動態溫濕度儲藏條件下 糙米主要儲藏特性研究

劉 欣,陳文若,顧佳緣,王 琰,陳銀基

(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,江蘇南京 210023)

谷物是全世界人和動物重要的食物來源[1],稻谷的產量在世界糧食作物中一直穩居前三。稻谷作為我國主要的糧食作物,有一半以上的人口以稻谷為主食。同時,稻谷也是我國主要的流通和儲藏糧種,占我國總儲備糧的二分之一以上。由于稻谷外殼厚度大約有18～25 μm,占稻谷總重量的18%左右[2],體積占比更多,巨大的儲藏量使其需要更大的儲藏空間。糙米是稻谷脫去外殼后的稻米籽粒[3],相同情況下,若將稻谷儲藏改為糙米儲藏,不僅可以節省大量的倉容,提高倉容利用率,還可以降低運輸成本[4]。

目前我國對糙米的研究,主要包括對糙米儲藏期間微生物、揮發性成分及其他主要品質指標的測定[5-7],而上述研究往往基于靜態微環境(恒定的溫濕度)的處理。另一方面,我國早秈稻種植面積大,產量高,但是收獲時節適逢雨季,早秈稻水分含量偏高,入倉稻谷未經充分晾曬,儲藏后品質較差[8]。因此，研究偏高水分糙米的安全儲藏技術，以及儲藏過程中糙米的品質變化，對確保糙米品質和我國糧食經濟安全有著非常重要的意義。本實驗主要基于溫濕度條件動態變化下,研究糙米的表面顏色、脂肪酸值、質構特性、糊化特性等品質指標的變化規律,為糙米的安全儲藏提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

早秈稻 2016年8月初新收獲的,礱谷機脫殼為糙米,品種為湘早秈32號,產地為湖南韶山;石油醚、無水乙醇、氫氧化鈉 上海沃凱生物技術有限公司;氫氧化鉀 天津市科密歐化學試劑有限公司,均為分析純。

PQX-300D型智能人工氣候箱 寧波東南儀器有限公司;CM-5型色差儀 日本柯尼卡美能達公司;TA.XT2i型質構儀 英國SMS公司;RVA4500型快速黏度分析儀 波通瑞華科學儀器有限公司;SFY-20A型快速水分測定儀 深圳市冠亞電子科技有限公司;高速萬能粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司;SQP型電子天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 動態儲藏條件構建 考慮到實際倉儲糧食取樣不便利,本實驗采取實驗室模擬儲藏,糧庫選取三種類型(均選自江蘇地區的糧庫):配置制冷空調的低溫糧庫(可控溫控濕,對應本實驗L組)、通風條件較好的普通糧庫(對應本實驗M組)、南方小型糧庫(夏季高溫高濕,對應本實驗H組)。溫濕度設定主要依據2014～2016年間測定的三個典型糧庫第一年8月至第二年3月的各月份實際溫度和濕度,取每月日間均值和夜間均值(如表1所示),將動靜態溫濕度數據輸入三個智能人工氣候箱;取初始水分為15%的早秈稻碾成糙米,通過水分調節,分別獲得初始含水量為17%、19%、21%的糙米,進行為期240 d的模擬儲藏,每60 d在塑封袋表面均勻隨機取500 g，測定一次各項指標。

表1 動態儲藏條件構建Table 1 Construction of dynamic storage condition

1.2.2 表面顏色的測定 利用色差儀來測定糙米色度的3個指標:L*、a*和b*。

1.2.3 脂肪酸值的測定 依據GB/T 5510-2011。

1.2.4 質構特性的測定 糙米經過淘洗、浸泡、蒸煮成米飯,用物性測試儀測定。具體操作步驟為:準確稱取10 g樣品于鋁盒中,淘洗、沖洗各兩次后,加入12 mL水,加蓋后放入帶有蒸籠的電飯煲,蒸煮40 min后,停止加熱燜20 min。每次測定時,從鋁盒中間層的不同部位隨機挑取3粒完整的米粒,對稱放置在載物臺上。每次測定前,先用酒精擦拭載物臺,每個樣品重復6次,去掉最大值和最小值,求平均值。物性測試儀的主要參數為:探頭為P/36R大米專用探頭,操作模式為壓力測試模式,壓縮比為75%,測試模式為strain,觸發點為10 g,測試前速度為5 mm/s,測試速度為0.5 mm/s,測試后速度為5 mm/s,測試循環數為1。通過物性測試儀,測定糙米的硬度、粘著性和彈性。

