檸檬酸脫鎘對糙米粉結構及理化性質的影響

吳亞楠 鞠興榮 王志高 何 榮 袁 建 邢常瑞

(南京財經大學食品科學與工程學院；江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心；江蘇高校糧油質量安全控制及深加工重點實驗室1，南京 210023)(江南大學食品學院2，無錫 214122)

檸檬酸脫鎘對糙米粉結構及理化性質的影響

吳亞楠1鞠興榮1王志高2何 榮1袁 建1邢常瑞1

(南京財經大學食品科學與工程學院；江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心；
江蘇高校糧油質量安全控制及深加工重點實驗室1，南京 210023)
(江南大學食品學院2，無錫 214122)

在前期檸檬酸脫除糙米粉中鎘的研究基礎上，為進一步了解檸檬酸脫鎘對糙米粉品質的影響，采用掃描電鏡、X射線衍射儀、傅里葉變換紅外光譜儀、差示掃描量熱儀、快速黏度分析儀對檸檬酸脫鎘前后糙米粉的結構及理化性質進行了測定。結果顯示，酸處理糙米粉的直鏈淀粉含量顯著低于原糙米粉；酸處理糙米粉的表面變得粗糙，小顆粒淀粉數目增多，但未改變其晶體類型，也未產生新的化學鍵或基團；酸處理糙米粉的糊化開始溫度、峰值溫度、終止溫度均顯著降低，但吸熱焓增大；酸處理糙米粉的最高黏度、崩解值顯著增大，最低黏度、最終黏度、回生值、糊化溫度顯著降低。結果表明，檸檬酸脫鎘后糙米粉的結構未發生顯著變化，但品質有所提高。

檸檬酸 鎘 糙米粉 結構 理化性質

大米是世界上最重要的糧食之一，尤其是在亞洲，為人體提供總熱量攝入的35%～60%[1]。但由于受鎘污染嚴重，鎘污染大米的利用率大大降低。到目前為止，關于大米中鎘的脫除方法的研究報道不多，特別是對脫鎘后大米品質變化的研究更少。在前期的研究中，本課題組采用檸檬酸浸泡法脫除了糙米粉中的鎘，脫鎘率高達94%，獲得了鎘含量遠低于國家限量標準0.2 mg/kg的糙米粉，且脫鎘后糙米粉中的主要化學成分，如蛋白質、淀粉、脂肪的含量仍然很高[2]。熊善柏等[3]研究發現，用有機酸溶液浸泡大米，可改善米飯復水前后的色澤，改善制品的黏彈性及口感，增進米飯的香味和滋味，且在儲藏過程中不產生日曬味，品質穩定。但要深入了解酸處理對大米品質產生變化的原因，需對酸處理后的大米結構及理化性質進行進一步研究。有研究表明，淀粉-蛋白質復合物的理化性質較單一成分的理化性質有所不同[4]。而目前，對大米粉或糙米粉結構、理化性質的研究主要是通過分離淀粉和蛋白，分別對其結構和性質進行研究，很少有對大米粉或糙米粉的整體結構及理化性質的研究報道。本試驗在前期檸檬酸脫除糙米粉中鎘的研究基礎上，進一步研究該方法對糙米粉結構及理化性質的影響。通過測定檸檬酸脫鎘前后糙米粉的晶體結構、顆粒形態、分子結構、黏度特性及糊化特性的變化，研究檸檬酸脫鎘對糙米粉品質的影響，為檸檬酸脫鎘技術的應用提供更多的科學依據。

1 材料與方法

1.1 原料與設備

過100目篩的原糙米粉及檸檬酸脫鎘后的糙米粉：秈稻，湖南省，2015年收獲，4 ℃儲藏。

氫氧化鈉、乙酸、無水乙醇、碘、碘化鉀、石油醚、溴化鉀：均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司；馬鈴薯直鏈淀粉、支鏈淀粉標準樣品：黑龍江省農業科學院。

DPCZ-Ⅱ型直鏈淀粉測定儀：北京智海電子儀器廠有限公司；TM3000掃描電鏡：日本株式會社日立高新技術那珂事業所；D/max 2500/PC陽極轉靶X射線衍射儀：日本理學公司；TENSOR27傅里葉變換紅外光譜儀：德國Bruker公司；DSC8000差示掃描量熱儀：美國PerkinElmer公司；RVA-TecMaster快速黏度分析儀：澳大利亞Perten公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 糙米粉及脫鎘糙米粉的制備[2]

