復(fù)配發(fā)芽糙米方便米飯工藝優(yōu)化及老化動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建

何余堂，王馨然，解玉梅，李旭陽，王 鍵，劉 賀

（渤海大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，遼寧 錦州121013）

0 引言

糙米是經(jīng)脫殼后保留外層組織的谷粒，由糠層、胚乳層和胚構(gòu)成.糙米中所含營養(yǎng)素的種類和含量都遠(yuǎn)比高品質(zhì)的精白米豐富，且較為容易被身體吸收利用［1］.發(fā)芽糙米中含有γ-氨基丁酸、谷維素、膳食纖維、米糠多糖等成分，具有抗氧化、降血壓、降血脂、預(yù)防心腦血管疾病、延緩衰老等作用［2］.

方便米飯是指可直接食用，或簡單加熱后食用的方便米制食品，添加發(fā)芽糙米可提高方便米飯的營養(yǎng)價(jià)值.方便米飯中淀粉糊化后在貯藏過程中，分子鏈間的活性氫鍵不斷締合的過程稱為淀粉老化，淀粉老化對食用品質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響［3］.

食品老化度在食品工業(yè)中是非常重要的技術(shù)指標(biāo)之一.陳小霖等［4］分析過商品老化程度對貨架壽命的確定方法與影響因素.在食品老化度研究中，廣泛應(yīng)用Avrami模型.結(jié)晶速率常數(shù)與時(shí)間的關(guān)系由此模型可得知.劉雪飛等［5］通過響應(yīng)面法優(yōu)化了魷魚復(fù)合保鮮劑的配方，并預(yù)測了模型.肖東等［6］利用多糖類食品添加劑抑制鮮濕面老化機(jī)理研究.張凱等［7］對小麥淀粉老化動(dòng)力學(xué)及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度中也采用Avrami模型研究其老化程度.食品老化度預(yù)測模型的構(gòu)建可為開發(fā)產(chǎn)品提供理論依據(jù).

本研究以粳米為原料，添加發(fā)芽糙米，優(yōu)化方便米飯的工藝.以老化度為指標(biāo)建立動(dòng)力學(xué)模型，并通過驗(yàn)證了預(yù)測模型的精度和準(zhǔn)確性，通過預(yù)測模型來反映米飯?jiān)谫A藏期間食物品質(zhì)變化，為了方便于米飯研發(fā)和生產(chǎn)業(yè)化提供理論和實(shí)踐依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

東北粳米、糙米，為超市采購；檸檬酸（AR）天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；碘（I）、碘化鉀（KI）、鹽酸（HCl）、氫氧化鈉（AR）天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；其它試劑 天津市化學(xué)試劑一廠.

電熱恒溫培養(yǎng)箱：MIR-254型 三洋電機(jī)株式會(huì)社；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9240A型 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；電子天平：JA5003型 上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；電飯鍋：RX-12Y3型 合肥榮事達(dá)小家電有限公司；紫外分光光度計(jì)：SHIMADZU型 日本島津公司；西門子電冰箱：BCD-212型 博西華家用電器有限公司.

1.2 方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取發(fā)芽糙米添加量（A因素）、米水比（B因素）兩個(gè)因素，A因素設(shè)6個(gè)水平，分別為：5、10、15、20、25、30（%）；B因素設(shè)4個(gè)水平，分別為：1∶1.0、1∶1.2、1∶1.4、1∶1.6（g：mL）.采用兩因素交叉分組試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化復(fù)配方便米飯的生產(chǎn)工藝.

1.2.2 復(fù)配方便米飯的加工工藝

（1）發(fā)芽糙米的制備

糙米除雜、挑選優(yōu)質(zhì)顆粒，用水沖洗，瀝干后用水浸泡；浸泡24 h（8 h換一次水），實(shí)現(xiàn)38%以上的吸水率；除去表面水分后在30℃、相對濕度90±1%的恒溫培養(yǎng)箱中發(fā)芽12 h；取出用水沖洗數(shù)次后瀝干，置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，65℃烘烤2 h，米粒水分含量14%~17%左右.

