溶出固形物對軟米硬度和黏彈性的影響

麻榮榮， 王玲玲， 王 凡， 田耀旗

(江南大學 食品科學與技術國家重點實驗室， 江蘇 無錫 214122)

軟米起源于日本，是一種低直鏈淀粉含量的優質米資源，具有黏彈性好、質構柔軟等優良蒸煮品質，食味品質優于粳米[1-2]。目前，軟米種植主要在日本、東南亞等一些國家和我國云南省[3]，在我國尚處于起步推廣階段。對軟米的研究多集中于種植、遺傳育種、基因定位、指標鑒定等方面[4-6]，研究者常用直鏈淀粉含量作為對軟米鑒定的關鍵指標[7-8]，而針對軟米蒸煮品質及其影響因素研究較少。

大米在蒸煮過程中，隨溫度不斷提高，水分通過大米表層間隙進入米粒內部引起直鏈淀粉、支鏈淀粉及其他大米組分的溶出，即溶出固形物。當水分不斷蒸發，溶出固形物附著在飯粒表面，形成保水膜。這層保水膜可以掩蓋飯粒表面的凹凸感，使飯粒更加柔軟光滑。研究表明米飯黏性、彈性等質構特性與溶出固形物含量密切相關[9-10]。對溶出固形物組成的研究發現，其最主要成分為淀粉，且直支鏈淀粉比是影響米飯食味品質的關鍵因素[10-12]。隨后有不少學者對溶出固形物形成的米飯保水膜進行了研究，發現保水膜越厚，可賦予米飯更好的黏彈性，食味品質越好[13]，且黏度與米湯中的直支鏈淀粉比呈負相關關系[14]。由此可知溶出固形物及其形成的保水膜是影響大米蒸煮品質的重要因素。目前對軟米蒸煮食味特性尤其是溶出固形物對蒸煮品質影響的系統研究較少。

直鏈淀粉含量是影響米飯蒸煮品質的重要原因，因此研究者依據直鏈淀粉含量不同通常將大米分為粳米、秈米和糯米3大類。軟米直鏈淀粉含量介于粳米和糯米之間。粳米與糯米直鏈淀粉含量差異顯著，且均為我國食用廣泛的米種，因此本研究以粳米和糯米為對照，研究溶出固形物對軟米流變特性和質構特性尤其是硬度和黏彈性的影響，以期更好地了解軟米品類的蒸煮食味特性，更好地推廣和利用軟米這一高品質大米原料，為今后的食品加工、品種改良及水稻育種提供理論研究基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實驗選取軟米、粳米、糯米等3種大米。其中，軟米為金壇董永軟米，常州市金壇董永現代農業發展有限公司，米粒細長，直鏈淀粉質量分數10.24%，總淀粉質量分數78.01%，蛋白質質量分數6.70%；粳米為薈尚東北珍珠粳米，泰州蘇興米業有限公司，米粒呈橢圓形，直鏈淀粉質量分數17.69%，總淀粉質量分數78.30%，蛋白質質量分數7.2%；糯米為金貞熙糯米，吉林金貞熙農產品加工有限公司，米粒呈橢圓形，直鏈淀粉質量分數1.13%，總淀粉質量分數78.61%，蛋白質質量分數7.10%。3種大米均為同一年份生產的一級米，選擇產品包裝日期10～20 d內購買，并密封儲藏于4 ℃冰箱。

直鏈淀粉測定試劑盒，愛爾蘭Megazyme公司；異淀粉酶(10 000 U/mL)，Sigma-Aldrich中國有限公司。其他試劑均為分析純，上海國藥集團。

1.2 儀器與設備

VA-4500型快速黏度分析儀，澳大利亞波通公司；DHR-3型流變儀，美國沃特世公司；TA-XT plus型質構分析儀，美國SMS公司；Quanta 200型掃描電子顯微鏡，荷蘭Fei公司；DIONEX ICS-5000型離子色譜儀，美國賽默飛世爾科技公司(250 mm×4 mm陰離子交換柱，美國Spectra-Physics公司)；CFXB40FC8055-75型電飯煲，浙江蘇泊爾有限公司；Tube Mill control型研磨機，德國IKA儀器設備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1蒸煮溶出固形物的制備與成分測定

