低溫等離子體對糙米蒸煮品質和物化特性的影響

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(1.哈爾濱商業大學旅游烹飪學院,黑龍江哈爾濱 150076; 2.國家糧食和物資儲備局科學研究院,北京 100037)

等離子體是一種準中性電離氣體[1],由電子、離子、自由基、激發態原子和大量結合的中性分子組成,已經廣泛應用于微電子、材料加工、生物醫療器械和航天航空等行業[2-5]。根據熱力學性質,等離子體可分為高溫等離子體和低溫等離子體兩類。在等離子體中,如果電離氣體中的電子、離子和中性粒子等成分處于熱力學不平衡狀態,電子溫度遠高于離子溫度,則被稱為低溫等離子體[6]。低溫等離子體中電子與較重粒子在大氣壓或低壓下不斷碰撞[7],產生的高能電子、活性成分物質和紫外線作用于食品中,進一步導致食品發生多種物理和化學變化,如殺菌[8]、淀粉改性[9-10]、酶失活[11]、改變食品的親疏水性[12]、蝕刻食品表面[13]等。超聲波輻射、微波輻射和γ射線輻射等[14-16]非熱加工技術對改善糙米的烹飪和結構特性研究已有報道,但利用低溫等離子體處理來改善糙米品質的研究相對較少。

糙米由稻谷脫殼而成,包含著外種皮層、胚和胚乳三部分。相比較于糙米,市面上的白米在精加工過程中損失了大部分的B族維生素、微量元素和必需脂肪酸;另外酚類物質也大量損失,特別是阿魏酸和雙魏酸,而對于抗氧化和降低膽固醇血癥具有積極作用[17]。隨著健康意識的增加,越來越多的消費者選擇糙米,但難蒸煮、口感差、難消化等缺點導致其很難成為餐桌上的主流食品。

因此,本研究采用低溫等離子體技術處理糙米,研究其對糙米籽粒表觀形態、蒸煮品質、質構特性、糊化特性和營養成分的影響,評估低溫等離子體在糙米加工中應用的適宜性,以期為低溫等離子體在糙米加工行業的工業化生產提供參數指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

長粒香糙米、長粒香白米 2018年收獲,低溫、干燥且密閉儲藏,黑龍江五常市。

PL3002-IC電子分析天平 梅特勒-托利多儀器有限公司;DGG-9000型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海森信實驗儀器有限公司;TA.XT2i Plus質構儀 英國StableMicro System公司;RVA4500快速粘度分析儀 Rigaku;D/max-r B型X射線衍射儀 日本理學公司;XDS型近紅外分析儀 丹麥福斯儀器有限公司;S-300N型電鏡 日本Hitachi公司;FW-135型中草藥粉碎機 天津泰斯特公司;QGWB-PM001全谷物低溫等離子體專用振動布料器 河北航興機械科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 低溫等離子體糙米(LTP-BR)的制備 將樣品放入全谷物低溫等離子體專用振動器上首先進行真空處理,再將等離子體設備調至輝光強度為1.8 A處理2 min進行后續實驗研究。

1.2.2 研究對象 本文將測定白米(WR)、未處理糙米(BR)和低溫等離子體處理后糙米(LTP-BR)的蒸煮特性和物化特性變化規律。

1.2.3 營養成分測定 水分測定:GB 5009.3-2016直接干燥法;蛋白質測定:GB 5009.5-2016(第一法);脂肪:GB 5009.6-2016(第二法);灰分:GB 5009.4-2016(第一法);總膳食纖維:GB 5009.88-2014;直鏈淀粉測定:GB/T 15683-2008;氨基酸測定:GB 5009.124-2016。

1.2.4 低溫等離子體處理對糙米蒸煮特性的影響 蒸煮品質的測定參考王肇慈[18]的方法。

1.2.4.1 加熱吸水率 稱取 5 g 樣品,加入 50 mL純凈水,置于鋁盒中并在電飯鍋中蒸煮至最適蒸煮時間(白米20 min、糙米35 min、等離子體糙米26.5 min),濾出米粒并冷卻至室溫(約 25 ℃)后稱量,計算米粒吸水率。

吸水率T(%)=(Wi-W0)×100/W0

式(1)

式中:Wi為樣品蒸煮后質量,g;W0為原料米質量,g。

1.2.4.2 體積膨脹率 按照1.2.4.1進行樣品蒸煮、濾出米粒并冷卻至室溫,用體積置換法測定同一份樣品蒸煮前、后的體積,計算樣品蒸煮后的體積膨脹率。

體積膨脹率V(%)=(Vi-V0)×100/V0

式(2)

