幾種糙米性質研究及隆粳軟1號性質研究及糙米蒸煮條件優化

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(1.天津科技大學食品工程與生物技術學院,天津 300457;2.國家粳稻工程技術研究中心,天津 300457)

糙米是稻谷脫殼后仍保留了皮層和胚的米粒,是一種富含營養素的食品原料,含有豐富的蛋白質、脂肪、維生素、礦物質等成分[1],其營養價值已被越來越多的人所接受[2]。和白米相比,糙米含有更多的蛋白質、脂肪、膳食纖維、谷維素、谷維醇及維生素等營養成分,這些成分都對人體健康起著不同的促進作用[3]。美國參議院營養特別委員會對飲食與疾病的關系進行了全球調查,得出“先進國家的疾病是食源病”的結論[4],號召人們改變飲食習慣,盡量攝取谷物,如糙米、全麥等食品[3,5]。隨著新米種開發強度的增加,許多學者進行了積極的嘗試和探索,采用碾削、浸泡、發芽、干燥、輻射、酶解、超高壓、擠壓膨化等多種技術方法來改善糙米的食用品質[6],糙米的蒸煮性質也成為該領域的研究熱點。

隆粳軟1號,俗稱“空心米”,是河北省農林科學院濱海農業研究所與天津天隆種業科技有限公司合作選育的新型米種,是以冀粳13、特優1號和吉粳88為親本,通過雜交、復交和多年系譜選育出具有耐寒性強,抗病性好,米質上等,蒸煮后味道好等特點的新型米種。通過初步研究得知,隆粳軟1號具有較小的比重,米粒內部較為中空,有著易蒸煮,口味甘甜的特點,可以制成速食糙米滿足人們當前快節奏的生活狀態以及對營養元素的需求,提高人們對糙米食用的接受度。本實驗對隆粳軟1號的成分、斷面結構、RVA特征譜以及蒸煮性質做了研究并優化最佳蒸煮條件,為更好的探究新型米種的性質及其應用前景提供了研究思路和理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

隆粳軟1號、津原51、津原58、京西784、天農粳1號、津稻1045、津原85 國家粳稻工程技術研究中心;氫氧化鈉 天津市北科化學品有限責任公司;鹽酸 新光化工試劑廠;乙酸鉛 天津市北科化學品有限責任公司;硫酸鈉 天津市化學試劑一廠;溴甲酚綠指示劑 天津市北科化學品有限責任公司;可溶性淀粉 廊坊鵬彩化工;五水硫代硫酸鈉 天津市恒興化學試劑。

TU-1901雙光束紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司;HH-4數顯恒溫水浴鍋 上海精密儀器廠;TA-XT2i物性測試儀 英國Stable MicroSystems公司;FA1004精密電子天平 上海天平儀器廠;FW100型萬能粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司;JsMT-300掃描電子顯微鏡 長沙科美分析儀器有限公司;RVA-TecMaster快速粘度分析儀 澳大利亞Newport Scientific Pty.Ltd;全自動凱氏定氮儀 上海沛歐。

1.2 實驗方法

1.2.1 蒸煮條件 將糙米樣品經淘洗,浸泡,蒸煮制成米飯,使用質構儀進行測定,具體操作如下:

稱取20.00 g糙米放入蒸飯小鋁盒中,每個試驗條件點做6個樣,加入25 ℃左右的蒸餾水12 mL浸泡30 min,浸泡完成后用電飯煲的燜制40 min,電飯煲功率設定為600 W,冷卻到室溫進行質構特性測定。

1.2.2 單因素實驗 浸泡時間對隆津軟1號糙米飯硬度/黏度的影響:取100 g糙米在25 ℃下用蒸餾水浸泡20、30、40、50、60 min,后用1∶1.8的蒸餾水在600 W電飯煲中蒸煮35 min用TA.XT2i測定硬度和黏度;浸泡溫度對隆津軟1號糙米飯硬度/黏度的影響:取100 g糙米在20、30、40、50 ℃下浸泡40 min后加入1∶1.8的蒸餾水用600 W電飯煲蒸煮35 min用TA.XT2i測定硬度和黏度;蒸煮時加水量對隆津軟1號糙米飯硬度/黏度的影響:取100 g糙米在40 ℃下浸泡40 min后加入1∶1.2、1∶1.4、1∶1.6、1∶1.8、1∶2.0的蒸餾水用600 W電飯煲蒸煮35 min后用TA.XT2i測定硬度和黏度。

