王玉琦，張如春，張 欣，于長華，韓富江，張宏偉,*，于殿宇,*

（1.東北農(nóng)業(yè)大學食品學院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.黑龍江省寒香玉米業(yè)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150030）

鋅是人體生長發(fā)育所必需的微量元素，是對于各種生理過程極為重要的礦物質(zhì)，包括酶作用、細胞膜穩(wěn)定化、基因表達調(diào)控和細胞信號傳導等[1-2]。人體內(nèi)缺鋅會影響許多酶的合成，使生命活動不能正常進行，進而導致人體發(fā)生多種慢性疾病[3]。目前，改善人體缺鋅狀況的方式有很多，如食物合理搭配、食品強化和服用鋅制劑等[4]。我國是大米最大生產(chǎn)國和消費國，日人均能量攝入的40%是由大米提供的。加工精度高的糧食口感較好，但是在之后的貯藏、食用前的淘洗和蒸煮成米飯的過程中，營養(yǎng)成分損失較為嚴重[5]。且大米加工精度等級越高，存在于大米外層的營養(yǎng)物質(zhì)如維生素、蛋白質(zhì)、脂肪、礦物元素等流失越嚴重，特別是B族維生素和礦物質(zhì)，從而影響人們的身體健康[6]。為提高大米的營養(yǎng)價值，從營養(yǎng)功能稻米、免淘洗米、蒸谷米、強化大米等產(chǎn)品中攝取各種營養(yǎng)素是非常經(jīng)濟有效的途徑[7]。其中，強化大米以食用范圍廣、營養(yǎng)素齊全、價格低廉及使用方法簡便等優(yōu)點引起人們的極大重視，在不改變?nèi)藗兪秤么竺琢晳T的基礎(chǔ)上，通過日常飲食攝入所需營養(yǎng)，以達到促進人體健康的目的[8]。

目前，國內(nèi)對大米進行強化的方法主要是粉體強化法、浸吸法及表面涂膜法等，但這些方法均存在營養(yǎng)素保留性及食味品質(zhì)較差等缺點[9]。傳統(tǒng)意義上的擠壓法是將營養(yǎng)物質(zhì)與米粉均勻混合后利用蒸汽和水的作用進行調(diào)制，然后將其送入擠壓機進行重新制粒，最后干燥得到所需營養(yǎng)物質(zhì)的強化大米。而改良擠壓法是在傳統(tǒng)擠壓法的基礎(chǔ)上，增加擠壓機螺桿長度，由于機筒內(nèi)溫度較低，螺桿轉(zhuǎn)速較慢，在低溫和高壓的作用下使得人造米的膨脹率較低，從而使其質(zhì)構(gòu)特性與精白米相近，所以營養(yǎng)物質(zhì)的分布均一性、穩(wěn)定性較好，對于淘洗過程，損失也較小[10]。本實驗原料為碎米，是精白米加工的副產(chǎn)物，含有多種營養(yǎng)物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、B族維生素和礦質(zhì)元素[11]。利用擠壓碎米制備強化大米，在提高大米營養(yǎng)品質(zhì)的同時，也拓寬了碾米加工副產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。目前，乳酸鋅是食品營養(yǎng)強化的最佳補鋅劑，在食物中添加乳酸鋅，具有含鋅量高、口感好、易吸收及應(yīng)用范圍廣等特點，因而是乳制品及飲料等營養(yǎng)食品中常用的添加劑，也是醫(yī)療制劑最普遍的原料[12]。

本研究以粳米碎米為原料，將其粉碎一定粒度，添加一定量的乳酸鋅，通過研究擠壓工藝中含水量、機筒溫度及螺桿轉(zhuǎn)速對其質(zhì)構(gòu)特性的影響，制備富鋅強化大米。通過X-射線衍射分析法、掃描電鏡法對鋅強化大米的淀粉顆粒晶體結(jié)構(gòu)和外表特征進行表征，并對淀粉的糊化特性及α-淀粉酶敏感度進行分析，以期制得質(zhì)構(gòu)特性與粳米相近，并按一定比例添加到粳米中，滿足人體日常對鋅的需求。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

五常稻花香粳米 黑龍江省寒香玉米業(yè)有限公司；乳酸鋅、鹽酸、氫氧化鈉、無水碳酸鈉、冰醋酸、α-淀粉酶（酶活力40 U/mg） 國藥集團化學試劑有限公司；A0512直鏈淀粉、10120支鏈淀粉標準品 美國Sigma公司；葡萄糖標準品 上?？郎锟萍加邢薰尽?/p>

