沈汪洋,晏夢(mèng)婷,孫 威,陳 軒,高 虹,趙永武,周 堅(jiān)
(1.武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430023;2.農(nóng)產(chǎn)品加工湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430023;3.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所,湖北 武漢 430064;4.武漢中糧食品科技有限公司,湖北 武漢 430415)
糙米重組米的回生特性
沈汪洋1,2,晏夢(mèng)婷1,孫 威1,陳 軒1,高 虹3,趙永武4,周 堅(jiān)1,2
(1.武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430023;2.農(nóng)產(chǎn)品加工湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430023;3.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所,湖北 武漢 430064;4.武漢中糧食品科技有限公司,湖北 武漢 430415)
采用差示掃描量熱儀和質(zhì)構(gòu)儀研究了糙米重組米的Avrami方程及硬度,探討了糙米重組米的回生特性。結(jié)果表明:糙米重組米的Avrami參數(shù)n值均小于1,以一次成核的方式結(jié)晶;糙米重組米淀粉中的直鏈淀粉含量對(duì)Avrami參數(shù)n有非常顯著的影響,對(duì)支鏈淀粉的最大回生度沒(méi)有顯著的影響;參數(shù)n和結(jié)晶速率k之間成極顯著負(fù)相關(guān);最大回生度與結(jié)晶速率k成顯著負(fù)相關(guān);硬度可以有效地反映出糙米重組米的回生程度。
重組米;直鏈淀粉;Avrami方程;硬度
回生也叫β化、老化[1],是淀粉分子從無(wú)序到有序的重新排列過(guò)程?;厣^(guò)程中,淀粉的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化[2],可能會(huì)導(dǎo)致淀粉結(jié)晶、變硬、抗酸解能力提高、黏度減小、組織凝集、水分下降、凍融穩(wěn)定性下降等一系列現(xiàn)象[3]的發(fā)生,從理論上研究揭示淀粉回升過(guò)程中這些變化產(chǎn)生的原因及其對(duì)食品物性帶來(lái)的影響,有助于更加深入、合理、有效地利用淀粉食品,產(chǎn)生更大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。差示掃描量熱(differential scanning calorimetry,DSC)分析方法廣泛用于食品行業(yè)中,是一種研究淀粉食品結(jié)構(gòu)和性質(zhì)簡(jiǎn)單而有效的手段,主要應(yīng)用于淀粉熱力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定;質(zhì)構(gòu)儀(texture analyser,TA)通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)定樣品隨時(shí)間變化的位置和質(zhì)量從而得出樣品的物性特征。質(zhì)構(gòu)儀精度高、性能穩(wěn)定,是一種常用的食品研究方法。
糙米是稻谷脫去稻殼之后的全谷粒。其富含多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),包括膳食纖維、礦物質(zhì)微量元素和維生素等,從營(yíng)養(yǎng)學(xué)的角度來(lái)看,糙米的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值明顯高于精制大米。但由于糙米表面還含有部分的皮層,導(dǎo)致糙米吸水性和膨脹性較差,用糙米煮飯,時(shí)間長(zhǎng)、顏色深、口感差。糙米重組米是以糙米為原料,將糙米粉碎后,經(jīng)復(fù)配擠壓等工藝,生產(chǎn)制造的一種重組米。其外形類(lèi)似普通大米,重組米的優(yōu)點(diǎn)在于既保留了糙米的部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),又具有較好的口感。在擠壓過(guò)程中,糙米原有淀粉被限制性的糊化,其淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生部分改變,從而使糙米重組米的回生特性發(fā)生了顯著的變化。
