肖 悅，劉 敏，劉金光，孫 輝，張志平，周中凱,*

（1.天津科技大學食品工程與生物技術學院，天津 300457；2.國家糧食和物資儲備局科學研究院，北京 100037；3.廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學院食品工程系，廣東 佛山 528216）

稻谷在世界范圍內被廣泛種植，有超過60%的人口以稻谷作為主糧[1]，稻谷也是我國第一大糧食作物，是口糧中最主要的消費品種；我國稻谷每年生產(chǎn)量很大，在谷物中占30%以上。稻谷在高溫高濕的環(huán)境中儲藏時，其籽粒容易局部或整體變?yōu)辄S色、淺黃色或灰橙色，將該現(xiàn)象稱為稻谷采后黃變。稻谷黃變是一個世界范圍的問題，它會導致稻米的品質和營養(yǎng)功能下降，從而降低稻米的經(jīng)濟價值[2]。影響稻谷黃變的因素很多，其中，水分和溫度是主要因素，而氧氣和二氧化碳濃度對黃變幾乎沒有影響[3]，當水稻處于高溫高濕環(huán)境時容易發(fā)生黃變[4]，真菌一般不直接引起黃變；然而，在潮濕條件下的真菌（和其他微生物）呼吸作用可以導致溫度升高，從而間接導致大米黃變[3]；稻谷黃變之后，與正常米相比，黃變米的水分和蛋白質含量變化不明顯，表觀直鏈淀粉含量提高，在糊化過程中峰值黏度及峰值凝膠化溫度上升[5]；宋永令等[6]建立了黃變速率預測的數(shù)學模型，并針對不同地區(qū)和季節(jié)提出了相應的稻谷黃變預防措施。目前，國外學者已經(jīng)研究了低黃變率大米育種的誘導以及胚乳黃變的突變基因，但從食品凝膠角度解釋黃變米特性的研究較少。流變學是力學的一個分支，了解流體的流動類型可以進一步明確食品的組分、內部結構和分子形態(tài)等方面性能[7]，本實驗選用兩個品種的正常米以及黃變米，通過熱力學性質和流變特性的分析，研究黃變米與正常米之間的結構差異，進一步揭示稻谷黃變的機制。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

本實驗選用2 個品種的稻谷（太湖糯米、嘉花粳米），每個品種包括黃變米和正常米，均由江蘇省無錫市國家糧食儲備庫提供。

直鏈淀粉、支鏈淀粉 上海阿拉丁試劑有限公司；氯化鈉、石油醚 天津江天化工有限公司；碘化鉀、碘天津泰進有限公司。

1.2 儀器與設備

高速多功能磨粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司；DSC 3差示掃描量熱儀 瑞士梅特勒托利多公司；快速黏度分析儀 澳大利亞Newport Scientific公司；哈克紅外流變聯(lián)用儀 賽默飛世爾科技（中國）有限公司；CS-580A分光測色儀 上海坤輿實業(yè)有限公司；紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

正常米以及黃變米處理：用高速多功能磨粉碎機打磨成粉，每個樣品打磨30 s，每10 s暫停一次，每次暫停后待粉碎機外壁降到室溫再進行打磨，以防溫度過高導致大米中的淀粉糊化；打磨之后的大米粉不過篩，放入密封袋中標號儲藏，保存并備用。

1.3.2 基本化學成分測定

水分質量分數(shù)測定：參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》中常壓恒溫烘干法。蛋白質量分數(shù)測定：參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》中分光光度法。脂肪質量分數(shù)測定：參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》中索氏抽提法。直鏈淀粉質量分數(shù)測定：參照NY/T 2639—2014《稻米直鏈淀粉的測定 分光光度法》。支鏈淀粉質量分數(shù)測定：參照DB32/T 2265—2012《鮮食玉米中直鏈淀粉和支鏈淀粉含量的測定 雙波長分光光度法》。

1.3.3 差示掃描量熱分析

參考張秀[8]的方法并略作調整，準確稱取4 mg樣品，置于差示掃描量熱儀鋁質坩堝中，使用移液槍加10 μL蒸餾水并混合均勻，加蓋后使用壓片機壓片，之后密封保存，放置于室溫下進行平衡（8 h）。將平衡好的樣品置于差示掃描量熱儀內置盤中，以空坩堝為空白對照，由25 ℃加熱至120 ℃，加熱速率為10 ℃/min。測試結束后，通過差示掃描量熱儀自帶處理軟件對曲線進行分析處理，得到焓變值ΔH、起始溫度To、峰值溫度Tp和終止溫度Tc。

