L-半胱氨酸抑制即食米飯黃變作用機制研究

趙培城 鄧沙沙 呂 飛 丁玉庭

(浙江工業大學生物工程與環境學院，杭州 310014)

米飯是我國人民喜愛的主食之一，隨著現代生活節奏加快，開發即食米飯已成為社會關注的焦點。國內外對即食米飯的開發進行了大量研究，但主要集中在生產工藝和干燥方法的技術改良方面。傳統脫水米飯的工業化生產主要是采用脫水干燥方式延長保質期，在一定程度上降低了米飯的品質，如復水后口感較差，香味和營養損失等，因此開發保持新鮮烹調風味的常溫即食米飯成為行業的發展趨勢，此類型米飯用微波加熱即可食用，但常溫即食米飯貯藏過程中易出現色澤黃變現象，不僅影響米飯的感官品質，而且還會引起營養物質的損失、糠醛和5-羥甲基糠醛[1]等有害物質的生成。黃變現象的產生主要是即食米飯在加工和貯藏過程中還原糖與氨基酸、蛋白質之間發生了美拉德反應；含有氨基的化合物和含有羰基的化合物之間經縮合、聚合而生成類黑精[2]。

目前市場上的黃變抑制劑主要是亞硫酸化合物，但是亞硫酸對人體健康有害，為此出現了對還原型化合物如抗壞血酸及其衍生物、谷胱甘肽、L-半胱氨酸抑制黃變的效果的研究[3]。L-半胱氨酸是一種具有生理功能的氨基酸，是組成蛋白質的20種氨基酸中唯一獨特且活潑(含巰基)的氨基酸[4-5]，能有效抑制蛋白質或其他氨基酸與糖發生美拉德反應。研究已發現L-半胱氨酸能有效抑制果蔬制品的非酶褐變[6]，但目前鮮有L-半胱氨酸對即食米飯黃變的抑制作用及相關機理的研究，因此，本試驗通過研究L-半胱氨酸對即食米飯的品質影響，探討其抑制即食米飯黃變的作用機制。

1 材料和方法

1.1 材料

東北大米：市售，2012年粳米，五常市金福糧油有限公司，冰箱4 ℃儲藏；L-半胱氨酸：食品級，河南明瑞食品添加劑有限公司；碳酸鈉：食品級，寧波新之源化工有限公司。

1.2 儀器設備

DZQ-400真空包裝機：上海申越包裝機械制造有限公司；FreeZone 6L冷凍干燥機：美國Labconco公司；QE-100高速中藥粉碎機：浙江武義縣屹立工具有限公司；TA.XT Plus 物性測試儀：英國Stable Micro Systems公司；HunterLab Color Q色差儀：美國HunterLab公司；Hitachi S-4700電子顯微鏡：日本Hitachi公司；Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜儀：美國熱電尼高力公司；X’pert PRO型X射線衍射儀：荷蘭Panalytical公司；DSC-1差式掃描量熱儀：德國Mettler Toledo公司。

1.3 即食米飯的蒸煮工藝

稱取10 g大米，用蒸餾水清洗2遍，瀝干，置入小鋁盒中。按1∶1.3(W/W)的比例加入浸泡液，室溫浸泡30 min，蒸煮40 min，燜制20 min ，制得即食米飯。試驗用浸泡液分別為蒸餾水、0.03%L-半胱氨酸溶液及其鈉鹽(0.03%L-半胱氨酸用微量碳酸鈉調制中性)溶液，分別標記為對照組(CK)、L-半胱氨酸組(EG)、L-半胱氨酸鈉鹽組(EC)(由于L-半胱氨酸含有羧基，考慮到pH的影響，設計EC組作為EG組的試驗對照組)。

1.4 L-半胱氨酸對即食米飯品質的影響

1.4.1 即食米飯質構特性的測定

將蒸煮好的米飯樣品冷卻到室溫后，用物性測試儀測定米飯蒸煮的硬度、黏性，測定條件：質構儀探頭P36R；測前速度0.5 mm/s；測試速度0.5 mm/s；測后速度10 mm/s；壓縮比例90%。測定時，每次從蒸煮好的米飯樣品中間層的不同部位隨機取出3粒米，對稱放置在物性儀載物臺上進行測定[7]。每種樣品測定6次，去掉最大、最小測定結果，取4次測定結果并計算平均值、標準差。