式中:Vi 為樣品蒸煮后的體積,mL;V0為樣品蒸煮前的體積,mL。

1.2.4.3 固形物損失率 按照1.2.4.1的方法進行樣品蒸煮后,將米湯傾入已知質量的鋁盒中,在105 ℃下干燥至質量恒定,計算米粒固形物損失率。

固形物損失率(mg/g)S=Si/W0

式(3)

式中:Si為米湯中固形物質量,mg;W0為原料米質量,g。

1.2.5 感官評價 新鮮煮好的米飯放于白色陶瓷碗中,挑選10名評審員(5男5女),包括受過專業訓練的學生和老師,每個評審員每次評定5個樣品,每天評審次數不超過2次。評價指標有氣味、外觀(色澤、米粒完整性)、適口性(軟硬、粘性、彈性、滋味)及整體口感喜好程度。評價指標的選擇與描述參考Mestres等[19]和Zhang等[20],評分采用百分制。感官評價指標的描述情況如表1。

表1 糙米飯感官評價指標定義及評分標準Table 1 Definition and evaluation progress of sensory texture of cooked brown rice

1.2.6 質構特性測定 將5 g糙米加入8 mL蒸餾水蒸煮成米飯放至室溫后,使用物性儀測定米飯硬度、粘性等質構特性。測定條件:使用P/36R探頭,測前速度為2.0 mm/s,測試速度為2.0 mm/s,測后速度為2.0 mm/s,觸發力為20 g,形變50%,兩次壓縮間隔時間為5 s,平行測定5次,最終結果取5次平行的平均值。

1.2.7 表觀特性測定 將糙米固定在載物臺上,使用離子濺射儀噴金90 s,大約噴上10 nm厚的金,在掃描電鏡下用15 kV的加速電壓進行觀察。

1.2.8 近紅外光譜測定 使用近紅外光譜分析儀進行WR、BR和LTP-BR的光譜采集,掃描范圍400～650 nm,分辨率8 cm-1,掃描次數64次,波長間隔2 nm,每個樣品重復裝樣及掃描2次,取平均值。

1.2.9 X射線衍射測定 用X射線衍射儀對WR、BR和LTP-BR進行測試得到相應的衍射圖譜,測定條件:電壓40 kV,電流40 mA,掃描2θ范圍為5～30°,步長為 0.02°,掃描速率為3°/min。

1.2.10 糊化粘度測定 將糙米粉碎并過40目篩,依據GB/T 24852-2010的檢測方法,利用快速黏度儀(RVA)測定。RVA條件程序:50 ℃ 保持1 min;12 ℃/min上升到95 ℃(3.75 min);95 ℃保持2.5 min;12 ℃/min下降至50 ℃(3.75 min);50 ℃保持1.5 min。攪拌器轉速960 r/min 10 s,降至160 r/min至結束。

1.3 數據處理

所有試驗都重復3次,結果表示為“平均值±標準差”,數據處理使用軟件Excel 2007和SPSS 17.0,繪圖采用Origin-8.0。

2 結果與分析

2.1 營養成分評價

WR、BR和LTP-BR的營養成分如表2所示,相比較于白米(WR),對照組糙米(BR)和低溫等離子體處理糙米(LTP-BR)的蛋白質、脂肪、灰分和總膳食纖維的含量顯著升高(P<0.05),這說明糙米的營養價值豐富。經低溫等離子體處理后,糙米的水分含量由12.70%降到10.95%,這可能是由于真空系統的存在導致糙米表面的水分揮發,揮發的水分子經低溫等離子體技術處理后被分解成氧自由基的結果[21]。糙米的直鏈淀粉經低溫等離子體作用后含量顯著增加(P<0.05),這可能是由于等離子體中的離子、自由基氧化導致支鏈淀粉解聚,將其降解為更小分子的物質引起的[22-23],這點與Thirumdas等[24]的實驗結果相同。而糙米蛋白質和總膳食纖維的含量經低溫等離子體處理后略有增加,但不存在顯著差異(P<0.05);低溫等離子體處理后糙米的脂肪含量減少,這可能有助于糙米的貯藏。糙米的灰分不受低溫等離子體處理的影響,Chen等[25]也報道了類似的結果。

表2 稻米的營養組成成分Table 2 The nutritional components of rice

注:相同指標不同米粒上不同字母著代表差異顯著(P<0.05);表3～表7同。

由表2可以看出,WR、BR和LTP-BR中谷氨酸仍是主要的氨基酸。WR的必需氨基酸總量為2.07 g/100 g,相比較于WR,BR和LTP-BR中必需氨基酸含量升高,分別為2.36和2.37 g/100 g,這說明糙米外種皮層含有較多的必需氨基酸;相比較于BR,低溫等離子體處理后LTP-BR的必需氨基酸總含量變化不明顯。WR、BR和LTP-BR中非必需氨基酸含量分別為3.95、4.53和4.61 g/100 g,經低溫等離子體處理后糙米的非必須氨基酸含量增加。

