蒸谷米超高壓浸泡工藝條件優化

高雅文 張大力,2 方 麗 劉春雷 劉景圣,2

(吉林農業大學食品科學與工程學院1，長春 130118) (小麥和玉米深加工國家工程實驗室2，長春 130118)

蒸谷米(parboiled rice)是經清理的稻谷再經水熱處理后進行礱谷、碾米所得到的大米[1-3]。稻谷籽粒中營養成分分布不均衡，加工副產物皮層及胚中存在大量人體所必需的營養成分，如維生素B族、粗蛋白、粗脂肪等[4-7]。稻米在常規加工過程會不可避免地損失大量營養成分，人體長期食用這種加工精度高的大米必然會引起某些營養素的缺乏癥，因此有必要研究及生產食用營養強化米[8,9]。蒸谷米通過水熱處理稻谷，使皮層和胚中可溶性營養成分滲透到胚乳中，成為一種純天然的、無任何添加劑的營養強化米[10-12]。

周顯青等[13]研究了檸檬酸浸泡對蒸谷糙米碾米過程中蒸谷米鎘含量和品質的影響。結果表明，檸檬酸浸泡提高了蒸谷米單位時間的碾減率，但對蒸谷米的碎米率無顯著性影響；檸檬酸浸泡后制備的蒸谷米，其米飯吸水率、體積膨脹率、碘藍值、pH 值及蒸谷米飯的硬度均顯著降低，蒸谷米的色澤及其米飯的滋味、口感及綜合評分等顯著性提高。侯俐南等[14]以早秈稻為材料，研究超聲波輔助浸泡對稻谷含水量和整精米率以及糊化特性的影響，結果表明：超聲波功率為600 W，超聲波處理時間為25 min，整精米率達68.82%，蒸谷米的品質最好。劉園等[15]研究表明浸泡條件為65～70 ℃、3.5～4 h，蒸煮條件為100 ℃、30 min時，蒸谷米營養品質和蒸煮品質最佳。但不論常壓浸泡還是超聲波輔助浸泡，浸泡時間均較長，會導致發酵現象產生，對蒸谷米的氣味及營養品質和加工品質均有一定的影響[16,17]。本研究采用超高壓浸泡生產蒸谷米，可以大幅度縮短浸泡時間，使稻谷在很短的時間內充分吸收水分，隨水分的滲透，使蒸谷米中水溶性營養物質的含量增加，避免長時間浸泡，發酵帶來的不利影響以及隨浸泡水的倒掉，水溶性營養成分的流失。

本研究以北方粳稻為原料，采用超高壓浸泡稻谷，考察對超高壓浸泡效果影響較大的3個因素(浸泡壓力、浸泡水溫度、保壓時間)對蒸谷米營養品質和加工品質的影響，為蒸谷米生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

吉林白城地區粳稻(采收時間為當年10月)。

硫酸、乙酸鈉、高錳酸鉀、過氧化氫、連二亞硫酸鈉、鹽酸、乙酸、氯化鉀、硝酸銀、氫氧化鈉、鐵氰化鉀、異丁醇、硫胺素、硫酸奎寧、硫酸鉀、五水硫酸銅、硼酸、浮石(以上均為分析純)、乙醇(95%)、維生素B2標準溶液[(99.7±0.2)%]、熒光素標準溶液(98%)、淀粉酶(≥3 700 U/g)。

1.2 儀器與設備

UHPF-800MPa-3L超高壓食品處理裝置；GZX-9240 MBE電熱恒溫鼓風干燥箱；JLGJ4.5檢驗礱谷機；JNMJ3 檢驗碾米機；BA-6微波干燥裝置；960熒光分光光度計；KDN-04型蛋白質測定儀。

