孟寧，劉明，劉艷香，昝學梅，3，張培茵，譚斌*，翟小童

（1.國家糧食和物資儲備局科學研究院，北京100037；2.哈爾濱商業(yè)大學旅游烹飪學院，黑龍江哈爾濱150076；3.集美大學食品與生物工程學院，福建廈門361021）

糙米是由稻谷直接脫殼而成，包括麩皮層、胚及胚乳[1]。糙米營養(yǎng)價值豐富，除了蛋白質、碳水化合物等基本營養(yǎng)成分外，還含有谷胱甘肽和γ-氨基丁酸等保健功能因子，但由于糙米皮層含有較多的粗纖維和蠟質層，嚴重阻礙了蒸煮過程中水分吸收，導致糙米存在口感粗糙、蒸煮時間長、食用不方便等問題[2]。目前對糙米皮層最常見的處理方法是研磨法，但會導致大量的營養(yǎng)物質損失。除此之外，預糊化法[3]、萌芽法[4-5]、酶解法[6]、超聲波處理[7]、高溫流化技術[8]、乳酸菌發(fā)酵法[9]和超高壓處理[10-11]也是目前常用的處理方法，但仍存在處理時間長、成本高和品質下降嚴重等問題。因此，尋求一種既可以最大限度保持糙米營養(yǎng)物質又能有效的改善其食用品質的糙米處理方法具有重要的意義。

低溫等離子體技術作為一種非熱改性方法，憑借其能耗低、安全、操作簡便等特點在食品加工領域中引起廣泛關注。等離子體作為一種準中性的電離氣體，可通過體系中大量的帶電粒子、活性成分和紫外線的物理化學作用實現(xiàn)對樣品的加工處理[12]。Chen 等[13]通過對糙米進行不同電壓的等離子體處理試驗，發(fā)現(xiàn)隨著處理電壓的升高蒸煮時間會出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在1 kV 時糙米的蒸煮時間最短，僅為17.2 min。隨后Chen 等[14]又以長粒秈糙米為研究對象，發(fā)現(xiàn)蒸煮時間隨著電壓增大呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。Thirumdas 等[15]通過研究發(fā)現(xiàn)此技術可以有效縮短糙米的最佳蒸煮時間，改善糙米的食用品質。而目前國內關于低溫等離子體改善糙米食用品質的研究仍處于初級階段，區(qū)別于已有的研究，本試驗以長粒香粳稻糙米為研究對象，將糙米置于真空狀態(tài)下排除其他離化氣體的影響，重點分析不同電流強度的輝光放電等離子體對糙米食用品質的影響，包括糙米飯的感官品質和質構特性，并對不同電離強度處理下糙米的結晶度、微觀結構和結構變化進行分析，闡述低溫等離子體技術對糙米改性的機理，為低溫等離子體技術在糙米加工業(yè)中的應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

長粒香糙米：黑龍江五常市；收獲年份：2018 年；低溫密閉冷藏。

PL3002-IC 電子分析天平：梅特勒托利多公司；DGG-9000 型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海森信試驗儀器有限公司；TA.XT2i Plus 質構儀：英國StableMicro System 公司；RVA4500 快速粘度分析儀：Rigaku；D/max-r B 型X 射線衍射儀：日本理學公司；XDS 型近紅外分析儀：丹麥福斯儀器有限公司；S-300N 型電鏡：日本Hitachi 公司；FW-135 型中草藥粉碎機：天津泰斯特公司；QGWB-PM001 全谷物低溫等離子體專用振動布料器：河北航興機械科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 糙米的等離子體處理

首先將樣品放入真空度為3 Pa 的真空腔中除去樣品表面的水分和氣體，對照樣品同樣需要真空處理。本試驗通過調整不同電流水平（0、0.5、1.0、1.5、2.0 A）對樣品進行等離子體處理，以研究不同電流強度對糙米食用品質的影響。每次處理樣品為200 g，作用時間為2 min。整套裝置底部安裝有振動機，可以保證所有試驗樣品接受均勻而全面的處理。

1.2.2 浸泡吸水率

準確稱取糙米7 份，每份10.00 g，置于容器中加入30 mL 蒸餾水，于室溫（25 ℃）條件下浸泡，每隔1 h取樣，測定不同電流強度條件下浸泡后的糙米質量，按公式（1）計算浸泡吸水率。

