過熱蒸汽處理對大米粉理化特性的影響

舒星琦， 李波輪， 任傳順， 鄭洋洋， 安紅周， 卞 科， 覃振華

(河南工業大學糧油食品學院1，鄭州 450001) (河南省谷物品質分析與加工國際聯合實驗室2，鄭州 450001) (廣西柳州鼎蓉鮮食品生產有限公司3，柳州 545000)

以大米為原料的深加工食品已成為一個重要趨勢，但大米原料直接加工后的米制品存在品質問題，現有研究表明，適度改善大米原料品質，對米制品品質將產生有利影響[1,2]。過熱蒸汽是在相同壓力下溫度超過飽和蒸汽溫度的蒸汽[3]。在一定壓力下加熱水，達到沸點后，在該壓力下繼續加熱，蒸汽溫度超過沸點溫度，此時的蒸汽稱為過熱蒸汽。過熱蒸汽的傳熱效率高，可用于食品的熱加工，目前主要是用于食品烹煮和膨化等[4-6]，以及食品原料的預糊化[7]。Soponronnarit等[7]發現糙米經過熱蒸汽預糊化后，其糊化特性發生改變，相比于未處理組和熱風處理組，糙米擁有更低的峰值黏度、崩解值和最終黏度，煮熟后硬度較大。目前，熱處理改良大米品質的主要目的包括改變蛋白質特性[8]和淀粉特性[9]、提高大米中抗性淀粉和慢消化淀粉含量[10]、提高大米的營養價值[11]、改變大米黏性[12]、增強大米儲藏穩定性[13]、改善新型制粉技術[14]等。目前市場上對米制品的品質改善大多通過改良劑進行改良，改良劑具有一定的局限性。

本研究對過熱處理大米成分變化與理化特性相結合進行分析，測定在不同蒸汽溫度(120、150、180 ℃)和不同處理時間(0、2、4、6、8 min)下，大米粒內部理化特性的變化，通過不同的處理后其理化特性變化來對米制品品質進行改善，為大米深加工工藝提供參考，對米制品深加工行業的發展具有一定意義。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與試劑

秈精米(含水量13.03%，蛋白質質量分數6.59%，淀粉質量分數76.03%，灰分質量分數0.39%)。碘化鉀、碘試劑、無水乙醇、氫氧化鉀、硫酸銅、鹽酸、氫氧化鈉、硫酸、硼酸、硫代硫酸鈉，均為分析純。

1.2 實驗儀器與設備

過熱蒸汽處理器(自制)，Quanta250FEG掃描電子顯微鏡，UV-2000紫外分光光度計，kjeltec8400全自動凱氏定氮儀，SD-matic破損淀粉儀，DS-1高速組織搗碎機，FAST-300振動篩分機，CR-410色彩色差計，RVA-techmaster快速黏度分析儀，DSC/25差示掃描量熱儀。

1.3 方法

1.3.1 大米過熱蒸汽處理

利用過熱蒸汽設備，在蒸汽流速為3 mm/s的條件下，將大米在120、150、180 ℃下分別處理0、2、4、6、8 min，在室溫下冷卻，備用。

1.3.2 大米粒掃描電子顯微鏡(SEM)觀察

將過熱蒸汽處理后的大米粒橫向掰斷，置于導電雙面膠上，噴金處理，用掃描電鏡在3kV電壓下觀察米粒的微觀結構，放大倍數為10 000倍。重復3次，選取代表性圖片。

1.3.3 大米粉制備及基本組分變化

將大米粉碎，過100目篩，-4 ℃下密封保存備用。

參照GB/T 5009.3—2016中的烘箱法測定含水量；參照GB/T 5009.9—2008測定總淀粉含量；參照GB/T 5009.5—2016測定蛋白質含量。破損淀粉含量測定參照AACC 76-31肖邦破損淀粉儀法，結果用碘吸收率表示。參照GB/T 15683—2008測定大米直鏈淀粉含量，制備碘試劑和測定標準曲線。