1.2.3 響應面實驗 根據以上單因素試驗的優化結果,選取浸泡時間(A)、浸泡溫度(B),蒸煮加水量(C)為影響因素,蒸煮后的糙米飯硬度/黏度為響應值,每個因素取3個水平,軸向點設為±1,進行Box-Behnken試驗設計。每個試驗重復3,取其平均值,各試驗因素水平、編碼見表1。

表1 Box-Benhnken Design實驗的因素與水平Table 1 Factors and levels ofbox-benhnken Design experiments

數據處理:在單因素試驗基礎上,利用Box-Behnken中心組合試驗設計原理,選擇浸泡時間、浸泡溫度、蒸煮加水量3個因素作為響應變量,進行響應面法分析。所有試驗數據重復3次,取平均值。采用Origin 8.0 軟件和Design Expert 10.0.7 軟件進行作圖分析和數據處理。

1.2.4 指標測定

1.2.4.1 成分的測定 水分的測定:參考國家標準GB 5009.3-2016[7]中的直接干燥法;蛋白質的測定:參考國家標準GB 5009.5-2016[8]中的凱氏定氮法;脂肪的測定:參考國家標準GB 5009.6-2016[9]中的索氏抽提法;淀粉的測定:參考國家標準GBT 15683-2008[10]以及GB 5009.9-2016[11]。

1.2.4.2 斷面電鏡 將糙米垂直固定,橫向敲斷,取中部斷面粘在樣品臺上,在JFC-1100離子濺射儀上鍍金膜約100 ?,用JsM-T300掃描電子顯微鏡觀察[12-13]。每個材料觀察5粒糙米中段面的腹、中、背3個部位[14]。

1.2.4.3 淀粉黏滯性分析 本研究采用RVA-Super4快速粘度分析儀進行隆粳軟1號糙米粉糊化特性的快速測定。樣品測定2次,取平均值。稻米淀粉RVA譜特征參數除用糊化起始溫度(pasting temperature,PT)、最高黏度(peak paste viscosity,PKV)、熱漿黏度(hot paste viscosity,HPV)和冷膠黏度(cool paste viscosity,CPV)描述外,還用崩解值(BDV=PKV-HPV)、回復值(consistency viscosity,CSV=CPV-HPV)和消減值(SBV=CPV-PKV)表示[15]。

1.2.4.4 硬度和黏度的測定 米飯的質構特性在食味評價中占有相當大的比重。利用質構儀或通用試驗儀等儀器模仿口腔咀嚼時的機械運動,可測出米飯質地的各項物理特性,如硬度、黏性、彈性(松馳性)、凝聚性和黏附性等,由這些特性值可對米飯食味作出間接比較和正確評價[16-17]。日本學者文夫、和田潔志在1991年的研究表明:米飯硬度小,黏度大,硬度與黏著性比值小,則食味較佳[18]。選取蒸煮糙米飯樣品中的4顆米粒,平行排放在實驗臺面中心圓處,測試條件:測試步驟及測試參數:稱取17 g制備的米飯置于擠壓裝置中,并用刮刀刮至裝置底部,將測試探頭移至55 mm處,點擊開始后進行測試。物性測試儀設置的測試參數為:測試模式:Compression,測試速率:1.60 mm/s,測試后速率:5.0 mm/s,目標模式:Distance,Distance:52 mm,觸發類型:Button,數據獲得速度500 pps,探頭下降距離75%,兩次壓縮之間停留5.0 s,測試重復3次[19]。