1.2.5 糊化特性的測定 糙米經過高速萬能粉碎機粉碎后,過60目篩得到糙米粉,準確稱取3.5 g糙米粉加入25 mL去離子水(按14%濕基校正),用RVA粘度測定儀測定糙米的峰值黏度、熱漿黏度、最終黏度、崩解值、回生值和糊化溫度。每個樣品重復3次。

1.3 數據處理與分析

每個指標測定至少重復3次,數據處理及統計分析采用SPSS 16.0軟件進行。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)進行各個指標差異顯著性分析,糙米各指標間的相關性采用Pearson相關性分析。

2 結果與分析

2.1 糙米儲藏過程中表面顏色的變化

隨著儲藏時間的增加,色度L*值逐漸減小,糙米表面顏色逐漸變暗。相同水分含量的糙米,在不同溫度下的L*值相差不大;同一溫度下,不同水分含量的糙米,L*值變化明顯(表2)。在L組,水分含量為15%、17%、19%、21%的糙米L*值經過240 d的儲藏比最初分別減少了0.64、1.23、2.38、3.76,水分含量越高,ΔL*越大。

與L組相比,M組和H組的ΔL*都較大。在M組,水分含量為15%、17%、19%的糙米L*值分別減少了0.73、0.84、1.33;在H組,水分含量為15%和17%的糙米L*值分別減少了0.82、1.74,說明溫度對L*值的變化影響不大,高水分對L*值的變化有很大影響。

在為期240 d的儲藏過程中,色度a*值不斷增大且變化明顯,糙米表面顏色逐漸變紅。在L組,水分含量為15%、17%、19%、21%的糙米a*值經過240 d的儲藏比最初分別增加了0.34、0.62、0.75、1.41,水分含量越高,Δa*越大,21%的糙米變化尤為明顯。在M組和H組,水分含量為15%、17%的糙米比在L組下的Δa*大,15%水分含量的糙米經過240 d的儲藏比最初分別增加了0.46、0.87,17%水分含量的糙米分別增加了0.92、1.18。可以看出,溫度越高,Δa*變化越大。

色度b*值也隨儲藏時間的增加而增加,且變化明顯,糙米表面顏色逐漸變黃。相同水分含量的糙米,在不同溫度條件下的Δb*值相差不大;在同一溫度條件下,不同水分含量的糙米b*值變化明顯,水分含量越高,Δb*值越大。在L組,15%、17%、19%、21%水分含量的糙米b*值經過240 d的儲藏比最初分別增加了1.24、1.39、1.49、2.29,其中21%水分含量的糙米變化尤為明顯,說明不同水分含量的糙米Δb*差值較大。

2.2 糙米儲藏過程中脂肪酸值的變化

由表3可以看出,糙米的脂肪酸值隨著儲藏時間的延長整體呈現先上升后下降的趨勢。L組和M組的脂肪酸值,在儲藏前120 d,增加迅速;在儲藏后期(120～180 d),脂肪酸值增加較為緩慢;在儲藏末期(180～240 d),脂肪酸值開始逐漸減小。水分含量為15%的糙米，其脂肪酸值在L組、M組、H組經過240 d的儲藏，分別增加了13.15、23.51、34.03 mg KOH/100 g,水分含量為17%的糙米，其脂肪酸值在L組、M組、H組經過240 d的儲藏，分別增加了13.68、25.56、33.10 mg KOH/100 g。由此可見,溫度越高,脂肪酸值增加越明顯。即使在低溫條件下,水分含量為15%的糙米脂肪酸值在第180 d就已經達到28.02 mg KOH/100 g(>25 mg KOH/100 g),達到了不宜存放的標準[9]。

