洪瑩,邵子晗,曹磊,宋玉,陶澍,劉超,孫劍
(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,安徽 合肥,230031)
大米是我國(guó)尤其是南方地區(qū)居民的最重要主食,隨著消費(fèi)者對(duì)大米口感和外觀品質(zhì)的要求越來(lái)越高,部分大米加工企業(yè)增加了碾米、拋光等工序的次數(shù),過(guò)度加工問(wèn)題日益突出。糧食過(guò)度加工不僅會(huì)造成糧食資源的浪費(fèi),還會(huì)導(dǎo)致大量營(yíng)養(yǎng)元素流失。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)每年約有17 816萬(wàn)t稻谷用于大米加工,大約會(huì)產(chǎn)生不少于3 000萬(wàn)t碎米[1],且碎米產(chǎn)量仍呈上升趨勢(shì)。2018年發(fā)布的新大米國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 1354—2018)突出了“適度加工”概念及相關(guān)指標(biāo),目的是減少糧食資源浪費(fèi),保留大米營(yíng)養(yǎng)元素。因此,開(kāi)展碎米的食品化綜合利用技術(shù)研究,既可以達(dá)到降低生產(chǎn)成本,減少糧食資源浪費(fèi),又可以拓寬大米加工轉(zhuǎn)化的增值空間,帶動(dòng)食糧產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
碎米的營(yíng)養(yǎng)成分與大米相近[2],同樣含有淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素和礦物質(zhì)等成分。CHITPAN等[3]將碎米置于90 ℃條件下預(yù)先干燥 60 min,在含有維生素和礦物質(zhì)元素的營(yíng)養(yǎng)液中浸泡10 min,再置于70 ℃條件下干燥110 min,所得制品可用于嬰幼兒補(bǔ)充食品。楊勇等[4]以碎米為主要原料,采用擠壓膨化技術(shù)制得了膨化米粉,其溶解性和口感較佳,適宜作為速溶嬰幼兒營(yíng)養(yǎng)米粉。淀粉作為三大宏量營(yíng)養(yǎng)素之一,其在人體代謝消化過(guò)程中被很快分解為葡萄糖,為人體的活動(dòng)提供所需能量,同時(shí)也影響到機(jī)體的血糖水平,研究發(fā)現(xiàn)高直鏈淀粉(amylose,AL)類(lèi)產(chǎn)品不易消化,可作為控制血糖的理想食品配料[5]。
隨著生活節(jié)奏的加快,即食食品越來(lái)越受到大眾青睞,利用快速熟化技術(shù)提高淀粉類(lèi)產(chǎn)品的糊化度,如擠壓膨化、滾筒干燥等。滾筒干燥技術(shù)具有加工成本低、操作過(guò)程簡(jiǎn)單且能夠連續(xù)作業(yè),集糊化、干燥于一體等優(yōu)勢(shì),可改善原料的組織狀態(tài)及口感如谷物制品、干酪乳、麥芽糊精和水果漿等。目前,國(guó)內(nèi)外已有關(guān)于滾筒干燥加工工藝對(duì)谷物營(yíng)養(yǎng)片理化特性及消化特性影響的研究,劉淑一等[6]發(fā)現(xiàn)滾筒干燥加工處理后的燕麥淀粉溶解度上升且具有較高的表觀黏度和抗剪切能力。FELKER等[7]研究發(fā)現(xiàn)滾筒干燥處理能顯著增加黑豆蛋白質(zhì)的體外消化率,但不同AL含量的淀粉原料在滾筒干燥后產(chǎn)品理化特性變化還鮮有報(bào)道。
本研究以碎米為原料,研究不同AL含量對(duì)滾筒干燥制備的即食沖調(diào)粉理化特性影響,如吸水性指數(shù)(water absorption index,WAI)、水溶性指數(shù)(water solubility index,WSI)、結(jié)塊率、穩(wěn)定性、流變學(xué)特性、體外消化特性、糊化特性及微觀結(jié)構(gòu)等。分析原料中不同AL含量對(duì)即食粉的沖調(diào)性、消化性和糊化特性等品質(zhì)的影響,以期為淀粉基類(lèi)原料開(kāi)發(fā)即食型沖調(diào)粉提供理論基礎(chǔ),提高糧食資源利用,促進(jìn)糧食加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
