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)?,F(xiàn)今,米粉已日益成為用途廣泛的食品配料,調(diào)控米粉中淀粉顆粒的溶脹和分離程度,對(duì)于改善米制品品質(zhì)也將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。