式中：m0為浸泡前糙米質量，g；mi為浸泡后糙米質量，g。

1.2.3 糙米的蒸煮特性

蒸煮特性的測定參考王肇慈[16]的方法。

1.2.3.1 蒸煮時間

使用玻璃板-白芯法進行米飯蒸煮時間的測定。稱取5 g 樣品，加入到250 mL 沸水中進行蒸煮。蒸煮時，每隔2 min 隨機取出10 粒米，將其在玻璃板上進行擠壓。米粒擠壓時無不透明白芯出現(xiàn)的時間為蒸煮時間。

1.2.3.2 加熱吸水率

稱取5 g 樣品，加入50 mL 純凈水，置于鋁盒中并在電飯鍋中蒸制至最適蒸煮時間，濾出米粒并冷卻至室溫（約25 ℃）后稱量。米粒加熱吸水率（T）按公式（2）計算。

式中：Wi為樣品蒸煮后質量，g；W0為原料米質量，g。

1.2.3.3 體積膨脹率

按照1.2.3.2的方法進行樣品蒸煮、濾出米粒并冷卻至室溫（25 ℃），用體積置換法測定同一份樣品蒸煮前、后的體積。樣品蒸煮后的體積膨脹率（V）按公式（3）計算。

式中：Vi為樣品蒸煮后的體積，mL；V0為樣品蒸煮前的體積，mL。

1.2.3.4 固形物損失率

按照1.2.3.2 的方法進行樣品蒸煮后，將米湯傾入已知質量的鋁盒中，在105 ℃下干燥至質量恒定，米粒固形物損失率（S）按公式（4）計算。

式中：Si為米湯中固形物質量，g；W0為原料米質量，g。

1.2.4 感官評價

新鮮煮好的米飯放于白色陶瓷碗中，挑選10 名受過專業(yè)訓練的學生和老師作為評審員（5 男5 女），每個評審員每次評定5 個樣品，每天評審次數(shù)不超過2次。評價指標有氣味、外觀（色澤、米粒完整性）、適口性（軟硬度、黏性、彈性、滋味）及整體口感喜好程度。評價指標的選擇與描述參考Mestres 等[17]和Zhang 等[18]的方法，評分采用百分制。感官評價指標的描述情況如表1。

表1 糙米飯感官評價指標定義及評分標準Table 1 The sensory evaluation index definition and scoring standard of brown rice

1.2.5 質構測定

5 g 糙米蒸煮后使用質構儀測定米飯硬度、黏性等質構特性。測定條件：使用P/36R 探頭，測前速度為2.0 mm/s，測試速度為2.0 mm/s，測后速度為2.0 mm/s，觸發(fā)力為20 g，形變50%，兩次壓縮間隔時間為5 s，平行測定5 次，最終結果取5 次平行的平均值。

1.2.6 表面微觀結構測定

將低溫等離子體處理后的糙米固定在載物臺上，使用離子濺射儀噴金90 s，大約噴上10 nm 厚的金，在掃描電鏡下用15 kV 的加速電壓進行觀察。

1.2.7 X 射線衍射測定

采用粉碎機將處理后的糙米磨成粉，過100目篩備用。利用X 射線衍射儀對糙米粉進行測試得到相應的衍射圖譜，測定條件：電壓40 kV，電流40 mA，掃描2 θ 范圍為5°～30°，步長為0.02°，掃描速率為3°/min。

1.2.8 近紅外光譜測定

采用旋風磨粉機將處理后的糙米磨成粉，過40 目篩備用。使用近紅外光譜分析儀進行糙米粉的光譜采集，掃描范圍400 nm～2 650 nm，分辨率8 cm-1，掃描次數(shù)64 次，波長間隔2 nm，每個樣品重復裝樣及掃描2次，取平均值。

1.2.9 數(shù)據(jù)分析

采用軟件Excel 2007 進行數(shù)據(jù)分析，結果表示為“平均值±標準差”。利用SPSS 17.0 軟件Duncan 進行多重比較分析，繪圖采用Origin-8.0 繪制，所有試驗都重復3 次。

