不同品種大米營養(yǎng)組分與糊化、酶解特性的相關(guān)性分析

姚哲，張輝，彭金龍，劉雙平，韓笑，毛健*

1(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院，江蘇 無錫，214122)2(糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室(江南大學(xué))，江蘇 無錫，214122)3(上海金楓酒業(yè)股份有限公司，上海，200063)

黃酒的釀造是以大米、麥曲、水為主要原料，在酵母等多種微生物及酶類共同參與下進(jìn)行的復(fù)雜多變的生物化學(xué)過程，因此優(yōu)質(zhì)的大米、麥曲和釀造用水是高品質(zhì)黃酒釀造的基礎(chǔ)[1]。根據(jù)釀造過程中原輔料作用的不同，分別將米、曲、水形象地喻為“酒之肉、酒之骨、酒之血”。由此可見，大米等對釀酒的重要性。大米按照谷物類型可分為秈米、粳米和糯米，其中糯米又有秈糯和粳糯之分。不同品種大米的外觀品質(zhì)、內(nèi)部組分和加工特性等具有顯著差異，并對黃酒的色、香、味和產(chǎn)量等有較大的影響[2]。大米中的營養(yǎng)成分主要有淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪和水等，其中淀粉的含量最多，淀粉中直鏈和支鏈淀粉的比例、淀粉分子的大小和淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)均與糊化特性等有著密切的關(guān)聯(lián)[3]。

不同品種大米的吸水率、糊化特性與酶解特性存在較大的差異，并且這些特性也影響著浸米、蒸煮和發(fā)酵等釀造工藝的難易程度以及黃酒品質(zhì)的好壞[4]。糯米中支鏈淀粉含量高，吸水快、易蒸煮糊化和糖化，出酒率高，酒體中殘留的糊精和寡糖較多，它們與其他物質(zhì)賦予黃酒醇厚的口感；粳米的糊化溫度較低，蒸煮時米粒吸水較多，出飯率較高，糖化分解較徹底，出酒率高；秈米直鏈淀粉含量高，蒸煮時米粒干燥蓬松，冷卻后變硬，出現(xiàn)回生現(xiàn)象，影響糖化發(fā)酵，淀粉利用率低[1]。不被酶解和發(fā)酵的淀粉會成為產(chǎn)酸菌的營養(yǎng)源，使發(fā)酵醪液生酸，影響黃酒的品質(zhì)，因此在黃酒生產(chǎn)中主要使用糯米和粳米作為原料，而秈米由于蒸煮和壓榨困難、出酒率低等原因逐漸被黃酒行業(yè)淘汰[5]。

有關(guān)不同品種大米浸米前后的理化性質(zhì)以及發(fā)酵性能的差異雖有報道[6-7]，但是對大米營養(yǎng)組分、糊化特性和酶解特性以及相關(guān)性研究較少。因此本實驗以16個不同品種的大米為研究對象，比較了大米之間基本營養(yǎng)組分的差異性，并就營養(yǎng)組分與吸水率、糊化特性和酶解特性進(jìn)行了相關(guān)性分析，旨在為黃酒釀造原料的選擇提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 原料

12種粳米(滬香粳201、滬香粳205、滬香粳206、滬軟1212、滬香軟199、滬香軟450、長粒香粳209、長粒香粳210、長粒香粳211、申優(yōu)26、申優(yōu)28、上師大19號)、4種糯米(滬香糯209、滬香糯1910、滬香糯1911、太湖糯)，上海農(nóng)科院。取一定質(zhì)量的大米采用旋風(fēng)磨磨粉，過100目篩，室溫下于干燥器中保存。

1.1.2 試劑

CuSO4、K2SO4、NaOH、H2SO4、二甲基亞砜、冰醋酸、無水乙醇、甲醛、正己烷、三氯乙酸、3,5-二硝基水楊酸(均為分析純)，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；α-淀粉酶(44 000 U/g)、葡萄糖淀粉酶(130 000 U/g)，蘇州宏達(dá)制酶有限公司；淀粉總量檢測試劑盒、直鏈淀粉/支鏈淀粉(膠淀粉)檢測試劑盒，Megazyme(中國)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

YXQ-LS-50SII立式壓力蒸汽滅菌鍋，上海博迅實業(yè)有限公司；4500快速黏度分析儀(rapid visco analyzer，RVA)，波通澳大利亞公司；FE20k精密pH計、EL3002分析天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；UV-2100紫外分光光度計，尤尼科(上海)儀器有限公司；8盤智能定時款立式蒸飯柜，佛山市樂創(chuàng)網(wǎng)絡(luò)科有限公司；5804R高速離心機，艾本德中國有限公司；DHG-914OA電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；K9840凱氏定氮儀，濟南海能儀器股份有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 營養(yǎng)組分的測定