2.2 蒸煮品質分析

WR、BR和LTP-BR的蒸煮品質的變化結果如表3所示。由表3可以看出,WR的加熱吸水率、體積膨脹率和固形物損失率顯著高于BR和LTP-BR(P<0.05),這是因為糙米表面的纖維皮層在一定程度上阻擋了水分進入籽粒內部和固形物的大量溶出;相比較于對照組BR,LTP-BR的加熱吸水率顯著增加了54.12%左右(P<0.05),體積膨脹率達到268.25%,而固形物損失率顯著增高到19.18 mg/g(P<0.05),這是因為低溫等離子體中的高能離子源沖擊糙米表面,導致表面產生凹陷和裂縫,有利于水分的進入和固形物的溶出;另一方面低溫等離子體處理使得糙米表面能增加,親水性增加,有利于水分的吸收和體積的膨脹。研究表明米湯固形物含量越高,其蒸煮時米飯越黏,食味品質及適口性越好[26],因此低溫等離子體處理對糙米蒸煮品質的改善有積極作用。

表3 WR、BR和LTP-BR的蒸煮特性分析Table 3 Analysis of cooking characteristics of WR,BR and LTP-BR

2.3 感官品質分析

WR、BR和LTP-BR的感官評價結果如表4所示。WR樣品的氣味、色澤、適口性均優于BR和LTP-BR,感官評分高,具有良好的食味品質。相比較于BR,LTP-BR的氣味得分顯著增高,此時的糙米飯香氣濃郁,外飯粒完整有光澤,咀嚼時具有較好的粘彈性,這是因為低溫等離子體導致糙米表面產生凹陷和裂縫,有利于水分的進入和內容物的流出,可以有效的改善糙米的食味品質。

表4 WR、BR和LTP-BR的感官品質分析(分)Table 4 Analysis of sensory quality of WR,BR and LTP-BR(scores)

表5 米飯的質構特性Table 5 Texture properties of rice

2.4 質構特性分析

表5為WR、BR和LTP-BR飯的質構特性變化,WR的硬度和咀嚼性較低,彈性高于糙米,食用品質良好。相比較于BR,LTP-BR的質構特性變化明顯,糙米的硬度、膠黏性和咀嚼性分別顯著降低了598.91、80.59和140.01 g(P<0.05),而彈性和粘附性升高。由表3蒸煮損失中可以表明,處理后糙米的固形物損失率更高,導致糙米的粘彈性更高,這主要是因為大米顆粒中固體物質溶出的結果,同樣的實驗結果Leelayuthsoontorn等[27]也報道過。Zhou等[28]研究發現硬度和粘附性參數與淀粉顆粒的水化過程有關,水化程度越高,結合作用越強,對于糙米飯質構特性的改善效果越好;而糙米經低溫等離子體處理后表面粗糙、親水性增加,蒸煮時水分可以快速進入糙米內部與淀粉結合,這表明低溫等離子體技術可以有效地改善糙米的質構特性。

2.5 微觀結構分析

低溫等離子體處理前后糙米表面的微觀結構如圖1所示。從圖1可以清楚的看到經低溫等離子體處理后糙米顆粒表面的裂縫和凹陷,這樣水分可以很容易進入籽粒內部,有利于糙米蒸煮品質的改善,Chen等[25]的研究中也出現過類似結果,這種現象被稱為蝕刻效應。這是由于等離子體產生了高能粒子,大量的高能粒子不斷撞擊糙米表面,使表面平整度降低,改變了表面物理結構,導致粗糙度增加[10]。等離子體處理改變了其自然表面形貌,使得米粒的蒸煮和結構參數均得到改善。

圖1 低溫等離子體技術對米粒微觀結構的影響(×2000)Fig.1 Effects of low-temperature plasma technology on the microstructure of rice(×2000)注a:BR;b:LTP-BR。

2.6 傅里葉近紅外光譜圖分析

圖2是WR、BR和LTP-BR的傅里葉紅外光譜圖。由圖2可以看出,波長為2920、1650、1450、1350、1089 cm-1時出現特征吸收峰,其中波長在1450和1350 cm-1附近的吸收峰分別對應CH2和CH的彎曲振動[29],2920和1089 cm-1附近的吸收峰分別代表CH和C-O的伸縮振動[30]。當波長在2920 cm-1時WR的波峰明顯低于BR和LTP-BR,可能是WR的脂肪和膳食纖維的含量較低的原因。相比較于BR和WR,當波長在1650 cm-1處LTP-BR的波峰有所增加,此時的吸收峰歸屬于水分子中OH的彎曲振動[31-32],這表明糙米經等離子體處理后親水基團有所增加,親水性能得到提高,這也說明糙米經低溫等離子體處理后蒸煮品質改善的原因。