2 結果與分析

2.1 低溫等離子體電流強度對糙米浸泡吸水率的影響

低溫等離子體電流強度對糙米浸泡吸水率的影響見圖1。

圖1 低溫等離子體電流強度對糙米浸泡吸水率的影響Fig.1 Effect of low temperature plasma current intensity on soaking water absorption of brown rice

從圖1 可以觀察到，同一浸泡時間的糙米浸泡吸水率隨著低溫等離子體電流強度的增加不斷增加；1 h內浸泡吸水率均相差不大，此時低溫等離子體對其影響不大；浸泡時間在1 h～12 h 內糙米的浸泡吸水率呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，12 h 后糙米的浸泡吸水率趨于穩(wěn)定。

低溫等離子體處理后糙米的浸泡吸水率明顯高于對照組糙米，這表明低溫等離子體促進糙米浸泡吸水，這一趨勢是由于等離子體內部的電子、光子等物質破壞了糙米表面的碳碳鍵，導致糙米表面出現(xiàn)凹陷和裂縫，從而增加了吸水率[19]；而且電流強度越大，蝕刻效果越強，越有利于水分的進入；另外浸泡過程中糙米粒自身吸水膨脹，胚乳中的淀粉內外存在水分梯度差，導致裂縫出現(xiàn)，也有利于內部淀粉吸收水分[20]。

2.2 低溫等離子體電流強度對糙米蒸煮特性的影響

2.2.1 低溫等離子體電流強度對糙米蒸煮時間的影響

低溫等離子體電流強度對糙米蒸煮時間的影響見圖2。

圖2 低溫等離子體電流強度對糙米蒸煮時間的影響Fig.2 Effects of low-temperature plasma current intensity on the cooking times of brown rice

如圖2 所示，糙米蒸煮時間隨著等離子體產生電流的增加而不斷縮短。當電流為2.0 A 時，糙米最佳蒸煮時間達到最低（24.8 min），顯著低于未處理樣品（P＜0.05）。

上述結果與Chen 等[13]試驗結果相同。這是因為低溫等離子體產生的高能粒子刻蝕了糙米表面的纖維皮層，導致糙米表面產生凹陷和裂縫，使水分更容易滲透到糙米內部，而更強的表面刻蝕效果導致表面比其他樣品更親水，從而加快了淀粉的糊化，縮短了蒸煮時間。

2.2.2 糙米加熱吸水率、體積膨脹率和固形物損失率的分析

研究表明吸水率增加可能與谷物表面改性有關[21]。低溫等離子體電流強度對糙米加熱吸水率的影響見圖3。

圖3 低溫等離子體電流強度對糙米加熱吸水率的影響Fig.3 Effects of low-temperature plasma current intensity on the heating water absorption of brown rice

由圖3 可以看出，糙米的加熱吸水率隨著電流強度的增加逐漸增加；相比較于對照組，2.0 A 時糙米的加熱吸水率顯著增加了30%（P＜0.05），這可能是由于低溫等離子體處理使糙米淀粉和蛋白質結合鍵發(fā)生斷裂導致產生更多的水結合位點；也可能是由于淀粉顆粒周圍的水分吸收屏障蛋白質基質遭到破壞，因此更有利于水分的吸收。

低溫等離子體電流強度對糙米體積膨脹率的影響見圖4。

圖4 低溫等離子體電流強度對糙米體積膨脹率的影響Fig.4 Effects of low-temperature plasma current intensity on the volume expansion rate of brown rice

如圖4 所示，糙米經低溫等離子體處理后其體積膨脹率顯著增加（P＜0.05），相比較于對照組糙米體積膨脹率最高增加了約50%（電流強度2.0 A）；蒸煮過程中米飯的體積膨脹與其淀粉糊化溶脹密切相關，糙米經等離子體處理其吸水率不斷增加，蒸煮過程中淀粉粒氫鍵斷裂，淀粉吸水糊化體積增大。

低溫等離子體電流強度對糙米固形物損失率的影響見圖5。

圖5 低溫等離子體電流強度對糙米固形物損失率的影響Fig.5 Effects of low-temperature plasma current intensity on the boiled loss rate of brown rice