1.3.4 粒度分布

將處理后的大米粒用60目萬能粉碎機粉碎。參照GB/T 20781—2006，通過80目和100目2個實驗篩對大米粉進行篩分、稱重。

1.3.5 色澤變化

采用色彩色差計測定米線原料粉的色澤。采用下列公式計算其白度(WI)：

WI=100-[(100-L*)2+a*2+b*2]1/2

(1)

式中：L*為明亮度；a*為表示紅綠值；b*為表示黃藍值。

1.3.6 大米粉水合特性的測定

參照Heo等[15]和郭靜璇[16]的方法并加以改進，測定50、60、70、80、90 ℃下大米粉的水溶性、膨脹勢和吸水指數。稱取0.8 g干基大米粉(W0)于預先稱重的50 mL離心管中，加25 mL蒸餾水，混勻，分別置于50、60、70、80、90 ℃下振蕩保溫30 min，在轉速為4 000 r/min下離心15 min。上清液轉至恒重的鋁盒內，在105 ℃下烘至恒重(W1)，離心管中沉淀稱重(W2)，按照式(2)～式(4)進行計算：

吸水指數=W2/W0×100%

(2)

水溶性=W1/W0×100%

(3)

膨脹勢=W2/[W0×(100%-WS)]×100%

(4)

式中：WS為水溶性/g/100 g；W0為大米淀粉干基質量/g；W1為上清烘干至恒重的質量/g；W2為沉淀物的濕重/g。

1.3.7 大米粉糊化特性的測定

參照GB/T 24852—2010進行測定。

1.3.8 熱特性(DSC)的測定

當收到來自其他節點發送的BCD消息,節點就檢測自己的橫坐標是否小于發送節點的橫坐標。如果小于,則利用右手規則轉發BCD消息,否則就丟失。通過這種方式,最終只有一條BCD消息沿著邊界轉發,并且被轉發的BCD消息是由橫坐標最大的邊界節點產生的。將此節點稱為BCD的初始節點(BCD-I)。

參照田曉紅等[17]的方法。

1.3.9 數據處理

采用Microsoft excel 2010、SPSS 20.0進行數據分析，用Origin 8.0對數據進行制圖。無特別說明，所以數據都是3次平行的平均值。結果以均值±標準差(Mean±SD)表示，多組間多重比較通過單因素方差分析(one-way ANOVA)進行P<0.05表示在統計學上具有顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 過熱蒸汽處理對大米內部顆粒形貌的影響

圖1為經不同處理的大米截面掃描電鏡圖，未處理大米橫截面較為平整堅實。隨著處理溫度和處理時間的增加，大米的組分聚集，顆粒表面出現凹陷蜂窩狀，淀粉顆粒的棱角模糊，表面變得光滑、膨大，內部結構變得松散。熱處理會促進小麥蛋白和淀粉發生交聯，蛋白和蛋白之間發生聚集、以及直鏈淀粉和脂質發生結合形成復合物[18,19]。另外，淀粉也會通過分子內或者分子間氫鍵進行結合[20]。同時，熱處理使淀粉顆粒吸水膨脹，表面部分發生糊化，冷卻后顆粒表面凹陷或棱角模糊[21]。因此，過熱蒸汽會使大米發生部分糊化，且對蛋白-蛋白、蛋白-淀粉、淀粉-淀粉及脂質-淀粉之間的結合有影響。Wu等[22]研究發現，過熱蒸汽對輕碾米的裂紋和微觀力學行為的影響不顯著，能夠保持其完整的形貌和較好的蒸煮品質和質構特性。但整體來看，大米淀粉顆粒結構保持的較完整，這有利于米制品的制作。

圖1 過熱蒸汽處理前后大米掃描電鏡圖(放大10 000倍)

