不同品種大米理化性質及其淀粉結構對米飯食用品質的影響

薛 薇， 張聰男， 王 莉*， 陳正行

（1.江南大學 食品學院，江蘇 無錫 214122；2.江蘇省農墾農業發展股份有限公司，江蘇 南京 210019）

我國大米資源豐富、品種眾多[1]，是人們的日常主食之一。水稻種植適宜性強，具有穩產、高產、經濟效益高的特點，在糧食產業中占據重要地位[2]。隨著人民生活水平的提高，消費者的需求從“吃飽”向“吃好”轉變，對大米的外觀、口感、滋味、硬度、黏度、彈性等食用品質的要求越來越高，消費者期望購買到適口性佳、香味純正、滋味回甘、低堊白、冷后不易回生等食用品質佳的大米。質構特性和食味品質是米飯食用品質的重要評價指標，采用質構儀和米飯食味計可以快速、準確地評價米飯的食用品質[3-4]。

大米由淀粉、蛋白質和脂肪等組成，這些組分對大米品質起著關鍵作用[5]。其中，淀粉作為大米的重要組分，是決定大米食用品質的重要因素。大米淀粉由線性的直鏈淀粉和多分支的支鏈淀粉組成[6]。通常認為，直鏈淀粉含量過高的米飯硬度大、黏度小、蓬松干燥無光澤，綜合評分較低；直鏈淀粉含量過低的米飯質地軟而黏，彈性差[7]；直鏈淀粉含量適中的米飯軟而不黏，口感較好。然而這一結論并不具有普適性，比如也有直鏈淀粉含量相近但食用品質相差甚遠的大米。目前，多數研究集中在直鏈淀粉含量對大米食用品質的影響上，淀粉結晶特性、熱特性、糊化特性等結構特性對其食用品質的影響鮮少報道。因此，作者以12種不同品種的大米為研究對象，將大米淀粉提取分離，采用相關性分析法比較不同品種大米淀粉的糊化特性、熱特性、結晶特性和表面有序度與米飯食用品質的關系，闡釋淀粉結構對米飯食用品質的影響機制，為大米適宜性加工和優質稻的育種提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

泰國茉莉香米（秈米）和禾銀絲苗（秈米）：購自深圳泰香米業有限公司；越光：購自日本當地超市；稻花香2號：購自浙江正方米業有限公司；蘇香粳100號、南粳9108、南粳46、淮稻5號、華粳5號、武育糯481（糯米）、嘉優中科1號（秈米）、Ⅱ優118秈米（秈米）：購自江蘇農墾有限責任公司。未特別說明的品種均為粳米。

1.2 儀器與設備

RVA4500型快速黏度分析儀：澳大利亞波通公司產品；DSC3型差示掃描量熱儀：瑞士梅特勒-托利多公司產品；D2 PHASER型X射線衍射儀：德國布魯克AXS公司產品；IS10型傅里葉紅外光譜儀：美國Nicolet公司產品；TA.XTPlus型物性分析儀：英國SMS公司產品。

1.3 實驗方法

1.3.1 大米基本成分的測定將大米用粉碎機粉碎（100目篩），蛋白質、脂肪、總淀粉和直鏈淀粉含量的測定分別參照GB5009.5—2010、GB5009.6—2016、GB5009.9—2008、GB/T15683—2008。

1.3.2 米飯食味值的測定稱取大米30 g放入不銹鋼杯中，用蒸餾水淘洗3次，加入蒸餾水42 g浸泡30 min，浸泡結束后放入電蒸鍋中蒸煮30 min，保溫10 min，將保溫好的米飯攪拌均勻，在室溫下冷卻120 min，使用米飯食味計測定米飯食味值。稱取米飯8.0 g，放入半徑15 mm、高度9 mm的不銹鋼環中，使用壓片機將不銹鋼環分別正壓和反壓15 s，將得到的米餅放入米飯食味計中，測定米飯食味值。

1.3.3 米飯質構的測定米飯的質構分析選用TPA模式，采用P/35探頭。將測定完米飯食味值的米餅平放在測試臺進行測試。測試參數設置：壓縮比50%，測定高度1.5 cm，測前速度1.0 mm/s，測試速度1.0 mm/s，測后速度1.0 mm/s，觸發力5 g。