1.3.4 快速黏度分析

采用鄭排云[9]的方法進行操作，準確稱取3 g樣品置于鋁質瓶中，加入25 mL蒸餾水，使其混合均勻，添加攪拌器后置于快速黏度分析儀中進行測定，測定結束后得到峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度、回生值、峰值時間和糊化溫度共7 個指標。

1.3.5 流變特性的測定

利用快速黏度分析儀制樣，所得的樣品待降到室溫后立即進行動態(tài)與靜態(tài)流變特性的測定。

1.3.5.1 動態(tài)黏彈性測定

取少量大米淀粉糊放置于測試平臺上，選擇直徑為35 mm的平板磨具，掃描程序選擇掃描幅度，刮去多余樣品，涂上硅油以防止樣品中的水分流失，加蓋。設定紅外流變聯(lián)用儀溫度為25 ℃，角頻率為10 rad/s，進行振幅掃描，確定樣品的線性黏彈區(qū)[10]；在線性黏彈區(qū)內設定掃描應變?yōu)?.5%，間隙為0.1 mm，設置測量溫度25 ℃，測定頻率范圍1～1 000 rad/s，測量樣品儲能模量（G’）、損耗模量（G”）隨振蕩頻率增加的變化情況。

1.3.5.2 靜態(tài)流變特性測定（觸變性）

按照1.3.5.1節(jié)的步驟加樣品。設置紅外流變聯(lián)用儀測定溫度25 ℃，測定剪切速率分別在3 min從0～300 s-1遞增，再從300～0 s-1遞減，過程中樣品剪切應力隨著剪切速率的變化而變化的情況，設置程序為連續(xù)，中間不間斷[11]。

1.3.5.3 剪切稀化分析

按照1.3.5.1節(jié)的步驟加樣品，設置紅外流變聯(lián)用儀溫度恒定25 ℃不變，測定表觀黏度隨剪切速率從0～120 s-1過程中的變化。采用Herschel-Bulkley模型[12]對流變模型進行擬合分析：上行線和下行線圍成的滯后回路進行模型擬合分析，相關系數(shù)R2表示方程的擬合精度，方程如下式所示。

式中：τ為剪切應力/Pa；τ0為屈服應力/Pa；K為稠度系數(shù)/（Pa·sn）；γ為剪切速率/s-1；n為流動特征指數(shù)，表示液體偏離牛頓流體的程度。

1.3.6 傅里葉變換紅外光譜分析

準確稱取1 mg樣品于瑪瑙研缽中，加入120～150 mg固體溴化鉀，在短時間內研磨至樣品緊貼研缽內側壁，隨后立刻壓片（30 s），放入儀器中進行掃描分析[13]，掃描范圍是4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為16。測試得到不同樣品的紅外光譜，采用Nicolet Omnic紅外光譜軟件進行分析。對波數(shù)在1 200～800 cm-1區(qū)域的譜圖進行傅里葉去卷積處理，得到不同樣品之間羰基官能團的變化以及波數(shù)在1 047、1 022、995 cm-1峰的強度。

1.3.7 色差分析

目前最常用表示顏色的方法是L*a*b*色空間法，L*值代表明暗程度，在0～100之間，值越小表示樣品越暗，a*值為-80～100之間，a*值為正表示顏色偏紅，為負表示顏色偏綠，b*值在-80～70之間變化，b*值為正代表顏色略偏黃，為負代表顏色略偏藍[14]。

色差儀不僅可以用來測試可流動粉狀樣品的白度，更能對面制成品的表面白度、亮度以及內部結構的白度、光澤性等給予客觀的量化評價，通過綜合分析L*、a*、b*值，能全面反映出面條、饅頭、面包、面片等食品表面色度或內部組織所存在的偏差，從而更精確地比較不同樣品之間的色差[15]?？偵瞀的計算采用孫向東等[16]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

實驗數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0軟件進行計算，以平均值±標準差表示。采用Origin 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 樣品的色差分析結果

由表1可以看出，所有樣品偏黃色、綠色，黃變米相對于正常米來講，4 項指標均降低，黃變米的亮度顯然比正常米低，即黃變米色度比較暗，且總色差值相對正常米較低，從感官上分析，正常米白中透黃，綠度適中，比黃變米顏色好。