將糙米(秈稻米)粉碎，過80目篩，置于自封袋中，并于4 ℃儲藏，測其鎘含量為(0.957±0.014) mg/kg,含水量為(14.4±0.034)%。脫除糙米粉中的鎘，將3 g糙米粉置于50 mL錐形瓶中，加入36 mL 0.08 mol/L的檸檬酸溶液，加蓋，置于45 ℃的恒溫水浴振蕩器中以150 r/min的速度振蕩53 min。然后，用3層濾紙過濾，去除濾液，并用去離子水洗2遍，過濾，置于45 ℃烘箱中烘24 h，測其鎘含量為(0.055±0.001)mg/kg，含水量為(4.70±0.057)%。采用過100目篩的原糙米粉及脫鎘糙米粉進行結構及理化性質的研究。

1.2.2 直鏈淀粉含量的測定

前處理方法按照GB 7648—1987進行，采用直鏈淀粉儀測定。

1.2.3 糙米粉晶體結構的觀察

采用X-射線衍射儀(XRD)對檸檬酸脫鎘前后糙米粉的晶體結構進行檢測，測定條件：銅靶，石墨單色器，電壓為40 kV，電流為100 mA，發射狹縫為1°，防散射狹縫為1°，接受狹縫為0.15 mm，2θ掃描區間為4°～60°，掃描速度為5°/min，2θ/θ連續掃描，步長0.02°。參照陳福泉等[5]的方法進行分析，用MDI JADE7.0軟件計算結晶度。

1.2.4 掃描電鏡試驗

將樣品用導電膠固定在樣品臺上，真空噴金處理后，放入掃描電鏡(SEM)中，觀察并拍攝樣品的顆粒形貌，加速電壓為15 kV。

1.2.5 傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析

采用溴化鉀壓片法，樣品按1%的比例與溴化鉀充分混合、研磨、壓片，在4 000 ～ 400 cm-1范圍內對樣品進行掃描測量，分辨率為4 cm-1，得到檸檬酸脫鎘前后糙米粉的紅外光譜圖。

1.2.6 糊化特性的測定

采用快速黏度分析儀(RVA)對檸檬酸脫鎘前后糙米粉的糊化特性進行測定，稱取糙米粉樣品4.00 g于樣品盒中，加蒸餾水25 mL，于50 ℃保溫1 min，以12 ℃/min的升溫速率加熱到95 ℃，保溫2.5 min，再以12 ℃/min的降溫速率降溫至50 ℃，然后在50 ℃保溫2 min。攪拌器初始10 s內轉速為960 r/min，之后維持在160 r/min。

1.2.7 熱力學特性的測定

稱取4 mg糙米粉樣品，加入8 μL去離子水，壓蓋密封后，置于4 ℃冰箱中隔夜平衡。掃描溫度范圍：20～100 ℃，掃描速率：10 ℃/min，用差示掃描量熱儀(DSC)測定樣品的糊化溫度和熱焓值，以真空鋁制坩堝為參比。

1.2.8 數據分析

每組數據做3個平行測定，結果以平均值±標準差表示，并用JMP軟件進行studentt顯著性檢驗，用Origin軟件及Excel軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 直鏈淀粉含量的變化

直鏈淀粉含量是影響大米食用品質的最重要因素，表1為檸檬酸脫鎘前后糙米粉的直鏈淀粉含量。由表1可知，糙米粉經檸檬酸脫鎘處理后，其直鏈淀粉含量顯著降低，這可能是由于檸檬酸處理使部分直鏈淀粉發生了降解。這與雷群英[6]采用微生物發酵法獲得的脫鎘大米不同，其直鏈淀粉質量分數由23.75%增加到24.93%，可能是由于發酵浸泡的時間較長，導致大米中的其他化學成分如蛋白質、脂肪等損失較多，從而導致直鏈淀粉所占比例相對提高。之前研究表明，直鏈淀粉含量低的大米的食味品質比直鏈淀粉含量高的要好[7]。因此，本試驗所采用的檸檬酸處理條件不僅脫除了糙米粉中的鎘，而且提高了其食味品質。

表1 檸檬酸處理前后糙米粉的直鏈淀粉含量(干基)

