微波預(yù)處理和熟化對(duì)紅米消化和理化特性的影響

張子敬,朱璠,孫娟,李言,錢海峰,王立

(江南大學(xué) 食品學(xué)院,江蘇 無錫,214122)

隨著消費(fèi)者對(duì)健康的關(guān)注度越來越高,有色米的消費(fèi)量逐年加大。由于富含蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素、微量元素及其他健康成分,紅米逐漸引起了人們的關(guān)注[1]。與人們?nèi)粘Ｊ秤玫木酌紫啾?紅米具有降膽固醇、預(yù)防癌癥[2]、抗炎及抗氧化[3]的作用,但也存在不易蒸煮、難消化等缺點(diǎn),這大大限制了紅米的推廣應(yīng)用。因此,人們主要通過高溫流化、超聲[4]、預(yù)蒸煮[5]等方法將紅米部分熟化,在保留紅米表皮中原花青素等健康成分的基礎(chǔ)上提升紅米的熟化度。

微波加熱是一種利用微波的能量特征對(duì)物體進(jìn)行加熱的過程,可有效改變淀粉的凝膠化、耐酶性及淀粉的有序結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)[6],具有產(chǎn)熱快、成本低等優(yōu)點(diǎn)[7],廣泛應(yīng)用于木薯、土豆[8]等的淀粉改性。近年來,人們將微波加熱技術(shù)應(yīng)用于雜糧的預(yù)處理,取得了較好的效果。研究表明,微波預(yù)處理可提高紅蕓豆的糊化度來增加其快消化淀粉含量[9]；通過加快淀粉顆粒中水分子的快速交換來破壞支鏈淀粉微晶束,從而降低燕麥和高粱中淀粉的結(jié)晶度[10]。

對(duì)于紅米的預(yù)處理,過去的研究主要集中在高壓蒸煮、高溫流化等常規(guī)方式,尚未有研究報(bào)道微波預(yù)處理對(duì)紅米理化性質(zhì)的影響。本研究以紅秈米為研究對(duì)象,探究了一種新型微波預(yù)處理工藝對(duì)其理化性質(zhì)的影響。此外,本研究還采用不同熟化方式對(duì)微波預(yù)處理紅米與未處理紅米進(jìn)行比較分析,從淀粉結(jié)晶性和糊化特性等方面探究其體外消化特性的差異。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅米,宇順高科種業(yè)股份有限公司；總淀粉測定試劑盒、葡萄糖氧化酶/過氧化物酶(glucose oxiolase/peroxidase,GOPOD)試劑盒,愛爾蘭Megazyme國際有限公司；豬胰α-淀粉酶,西格瑪奧德里奇貿(mào)易有限公司；α-淀粉轉(zhuǎn)葡萄糖苷酶,山東隆大生物工程有限公司；胃蛋白酶、其他試劑(分析純),國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

M1-L236A微波爐,廣東美的電器股份有限公司；HC-800Y磨粉機(jī),浙江武義海納電氣有限公司；Y-50K3電飯煲、JYC-21HECO5電磁爐,山東九陽股份有限公司；LGJ-10冷凍干燥機(jī),北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司；IC-B3501電飯煲,廣東太古電器科技有限公司；H1650離心機(jī),湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司；D2 PHASER X-射線衍射儀(X-ray diffractometer,XRD),德國布魯克AXS有限公司；RVA 4500快速黏度分析儀(rapid viscosity analyzer,RVA),波通澳大利亞公司。

1.2 紅米的預(yù)處理和熟化

1.2.1 預(yù)處理紅米的加工

紅米在體積比1∶3的50 ℃蒸餾水中浸泡30 min,取出瀝干,微波800 W處理90 s；取出用10～25 ℃水浸泡10 s(紅米浸沒在水中),取出瀝干,微波800 W處理90 s；此過程再重復(fù)2次,取出室溫冷卻,-20 ℃保存待用。

將上述預(yù)處理后的紅米磨粉,過100目篩,-20 ℃儲(chǔ)存待用。

1.2.2 熟化紅米的加工

常壓煮或高壓煮紅米的處理步驟如下：分別取100 g樣品紅米,各加蒸餾水200 g,置于常壓或高壓電飯煲中,以標(biāo)準(zhǔn)米飯蒸煮程序運(yùn)行至結(jié)束。

常壓蒸紅米的處理步驟如下：取蒸鍋加水置于電磁爐上加熱,待水燒開,取100 g紅米加蒸餾水200 g置于不銹鋼容器中并將其置于蒸鍋上層,以電磁爐自帶的蒸米程序蒸40 min。

將蒸煮好的米飯放入-80 ℃冰箱冷凍,然后用冷凍干燥機(jī)干燥24 h,磨粉,過100目篩,-20 ℃儲(chǔ)存待用。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 紅米的淀粉體外模擬消化