1.3.4 大米淀粉的提取大米淀粉的提取方法參照文獻[8]并適當修改。稱取大米粉50 g，加質量分數0.2% NaOH溶液400 mL，在25℃下磁力攪拌30 min后，室溫下放置12 h，每4 h更換一次NaOH溶液；使用200目篩網將淀粉懸浮液過濾，淀粉層用蒸餾水洗滌，在4000 g下離心10 min，除去上清液、上層黃色蛋白質和雜質層，將淀粉層再次用蒸餾水洗滌，直到完全除去黃色層；最后，將白色淀粉沉淀物重懸于250 mL蒸餾水中，通過加入鹽酸溶液中和至pH 7.0，然后在4000 g下離心10 min；多次用蒸餾水洗滌沉淀物。將提取的大米淀粉進行冷凍干燥，粉碎過100目篩，即得大米淀粉。采用總淀粉試劑盒測定大米淀粉中的總淀粉，所有樣品中總淀粉質量分數均高于98.5%（以干質量計）。

1.3.5 糊化性質的測定大米淀粉的黏度曲線測定參照GB/T 24852—2010。

1.3.6 結晶性質的測定通過X-射線衍射儀獲得大米淀粉的晶體結構和相對結晶度，掃描角度為2°～40°，目標電壓40 kV，電流30 mA，掃描速度2°/min，步長0.02°。測量前，將淀粉樣品用飽和NaCl溶液在室溫下恒濕一周。利用JADE 6.5軟件計算大米淀粉的相對結晶度。

1.3.7 熱性質的測定通過差示掃描量熱法測定大米淀粉的熱性質。精確稱量3 mg（干質量）淀粉樣品于坩堝里，加入6.0 μL蒸餾水。以空坩堝為參照，在室溫下平衡12 h后進行測試。掃描溫度為25～100℃，掃描速率10℃/min，氮氣流量50 mL/min。

1.3.8 表面有序度的測定通過傅里葉紅外光譜儀測定大米淀粉顆粒表面有序結構。將大米淀粉和KBr按照質量比1∶150置于研缽中混合均勻，并用模具將細粉壓制成2 mm透明壓片進行掃描。掃描次數為32次，掃描波數為4000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1。使用OMNIC 8.2處理數據，通過基線自動校正分析1200～800 cm-1處的光譜并進行去卷積處理，半峰寬和增強因子分別設置為19 cm-1和1.9。

1.3.9 數據分析所有實驗均重復進行3次，以平均值±標準差表示。采用SPSS 19.0統計軟件進行相關性分析和顯著性分析，顯著性分析采用Ducan多重檢驗。采用Origin 9.0繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同品種大米的理化特性、食味品質與質構特性分析

2.1.1 理化特性從表1可知，12種大米的直鏈淀粉和蛋白質質量分數存在顯著差異（P＜0.05），大米直鏈淀粉主要受遺傳因素和外部環境條件的影響[9]。直鏈淀粉質量分數為0～21.16%，其中，武育糯481直鏈淀粉為0，表明該淀粉僅由支鏈淀粉組成；江蘇推廣的軟米品種如蘇香粳100號、南粳9108和南粳46的直鏈淀粉質量分數為8.78%～9.68%，低直鏈淀粉質量分數使得軟米米飯軟而不爛、彈性好、冷飯質地佳、回生程度小[10]，深受我國南方地域消費者的喜愛。12種大米蛋白質質量分數為5.33%～9.18%，武育糯481蛋白質質量分數最高，泰國茉莉香米的蛋白質質量分數最低。蛋白質質量分數受地域影響較大，南方地域大米的蛋白質質量分數顯著高于北方地域（P＜0.01），高溫條件會有利于蛋白質的累積[11]。泰國茉莉香米脂肪質量分數最高，表明該米食用品質較佳[12]。