1.3 方法

1.3.1 蒸谷米制備

稻谷清理去雜、去稗、去石和原糧中的不完善粒。超高壓加溫浸泡，浸泡水用量為35%，對浸泡壓力、浸泡水溫度、保壓時間等工藝條件進行優化。溫度121 ℃，汽蒸7 min。微波干燥(前期功率為2 000 W、時間3 min，后期功率為6 000 W、時間為2 min)使含水量降至14%(濕基含水量)，冷卻至室溫。用JLGJ4.5 檢驗礱谷機礱谷去稻殼后，使用JNMJ3 檢驗碾米機碾米50 s，整理成品。

對照組：對照組大米為未經水熱處理，直接礱谷，碾米得到的全整白米。

1.3.2 整精米率的測定

稱取凈稻谷試樣(W0)，經礱谷脫殼后得糙米，用實驗碾米機磨50 s，除去糠粉，分揀出整精米[18]，稱重 (W1)，計算整精米率(H)。

1.3.3 營養指標的測定

蛋白質含量的測定參考GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》，第一法 凱氏定氮法。

維生素B1含量的測定參考GB 5009.84—2016《食品安全國家標準 食品中維生素B1的測定》，第二法 熒光分光光度法。

維生素B2含量的測定參考GB 5009.85—2016《食品安全國家標準 食品中維生素B2的測定》，第二法 熒光分光光度法。

1.3.4 單因素實驗1.3.4.1 浸泡壓力對蒸谷米品質的影響

浸泡水溫度40 ℃，保壓時間7 min，考察不同浸泡壓力100、200、300、400、500 MPa對蒸谷米整精米率及營養品質的影響。

1.3.4.2 浸泡水溫度對蒸谷米品質的影響

浸泡壓力200 MPa，保壓時間7 min，考察不同浸泡水溫度30、35、40、45、50 ℃對蒸谷米整精米率及營養品質的影響。

1.3.4.3 保壓時間對蒸谷米品質的影響

浸泡壓力200 MPa，浸泡水溫度40 ℃，考察不同保壓時間3、5、7、9、11 min對蒸谷米整精米率及營養品質的影響。

1.3.5 響應面實驗設計

在單因素實驗基礎上，選取浸泡壓力(A)、浸泡水溫度(B)、保壓時間(C)為自變量，以整精米率(Y1)和蛋白質含量(Y2)為響應值，應用Box-Behnken實驗原理，采用三因素三水平響應面分析法進行實驗設計，優化蒸谷米生產超高壓浸泡工藝，響應面實驗因素與水平見表1。

表1 響應面實驗設計因素與水平

1.4 數據統計與分析

采用Microsoft Excel 2010、SPSS19.0、Design-Expert 8.0等分析軟件對所得數據進行統計分析，每個實驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 浸泡工藝條件的確定

2.1.1 浸泡壓力對產品整精米率及品質的影響

浸泡壓力可影響淀粉、蛋白質分子間的結合形式，引起鍵的破壞和重組，形成膠體網狀結構，改善米粒硬度和延展性[19]，過高的壓力也會破壞已形成的網絡結構，降低稻谷的硬度，碎米率增加，故整精米率先增大后下降。壓力大，稻谷吸水快而且均勻，皮層中水溶性蛋白質隨水分的滲透進入胚乳中，使大米中蛋白質含量增加，壓力過大，蛋白質可能部分發生變性，水溶性降低，滲入胚乳中的蛋白質減少，致使大米中蛋白質含量降低。

注：**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05)，余同。
圖1 浸泡壓力對蒸谷米品質的影響

超高壓處理對維生素具有較好的保護作用[20]。壓力大，稻谷吸水快且均勻，皮層中幾乎全部水溶性VB1、VB2隨水分的滲透進入胚乳中，使大米中VB1、VB2含量增加，因皮層中VB1、VB2含量有限，所以隨著壓力繼續增大，大米中VB1、VB2含量趨于平穩。