1.2.4.5 感官評定 參考國標及其相關文獻制定米飯感官評價,選取5名食品相關專業學生和5名食品相關行業的公司員工對米飯進行感官評價,具體評價表見表2。

表2 感官評價表Table 1 Sensory evaluation

2 結果與分析

2.1 成分測定結果

表3 各米種成分測定結果Table 3 Measurement results for each rice species

注:上述數值均為干基含量,值是平均值±標準差。列中具有相同字母的平均值沒有顯著差異(P>0.05)反之,具有不同字母的平均值有顯著性差異。由表3可知,隆粳軟1號中水分高于屬于秈稻的津原51、津原58、津原85和屬于粳稻的京西784、天農粳1號、津稻1045。而總淀粉含量高于屬于秈稻的津原51、津原58、津原85,低于屬于粳稻的京西784、天農粳1號、津稻1045。隆粳軟1號的蛋白質含量和脂肪含量均低于秈稻津原津原51、津原58、津原85和粳稻京西784、天農粳1號、津稻1045。經SPSS軟件分析,隆粳軟1號的直鏈淀粉含量明顯高于秈稻津原51、津原58、津原85,但略低于粳稻京西784、天農粳1號、津稻1045。粳稻隆粳軟1號,是以冀粳13、特優1號和吉粳88為親本,通過雜交、復交和多年系譜選育出來,表現出強大的雜交優勢,其成分與普通秈稻和粳稻相比表現出一定的差異性。7種大米中脂肪的含量在0.58%～0.85%之間波動;粳稻京西784、天農粳1號、津稻1045總淀粉含量在79.4%～82.41%,秈稻津原系列總淀粉含量在72.14%～73.88%之間波動。隆粳軟1號總膳食纖維含量高于津源51、津源85、京西784、津稻1045,低于津原58、天農粳1號。隆粳軟1號灰分含量高于津原51、津原85、京西784、天農粳1號,低于津原58、津稻1045。成分之間的差異是由植物來源的不同以及氣候和土壤條件的不同造成的。綜上,可以得知新型米種隆粳軟1號與其他米種相比,其直鏈淀粉含量處于粳稻和秈稻之間,水分含量較高,總膳食纖維含量差異不明顯。

2.2 稻米內部結構的觀察

圖1顯示了隆粳軟1號米粒以及天津地區種植的秈稻津原51背部、中部和腹部中淀粉的形態特征。秈稻津原51(圖1D,E,F)背部和心部的淀粉粒排列比較緊密,淀粉粒間間隙小,胚乳中、背部復粒淀粉為非裸型淀粉粒,形狀近圓,外表粗糙,排列緊密,表面披有帶紋的膜;腹部的復粒淀粉為非裸與半裸露型參半。單粒淀粉為多角形多面體,棱角銳利,集聚致密,表面有明顯的飾紋,在胚乳中背部尤其明顯復合淀粉體的數目多于腹部。與秈稻相比隆粳軟1號(圖1A,B,C)復粒淀粉以半裸露型為主。胚乳腹部的復粒淀粉以半裸露或裸露型為多;中、背部則半裸露和非裸露兩種類型并存。單粒淀粉多數為近方形的多面體,棱角較鈍少數呈淀粉近圓形,排列疏松,有明顯的間隙。

2.3 隆粳軟1號的RVA譜參數

從表4可知,秈稻津原51、粳稻天農粳1號、隆粳軟1號,不同的品種,其米粉黏滯譜參數值不同,有研究表明稻米RVA參數表現為隨著直鏈淀粉含量升高,糊化起始溫度、最高黏度、熱漿黏度、冷膠黏度和崩解值逐漸降低[20],但對于隆粳軟1號,其直鏈淀粉含量高于秈稻,低于粳稻,糊化起始溫度,和最高黏度卻低于秈稻津原51和粳稻天農粳1號,熱漿黏度、冷膠黏度高于粳稻和秈稻,崩解值低于粳稻津原51和粳稻天農粳1號而消減值卻高于津原51和天農粳1號。津原51和粳稻天農粳1號的消減值均隨直鏈淀粉含量減少而降低。而隆粳軟1號的直鏈淀粉含量高于秈稻津原51,低于粳稻天農粳1號,其消減值卻顯著大于其他兩種米種。總體來說這種直鏈含量較高的新型米種,并沒有表現出具有低最高黏度與崩解值的一一對應關系。

表4 隆粳軟1號與其他品種稻米RVA譜參數Table 4 The RVA Spectrum Parameters of japonica LONG JING NO.1 and Other Rice