1.2 儀器與設(shè)備

DP-70雙螺桿擠壓機 濟南大鵬機械設(shè)備有限公司（螺桿直徑70 mm，螺桿轉(zhuǎn)速0～300 r/min，功率30 kW）；TPA質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro System公司；S-3400N型掃描電鏡 日本Hitachi公司；密封型手提式高速粉碎機 廣州市旭朗機械設(shè)備有限公司；101-2A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海五久自動化設(shè)備有限公司；RVA快速黏度分析儀 瑞聯(lián)科技有限公司；XRD-6000 X-射線衍射儀 日本島津公司。

1.3 方法

1.3.1 鋅強化大米制備工藝

將粳米碎米粉碎過100 目篩后，測定其含水量。稱取一定量的乳酸鋅溶解于水中，加入到粳米粉中，然后將其攪拌混勻。將原料送入擠壓機中，改變實驗所需的擠壓機參數(shù)，擠壓機正常運行后，收集樣品。然后將樣品強化米在35 ℃、相對濕度70%條件下老化3 h左右。老化后的強化米送入熱風干燥箱中，45 ℃干燥40 min，冷卻包裝。

1.3.2 響應(yīng)面試驗

根據(jù)前期單因素試驗結(jié)果，選取乳酸鋅添加量2%，以含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、機筒溫度3 個因素為自變量，以強化大米的質(zhì)構(gòu)特性為響應(yīng)值設(shè)計3因素3水平試驗，因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗因素與水平Table 1 Coded levels and corresponding actual levels of independent variables used for response surface analysis

1.3.3 質(zhì)構(gòu)特性的測定

選取50 g鋅強化大米，加入50 mL蒸餾水，電飯煲蒸煮15 min后保溫10 min。以市售粳米質(zhì)構(gòu)作為對照，使用TPA質(zhì)構(gòu)分析儀，TA36探頭，測前速率：2 mm/s；力：20 g，測后速率：1.00 mm/s；測試速率：1.00 mm/s；停留時間：2.00 s；壓縮程度：70%。從樣品中隨機選取3 粒大小基本一致的完整營養(yǎng)強化米，以中心對稱的形式擺放在載物臺中心，保持表面平整，平行測定10 次，剔除差異很大的曲線，取平均值。測試指標為硬度、彈性、黏著性及咀嚼性。

1.3.4 指標成分的測定

對大米的主要成分淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、直鏈/支鏈淀粉、還原糖以及鋅含量進行測定分析，各成分重復測定3 次。

淀粉的測定：GB/T 5514—2008《糧油檢驗 糧食、油料中淀粉含量測定》；蛋白質(zhì)的測定：GB 5009.5—2010《食品中蛋白質(zhì)的測定》半微量凱氏定氮法；脂肪的測定：GB/T 14772—2008《食品中粗脂肪的測定》索氏抽提法；直鏈/支鏈淀粉的測定：碘顯色法；可溶性還原糖的測定：3,5-二硝基水楊酸法；鋅的測定：GB/T 14609—2008《糧油檢驗 谷物及其制品中銅、鐵、錳、鋅、鈣、鎂的測定 火焰原子吸收光譜法》。

1.3.5 大米晶體結(jié)構(gòu)的測定

通過X-射線衍射儀獲得大米的衍射圖譜，掃描衍射區(qū)域角度變化范圍為4°～30°，目標電壓為40 kV，電流為30 mA，掃描速率為8°/min。通過衍射圖譜觀察結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)的變化。

1.3.6 掃描電鏡觀察

通過掃描電鏡對大米淀粉顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化進行檢測。分別稱取5 mg粉碎后的大米于1 mL 50%乙醇溶液中，超聲勻化成淀粉懸濁液。分別取少量樣品直接鋪在載玻片的表面，在紅外燈下烘干液體后鍍金90 s。處理后的樣品裝入S-3400N掃描電鏡觀察室，在加速電壓5.00 kV、放大倍數(shù)550條件下進行檢測觀察。

1.3.7 大米糊化特性的測定

參考GB/T 24852—2010《大米及米粉糊化特性測定快速粘度儀法》，量?。?5.0±0.1）mL水，移入干燥潔凈的樣品筒中，準確稱取（3.00±0.01）g大米移入盛水的樣品筒中，用攪拌器上下快速攪動10 次，使試樣分散。用RVA快速黏度分析儀測定，每個大米樣品重復測定3 次。