表1 大米的理化性質Table 1 Physicochemical properties of rice

2.1.2 食味品質感官評價的主觀性強，不同地域人群對米飯有不同的偏好度，而使用食味計測定米飯食味值周期較短、流程簡單、重復性好，能夠快速、準確評價大米的食用品質[13]。此外，有研究報道感官評定總分與食味計總分呈顯著正相關[15]。由表2可知，II優118的食味值最低，其次是武育糯481和華粳5號；而南粳系列軟米的食味值普遍較高，僅次于越光、禾銀絲苗和泰國茉莉香米。綜上，泰國茉莉香米、禾銀絲苗、越光、蘇香粳100號、南粳9108和南粳46具有較高的食味值。

表2 大米的食味品質與質構特性Table 2 Taste value and textural properties of cooked rice

2.1.3 質構特性質構是一種多參數感官特性，硬度是米飯最常用的感官參數[14]。從表2可知，不同品種的米飯在硬度、黏度、膠著性方面差異較大，在彈性、凝聚性和回復性方面差異較小。嘉優中科1號的硬度、彈性均最高，分別為3748.45 g、0.82。泰國茉莉香米的凝聚性、膠著性和回復性最高，分別為0.43、1458.78、0.19。不同品種大米之間質構參數差異較大，表明不同地域和不同基因型的大米制備的米飯間差異顯著。綜合比較，嘉優中科1號和Ⅱ優118的硬度、彈性較高，黏度、凝聚性和回復性較小，過高的硬度和過低的黏度導致其米飯質地較差，食味值較低。南粳46和南粳9108表現出與越光相似的質構特性，因為二者的父本都為關東194，是日本選育的粳型常規水稻。二者食味值稍低于越光，硬度高于越光，黏度與越光接近，均表現出合適的硬度與黏度，同時也具有較高的食味值。將不同品種米飯的硬度進行聚類分析，結果見圖1。聚類距離為5～10時，根據米飯硬度分為2個亞類，武育糯481、蘇香粳100號、南粳9108、南粳46、越光、淮稻5號、華粳5號、稻花香2號為一類，泰國茉莉香米、禾銀絲苗、嘉優中科1號、Ⅱ優118為另一類，說明米飯硬度的差異性歸因于品種差異。在同一亞類中，稻米類型對米飯硬度有著相似的影響。

圖1 米飯硬度聚類分析圖Fig.1 Cluster analysis chart for the hardness of cooked rice

2.1.4 大米的理化特性、食味品質與質構特性相關性分析從表3可知，米飯食味值與蛋白質質量分數呈極顯著負相關（P＜0.01）。當蛋白質質量分數高于9%時，米飯松散、顏色暗、感官評分低[19]。然而，米飯食味值與直鏈淀粉質量分數無顯著相關性，這可能是因為選取的12種原料中包括一些特殊培育的品種，如南梗系列、泰國茉莉香米、禾銀絲苗，均是經過改良培育的低直鏈淀粉質量分數優質大米品種，這與前人的研究結果基本一致[15-16]。對于蘇香粳100、南粳9108、南粳46而言，食味值隨著直鏈淀粉質量分數的增加而增加。直鏈淀粉質量分數與米飯硬度呈極顯著正相關，與米飯凝聚性呈極顯著負相關（P＜0.01），直鏈淀粉質量分數越高，蒸煮時加水量越多，米飯越松散，不易成型，冷后易老化，硬度增大，凝聚性減小。蛋白質質量分數與米飯的膠著性呈極顯著負相關（P＜0.01），蛋白質質量分數升高，米粒的吸水性降低，米飯的硬度升高，破碎米飯所需要的能量越大。因此，不能僅僅通過直鏈淀粉質量分數判斷大米食用品質的優劣，還需研究淀粉結構與米飯食味值和質構特性的關系。

表3 大米理化特性、食味品質與質構特性的相關性分析Table 3 Correlation analysis between the physicochemical properties,taste value and textural properties of rice