水分含量按照GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》；脂肪含量按照GB 5009.6—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測定》；蛋白含量按照GB 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測定》；總淀粉和直鏈淀粉含量分別采用淀粉總量檢測試劑盒和直鏈淀粉/支鏈淀粉檢測試劑盒法[8]進(jìn)行測定。

1.3.2 吸水率的測定

吸水率的測定參考文獻(xiàn)[6]并稍作改動。稱取50 g原大米樣品，將其浸泡在500 mL水中，水的溫度控制在25 ℃。浸泡時間分別為0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120 min，浸泡結(jié)束后取出并濾去大部分水，然后將大米倒在濾紙上輕輕擦拭吸干大米表面水分后進(jìn)行稱重。吸水率(R)計算如公式(1)所示：

(1)

式中：m0，浸泡前大米的質(zhì)量，g；m1，浸泡后大米的質(zhì)量，g。

1.3.3 糊化特性的測定

利用RVA來測定不同品種大米粉的糊化特性。按14%水分校正后，稱取一定質(zhì)量的樣品和水于鋁盒中，并用攪拌槳上下攪拌使樣品均勻分散。在RVA中進(jìn)行熱反應(yīng)，根據(jù)RVA儀器提供的standard 1程序測定混合物的黏度曲線[9]。具體程序如下：將混合后的樣品在50 ℃下保持1 min，以12 ℃/min從50 ℃加熱到95 ℃，在95 ℃保持2.5 min，同樣以12 ℃/min的速率從95 ℃冷卻至50 ℃，并在50 ℃保持2 min。加熱過程中前10 s以960 r/min恒定速率旋轉(zhuǎn)攪拌，隨后恒定在160 r/min旋轉(zhuǎn)攪拌至分析結(jié)束，每個樣品重復(fù)3次。

1.3.4 酶解特性的測定

大米酶解特性的測定參考楊建剛等[7]的方法并稍作改動。取一定質(zhì)量的大米在60 ℃水浴中浸泡20 min，然后在蒸飯柜中進(jìn)行蒸煮。將蒸煮好的米飯和水按照1∶4的質(zhì)量比均勻混合，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的α-淀粉酶、0.1%的葡萄糖淀粉酶(以生米計)，置于60 ℃水浴中糖化8 h，每隔1 h取樣，滅酶(體積分?jǐn)?shù)為20% NaOH)后進(jìn)行離心(12 000 r/min，5 min)，并測定糖化液中還原糖(以葡萄糖計)的含量。還原糖含量采用DNS比色法測定[6]，標(biāo)準(zhǔn)曲線為：y=1.561x-0.023 5，R2=0.997 9。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

每個樣品進(jìn)行3次平行實驗，數(shù)據(jù)采用Excel軟件整理，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用SPSS 25.0進(jìn)行單因素方差和相關(guān)性分析(Pearson相關(guān)系數(shù)法)，組間差異在95%上則為顯著(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種大米的營養(yǎng)組分分析

16種大米的營養(yǎng)組分統(tǒng)計分析見表1和表2。從表中可以看出不同品種大米的水分、蛋白質(zhì)和總淀粉差異性較小，變異系數(shù)分別為3.61%、6.90%和3.37%，變異系數(shù)均小于10%；直鏈淀粉和脂肪差異性較大，變異系數(shù)分別為45.78%和31.3%，這與葉玲旭等[10]的研究結(jié)果相近，可能與大米的遺傳組成、氣候和生長環(huán)境有關(guān)[11]。

表1 不同品種大米的營養(yǎng)組分(以干基計) 單位：%Table 1 Nutrient components of different varieties of rice (on dry basis)