紅米的淀粉體外模擬消化參照CHUSAK等[11]的方法并稍作修改。取3 g豬胰α-淀粉酶(10 U/mg)于100 mL錐形瓶中,加入蒸餾水60 mL,37 ℃水浴振蕩活化10 min,4 000 r/min離心10 min,取上清液,加α-淀粉轉(zhuǎn)葡萄糖苷酶150 μL(200 000 U/mL),記為混合酶液A。取1 g(干基)待測試紅米樣品加入50 mL離心管中,加入10 mL pH 2的鹽酸,均質(zhì)30 s,37 ℃預(yù)熱5 min。胃模擬階段：立即加入0.3 mg胃蛋白酶(1 200 U/g)于離心管中,37 ℃水浴振蕩30 min。小腸模擬階段：以100 μL pH 14的NaOH溶液中和消化液中的鹽酸,然后加入25 mL pH 6的磷酸緩沖液,攪拌均勻,加入5 mL混合酶液A,立即在37 ℃下以90 r/min水浴振蕩2 h。分別在胃模擬消化的0及30 min,小腸模擬消化的20、40、60、80、100及120 min取0.1 mL消化液于0.9 mL無水乙醇中,12 000 r/min離心3 min。取0.1 mL上清液與3 mL GOPOD試劑充分混合,以0.1 mL蒸餾水+3 mL GOPOD試劑為空白,以0.1 mLD-葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液+3 mL GOPOD試劑為對(duì)照,50 ℃水浴20 min,于510 nm波長下測吸光值,淀粉水解率按公式(1)計(jì)算。

(1)

式中：A樣,樣品吸光值；A標(biāo),葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液的吸光值；ρ標(biāo),葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)液的質(zhì)量濃度,mg/mL；V總,消化液的總體積,mL；f,稀釋倍數(shù)；0.9,葡萄糖轉(zhuǎn)化為淀粉的系數(shù)；m總淀粉；樣品中淀粉的質(zhì)量,mg。

1.3.2 淀粉消化動(dòng)力學(xué)和評(píng)估血糖指數(shù)的測定方法

淀粉體外消化可以看做是一級(jí)動(dòng)力學(xué)過程[12],消化曲線符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)形式[13],如公式(2)所示：

Ct=C∞(1-e-kt)

(2)

式中：Ct,消化時(shí)間為t時(shí)淀粉的水解量,%；C∞,消化終點(diǎn)淀粉的水解量,%；t,消化時(shí)間,min；k,一階動(dòng)力學(xué)常數(shù),min-1。

淀粉消化曲線下面積的計(jì)算如公式(3)所示：

AUG=C∞(tf-t0)-(C∞/k){1-exp[-k(tf-t0)]}

(3)

式中：AUG,淀粉消化曲線下面積；tf,消化開始時(shí)間,min；t0,消化終止時(shí)間,min。

水解指數(shù)(hydrolysis index,HI)定義為：測試樣品的水解曲線下面積與白面包的水解曲線下面積的比值。

評(píng)估血糖指數(shù)(evaluste glycemic index,eGI)按公式(4)計(jì)算[14]：

eGI=39.71+0.549HI

(4)

1.3.3 紅米的溶脹力測定

參考WANG等[15]的方法對(duì)1.2.1及1.2.2制備的生熟紅米粉進(jìn)行溶脹力測定。稱取40 mg紅米粉于2 mL離心管中,加蒸餾水1 mL,分別在50～90 ℃下水浴30 min,期間顛倒混勻。樣品水浴后迅速冷水冷卻至室溫,13 000 r/min離心15 min,倒掉上清液稱量沉淀。溶脹力按公式(5)計(jì)算：

(5)

式中：m1,初始米粉的質(zhì)量,mg；m2,水浴后溶脹米粉的質(zhì)量,mg。

1.3.4 紅米的結(jié)晶特性分析

參考WANG等[16]的方法對(duì)1.2.1及1.2.2制備的生熟紅米粉進(jìn)行淀粉晶體結(jié)構(gòu)的測定。將米粉在相對(duì)濕度為75%(飽和NaCl溶液)的干燥器中室溫平衡水分一周,利用XRD在電壓40 kV,電流30 mA,射線源Cu-Ku源,波長0.154 nm的條件下掃描米粉樣品,掃描速率為2°/min,范圍為5～35°,步長為0.02°。所得圖譜利用Jade 6進(jìn)行處理,計(jì)算相對(duì)結(jié)晶度,如公式(6)所示：

(6)

