高温流化改善青稞米蒸煮品质及机理研究

李永富, 高纪儒, 杜 艳, 黄金荣, 史 锋, 陈正行

(江南大学食品学院；江南大学粮食发酵工艺与技术国家工程实验室 1，无锡 214122) (江南大学食品科学与技术国家重点实验室2，无锡 214122) (江苏省生物活性制品加工工程技术研究中心3，无锡 214122) (青海华实科技投资管理有限公司；青海省青稞资源综合利用工程技术研究中心4，西宁 810016)

青稞又称裸大麦，具有高蛋白质、高纤维、高维生素、低脂肪、低糖等特点。β-葡聚糖是青稞的主要生理活性成分，主要存在于青稞籽粒的胚乳细胞壁与糊粉层中，具有调节血糖、降低胆固醇、提高免疫力、预防肠癌等功能[1，2]。

近年来，青稞在粮谷制品、发酵制品、保健制品的开发方面应用广泛，但现有青稞产品多数只添加少量青稞原料，无法良好体现青稞的健康功效。随着消费者对营养均衡的重视及膳食结构的改变，在煮饭时开始添加杂粮杂豆。青稞米胚乳细胞壁较厚[3]的结构特征限制了蒸煮过程中淀粉颗粒对水分的吸收，导致其不能满足与大米同煮同熟的需求。目前通常采用浸泡的预处理方式来缩短杂粮的蒸煮时间，但多数杂粮内部结构紧密、质地较硬，通常需要长时间浸泡，不符合当今快节奏的生活方式[4，5]，且容易造成细菌滋生及活性物质溶出[6]。已有的技术工艺多采用将青稞米与大米等进行互配重组、挤压膨化或破碎处理，这破坏了谷物籽粒的天然结构，淀粉的消化特性被改变，消费者认同度低[7]。因此，探究在保证青稞籽粒结构完整的前提下改善其蒸煮性能的适度加工方法尤为重要。

高温流化即通过热空气干燥对谷物颗粒进行处理，耗时短、热量分布均匀，且热传递效率高。卜玲娟等[8]、滕菲等[9]发现经高温流化处理的糙米和黑米的蒸煮食用品质提高，同时解决了其蒸煮难、口感硬、糠味重等问题。Li等[10]发现高温流化处理使得发芽糙米淀粉的相对结晶度降低，且蒸煮硬度显著降低[11]。介敏等[12]优化了高温流化改良红小豆蒸煮品质的工艺，并通过结构特性、水分迁移等来探究红小豆蒸煮品质得到改善的原因[13]。

目前关于高温流化改良青稞米蒸煮品质的研究较少，本研究应用该技术处理青稞米，考察流化温度、处理时间、进料速度和补水量对青稞米蒸煮品质的影响，并通过正交实验得出最佳处理参数，以达到与大米同煮同熟、口感良好的效果。为探究高温流化改善青稞米蒸煮品质的机理，从结构形态、淀粉晶型结构和糊化特性等进行分析表征。

1 材料与方法

1.1 材料

青稞米：藏青2000；淮稻5号。

1.2 仪器与设备

CFXB20FC17-35苏泊尔智能电饭煲，D2 PHASER X射线衍射仪，TA-XT Plus物性分析仪，RVA 4500快速黏度分析仪，SU8100冷场发射扫描电子显微镜，HHS-21-6电热恒温水浴锅。高温流化设备为实验室自制热空气流化干燥机，主要部分为流化室与燃烧器，设备示意图见图1。

图1 高温流化设备示意图

1.3 方法

1.3.1 单因素实验

1.3.1.1 流化温度对青稞米蒸煮品质的影响

将青稞米原料倒入料斗，流化室温度分别设置为170、175、180、185 ℃，青稞米以60 kg/h的进料速度输送至流化室处理60 s，出料后冷却至室温。通过测定青稞米与白米同煮后的硬度来选择最佳流化温度。

