低溫擠壓對粳糙米營養特性及理化性質的影響

王 婷,趙建偉,*,周 星,徐學明,金征宇

(1.江南大學食品學院,江蘇無錫 214122;2.糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室,江蘇無錫 214122;3.食品科學與技術國家重點實驗室,江蘇無錫 214122)

糙米是稻谷脫殼后未經碾磨的米粒,由胚芽(2%～3%,占總重的質量分數)、胚乳(91%～93%)和皮層(5%～6%)組成。糙米含有豐富的植物化學物質,包括酚酸、類黃酮、γ-氨基丁酸(GABA)、生育酚和谷維素等生理活性成分,對人體健康有一定的益處[1]。糙米中酚類物質的含量與許多新鮮的水果和蔬菜相當甚至更高[2]。糙米雖然營養豐富,但糙米皮層纖維素含量高、結構致密,導致糙米蒸煮時間長、口感粗糙,食用品質難以被人們接受。因此,改善糙米的食用品質,有助于改進飲食質量,維持人體健康。

食品擠壓常用螺桿擠壓技術,即在一定溫度、水分及壓力下,將物料送入擠壓機,在螺桿和機筒的作用下強制流動,在此過程中綜合了輸送、混合、加熱或冷卻、剪切、成型等一種或多種作用,使物料理化性質發生變化[3]。在高溫、高壓和高剪切力下進行擠壓,食品物料性質會發生明顯變化,如酚類物質減少、纖維素降解、淀粉糊化度高、蛋白質變性以及脂質復合物的形成等[4]。目前市場上的擠壓膨化食品多是以高膨化度、高糊化度為特征的淀粉質產品,這樣的食品消化速度快,不適合那些想控制體重、控制血糖的人群。將營養豐富的糙米經粉碎后,再在較低溫度下擠壓重組為米粒形狀的食品,擠壓重組可以將集中在糙米表層的粗糙纖維素分散到整個米粒中,有效改善糙米的粗糙口感,而在低溫下進行擠壓,不僅可以減少營養成分的損失,更重要的是可以保持淀粉較低的糊化度。淀粉的糊化度對其在人體內的消化速度有顯著影響。人體對生淀粉或糊化度低的淀粉消化很慢,而對糊化度高的淀粉消化快。這是因為人體內的淀粉酶對糊化度低的具有晶體結構的淀粉作用較弱[5]。目前將糙米在低溫條件下擠壓加工未見報道。因此,本文在較低溫度下擠壓加工成低糊化度米粒產品,以改善糙米的食用口感,減少營養的加工損失,并且滿足一些特殊人群對需要有飽腹感,而消化速度慢的食品的需求。Liu等[6]研究發現在機筒溫度69.8 ℃、含水量30%、螺桿轉速26.6 r/min時擠壓米糠,其總膳食纖維含量、蛋白質含量、γ-谷維素等均高于擠壓前米糠。馮秋娟等[7]在機筒溫度71.35 ℃、物料水分31.81%、轉速133.96 r/min、中溫α-淀粉酶濃度3.15 U/g的低溫擠壓條件下,玉米淀粉糊化度的最優值為55.31%。葉鴻劍等[8]在溫度65 ℃、水分38%、纖維素酶量3%、轉速110 r/min的低溫擠壓條件下,所得豆渣中可溶性膳食纖維得率為21.74%。

本文的低溫擠壓是物料在稍高于淀粉糊化起始溫度條件下進行的擠壓,這既可以提高物料的可塑性,以便于食品成型,又能減少營養成分的損失。本文將糙米粉在65 ℃下擠壓重組成米粒,分析擠壓前后糙米營養特性及理化性質的變化,以期獲得營養豐富、口感較好,并且消化速度較慢的糙米食品。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