軟米蒸煮溶出固形物的制備方法參考Wada等[12]的方法并略作修改。稱取20 g大米于燒杯中，3倍水淘洗3次后根據m(米)∶m(水)=1∶1.6的比例加水，85 ℃浸泡15 min，瀝去米湯，5倍80 ℃的熱水攪洗黏附層3次，收集米湯和攪洗的黏附層水，冷凍干燥后獲得溶出固形物，稱重，粉碎過100目篩備用。

直鏈淀粉含量測定參考試劑盒標準方法。精確稱取樣品20.0 mg，加入1 mL二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide，DMSO)震蕩混勻，加熱至完全溶解后冷卻至室溫，加6 mL無水乙醇使淀粉沉淀，靜置15 min后離心(2 000g，5 min)，棄上清并使殘余乙醇自然揮發，于沉淀中加入1 mL DMSO溶解樣品。用Con A緩沖液轉移并定容至25 mL容量瓶，記為溶液A。取1 mL溶液A和0.54 mL Con A 溶液至離心管后充分混勻，室溫靜置1 h后離心(10 000g，10 min)。取1 mL上清液置于15 mL離心管中，加入3 mL 100 mmol/L醋酸- 醋酸鈉緩沖液，混勻后沸水浴5 min；而后轉移至40 ℃下水浴5 min，加入1 mL淀粉轉葡萄糖苷酶/α-淀粉酶試劑(glucose oxidase/peroxidas，GOPOD)，于40 ℃繼續反應30 min后離心(2 000g，5 min)。取1 mL上清液，加入4 mL GOPOD，40 ℃下反應20 min，在510 nm下測定吸光值?？偟矸蹨y定方法即：取0.5 mL溶液A和4 mL醋酸- 醋酸鈉溶液混合后加1 mL GOPOD，40 ℃下反應10 min。取上清液1 mL，加4 mL GOPOD，40 ℃下反應20 min，510 nm下測定吸光值。

1.3.2溶出淀粉側鏈分布的測定

精確稱取10 mg溶出物樣品，參照Tian等[15]的方法，溶解于2 mL pH值=3.5醋酸- 醋酸鈉緩沖液中，沸水浴30 min后冷卻至40 ℃，添加100 μL異淀粉酶，并在37 ℃、160 r/min下震蕩反應24 h后沸水浴30 min，于3 000 g/min離心1 min收集上清液，過0.22 μm水相濾膜后采用配備有脈沖安培檢測器的高效陰離子色譜測定鏈長分布。

1.3.3米粉流變特性的測定

參考Chen等[16]的方法并略作修改。采用研磨機將軟米磨粉并過100目篩后置于盛有75%氯化鈉飽和溶液的干燥器中平衡水分。稱取約3 g米粉，溶解于25 mL去離子水中，調節所有樣品干基含水量相同(質量分數為9.21%)，將樣品攪拌均勻后置于快速黏度分析儀完成糊化過程，程序設置為：50 ℃平衡1 min，而后以速率6 ℃/min加熱至95 ℃，維持5 min后以速率5 ℃/min降溫至50 ℃并保持2 min，然后立即將適量米粉糊置于流變儀樣品上進行動態小幅振蕩測試，刮去多余的樣品并使用硅油覆蓋四周以防水分蒸發。實驗采用40 mm平板夾具，夾具和測試臺的間隙設置為1 000 μm。在測試前，樣品靜置5 min以消除加載樣品時產生的機械作用。在25 ℃恒溫條件，0.1～100 rad/s的頻率下進行頻率掃描測試。掃描應變設置為1%，根據應力掃描結果該值在線性黏彈區。觀察儲能模量(G′)、損耗模量(G″)和損耗角正切(Tanδ)隨角頻率的變化情況。

1.3.4米飯的制備

為探究溶出固形物對米飯硬度和黏彈性的影響，制備除溶出固形物前后的米飯以對其品質差異進行分析。對照組除溶出固形物米飯制備方法為：精確稱取200 g米，3倍水淘洗3次后按照m(米)∶m(水)=1∶1.6的比例加水，85 ℃浸泡15 min后，瀝出米湯，再加入5倍80 ℃的熱水輕輕攪洗黏附層3次并瀝出，用等量去離子水替代米湯，而后于電飯煲中設置“少量煮”模式蒸煮完成后燜制10 min。

