高溫流化改善青稞米蒸煮品質(zhì)及機理研究

李永富, 高紀儒, 杜 艷, 黃金榮, 史 鋒, 陳正行

(江南大學(xué)食品學(xué)院；江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室 1，無錫 214122) (江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室2，無錫 214122) (江蘇省生物活性制品加工工程技術(shù)研究中心3，無錫 214122) (青海華實科技投資管理有限公司；青海省青稞資源綜合利用工程技術(shù)研究中心4，西寧 810016)

青稞又稱裸大麥，具有高蛋白質(zhì)、高纖維、高維生素、低脂肪、低糖等特點。β-葡聚糖是青稞的主要生理活性成分，主要存在于青稞籽粒的胚乳細胞壁與糊粉層中，具有調(diào)節(jié)血糖、降低膽固醇、提高免疫力、預(yù)防腸癌等功能[1，2]。

近年來，青稞在糧谷制品、發(fā)酵制品、保健制品的開發(fā)方面應(yīng)用廣泛，但現(xiàn)有青稞產(chǎn)品多數(shù)只添加少量青稞原料，無法良好體現(xiàn)青稞的健康功效。隨著消費者對營養(yǎng)均衡的重視及膳食結(jié)構(gòu)的改變，在煮飯時開始添加雜糧雜豆。青稞米胚乳細胞壁較厚[3]的結(jié)構(gòu)特征限制了蒸煮過程中淀粉顆粒對水分的吸收，導(dǎo)致其不能滿足與大米同煮同熟的需求。目前通常采用浸泡的預(yù)處理方式來縮短雜糧的蒸煮時間，但多數(shù)雜糧內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密、質(zhì)地較硬，通常需要長時間浸泡，不符合當(dāng)今快節(jié)奏的生活方式[4，5]，且容易造成細菌滋生及活性物質(zhì)溶出[6]。已有的技術(shù)工藝多采用將青稞米與大米等進行互配重組、擠壓膨化或破碎處理，這破壞了谷物籽粒的天然結(jié)構(gòu)，淀粉的消化特性被改變，消費者認同度低[7]。因此，探究在保證青稞籽粒結(jié)構(gòu)完整的前提下改善其蒸煮性能的適度加工方法尤為重要。

高溫流化即通過熱空氣干燥對谷物顆粒進行處理，耗時短、熱量分布均勻，且熱傳遞效率高。卜玲娟等[8]、滕菲等[9]發(fā)現(xiàn)經(jīng)高溫流化處理的糙米和黑米的蒸煮食用品質(zhì)提高，同時解決了其蒸煮難、口感硬、糠味重等問題。Li等[10]發(fā)現(xiàn)高溫流化處理使得發(fā)芽糙米淀粉的相對結(jié)晶度降低，且蒸煮硬度顯著降低[11]。介敏等[12]優(yōu)化了高溫流化改良紅小豆蒸煮品質(zhì)的工藝，并通過結(jié)構(gòu)特性、水分遷移等來探究紅小豆蒸煮品質(zhì)得到改善的原因[13]。

目前關(guān)于高溫流化改良青稞米蒸煮品質(zhì)的研究較少，本研究應(yīng)用該技術(shù)處理青稞米，考察流化溫度、處理時間、進料速度和補水量對青稞米蒸煮品質(zhì)的影響，并通過正交實驗得出最佳處理參數(shù)，以達到與大米同煮同熟、口感良好的效果。為探究高溫流化改善青稞米蒸煮品質(zhì)的機理，從結(jié)構(gòu)形態(tài)、淀粉晶型結(jié)構(gòu)和糊化特性等進行分析表征。

1 材料與方法

1.1 材料

青稞米：藏青2000；淮稻5號。

1.2 儀器與設(shè)備

CFXB20FC17-35蘇泊爾智能電飯煲，D2 PHASER X射線衍射儀，TA-XT Plus物性分析儀，RVA 4500快速黏度分析儀，SU8100冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡，HHS-21-6電熱恒溫水浴鍋。高溫流化設(shè)備為實驗室自制熱空氣流化干燥機，主要部分為流化室與燃燒器，設(shè)備示意圖見圖1。

圖1 高溫流化設(shè)備示意圖

1.3 方法

1.3.1 單因素實驗

1.3.1.1 流化溫度對青稞米蒸煮品質(zhì)的影響

將青稞米原料倒入料斗，流化室溫度分別設(shè)置為170、175、180、185 ℃，青稞米以60 kg/h的進料速度輸送至流化室處理60 s，出料后冷卻至室溫。通過測定青稞米與白米同煮后的硬度來選擇最佳流化溫度。