2.3 儲藏過程中糙米質構特性指標變化

從圖1可以看到,隨著儲藏時間的增加,糙米米粒的硬度逐漸增大,糙米的初始水分含量越高,其經過蒸煮后所得米粒的硬度值越小。在L組,水分含量為15%、17%、19%、21%的糙米在儲藏中期(120 d),硬度分別增加了11.61%、13.07%、13.37%、14.48%;在M組,水分含量為15%、17%、19%、21%的糙米經過120 d儲藏后,硬度分別增加了12.75%、13.74%、14.41%、14.89%;在H組,水分含量為15%、17%、19%、21%的糙米經過120 d儲藏后,硬度分別增加了14.90%、15.27%、16.62%、17.53%。對比發現,M組不同水分含量的糙米硬度增幅比較接近,相差不大,而高溫時各水分含量的糙米硬度增幅變化較為明顯。

樣品經第一次壓縮以后能恢復到原來狀態的程度稱為彈性。在彈性測定過程中,兩次壓縮測試之間的時間間隔至關重要,糙米恢復的高度與時間間隔成正比。由圖1可知,隨著儲藏時間的增加,不同水分含量的糙米其彈性均有不同程度的增加;在H組,彈性增幅明顯大于M組。L組中,在儲藏前120 d,19%及以下水分含量糙米其彈性增長緩慢;在M組,水分含量為15%、17%、19%的糙米其彈性逐漸增長,其彈性經過240 d的儲藏，增加量分別為0.08、0.09、0.10 g;在H組,水分含量為15%、17%的糙米其彈性經過240 d的儲藏，增加量分別為0.11、0.12 g,增長幅度明顯大于M組。在儲藏前60 d,M組和H組彈性變化相差不大,從第120 d起,H組彈性增長明顯快于M組。初始水分含量高的糙米要比初始水分含量低的糙米彈性大。

圖1 不同水分糙米在儲藏過程中質構特性的變化Fig.1 Changes of brown rice texture characteristics with different water content during storage

咀嚼米飯的過程中,米粒對舌頭、上顎和牙齒等接觸黏著的性質為黏著性,在為期240 d的儲藏時間內,糙米的黏著性隨著儲藏時間的增加而出現不同程度的下降。初始水分含量高的糙米,其相應的黏著性也越差。由圖1可知,經過120 d的儲藏后,在L組,水分含量為15%、17%、19%、21%的糙米其黏著性經過240 d的儲藏，比最初分別降低了34、41、54和58 gs;在M組,水分含量為15%、17%、19%的糙米其黏著性經過240 d的儲藏,比最初分別降低了38、52和66 gs;在H組,水分含量為15%、17%的糙米其黏著性經過240 d的儲藏，降低量分別為44、56 gs。溫度越高、水分含量越大,糙米的粘著性越差。

2.4 儲藏過程中糙米糊化特性指標變化

由圖2可知,隨著儲藏時間的增加,不同水分含量的糙米的峰值黏度均逐漸增加。相同溫度條件下,水分含量越高的糙米其峰值黏度越大。在L組,水分含量為15%、17%的糙米其峰值黏度增長較緩慢,19%和21%水分含量的糙米峰值黏度增長較快;在M組,水分含量為15%、17%、19%的糙米其峰值黏度經過240 d的儲藏比最初分別增加了367、691、716 Pa·s;在H組,19%水分含量糙米峰值黏度大幅增長,21%水分含量糙米在儲藏第60 d后發生霉變。在儲藏末期(第240 d),水分含量為15%、17%、19%的糙米其峰值黏度分別增加了524、780、1013 Pa·s。M組和H組糙米的峰值黏度變化遠大于L組。因此,溫度越高、水分含量越高時,糙米峰值黏度增加越快。

圖2 不同水分糙米在儲藏過程中熱漿粘度的變化Fig.2 Changes of hot pulp viscosity in brown rice with different water content during storage