表2 大米營養(yǎng)組分分析 單位：%Table 2 Analysis of nutrient components of rice

16種大米總淀粉的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86.61%，直鏈淀粉的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.77%，蛋白質(zhì)平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.40%，這與范華等[12]的研究結(jié)果相近。淀粉和蛋白質(zhì)是大米中的2大主要營養(yǎng)組分，大米的加工特性以及黃酒的風(fēng)味品質(zhì)受二者的影響較大[1]?？偟矸酆恳陨陜?yōu)28最高，為92.03%，其次是申優(yōu)26、滬香粳205等；滬香糯209最低，為80.92%。直鏈淀粉含量以申優(yōu)26和申優(yōu)28最高，分別為20.42%和20.98%；滬香糯1910、滬香糯1911等相對較低，其中滬香糯209最低，為4.35%。淀粉含量和組成的差異會影響大米的糊化特性，造成蒸煮時糊化程度不一，進(jìn)而影響發(fā)酵體系中有關(guān)微生物的代謝[7]。對于蛋白質(zhì)而言，滬香糯209的蛋白質(zhì)含量最高，為9.32%，其次是長粒香粳210、滬香粳205等；滬軟1212最低，為7.15%。研究表明在黃酒發(fā)酵過程中，原料米中的蛋白質(zhì)含量越高，經(jīng)蛋白酶水解生成的氨基酸就越多，酵母將多余的氨基酸代謝轉(zhuǎn)化成雜醇，造成酒體中雜醇含量偏高[1]。其他營養(yǎng)組分中，平均含水量為13.58%，脂肪的含量在0.69%～1.80%，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.12%。其中脂肪的含量與葉玲旭等[10]的研究結(jié)果相比普遍較低，可能與大米的品種和碾磨程度不同有關(guān)[1,6]，從糙米到精制米，隨著碾磨程度的增加，水分、脂肪、灰分等稻米成分呈下降趨勢。

2.2 不同品種大米的吸水率分析

16種大米的吸水率和相關(guān)性分析如圖1和圖2所示。結(jié)果表明16種大米整體的吸水率曲線具有一致性，初始階段吸水率急劇上升，在30～40 min達(dá)到最大值，此后雖有波動但基本穩(wěn)定，這與油卉丹等[6]的研究結(jié)果一致。浸泡前期，米粒內(nèi)、外水分梯度較大，使得米粒的吸水速度保持較高水平，隨著水分梯度逐漸減小，米粒吸收水分的速度逐漸降低，至米粒內(nèi)、外部水分梯度消失時，米粒停止吸水達(dá)到飽和狀態(tài)[13]。

圖1 不同品種大米的吸水率Fig.1 Water absorption rate of different varieties of rice

吸水率的高低影響著浸米效果的好壞以及蒸煮過程中糊化的難易程度[1,6]。由圖1可以看出太湖糯、滬香糯1910、滬香糯1911和滬香糯209的最大吸水率相對較高，分別為40.78%、39.44%、38.97%和38.09%，與其他品種的大米有明顯的差異。楊建剛等[7]對幾種不同大米的吸水率研究發(fā)現(xiàn)，吸水率的大小依次為R(糯米)>R(粳米)>R(秈米)，且糯米在浸泡時間30 min后便達(dá)到最大吸水率(37%)。圖2結(jié)果表明，大米的吸水率與直鏈淀粉的含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，這與DUTTA等[14]的研究結(jié)果一致。大米吸水率的高低在于它們直鏈和支鏈淀粉比例的不同。浸米過程中，直鏈淀粉緊密的封閉型螺旋線形結(jié)構(gòu)有利于形成較強的分子內(nèi)氫鍵，不利于與水分子接近[15]，而在幾乎不含直鏈淀粉的糯米中，支鏈淀粉所具有的高度分支結(jié)構(gòu)，使其在冷水中極易與溶劑水分子以氫鍵結(jié)合，保持高度有序的水合淀粉粒形態(tài)。30～40 min以后吸水率有小范圍下降的原因可能是在大米本身吸水達(dá)到飽和時，其中的可溶性蛋白、固形物等溶解于水。

a-水分；b-脂肪；c-蛋白質(zhì)；d-總淀粉；e-直鏈淀粉圖2 大米吸水率與營養(yǎng)組分之間的相關(guān)性Fig.2 Correlation between water absorption rate and nutrient components of rice注：顯著相關(guān)(P<0.05)；極顯著相關(guān)(P<0.01)(下同)