粳糙米 江蘇省無錫春播秋收電子商務有限公司;沒食子酸標準品 百靈威科技有限公司;鹽酸﹑甲醇﹑乙腈、福林酚試劑、三氯乙酸等 國藥集團化學試劑有限公司,均為分析純。

FMHE36-24型雙螺桿擠壓機(螺桿直徑36 mm,長徑比24∶1) 湖南富馬科食品工程技術有限公司;HWS24型電熱恒溫水浴 上海一恒科技有限公司;GZX-9146MBE數顯鼓風干燥箱 上海博訊實業有限公司醫療設備廠;QE-200高速多功能粉碎機 上海冰都電器有限公司;D2 PHASER X射線衍射儀 德國布魯克AXS有限公司;X-DSC7000型差示掃描量熱儀(DSC) 日本精工公司;RVA快速黏度分析儀 波通澳大利亞公司;AB 104-N型電子天平 梅特勒一托利多儀器(上海)有限公司;Agilent 1100高效液相色譜系統 美國安捷倫公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 粳糙米擠壓樣品的制備 將粳糙米粉碎(粒度全部通過孔徑0.25 mm標準篩),送入雙螺桿擠壓機中擠壓成型,通過控制物料的水分含量、溫度、壓力條件,在機腔內螺桿的擠壓作用將糙米粉形成具有一定糊化度的面團狀流體,當物料通過米粒形的模孔時,切割機將條狀物料切割成米粒形狀的產品。機筒溫度從進料段到出口段分5段控制,分別為65、65、65、60、50 ℃,物料含水量質量分數38%(按GB 5009.3-2016測定),螺桿轉速70 r/min,進料速度8 kg/h。擠壓后重組糙米粒于40 ℃熱風干燥至水分含量10%左右,干燥后樣品粉碎通過孔徑0.125 mm標準篩,密封保存待分析。未擠壓糙米樣品的分析前處理:將粳糙米粉碎后通過孔徑0.125 mm標準篩,再進行各項成分分析。

1.2.2 粳糙米成分的測定

1.2.2.1 基本營養成分的測定 總淀粉、粗蛋白、灰分、粗脂肪、總膳食纖維含量分別根據GB 5009.9-2016、GB 5009.5-2016、GB 5009.4-2016、GB 5009.6-2016、GB5009.88-2014進行測定,每個數據平行測定至少3次。

1.2.2.2 總酚含量的測定 稱取2.0000 g(精確到0.0001 g)粳糙米粉,加入20 mL甲醇混合,搖床振蕩提取2 h后,4000×g離心20 min,取上清液,剩余殘渣再用15 mL甲醇提取兩次,合并濾液,棄去濾渣,將上清液用旋轉蒸發器濃縮蒸干,甲醇定容至10 mL,-40 ℃保存備用。參考Zhao等[9]所述采用福林酚法測定總酚含量,含量以每100 g干重粳糙米樣品所對應的沒食子酸(GAE)表示。沒食子酸在濃度范圍為0～50 μg/mL內與其吸光值具有較好的線性關系,標準方程為:y=0.80839x-0.13，線性相關系數為0.9992。

1.2.2.3 游離氨基酸和GABA含量的測定 采用Agilent 1100高效液相色譜系統測定粳糙米粉的游離氨基酸和GABA含量[10]。稱取1 g粳糙米粉(精確至0.0001 g),用5%三氯乙酸定容至25 mL,混勻,在40 kHz頻率、功率300 W下超聲處理20 min,靜置至少2 h后過濾。吸取1 mL濾液于1.5 mL離心管中,15000×g離心30 min,吸取400 μL上清液進行液相分析。色譜分析條件如下:ODS Hypersil色譜柱(4.0 mm×250 mm),流動相(A:50%乙腈;B:90%乙腈),柱溫40 ℃,流速1 mL/min,采用梯度洗脫(0 min 8% B→17 min 50% B→20.1 min 100% B→24 min 0% B),紫外檢測波長338 nm,測定結果以干基為計算基礎。

1.2.3 熱特性的測定 準確稱取已知水分的3 mg(精確至0.001 mg)粳糙米粉,于差示掃描量熱儀(DSC)PE液體鋁制坩堝中,以粉水比1∶2 mg/mL加入去離子水與粉樣混合,加蓋密封,室溫下平衡過夜。用DSC測試時,以空坩堝為參照,以10 ℃/min的升溫速率將樣品從20 ℃加熱至90 ℃,記錄DSC熱流曲線,糊化參數包括起始溫度、終止溫度、峰值溫度、糊化焓變等。

1.2.4 糊化特性的測定 粳糙米粉的糊化特性通過快速黏度分析儀(RVA)進行測定,具體參照GB/T 14490-2008。按物料含水率14%計,即稱取3.00 g樣品和25.0 mL蒸餾水依次加入樣品筒中,將攪拌器在樣品筒中上下快速攪動10次,使試樣分散后進行黏度分析。測試程序為:起始溫度50 ℃保持1 min,然后以12 ℃/min的速度升溫至95 ℃并保持2.5 min,再以12 ℃/min的速率降溫至50 ℃并保持1 min。測試過程攪拌器的轉速為160 r/min。并記錄樣品的峰值黏度、保持黏度、崩解值、最終黏度、回生值和出峰時間。