注：同一列中字母不同表示在P<0.05水平差異顯著，下同。

2.2 糙米粉的晶體結構及顆粒形貌

糙米的主要成分是淀粉，淀粉是一種天然的多晶態聚合物，其顆粒結構包括結晶區和無定形區，結晶區主要由支鏈淀粉分子以雙螺旋結構形成，結構較為致密，不易受外力和化學試劑的作用；無定形區主要由直鏈淀粉分子以松散的結構形成，易受外力和化學試劑的作用[5]。從圖1中可以看出，檸檬酸處理后的糙米粉與原糙米粉的X射線衍射圖相似，均在2θ為15°、17°、18°、23°表現出強的衍射峰，說明檸檬酸處理后的糙米粉的淀粉晶體結構沒有發生變化，仍然為A型晶體結構。而王增興等[8]用0.1 mol/L醋酸溶液配制的普魯蘭酶溶液處理米飯，獲得了高抗性淀粉含量的米飯，但其晶體類型由A型轉變為V型，說明本試驗采用的檸檬酸處理條件較其他一些方法相對溫和，對淀粉晶體結構的影響較小。但檸檬酸處理后的糙米粉與原糙米粉相比，其結晶度有所增加，由19.2%增加到22.4%，這是由于檸檬酸處理糙米粉的過程中，結構較為致密的結晶區不易被水解，而結構較為松散的無定形區易被水解，使得無定形區的水解速率大于結晶區，而酸解后淀粉鏈斷裂形成的短鏈易于重排形成晶格小的微晶[9]，從而導致淀粉的結晶度增大，這與直鏈淀粉含量降低的結果一致。該結果與李源[10]報道的采用酸濕熱方法處理大米粉得到的結果不同，其結晶度由45.7%降低到41.8%，可能是由于該處理條件較為劇烈，對大米粉結晶區的破壞力較強，從而導致淀粉的結晶度減小。

圖1 檸檬酸處理前后糙米粉樣品的X射線衍射圖

采用掃描電鏡觀察檸檬酸脫鎘前后糙米粉的顆粒形態變化。圖2a為原糙米粉在3 000倍下的掃描電鏡圖，從中可以看出，原糙米粉以團粒的形式存在，呈不規則的多面體，表面光滑，相互之間連接緊密。檸檬酸脫鎘后糙米粉的顆粒形態如圖2b所示，其團粒結構依然存在，仍為不規則多面體，但表面變得粗糙，部分出現了凹陷、裂痕，且團粒周圍小顆粒淀粉的數量增多，這些小顆粒淀粉可能是在檸檬酸脫除糙米粉中鎘的同時被釋放出來的，小顆粒數目的增多也證明了無定形區主要存在于淀粉結構的內部，結晶區主要存在于淀粉的外層。綜上，酸處理對糙米粉的結構造成了一定的破壞，但糙米粉的團粒結構依然存在。

圖2 檸檬酸處理前后糙米粉的掃描電鏡圖

2.3 傅里葉變換紅外光譜分析

圖3 檸檬酸處理前后糙米粉的FTIR光譜圖

2.4 糊化特性分析

圖4是檸檬酸脫鎘前后糙米粉的RVA黏度曲線。酸處理前后糙米粉的黏度變化趨勢基本一致，當溫度低于糊化溫度時，淀粉顆粒僅存在吸水膨脹[13]，淀粉黏度很低且曲線平坦；當溫度高于糊化溫度時，晶體崩解，淀粉顆粒開始溶脹，黏度迅速升高，達到峰值黏度[14]；繼續受熱，淀粉顆粒破裂，直鏈淀粉大量溶出，黏度下降，達到最低黏度[15]；隨著溫度的降低，直鏈淀粉開始回生，黏度逐漸上升[16]。

圖4 檸檬酸處理前后糙米粉的RVA黏度曲線

表2是檸檬酸脫鎘前后糙米粉的黏度特征值，從中可以看出，酸處理前后糙米粉的峰值黏度、最低黏度、崩解值、最終黏度、回生值、糊化溫度都存在顯著性差異。有研究表明，直鏈淀粉分子間以氫鍵結合，結合力較強，直鏈淀粉含量越高，淀粉越難糊化，越易回生[17]。與原糙米粉相比，檸檬酸脫鎘后糙米粉的直鏈淀粉含量顯著降低，因此酸處理糙米粉的糊化溫度和回生值也顯著降低。回生值的降低，說明酸處理糙米粉的冷糊穩定性提高，不易發生老化。糙米粉經檸檬酸處理后，淀粉中的部分氫鍵遭到破壞，使得直鏈分子之間、支鏈分子之間、或者直鏈分子與支鏈分子之間形成了更大、更穩定的支鏈分子[18]，提高了淀粉的平均分子質量，增加了溶液的黏度，因此，酸處理糙米粉的峰值黏度顯著高于原糙米粉的峰值黏度。酸處理糙米粉的崩解值顯著高于原糙米粉的崩解值，說明酸處理糙米的淀粉顆粒結構更為松散，水分更容易滲透到淀粉內部，使淀粉顆粒更容易吸水膨脹。酸處理糙米粉的最終黏度顯著低于原糙米粉，可能是由于檸檬酸對糙米胚乳細胞壁的軟化作用，使得糙米溶脹的淀粉顆粒在攪拌過程中受到破壞，從而導致黏度的下降[19]。在一定范圍內，峰值黏度越大，最終黏度越小，回生值越小，糊化溫度越低，食味品質越好[20]。因此，檸檬酸脫鎘后的糙米粉的食味品質較原糙米粉有所提高。