1.4.2 即食米飯的感官評價

將蒸煮好的米飯樣品，參照《糧油檢驗稻谷、大米蒸煮食用品質感官評價方法》GB/T 15682—2008[8]，選取10名品評員為米飯進行打分，品評米飯的氣味(0～20 分)、外觀結構(0～20 分)、適口性(包括黏性、彈性、軟硬度)(0～30 分)、滋味(0～25 分)和冷飯質地(0～5 分)，綜合評分為各項得分之和。

1.4.3L-半胱氨酸對貯藏過程中即食米飯色澤變化的影響

將1.3所制得的3組即食米飯，分別裝入蒸煮袋中，進行真空包裝；放入高壓滅菌鍋中高溫121 ℃滅菌25 min，冷卻后分別放置在55 ℃恒溫下貯藏1個月(高溫存儲試驗)[9]，在第0、3、6、10、13、16、20、25、30天取樣，測定米飯樣品的L(亮度)、a(紅色度)、b(黃色度)。將色差儀的鏡頭口對準白板進行校正后，把米飯樣品的表面置于被測部位[10]，樣品經1次測定后，分別旋轉120°和240°后再各測1次，重復測定3次，取平均值，觀察ΔE(總色差)、b值的變化。

式中：Lo、ao、bo分別為每組米飯蒸煮滅菌后測得的色差值；Lt、at、bt分別為每組米飯貯藏一定時間后測得的色差值。

1.5 L-半胱氨酸對即食米飯微觀性質的影響

1.5.1 電子顯微鏡

將所制得的3組即食米飯樣品及生米真空冷凍干燥2～3 d，用粉碎機粉碎，過100 目篩，得米飯和生米的粉末狀細小顆粒物，為米粉試樣材料。

將試驗所得的3組即食米飯的米粉與生米粉(BG)共4組樣品分別用雙面膠帶粘在樣平臺上，鍍金，在15 kv加速電壓下觀察并拍照[11]。

1.5.2 傅里葉紅外光譜

用KBr壓片法在4 000～400 cm-1分別對1.5.1試驗所得的4組米粉樣品進行紅外掃描，得到紅外光譜圖[12-13]。

1.5.3 X射線衍射儀

將1.5.1試驗所得的4組米粉樣品分別用X射線衍射儀進行掃描，衍射角范圍為10°～70°；步長為0.02；掃描速率為10 (°/min)；X射線源：Cu靶 Kα射線(λ=0.154 056 nm)；發射及防反射狹縫1°，接受狹縫0.3 mm；管壓：40 kv，管流：40 mA[14]。

1.5.4 差示熱量掃描儀

將生大米用粉粹機粉碎后過100目篩，得到生米米粉，分別稱取200 mg與1.3步驟中的試驗用浸泡液按1∶5(W/W)的比例混合均勻，密封后隔夜放置平衡，再進行DSC測試。測試參數：初始溫度20 ℃，終止溫度120 ℃，升溫速率為5 ℃/min，氮氣流量40 mL/min[15]。用To表示糊化起始溫度，Tp表示糊化高峰溫度，Tc表示相變最終溫度，ΔH表示淀粉糊化的吸熱焓。

1.6 數據分析

數據統計分析采用SSPS 17.0(Analytical Software公司)軟件進行處理，結果表述為平均值±標準差。各處理間的數據采用單因素方差分析法分析，進行方差齊次性檢驗，并采用最小顯著差數法(LSD)進行多重比較，取95%置信度(P<0.05)。

2 結果分析

2.1 L-半胱氨酸對即食米飯品質的影響

2.1.1L-半胱氨酸對即食米飯質構和感官品質的影響

L-半胱氨酸及其鈉鹽蒸煮對即食米飯質構和感官品質的影響如表1所示。EG組米飯硬度顯著低于CK和EC組(P<0.05)，這可能是由于L-半胱氨酸酸性條件下，米粒的表面結構受到一定的侵蝕，大米淀粉結構遭到破壞，大米淀粉顆粒充分吸水膨脹，使得硬度減小。EG組米飯黏性比CK和EC組顯著升高(P<0.05)，也是由于L-半胱氨酸酸性作用下，有利于淀粉在蒸煮過程中溶出，導致米飯黏性的增加。這與Shin等[16]的研究結果相一致，他們發現檸檬酸處理的大米淀粉包含支鏈淀粉的酸解物(包括直線型和分支結構) 和直鏈淀粉，淀粉的表觀直鏈淀粉含量增加。趙國華等[5]發現加熱會使蛋白質與含硫氨基酸之間發生巰基—二硫交換反應，改善食品的質地，如提高面團的黏彈性。本研究中發現L-半胱氨酸及其鈉鹽可以改善蒸煮米飯的感官指標，米飯的光澤度和黏彈性增加；大米經過L-半胱氨酸浸泡進行蒸煮，會發生酸解作用，從而降低部分支鏈淀粉和直連淀粉的分子量，使得米飯利于延伸并且透明、有光澤。Nakatani等[17]研究了以檸檬酸為主要組成成分的果汁也可以令米飯更透明，更有光澤并且更具有黏性。