近年來(lái),重組米的性質(zhì)研究成為熱點(diǎn),張穎等[5]完成了營(yíng)養(yǎng)重組米的研制;劉菊芬等[6]研究了不同添加劑對(duì)速煮重組米品質(zhì)的影響;張志清等[7]完成了工程重組米質(zhì)構(gòu)測(cè)定與感官評(píng)價(jià)相關(guān)分析。莊海寧等[8]研究了擠壓加工參數(shù)對(duì)重組米生產(chǎn)過(guò)程及產(chǎn)品膨脹度的影響;熊善波等[9]應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)了工程重組米的品質(zhì)改良;王會(huì)然[10]研究了擠壓重組米品質(zhì)特性;王鵬等[11]研究了穩(wěn)定化米糠對(duì)營(yíng)養(yǎng)重組米回生動(dòng)力學(xué)的影響;鄭廣釗等[12-13]研究了L-α-磷脂酰膽堿含量對(duì)擠壓重組米回生動(dòng)力學(xué)影響和擠壓加工參數(shù)對(duì)重組米崩解值的影響。
目前對(duì)于糙米重組米的品質(zhì)特性研究,主要集中在其糊化方面[14],糊化度影響重組米的蒸煮特性與米飯口感,而對(duì)其回生特性研究未見(jiàn)報(bào)道。糙米重組米在制備的冷卻過(guò)程中,經(jīng)歷了第一次回生。在蒸煮成為米飯之后的冷卻過(guò)程中,經(jīng)歷第二次回生。糙米重組米的回生度是重組米的重要品質(zhì)特性和指標(biāo)。因此,對(duì)糙米重組米的二次回生特性進(jìn)行了研究。
1.1 材料與試劑
“燕之坊”品牌糙米 2014年9月購(gòu)于武漢市常青花園武商量販店。
直鏈淀粉含量檢測(cè)試劑盒 愛(ài)爾蘭Megazyme公司;二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide,DMSO)、疊氮化鈉成都西亞試劑有限公司;冰醋酸、無(wú)水醋酸鈉、氯化鈉、氯化鎂、95%乙醇 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
1.2 儀器與設(shè)備
DS32-Ⅱ雙螺桿擠壓膨化機(jī) 濟(jì)南賽信機(jī)械有限公司;Q-10型差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter,DSC) 美國(guó)TA儀器公司;TA.XT Plus物性測(cè)試儀 英國(guó)Stable Micro Systems公司;STARTER3100實(shí)驗(yàn)室pH計(jì) 奧豪斯儀器(上海)有限公司;QL-861漩渦混合器 海門(mén)市其林貝爾儀器制造有限公司;TDZ5-WS醫(yī)用離心機(jī) 長(zhǎng)沙平凡儀器儀表有限公司;TG16-WS臺(tái)式高速離心機(jī) 湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司;MS105DU十萬(wàn)分之一分析天平梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;UV-1800紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海美譜達(dá)儀器有限公司;cfxb80-450電飯煲 廣東半球?qū)崢I(yè)集團(tuán)公司。
1.3 方法
1.3.1 糙米重組米的制備
糙米重組米的制備流程:糙米原料→除雜→粉碎→復(fù)配→擠壓成型(工藝參數(shù)見(jiàn)表1)→冷卻→糙米重組米。
1.3.2 糊化度的測(cè)定
采用經(jīng)典酶法測(cè)糊化度[14-15]。
1.3.3 直鏈淀粉含量的測(cè)定
根據(jù)Megazyme試劑盒提供方法進(jìn)行直鏈淀粉含量的測(cè)定。稱(chēng)量20~25 mg脫脂樣品于10 mL離心管,加入1 mL DMSO,漩渦混合器振蕩,離心管置于沸水浴中1 min左右,確保沒(méi)有凝膠狀的淀粉塊。漩渦混合器振蕩混合離心管,并在沸水浴中間歇加熱15 min,室溫靜置5 min,添加2 mL體積分?jǐn)?shù)95%乙醇,振蕩,再添加4 mL無(wú)水乙醇,離心管直立靜置15 min。離心2 000 r/min,5 min,去除上清液,確保抽干所有乙醇,向離心管中加入2 mL DMSO,沸水浴中振蕩15 min,立即添加4 mL的反溶劑(試劑盒自帶),混合均勻,用反溶劑定容于25 mL容量瓶,得到試劑A。移取1 mL試劑A于3 mL離心管,添加0.05 mL半刀豆蛋白,混合均勻,室溫直立靜置1 h,14 000 r/min離心10 min,轉(zhuǎn)移1 mL上清液于15 mL離心管,添加3 mL pH 4.5的醋酸鈉緩沖溶液,混合,沸水浴5 min,使拌刀豆蛋白變性,離心管置于40 ℃水浴平衡5 min,加入0.1 mL淀粉葡萄糖苷酶,40 ℃水浴30 min,2 000 r/min離心5 min,移取1 mL上清液于10 mL離心管,添加4 mL葡萄糖測(cè)試試劑,40 ℃水浴20 min,在510 nm波長(zhǎng)處測(cè)吸光度A1。