由圖5 可知，當電流強度為1.5 A 和2.0 A 時，糙米的固形物損失率顯著高于其它試驗組（P＜0.05）。另有研究表明米湯固形物含量越高，一定程度內其蒸煮時米飯黏彈性越好，食味品質及適口性越好[22]，因此低溫等離子體處理對糙米蒸煮品質的改善有積極作用。

2.3 感官評價分析

低溫等離子體電流強度對糙米感官品質的影響見表2。

如表2 所示，低溫等離子體處理對糙米飯感官評價中氣味、色澤、軟硬度和滋味不存在顯著性影響。

表2 低溫等離子體電流強度對糙米感官品質的影響Table 2 Effects of low-temperature plasma current intensity on sensory quality of brown rice

黏性得分隨著電流強度的增加顯著增加（P＜0.05），當電流強度為2.0 A 時，糙米飯感官評價中黏性得分達到7.55 分。彈性隨著電流強度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在1.5 A 時取得最大值；這是因為等離子體處理使糙米表面出現(xiàn)凹陷和裂縫，導致內部淀粉充分暴露在外，米飯中內容物溶出，黏彈性增加；而電流強度為2 A 時，內容物大量溶出，黏性繼續(xù)增加，但彈性變差。

由表2 可知，糙米的冷飯質地得分隨著電流強度的增加顯著增加（P＜0.05）。

2.4 質構特性分析

低溫等離子體電流強度對糙米質構特性的影響見表3。

由表3 可知，相比較于原料糙米，低溫等離子體處理后糙米米飯的硬度、咀嚼性和膠黏性顯著減小（P＜0.05）；且隨著電流強度的增加，糙米飯的硬度、咀嚼性和膠黏性逐漸減小，當電流強度為2.0 A 時，硬度、咀嚼性和膠黏性降低至1 566.60 g、451.34 和709.11（P＜0.05）。

表3 低溫等離子體電流強度對糙米質構特性的影響Table 3 Effects of low-temperature plasma current intensity on the texture characteristics of brown rice

糙米的硬度和咀嚼性高與淀粉顆粒水合作用弱有關[23]，低溫等離子體處理使糙米表面產生裂縫和凹陷，打開了吸水通道，使得水分在蒸煮過程中能快速滲透進糙米內部，加快其與淀粉發(fā)生水合作用的進程，從而使糙米的硬度和咀嚼性減?。欢z黏性是硬度和內聚性的關聯(lián)，代表了淀粉分子間作用力的大小[24]，其值的減小說明了低溫等離子體處理使得淀粉分子之間作用力減弱，分子結構變得松散，這更有利于水分吸收。

糙米的彈性和回復性均隨著電流強度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當電流強度為1.5 A 時，糙米飯的彈性達到最大值（72.63%），這是因為處理后糙米表面粗糙，有利于水分吸收，使糙米吸水后彈性增大；而當電流強度為2.0 A 時，糙米表面的裂縫加深，導致內容物流出較多，不利于米飯內部結構的保持，進一步導致糙米的彈性、回復性下降。

2.5 微觀結構分析

低溫等離子體電流強度對糙米微觀結構的影響見圖6。

圖6 低溫等離子體電流強度對糙米微觀結構的影響Fig.6 Effects of low-temperature plasma current intensity on the microstructure of brown rice

如圖6a 所示，對照組糙米表面致密光滑，麩皮層形貌無明顯變化，表現(xiàn)出天然形態(tài)結構。當電流強度為0.5 A 時，等離子體處理后糙米晶粒表現(xiàn)為裂隙和凹陷，表面呈現(xiàn)出寬而淺的破壞形態(tài)，這與Chen 等[13]試驗結果一致。隨著低溫等離子體電流強度的增加，糙米表面的粗糙加劇。由圖6d 和圖6e 可以看出，等離子體導致糙米產生裂縫和孔洞，有利于蒸煮時水分的滲透。這可能是高能量的等離子體轟擊糙米表面，通過破壞表面共價鍵實現(xiàn)對糙米表面的蝕刻[15]。