實驗組未進行除溶出固形物處理的米飯制備方法為：與對照組完全相同操作直至浸泡完成后，亦輕輕攪洗3次，但不瀝出米湯，而后轉移至電飯煲中在相同條件下完成蒸煮。

1.3.5米飯質構特性的測定

參考鄧靈珠的實驗方法[17]對1.3.4節制備的米飯進行質構測定，主要考察硬度、黏性和彈性。選擇電飯煲上中下3處的3粒米呈輻射狀平行測定5次。觸發類型設置為“Auto”，觸發力為20 g(196 N)，數據采集速率為500 pps，測試探頭為P/36R圓柱形探頭，測前、測時、測后速度分別為0.5 mm/s、1 mm/s、1 mm/s，保持時間為5 s，壓縮類型選擇“strain”，壓縮程度設置為50%。測定結果由質構儀配套軟件TE 32自動分析輸出，去掉最大值和最小值后計算平均值和方差。為防止米飯回生影響測定結果，實驗控制在5 min內完成。

1.3.6米飯表面微觀結構的表征

使用掃描電子顯微鏡觀察3個大米品種米飯的表面微觀結構。實驗前，將1.3.4節制備的米飯真空冷凍干燥至水分質量分數低于5%，并固定在電鏡專用載物臺上鍍金，觀察飯粒表面形態并拍照。觀察中選取合適的角度保證米粒樣品無伸縮、無變形、無扭曲。

2 結果與分析

2.1 軟米蒸煮溶出固形物分析

2.1.1溶出固形物含量與成分分析

溶出的固形物在水分蒸發后附著于飯粒表面而形成保水膜，可掩蓋飯粒表面的凹凸感，對大米的蒸煮品質具有較大影響[10，18]，因此首先分析溶出固形物的含量和組成。3種大米樣品在85 ℃下浸泡15 min后溶出的固形物質量分數及固形物主要成分見表1。由表1中數據可知，所有樣品的溶出固形物中淀粉質量分數均占90%以上，且溶出固形物中的直鏈淀粉含量與原大米中的直鏈淀粉含量正相關，這與前人的研究結果一致[19-20]。此外，軟米溶出的固形物質量分數為11.85%，顯著高于粳米(1.69 g/20 g大米)和糯米(1.28 g/20 g大米)。

表1 不同品種大米蒸煮過程中溶出固形物含量及組成Tab.1 Content and composition of dissolved solids of different varieties of rice during cooking

2.1.2溶出固形物中淀粉側鏈分布分析

研究認為米飯黏彈性除與溶出物中支鏈淀粉總量相關外，還與短支鏈淀粉比例、支鏈淀粉分子大小密切相關[21]，因此本研究進一步探究溶出固形物中支鏈淀粉分子結構差異對軟米硬度和黏彈性的影響。按照支鏈淀粉側鏈聚合度(degree of polymerization，DP)不同分為：A鏈(DP 6～12)、B1鏈(DP 13～24)、B2鏈(DP 25～36)以及B3鏈(DP>36)[22]。表2是不同品種大米淀粉及大米溶出固形物中淀粉的側鏈分布情況。以所有鏈段總峰面積為100%，計算各鏈段相對峰面積，圖1為軟米淀粉與粳米淀粉、糯米淀粉的各鏈段分布差值圖。

由圖1和表2可知，3類溶出固形物中，淀粉B1鏈溶出占比最多，均超過40%，而B3鏈最少，僅3%～10%。與粳米和糯米淀粉相比，軟米溶出淀粉中A鏈比例最高，B1鏈最低，B3鏈比例低于粳米而高于糯米，這與Ong等[9]的研究結果一致。軟米溶出固形物中高含量的短鏈支鏈淀粉在蒸煮后期能夠率先回填進入米飯孔洞或固定在飯粒分支點上，并與直鏈淀粉通過氫鍵作用形成三維網狀結構，有助于高黏彈性保水膜的形成；而長鏈支鏈淀粉尤其是長鏈B2、B3鏈含量高于糯米，表明軟米溶出固形物中的長鏈B鏈分散在米湯中所形成的凝膠網絡結構也強于糯米。