總淀粉含量的測(cè)定:移取0.5 mL試劑A于10 mL離心管,添加4 mL pH 4.5的醋酸鈉緩沖溶液,再加入0.1 mL淀粉葡萄糖苷酶,40 ℃水浴10 min,吸取1 mL置于玻璃試管中,添加4 mL葡萄糖測(cè)試試劑,40 ℃水浴20 min,在510 nm波長(zhǎng)處測(cè)吸光度A??瞻自噭┦翘砑? mL的醋酸鈉緩沖溶液,4 mL葡萄糖測(cè)試試劑,40 ℃水浴20 min。直鏈淀粉含量計(jì)算公式如下。
1.3.4 差示掃描量熱儀測(cè)定糊化和回生方法
分別稱(chēng)取糙米粉和9 種糙米重組米米粉各3.0 mg于鋁制坩堝中,樣品中加入去離子水,制成質(zhì)量濃度50 g/100 mL的溶液,密封保存過(guò)夜,用差示掃描量熱儀進(jìn)行糊化特性測(cè)定。掃描溫度范圍為20~100 ℃,然后從100 ℃冷卻至20 ℃,降溫速率為10 ℃/min,保護(hù)氣體為氮?dú)?,流?0 mL/min。測(cè)定后的樣品,冷卻至常溫后于4 ℃條件下冷藏l、3、5、7、14 d,重新用差示掃描量熱儀進(jìn)行回生特性測(cè)定,測(cè)定條件與糊化測(cè)試條件相同[16],回生度計(jì)算公式如下。
1.3.5 硬度測(cè)定
采用物性儀對(duì)蒸煮后的糙米和糙米重組米進(jìn)行硬度測(cè)定,糙米與水按1∶1(m/V)比例混合置于電飯煲中蒸煮30 min,重組米與水按照同樣的比例蒸煮8 min。取樣:在蒸煮樣品中間層的不同部位隨機(jī)取3 粒米,對(duì)稱(chēng)放置在物性儀的載物臺(tái)上進(jìn)行測(cè)定,每組樣品平行測(cè)定6 次,去掉硬度最大和最小的兩個(gè)測(cè)定結(jié)果,取4 次測(cè)定結(jié)果,計(jì)算平均值。測(cè)定條件如下:P/45C探頭,測(cè)前速率:2 mm/s,測(cè)中速率:1.00 mm/s,測(cè)后速率:1.00 mm/s,觸發(fā)力值5.0 g,壓縮比例50%,兩次壓縮時(shí)間5.00 s。
1.3.6 回生動(dòng)力學(xué)模型的測(cè)定
淀粉糊化后,在其回生(冷卻與貯存)過(guò)程中,直鏈淀粉分子快速凝聚并結(jié)晶。支鏈淀粉分子則在回生過(guò)程中以較慢速度凝聚并結(jié)晶,結(jié)晶度隨時(shí)間的延續(xù)而不斷增加。最后趨于該結(jié)晶條件下的極限結(jié)晶度。在結(jié)晶體系中,晶體生長(zhǎng)是多維的,其生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和生長(zhǎng)維數(shù)及成核方式有關(guān)。一般以Avrami模型來(lái)描述及預(yù)測(cè)淀粉回生結(jié)晶動(dòng)力學(xué)特征。Avrami方程基本模型見(jiàn)下式[17]。
式中:V為在t時(shí)間時(shí),淀粉結(jié)晶量所占極限結(jié)晶總量的分率;k為結(jié)晶速率常數(shù),與晶核密度及晶體一維生長(zhǎng)速率有關(guān);n為Avrami指數(shù)。當(dāng)n≤1時(shí),對(duì)應(yīng)在一維、二維及三維結(jié)晶生長(zhǎng)方式中,成核方式為瞬間成核(或稱(chēng)一次成核,不依熱成核);當(dāng)n≤2時(shí),則對(duì)應(yīng)自發(fā)成核(或稱(chēng)不斷成核,依熱成核)。對(duì)于V,不同的回生結(jié)晶測(cè)定方法有各自的表征方式[18]。在DSC測(cè)試中,淀粉的回生結(jié)晶量由回生焓△H表示,因此V可表示為:
式中:△H0和△Ht分別為時(shí)間為0和t時(shí)刻的回生熱焓值;△H∞為回生焓極限值,由淀粉回生一定時(shí)間后的回生焓值表示[19]。一般地,△H0=0,則式(4)可表示為:
由式(3)、(4)、(5),并做對(duì)數(shù)處理最終得到:
因此,將不同時(shí)間段的淀粉結(jié)晶融化熱焓代入式(6),計(jì)算出各t時(shí)刻的ln[-ln(1-△Ht/△H∞)]后,對(duì)lnt進(jìn)行線性回歸,即可得到速率常數(shù)k與Avrami指數(shù)n。
1.4 數(shù)據(jù)分析
采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析和顯著性分析。
2.1 糙米和糙米重組米的糊化度
由表2可知,糙米經(jīng)過(guò)擠壓重組后,糊化度明顯升高。由于每種重組米的擠壓制備工藝參數(shù)不同,因此,其糊化度也不同[14]。
2.2 糊化度對(duì)回生動(dòng)力學(xué)的影響