2.6 近紅外分析

低溫等離子體處理后糙米粉的傅里葉紅外光譜圖見圖7。

由圖7 可以看出，糙米在3 350、2 920、1 650、1 450、1 350、1 250、1 089 cm-1處出現(xiàn)特征吸收峰，其中3 350、2 920、1 161 cm-1和1 089 cm-1附近的吸收峰分別代表O-H、-CH、C-O-C 和C-O 的伸縮振動[25]，波長在1 450 cm-1和1 350 cm-1附近的吸收峰對應CH2和CH 的彎曲振動[26]；相比較于對照組樣品，處理后樣品在1 650 cm-1處波峰有所增強，此時的吸收峰歸屬于水分子中OH 的彎曲振動[9，27]，這表明糙米經等離子體處理后親水基團有所增加，親水性能得到提高。

圖7 低溫等離子體處理后糙米粉的傅里葉紅外光譜圖Fig.7 Fourier transform infrared images of brown rice flour treated by low temperature plasma technology

2.7 X-射線衍射分析

低溫等離子體處理后糙米的X-射線衍射圖譜和衍射參數(shù)見圖8 和表4。

圖8 低溫等離子體處理后糙米的X-射線衍射圖譜Fig.8 X-ray diffraction pattern of brown rice treated with low temperature plasma

表4 低溫等離子體處理后糙米的X 射線衍射參數(shù)Table 4 X-ray diffraction parameters of brown rice after low temperature plasma treatment

由圖8 可知，低溫等離子體處理后糙米的結晶類型沒有發(fā)生變化，糙米在衍射角15.19、17.32、18.21°和23.28°時出現(xiàn)較強的特征衍射峰，這是典型的A 性淀粉的衍射圖譜[28]。

如表4 所示，隨著低溫等離子體電流強度的增加，結晶度從38.56%（對照糙米）減少到31.19%（1.5 A），這可能是由于反應性等離子體粒子引起的淀粉分子解聚，淀粉的晶體結構被破壞，導致糙米的結晶度降低[29-30]，Chen[14]和Thirumdas 等[15]也報道了低溫等離子體處理后糙米結晶度的降低。相比較于對照組糙米，當?shù)蜏氐入x子體電流強度為2.0 A 時，糙米中淀粉的結晶度略有降低，但高于1.5 A 處理條件下的糙米結晶度。

2.8 討論

本試驗研究發(fā)現(xiàn)低溫等離子體技術作為一種全新的全谷物加工技術，不僅可以避免糙米加工過程中的浪費，而且提供了更好的食用品質。從工業(yè)的角度來看，大米作為世界第二大主食，將該技術應用于米飯烹飪過程中能大大減少能耗，可以用于方便米飯的制備，而且對電飯煲的設計有一定的指導意義。但新技術在食品加工領域的應用必須是安全無毒的，這就需要對低溫等離子體加工的產品進行毒理學等深入研究。另外，低溫等離子體技術處理后糙米在貯藏過程中的品質變化還需要進一步研究。

3 結論

本文研究了不同低溫等離子體電流強度對糙米食用品質的影響，得出以下結論。

1）隨著電流強度的增加，糙米浸泡吸水率、體積膨脹率、加熱吸水率和固形物損失率不斷增大，而蒸煮時間顯著減?。≒＜0.05）。

2）低溫等離子體處理后糙米飯的彈性和回復性均隨著電流強度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，而硬度、咀嚼性和膠黏性逐漸減小。

3）感官評分結果表明，低溫等離子體處理后的糙米飯感官評分隨著電流強度的增加先增加后降低。相比較于對照組糙米，低溫等離子體處理后糙米的黏性、彈性和冷飯質地得分更高。

4）低溫等離子體處理后糙米表面出現(xiàn)凹陷和裂縫，晶體結構發(fā)生改變，結晶度由對照組的38.56%降至31.19%（1.5 A），但糙米粉的淀粉晶型未發(fā)生變化；紅外分析結果表明，糙米粉的親水基團峰值隨著電流強度的增大呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，低溫等離子體處理后親水性能增強。

綜上所述，低溫等離子體技術是一種可行的改善糙米食用品質的方式，也進一步證明了低溫等離子體技術在全谷物加工領域的應用前景，為低溫等離子體改性糙米的產業(yè)化開發(fā)提供理論依據(jù)。