1.3.1.2 进料速度对青稞米蒸煮品质的影响

将青稞米原料倒入料斗，流化室温度设置为180 ℃，青稞米分别以45、60、75、90 kg/h的进料速度输送至流化室处理60 s，出料后冷却至室温。通过测定青稞米与白米同煮后的硬度来选择最佳进料速度。

1.3.1.3 处理时间对青稞米蒸煮品质的影响

将青稞米原料倒入料斗，流化室温度设置为180 ℃，青稞米以60 kg/h的进料速度输送至流化室分别处理20、40、60、80 s，出料后冷却至室温。通过测定青稞米与白米同煮后的硬度来选择最佳处理时间。

1.3.1.4 补水量对青稞米蒸煮品质的影响

对青稞米原料进行补水处理，使青稞米的含水量提升2%、4%、6%、8%。将补过水的青稞米倒入料斗，流化室温度设置为180 ℃，青稞米以60 kg/h的进料速度输送至流化室处理60 s，出料后冷却至室温。通过测定青稞米与白米同煮后的硬度来选择最佳补水量。

1.3.2 正交实验

选择影响青稞米蒸煮硬度的因素：流化温度、处理时间、进料速度、补水质量分数。根据单因素实验的结果，进行四因素三水平正交实验，设计方案如表1所示。

表1 正交实验的设计

1.3.3 含水量的测定

参照GB 5009.3—2016的方法进行测定。

1.3.4 吸水率的测定

在离心管中放入事先称好的5.0 g青稞米，加入30 mL去离子水后在30 ℃条件下恒温水浴，分别浸泡0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 h。浸泡时间到达时，用漏斗沥干水分并擦干青稞米表面的残余水分，称其质量并依据公式计算，得到青稞米的浸泡吸水率[14]。

式中：m1为吸水后样品质量/g；m2为吸水前样品质量/g。

1.3.5 质构特性的测定

称取青稞米25 g和精米75 g进行混匀，淘米后按照米水比1∶1.9添加水于电饭煲中蒸煮，蒸煮结束后保温25 min。采用质构仪的TPA模式测试青稞米的质构特性，参照杨晓娜[15]的测试方式并做适当调整。从青稞米饭中间不同位置挑选3粒外观、大小相近的青稞米放射状置于测试台上，目标值设定为50%，触发点为5.0 g，探头选用P/25，探头的测前速度、测试速度和测后速度分别为2.0、0.5、0.5 mm/s。在10个平行结果中去掉最大值和最小值，并取平均值。

1.3.6 青稞米横截面形态观察

将青稞米横向切片，进行真空喷镀金膜，在加速电压3 kV的条件对其进行35、300、1 000倍的扫描观察。

1.3.7 晶型结构分析

通过X-射线衍射仪对淀粉的晶型结构进行测定，测试前将青稞米粉置于湿度高的环境中平衡12 h。测试参数：扫描速率0.5 s/步，测试步长0.05(°)/步，扫描区间为5°～50°。用MDI Jade6.0软件分析处理得到的X衍射图谱，得到其相对结晶度。

1.3.8 糊化特性分析

通过快速黏度分析仪测定青稞米粉的糊化参数。按照3.0 g校准所需样品质量、12%校准水分体积。测定程序：50 ℃保持1 min；从50 ℃上升至95 ℃，速率为12 ℃/min；在95 ℃保持2.5 min；以12 ℃/min的速率冷却至50 ℃；50 ℃保持2 min。根据RVA的糊化曲线得到峰值黏度、谷值黏度、最终黏度、糊化温度、崩解值、回生值等参数。

1.3.9 糊化度的测定

按照1.3.6所述制备青稞米饭，挑出其中的青稞米进行真空冷冻干燥，并粉碎过筛得到样品。参考熊易强[16]的实验方法测定糊化度。

1.4 数据统计与分析

除硬度外，实验每次测3个平行，数值结果以平均值±标准差的形式表示。用SPSS Statistics 22进行方差分析与显著性分析。采用Origin 9.0作图。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 流化温度对青稞米蒸煮硬度的影响