表1 4 個樣品的色差分析Table 1 Color differences of four rice samples

2.2 基本化學成分分析結果

表2 4 個樣品的基本化學成分Table 2 Chemical composition of four rice samples

由表2可知，與正常米相比，黃變米的水分質量分數(shù)較高，蛋白質與脂肪質量分數(shù)較低，直鏈淀粉質量分數(shù)較高，支鏈淀粉質量分數(shù)較低，粳米黃變米與正常粳米的水分質量分數(shù)相當；黃變是在稻谷儲藏過程中產(chǎn)生的，在此過程中，脫支酶的活性不會衰減[17]，α-淀粉酶、β-淀粉酶也會一直作用于淀粉中，從而導致支鏈淀粉含量下降；當脫支酶作用于α-1,6-糖苷鍵時，使得支鏈淀粉脫支，從而導致直鏈淀粉含量上升。蛋白質與脂肪黃變后含量有降低趨勢，推測這些變化可能由于黃變導致蛋白質與脂肪內部的結構性質發(fā)生改變，在儲藏過程中，蛋白質中的二硫鍵與其他活性基團形成更大的蛋白分子，導致蛋白含量降低，而脂肪被氧化導致含量降低。

2.3 差示掃描量熱分析結果

表3 不同品種正常大米與黃變米的熱力學性質變化Table 3 Thermodynamic properties of normal rice and PHY

由表3可知，稻谷的黃變過程會導致正常米To、Tp和Tc升高，糯米ΔH降低，粳米黃變米與正常米間ΔH差異不明顯，黃變米的Tp相對于各自正常米Tp均出現(xiàn)偏移現(xiàn)象；Chung等[18]提出，糊化溫度和水溶性與直鏈淀粉含量呈顯著正相關，與支鏈淀粉短支鏈呈顯著負相關，由2.2節(jié)結果可知，與正常米相比，黃變米直鏈淀粉含量增加，支鏈淀粉含量下降。邱明發(fā)[19]、王毅[20]等研究了大米陳化過程中理化性質的變化，結果表明陳米的總淀粉含量降低，直鏈淀粉含量增加，支鏈淀粉含量下降，這與本研究結果相似，但并不能說明兩者為同一過程。

2.4 快速黏度分析結果

表4 不同品種正常米與黃變米的黏度變化Table 4 Viscosity of different varieties of normal rice and PHY

峰值黏度是指樣品充分吸水膨脹，內部淀粉粒相互摩擦而使樣品黏度增加到最高黏度，最終黏度是指環(huán)境溫度下降后，樣品外部被直鏈淀粉和支鏈淀粉所包圍，其自身水分運動變化而使樣品黏度再次上升所達到的黏度；峰值黏度、最終黏度較高說明顆粒分子間締合、交聯(lián)程度較高，排列緊密，抗剪切力較強[21-22]，崩解值是峰值黏度和谷值黏度之差，反映了淀粉顆粒結構在加熱過程中的穩(wěn)定性，表征淀粉的耐剪切性能，崩解值越大耐剪切性越差；由表4可知，黃變米的峰值黏度、谷值黏度、最終黏度以及崩解值相對于各自的正常米均降低，糯米黃變米回生值比正常米低，粳米黃變米回生值比正常米高，表明黃變米有較高的抵抗膨脹和破裂能力[23]。回生值是指最終黏度與谷值黏度之間的差值，它表示淀粉糊在冷卻過程中，在淀粉分子之間，特別是直鏈淀粉分子之間發(fā)生一些重聚合所引起的黏度增加值，該過程中發(fā)生了淀粉分子的回生或重排，也稱為淀粉的老化[24]。大米淀粉的回生值不僅取決于直鏈淀粉含量，還取決于長直鏈淀粉鏈含量和整個支鏈淀粉分子的大小，長直鏈淀粉鏈和大支鏈淀粉分子是峰值黏度和谷值黏度較低的原因[25]；對于未黃變的大米來說，糯米回生值比粳米回生值低很多，這說明糯米本身淀粉內部分子結構不易退化與聚集；黃變之后糯米的回生值比正常米低，粳米比正常米高，說明黃變過程改變了大米的抗剪切性與內部分子結構，使糯米不易聚集，粳米之間易聚集，同時，黃變也降低了大米的長直鏈淀粉鏈和大支鏈淀粉分子含量。