1.3.1.2 進料速度對青稞米蒸煮品質(zhì)的影響

將青稞米原料倒入料斗，流化室溫度設(shè)置為180 ℃，青稞米分別以45、60、75、90 kg/h的進料速度輸送至流化室處理60 s，出料后冷卻至室溫。通過測定青稞米與白米同煮后的硬度來選擇最佳進料速度。

1.3.1.3 處理時間對青稞米蒸煮品質(zhì)的影響

將青稞米原料倒入料斗，流化室溫度設(shè)置為180 ℃，青稞米以60 kg/h的進料速度輸送至流化室分別處理20、40、60、80 s，出料后冷卻至室溫。通過測定青稞米與白米同煮后的硬度來選擇最佳處理時間。

1.3.1.4 補水量對青稞米蒸煮品質(zhì)的影響

對青稞米原料進行補水處理，使青稞米的含水量提升2%、4%、6%、8%。將補過水的青稞米倒入料斗，流化室溫度設(shè)置為180 ℃，青稞米以60 kg/h的進料速度輸送至流化室處理60 s，出料后冷卻至室溫。通過測定青稞米與白米同煮后的硬度來選擇最佳補水量。

1.3.2 正交實驗

選擇影響青稞米蒸煮硬度的因素：流化溫度、處理時間、進料速度、補水質(zhì)量分數(shù)。根據(jù)單因素實驗的結(jié)果，進行四因素三水平正交實驗，設(shè)計方案如表1所示。

表1 正交實驗的設(shè)計

1.3.3 含水量的測定

參照GB 5009.3—2016的方法進行測定。

1.3.4 吸水率的測定

在離心管中放入事先稱好的5.0 g青稞米，加入30 mL去離子水后在30 ℃條件下恒溫水浴，分別浸泡0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 h。浸泡時間到達時，用漏斗瀝干水分并擦干青稞米表面的殘余水分，稱其質(zhì)量并依據(jù)公式計算，得到青稞米的浸泡吸水率[14]。

式中：m1為吸水后樣品質(zhì)量/g；m2為吸水前樣品質(zhì)量/g。

1.3.5 質(zhì)構(gòu)特性的測定

稱取青稞米25 g和精米75 g進行混勻，淘米后按照米水比1∶1.9添加水于電飯煲中蒸煮，蒸煮結(jié)束后保溫25 min。采用質(zhì)構(gòu)儀的TPA模式測試青稞米的質(zhì)構(gòu)特性，參照楊曉娜[15]的測試方式并做適當(dāng)調(diào)整。從青稞米飯中間不同位置挑選3粒外觀、大小相近的青稞米放射狀置于測試臺上，目標值設(shè)定為50%，觸發(fā)點為5.0 g，探頭選用P/25，探頭的測前速度、測試速度和測后速度分別為2.0、0.5、0.5 mm/s。在10個平行結(jié)果中去掉最大值和最小值，并取平均值。

1.3.6 青稞米橫截面形態(tài)觀察

將青稞米橫向切片，進行真空噴鍍金膜，在加速電壓3 kV的條件對其進行35、300、1 000倍的掃描觀察。

1.3.7 晶型結(jié)構(gòu)分析

通過X-射線衍射儀對淀粉的晶型結(jié)構(gòu)進行測定，測試前將青稞米粉置于濕度高的環(huán)境中平衡12 h。測試參數(shù)：掃描速率0.5 s/步，測試步長0.05(°)/步，掃描區(qū)間為5°～50°。用MDI Jade6.0軟件分析處理得到的X衍射圖譜，得到其相對結(jié)晶度。

1.3.8 糊化特性分析

通過快速黏度分析儀測定青稞米粉的糊化參數(shù)。按照3.0 g校準所需樣品質(zhì)量、12%校準水分體積。測定程序：50 ℃保持1 min；從50 ℃上升至95 ℃，速率為12 ℃/min；在95 ℃保持2.5 min；以12 ℃/min的速率冷卻至50 ℃；50 ℃保持2 min。根據(jù)RVA的糊化曲線得到峰值黏度、谷值黏度、最終黏度、糊化溫度、崩解值、回生值等參數(shù)。

1.3.9 糊化度的測定

按照1.3.6所述制備青稞米飯，挑出其中的青稞米進行真空冷凍干燥，并粉碎過篩得到樣品。參考熊易強[16]的實驗方法測定糊化度。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