由图2可知，青稞米的蒸煮硬度随处理温度的升高呈下降趋势，185 ℃条件下处理得到的青稞米蒸煮硬度最低。高温流化处理过程中，水分梯度差产生的应力使得青稞米表面产生细微裂缝，从而提升蒸煮过程中青稞米的吸水性能。研究表明，谷物表面的微小裂缝形成的水分通道可促进蒸煮过程中水分向内胚乳的渗透，从而降低米饭硬度，改善蒸煮食用品质[17]。分析可知，180～185 ℃青稞米的蒸煮硬度虽然有所下降，但差异不显著(P>0.05)。由此，高温流化处理青稞米的最佳温度为180 ℃。

2.1.2 进料速度对青稞米蒸煮硬度的影响

在高温流化处理时，当热量供给恒定时，进料速度越快每粒青稞米吸收的热量就越少。图2为进料速度对青稞米蒸煮硬度的影响，青稞米硬度随着进料速度的提高呈现上升趋势，进料速度为45 kg/h时，青稞米蒸煮硬度最低；进料速度上升至60 kg/h时，蒸煮硬度变化不明显；而当进料速度大于60kg/h时，蒸煮硬度显著增大(P<0.05)。由于进料速度和生产效率呈正相关，为提高生产效率，进料速度60 kg/h最合适。

2.1.3 处理时间对青稞米蒸煮硬度的影响

由图2可知，随着流化时间的增加，青稞米蒸煮硬度逐渐降低。与原料的蒸煮硬度相比，处理时间为20 s时的青稞米蒸煮硬度为1 742.06 g，两者没有显著差异(P>0.05)。当处理时间增加至40、60 s时，青稞米的蒸煮硬度显著降低(P<0.05)。而当处理时间达到80 s时，青稞米出现过度美拉德反应[18]，表面焦化严重。因此，选择60 s为青稞米的最佳流化处理时间。

2.1.4 补水量对青稞米蒸煮硬度的影响

对原料流化前的补水处理有助于改良其蒸煮品质，且合适参数条件的流化处理可带走青稞米补充的多余水分，不会影响后续储藏[12]。由图2可知，随着补水量的增加，青稞米硬度呈先降低后升高趋势。流化前的补水处理软化了青稞米的胚乳质地，使其内部蛋白质与淀粉粒的结合力减弱[19]，因此，流化处理过程中的热量传导更为均衡，且高温流化处理过后的青稞米胚乳细胞间的紧密度低于未补水的青稞米。较低的胚乳细胞紧密度加速了蒸煮过程中水分的渗入，故补水使得青稞米蒸煮硬度降低。由于补水使青稞米含水量提高6%蒸煮硬度最低，故选其为最佳补水量。

图2 流化温度、进料速度、处理时间和补水量对青稞米蒸煮硬度的影响

2.2 正交实验

由表2可知，对青稞米蒸煮硬度影响的大小顺序为：温度>补水量>处理时间>进料速度。由此，以蒸煮硬度为指标得到的最佳工艺参数组合为A1B1C2D3，即流化温度175 ℃、不补水、进料速度60 kg/h、处理时间80 s。以此参数处理青稞米并进行验证实验，结果见表3。青稞米经过高温流化处理后，吸水性能得到显著改善，同时蒸煮硬度降低至1 409.75 g，接近于白米饭的硬度1 367.80 g[8]。