2.5 流變特性分析結果

2.5.1 動態(tài)黏彈性分析結果

圖1 正常大米和黃變米動態(tài)流變學變化趨勢Fig. 1 Dynamic rheological curves of normal rice and PHY

儲能模量和損耗模量都隨著角頻率的增加而增加，表現(xiàn)出弱凝膠動態(tài)流變學特性[21]，儲能模量用于表征大米淀粉糊在變形過程中由于彈性變形引起的能量儲存，它反映了淀粉糊在變形后恢復其原始形狀的能力[26-27]，對應著凝膠體的剛度和彈性，儲能模量的增加與特定淀粉類型的糊化程度成反比[28-29]；損耗模量用于表征大米淀粉糊由于黏性變形（不可逆）而形變時的能量損失，反映了淀粉糊抵抗流動的能力，對應凝膠體的黏度和流動。由圖1可見，糯米和粳米黃變米的儲能模量和損耗模量均比對應的正常米低，在相同的角頻率下，每個樣品的儲能模量都比損耗模量大，這說明兩個品種黃變米的凝膠強度變弱，恢復其原始形狀的能力增強，抵抗流動的能力增強，黏度降低，這與大米結構的改變密不可分；丁文平等[30]提出淀粉中過高的脂類含量會使淀粉凝膠強度降低，黃變過程中大米的脂肪含量降低，減少了與直鏈淀粉形成配合物的比例，從而在降低大米的柔韌性、強度和硬度的同時，抑制了由于儲藏期間米粒結構的變化而形成連續(xù)的網(wǎng)絡結構，從而減弱了淀粉形成的凝膠網(wǎng)絡。

2.5.2 靜態(tài)流變特性（觸變性）分析結果

表5 正常大米和黃變米的觸變性環(huán)狀面積Table 5 Thixotropic loop areas of normal rice and PHY

大米淀粉糊的剪切應力隨著剪切速率從0提升至300 s-1以及從300 s-1降低至0這兩個過程形成一個“滯后環(huán)”，剪切速率從0提升至300 s-1所經(jīng)歷的流變曲線叫上行線，從300 s-1降低至0所經(jīng)歷的流變曲線叫下行線，環(huán)的面積大小代表淀粉糊受破壞的程度。觸變性的不同表現(xiàn)為黏度恢復的快慢和程度，“滯后面積”越大，說明受到的破壞程度越大，同時較難恢復到原來的狀態(tài)[31-32]。由表5可知，黃變大幅削弱了大米的觸變性能，使黃變后的大米易被剪切，易恢復。這與2.4節(jié)黏度特性和2.5.1節(jié)動態(tài)流變特性的結果一致。

2.5.3 剪切稀化分析結果

圖2 正常大米和黃變米的靜態(tài)流變特性Fig. 2 Rheological properties of normal rice and PHY

表6 正常大米與黃變米淀粉糊流變曲線的Herschel-Bulkley模型擬合參數(shù)Table 6 Herschel-Bulkley parameters for rheological curves of normal rice and PHY starch pastes

從圖2A可以看出，所有樣品的流變曲線均經(jīng)過原點且不同程度地凸向剪切應力軸，由此可以判斷其均屬于非牛頓流體，隨著剪切速率的逐漸增加，淀粉凝膠的剪切應力逐漸增加，表明大米淀粉凝膠具有假塑性[10]，且均呈現(xiàn)剪切稀化，這是因為大米淀粉中的分子鏈相互纏繞，當受到剪切應力作用時，纏繞的分子鏈被拉長或切斷，分子或質點沿流動方向排列成線，流層間的剪切應力減小。當剪切速率增大到某一數(shù)值后，淀粉分子來不及取向或已經(jīng)充分取向，表觀黏度就達到常數(shù)[12]（圖2B、C）。從圖中還可以觀察到，黃變米隨著剪切速率的增加，其所需要的剪切應力相比正常米小，且粳米尤為明顯，這是由于黃變導致淀粉糊形成了較弱的網(wǎng)絡結構，隨著剪切速率的增加，其凝膠結構的韌性增加，淀粉分子呈有序化排列，故所需要的剪切應力相比于正常米呈降低趨勢。