由表3可知,糙米和糙米重組米在回生1、3、5、7 d時(shí)熱焓值增長(zhǎng)速率較為緩慢,在14 d時(shí)熱焓增加速率略有增加,結(jié)晶速率加快。表3反映隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng),熱焓值隨之增加。熱焓值高的淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)或分子秩序極強(qiáng)。隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng),結(jié)晶量在3~7 d內(nèi)增長(zhǎng)較為穩(wěn)定,7 d以后增長(zhǎng)速率加快,其他學(xué)者的研究也證實(shí)了該現(xiàn)象[20-22]。
由表4可知,糙米和大部分糙米重組米的Avrami參數(shù)n值均小于1,說(shuō)明是以一次成核的方式結(jié)晶。僅有重組米3的Avrami參數(shù)n值為1.081 7,大于1,表明它是偶然成核和瞬間成核共同作用的成核方式。有研究人員采用兩相理論,以假設(shè)固(晶體)液兩相的濃度保持不變的條件研究了晶體結(jié)晶,但是實(shí)際的淀粉回生過(guò)程會(huì)使液相中的淀粉濃度降低,進(jìn)而解釋了出現(xiàn)n大于1的現(xiàn)象[23]。糙米的晶體結(jié)晶速率k最高,糙米重組米5的晶體結(jié)晶速率k最低。說(shuō)明糙米經(jīng)過(guò)擠壓后,回生受到抑制。并且糙米重組米晶體的結(jié)晶速率k隨著糊化度的升高而降低,但在糊化度達(dá)到82.27%時(shí),晶體的結(jié)晶速率k又有所回升,這是由于在糊化度較低時(shí),淀粉完全熔融的狀態(tài)未形成,從而導(dǎo)致不僅淀粉粒的膨脹受到抑制,而且淀粉粒之間的相互連接也受到阻止[23]。
2.3 直鏈淀粉含量與回生特性的相關(guān)性分析
為考察直鏈淀粉含量對(duì)回生的影響,利用SPSS軟件對(duì)直鏈淀粉含量和Avrami參數(shù)n以及結(jié)晶速率k和最大回生度(14 d時(shí))進(jìn)行相關(guān)性分析,其結(jié)果見(jiàn)表5。糙米重組米直鏈淀粉含量與Avrami參數(shù)n成極顯著正相關(guān)性,說(shuō)明直鏈淀粉含量對(duì)于支鏈淀粉的結(jié)晶有著顯著影響,它可以影響支鏈淀粉的成核方式。直鏈淀粉含量越高,n值越大,k值越小,說(shuō)明支鏈淀粉結(jié)晶成核和生長(zhǎng)速率較??;直鏈淀粉含量對(duì)支鏈淀粉的最大回生度沒(méi)有顯著的影響,說(shuō)明直鏈淀粉含量并不能影響支鏈的最終結(jié)晶程度;直鏈淀粉在冷卻和貯藏中并沒(méi)有形成結(jié)晶,直鏈淀粉不是以晶種的形式影響支鏈淀粉的結(jié)晶,而是參與了支鏈淀粉的成核和結(jié)晶[24]。糙米重組米淀粉回生的特征值參數(shù)n和結(jié)晶速率k之間存在著非常顯著的負(fù)相關(guān),說(shuō)明晶核形成得越慢,越分散(n越大),晶體結(jié)晶速率越?。╧越?。?。糙米重組米最大回生度與晶體結(jié)晶速率k有顯著的負(fù)相關(guān),說(shuō)明結(jié)晶速率越慢,最大回生度越高。
2.4 糙米和糙米重組米米飯的硬度
糙米米飯和不同糊化度的糙米重組米米飯?jiān)? ℃放置1、3、5、7、14 d的硬度的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表6。糙米米飯的硬度顯著高于糙米重組米米飯的硬度。糙米重組米米飯的硬度隨著糊化度的增加而增加。且糙米重組米米飯放置1、3、5、7 d的回生速率基本一致,在14 d回生速率最快。當(dāng)存放時(shí)間為7~14 d時(shí),糙米重組米米飯基本達(dá)到自身的最大回生度。
2.5 硬度與晶體熔融焓值的相關(guān)性分析
從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析樣品的硬度與DSC測(cè)定出的晶體融焓值的變化趨勢(shì)一致。利用SPSS軟件分析兩者的相關(guān)性,確定熱焓與硬度的相關(guān)系數(shù)γ,分析結(jié)果見(jiàn)表7。糙米米飯的硬度與晶體熔融焓值無(wú)顯著差異(P>0.05),而糙米重組米米飯的相關(guān)系數(shù)γ值均差異顯著(P<0.05),糙米重組米米飯的晶體熔融焓值與硬度值兩者之間具有顯著相關(guān)性。
糙米和大部分糙米重組米的Avrami參數(shù)n值均小于1,以一次成核的方式結(jié)晶;糙米重組米晶體的結(jié)晶速率k隨著糊化度的升高而降低;糙米重組米的直鏈淀粉含量對(duì)Avrami參數(shù)n有極顯著影響,對(duì)支鏈淀粉的最大回生度沒(méi)有顯著的影響;參數(shù)n和結(jié)晶速率k之間成極顯著負(fù)相關(guān),重組米淀粉的晶核形成得越慢,越分散(n越大),晶體結(jié)晶速率k越?。蛔畲蠡厣扰c晶體結(jié)晶速率k成顯著負(fù)相關(guān),表明結(jié)晶速率越慢,最大回生度越高;硬度可以有效地反映出糙米重組米的回生程度。