碎米(豐兩優(yōu),淀粉含量73.6%、水分含量13.15%、AL含量13.8%、蛋白含量8.34%、脂肪含量1.45%)購(gòu)于淮南;玉米AL,浙江博丹衡生物科技有限公司;其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
EMG0505滾筒干燥刮板機(jī),江蘇省東臺(tái)市民益機(jī)械廠;SBJM-FB80膠體磨,上海索貝流體機(jī)械有限公司;FW135粉碎機(jī),天津市泰斯特儀器有限公司;HHS型電熱恒溫水浴鍋,上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;DHR-2流變儀,美國(guó)TA公司;Vortex-Genie2旋渦振蕩器,美國(guó)Scientific Industrial 公司;TU-1900 型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;GeminiSEM 500掃描電鏡,卡爾·蔡司股份公司;快速黏度分析儀,澳大利亞 Newport公司。
1.3.1 樣品制備
碎米加工即食沖調(diào)粉工藝流程為:
碎米→米粉(添加AL)→加水磨漿(膠體磨)→滾筒干燥→粉碎→成品
碎米碾磨工藝條件參數(shù):碾磨時(shí)間3 min/次,轉(zhuǎn)速400 r/h,單次樣品投入量300 g,進(jìn)行碾磨后過(guò)60目篩。
滾筒干燥工藝條件參數(shù):料液比1∶2,轉(zhuǎn)速30 r/h,蒸汽壓力0.4 MPa,單次樣品投入量為2.5 kg,進(jìn)行滾筒干燥,所得成品過(guò)80目篩。
1.3.2 水溶性指數(shù)和吸水指數(shù)的測(cè)定
參照BENHUR等[8]的方法并略作修改。稱(chēng)取3 g樣品置于50 mL離心管中,標(biāo)記為m0,再加入35 mL去離子水,混勻后于275 r/min振搖30 min,4 000×g離心15 min,稱(chēng)量所得沉淀物質(zhì)量m1,將上清液倒入已烘干至恒重的稱(chēng)量瓶中(m2),后置于105 ℃干燥箱中烘干至無(wú)水恒重(m3)。WSI和WAI計(jì)算如公式(1)和公式(2)所示:
(1)
(2)
1.3.3 結(jié)塊率的測(cè)定
參照劉靜波等[9]的方法并略作修改。稱(chēng)取樣品5 g置于250 mL燒杯中,加入70 ℃的去離子水100 mL,以10 r/min速率進(jìn)行輕微攪拌30 s,用20目篩網(wǎng)對(duì)殘?jiān)M(jìn)行過(guò)濾,用清水漂洗篩上物1次,瀝干后于105 ℃干燥箱內(nèi)帶篩網(wǎng)烘干至恒重。結(jié)塊率(agglomerate rate,AR)計(jì)算如公式(3)所示:
(3)
式中:W,結(jié)塊物的干重,g;M,樣品干重,g。
1.3.4 穩(wěn)定性系數(shù)K的測(cè)定
參照馬濤等[10]的方法并略作修改。稱(chēng)取樣品20 g置于250 mL量筒中,并加入80 ℃的去離子水140 mL,攪拌均勻,靜置3 min,分別量取上清液高度h和沖調(diào)液總高度H,K值計(jì)算如公式(4)所示:
(4)
1.3.5 流變學(xué)特性的測(cè)定[11]
稱(chēng)取樣品1.000 g,加蒸餾水配成質(zhì)量濃度為150 g/L的混合液,攪拌均勻后放于80 ℃水浴鍋中加熱糊化,待糊化完全后,樣品為黏稠糊狀,取2 mL樣品置于流變儀測(cè)試平臺(tái),測(cè)定選用40 mm平板夾具,設(shè)置間隙為0.1 mm,將模式設(shè)置為flow模式,對(duì)樣品進(jìn)行頻率掃描,掃描范圍為1~100 s-1,溫度為95 ℃,并在周?chē)谆栌停乐顾謸]發(fā),得到表觀黏度曲線。