1.3.5 紅米的糊化特性測定

參考LEE等[17]的方法對(duì)1.2.1和1.2.2制備的生熟紅米粉進(jìn)行糊化特性測定,并進(jìn)行一定修改。稱量2.6 g樣品(干基)置于RVA鋁桶中,加水至28 g。測定程序?yàn)椋杭t米粉在RVA中以50 ℃懸浮1 min,然后以12 ℃/min的速率加熱至95 ℃(3.75 min),在95 ℃保持2.5 min,然后以12 ℃/min的速率降溫至50 ℃,在50 ℃保持2 min。攪拌速率前10 s為960 r/min,然后以160 r/min保持至分析結(jié)束。測定完成后可以從RVA曲線上獲得峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度,回生值和糊化溫度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示,采用Origin 9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和作圖,用Jade 6軟件處理XRD圖譜,用SPSS軟件進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)紅米淀粉體外消化的影響

以相同樣品質(zhì)量(干基)為基礎(chǔ),用體外模擬方法測定熟化后紅米的淀粉消化率(圖1)。對(duì)于所有樣品,在胃模擬消化階段均未觀察到葡萄糖的釋放,這可能是胃模擬階段缺乏淀粉酶的作用造成的；而在小腸模擬消化的前20 min,淀粉水解度快速增高,隨著時(shí)間的延長,淀粉水解度緩慢增加。對(duì)于原料紅米,不同熟化方式處理后的最終淀粉水解率相似,沒有顯著性差異[18]。經(jīng)熟化后,微波紅米在小腸模擬消化的前20 min淀粉水解度高于原料紅米；最終淀粉水解度均有一定程度提升,經(jīng)高壓煮后增加了14.77%,表明微波預(yù)處理對(duì)熟化后紅米的淀粉水解具有顯著性影響。此外,值得注意的是,盡管常壓煮和常壓蒸在處理時(shí)間上大于高壓煮,但淀粉水解度增加最大的仍是高壓煮,說明高壓高溫在增加微波預(yù)處理紅米的淀粉水解度上更有效[19]。

a-常壓煮；b-高壓煮；c-常壓蒸

通過對(duì)各紅米樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一級(jí)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型擬合,得出各樣品組的最大淀粉水解度(C∞)、水解速率(k)、水解指數(shù)(HI)和評(píng)估血糖指數(shù)(eGI)(表1)。6個(gè)樣品組的C∞分別是74.2%、72.1%、76.8%、78.1%、85.4%及83.4%。其中,微波紅米高壓煮的C∞最高。k值越高,體外消化的速率越高。與原料紅米相比,微波紅米的k值均有所增加。所有樣品組的eGI在80.8～89.1,這反映出它們均是高GI產(chǎn)品。此外,相比于原料紅米,微波紅米的eGI值均有所提升,具有顯著性差異,這與淀粉體外消化的數(shù)據(jù)吻合。米粉中淀粉消化特性的差異可能是由不同加工導(dǎo)致的糊化差異造成的[20]。

表1 由紅米的體外模擬消化實(shí)驗(yàn)得到的消化動(dòng)力學(xué)參數(shù)

2.2 不同處理對(duì)紅米溶脹力的影響

原料和微波后紅米粉的溶脹力隨溫度的升高而增加(圖2-a)。當(dāng)溫度>70 ℃時(shí),原料和微波后紅米粉都顯示出較高的溶脹力,這可能是由于淀粉糊化引起的淀粉結(jié)晶消散導(dǎo)致的[21]。隨著微波次數(shù)的增加,紅米粉的溶脹力降低。微波加熱后米粉溶脹力的降低可能是由于淀粉顆粒中結(jié)晶區(qū)的重新排列更加無序?qū)е碌腫22]。劉佳男[10]的研究表明微波預(yù)處理可以降低黑米中的支鏈淀粉含量,而淀粉的溶脹主要受支鏈淀粉的影響。

對(duì)于所有樣品組,其溶脹力隨溫度的升高而增加。在熟化處理后,微波紅米比原料紅米擁有更低的溶脹力(圖2-b)。這種顯著性差異可能是因?yàn)閷?duì)于經(jīng)過熟化處理的2種樣品,微波預(yù)處理樣品的糊化程度更高,對(duì)淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的破壞更大,淀粉顆粒中結(jié)晶區(qū)的重新排列更加無序?qū)е碌?。同時(shí),淀粉顆粒中結(jié)晶區(qū)的消散降低了鏈堆積密度,促進(jìn)了酶在淀粉顆粒中的擴(kuò)散和酶分子與淀粉鏈的結(jié)合,從而增加了其淀粉消化率[20]。

a-微波次數(shù)；b-熟化方式

2.3 不同處理對(duì)紅米糊化特性的影響

使用RVA探究了微波預(yù)處理紅米和熟化后紅米粉的糊化特性(表2、表3)。與原料米粉相比,微波預(yù)處理紅米粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度和回生值隨微波次數(shù)的增加而降低。此外,微波預(yù)處理紅米粉的糊化溫度隨微波次數(shù)的增加而升高。這可能是由于預(yù)處理過程中淀粉顆粒的破壞導(dǎo)致淀粉吸水能力和膨脹能力降低引起的[18]。此外,微波預(yù)處理也會(huì)促進(jìn)淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成,導(dǎo)致糊化溫度的升高和黏度的降低。