（2）復(fù)配方便米飯生產(chǎn)工藝

復(fù)配方便米飯生產(chǎn)工藝流程如下：發(fā)芽糙米的制備→發(fā)芽糙米與大米配比→耐高溫包裝盒對米、水進(jìn)行分裝→密封包裝→運(yùn)入蒸煮罐，高溫蒸汽（121℃）加熱20 min（蒸煮與滅菌同時(shí)進(jìn)行）→蒸煮罐自然降溫，冷卻至室溫→加自熱袋、菜包等→成品包裝.

1.2.3 復(fù)配發(fā)芽糙米方便米飯的感官評分

米飯的感官評定標(biāo)準(zhǔn)見表1.經(jīng)由20人進(jìn)行感官分析及評分，品評總分為100分.

表1 發(fā)芽糙米方便米飯的感官評定標(biāo)準(zhǔn)

1.2.4 復(fù)配發(fā)芽糙米方便米飯老化度測定

參照Niu等［8］人的方法進(jìn)行了修改.取4 g方便米飯于燒杯中，加入去離子水，搗碎并攪拌均勻成2%濃度的混合液，取混合好的溶液5 mL，加入3 mL H2O和2 mL 0.1 mol/L乙酸鈉（CH3COONa）緩沖溶液（pH5.6）及1 mL α淀粉酶溶液.在37℃下培養(yǎng)10 min，加入5 mL 4 mol/L NaOH溶液終止酶反應(yīng)，把溶液pH值使用4 mol/L HCL調(diào)整至7.0左右，在100 mL容量瓶中定容.將5 mL 0.2%I2-2%KI溶液加入到10 mL水解液中，在100 mL容量瓶中定容，20 min后，測定625 nm處的吸光度.

計(jì)算方法：老化度DR（%）=［（b-c）/（a-c）］×100% （1）

其中a為處理的樣品中總淀粉的吸光度；b為酶促反應(yīng)后含有的淀粉的吸光度；c為殘余物質(zhì)的吸光度.

1.2.5 老化度模型的構(gòu)建

以優(yōu)化工藝生產(chǎn)發(fā)芽糙米方便米飯，常溫下貯藏1 d、7 d、14 d、21 d、28 d、35 d測其老化度.以老化度為指標(biāo)建立動(dòng)力學(xué)模型，預(yù)測發(fā)芽糙米復(fù)配方便米飯的老化程度.

1.2.6 數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)均重復(fù)3次，使用軟件SPSS 19.0進(jìn)行顯著性分析，以P<0.05為顯著性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，使用軟件Excel 2010和Origin 9.0制表和繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 方便米飯感官鑒定的優(yōu)化分析

方差分析見表2，發(fā)芽糙米添加量與米水比的各水平之間差異均達(dá)到極顯著差異.

表2 方差分析結(jié)果

由表3可知，發(fā)芽糙米添加量（A因素）的A3與其他組的差異極顯著.米水比（B因素）的B2表現(xiàn)較好，與其他組差異極顯著.感官鑒定表現(xiàn)最好的組合分別為：A3B2，評分為：95.0.綜合確定最佳的工藝組合為A3B2，即：發(fā)芽糙米添加量為15%，米、水比例為1∶1.2.

表3 發(fā)芽糙米添加量與米水比的顯著性分析

以最優(yōu)工藝生產(chǎn)方便米飯，以不加發(fā)芽糙米的方便米飯為對照，經(jīng)過感官鑒定，復(fù)配發(fā)芽糙米方便米飯的評分為95.6分，在氣味、外觀、適口性、滋味等方面優(yōu)于對照（感官評分為85.8分），復(fù)配發(fā)芽糙米方便米飯的食用品質(zhì)明顯提高.

2.2 發(fā)芽糙米方便米飯貨架期模型的構(gòu)建

2.2.1 貯藏期間復(fù)配發(fā)芽糙米方便米飯的老化度分析

圖1 為復(fù)配發(fā)芽糙米方便米飯貯藏期的老化度，隨著貯藏時(shí)間的增加，方便米飯的老化度越來越大.復(fù)配發(fā)芽糙米方便米飯老化度極顯著低于對照（P=0.000 602），在貯藏期間老化速度變化平緩，說明通過添加發(fā)芽糙米可以延緩方便米飯的老化進(jìn)程.