1.3.8 大米對酶的敏感性測定

分別稱取9 份10 g強化米和粳米淀粉分散在磷酸緩沖液（pH 6.0）中，加入酶活力為40 U/mg的α-淀粉酶1.2 g，淀粉分散液于37 ℃、120 r/min水浴搖床中分別培養(yǎng)2、6、12、18、24、30、36、42 h及48 h。然后向培養(yǎng)液中加入pH 3.0的0.l mol/L HCl溶液，攪拌15 min使酶失活。再用0.l mol/L NaOH溶液進行中和，2 000 r/min離心20 min。每隔一定時間后，用3,5-二硝基水楊酸比色法測定上清液中還原糖質(zhì)量分數(shù)。每個試樣至少重復3 次。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

每組均進行3 次平行和重復實驗，數(shù)據(jù)處理采用SPSS 22、Design-Expert 8.0分析軟件和Origin 8.5繪圖軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面試驗結(jié)果

2.1.1 回歸方程的建立與分析

硬度、黏著性、彈性和咀嚼性等質(zhì)構(gòu)特性是影響產(chǎn)品質(zhì)量和可接受性的重要因素[13-14]，將鋅強化大米的質(zhì)構(gòu)特性作為考察指標進行優(yōu)化，試驗設(shè)計方案及結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計方案及結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

用Design-Expert 8.0軟件對表2數(shù)據(jù)進行多元回歸分析，得到鋅強化大米的硬度（Y1）、彈性（Y2）、黏著性（Y3）和咀嚼性（Y4）相對于機筒溫度（A）、螺桿轉(zhuǎn)速（B）及含水量（C）的二次多項回歸模型方程：Y1=1 354.40＋26.25A＋76.87B－26.63C－46.00AB－64.50AC－16.25BC－122.07A2－163.32B2－254.83C2；Y2=0.67＋0.076A＋0.039B＋0.077C＋0.037AB－0.001AC＋0.030BC－0.039A2－0.029B2－0.006 751 4C2；Y3=0.75－0.022A－0.077B＋0.060C＋0.037AB－0.017AC－0.013BC－0.026A2－0.021B2－0.11C2；Y4=964.60－1.00A＋26.50B＋26.50C－43.75AB＋23.75AC－9.25BC－51.18A2－82.67B2－79.68C2。

由表3可知，4 個模型的P值均小于0.000 1，表明該回歸模型極顯著，失擬項不顯著（P＞0.05），且4 個模型硬度、彈性、黏著性、咀嚼性的決定系數(shù)分別為0.995 3、0.983 0、0.990 0及0.980 8，表明選取的模型與實際情況擬合程度好，具有較好的代表性，可以用來對試驗結(jié)果進行分析和預測。

表3 方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variance of response surface quadratic models

2.1.2 交互作用分析

圖1 兩因素交互作用對鋅強化大米質(zhì)構(gòu)的影響Fig. 1 Response surface plots showing the interactive effect of various variables on the texture of zinc-fortified rice

從圖1可以看出，隨著螺桿轉(zhuǎn)速、機筒溫度以及含水量的增加，咀嚼性及硬度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。分析其原因，可能是由于當含水量小于20%時，強化米糊化度較低，膨脹度較低，強化米顆粒較小。當含水量為20%時，強化米淀粉顆粒吸水較多，擠壓作用打亂了淀粉顆粒內(nèi)部有序的淀粉鏈排列，使其晶體結(jié)構(gòu)被破壞，造成強化米糊化度增高，導致強化米顆粒變大。淀粉的糊化度越高，越易被酶水解，有利于消化吸收。當含水量高于20%時，強化米的潤滑度提高，機腔內(nèi)擠壓和剪切作用力相應(yīng)減小，晶體結(jié)構(gòu)破壞程度少，使強化米淀粉糊化度降低[15]。強化米顆粒越小，達到一定形變所需的力越小，測定的硬度越小，而硬度與咀嚼性呈正相關(guān)，硬度的提高使咀嚼性也提高。當螺桿轉(zhuǎn)速較低時，物料所受的剪切力作用較小，物料糊化度較低，當螺桿轉(zhuǎn)速較高時，物料在擠壓腔中停留的時間過短，物料糊化度降低。螺桿轉(zhuǎn)速對彈性的影響不大，彈性隨著含水量以及機筒溫度的升高均呈現(xiàn)增大的趨勢。機筒溫度對黏著性影響不大，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，黏著性呈現(xiàn)增大的趨勢，隨著含水量的增加也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