1.3.6 糊化特性的測(cè)定
采用美國(guó)谷物化學(xué)學(xué)會(huì)規(guī)定的方法standard1[12]測(cè)定樣品的糊化特性??焖兖ざ确治鰞x進(jìn)行測(cè)定,得到糊化特征曲線,獲得糊化溫度、峰值黏度、最終黏度、衰減值和回生值等特征參數(shù)。具體測(cè)試條件:稱(chēng)取樣品3 g,加入25 mL去離子水,以960 r/min轉(zhuǎn)速混合樣品10 s,并以160 r/min轉(zhuǎn)速測(cè)試樣品。
1.3.7 淀粉體外消化特性的測(cè)定
采用CHUNG等[13]的方法并略作修改。稱(chēng)取樣品0.2 g,加入5 mL醋酸鈉緩沖溶液(pH 5.2)使樣品分散均勻,再加入20 mL混合酶液(4 mL糖化酶和16 mL α-淀粉酶),將反應(yīng)體系置于37 ℃、160 r/min條件下水浴振蕩;分別在酶解反應(yīng) 0、10、20、30、60、90、120、180 min時(shí)取1.0 mL,加入4 mL乙醇使酶失活,冷卻后4 000 r/min離心5 min,取上清液定容備用。定容液用二硝基水楊酸(dinitrosalicylic acid,DNS)法測(cè)定還原糖含量,從而算出快消淀粉(rapidly digestible starch,RDS)、慢消淀粉(slowly digestible starch,SDS)和抗性淀粉(resistant starch,RS)的占比。
計(jì)算如公式(5)~公式(7)所示:
(5)
(6)
(7)
式中:FG,樣品中游離葡萄糖含量;G20,消化20 min后產(chǎn)生的葡萄糖含量;G120,消化120 min后產(chǎn)生的葡萄糖含量;TS,樣品中含有的總淀粉含量。
1.3.8 微觀形態(tài)觀察
采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)觀察樣品的表面形態(tài)。首先將樣品粉末固定于載物臺(tái)上,吹拂去多余未固定的粉末,通過(guò)離子濺射儀噴金(厚度100 μm)鍍膜后置于SEM下觀察樣品結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)并拍照。工作條件:加速電壓5 kV;放大倍數(shù)1 000、5 000倍。
1.3.9 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
WSI表示樣品溶于水的能力,反映樣品在受高溫作用下可溶性營(yíng)養(yǎng)素的含量和淀粉降解成可溶性多糖的程度。WAI反映測(cè)定樣品中淀粉吸水膨脹后形成凝膠的能力[14]。由圖1可知,滾筒干燥顯著提高了產(chǎn)品的WSI和WAI。與未加工樣品(untreated,UT)相比,滾筒干燥后樣品(drum-dried broken rice flour,DBRF)的WSI和WAI值均提高了4倍左右,可能是滾筒干燥后樣品暴露出更多的羥基等親水基團(tuán),進(jìn)而提高了樣品的溶解性[15]。不同AL含量的樣品水溶性和吸水能力也不盡相同,當(dāng)AL含量低于40%時(shí),產(chǎn)品WSI變化不顯著(P>0.05),在AL含量為50%時(shí),產(chǎn)品WSI顯著上升(P<0.05),可能是因?yàn)榈矸垲w粒發(fā)生崩解,顆粒溶脹分裂成小分子,較多的可溶性物質(zhì)溶解出來(lái)。與UT樣品相比,13.8%~50% AL-DBRF樣品WSI分別增加了3.1、2.4、2.6、2.8、6.3倍。隨著AL含量的增加,AL-DBRF樣品WAI呈上升趨勢(shì),主要是因?yàn)樵械牡矸劢Y(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞,淀粉分子內(nèi)部或者分子間的氫鍵被打斷,導(dǎo)致親水力增加,該結(jié)果與SOMPONG等[16]研究一致,當(dāng)AL含量40%時(shí)達(dá)到峰值(9.74±0.19),但與30% AL-DBRF的WAI(9.53±0.11)差異不顯著,與UT樣品相比,13.8%~50% AL-DBRF樣品的WAI值分別增加了3.1、3.1、3.3、3.4、3.2倍。