1.2.5 水合性質的測定 參考 Jafari等[11]的方法,略作修改。準確稱取3.0000 g(m0,精確到0.0001 g)粳糙米粉(水分干燥至10%以下),分散在30 mL去離子水中,振蕩溶解,30 ℃下30 min,每5 min輕輕攪拌一次,在3000×g下離心15 min。將上清液置于鋁盒中并在105 ℃下干燥至恒重稱量m3,并稱量盛有固體沉淀的離心管重m2。計算公式如下:

式(1)

式(2)

式中:m0表示樣品的質量(g);m1表示空離心管質量(g);m2表示盛有固體沉淀的離心管質量(g);m3表示盛有上清液的鋁盒干燥恒重質量(g);m4表示空鋁盒質量(g)。

1.2.6 晶體結構的測定 采用X-射線衍射儀(XRD)測定粳糙米擠壓前后晶體結構的變化。取適量粳糙米粉末樣品平鋪于玻璃板樣品凹槽中,置于XRD樣品臺上,管壓40 kV,管流40 mA,掃描范圍(2θ)為5～35 °,掃描步長為0.02 °。采用MDI Jade 6.0處理圖像并計算相對結晶度。

1.3 數據處理

數據平行測定3次,結果用平均值±標準偏差的形式表示。采用SPSS 20.0軟件對數據進行分析,用Duncan’s多重比較法進行顯著性分析,p<0.05表示差異顯著,Origin 8.5軟件對數據進行圖形化處理。

2 結果與分析

2.1 低溫擠壓對粳糙米基本成分的影響

由表1中可以看出,粳糙米經過低溫擠壓后,總淀粉含量相對減少了1.89%,粗蛋白含量變化不顯著,這是因為擠壓溫度低,對淀粉和蛋白質的破壞程度小。總的膳食纖維含量顯著降低了15.69%(p<0.05),而馬永軒等[12]采用高溫擠壓膨化糙米粉后,糙米總膳食纖維量降低了35.2%,這是因為低溫擠壓過程中纖維素等大分子發生少量降解,從而使得總膳食纖維的含量降低程度小,且輕度的降低有利于改善糙米的粗糙口感[13]。擠壓后粳糙米的脂肪含量顯著低于擠壓前粳糙米,這可能是由于脂肪與淀粉形成了Ⅰ型淀粉-脂肪復合物[14],這是一種在60 ℃左右時能快速形成的復合物結構,這種復合物的形成可以降低糙米的消化速率,減緩吸收,繼而降低血糖上升速度[15]。

表1 低溫擠壓處理對粳糙米基本營養成分的影響Table 1 Effect of lower-temperature extrusion on the basic nutritional components of japonica brown rice

糙米是酚類物質的豐富來源,而其中多酚作為一種重要的抗氧化劑,以游離態和結合態的形式存在,起到抗炎癥、免疫調節、預防和抗癌以及抑制醛糖還原酶活性等作用[16]。粳糙米經低溫擠壓后,總酚含量從33.99 mg/100 g顯著增加至36.59 mg/100 g(干基)(p<0.05)。而楊凌霄等[17]研究發現采用110～140 ℃擠壓糙米,總酚含量顯著降低(p<0.05)。Zieliński等[18]也發現高溫擠壓處理對糙米的總酚含量下降作用明顯,這是因為高溫容易引起游離酚的降解,造成游離酚含量減少繼而引起總酚含量下降。由于本文的擠壓條件較為溫和,低溫擠壓作為一種機械過程可能使細胞壁周圍成分部分降解,有助于釋放結合酚類和游離酚類物質繼而使總酚含量增加[19]。這表明,低溫擠壓處理可以更多地保留糙米中的酚類物質。

GABA是一種含有四個碳原子的非蛋白質氨基酸,主要是由谷氨酸脫羧反應而形成,廣泛存在于多種谷物中。GABA具有促進乙醇代謝,改善高脂血癥以及預防機體肥胖等多種生理功效[20-21]。擠壓前粳糙米的GABA含量為94.79 mg/kg(干基),擠壓后為105.44 mg/kg(干基),相對增加了11.24%,差異顯著(p<0.05)。韓永斌[22]也發現擠壓處理糙米可以增加GABA含量。這一變化結果可能有兩方面的原因:一方面,谷氨酸脫羧酶的耐受溫度為60 ℃,在65 ℃擠壓過程中,物料溫度在常溫至65 ℃之間,糙米中谷氨酸脫羧酶仍然可以保持活性,將谷氨酸轉變成GABA,使得GABA含量有所增加[23]。本擠壓條件下溫度、螺桿轉速、喂料速度并不高,擠壓機內的模頭壓力在3.5～4.0 MPa之間,對酶不會有大的影響。另一方面,可能是由于糙米經過擠壓后,谷氨酸含量增加,為谷氨酸脫羧酶提供更多的底物,從而生成更多的GABA[24]。因此,低溫擠壓可以作為一種富集GABA的有效途徑。