由此可以得出，相對于粳米，強化米經(jīng)過擠壓、老化后，淀粉分子重新排列組合形成新的結(jié)構(gòu)，使強化米內(nèi)部作用力加強，使硬度和咀嚼性增大。由于擠壓作用使強化米的晶體結(jié)構(gòu)被破壞，而支鏈淀粉是形成大米淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)，結(jié)晶度的減少說明在擠壓作用下部分支鏈淀粉發(fā)生降解，原本完整的淀粉顆粒破裂，無定形區(qū)有序性喪失，因此支鏈淀粉含量降低，黏著性降低。而強化劑對強化米的結(jié)構(gòu)起到一定的松散作用，使強化米米飯的彈性和咀嚼性小幅下降。

2.1.3 富鋅強化大米工藝優(yōu)化及應(yīng)用結(jié)果

應(yīng)用響應(yīng)面試驗方法對回歸方程模型進行分析，考慮到實際操作的便利性，經(jīng)過修正后的最佳工藝條件為含水量20%、螺桿轉(zhuǎn)速80 r/min、機筒溫度100 ℃，制備的富鋅強化大米硬度為1 339.05 g，黏著性為0.75 mJ，彈性為0.79 mm，咀嚼性為967.42 mJ，與粳米的質(zhì)構(gòu)特性[16]接近，制得的強化大米中鋅含量為450.0 mg/kg。將強化米與粳米按照1∶10的比例進行復配，蒸煮成米飯，其外觀、口感良好，米飯中鋅含量為48.0 mg/kg。

2.2 擠壓對大米成分的影響

表4 主要基本成分質(zhì)量分數(shù)Table 4 Proximate composition of glutinous rice and zinc-forti fied rice%

從表4可以看出，淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪及可溶性還原糖含量全部降低。經(jīng)過擠壓后，大米中直鏈淀粉的質(zhì)量分數(shù)從18.64%升高到22.21%，支鏈淀粉從69.68%降低到52.84%。由此可知淀粉總量的減少主要是由于部分支鏈淀粉發(fā)生變化，一部分支鏈淀粉轉(zhuǎn)化成直鏈淀粉，另一部分支鏈淀粉被降解成麥芽糊精等小分子物質(zhì)。闡述其原因可能是由于擠壓作用使分子內(nèi)疏水性的氨基酸殘基暴露在外，和一些還原糖或其他羰基化合物發(fā)生美拉德反應(yīng)，使氨基酸損失，從而造成蛋白質(zhì)、還原糖含量的減少。脂肪的減少可能是由于在擠壓作用下生成了脂肪復合物，致使游離脂肪含量減少[17-18]。擠壓作用使淀粉平均分子質(zhì)量減小，淀粉中的糖苷鍵斷裂，淀粉裂解成麥芽糊精等小分子物質(zhì)，因此擠壓后的支鏈淀粉含量顯著減少[19]，淀粉總量降低。蛋白質(zhì)、脂肪含量的減少及支鏈淀粉的裂解均有利于酶解作用。

2.3 擠壓對大米晶體結(jié)構(gòu)的影響

圖2 大米的X-射線衍射圖譜Fig. 2 X-ray diffraction patterns of starch from glutinous rice and zinc-fortified rice

如圖2所示，粳米淀粉分別在15°、17°、18°、23°附近有較強的衍射峰，表明粳米淀粉是典型的A型晶體結(jié)構(gòu)[20-21]，強化米淀粉在12°、16°、20°、23°、25°出現(xiàn)了鋅的特征峰，證明強化米中乳酸鋅的存在，而粳米淀粉顆粒典型的A型晶體結(jié)構(gòu)的特征峰消失，呈現(xiàn)無定形結(jié)構(gòu)衍射曲線，晶體的有序化程度逐漸降低，無定形化程度逐漸增強，說明擠壓作用打亂了淀粉顆粒內(nèi)部有序的淀粉鏈排列，結(jié)晶區(qū)被嚴重破壞，擠壓處理對大米淀粉具有非晶化的作用[22]。大米中支鏈淀粉是形成淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的主要物質(zhì)，結(jié)晶度的減少意味著在擠壓作用下部分支鏈淀粉發(fā)生降解，原本完整的淀粉顆粒破裂，無定形區(qū)有序性喪失，因此支鏈淀粉含量降低。淀粉晶體的溶解、顆粒的膨脹以及直鏈淀粉的析出等所需能量都由淀粉的糊化所提供，所以結(jié)晶度的減少可能導致糊化焓降低，因此有利于酶解作用[23-24]。

2.4 擠壓對大米形態(tài)的影響

圖3 掃描電鏡圖Fig. 3 Scanning electron micrographs of starch granules in glutinous rice and zinc-fortified rice