2.2 過熱蒸汽處理對大米粉基本組分的影響

表1為過熱蒸汽處理前后大米粉組分的變化。其中，含水量隨處理時間的延長，先升高再降低，隨處理溫度的升高而降低。含水量上升是由“初始冷凝”造成，高溫的過熱蒸汽遇到低溫樣品會發生冷凝，使樣品水分暫時升高，當處理時間或蒸汽溫度增加，其含水量減少；直鏈淀粉含量隨處理時間的延長和處理溫度的增加先升高后降低，且溫度的影響更顯著，但在6 min或8 min的長時間處理下，變化不明顯。直鏈淀粉含量的高低，直接影響糊化后淀粉的短期老化和米線的凝膠強度，米線的復水時間、斷條率、蒸煮損失率都與秈米的直鏈淀粉含量相關[23]。直鏈淀粉溶出可能是由于溫度和時間的增加，淀粉鏈發生斷裂，雙螺旋結構減少[24]。在150 ℃，2、4 min條件下處理后直鏈淀粉含量提高到最大值，可提高12%?？赡苁菬崽幚磉^程中淀粉分子中的支鏈淀粉或較長直鏈淀粉的糖苷鍵被破壞[25]。破損淀粉含量在較低溫度(120 ℃)或較短時間(2 min)的處理條件下無顯著性變化，在較高溫度或較長時間的處理條件下升高，總淀粉和蛋白的變化不顯著。

表1 過熱蒸汽處理對大米粉組分的影響

2.3 過熱蒸汽處理對大米粉粒徑的影響

由圖2可知，大米粉的粒度隨著處理時間延長先增加后減小，在處理2 min時，粒度顯著升高，達到最大值。隨著處理溫度的增加，粒度減小，在處理180 ℃，6 min時，粒度最小，且留存在80目篩的樣品量占比最大，80目/100目占比最小。大米粉粒徑的增大可能與大米含水量和結構的變化有關。當含水量減小時，大米較脆。由圖1可知，隨著處理時間和溫度的增加，大米內部結構變得松散，有研究表明，小麥籽粒經過過熱蒸汽處理后變得蓬松易碎，且蛋白和淀粉間相互聚集，淀粉糊化導致其粘連、膨脹[26]，都會造成大米更易破碎，導致粒徑減小。然而，在2 min短時間的處理時，可能是是由于冷凝水的凝結使大米結構變得致密、堅硬，在磨粉時難以被破碎，造成粒徑增加。

圖2 過熱蒸汽處理對大米粉粒徑分布的影響

2.4 過熱蒸汽處理對大米粉色澤變化的影響

將大米經過熱蒸汽處理后粉碎，大米粉色澤的變化見表2，與對照組相比，L*和WI在120 ℃，4 min和150 ℃，2 min處顯著降低，大米粉顏色變暗，其他條件下無顯著變化。經過熱蒸汽處理后，大米粉的a*降低。隨著處理時間的延長，a*在2 min和8 min處顯著降低，b*在8 min處顯著增高。隨處理溫度的升高，a*和b*無顯著變化。綜合來看，過熱蒸汽處理對大米粉色澤的影響不大，僅在120 ℃，4 min和150 ℃，2 min時會使大米粉的顏色變暗。且2 min和8 min會使大米粉顏色變為偏綠，8 min的處理會使大米粉顏色變為偏黃。

表2 過熱蒸汽處理對大米粉色澤的影響

2.5 過熱蒸汽處理對大米粉水合特性的影響

圖3 過熱蒸汽處理對大米粉水合特性的影響

2.6 熱蒸汽處理對大米粉糊化特性的影響

由表3分析可知過熱蒸汽處理可以使大米粉的峰值黏度、衰減值減小，最終黏度、回生值、糊化溫度升高，低溫短時間(120 ℃，2 min)的處理可以使峰值黏度、谷值黏度增加，高溫長時間的處理會使峰值時間、衰減值，以及最終黏度、回生值、糊化溫度升高。峰值黏度隨溫度的增加而減小，120 ℃時，隨處理時間的延長先增加后減小，150 ℃和180 ℃時，隨處理時間的延長而減小。谷值黏度在2 min處顯著升高，處理溫度對其無顯著性影響。峰值黏度在180 ℃，8 min處顯著升高。衰減值隨處理時間和處理溫度的增加而減小，但在8 min處顯著升高。最終黏度、回生值、糊化溫度隨處理時間和處理溫度的增加而增加，但回生值在較低溫度(120 ℃和150 ℃)和較低處理時間(2 min和4 min)時無顯著性差異。