2.3 不同品種大米的糊化特性分析

16種大米的糊化特性和相關(guān)性分析如表3和表4所示。不同品種大米的糊化特性具有明顯的差異性(P<0.05)。淀粉糊化過程中，當(dāng)體系溫度高于淀粉起始糊化溫度時，淀粉晶體崩解，開始吸水溶脹，黏度快速升高，并逐漸達(dá)到峰值。其中長粒香粳210(2 974.67 mPa·s)、滬香粳201(2 919 mPa·s)和上師大19(2 873.67 mPa·s)峰值黏度相對較高，滬香糯209(656.67 mPa·s)、太湖糯(1 086.67 mPa·s)等峰值黏度相對較低。峰值黏度反映了淀粉顆粒的膨脹程度或者結(jié)合水的能力，通常峰值黏度越高，樣品黏滯性越強。崩解值表示淀粉的熱糊穩(wěn)定性，崩解值越大，大米淀粉糊的熱穩(wěn)定性越低[16]。滬香糯209(332.33 mPa·s)、滬香粳206(362.67 mPa·s)等崩解值相對較小，表明其溶脹后的淀粉顆粒強度大，不易破裂，熱糊穩(wěn)定性好；滬香粳201(1 046.33 mPa·s)等崩解值相對較大，熱糊穩(wěn)定性較差。回生值與淀粉的短期回生有關(guān)，回生值越高，樣品冷糊穩(wěn)定性越低，凝膠性越強，越易老化[16]。滬香粳205(1 187 mPa·s)、長粒香粳209(1 074.33 mPa·s)、申優(yōu)28(1 031 mPa·s)等大米回生值高，短期內(nèi)更易老化回生。由表3可以看出回生值與直鏈淀粉呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與脂肪等呈負(fù)相關(guān)，這與葉玲旭等[10]的研究一致。

表4 大米糊化特性與營養(yǎng)組分之間的相關(guān)性(Pearson相關(guān)系數(shù))Table 4 Pearson correlation between pasting properties and nutrient components of rice

通常情況下糊化溫度的高低代表著淀粉糊化的難易程度，糊化溫度越低，淀粉越易糊化[16]，大米的蒸煮效率越高。其中滬香粳201(77.39 ℃)、滬香糯1910(75 ℃)等糊化溫度相對較高，太湖糯(69.87 ℃)、長粒香粳211(70.12 ℃)等糊化溫度相對較低。糊化溫度不僅由直鏈淀粉含量、淀粉顆粒形狀和淀粉分子間的結(jié)合緊密程度決定，還與蛋白質(zhì)、脂肪等非淀粉物質(zhì)的含量有關(guān)[17](表3)。楊曉蓉等[18]研究發(fā)現(xiàn)秈米淀粉的直鏈淀粉含量高，其糊化溫度均在74 ℃以上，粳米直鏈淀粉含量相對較低，糊化溫度在67～70 ℃。盡管糯米的直鏈淀粉含量很少，但通常糯米淀粉的分子質(zhì)量較粳米和秈米的大很多，且當(dāng)支鏈淀粉外鏈較長時，也可能形成較緊密的雙螺旋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致糊化溫度較高。此外，淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物也可以增強淀粉顆粒的完整性，保護其不受破壞，這可能與較高的糊化溫度有關(guān)[19]。

表3 不同品種大米RVA糊化特性參數(shù)Table 3 RVA pasting properties of of different varieties of rice

2.4 不同品種大米米飯的酶解特性分析

采用α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶對蒸煮后的16種大米進(jìn)行酶解，酶解曲線如圖3所示。從0 h開始，酶解液中的還原糖含量急劇上升，6 h基本酶解完全，而后隨著酶解時間的延長，還原糖含量變化不明顯。其中滬香糯209的酶解程度最高，最終還原糖含量為115.04 g/L，太湖糯(110.50 g/L)、滬香糯1911(109.90 g/L)、滬軟1212(107.73 g/L)和滬香糯1910(107.48 g/L)相對較高，滬香軟450還原糖含量最低，為97.57 g/L。

圖3 不同品種大米米飯的酶解特性曲線Fig.3 Enzymatic hydrolysis properties curves of different varieties of the cooked rice

酶解的程度影響著淀粉的出酒率[7]，而且淀粉酶解速率快傾向于在黃酒發(fā)酵前期轉(zhuǎn)化為更多的酒精，高的酒精度會抑制過多雜菌的生長[1,7]。不同品種大米蒸煮所得米飯的酶解程度不僅會受酶解反應(yīng)條件、酶的特異性、非淀粉多糖、蛋白質(zhì)和脂肪等外在因素的影響，還受到淀粉顆粒自身因素的影響，比如分子結(jié)構(gòu)(結(jié)晶度)、形狀大小、直鏈淀粉和支鏈淀粉的占比[20]。酶擴散至淀粉顆粒表面并進(jìn)入顆粒內(nèi)部的過程是酶解的關(guān)鍵限速步驟，支鏈淀粉整體呈樹枝狀，其分子內(nèi)含有大量的分支結(jié)構(gòu)，使其與淀粉酶的接觸面積更廣，更容易被酶解。RENDLEMAN等[21]研究表明，淀粉的消化程度通常隨著直鏈淀粉含量的增加而降低，支鏈淀粉由于其多分支結(jié)構(gòu)而易被淀粉酶攻擊降解，這與本研究的結(jié)果一致。直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物減少了酶與底物緊密結(jié)合的機會，使淀粉分子難以進(jìn)入淀粉酶的底物結(jié)合位點，并且增加了淀粉的疏水性，從而降低了酶解性能[22]。