a-WSI;b-WAI圖1 不同AL含量對(duì)樣品WSI 和WAI的影響Fig.1 Effect of different amylose content on the WSI and WAI of products 注:UT,未加工樣品;DBRF,滾筒干燥后樣品; 20%AL-DBRF,20%AL含量滾筒干燥樣品,其他標(biāo)識(shí)以此 類(lèi)推;不同字母表示差異性顯著(P<0.05)(下同)
結(jié)塊率是評(píng)價(jià)沖調(diào)粉復(fù)水情況的重要指標(biāo),結(jié)塊率越低表示產(chǎn)品體系越穩(wěn)定。沖調(diào)穩(wěn)定系數(shù)K是評(píng)價(jià)產(chǎn)品復(fù)水沖調(diào)后的穩(wěn)定性,K值越小產(chǎn)品穩(wěn)定性越好。由圖2可知,在一定范圍內(nèi),隨著AL添加量的增加,產(chǎn)品結(jié)塊率和沖調(diào)穩(wěn)定系數(shù)均呈先下降后上升的趨勢(shì)。如圖2-a所示,在AL含量為13.8%~30%,結(jié)塊率呈下降趨勢(shì),在30%時(shí)結(jié)塊率最低,僅(0.6 ±0.2)%;AL含量>30%時(shí),結(jié)塊率又呈上升趨勢(shì),可能是隨著AL添加量的增加,淀粉顆粒間隙變小,與水的接觸面變小,阻礙水分子滲透,導(dǎo)致結(jié)塊率升高[17]。如圖2-b所示,一般認(rèn)為K值均小于0.05,說(shuō)明沖調(diào)穩(wěn)定性較好[10],在AL含量13.8%~30%,K值呈下降趨勢(shì),在30%時(shí)K最低,僅0.015;在超過(guò)30%時(shí),K值又呈上升趨勢(shì)。說(shuō)明30%AL-DBRF組產(chǎn)品沖調(diào)穩(wěn)定性最佳。
圖3顯示了樣品的流變特性變化情況。如圖3-a所示,隨著剪切速率的升高,樣品的表觀黏度均呈現(xiàn)降低的趨向,當(dāng)剪切速率到達(dá)10~100 s-1時(shí),所有樣品表觀黏度趨于平緩,呈現(xiàn)一種剪切稀化現(xiàn)象,表明該體系為假塑性流體[18]。與UT樣品相比,滾筒干燥后樣品的表觀黏度均隨著剪切速率的增大而迅速下降,最后趨于平穩(wěn)。在低剪切速率下,相同剪切速率的滾筒干燥后樣品表觀黏度大于UT樣品。隨著AL含量的增加,黏度呈上升趨勢(shì),可能是AL含量的增加使大分子相互纏結(jié)增強(qiáng),分子間的摩擦力增大,使得固形物與流體之間阻力增加,從而表現(xiàn)為高黏度性質(zhì);當(dāng)剪切速率增大時(shí),分子發(fā)生解纏結(jié)而使得黏度下降[19-20]。當(dāng)AL含量達(dá)到30%時(shí),表觀黏度變化不大。
不同AL含量對(duì)DBRF觸變性的影響如圖3-b所示,隨著AL含量的增加,AL形成交聯(lián)結(jié)構(gòu),使淀粉凝膠更加穩(wěn)定[21],DBRF樣品剪切應(yīng)力不斷增大,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加。當(dāng)AL含量達(dá)到30%時(shí),剪切應(yīng)力變化不大,基本趨于穩(wěn)定,這可能是因?yàn)锳L含量達(dá)到一定程度后,AL纏繞,AL-DBRF體系內(nèi)部形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。
a-黏度;b-應(yīng)力圖3 不同AL含量對(duì)樣品靜態(tài)流變特性的影響Fig.3 Effect of different amylose content on viscosity of products