除硬度外，實驗每次測3個平行，數(shù)值結(jié)果以平均值±標準差的形式表示。用SPSS Statistics 22進行方差分析與顯著性分析。采用Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 流化溫度對青稞米蒸煮硬度的影響

由圖2可知，青稞米的蒸煮硬度隨處理溫度的升高呈下降趨勢，185 ℃條件下處理得到的青稞米蒸煮硬度最低。高溫流化處理過程中，水分梯度差產(chǎn)生的應(yīng)力使得青稞米表面產(chǎn)生細微裂縫，從而提升蒸煮過程中青稞米的吸水性能。研究表明，谷物表面的微小裂縫形成的水分通道可促進蒸煮過程中水分向內(nèi)胚乳的滲透，從而降低米飯硬度，改善蒸煮食用品質(zhì)[17]。分析可知，180～185 ℃青稞米的蒸煮硬度雖然有所下降，但差異不顯著(P>0.05)。由此，高溫流化處理青稞米的最佳溫度為180 ℃。

2.1.2 進料速度對青稞米蒸煮硬度的影響

在高溫流化處理時，當(dāng)熱量供給恒定時，進料速度越快每粒青稞米吸收的熱量就越少。圖2為進料速度對青稞米蒸煮硬度的影響，青稞米硬度隨著進料速度的提高呈現(xiàn)上升趨勢，進料速度為45 kg/h時，青稞米蒸煮硬度最低；進料速度上升至60 kg/h時，蒸煮硬度變化不明顯；而當(dāng)進料速度大于60kg/h時，蒸煮硬度顯著增大(P<0.05)。由于進料速度和生產(chǎn)效率呈正相關(guān)，為提高生產(chǎn)效率，進料速度60 kg/h最合適。

2.1.3 處理時間對青稞米蒸煮硬度的影響

由圖2可知，隨著流化時間的增加，青稞米蒸煮硬度逐漸降低。與原料的蒸煮硬度相比，處理時間為20 s時的青稞米蒸煮硬度為1 742.06 g，兩者沒有顯著差異(P>0.05)。當(dāng)處理時間增加至40、60 s時，青稞米的蒸煮硬度顯著降低(P<0.05)。而當(dāng)處理時間達到80 s時，青稞米出現(xiàn)過度美拉德反應(yīng)[18]，表面焦化嚴重。因此，選擇60 s為青稞米的最佳流化處理時間。

2.1.4 補水量對青稞米蒸煮硬度的影響

對原料流化前的補水處理有助于改良其蒸煮品質(zhì)，且合適參數(shù)條件的流化處理可帶走青稞米補充的多余水分，不會影響后續(xù)儲藏[12]。由圖2可知，隨著補水量的增加，青稞米硬度呈先降低后升高趨勢。流化前的補水處理軟化了青稞米的胚乳質(zhì)地，使其內(nèi)部蛋白質(zhì)與淀粉粒的結(jié)合力減弱[19]，因此，流化處理過程中的熱量傳導(dǎo)更為均衡，且高溫流化處理過后的青稞米胚乳細胞間的緊密度低于未補水的青稞米。較低的胚乳細胞緊密度加速了蒸煮過程中水分的滲入，故補水使得青稞米蒸煮硬度降低。由于補水使青稞米含水量提高6%蒸煮硬度最低，故選其為最佳補水量。

圖2 流化溫度、進料速度、處理時間和補水量對青稞米蒸煮硬度的影響

2.2 正交實驗

由表2可知，對青稞米蒸煮硬度影響的大小順序為：溫度>補水量>處理時間>進料速度。由此，以蒸煮硬度為指標得到的最佳工藝參數(shù)組合為A1B1C2D3，即流化溫度175 ℃、不補水、進料速度60 kg/h、處理時間80 s。以此參數(shù)處理青稞米并進行驗證實驗，結(jié)果見表3。青稞米經(jīng)過高溫流化處理后，吸水性能得到顯著改善，同時蒸煮硬度降低至1 409.75 g，接近于白米飯的硬度1 367.80 g[8]。