在糊化過程中,糙米樣品中的淀粉顆粒子恒定高溫(95 ℃)和機械剪切力的作用下進一步崩解,崩解后的多聚物會在溶液中重新排列,在這個階段,黏度會降低到最低黏度(又稱熱漿黏度)。由圖2可以看出,隨著儲藏時間的增加,不同水分含量的糙米熱漿黏度均有所增加。L組中,經過120 d儲藏后,19%和21%水分含量糙米其峰值黏度值增幅較大。在儲藏末期(第240 d),水分含量為15%、17%、19%、21%的糙米其熱漿黏度分別增加了207、241、436、449 Pa·s;在M組,水分含量為15%、17%、19%的糙米其熱漿黏度經過240 d的儲藏比最初分別增加了338、509、564 Pa·s;在H組,經過60 d儲藏后,19%水分含量糙米其熱漿黏度值增長迅速。在儲藏末期(第240 d),水分含量為15%、17%、19%的糙米其熱漿黏度分別增加了40.02%、46.44%、55.55%。糙米的初始水分含量越高,熱漿黏度值越大,增加越快;溫度越高,熱漿黏度值上升越快。

最終黏度能夠反映糙米樣品熟化冷卻后的凝膠的能力,最終黏度的值越小,表示米飯越軟糯。由圖2可知,不同水分含量的糙米的最終黏度都隨著儲藏時間的延長而增加,并且溫度越高、初始水分含量越高,最終黏度增加越快。L組中,在儲藏前60 d過程中,各水分含量糙米最終黏度值變化不大,在第120 d后,19%和21%水分含量糙米最終黏度值增加迅速。到儲藏末期(第240 d),水分含量為15%、17%、19%、21%的糙米最終黏度分別增加了8.64%、11.67%、16.82%、16.70%;在M組,水分含量為15%、17%、19%的糙米最終黏度分別增加了11.91%、19.13%、24.80%;在H組,在儲藏第60 d后,糙米最終黏度值大幅增加。到儲藏末期(第240 d),水分含量為15%、17%、19%的糙米最終黏度分別增加了16.53%、24.43%、30.28%。因此,溫度越高、初始水分含量越高,糙米的最終黏度增加越快。

崩解值是指峰值黏度和熱漿黏度的差值,它表示在95 ℃恒溫加熱時的黏度值。崩解值能夠反映淀粉顆粒吸水溶脹后的強度,崩解值越小,強度越小,更易破碎。崩解值越大,則樣品的口感品質越好。這是由于淀粉顆粒的表面的蛋白等一些物質影響了水合作用。由圖2可以看出,隨著儲藏時間的增加,崩解值略微增加。初始水分含量高的糙米,其崩解值要大于初始水分含量低的糙米。在三個不同溫度組,21%水分含量的糙米崩解值明顯高于其它三個水分。

回生值是最終黏度與熱漿黏度之差。淀粉的回生主要是由于支鏈淀粉的重結晶。回生值能夠反映淀粉的老化程度,一般地,回生值越小,米粒的口味越佳。相同溫度下,糙米的回生值的大小隨著時間的變化先增長,后降低。相同水分含量的糙米回生值變化幅度不大,最后趨于平衡。在儲藏前期(60 d),回生值不斷增加,15%水分含量的糙米在儲藏60 d后回生值開始下降,從第120 d起,17%、19%、21%水分含量糙米的回生值均有不同程度的下降。水分含量為17%、19%、21%的糙米的回生值均明顯大于水分含量為15%的,說明低水分含量的糙米其口味較好。