2.2 不同品種的大米淀粉結構特性

2.2.1 糊化特性不同品種大米的糊化參數見表4。大米淀粉的糊化特性與品種、直鏈淀粉質量分數、支鏈淀粉的鏈長分布和結晶度等因素相關[17]。不同品種大米淀粉糊化參數之間存在顯著差異。結果顯示，蘇香粳100峰值黏度最高（3962.5 mPa·s），禾銀絲苗崩解值最高（2554.0 mPa·s），Ⅱ優118終值黏度最高（3591.0 mPa·s），華粳5號回生值最高（1468.0 mPa·s），Ⅱ優118糊化溫度最高（79.17℃）。一般來說，峰值黏度的高低與淀粉顆粒的膨脹能力有關，體現了淀粉顆粒的膨脹程度和結合水的能力，并與體系最終質量有關。南粳9108、南粳46和蘇香粳100號的峰值黏度均高于3600 mPa·s，表明此3種大米淀粉糊黏性較強。崩解值反映了淀粉糊抗熱和抗剪切能力，崩解值越大，淀粉糊體系穩定性越差，體系抗熱和抗剪切能力越弱。蘇香粳100號、南粳9108、南粳46、泰國茉莉香米、禾銀絲苗和越光大米淀粉的熱穩定性差。回生值體現淀粉短期老化的差異，回生值越大，淀粉糊冷卻后穩定性越差，凝膠能力越強，容易發生短期老化。武育糯481淀粉回生值較低，冷卻后不易短期老化，仍能保持較好的品質；而華粳5號和Ⅱ優118的回生值最大，最易老化，老化后硬度快速增加，大米品質較差。與嘉優中科1號、Ⅱ優118相比，蘇香粳100、南粳9108、南粳46、泰國茉莉香米、禾銀絲苗和越光大米淀粉的糊化溫度較低，這類米制品在蒸煮時需嚴格控制加水量。

表4 不同品種大米淀粉糊化過程中的特征值Table 4 Characteristic values of rice starch from different varieties during gelatinization

2.2.2 熱特性、結晶特性和有序度淀粉主要以顆粒的形式存在，淀粉顆粒由無定形區和半結晶生長環組成，結晶結構和非結晶結構可以采用XRD圖譜表征，結晶區呈現尖峰特征，非結晶區呈現彌散特征[18]。從圖2（a）可知，大米淀粉表現了典型的A型衍射圖譜，衍射峰主要集中在15°～23°，在15°、17°、18°和23°處有高強度的衍射峰，其中17°和18°處是雙峰且衍射強度最強[19-20]。雖然不同品種的大米淀粉在圖譜上出峰位置大致相同，但相對結晶度具有顯著差異。12種大米淀粉的相對結晶度為22.05%～31.15%（見表5），其中，武育糯481的相對結晶度最高，其次是蘇香粳100號、南粳9108、南粳46，稻花香2號淀粉的相對結晶度最低。軟米的直鏈淀粉質量分數相對較低，可以推測大米淀粉的相對結晶度與直鏈淀粉質量分數有一定關系[21]。支鏈淀粉的外鏈可以形成雙螺旋結構，從而相互結合形成晶體結構域，在支鏈淀粉質量分數高的淀粉中，結晶度的高低與支鏈淀粉外鏈間的雙螺旋結構緊密相關[22]。除此之外，相對結晶度也與糊化溫度、支鏈淀粉鏈長分布關系密切[23]。

將FTIR技術和波譜去卷積處理方法聯合運用可研究淀粉粒外部區域的結構，雖然FTIR光譜無法區分淀粉晶體類型，但是相同晶體類型具有相似的紅外光譜。1047 cm-1/1022 cm-1表示淀粉結晶區與非結晶區的比值，可以反映淀粉粒的有序度[24]。圖2（b）顯示12種大米淀粉在去卷積處理后的譜圖相同，說明12種淀粉的晶型相似，與XRD結果一致。但是顆粒表面有序度（1047 cm-1/1022 cm-1）結果差異顯著，從表5可知，南粳9108、南粳46和淮稻5號的淀粉顆粒表面有序度均低于0.850，而禾銀絲苗、越光和Ⅱ優118淀粉顆粒表面有序度均高于0.900，這可能是直鏈淀粉質量分數與支鏈淀粉的精細化結構有關[25]。

圖2 不同品種大米淀粉的XRD圖譜及紅外光譜Fig.2 XRD patterns and infrared patterns of rice starch from different varieties