表2 正交實驗結(jié)果分析

表3 驗證實驗及其結(jié)果

2.3 高溫流化對青稞米食味品質(zhì)和淀粉糊化度的改善效果

2.3.1 高溫流化處理前后青稞米飯的質(zhì)構(gòu)特性

如表4所示，青稞米經(jīng)高溫流化處理后，硬度、咀嚼性降低，黏著性、彈性增加。研究表明，質(zhì)構(gòu)特性中的硬度和彈性與感官評價中適口性指標呈顯著負相關(guān)，米飯適口性評價的關(guān)鍵質(zhì)構(gòu)指標為硬度和彈性[20]。黏著性亦能反映米飯感官品質(zhì)，黏著性值越高則米飯越松軟可口；咀嚼性和感官評分呈顯著負相關(guān)[21]。高溫流化處理青稞米硬度值的降低與黏著性的增大使其具有良好適口性，彈性值雖然有所提高，但是差異不顯著(P>0.05)。青稞米經(jīng)高溫流化處理，咀嚼性顯著降低(P<0.05)，適口性提高。經(jīng)高溫流化處理的青稞米在與白米同煮時能同熟，且食味品質(zhì)得到改善。

表4 青稞米飯的質(zhì)構(gòu)特性

2.3.2 高溫流化處理前后青稞米飯的淀粉糊化度

由表5可以看出，青稞米飯中高溫流化青稞米糊化度顯著高于原料青稞米的糊化度(P<0.05)，高溫流化青稞米的淀粉糊化度達95.01%，在蒸煮過程中基本全部糊化。高溫流化處理使青稞米部分淀粉顆粒發(fā)生一定程度的糊化，其吸水溶脹破裂，結(jié)構(gòu)不可逆地由有序轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序。蒸煮過程中，高溫流化青稞米吸水更加充分，淀粉更易糊化，進而青稞米飯的糊化度提高，蒸煮硬度降低[22]，與2.3.1質(zhì)構(gòu)特性結(jié)果相一致，白潔等[23]的研究中亦發(fā)現(xiàn)蒸煮硬度與糊化度呈負相關(guān)。此外，糊化度高的淀粉越容易被人體的酶水解，高溫流化青稞米更有利于腸道的消化吸收[24]。

表5 青稞米飯的糊化度

2.4 高溫流化改善青稞米蒸煮品質(zhì)的原因探索

2.4.1 高溫流化處理前后橫截面形態(tài)的變化

用SEM觀察高溫流化處理前后青稞米的橫截面形態(tài)，結(jié)果如圖3所示，橫截面近似圓形形態(tài)的顆粒與仁欣等[25]通過SEM觀察的青稞淀粉顆粒形態(tài)相似，由此可推測橫截面的橢圓顆粒即為淀粉顆粒。由圖3a、圖3c可以看出，原料青稞米的橫截面質(zhì)構(gòu)均勻、較為規(guī)整光滑，胚乳細胞緊密排列，淀粉顆粒堆疊在一起并包裹其中，這與紅小豆[23]、大米[26]等橫截面的微觀結(jié)構(gòu)相似。由圖3b、圖3d所示的流化青稞米橫截面可以看出，高溫流化處理使青稞米內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的改變，淀粉顆粒經(jīng)流化處理顆粒膨脹、直徑增大；部分相鄰淀粉粒之間由于糊化作用出現(xiàn)融合現(xiàn)象，邊界模糊甚至消失，與紅小豆蒸煮[23]及百合熱燙[27]過程中淀粉顆粒的糊化現(xiàn)象一致。高溫流化處理后的青稞米淀粉顆粒產(chǎn)生間隙，排列變得疏松，這有利于蒸煮過程中水分滲入淀粉顆粒間隙使其充分吸水糊化。因此，在相同的蒸煮條件下，高溫流化青稞米的硬度顯著低于未處理青稞米。

圖3 青稞米橫截面形態(tài)

2.4.2 高溫流化對青稞米粉晶型結(jié)構(gòu)的影響

如圖4所示，青稞米淀粉是典型的A型圖譜，在2θ為15°、17°、18°及23°附近有4個較為明顯的特征峰。經(jīng)過高溫流化處理后，淀粉的出峰位置沒有明顯的變化，說明高溫流化處理并沒有導(dǎo)致青稞米淀粉的結(jié)晶構(gòu)型發(fā)生變化，但結(jié)晶峰趨于平緩，結(jié)晶度由10.41%降低至8.49%。青稞米20°附近的較弱衍射峰是直鏈淀粉與脂的無定型峰，說明青稞淀粉中有內(nèi)源性的淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物[28]。與原料青稞米淀粉相比，流化青稞米淀粉在20°附近的衍射峰略微增強，說明在熱作用下青稞米中直鏈淀粉與脂肪形成更多復(fù)合物。A型結(jié)構(gòu)的減少、結(jié)晶度的降低與Horrungsiwat等[29]過熱蒸汽干燥白米的研究結(jié)果一致。另一方面，高溫流化處理過程中，部分淀粉發(fā)生糊化，分子結(jié)晶區(qū)的部分氫鍵斷裂，原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)的展開和解離，這有助于改善蒸煮過程中淀粉顆粒的吸水性能[30]。