綜合考慮，調整壓力為100、150、200 MPa做響應面實驗。

2.1.2 浸泡水溫度對產品整精米率及品質的影響

隨浸泡水溫度升高，對稻谷的水熱處理程度加深，米粒結構緊實，整精米率逐漸增大。溫度過高，會破壞米粒中淀粉、蛋白質結構，使整精米率下降。

浸泡水溫度高，稻谷吸水速率快、均勻且吸水量大，糠粉層中水溶性蛋白質，維生素等營養成分更有效地滲透到胚乳中，增加蒸谷米中蛋白質的含量，與Sujatha等[21]報道的蒸谷米中蛋白質含量比精白米要高的研究結果一致。

圖2 浸泡水溫度對蒸谷米品質的影響

溫度是影響維生素穩定性的重要因素[22]，溫度超過35 ℃后，VB1、VB2有不同程度的破壞，因此蒸谷米中VB1、VB2含量下降。綜合考慮，選取溫度為30、35、40 ℃做響應面實驗。

2.1.3 保壓時間對產品整精米率及品質的影響

壓力可影響淀粉、蛋白質分子間的結合形式，引起鍵的破壞和重組，形成膠體網狀結構，改善米粒硬度和延展性[23]，保壓時間過長也會破壞已形成的網絡結構，降低稻谷的硬度，碎米率增加，故整精米率先增大后下降。

保壓時間短，稻谷不能充分吸收水分，隨水分滲透到米粒內部的水溶性營養成分少；隨著時間的延長，水分能均勻地滲透到米粒內部，蛋白質、維生素B1、維生素B2含量隨之增加。

因此，選擇5、7、9 min做響應面實驗。

圖3 保壓時間對蒸谷米品質的影響

2.2 響應面實驗結果

在單因素實驗的基礎上，選擇浸泡壓力(A)、浸泡水溫度(B)及保壓時間(C)做自變量，選取對蒸谷米加工品質和營養品質影響較大的整精米率和蛋白質含量為響應值，根據Box-Benhnken的中心組合實驗設計原理做響應面實驗，結果見表2～表4。

利用軟件對表2實驗數據進行回歸分析，得回歸模型方程：

整精米率Y1=72.09-1.33A-1.33B-0.36C-0.76AB+2.53AC+2.54BC-2.83A2-3.57B2-4.16C2

蛋白質含量Y2=9.07+0.095A-0.055B+0.025C-0.27AB-0.27AC-0.24BC-0.55A2-0.35B2-0.37C2

表2 響應面實驗結果

表3 整精米率方差分析結果

注：*P<0.05為差異顯著；**P<0.01為差異極顯著，下同。

表4 蛋白質含量方差分析結果

說明回歸方程可以很好地描述各因素與響應值之間的真實關系，實驗結果與數學模型擬合程度良好，實驗誤差小，預測值與實測值之間有較好的相關性[24]，可用該模型來分析和預測蒸谷米超高壓浸泡的最佳工藝條件。

由Design-Expert軟件分析得到整精米率和蛋白質含量最大時對應的最佳條件是浸泡壓力149.84 MPa、浸泡水溫度34.32 ℃、保壓時間6.98 min，整精米率為72.216 9%，蛋白質質量分數為9.069 85%。驗證實驗：浸泡壓力150 MPa、浸泡水溫度35 ℃、保壓時間7 min，整精米率為71.38%，蛋白質含量為9.06%，與理論值基本相符，因此，以整精米率和蛋白質含量為檢測指標，響應面法優化蒸谷米超高壓浸泡工藝條件是可行的。

3 結論

生產蒸谷米超高壓浸泡最佳工藝條件：浸泡水用量為35%，浸泡壓力為150 MPa，浸泡水溫度為35 ℃，保壓時間為7 min，此條件下，整精米率為71.38%，蛋白質質量分數為9.06%，維生素B1含量為0.40 mg/100 g、維生素B2含量為0.14 mg/100 g。與普通精白米相比較，蛋白質含量，維生素B1、維生素B2含量均有差異極顯著性(P<0.01)。采用高壓加溫浸泡，可大幅度縮短浸泡時間，有效解決長時間浸泡，易產生發酵現象，影響成品的風味問題，提高生產效率。