表1 L-半胱氨酸對即食米飯質構和感官品質的影響

表2 L-半胱氨酸對貯藏過程中即食米飯ΔE和b的變化

注：不同小寫字母表示同一處理條件、不同儲藏時間下，即食米飯ΔE和b差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示同一儲藏時間下、不同處理條件下，即食米飯ΔE和b差異顯著(P<0.05)。

2.1.2L-半胱氨酸對貯藏過程中即食米飯色澤變化的影響

從表2中ΔE和b值的變化可以看出，即食米飯色澤值ΔE和b值在第10天后均出現較大幅度的變化(P<0.05)，且EG組和EC組即食米飯的ΔE和b值均顯著低于CK組(P<0.05)，且EG組和EC組的ΔE和b值差異不顯著(P>0.05)，表明L-半胱氨酸及其鈉鹽對貯藏過程中即食米飯的黃變現象均有一定的抑制作用。已有研究發現含巰基氨基酸對酶促和非酶促褐變都有強烈的抑制作用，以同樣摩爾數添加，其效果與亞硫酸鹽近似，Ozoglu等[3]研究發現L-半胱氨酸的巰基能與酚的氧化產物醌先加和，抑制含氨基化合物的加和，從而有效抑制褐變產物的形成，其機理與抑制非酶褐變近似。

2.2 L-半胱氨酸對即食米飯微觀性質的影響

2.2.1 電子顯微鏡觀察

即食米飯經L-半胱氨酸處理前后的微觀結構如圖1所示。BG組可以清晰地看見半晶體狀的淀粉粒排列緊密且形狀規則，但蒸煮后淀粉粒形態完全改變，淀粉顆粒膨脹已完全糊化形成絮狀或小塊狀的蓬松物質[18]，這些物質相互交互成細微空隙，Pongthorn等[19]研究發現米飯的微觀結構中孔隙越大，海綿狀紋理的厚度越薄，米飯的硬度越大；有合適大小孔隙的米飯蓬松度和糊化程度均較好。本試驗發現CK和EC組米粉表面比較光滑，形成的孔隙比較大，海綿狀紋理的厚度較薄，因而米飯硬度比較大，這與表1中CK和EC組米飯硬度較大的結果相一致；圖1中還可發現EG組的米粉粒表面被部分侵蝕而變得粗糙甚至出現淺層裂痕，是因為L-半胱氨酸含羧基呈酸性，使米淀粉內部結構受到破壞，這與李源等[20]研究檸檬酸對大米淀粉的微觀結構影響的結果相一致。

2.2.2 傅里葉紅外光譜分析

圖1 即食米飯經L-半胱氨酸處理前后的SEM圖

L-半胱氨酸處理前后米飯樣品的紅外光譜圖如圖2所示。BG組米粉在3 390、2 910、1 149 cm-1附近均具有強吸收峰，它們分別是氫鍵締合伸縮振動吸收峰、碳氫鍵反對稱伸縮振動峰、C-O-C 鍵伸縮振動峰；另外還有1 008、1 058、1 149 cm-1附近分別是伯醇、仲醇、叔醇的C-O伸縮振動吸收特征峰，以及584、752、838 cm-1附近處都是-CH2的搖擺振動吸收特征峰，上述這些峰都屬于原淀粉的特征吸收峰[21]，但是除了原淀粉的吸收峰以外，米粉在1 510 cm-1處也有強峰，應為蛋白質的酰胺Ⅱ峰。經L-半胱氨酸處理后，EG和EC組蛋白質的酰胺Ⅱ峰由1 510 cm-1向1 565 cm-1附近偏移，這可能是L-半胱氨酸的巰基與蛋白質之間發生了二硫交換反應的緣故，另外，EG和EC組在1 764 cm-1附件處多了1個較強峰，應為C-S的伸縮振動峰，相關研究也發現L-半胱氨酸的巰基與羰基化合物會發生親和加成反應生成C-S鍵，巰基硫原子極化形成的空d軌道重疊后親核作用增強，因而在親核加成反應中-SH的反應速度比-NH2高200～300倍，使羰基化合物優先于-SH加成反應而抑制褐變[5]。