2.5 糙米各指標相關性分析

由表4可知,色度L*與水分含量極顯著負相關(r=-0.72,p<0.01),說明水分含量越高,L*值越小,糙米表面亮度越暗。色度a*與水分含量極顯著正相關(r=0.51,p<0.01),說明水分含量越高,a*值越大,糙米表面顏色逐漸發紅。色度b*與水分含量極顯著正相關(r=0.36,p<0.01),說明水分含量越高,b*值越大,糙米表面顏色逐漸發黃。硬度與水分含量顯著負相關(r=-0.41,p<0.01),說明水分含量越低,糙米米粒的硬度越大,則其食用品質越差。色度a*與糊化特性極顯著性相關,與峰值黏度極顯著正相關(r=0.90,p<0.01),與熱漿黏度極顯著正相關(r=0.89,p<0.01),與最終黏度極顯著正相關(r=0.93,p<0.01),與崩解值極顯著正相關(r=0.79,p<0.01)。因此,色度a*值可以作為糊化特性的預測指標。脂肪酸值與硬度極顯著正相關(r=0.66,p<0.01),與彈性極顯著正相關(r=0.85,p<0.01),與黏著性極顯著負相關(r=-0.75,p<0.01)。因此,脂肪酸值可以作為食品品質的預測指標。

表4 動態模擬儲藏過程中糙米各指標間的相關性Table 4 Correlation between different indexes of brown rice during dynamic simulation storage and transportation

3 討論

過高的溫度和水分含量會導致糙米表面顏色的發黃,失去色澤,這些都會影響糙米的外觀和品質[10]。本研究中,在糙米的儲藏過程中,隨著儲藏時間的增加,色度L*值在不斷減小,也就是說糙米表面亮度越來越暗;紅綠色相a*值不斷增大,表面顏色逐漸發紅;黃藍色相b*值不斷增大,表面顏色逐漸發黃,這些都說明糙米的品質在發生劣變。這與前人的研究結果一致[11-12]。Dillahunty等[13]研究發現水分含量和儲藏溫度對稻米的呼吸作用有很大的影響,水分含量越高、溫度越高,稻米種子的呼吸作用越強,增加了呼吸代謝廢物的累積,就越容易發生黃變。另一方面,糙米失去了外保護殼的保護作用,更容易受到真菌和霉菌的影響[14],這些因素交叉引起了糙米的品質劣變。因此,為了保持糙米良好的色度而不發生黃變,其儲藏應該盡量控制低水分含量、低儲藏溫度。

糙米籽粒脂肪水解會產生脂肪酸,脂肪酸含量的增加會影響糙米的品質[15]。Tsuzuki等[16]研究表明,脂肪酸值與食用品質顯著相關,可以用脂肪酸值作為食用品質的預測指標。在適宜的環境下,糙米中的脂肪一般以游離脂肪酸的形式存在,隨著儲藏時間的延長、溫度的升高以及水分含量的增加會加快脂肪的氧化,導致游離脂肪酸含量增加,糧食品質越容易劣變。宋偉等[17]對不同水分、溫度、氧氣濃度條件下儲藏的糙米脂肪酸值進行測定,結果表明,隨著儲藏時間的延長,糙米脂肪酸值呈先增加繼而又下降的趨勢,儲藏時間、溫度、氧氣濃度、水分對脂肪酸值影響顯著(p<0.01),溫度、水分越高,脂肪酸值上升越快。本實驗中,水分含量為21%的糙米其脂肪酸值明顯高于水分含量為15%、17%的糙米,與其研究結果一致。李央等[18]指出糙米在儲藏過程中,脂質在酶的作用下分解產生游離脂肪酸,從而使得脂肪酸值含量增加[19]。但由于脂肪酸是一個處于動態平衡的中間產物,在一定條件下還會進一步分解成酚類、醛類、酮類等物質[20],造成其含量的下降。