圖1 不同品種稻米胚乳中的淀粉體結構(2000倍)Fig.1 The amyloplasts in the endosperm ofdifferent rice cultivars(2000×)注:A,B,C為隆粳軟1號的背、中和腹部;D,E,F為秈稻津原51的背、中和腹部。

注:上述數值均為干基含量,值是平均值±標準差。列中具有相同字母的平均值沒有顯著差異(P>0.05)反之,具有不同字母的平均值有顯著性差異。

2.4 蒸煮品質測定

2.4.1 蒸煮條件測定 對各個因素不同水平下對隆粳軟1號進行感官評定,評分結果如圖2～圖4。

由圖2可知,浸泡時間在10～40 min范圍時,隆粳軟1號糙米感官評分隨浸泡時間的增加而逐漸增高;當浸泡時間在40 min時,感官評分達到了最高;隆粳軟1號糙米浸泡時間在40～60 min范圍時,其感官評分隨浸泡溫度的增加而逐漸降低。

圖2 隆粳軟1號浸泡時間對感官評分的影響Fig.2 Effect of soaking time of japonicaLONGJING NO.1 on sensory score

由圖3可知,隆粳軟1號糙米浸泡溫度在20～40 ℃范圍時,其感官評分隨浸泡溫度的升高而逐漸增高;隆粳軟1號糙米當浸泡溫度在40 ℃時,其感官評分達到最高分;隆粳軟1號糙米浸泡溫度在40～50 ℃范圍時,其感官評分隨浸泡溫度升高而降低。

圖3 隆粳軟1號浸泡溫度對感官評分的影響Fig.3 Effect of soaking temperature ofjaponica LONGJING NO.1 on sensory score

由圖4可知,隆粳軟1號糙米的蒸煮加水比例在1∶1.2～1∶1.8范圍時,其感官評分隨蒸煮加水比例的升高而逐步增高;隆粳軟1號糙米蒸煮加水比例為1∶1.8時,其感官評分達到最高分;隆粳軟1號糙米蒸煮加水比例在1∶1.8～1∶2.0范圍時,其感官評分隨之上升稍有下降。

圖4 隆粳軟1號蒸煮加水比例對感官評分的影響Fig.4 Effect of water ratio of japonicaLONGJING NO.1 on sensory score

表5 質構特性與感官評定之間的相關性Table 5 Correlation between texture characteristics and sensory evaluation

注:*表示P<0.05表示水平上顯著相關,**表示P<0.01水平上極顯著相關,表7同。由以上感官評價,初步確定隆粳軟1號糙米的蒸煮基本條件,浸泡時間大致在40 min,浸泡溫度大致在40 ℃,蒸煮加水比例大致在1∶1.8。

2.4.2 單因素實驗結果分析 為研究不同浸泡溫度、浸泡時間、蒸煮米水比例下隆粳軟1號糙米硬度與黏著性的變化規律,確定每個因素最佳的提取條件,對每個因素不同水平的硬度與黏度數值按照上述1.2.2所示的方法進行測定。

由圖5a可知,糙米的硬度會隨著浸泡時間的延長而顯著降低,但在浸泡時間超過40 min后硬度下降的趨勢明顯減緩,同時,糙米飯的黏著性會隨著浸泡時間的延長而且逐漸上升,但在浸泡時間超過40 min后上升趨勢也明顯減緩。由圖5b可知,糙米在蒸煮過程中,米粒的硬度會隨著浸泡溫度的升高而逐漸降低,米粒的黏著性會隨浸泡溫度的升高而逐漸升高,但硬度和黏著性的變化并不顯著(P>0.05)。米粒硬度在浸泡溫度在20～40 ℃期間,其下降趨勢較為明顯,在40～60 ℃期間硬度的下降趨于平緩。米粒黏著性在浸泡溫度在20～40 ℃期間,其上升趨勢較為明顯,在40～60 ℃期間黏著性基本保持穩定。由圖5c可知。糙米的硬度隨著蒸煮米水比例的增加呈現顯著下降趨勢(P<0.05),糙米飯的黏著性隨著蒸煮米水比例的增加呈現顯著上升趨勢(P<0.05)。在蒸煮米水比到1∶1.6時,糙米的黏著性上升趨勢變得平緩,而在蒸煮米水比達到1∶1.6時糙米飯硬度下降趨勢更為劇烈,當蒸煮米水比達到1∶1.8時這種下降趨勢又有所平緩,說明在蒸煮加水量1∶1.2到1∶1.6期間,蒸煮加水量的不足未能使米粒物性發生完全的變化。過高或者過低的浸泡溫度都不利于隆粳軟1號的食味品質的提高,浸泡時間太短,水分進入米粒內的含量少,在蒸煮過程后,米粒硬度高,黏度小,浸泡時間太長,在蒸煮后米粒硬度低,但黏度太高。