從圖3可以看出，粳米中淀粉顆粒具有比較規(guī)則的外表，顆粒較大且外形完整，分布較松散，而強化米中淀粉顆粒的外表呈不規(guī)則的小型類似鱗片形狀，完整淀粉顆粒較少，并且較粳米淀粉顆粒分布緊密[25]。淀粉顆粒不完整可能是由于在高溫剪切的擠壓作用下，打亂了淀粉顆粒內(nèi)部有序的淀粉鏈排列，使其晶體結(jié)構(gòu)被破壞，造成強化米糊化度增加，大分子的支鏈淀粉降解成為直鏈淀粉和麥芽糊精等小分子物質(zhì)[19]，這種降解有利于酶的水解作用。直鏈淀粉具有良好的成型性、成模型及凝膠性，直鏈淀粉含量增多，樣品的質(zhì)構(gòu)緊密均一[26]。由此也可以驗證質(zhì)構(gòu)檢測結(jié)果，淀粉易被酶水解，其糊化度越高，越有利于消化吸收。

2.5 擠壓對大米糊化特性的影響

如圖4所示，強化米糊化曲線變化較為平緩，證明擠壓處理對大米糊化特性產(chǎn)生明顯影響。

圖4 大米糊化特征曲線Fig. 4 Starch gelatinization curves

從圖4可以看出，強化米中淀粉的各項糊化參數(shù)值均顯著低于粳米，糊化溫度從77.9 ℃降到56.2 ℃，淀粉糊化特性改變的主要原因可能是無定形區(qū)域和結(jié)晶區(qū)中分子鏈與鏈之間的束縛力發(fā)生變化[27]，結(jié)晶度的減少將導致與糊化過程相聯(lián)系的糊化焓的降低，從而使糊化溫度降低。由于大多數(shù)酶的水解溫度一般在50～70 ℃左右，較低的黏度可以使酶與淀粉接觸更為充分，因此黏度和糊化溫度的降低均有利于酶解作用。

2.6 擠壓大米對酶敏感性的影響

圖5 大米淀粉的酶解反應(yīng)Fig. 5 Change in reducing sugar content during enzymatic hydrolysis of starch in glutinous rice and zinc-fortified rice

如圖5所示，在酶解24 h之前隨酶解時間的延長，強化米和粳米淀粉還原糖質(zhì)量分數(shù)均逐漸增加，在酶解24 h時達到最大量。在24 h以后，還原糖質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢。分析其原因可能是由于隨著酶解時間的延長，生成的一部分葡萄糖發(fā)生復合反應(yīng)的緣故[28]。二者還原糖增加量基本達到23%以上，24 h和48 h后強化米生成的還原糖比粳米分別多20%和22.1%，說明強化米在高溫剪切擠壓作用下，其晶體結(jié)構(gòu)被破壞，造成強化米糊化度增加，隨著酶解時間的延長，淀粉生成的一部分葡萄糖發(fā)生復合反應(yīng)的程度比粳米的小。由此可知，淀粉顆粒結(jié)晶區(qū)域面積的減少，淀粉顆粒不規(guī)則外表以及黏度的降低均有利于酶的水解作用。

3 結(jié) 論

以粳米加工過程中產(chǎn)生的碎米為主要原料，將碎米粉碎成粉末，向碎米粉中添加2.0%乳酸鋅，利用擠壓法制備富鋅強化大米，采用響應(yīng)面法考察含水量、螺桿轉(zhuǎn)速及機筒溫度對富鋅強化大米質(zhì)構(gòu)特性的影響，在最優(yōu)工藝參數(shù)條件下，制得強化米的質(zhì)構(gòu)特性和粳米相接近，鋅含量為450.0 mg/kg。通過X-射線衍射分析法、掃描電鏡表征發(fā)現(xiàn)，擠壓后強化米中部分支鏈淀粉發(fā)生降解和轉(zhuǎn)化，結(jié)晶度明顯減少，淀粉顆粒幾乎不完整，呈現(xiàn)出不規(guī)則的小型類似鱗片形狀。通過對強化米的糊化特性及α-淀粉酶敏感性研究表明，大米的糊化溫度和黏度降低，對α-淀粉酶的敏感性有顯著提高，還原糖含量增加，促進強化大米淀粉顆粒的酶解作用。將其按1∶10的比例添加到粳米中，米飯口感、外觀良好，鋅含量為48.0 mg/kg，在使碎米得到充分利用的同時，滿足人體對鋅的需求。