由表6可知，流變曲線經(jīng)過Herschel-Bulkley模型的擬合之后，樣品的決定系數(shù)R2在0.996 5～0.998 4之間，表明擬合方程與曲線有較好的相關性。屈服應力τ0表示當流體發(fā)生流變時所需要的力，稠度系數(shù)K表示凝膠的黏稠程度，黃變導致大米的屈服應力和黏稠度降低，即黃變米淀粉糊的流動性比正常米強，這可能是由于大米在黃變過程中，其內部直鏈淀粉的不穩(wěn)定性使非結晶區(qū)以及結晶區(qū)重新排列，同時，直鏈淀粉的浸出受到抑制；或者是在儲藏過程中大米內部形成了一些淀粉-脂肪復合物，使得大米結構更加穩(wěn)定，不易收到外力的破壞，所以在受到持續(xù)剪切力時，表現(xiàn)出規(guī)律而穩(wěn)定的流動性。

2.6 傅里葉變換紅外光譜分析結果

圖3 不同大米樣品的傅里葉變換紅外光譜Fig. 3 Fourier transform infrared spectra of different rice samples

表7 不同大米樣品的傅里葉變換紅外光譜吸收峰強度Table 7 Fourier transform infrared spectral absorption peak intensity of different rice samples

傅里葉變換紅外光譜變化可分為吸收峰變窄和特定波段吸收峰強度的變化。吸收峰變窄是由于聚合物的有序化和構象數(shù)減少；特定波段吸收峰強度變化是特定構象變化所致，可以此對樣品進行定量分析。傅里葉變換紅外光譜中不同吸收峰的位置對應著特定的官能團，可定性分析樣品中的官能團或化學鍵[30]。圖3中黃變米與正常米之間的傅里葉變換紅外譜圖沒有明顯差異，在3 385 cm-1處的寬吸收峰歸因于—OH的伸縮振動，1 250 cm-1處的吸收峰對應—OH的彎曲振動[19]，1 640～1 820 cm-1處為羰基強烈的吸收峰，1 047 cm-1處的吸收峰是淀粉在結晶區(qū)的特征吸收峰，1 022 cm-1處的吸收峰是淀粉無定形區(qū)的結構特征吸收峰，因此峰強度比值常用來分析不同淀粉樣品的結構以及構象，該比值愈大說明淀粉有序排列程度愈高，微晶的長程有序性強[33-34]。I1022cm-1/I995cm-1表示雙螺旋的短程有序結構，表7中黃變米I1047cm-1/I1022cm-1比正常米高，I1022cm-1/I995cm-1差異不明顯，說明黃變使大米內部分子結構的微晶有序性提高，這與2.5.3節(jié)剪切稀化分析結果一致。大米在黃變之后，內部直鏈淀粉含量升高，由于直鏈淀粉的不穩(wěn)定性、游動性較強，所以導致無定形區(qū)以及結晶區(qū)重排，使大米內部的短程有序性升高。

3 結 論

大米黃變后顏色變暗，偏綠、黃色方向，總色差值比正常大米低；其內部的蛋白質、脂肪質量分數(shù)降低，直鏈淀粉質量分數(shù)升高，支鏈淀粉質量分數(shù)降低。差示掃描量熱分析結果顯示黃變米的起始溫度、峰值溫度以及終止溫度升高，即黃變之后的大米較難糊化；同時，黃變米黏度性質降低，崩解值降低，顆粒分子間締合、交聯(lián)程度較大，排列緊密，耐剪切性增加；黃變米的流變特性明顯不同，其儲能模量與損耗模量明顯降低，觸變面積明顯減小，表現(xiàn)出明顯的非牛頓流體的特征，且黃變米具有較強的恢復能力與抵抗外力破壞的能力。

通過傅里葉變換紅外光譜可觀察到，大米在黃變之后的官能團無明顯變化，但I1047cm-1/I1022cm-1升高，表明黃變之后大米內部的結晶區(qū)與無定形區(qū)的排列與比例相應改變，大米內部的有序性提高，結晶區(qū)增多。大米在儲藏過程中，由于外界環(huán)境的溫度、濕度過高，微生物的作用和大米內部的美拉德反應導致大米黃變，黃變后內部分子結構發(fā)生變化，直鏈淀粉含量上升是導致結構變化的主要原因之一，有部分分子在分子之間以及分子內部發(fā)生了結晶區(qū)的重排，使其凝膠的韌性增強；雖然黃變米外觀上與陳化米的形態(tài)相似，但內部結構與成分不一定發(fā)生劣變，且大米黃變與陳化不一定是相同過程，很有可能是協(xié)同過程。黃變米雖然不可食用，但在工業(yè)應用上并非毫無用處，在此方面的應用研究應加以重視。