圖5 各因素對硬度和黏著性的影響Fig.5 Influence of various factors on hardness and viscosity

2.4.3 感官評價與質構特性的相關性分析 為了以質構特性指標為速食糙米飯食用主要的評判標準,本文進行了物性指標和感官評價各指標之間相關性研究,表5為質構特性指標與感官評價之間的相關性分析,從表中可以看出各質構指標和感官評鑒具有一定的相關性。日本學者研究認為:米飯硬度小,黏度大,硬度/黏度比值小,則食味較佳[18],因此本研究以硬度和黏度比值作為指標來確定最優的制作工藝,為了后續響應面法確定最優速食糙米飯工藝的實驗,我們同時也分析了硬度與黏度比值的相關性。

質構參數中的硬度、黏度與感官評定參數中的口感、滋味、綜合評分均在P<0.01水平上呈現極顯著的相關性,其中硬度與口感、滋味、綜合評分成負相關;黏著性與滋味、綜合評分成極顯著正相關,相關系數分別為-0.892、-0.997、-0.989;0.949、0.923。黏著性、彈性、回復值與感官評定中口感在P<0.05水平上呈現顯著的正相關,相關系數分別為0.906、0.895、0.852。質構參數中彈性、回復值與感官評定中滋味成正相關,相關系數分別為0.877、0.888。本研究通過硬度與黏著性的比值和感官評定中綜合評分相關性分析可以得出,硬度與黏著性的比值與綜合評分呈極其顯著的負相關,相關系數為-0.967,因此,硬度與黏著性的比值可以作為糙米蒸煮食味品質的重要衡量指標之一。

2.4.4 響應面實驗 設計與結果分析按照Design-Expert軟件(V8.0.6)設計的三因素三水平實驗方案。

表6 響應面實驗方案及結果Table 6 Response surface experiment scheme and results

Design-Expert軟件對表中數據進行多元回歸擬合,得到隆津軟1號糙米飯硬度與黏度比值(Y)相對于浸泡時間(A)、浸泡溫度(B),蒸煮加水量(C)的多項回歸方程為:Y=708.73250-3.622A-9.692B-4.448C+0.037AB-4.25000E-003AC+9.5000E-003BC+0.0333A2+0.0783B2+0.0118C2。

表7 隆粳軟1號糙米蒸煮回歸模擬方差分析Table 7 Analysis of the simulated variance of japonica LONGJING NO.1brown rice cooking regression

通過分析表7得出以下結論。由表7的分析結果可以知,在一次項中,A對隆粳軟1號糙米硬度與黏度比值影響不顯著(P>0.05),B,C對隆粳軟1號糙米硬度與黏度比值影響為極顯著(P<0.01);在二次項中A2,B2,C2對隆粳軟1號糙米硬度與黏度比值影響為極顯著(P<0.01),AB,AC,BC這三對交互作用的分析中均為不顯著(P>0.05),由此可知各個因素與響應值不僅是單純的線性關系。在該實驗設計范圍內,R2=0.9920,實驗誤差較小,模型為極顯著(P<0.01),說明模型與實際實驗擬合良好。

2.4.5 兩因素之間的交互作用 由以上得出的模型可以做出響應面圖和等高線圖(圖6～圖8),各因素及其交互作用對響應值的影響可以通過組圖直觀的表現出來。等高線圖反映了交互作用的強弱,通過分析等高線圖可以得出每兩個因素中硬度與黏度比值的絕對值大小影響較大的因素。