圖2 即食米飯經L-半胱氨酸處理前后的紅外圖譜

2.2.3 X-射線衍射分析

圖3為L-半胱氨酸處理前后米飯樣品的X射線衍射圖譜，用X’Pert Highscore Plus軟件尋找圖3中的主要衍射峰并讀出相應的峰強度，計算出結晶度于表3中。由BG組X射線衍射圖譜及相關參數可以看出，大米淀粉是典型的A型淀粉圖譜[22]，其在X射線衍射圖譜上的特征峰對應的2θ角度值分別為15.14、17.28、18.58、23.08，這4個峰的強度均較高。各組峰的位置和強度變化不大，說明大米淀粉的結晶結構沒有造成較大破壞，也沒有改變大米淀粉的晶體類型，且每組的結晶度相對于生淀粉組都有所降低，說明大米糊化過程中結晶度會減小。CK和EC組的衍射圖譜峰強度及位置發生了一些融合，具體表現為生淀粉的2個最強峰逐漸下降并融合，EC組比CK組的結晶度低，可能是因為巰基與羰基化合物發生親和加成反應或是巰基與蛋白質發生二硫交換反應[5]，阻礙了糊化過程中對淀粉無定形區的破壞，同樣L-半胱氨酸對米飯也有相同作用，但表3顯示EG組的結晶度比CK組稍有增加，可能是因為L-半胱氨酸含有羧基，在酸性條件下，一方面起到了分解淀粉的作用，另一方面又會使無定形區部分消失。

圖3 即食米飯經L-半胱氨酸處理前后的X-射線衍射圖譜

2.2.4 差示掃描量熱分析

表4為L-半胱氨酸及其鈉鹽蒸煮米飯的熱力學參數表，相變初始溫度To、吸熱高峰溫度Tp、相變最終溫度Tc的大小與支鏈淀粉短鏈的長度有關，取決于結晶區的分子結構而不是結晶區的比例或支鏈淀粉/直鏈淀粉的比例[23]。由表3可以看出，EG和EC組米飯的To、Tp、Tc都稍有增加，說明在蒸煮過程中由于酸和熱的雙重作用下，樣品的分子結構發生了變化但變化不大。半峰寬度Tp-To與微晶的形狀與大小有關[24]，EC組的Tp-To與EC組相比變化不大，說明L-半胱氨酸鈉鹽處理米飯對微晶的穩定性影響較小；而EG組的Tp-To變大，說明EG組米飯的微晶形狀和大小都發生了變化，從上述XRD分析中可知EG組比CK組結晶度增大，說明Tp-To變大伴隨著微晶區比例的增大。吸熱焓ΔH與淀粉在相變過程中雙螺旋鏈的解開和熔融所需要的能量有關，EG和EC組的ΔH都變大，說明其中的雙螺旋結構最穩定，這可能是L-半胱氨酸的巰基與糖基化合物發生親核加成反應，并保護其雙螺旋結構，使其更趨于穩定，發生相變就需要更多的能量。

表3 即食米飯L-半胱氨酸處理前后的主要衍射峰強度和結晶度

表4 L-半胱氨酸處理前后米飯的熱力學性質參數

3 結論

米飯經L-半胱氨酸處理后，由于L-半胱氨酸的酸解作用，使米粉粒表面被部分侵蝕而變得粗糙甚至出現淺層裂痕，導致米飯的硬度減小；同時酸性條件下有利于蒸煮過程中淀粉的溶出，導致米飯的黏性增大。在傅里葉紅外光譜中發現有新的化學鍵C-S鍵生成，L-半胱氨酸的侵蝕會使米淀粉結構的無定形區會部分消失，使得結晶度稍有增大，L-半胱氨酸處理后米粉的焓變ΔH增大，差示熱量掃描與 X射線衍射得到的結論一致，都可推斷L-半胱氨酸的巰基可能與米飯中的羰基化合物發生了親核加成反應。由此可以得出L-半胱氨酸對即食米飯在貯藏過程中抑制黃變作用機制，即L-半胱氨酸的巰基與米飯中還原糖的羰基發生了親核加成反應，抑制了蛋白質或其他氨基酸與糖發生美拉德反應。

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