2.2 低溫擠壓對粳糙米游離氨基酸含量的影響

低溫擠壓對粳糙米游離氨基酸含量的影響:低溫擠壓對粳糙米中游離氨基酸含量的影響如圖1所示,共檢測出17種游離氨基酸,總游離氨基酸含量從(1930.60±92.26) mg/kg降為(1853.03±47.09) mg/kg(干基),變化不顯著,表明低溫擠壓處理有利于保留糙米中的氨基酸成分。圖1A中可知,擠壓粳糙米的必需氨基酸總量減少了14.71%。賴氨酸含量顯著降低(p<0.05),從185.41 mg/kg降至124.5 mg/kg(干基),這可能是擠壓過程中發生了美拉德反應導致[25]。

圖1B中也可以看出,谷氨酸仍然占據主要部分,含量從364.50 mg/kg(干基)增加至369.15 mg/kg(干基),擠壓前糙米總的非必需氨基酸含量為1242.24 mg/kg(干基),低溫擠壓后為1230.15 mg/kg(干基),變化不顯著(p>0.05)。這一結果說明低溫擠壓處理對糙米中游離氨基酸含量影響不顯著。

圖1 低溫擠壓處理對粳糙米游離氨基酸含量的影響Fig.1 Effect of lower-temperature extrusion on free amino acids contents in japonica brown rice注:A:必需氨基酸,B:非必需氨基酸; 不同小寫字母代表擠壓前后差異顯著,p<0.05。

2.3 低溫擠壓對粳糙米熱特性和糊化特性的影響

2.3.1 低溫擠壓對粳糙米熱特性的影響 擠壓前后粳糙米的DSC糊化熱流曲線和糊化參數值分別如圖2和表2所示。由圖2可以看出,擠壓前和擠壓后粳糙米粉均在65～75 ℃有吸熱峰,擠壓后粳糙米粉的熱吸收峰雖不如擠壓前的大,但仍很明顯,表明擠壓后的產品中仍有較多的未糊化淀粉。由表2可知,擠壓粳糙米粉的起始糊化溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止糊化溫度(Tc)均升高,這可能是由于擠壓后直鏈淀粉-脂質復合物的形成,直鏈淀粉分子與支鏈淀粉鏈在支化結晶區更自由的相互作用,降低了支鏈淀粉鏈的流動性,促使糊化溫度升高[26]。Giménez等[27]認為原料粉一般有兩個吸熱峰,一種是淀粉糊化峰,還有一種是在90～95 ℃蛋白質變性或者直鏈淀粉-脂質復合物解離而形成的。擠壓后原料在95～105 ℃形成的是Ⅱ型淀粉-脂質復合物,它們的形成有利于物料的緩慢冷卻和干燥,形成的淀粉-脂質復合物也會減緩淀粉的消化速度[27]。擠壓后粳糙米粉的糊化焓變降低了67.42%,糊化焓變可以衡量分子有序性的損失程度,糊化焓變降低的程度越小,淀粉分子有序性損失越小,糊化度越低[28]。Rafiq等[29]指出糊化度直接影響消化率的變化,糊化度越低,消化速度越慢,提供更長時間的飽腹感。

表2 低溫擠壓前后粳糙米粉的DSC糊化參數值Table 2 DSC gelatinization parameters of japonica brown rice and extruded brown rice

圖2 低溫擠壓前后粳糙米粉的DSC糊化熱流曲線Fig.2 DSC gelatinization thermograms of japonica brown rice and extruded brown rice

2.3.2 低溫擠壓對粳糙米糊化特性的影響 擠壓前后粳糙米的RVA曲線和具體的糊化參數值如圖3和表3所示。粳糙米經過低溫擠壓處理后,峰值黏度、崩解值分別降低了55.87%和90.89%。而林雅麗[30]采用100 ℃擠壓糙米,峰值黏度降低了94.09%。峰值黏度是淀粉顆粒吸水膨脹后,相互摩擦使黏度增加導致的[31]。淀粉的糊化程度越低,殘留的淀粉顆粒越多,溶脹程度越大,繼而導致峰值黏度(PV)降低程度小[32]。崩解值代表淀粉凝膠的穩定性,

圖3 低溫擠壓前后粳糙米粉的RVA曲線Fig.3 RVA curves of japonica brown rice and extruded brown rice