圖4顯示了各組樣品的糊化特性,淀粉的糊化特征值可以間接反映樣品品質(zhì)。如有研究表明多數(shù)谷物粉的硬度和口感質(zhì)量與RVA峰值黏度、谷值黏度以及最終黏度等糊化特性密切相關(guān)[22]。由圖4可知,與UT樣品相比,滾筒干燥處理后樣品的峰值黏度、谷值黏度、破損值、最終黏度、回生值均顯著降低(P<0.05),與劉淑一等[6]研究一致,可能是淀粉團(tuán)粒受熱分解,形成分散的團(tuán)粒片段,導(dǎo)致淀粉糊黏度下降。AL含量在13.8%~30%范圍內(nèi),隨著AL含量增加滾筒干燥后樣品的峰值黏度、谷值黏度、破損值、最終黏度、回生值均呈現(xiàn)上升趨勢(shì);當(dāng)AL含量達(dá)到30%時(shí),峰值黏度、回生值趨于平緩,破損值達(dá)到最大值??赡苁且?yàn)楫?dāng)AL含量低于30%時(shí),隨著AL含量增加,淀粉顆粒膨脹,產(chǎn)品水結(jié)合能力增強(qiáng),黏度增大,導(dǎo)致滾筒干燥樣品的峰值黏度、谷值黏度、破損值、最終黏度和回生值逐步增大[23]。此外,AL分子的纏繞可能也是導(dǎo)致回生值增加的原因[24]。當(dāng)AL含量達(dá)到30%時(shí),隨著AL含量的增加產(chǎn)品中淀粉粒吸水膨脹,形成較為致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),產(chǎn)品糊化特性變化不大。
圖4 不同AL含量對(duì)樣品糊化特性的影響Fig.4 Effect of different amylose content on the pasting properties of products
圖5顯示了樣品的體外淀粉消化特性。如圖5-a所示,與UT樣品相比滾筒干燥后樣品的淀粉水解率顯著提高。不同AL含量的滾筒干燥樣品淀粉消化率變化趨勢(shì)基本一致,在消化的前20 min,淀粉水解率均快速增加;隨著消化時(shí)間延長(zhǎng),水解速率減慢。隨著原料中AL含量的增加,滾筒干燥后樣品的消化率呈下降趨勢(shì),水解180 min后不同AL含量(13.8%、20%、30%、40%、50%)的滾筒干燥樣品淀粉消化速率分別是90.56%、84.29%、76.63%、75.78%和73.15%,可能是因?yàn)锳L含量越高,越有利于通過(guò)分子間氫鍵形成緊密的雙螺旋結(jié)構(gòu),產(chǎn)生不利于消化的緊密顆粒,從而降低淀粉酶水解速率導(dǎo)致淀粉消化率較緩慢[25-26]。
樣品中RDS、SDS以及RS變化情況如圖5-b所示。隨著AL含量的升高,DBRF中RDS含量呈下降趨勢(shì),從41.68%下降至31.36%;SDS含量呈先上升后下降的趨勢(shì),當(dāng)AL含量在30%時(shí)SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了39.23%;隨著AL含量增加,RS含量呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì),質(zhì)量分?jǐn)?shù)從15.50%增加至32.78%。由于AL具有線性結(jié)構(gòu)有利于形成致密的分子結(jié)構(gòu),在加熱過(guò)程中不易被破壞,抗酶解性能強(qiáng),進(jìn)而減緩和抑制淀粉的水解消化[27]。當(dāng)AL含量達(dá)到30%時(shí),已經(jīng)形成了較為緊密的淀粉顆粒晶體結(jié)構(gòu),再提高AL含量可能對(duì)該結(jié)構(gòu)影響不大,導(dǎo)致SDS和RS含量趨于穩(wěn)定。在AL含量為30%時(shí),DBRF的RDS、SDS和RS質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(34.97±2.50)%、(39.23±0.70)%和(25.79±1.81)%,含有相對(duì)較高的SDS和RS。
a-淀粉水解率;b-淀粉組成水解率圖5 不同AL含量對(duì)樣品淀粉體外消化特性的影響Fig.5 Effect of different amylose content on the in vitro digestion of products