2.5 酶解特性與營養(yǎng)組分及糊化特性之間的相關(guān)性分析

不同品種大米米飯的酶解特性與營養(yǎng)組分及糊化特性的相關(guān)性研究如圖4所示，可以看出總淀粉(r=-0.520 6，P<0.05)、直鏈淀粉(r=-0.547 3，P<0.05)與酶解程度成顯著負(fù)相關(guān)。于軒[20]發(fā)現(xiàn)大米中的直鏈淀粉含量與酶解率呈負(fù)相關(guān)，支鏈淀粉比直鏈淀粉更易受到淀粉酶的降解作用，酶解作用時間越長，降解程度越大。

a-水分；b-脂肪；c-蛋白質(zhì)；d-總淀粉；e-直鏈淀粉；f-峰值黏度；g-谷值黏度；h-崩解值；i-最終黏度；j-回生值；k-糊化溫度；l-峰值時間圖4 酶解特性與營養(yǎng)組分及糊化特性之間的相關(guān)性Fig.4 Correlation between enzymatic hydrolysis properties and nutrient components and pasting properties

糊化特性參數(shù)中峰值黏度(r=-0.803 4，P<0.01)、谷值黏度(r=-0.793 9，P<0.01)、最終黏度(r=-0.834 8，P<0.01)、回生值(r=-0.752 7，P<0.01)與酶解程度呈極顯著負(fù)相關(guān)。高佳敏等[23]研究發(fā)現(xiàn)糯米淀粉在老化過程中，支鏈淀粉的外側(cè)短鏈通過氫鍵緩慢進(jìn)行結(jié)晶，由于形成的支鏈淀粉重結(jié)晶對酶有一定的抗性，導(dǎo)致酶解力下降，消化性降低。對清酒中的研究表明米飯粒的老化回生與其酶解率密切相關(guān)，直鏈淀粉含量越高越容易老化，越不利于清酒的釀造[24]。黃酒生產(chǎn)釀造過程中，大米在蒸飯機中蒸煮熟化后，經(jīng)過風(fēng)冷和水冷，米飯溫度迅速降低，淀粉發(fā)生短期回生，回生后的米飯不易被微生物等酶解利用，這就導(dǎo)致了原料利用不完全、出酒率低等問題[1]。

3 結(jié)論

16個不同品種大米的淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等營養(yǎng)組分存在顯著差異(P<0.05)，其中淀粉的含量最高，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86.61%，脂肪的含量最低，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.12%。太湖糯、滬香糯1910、滬香糯1911和滬香糯209的最大吸水率相對較高，分別為40.78%、39.44%、38.97%和38.09%，與其他品種的大米有明顯的差異。糊化特性中回生值與直鏈淀粉呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，糊化溫度的高低不僅與直鏈淀粉含量有關(guān)，還與蛋白質(zhì)、脂肪等非淀粉物質(zhì)的含量有關(guān)。滬香糯209(115.04 g/L)、太湖糯(110.50 g/L)、滬香糯1911(109.90 g/L)、滬軟1212(107.73 g/L)和滬香糯1910(107.48 g/L)蒸制米飯的酶解性能好，酶解程度高。Pearson相關(guān)性分析表明酶解特性與峰值黏度(r=-0.803 4，P<0.01)、谷值黏度(r=-0.793 9，P<0.01)、最終黏度(r=-0.834 8，P<0.01)、回生值(r=-0.752 7，P<0.01)等糊化特性呈極顯著負(fù)相關(guān)。綜合吸水率、糊化特性和酶解特性等初步選出滬軟1212、滬香糯209、滬香糯1910、滬香糯1911和太湖糯5種大米用于黃酒的生產(chǎn)釀造。然而由于實驗的局限性，后續(xù)研究需深入分析黃酒基本理化指標(biāo)、風(fēng)味與基本營養(yǎng)組分、糊化特性以及酶解特性之間的相關(guān)性，為黃酒的生產(chǎn)釀造提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。