表3 低溫擠壓前后粳糙米粉的糊化參數值Table 3 RVA pasting parameters of japonica brown rice and extruded brown rice

崩解值越小,說明淀粉凝膠更加穩定[33]。最終黏度和保持黏度之間的差值定義為回生值。由表3可以看出擠壓后粳糙米的回生值只降低了17.83%,回生值減小表明擠壓可以減緩糙米淀粉的短期老化[34]。同時,回生值反映淀粉的降解程度,回生值降低程度越小,說明糙米經過低溫擠壓處理后,糙米淀粉降解少。

2.4 低溫擠壓對粳糙米吸水指數和水溶指數的影響

吸水指數(WAI)代表淀粉吸水能力,可以衡量淀粉糊化程度。由圖4可知,擠壓粳糙米的WAI由擠壓前的2.03%增加至擠壓后的3.03%,顯著性增加了49.26%(p<0.05)。Chauhan等[35]認為擠壓蒸煮破壞了淀粉的晶體結構,破損淀粉含量的增加,是擠壓物具有更高WAI的主要原因。本研究中擠壓粳糙米的WAI值增加幅度小,說明破損淀粉少,淀粉糊化程度低。水溶指數(WSI)能夠表明淀粉顆粒的降解程度,也可以衡量淀粉大分子在擠壓過程中受溫度、剪切力的作用降解成為可溶性多糖的程度。粳糙米的水溶性指數由0.05%增至0.07%,顯著增加了40%(p<0.05)。因此,低溫擠壓后粳糙米的水溶性指數提高,其營養素也相應提高[36]。同時,由于受到螺桿的機械作用,物料的分子結構也逐漸伸展,更多親水基團暴露出來,從而導致與水的結合能力增強,有利于糙米的后期干燥[37]。

圖4 低溫擠壓對粳糙米吸水指數和水溶指數的影響Fig.4 Effect of lower-temperature extrusion on WAI and WSI of japonica brown rice 注:不同小寫字母代表同一指標在擠壓前后差異顯著,p<0.05。

2.5 低溫擠壓對粳糙米晶體結構的影響

X-射線衍射分析常用于表征淀粉的晶體結構,衍射圖上尖峰對應淀粉的結晶區,彌散峰對應淀粉的亞結晶區和非結晶區[38-39]。擠壓前后粳糙米的X-射線衍射圖如圖5所示。擠壓前粳糙米在2θ角為15 °、17 °、18 °、23 °都出現了典型的A型峰,而擠壓后粳糙米在2θ角為17 °、18 °、23 °附近的衍射峰相對減弱,說明粳糙米淀粉晶體結構被破壞,發生了部分糊化,這與Liu等[40]研究結果一致。擠壓糙米在2θ角為20 °時出現了新的衍射峰,Ye等[41]發現原淀粉在2θ角為20°時不存在這種衍射峰,這是一種V型峰,是由于擠壓過程中直鏈淀粉-脂質復合物形成而生成的。糙米的相對結晶度從37.52%降至27.33%,僅降低了27.16%,糊化度為68.43%。低溫擠壓后粳糙米結晶度的降低,表明淀粉發生糊化需要吸收的能量也減少,即糊化焓變降低,與上述DSC結果一致。

圖5 擠壓前后粳糙米粉的X-射線衍射圖Fig.5 X-ray diffractograms of japonica brown rice and extruded brown rice

3 結論

粳糙米經65 ℃低溫擠壓后,總淀粉、蛋白質、游離氨基酸含量與組成變化不顯著,脂肪含量顯著降低,總的膳食纖維含量減少,有助于改善糙米粗糙的口感。總酚含量和GABA含量顯著增加(p<0.05),表明低溫擠壓可以提高糙米的營養價值。DSC分析結果顯示,擠壓后糙米的糊化溫度顯著升高,糊化焓變降低程度小,吸熱峰減小,糊化度為68.43%。RVA結果顯示,擠壓后粳糙米粉的黏度值、崩解值、回生值顯著降低,回生值的降低使擠壓糙米不易老化。同時,X-射線衍射分析表明相對結晶度降低了27.16%。這些表明,經低溫擠壓的糙米仍保持有大部分的晶體結構,并形成了淀粉-脂質的復合物,這些都將減緩淀粉在人體的消化吸收。此外,糙米的吸水指數與水溶指數也相應增加,這有利于糙米后續干燥加工。綜上所述,粳糙米經低溫擠壓后,營養成分損失較少,糙米糊化度較低,以便于進一步制備消化慢、營養豐富、口感好的糙米食品。