食品質構特性是一項表示食品品質的重要指標,它主要是由食品的成分和組織結構決定的,主要包括硬度、黏著性、彈性、咀嚼性和內聚性等食品材料中的一些最基礎的性質[21]。在動態模擬儲藏過程中,糙米的硬度隨著儲藏時間的延長而逐漸增大。Narpinder Singh等[22]提出糙米硬度增加的原因是在糙米陳化過程中,米內部的脂類物質容易發生水解、氧化,從而導致米粒中的游離脂肪酸增加。在糙米直鏈淀粉螺旋結構中包藏著游離脂肪酸,容易形成脂類-淀粉復合物,這會導致在米粒糊化過程中所需要的水分難以通過,米粒的淀粉強度增加,糊化溫度也隨之提高,因此,儲藏時間長的米飯硬度會增加,口感變差。另外,糙米的彈性和黏著性在儲藏過程中都出現不同程度的下降[23]。彈性下降的原因是在蒸煮的過程中,米粒腹部吸水速度快于背部[24],吸水過程中產生的水分差使得米粒表面龜裂,淀粉大量涌出,因此彈性下降。糙米水分含量越大、溫度越高其黏著性下降越明顯的原因可能是,在此條件下,糙米中越容易產生游離脂肪酸,游離脂肪酸包裹淀粉粒,使其糊化困難,導致黏著性下降[25]。陳銀基等[26]研究發現糙米在一年的儲藏期內,蒸煮硬度隨著儲藏時間的延長呈上升趨勢,而經過60Co-γ射線輻照處理后的糙米蒸煮硬度降低,輻照處理對淀粉顆粒的內部結構和形態有修飾作用,使得淀粉顆粒間的空間變大,糙米在蒸煮時可滲入更多水分,進而可以改善蒸煮品質。

RVA是測量淀粉糊化特性最常用的一種方法,其特征值可以作為評價稻米品質的主要特征指標[27]。在溫濕度動態模擬儲藏過程中,隨著儲藏時間的延長,糙米的峰值黏度、熱漿黏度和最終黏度都有所增加,回生值先增加后下降。相同水分含量的條件下,溫度越高,其黏度值越大,增長的也越快。同一溫度下的不同水分含量的糙米,其初始水分含量越高,黏度值越大,且隨著時間的增長有顯著的增加。宋偉等[28]研究儲藏溫度對糙米糊化特性的影響,發現不同儲藏溫度下的糙米,其峰值黏度、最終黏度均隨著儲藏時間的延長不斷增加,溫度越高,黏度上升越快,儲藏溫度對黏度的影響顯著。這與本研究結果一致。影響糙米糊化特性的最主要因素是糙米直鏈淀粉的含量[29],直鏈淀粉含量越大,糙米的口感就越差,因此淀粉的組份不一樣使得糙米的糊化性質會有所不同[30]。Chun等[31]研究發現高溫可以增加支鏈淀粉的鏈長以及降低直鏈淀粉的含量,從而增加稻谷的峰值黏度、熱漿黏度和最終黏度。朱立樹等[32]通過分析糙米的峰值黏度、最終黏度、最低黏度、黏度衰減值的變化和回生值的變化等糊化指標特性,得出溫度越高對淀粉的糊化特性影響越大,所以應該將糙米低溫儲藏，以保持其良好的口感和品質。

4 結論

本實驗研究分析了早秈稻在收獲后,以糙米形式過夏及其在儲藏過程中品質變化。結果表明,儲藏溫度和糙米水分對糙米儲藏特性和儲藏后品質影響顯著;糙米在初期儲藏時如遇高溫高濕等不利儲藏條件,色度a*值、色度b*值、硬度、彈性、峰值黏度、熱漿黏度、最終黏度、崩解值都隨著儲藏時間的增加呈顯著上升趨勢,色度L*值、黏著性隨著儲藏時間的增加呈顯著下降趨勢,脂肪酸值呈先上升后下降的趨勢,糙米品質發生劣變。初始水分含量則與糙米主要質構特性、糊化特性指標極顯著相關,但高水分糙米儲藏后主要質構特性、糊化特性指標均未見改善。正常(15%)或偏高水分(17%、19%)的糙米在正常(低溫和中溫)儲藏條件下安全儲藏期為120 d,如若控溫(低溫)條件下可以延長正常水分糙米儲藏期至180 d。糙米在入夏高溫儲藏時初始水分須控制在15%的安全水分以內,偏高水分(17%、19%)的糙米在高溫條件下極易發生品質劣變。