圖4 青稞米的X-衍射圖譜

2.4.3 高溫流化對青稞米糊化特性的影響

由表6可知，高溫流化使青稞米淀粉糊化溫度升高，糊化黏度、回生值、崩解值均降低。流化青稞米的峰值黏度與最終黏度均低于原料青稞米，可能是高溫處理過程中淀粉發(fā)生預(yù)糊化，顆粒破壞導(dǎo)致直鏈分子溶出，短直鏈分子集聚而形成耐熱結(jié)構(gòu)，故總體黏度降低[31]。糊化溫度作為表征淀粉糊化難易程度的指標，其值高代表淀粉結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、顆粒不易被破壞，更耐蒸煮，同時糊化溫度與蒸煮品質(zhì)呈正相關(guān)[32]。糊化溫度升高可能是因為高溫流化處理過程中形成的復(fù)合物附著在淀粉顆粒表面，阻礙了糊化時淀粉顆粒的膨脹，由于淀粉-脂類復(fù)合物在溫度趨于100 ℃時會溶解，故少量復(fù)合物并不影響其蒸煮[33]。

表6 青稞米粉的糊化特性

崩解值由已經(jīng)糊化的淀粉顆粒結(jié)構(gòu)瓦解引起，高溫流化使得淀粉的抗剪切力和耐攪拌力明顯提高。原料青稞米淀粉的膨脹能力大，顆粒內(nèi)部分子間結(jié)合力較弱，故容易在剪切作用下發(fā)生破裂與瓦解，其崩解值較高反映了這一特征[26]?；厣捣从车矸鄣睦匣厔?，回生值越大的青稞米越易老化，即食用品質(zhì)降低。推測高溫流化處理使得青稞米內(nèi)部蛋白間二硫鍵絡(luò)合作用增強，蛋白質(zhì)水溶特性和淀粉-蛋白質(zhì)交聯(lián)作用降低，因而抑制了淀粉的老化[25]。因此，與原料青稞米淀粉相比，高溫流化青稞米更耐蒸煮且不易老化，蒸煮食用品質(zhì)得到提升。

2.4.4 高溫流化對青稞米吸水性能的影響

蒸煮是水分通過胚乳細胞的間隙進入青稞米內(nèi)部，胚乳細胞中淀粉顆粒在水與熱的作用下發(fā)生糊化行為的過程。因此，吸水性能與蒸煮品質(zhì)密切相關(guān)，而青稞米胚乳細胞間的致密性及較厚的胚乳細胞壁影響了蒸煮過程中水分的遷移。由圖5可以看出，高溫流化青稞米吸水性能顯著高于未處理青稞米。隨著浸泡的延長，青稞米吸水率呈增大趨勢，吸水曲線變平表示青稞米趨于吸水飽和。高溫處理的過程中，水分蒸發(fā)速率的差異使得青稞米內(nèi)部產(chǎn)生水分梯度，水分梯度差產(chǎn)生超過本身結(jié)構(gòu)能承受的應(yīng)力時青稞米產(chǎn)生的微縫形成水分進入的通道，吸水性能得以改善。因此，蒸煮過程中淀粉與水得以充分反應(yīng)，得到的青稞米飯適口性更好。此外，處理過后青稞米密度降低、組織較為疏松，可能是吸水能力提高的另一原因[34]。

注：小寫字母不同表示青稞米浸泡不同時間的吸水率差異顯著(P<0.05)；大寫字母不同表示原料青稞米和流化青稞米浸泡時間相同吸水率差異顯著(P<0.05)。 圖5 青稞米處理前后的吸水率變化

3 結(jié)論

高溫流化處理對青稞米的蒸煮品質(zhì)有良好的改善作用，最佳工藝參數(shù)為流化溫度175 ℃、處理時間80 s、進料速度60 kg/h，此參數(shù)條件下青稞米的蒸煮硬度為1 409.75 g。由此可見，高溫流化能夠有效解決青稞米胚乳細胞致密及胚乳細胞壁厚的結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致的吸水困難、蒸煮耗時和口感硬等問題，青稞米不用浸泡即可與白米同煮同熟。高溫流化使得青稞米淀粉顆粒緊密度降低、相對結(jié)晶度下降、糊化特性發(fā)生改變，同時改善了青稞米的吸水性能。