圖1 軟米與粳米和糯米溶出淀粉側鏈分布差值Fig.1 Subtraction of side chain distribution of dissolved starch among soft rice, japonica rice and glutinous rice

2.2 溶出固形物對軟米硬度和黏彈性的影響

2.2.1米粉流變特性分析

不同米粉流變特性動態頻率掃描結果見圖2。彈性模量G′代表樣品在外力撤銷后恢復成原樣的能力，黏性模量G″代表樣品抵抗外力作用而損耗的能量。Tanδ為G″與G′的比值，是評價彈性和黏性對樣品黏彈特性相對貢獻的指標，Tanδ越大，體系的黏性比例越大，反之，則彈性比例越大。對比流變學數據可知，軟米G′和G″均大于粳米和糯米，表現出較好的黏彈性。軟米的Tanδ<1，表明其G′大于G″，軟米凝膠傾向于形成彈性結構。此外還發現軟米和粳米樣品的Tanδ隨著角頻率的增加呈現先減小后增加的趨勢，表明樣品在低角頻率時有趨于形成固態的凝膠行為，彈性更好。

2.2.2米飯質構特性分析

質構特性可直接反應米飯的黏彈性和硬度性質。除溶出固形物前后3種米飯的質構參數如表3所示。從表中數據可知，軟米米飯硬度較低，黏性小于糯米高于粳米，黏硬比和彈性較大。粳米硬度最大，黏度最低，黏硬比最低，彈性較小。其中黏硬比是黏性和硬度的比值，反應樣品整體的口感均衡性，數值越大，米飯口感越好，黏彈性越好[23]。糯米因黏性較大而不適宜蒸飯，而軟米黏性適中、硬度小、黏硬比較高、彈性較大，整體口感均衡性好，具有優良的食用優勢。除溶出固形物后3種大米的硬度均明顯增大，黏性略有降低，黏硬比和彈性顯著減小。表明溶出固形物對于大米硬度和黏彈性具有較大影響，且是造成軟米硬度較小、黏硬比較高、黏彈性較好的重要原因。

圖2 不同品種米粉的動態頻率掃描Fig.2 Dynamic frequency sweep of different varieties of rice

表3 除溶出固形物前后米飯的質構參數

雖然軟米本身直鏈淀粉含量低于粳米，但在蒸煮過程中溶出的固形物較多，Pearson相關性分析結果表明溶出固形物含量與大米彈性呈顯著正相關(r=0.98，P<0.05)，因此可認為軟米高含量的溶出固形物增加了軟米淀粉與水分的相互作用，且溶出的直鏈淀粉溶解在連續相中相互交聯形成網狀結構賦予軟米較好的彈性。而軟米溶出較多的支鏈淀粉一方面分散在米湯中，增加軟米的黏稠性，一方面則附著在飯粒表層，使得飯粒硬度較小，黏度較大，減少了水分損失和淀粉回生所導致的米粒硬化。因此，軟米在蒸煮過程中溶出較多的固形物是其具有優于粳米和糯米良好食味品質的重要原因。此外，米飯質構不僅取決于固形物溶出量，同時還取決于固形物的組成尤其是直支鏈淀粉比。具有低直支鏈淀粉比的軟米(0.19)在冷卻過程中可在表面形成連續的支鏈淀粉凝膠網絡結構，賦予米飯高黏性品質。Li等[20]也曾報道過支鏈淀粉溶出量高可賦予米飯更好的黏性。而高直支鏈淀粉比的粳米(0.27)冷卻時直鏈淀粉帶來明顯的短期回生，導致米飯冷卻后迅速老化變硬，冷飯質地遠不如軟米。