圖1 方便米飯貯藏期間的老化度

2.2.2 老化度動(dòng)力學(xué)模型的建立

通過研究淀粉老化的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地表征得出淀粉食品發(fā)生老化的瞬間變化特點(diǎn)［9］.淀粉糊化后在儲(chǔ)藏過程中，雙螺旋淀粉分子間相互作用結(jié)合成晶體，形成該晶體的速度反應(yīng)的就是淀粉的老化值.隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的增加，淀粉體系內(nèi)晶體含量逐步增加，表現(xiàn)為其老化度逐漸増大.

圖1 顯示了對照組和復(fù)配組米飯糊化后在室溫25℃下儲(chǔ)藏35 d的老化度變化情況.貯藏35 d后添加發(fā)芽糙米的米飯老化度低于空白組，表明添加發(fā)芽糙米對米飯中淀粉的長期老化具有抑制效果.糙米含有較高的大分子活性物質(zhì)，從而影響了米飯的吸水性能及膨脹性能，延緩直鏈淀粉有序結(jié)晶，達(dá)到抑制淀粉回生的目的.

在上述傳統(tǒng)的反應(yīng)結(jié)晶數(shù)學(xué)理論模型基礎(chǔ)上，根據(jù)傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)微分方程Avrami，我們提出了一種可以廣泛用來精確描述各種類型高分子化學(xué)聚合物反應(yīng)結(jié)晶的整體數(shù)學(xué)理論模型［10］.

將方程兩邊同時(shí)取對數(shù)，可以變?yōu)?/p>

式中，?DRt為反應(yīng)進(jìn)行到t時(shí)刻的熱焓，?DR∞為最大熱焓，t為表征結(jié)晶生長持續(xù)時(shí)間，k為結(jié)晶速率常數(shù)，n為分別表征著生成核和存在晶體內(nèi)部每個(gè)細(xì)胞核的生長分化途徑的線性整數(shù)，又稱Avrami指數(shù)。

表4 列出了添加發(fā)芽糙米方便米飯支鏈淀粉結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程及參數(shù)，淀粉顆粒的結(jié)晶分為3個(gè)歷程：晶體形成、晶體生長和晶體成熟.利用Avrami方程研究復(fù)配糙米對米飯老化的影響機(jī)理［11］，Avrami指數(shù)n越小，則晶體成核越快；結(jié)晶速率常數(shù)k越大，則晶體的生長速率越快.結(jié)果表明：添加糙米的米飯n值有所增加，這表明晶核的形成，復(fù)配糙米體系支鏈淀粉的重結(jié)晶生長均為一次成核（0

表4 方便米飯老化動(dòng)力學(xué)模型

由表4可得，對照組k值是添加了發(fā)芽糙米k值的1.4倍，說明添加發(fā)芽糙米對米飯老化重結(jié)晶速率有較好的抑制作用.添加發(fā)芽糙米的n值大于對照組的n值，說明添加了發(fā)芽糙米的成核方式趨近于自發(fā)成核（1≤n≤2）［15］.其抑制淀粉回生現(xiàn)象的主要原因是糙米能穩(wěn)定淀粉分子的持水力，以達(dá)到抗老化的作用.

3 討論與結(jié)論

本研究以東北粳米為原料，通過復(fù)配發(fā)芽糙米的工藝設(shè)計(jì)，豐富方便米飯的營養(yǎng)成分，并對方便米飯中發(fā)芽糙米含量及料液比的優(yōu)化，結(jié)合感官評價(jià)結(jié)果確定生產(chǎn)工藝參數(shù)，得到如下最優(yōu)工藝：發(fā)芽糙米添加量為15%、發(fā)芽糙米米水用量比為1∶1.2.

方便米飯貯存及回生時(shí)間對其淀粉回生程度的影響由Avrami方程得知.方便米飯的老化度隨貯藏時(shí)間的增加而增加，老化速度先迅速增加再緩慢趨于平緩.添加發(fā)芽糙米的老化速率則隨著貯藏時(shí)間的增加趨于穩(wěn)定，這可能是由于發(fā)芽糙米可延緩發(fā)芽糙米的老化速率.建立了復(fù)配發(fā)芽糙米方便米飯?jiān)?5℃貯藏過程中的老化度DR（y）與貯藏時(shí)間t（x）的Avrami方程：y=0.6372x-1.2211.并通過計(jì)算R2得出Avrami方程均適用于描述添加發(fā)芽糙米的米飯淀粉的老化行為.