圖6顯示了樣品的微觀結(jié)構(gòu)。如圖6所示,UT樣品是典型顆粒形貌呈多面體形,棱角尖銳突出,部分顆粒有一個(gè)多邊形面稍平滑,其余各面都是比較平整的多邊形平面,顆粒表面稍有凹陷,且分布著疏散的細(xì)孔。滾筒干燥后的樣品表面凹凸明顯,呈不規(guī)則鱗片狀,質(zhì)地較緊密,空隙較多,與水分接觸的通道多,更有利于水分的傳導(dǎo),溶解性越好,且在沖調(diào)過(guò)程中分散均勻[28]。隨著AL含量的增加,滾筒干燥后樣品微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化,其中30%AL含量的滾筒干燥樣品孔洞越來(lái)越多,與WAI、產(chǎn)品穩(wěn)定性等結(jié)果一致;50%AL含量組相對(duì)于30%AL含量組孔洞數(shù)量變化不大,可能是30%AL已經(jīng)形成了較為穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)和凝膠系統(tǒng)。
圖6 不同AL含量樣品的微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Effect of different amylose content on microstructure of products
圖7為樣品理化特性的相關(guān)性熱圖,r≥0.22或r≤-0.22表示具有正或負(fù)相關(guān)性[29],紅色表示正相關(guān),淺灰表示負(fù)相關(guān)。由圖7可以看出,樣品穩(wěn)定性與WSI呈正相關(guān)(r=0.6),與破損值呈負(fù)相關(guān)(r=-0.6),說(shuō)明產(chǎn)品吸水能力增強(qiáng)能增加其穩(wěn)定性,而黏度破損值上升又會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品穩(wěn)定性降低;淀粉消化率與WSI(r=-0.5)、WAI(r=-0.8)、峰值黏度(r=-1.0)、谷值黏度(r=-0.9)、破損值(r=-0.9)、最終黏度(r=-1.0)以及回生值(r=-1.0)呈負(fù)相關(guān),與結(jié)塊率(r=0.8)和穩(wěn)定性(r=0.4)呈正相關(guān)。說(shuō)明提高產(chǎn)品水溶性和吸水性能力,能夠增加產(chǎn)品黏度,降低淀粉的消化性能,為AL-DBRF在慢消化食品中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
圖7 不同AL含量樣品理化特性的相關(guān)性熱圖Fig.7 Heat-map displaying the extent and direction of correlations between amylose content and DBRF physico-chemical properties
本研究通過(guò)在碎米原料中調(diào)整不同AL含量再進(jìn)行滾筒干燥處理,對(duì)獲得的即食沖調(diào)米粉進(jìn)行溶解特性、流變學(xué)特性、糊化特性、體外消化特性及產(chǎn)品微觀結(jié)構(gòu)分析,明確了不同AL含量對(duì)沖調(diào)粉品質(zhì)的影響。與UT相比,DBRF能夠明顯提高溶解性、表觀黏度等指標(biāo)。隨著AL含量的增加,DBRF樣品的微觀結(jié)構(gòu)顯示有更多的孔洞,與吸水指數(shù)、水溶性指數(shù)、穩(wěn)定性逐漸升高相一致。隨著原料中AL含量的增加,淀粉總水解率不斷降低,進(jìn)而減緩和抑制淀粉的水解消化,當(dāng)AL含量達(dá)到50%時(shí),其180 min的淀粉水解率較純碎米粉滾筒干燥樣品下降了17.41%。通過(guò)調(diào)整谷物原料中AL含量,再應(yīng)用滾筒干燥研發(fā)沖調(diào)粉,可以為研發(fā)高糊化度、低升糖指數(shù)谷物類(lèi)即食產(chǎn)品提供理論依據(jù)。