由圖6A可知,浸泡溫度不變時,隨著浸泡時間的延長,隆粳軟1號糙米硬度與黏度比值先下降后上升;當浸泡時間不變時,隨著浸泡溫度的上升隆粳軟1號糙米硬度與黏度比值先下降后上升。說明過高和過低的浸泡時間都不利于蒸煮隆粳軟1號糙米。浸泡溫度時間不變,隨著浸泡溫度的升高,隆粳軟1號糙米的口感先下降后上升;由圖7A可知,當浸泡時間不變時,隨著蒸煮加水量的增加隆粳軟1號糙米硬度與黏度比值先升高后下降,當蒸煮加水量不變時,隨著浸泡時間的增加,硬度與黏度比值先下降后上升,說明過高的浸泡時間和蒸煮加水量都不利于隆粳軟1號糙米口感的提升。圖6B表示浸泡時間與浸泡溫度之間的交互作用,該高線趨于橢圓形,可見隆粳軟1號糙米的浸泡時間與浸泡溫度交互作用明顯;圖7B表示浸泡時間與蒸煮加水量之間的交互作用,該高線趨于橢圓形,可見隆粳軟1號糙米的浸泡時間與蒸煮加水量交互作用明顯。

圖6 隆粳軟1號浸泡時間(A)、浸泡溫度(B)的響應面及等高線Fig.6 response surface and contour line of japonicaLONGJING NO.1soaking time(A),soaking temperature(B)

圖7 隆粳軟1號浸泡時間(A)、蒸煮加水比例(B)的響應面及等高線Fig.7 The response surface and contour line ofjaponica LONGJING NO.1 soaking time(A),steaming and adding water ratio(B)

由圖8A可知,浸泡時間一定條件下,在浸泡溫度不變時,隨著蒸煮加水量的增加,隆粳軟1號糙米硬度與黏度比值先下降后上升;當蒸煮加水量不變時,隨著浸泡溫度的上升隆粳軟1號糙米硬度與黏度比值先下降后上升。說明過高的蒸煮加水量不利于隆粳軟1號糙米口感的提升。圖8B表示糙米的浸泡溫度與蒸煮加水量之間的交互作用,該高線趨于圓形,可見隆粳軟1號糙米的浸泡溫度與蒸煮加水量交互作用不明顯。

圖8 隆粳軟1號浸泡溫度(A)、蒸煮加水比例(B)的響應面及等高線Fig.8 The response surface and contour line ofjaponica LONGJING NO.1 soaking temperature(A),boiling and adding water ratio(B)

2.4.6 驗證實驗 根據設計所得模型分析可得,對隆粳軟1號糙米蒸煮食味品質優化的蒸煮條件為:浸泡時間39.8 min,浸泡溫度37.7 ℃,蒸煮加水量為1∶1.78,隆粳軟1號糙米硬度與黏度比值預測值可達到32.86。為驗證響應面結果所得可靠性,根據實際操作,將蒸煮條件修正為浸泡時間40 min,浸泡溫度38 ℃,蒸煮加水量為1∶1.8;實際測得硬度與黏度比值為32.98,與模型相差0.61%。

3 結論

隨著人們對糙米口味及營養價值要求的日益提高,對新型米種的開發及其蒸煮條件的優化將成為研究的熱點,因此有必要從多種角度改進糙米的食味品質,建立完善的評價模型,使人們對糙米的接受度進一步提高。

本文主要探討新型米種隆粳軟1號成分、斷面、RVA特征譜、以及探索了隆粳軟1號糙米蒸煮條件。通過分析可知隆粳軟1號的蛋白質,脂肪,水分等含量較其他米種沒有明顯優勢,但其總淀粉含量較高,其中直鏈淀粉含量明顯高于秈稻,略低于粳稻,這一特性使該糙米黏性較大,漲性小,冷卻后仍能維持柔軟的質地[21],同時因為米粒內部結構疏松,提高了米粒吸水性,將其加工成糙米飯與其他米種相比,更為有效的縮短了蒸煮時間。本文以硬度與黏著性比值作為衡量指標來優化隆粳軟1號的蒸煮條件,優化后的條件為:浸泡時間40 min,浸泡溫度38 ℃,蒸煮加水量為1∶1.8。