表2 正交实验结果分析

表3 验证实验及其结果

2.3 高温流化对青稞米食味品质和淀粉糊化度的改善效果

2.3.1 高温流化处理前后青稞米饭的质构特性

如表4所示，青稞米经高温流化处理后，硬度、咀嚼性降低，黏着性、弹性增加。研究表明，质构特性中的硬度和弹性与感官评价中适口性指标呈显著负相关，米饭适口性评价的关键质构指标为硬度和弹性[20]。黏着性亦能反映米饭感官品质，黏着性值越高则米饭越松软可口；咀嚼性和感官评分呈显著负相关[21]。高温流化处理青稞米硬度值的降低与黏着性的增大使其具有良好适口性，弹性值虽然有所提高，但是差异不显著(P>0.05)。青稞米经高温流化处理，咀嚼性显著降低(P<0.05)，适口性提高。经高温流化处理的青稞米在与白米同煮时能同熟，且食味品质得到改善。

表4 青稞米饭的质构特性

2.3.2 高温流化处理前后青稞米饭的淀粉糊化度

由表5可以看出，青稞米饭中高温流化青稞米糊化度显著高于原料青稞米的糊化度(P<0.05)，高温流化青稞米的淀粉糊化度达95.01%，在蒸煮过程中基本全部糊化。高温流化处理使青稞米部分淀粉颗粒发生一定程度的糊化，其吸水溶胀破裂，结构不可逆地由有序转变为无序。蒸煮过程中，高温流化青稞米吸水更加充分，淀粉更易糊化，进而青稞米饭的糊化度提高，蒸煮硬度降低[22]，与2.3.1质构特性结果相一致，白洁等[23]的研究中亦发现蒸煮硬度与糊化度呈负相关。此外，糊化度高的淀粉越容易被人体的酶水解，高温流化青稞米更有利于肠道的消化吸收[24]。

表5 青稞米饭的糊化度

2.4 高温流化改善青稞米蒸煮品质的原因探索

2.4.1 高温流化处理前后横截面形态的变化

用SEM观察高温流化处理前后青稞米的横截面形态，结果如图3所示，横截面近似圆形形态的颗粒与仁欣等[25]通过SEM观察的青稞淀粉颗粒形态相似，由此可推测横截面的椭圆颗粒即为淀粉颗粒。由图3a、图3c可以看出，原料青稞米的横截面质构均匀、较为规整光滑，胚乳细胞紧密排列，淀粉颗粒堆叠在一起并包裹其中，这与红小豆[23]、大米[26]等横截面的微观结构相似。由图3b、图3d所示的流化青稞米横截面可以看出，高温流化处理使青稞米内部结构发生一定程度的改变，淀粉颗粒经流化处理颗粒膨胀、直径增大；部分相邻淀粉粒之间由于糊化作用出现融合现象，边界模糊甚至消失，与红小豆蒸煮[23]及百合热烫[27]过程中淀粉颗粒的糊化现象一致。高温流化处理后的青稞米淀粉颗粒产生间隙，排列变得疏松，这有利于蒸煮过程中水分渗入淀粉颗粒间隙使其充分吸水糊化。因此，在相同的蒸煮条件下，高温流化青稞米的硬度显著低于未处理青稞米。

图3 青稞米横截面形态

2.4.2 高温流化对青稞米粉晶型结构的影响

如图4所示，青稞米淀粉是典型的A型图谱，在2θ为15°、17°、18°及23°附近有4个较为明显的特征峰。经过高温流化处理后，淀粉的出峰位置没有明显的变化，说明高温流化处理并没有导致青稞米淀粉的结晶构型发生变化，但结晶峰趋于平缓，结晶度由10.41%降低至8.49%。青稞米20°附近的较弱衍射峰是直链淀粉与脂的无定型峰，说明青稞淀粉中有内源性的淀粉-脂质复合物[28]。与原料青稞米淀粉相比，流化青稞米淀粉在20°附近的衍射峰略微增强，说明在热作用下青稞米中直链淀粉与脂肪形成更多复合物。A型结构的减少、结晶度的降低与Horrungsiwat等[29]过热蒸汽干燥白米的研究结果一致。另一方面，高温流化处理过程中，部分淀粉发生糊化，分子结晶区的部分氢键断裂，原有的结晶结构遭到破坏，导致淀粉双螺旋结构的展开和解离，这有助于改善蒸煮过程中淀粉颗粒的吸水性能[30]。