表2 檸檬酸處理前后糙米粉的黏度特征參數

2.5 熱特性分析

圖5和表3分別為檸檬酸脫鎘前后糙米粉的DSC曲線和熱力學性質參數。由圖5和表3可以看出，與原糙米粉相比，酸處理糙米粉的糊化開始溫度(To)、糊化峰值溫度(Tp)、糊化終止溫度(Tc)都顯著降低，說明酸處理糙米粉的熱糊化特性發生了改變，糊化溫度降低，糊化溫度的降低也說明了淀粉的結晶區的分子構造發生了變化，這與RVA及XRD的測試結果一致。糙米粉的吸熱焓(ΔH)由(4.81±0.44) J/g增大到(5.11±0.30) J/g，可能是由于進入到酸處理糙米粉的淀粉分子內部的水分子數目增多，淀粉糊化完全，反應所需要的能量增加，從而導致吸熱焓的增大，但差異不顯著。另一方面，結晶度的增大，體現為ΔH的增大，需要更大的能量才能糊化完全。但冷雪等[21]研究發現，隨著鹽酸濃度的增加，小米粉糊化溫度降低，但吸熱焓也下降，可能是由于鹽酸的酸性太強，破壞了淀粉分子的糖苷鍵，生成相對分子質量較小的淀粉分子和葡萄糖，使得淀粉分子完全糊化所需的熱量降低。

圖5 檸檬酸處理前后糙米粉的DSC曲線

表3 檸檬酸處理前后糙米粉的熱力學性質參數

樣品To/℃Tp/℃Tc/℃ΔH/J/g原糙米粉70.08±0.09a74.58±0.32a78.91±0.50a4.81±0.44a酸處理糙米粉67.78±0.10b72.14±0.05b76.38±0.04b5.11±0.30a

3 結論

與原糙米粉相比，檸檬酸脫鎘后糙米粉的直鏈淀粉含量顯著降低，在一定程度上提高了糙米粉的食味品質。采用XRD、SEM、FTIR對檸檬酸脫鎘前后糙米粉的結構進行檢測，發現酸處理糙米粉的基本結構并未發生顯著的變化，表明酸處理對糙米粉結構的影響較小。通過DSC對糙米粉的熱特性分析，得到酸處理糙米粉的To、Tp、Tc較原糙米粉都顯著降低。由RVA測試結果可知，酸處理糙米粉的峰值黏度增大，最終黏度、回生值以及糊化溫度降低，提高了糙米粉的食味品質。檸檬酸脫鎘技術不僅能有效脫除糙米粉中的鎘，而且能改善糙米粉的食味品質，具有很好的應用前景。

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Effect of Removing Cadmium from Citric Acid on the Structure and Physicochemical Properties of Brown Rice Flour

Wu Yanan1Ju Xingrong1Wang Zhigao2He Rong1Yuan Jian1Xing Changrui1

(College of Food Science and Engineering; Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety of Jiangsu Province; Key Laboratory of Grains and Oils Quality Control and Processing, Nanjing University of Finance and Economics1, Nanjing 210023) (School of Food Science and Technology,Jiangnan University2, Wuxi 214122)

This study was based on our previous study of removing cadmium (Cd) from brown rice flour with citric acid. In order to further understand whether removing Cd with citric acid will affect the quality of brown rice flour, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, differential scanning calorimeter and rapid viscosity analyzer were used to determine the structure and physicochemical properties of brown rice flour before and after removing Cd with citric acid. The results were as follows: the amylose content of acid treated brown rice flour was significantly lower than that of the original brown rice flour. The surface of brown rice flour with acid treatment became rough, and the number of small starch granules increased. The crystal type of brown rice flour was not changed, and new chemical bonds or groups were not produced in the brown flour with acid treatment. The initial gelatinization temperature, peak gelatinization temperature and pasting termination temperature of acid treated brown rice flour decreased evidently, but the gelatinization enthalpy increased. The peak viscosity and breakdown values of acid treated brown rice flour increased notably, and the minimum viscosity, final viscosity, setback values and gelatinization temperature decreased remarkably. These results indicated that the structure of brown rice flour was not changed significantly, but its quality was improved after removing Cd with citric acid.

citric acid, cadmium, brown rice flour, structure, physicochemical property

糧食公益性行業科研專項經費(201313007)，江蘇省產學研計劃(BY2016009-02)

2016-06-22

吳亞楠，女，1990年出生，碩士，食品科學

鞠興榮，男，1957年出生，教授，博士生導師，食品營養、功能食品及農產品深加工

TS210.1；TS210.7

：A

：1003-0174(2017)08-0008-06