圖2 WR、BR和LTP-BR的傅里葉近紅外光譜圖Fig.2 FTIR images of WR,BR and LTP-BR

2.7 X射線衍射圖譜分析

糙米經X射線衍射分析法測定的晶體結構變化如圖3所示。由圖3可以看出WR、BR和LTP-BR均具有2θ衍射角為15.20°、17.32°、18.21°和23.28°的衍射峰,是谷物淀粉固有的A型結晶結構[33]。處理前后沒有新的衍射峰出現,表明低溫等離子體技術對糙米淀粉的晶型結構沒有影響。如表6所示,BR和LTP-BR的結晶度顯著高于WR(P<0.05);相比較于BR,LTP-BR的結晶度降低,淀粉結晶區結構被破壞,這可能是由于低溫等離子體處理導致淀粉發生解聚[34],導致結晶度下降。

圖3 WR、BR和LTP-BR的X-射線衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction patterns of WR,BR and LTP-BR

表7 WR、BR和LTP-BR的RVA特征值分析Table 7 Analysis of RVA characteristic values of WR,BR and LTP-BR

表6 WR、BR和LTP-BRX射線衍射參數Table 6 X-ray diffraction parameters of WR,BR and LTP-BR

2.8 糊化特性分析

糊化是指稻米淀粉顆粒受熱吸水膨脹,氫鍵斷裂,淀粉分子由有序向無序轉化的過程[]。低溫等離子體處理前后糙米粉的糊化特性統計分析見表7。由表7可知,WR的峰值粘度、最低粘度、最終粘度和崩解值顯著高于BR和LTP-BR(P<0.05),這也解釋了WR的食味品質良好的原因。LTP-BR的峰值粘度、最低粘度、崩解值和最終粘度略高于BR,但不存在顯著差異,而回生值顯著高于BR和WR(P<0.05)。

峰值粘度是淀粉吸水膨脹,溶出物發生摩擦讓糊液粘度急劇增加造成,是衡量淀粉顆粒膨脹程度和直鏈淀粉溶出數量多少的標準,根據表7顯示LTP-BR的峰值粘度高于BR,可能是因為等離子體中的活性粒子導致化學鍵強度減弱或化學鍵斷裂,促進了部分淀粉的膨脹以及直鏈淀粉溶出,導致峰值粘度升高[9]。崩解值是峰值粘度減去最低粘度,能比較直觀的反應米飯口感。有研究表明,稻米的RVA崩解值在1200 cp以上食味品質較好[36],由表7中數據可以看出經低溫等離子體處理后糙米的崩解值增加,有效的改善了糙米的口感。回生值代表淀粉糊化后的老化回生速度,LTP-BR回生值升高說明經低溫等離子體技術處理導致糙米飯易于老化,而短期老化跟糊化時直鏈淀粉的溶出量呈正相關[37],這說明低溫等離子體處理一方面促進糊化過程中直鏈淀粉的溶出,能夠改善糙米飯的口感;另一方面會導致糙米飯易老化。

3 結論

低溫等離子體作為非熱加工技術,提升糙米食用品質的發展潛力巨大。低溫等離子體處理后糙米的加熱吸水率、體積膨脹率和固形物損失率顯著升高了54.12%、13.37%和4.11 mg/g,有效的提升了糙米的蒸煮性能;彈性、峰值粘度和崩解值顯著升高,使糙米的硬度、咀嚼性顯著降低,一定程度上改善了糙米的質構特性和糊化特性;但低溫等離子體導致糙米的回生值升高,會加速糙米飯的老化;糙米的直鏈淀粉、蛋白質、膳食纖維和非必需氨基酸含量增加,這在一定程度上豐富了糙米的營養成分;掃描電子顯微鏡顯示低溫等離子體預處理后糙米皮層遭到破壞,表面出現凹陷和裂縫;糙米的親水基團含量和結晶度得到提高,破壞了糙米淀粉的晶體結構,證實了糙米蒸煮特性和物化特性改善的原因,這對低溫等離子體在全谷物工業化加工具有指導意義,將會極大地促進低溫等離子體在全谷物行業的發展進程。然而通過研究發現糙米短時間易老化,回生值升高,還需要進一步深入研究;另外將這一技術更廣泛的應用于食品行業,還需要詳細的評估其他品質,例如糙米的安全性問題和儲藏期品質的變化問題以及糙米風味變化等,使低溫等離子體技術在全谷物科學研究中的應用前景更加廣闊。