图4 青稞米的X-衍射图谱

2.4.3 高温流化对青稞米糊化特性的影响

由表6可知，高温流化使青稞米淀粉糊化温度升高，糊化黏度、回生值、崩解值均降低。流化青稞米的峰值黏度与最终黏度均低于原料青稞米，可能是高温处理过程中淀粉发生预糊化，颗粒破坏导致直链分子溶出，短直链分子集聚而形成耐热结构，故总体黏度降低[31]。糊化温度作为表征淀粉糊化难易程度的指标，其值高代表淀粉结构更稳定、颗粒不易被破坏，更耐蒸煮，同时糊化温度与蒸煮品质呈正相关[32]。糊化温度升高可能是因为高温流化处理过程中形成的复合物附着在淀粉颗粒表面，阻碍了糊化时淀粉颗粒的膨胀，由于淀粉-脂类复合物在温度趋于100 ℃时会溶解，故少量复合物并不影响其蒸煮[33]。

表6 青稞米粉的糊化特性

崩解值由已经糊化的淀粉颗粒结构瓦解引起，高温流化使得淀粉的抗剪切力和耐搅拌力明显提高。原料青稞米淀粉的膨胀能力大，颗粒内部分子间结合力较弱，故容易在剪切作用下发生破裂与瓦解，其崩解值较高反映了这一特征[26]。回生值反映淀粉的老化趋势，回生值越大的青稞米越易老化，即食用品质降低。推测高温流化处理使得青稞米内部蛋白间二硫键络合作用增强，蛋白质水溶特性和淀粉-蛋白质交联作用降低，因而抑制了淀粉的老化[25]。因此，与原料青稞米淀粉相比，高温流化青稞米更耐蒸煮且不易老化，蒸煮食用品质得到提升。

2.4.4 高温流化对青稞米吸水性能的影响

蒸煮是水分通过胚乳细胞的间隙进入青稞米内部，胚乳细胞中淀粉颗粒在水与热的作用下发生糊化行为的过程。因此，吸水性能与蒸煮品质密切相关，而青稞米胚乳细胞间的致密性及较厚的胚乳细胞壁影响了蒸煮过程中水分的迁移。由图5可以看出，高温流化青稞米吸水性能显著高于未处理青稞米。随着浸泡的延长，青稞米吸水率呈增大趋势，吸水曲线变平表示青稞米趋于吸水饱和。高温处理的过程中，水分蒸发速率的差异使得青稞米内部产生水分梯度，水分梯度差产生超过本身结构能承受的应力时青稞米产生的微缝形成水分进入的通道，吸水性能得以改善。因此，蒸煮过程中淀粉与水得以充分反应，得到的青稞米饭适口性更好。此外，处理过后青稞米密度降低、组织较为疏松，可能是吸水能力提高的另一原因[34]。

注：小写字母不同表示青稞米浸泡不同时间的吸水率差异显著(P<0.05)；大写字母不同表示原料青稞米和流化青稞米浸泡时间相同吸水率差异显著(P<0.05)。 图5 青稞米处理前后的吸水率变化

3 结论

高温流化处理对青稞米的蒸煮品质有良好的改善作用，最佳工艺参数为流化温度175 ℃、处理时间80 s、进料速度60 kg/h，此参数条件下青稞米的蒸煮硬度为1 409.75 g。由此可见，高温流化能够有效解决青稞米胚乳细胞致密及胚乳细胞壁厚的结构特征导致的吸水困难、蒸煮耗时和口感硬等问题，青稞米不用浸泡即可与白米同煮同熟。高温流化使得青稞米淀粉颗粒紧密度降低、相对结晶度下降、糊化特性发生改变，同时改善了青稞米的吸水性能。