谷物淀粉的溶出與支鏈淀粉的側鏈分布有關。一方面，長鏈支鏈淀粉可以和直鏈淀粉分子形成雙螺旋結構，降低米粒的吸水能力，繼而導致較低的膨脹度并抑制固形物的溶出，導致米飯具有較高的硬度[8]。支鏈淀粉還可以與其他組分(如蛋白、脂肪等)相互作用[24]，可起支撐作用并阻止大米變軟。因此，粳米中較高的直鏈淀粉含量和較長的支鏈淀粉可與大米中的蛋白、脂肪等非淀粉組分相互作用而導致高硬度的質構特性。軟米由于直鏈淀粉含量較低，支鏈淀粉側鏈分布中短鏈較高、長鏈較少而抑制了淀粉與其他組分的相互作用而利于軟米中固形物的溶出，因此賦予了軟米較好的黏彈性和硬度。另一方面，軟米原淀粉中含有最高比例短鏈A鏈和最低比例的B1、B2、B3鏈，但在溶出固形物中，A鏈比例降低，B2、B3鏈比例顯著增加，這可能是由于軟米原淀粉中較高比例的短鏈A鏈促進了長鏈B2、B3鏈的溶出。Li等[25]在研究支鏈淀粉分子大小與淀粉凝膠的黏彈性關系時也發現小支鏈淀粉分子使得長直鏈淀粉更容易溶出，從而形成更強的凝膠網絡結構。因此，溶出固形物中軟米支鏈淀粉的側鏈分布性質亦有助于軟米蒸煮后呈現優良質構。以上結果表明大米在蒸煮過程中溶出固形物的含量及組分等溶出行為的差異，是導致大米黏彈性差異的重要原因。

2.3 溶出固形物對軟米表面微觀結構的影響

不同類別大米煮熟后表面微觀結構的差異見圖3(放大1 000倍)。3種大米表面均形成了光滑的保水膜，而除溶出固形物的大米表面則形成了非常明顯的孔洞狀結構。其中，軟米表面形成的孔洞最大、最深、最密集，整體呈現漁網狀；普通粳米亦可觀察到顯著的網狀結構，孔洞略淺；糯米表面較粳米更為光滑，形成的孔洞大小與粳米相近，深度最淺，可能與其直鏈淀粉含量低且溶出固形物含量少相關。以上現象表明大米在蒸煮過程中，內部組分會從籽粒裂縫中溶出，并形成大小不等的孔洞。而這部分溶出的固形物在米湯中不斷交聯團聚，在水分逐漸蒸發后形成一層厚度不等的保水膜覆蓋在飯粒表面[26-27]。這層保水膜能夠掩蓋飯粒表面的凹凸感，使飯粒柔軟有彈性。軟米大而深的孔洞結構是溶出固形物含量高的結果，這有助于其表面形成較厚的保水膜，這也證實了上述溶出固形物含量對軟米硬度和黏彈性的影響。關于軟米表層孔洞的大小，這可能是由于軟米較低含量的直鏈淀粉和較高含量的短鏈支鏈淀粉使其在蒸煮過程中易于膨脹并率先溶入米湯，形成較大較為密集的孔洞結構，而這一獨特的孔洞狀結構又利于更多固形物的溶出，并對飯粒的結構起到支撐作用，使得整個飯粒彈性更好。

圖3 不同品種米飯表面微觀結構Fig.3 Surface microstructure of different varieties of rice

3 結 論

研究闡明了溶出固形物含量、組成、分子結構及在米飯表面成膜特性差異對軟米硬度、黏彈性品質的影響。一方面，由于軟米直鏈淀粉含量較低，支鏈淀粉側鏈中短鏈A鏈較高，促進了長鏈B鏈的溶出，從而形成更強的凝膠網絡結構，賦予軟米較好的彈性。另一方面高含量溶出固形物有助于軟米表面形成厚而光滑的保水膜，且軟米表面較大較深的漁網狀孔洞結構可對飯粒起支撐作用，是軟米黏彈性好的重要原因。此外，軟米溶出固形物中較低的直支鏈淀粉比使得軟米硬度小，不易回生。研究結果有助于軟米這一高品質大米原料更好地利用和推廣，為今后加工、品種改良及水稻育種提供理論研究基礎。后續研究可深入探究軟米淀粉顆粒在蒸煮過程中是如何一步步從大米中遷移出來，與一般大米是否有區別以及這種區別對蒸煮品質的影響。