大米淀粉的熱特性可能受大米的生長環境和基因型的影響。根據糊化溫度可以將淀粉分為以下3類：低糊化溫度淀粉、中等糊化溫度淀粉和高糊化溫度淀粉，分別對應66.6～70.5℃、73.5～77.6℃、79.7～82.5℃。從表5可知，12種大米淀粉的糊化起始溫度、峰值溫度和終值溫度差異顯著，糊化起始溫度為55.10～66.54℃，峰值溫度為61.75～72.53℃，終值溫度為69.75～81.80℃。其中，南粳46和稻花香2號具有較低的糊化起始溫度和峰值溫度，嘉優中科1號和Ⅱ優118具有較高的糊化起始溫度、峰值溫度和終值溫度。隨著直鏈淀粉質量分數的增加，淀粉的糊化溫度也逐漸增加，與前人的研究結果相一致[26-27]。熱焓值反映了淀粉在糊化過程中所需要吸收的能量。熱焓值為8.44～11.83 J/g，其中，淮稻5號淀粉的熱焓值最低，武育糯481淀粉的熱焓值最高，說明其雙螺旋結構較多，淀粉糊化過程需要更多的能量破壞淀粉的晶體結構[28]。

2.2.3 大米淀粉的結構與米飯特性的相關性米飯的食味品質和質構特性與淀粉的糊化特性密切相關。由表6可知，淀粉的峰值黏度和崩解值與米飯食味值呈極顯著正相關（P＜0.01）；淀粉的終值黏度和回生值與米飯的硬度呈顯著正相關（P＜0.05），淀粉的糊化溫度與米飯的硬度呈極顯著正相關（P＜0.01）；米飯的凝聚性和淀粉的谷值黏度、終值黏度、回生值、糊化溫度呈極顯著負相關（P＜0.01）；米飯的膠著性和淀粉的崩解值呈極顯著正相關（P＜0.01）；米飯的回復性和淀粉的糊化溫度呈顯著負相關（P＜0.05）。淀粉終值黏度越高、回生值越大，冷卻后老化速度越快，米飯硬度越高，同時，淀粉糊化溫度越高，米飯的回復性越差，米飯很難恢復到原來的形狀，導致口感變差。因此，華粳5號、嘉優中科1號、Ⅱ優118表現出較差的食用品質，越光、南粳46、南粳9108、泰國茉莉香米、禾銀絲苗表現出較優的食用品質。相關性分析表明，淀粉的相對結晶度、表面有序度和熱焓值與米飯的食味品質和質構特性關系不顯著；而淀粉糊化的起始溫度和峰值溫度與米飯的硬度呈極顯著正相關（P＜0.01）；淀粉糊化的峰值溫度與米飯的黏度呈顯著負相關（P＜0.05），與回復性呈極顯著負相關（P＜0.01），說明淀粉糊化的起始溫度和峰值溫度越高，蒸煮米飯時所要的能量越高，米飯的硬度越大，黏度和回復性越低，米飯的食用品質不佳。

表6 大米淀粉的結構與米飯特性的相關性Table 6 Correlation analysis between the starch structure and cooked rice properties

續表6

3 結語

作者對12種大米的理化組成、食味品質和質構特性進行了測定和差異性分析，繼而分別考察了食味品質和質構特性與大米淀粉糊化性質、結晶特性、熱特性和顆粒表面有序度之間的相關性。結果表明，泰國茉莉香米、禾銀絲苗、越光、蘇香粳100號、南粳9108和南粳46具有較高的食味值。不同品種大米直鏈淀粉質量分數與米飯的食味品質關系不顯著，不能僅用直鏈淀粉質量分數作為評判米飯食用品質的唯一指標。米飯食味值主要與淀粉的糊化參數存在顯著相關性，與峰值黏度和崩解值呈極顯著正相關關系。米飯的質構和淀粉的糊化特性有一定的相關性，尤其是米飯的硬度、凝聚性和回復性，其他質構參數均與淀粉特性無顯著相關性，說明淀粉的糊化特性極大程度上決定了米飯的硬度、凝聚性和回復性。該研究闡釋了大米理化性質及淀粉結構對米飯食用品質的影響機制，為大米適宜性加工和優質稻的培育提供了理論基礎。