表3 過熱蒸汽處理對大米粉糊化特性的影響

峰值黏度降低可能是過熱蒸汽處理造成大米淀粉降解，部分分子鏈變小，直鏈淀粉含量增加造成的[30]；也可能是大米淀粉鏈間相互作用，分子內或分子間氫鍵增強，耐熱性提高，顆粒不易膨脹[31]；此外，淀粉顆粒在糊化過程中熔融，降低了淀粉吸水膨脹的能力[32]。120 ℃、2 min處峰值黏度的增加、2 min處谷值黏度的增加，以及最終黏度的升高可能是由于過熱蒸汽處理改變了大米淀粉的結構，淀粉也可能與非淀粉組分反應，提高了其結合水的能力，另一個原因可能是過熱蒸汽處理引起蛋白質的聚集，使黏度增大[32]。此外，淀粉顆粒的膨脹和糊化作用也會使其黏度增加[33]。衰減值表示淀粉顆粒對剪切力的忍耐力值，其值降低，表明大米淀粉顆粒的熱穩定性增強，這可能是是因為淀粉顆粒發生部分糊化和熔融以及淀粉-脂復合物的形成造成的[19]。此外，有研究表明，支鏈淀粉的分子長分支和短分支分別與衰減值呈正相關和負相關[34]，這驗證了熱對淀粉糖苷鍵的破壞，使長支鏈變為短支鏈，直鏈淀粉增加。回生值的升高表明淀粉糊的穩定性以及淀粉凝膠的硬度增強，主要是直鏈淀粉含量的升高造成的[35]。糊化溫度的升高以及峰值時間的增加可能是由于淀粉糊化和淀粉-脂質復合物的形成阻礙了淀粉顆粒的吸水能力，從而導致了淀粉顆粒膨脹溫度升高[36]。

表4 過熱蒸汽處理對大米粉熱特性的影響

2.7 過熱蒸汽處理對大米粉熱特性的影響

在120 ℃時，隨著處理時間的延長，大米粉開始糊化時的溫度T0在6 min時顯著升高，在較高溫度下無顯著性變化，隨處理溫度的升高而降低，但在長時間(8 min)時，無顯著變化。大米粉糊化達到峰值的溫度Tp無顯著性變化，大米粉糊化結束的溫度Tc只在150 ℃，8 min處顯著降低，ΔH在120 ℃隨處理時間的延長顯著降低。150 ℃時，在4 min處顯著降低后再升高，180 ℃時無顯著差異。

熱相變溫度和糊化焓降低表明過熱蒸汽處理導致淀粉結晶中的雙螺旋結構被部分破壞，淀粉發生了糊化[37]。過熱蒸汽處理可以使未被糊化的淀粉晶型結構更穩定，這與Sun等[38]的研究結果相似。此外，直鏈淀粉具有抑制溶脹的作用，特別是在存在脂類時，脂類物質可與部分直鏈淀粉在溶脹和糊化過程中形成復合物[37]，同時熱作用還會導致淀粉和淀粉相互作用，從而引起熱相變溫度升高[38]。

3 結論

大米經過熱蒸汽處理后，蛋白、淀粉和脂質間會發生聚集現象。低溫或短時間的過熱蒸汽處理可增加大米粉的含水量、直鏈淀粉含量和粒度，減小樣品的吸水指數、膨脹勢和水溶性，但高溫或長時間的過熱蒸汽處理起反作用，并會使破損淀粉升高。過熱蒸汽處理還可影響大米粉的糊化特性和熱特性，使大米粉的峰值黏度、衰減值減小，最終黏度、回生值、糊化溫度升高，低溫短時間(120 ℃，2 min)的處理可以使峰值黏度、谷值黏度增加，高溫長時間的處理會使峰值時間、衰減值，以及最終黏度、回生值、糊化溫度升高。適當的過熱蒸汽處理可以改善米制品深加工產品的品質。直鏈淀粉含量、谷值黏度、最終黏度和回生值的升高以及吸水指數、膨脹勢、水溶性、衰減值、相變溫度和糊化焓的降低有利于米線的加工。適當的過熱蒸汽處理有利于米線擠壓成型，口感的爽滑性和柔韌性，提高米線的蒸煮品質，同時經過過熱蒸汽處理的米加工制作的米線復水性更好。