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Retrogradation Properties of Restructured Brown Rice
SHEN Wangyang1,2, YAN Mengting1, SUN Wei1, CHEN Xuan1, GAO Hong3, ZHAO Yongwu4, ZHOU Jian1,2
(1. College of Food Science and Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China;2. Hubei Collaborative Innovation Center for Processing of Agricultural Products, Wuhan 430023, China;3. Institute of Processing of Agricultural Produce and Nuclear Agricultural Research, Hubei Academy of Agricultural Science,Wuhan 430064, China; 4. COFCO Food Science Technology (Wuhan) Co. Ltd., Wuhan 430415, China)
The Avrami equation (describing the transformation kinetics in crystallization and solid state phase transition)and the hardness of restructured brown rice were investigated by DSC and texture analyzer in the present study. Its retrogradation properties were also explored. The results showed that the exponent n in the Avrami equation was less than 1. The crystallization was based on one-step nucleation. The amylose content significantly affected the Avrami parameter n,while there was no significant difference between maximum retrogradation degree of amylopectin and amylose content. At the same time, significantly negative correlation was observed between the parameter n and the crystal growth rate k. The maximum degree of retrogradation and the crystal growth rate k were significantly negatively correlated with each other. The hardness of cooked restructured brown rice showed its retrogradation degree.
restructuring brown rice; amylose; Avrami equation; hardness
10.7506/spkx1002-6630-201609012
TS245
A
1002-6630(2016)09-0061-05
沈汪洋, 晏夢(mèng)婷, 孫威, 等. 糙米重組米的回生特性[J]. 食品科學(xué), 2016, 37(9): 61-65. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201609012. http://www.spkx.net.cn
SHEN Wangyang, YAN Mengting, SUN Wei, et al. Retrogradation properties of restructured brown rice[J]. Food Science,2016, 37(9): 61-65. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201609012. http://www.spkx.net.cn
2015-07-26
“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD37B03);公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201303080)
沈汪洋(1978—),男,副教授,博士,研究方向?yàn)槭称焚Y源開(kāi)發(fā)及利用。E-mail:whwangyangshen@126.com