表2 微波次數(shù)對(duì)紅米糊化特性的影響

表3 不同熟化方式對(duì)未預(yù)處理和微波預(yù)處理紅米糊化特性的影響

與原料紅米相比,微波紅米經(jīng)熟化處理后的峰值黏度、谷值黏度和最終黏度均較低。這可能是因?yàn)槲⒉A(yù)處理已經(jīng)極大地破壞了紅米的淀粉顆粒完整性,降低了紅米粉的峰值黏度、谷值黏度和最終黏度,進(jìn)一步的熟化處理導(dǎo)致了其更低的糊化特性值。在3種熟化方式中,高壓煮表現(xiàn)出更低的峰值黏度、谷值黏度和最終黏度,這可能是因?yàn)楦邏簩?dǎo)致了分子有序性的減少及淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物與直鏈淀粉分子的纏繞,限制了淀粉分子的溶脹[23]。OYEYINKA等[22]的數(shù)據(jù)表明,米粉的峰值黏度和谷值黏度與稻米的熟化程度有關(guān),隨熟化程度的增高而降低。此外,一些數(shù)據(jù)表明,稻米的淀粉體外消化率與米粉的峰值黏度和最終黏度呈負(fù)相關(guān),與糊化溫度呈正相關(guān)[24]。

2.4 不同處理對(duì)紅米結(jié)晶性的影響

所有樣品的XRD圖如圖3所示。原料紅米粉在衍射角為15、17、18及23°時(shí)均能觀察到明顯的衍射峰,說明紅米淀粉的晶型為A型[25]。隨著微波次數(shù)的增加,樣品在15、17、18及23°的衍射峰逐漸減小,說明微波處理不會(huì)改變淀粉的晶型,但會(huì)破壞淀粉結(jié)晶(圖3-a)。此外,隨著微波次數(shù)的增加,在20°出現(xiàn)了脂質(zhì)-淀粉復(fù)合物衍射峰。相比于常壓煮和常壓蒸,2種樣品在經(jīng)過高壓熟化后的脂質(zhì)-淀粉復(fù)合衍射峰更加明顯,這與高壓蒸煮比常壓蒸煮更有利于淀粉-脂類復(fù)合物的形成相一致[26]。熟化后,微波紅米的晶型衍射峰基本消失,而原料紅米的結(jié)晶度分別為1.51%、1.36%和0.84%(圖3-b、c、d),這可能因?yàn)槲⒉t米在經(jīng)預(yù)處理后淀粉結(jié)晶就已經(jīng)基本消失。

a-微波次數(shù)；b-常壓煮；c-高壓煮；d-常壓蒸

微波預(yù)處理促進(jìn)了紅米淀粉的糊化,導(dǎo)致紅米中淀粉顆粒和結(jié)晶的破壞、吸水和膨脹能力的下降,RVA和XRD數(shù)據(jù)均已經(jīng)說明了這一點(diǎn)。因而,在經(jīng)過相同的熟化處理后,微波紅米表現(xiàn)出更高的熟化程度,這使得紅米表現(xiàn)出更低的黏度,有利于淀粉體外消化過程中消化酶與底物的結(jié)合[27]。此外,微波和熟化的雙重處理導(dǎo)致淀粉顆粒晶層中的螺旋排列減弱,結(jié)晶層發(fā)生一定斷裂,這導(dǎo)致淀粉顆粒多尺度結(jié)構(gòu)中鏈堆積密度的降低,進(jìn)而促進(jìn)了酶在淀粉基質(zhì)結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散和酶分子與淀粉鏈的結(jié)合[28]。這也解釋了經(jīng)過3種熟化方式處理,微波預(yù)處理紅米擁有更高的淀粉水解度的原因。

3 結(jié)論

微波預(yù)處理提高了熟化后紅米的淀粉體外水解率,同時(shí)使紅米粉的糊化特性和結(jié)晶特性發(fā)生了顯著性變化,降低了紅米粉的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度和回生值,提高了糊化溫度;顯著降低了紅米粉的淀粉結(jié)晶度和熟化后的溶脹力。熟化后,微波紅米的淀粉結(jié)晶基本消散,而原料紅米依舊殘存些許淀粉結(jié)晶。結(jié)果顯示,微波預(yù)處理可以有效提升紅米的糊化度和熟化后的熟化程度,降低淀粉顆粒中鏈堆積密度,從而提升淀粉的體外消化率。