《Food Chemistry: X》：Structural changes in starch and protein of brown, red, and black rice flours induced by steam-assisted heat treatment
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蒸汽辅助加热处理（steam-assisted heat treatment，SAHT）可快速提高稻米粉中淀粉的相对结晶度（relative crystallinity degree，RCD）。黑米淀粉具有更高的天然结晶度，且在SAHT后其重组能力有限。糙米和
蒸汽辅助加热处理（steam-assisted heat treatment，SAHT）可快速提高稻米粉中淀粉的相对结晶度（relative crystallinity degree，RCD）。黑米淀粉具有更高的天然结晶度，且在SAHT后其重组能力有限。糙米和红米淀粉在处理后形成了直链淀粉-脂质复合物（amylose-lipid complexes）。热处理改变了淀粉表面粗糙度和孔径分布。蛋白质二级结构和二硫键（disulfide bonds）的变化因稻米粉类型而异。本研究采用多尺度分析方法，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）及蛋白巯基-二硫键表征，系统评估了SAHT对糙米、红米和黑米粉中淀粉短程和长程有序结构、蛋白质构象及体外消化特性的影响。结果表明，SAHT促进了淀粉分子重组和晶体完善，但不同品种间的响应差异显著，尤其是黑米淀粉表现出较高的结构稳定性而限制了进一步重排。此外，蛋白质二级结构中α-螺旋（α-helix）和β-折叠（β-sheet）的比例也发生了品种依赖性的变化。这些发现为理解湿热条件下有色稻米粉中淀粉与蛋白质的结构响应机制提供了重要依据，并为热加工无麸质食品配料的理性设计提供了科学指导。
一、研究背景与科学问题
稻米粉因其中性风味、无麸质特性及多样化的质构开发潜力而被广泛应用于食品配方中。其功能性能主要由淀粉和蛋白质的结构组织决定，而热加工可显著改变这些组分的分子与超分子结构。现有研究表明，低水分热处理（如干热处理、湿热处理heat-moisture treatment, HMT和退火annealing）和高水分热处理（如高压灭菌autoclaving、蒸谷parboiling和蒸煮steaming）均会对淀粉和蛋白质产生不同的修饰效果。然而，蒸汽辅助热处理（steam-assisted heat treatment, SAHT）作为一种常压湿热工艺，其特点在于样品通过吸收周围潮湿空气中的水分而逐渐增湿，而非像传统HMT那样预先调节至固定水分含量后再加热。尽管SAHT已在部分研究中被应用，但其对全稻米粉中淀粉和蛋白质的多层次结构响应，特别是对不同色素稻米（如红米和黑米）的影响，仍缺乏系统性表征。因此，研究人员提出假设：SAHT会诱导品种依赖性的淀粉结晶度、蛋白质结构及体外消化特性的变化，并采用多尺度分析方法加以验证。
二、研究方法概述
研究人员选用市售的整粒糙米（SC Bio Navis）、黑米（SC DECO Italy，产自泰国）和红米（Biocultivars）作为原料，经研磨过筛（<250 μm）并将水分统一标准化至12%。SAHT处理条件为：100 g样品均匀铺成约1 cm厚层，置于常规通风烤箱（Electrolux EOF6P76X2，瑞典，腔体容积65 L）中，于100°C、常压下处理90 min，同时将250 mL蒸馏水放入烤箱内以营造湿润环境。处理后样品水分分别升至约15%（糙米）、14.87%（红米）和14.61%（黑米）。主要技术方法包括：傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于评估淀粉短程分子有序度（相对结晶度RCD）和蛋白质二级结构（酰胺I带）；X射线衍射（XRD）用于量化淀粉的长程结晶度（总结晶度、A型结晶度和V型结晶度）；原子力显微镜（AFM）用于表征淀粉颗粒表面纳米级形貌和粗糙度；扫描电子显微镜（SEM）结合图像分析用于观察淀粉颗粒形态、表面孔隙及损伤区域分布；体外消化实验用于测定快速消化淀粉（rapidly digestible starch, RDS）、慢速消化淀粉（slowly digestible starch, SDS）和抗性淀粉（resistant starch, RS）的含量；蛋白质分离后还测定了游离巯基（free -SH）和二硫键（SS）含量。
三、研究结果
3.1 淀粉表征
3.1.1 FTIR光谱：FTIR分析显示，所有稻米粉的RCD在SAHT初期（前10–20 min）迅速上升，随后进入平台期。糙米和红米的RCD从约62%升至66–67%，黑米则从65.85%升至69.00%，且在整个处理过程中始终高于其他两种样品。这表明SAHT促进了短程双螺旋结构的快速重组，且黑米淀粉具有更高的内在结晶稳定性。
3.1.2 XRD衍射图谱与结晶度：XRD分析确认所有样品均为典型的A型结晶结构。天然状态下，黑米的总结晶度最高（29.29%），显著高于糙米（25.44%）和红米（27.10%）。SAHT后，糙米总结晶度增幅最大（+87.22%），其中A型结晶度增加80.42%，V型结晶度增加151.58%；红米总结晶度增加57.96%，A型和V型分别增加53.21%和113.99%；黑米总结晶度仅增加35.97%，A型增加45.27%，但V型结晶度反而下降53.75%。这表明白米和红米中存在双重稳定机制——淀粉支链重组与直链淀粉-脂质复合物的形成，而黑米则以支链重组为主，且其较高的天然有序结构限制了进一步重排。
3.1.3 扫描电镜（SEM）与图像分析：SEM图像显示，SAHT后淀粉颗粒表面出现更多凹陷、裂隙和塌陷区域。图像分析表明，处理后的淀粉表面孔隙面积分布发生变化，尤其在中到大尺寸孔隙区间，黑米淀粉的表面损伤程度相对较低。
3.1.4 原子力显微镜（AFM）：AFM表面形貌分析显示，SAHT导致淀粉颗粒表面粗糙度（Ra和Rq）发生品种依赖性变化。糙米和红米淀粉表面粗糙度显著增加，而黑米淀粉的粗糙度变化较小，与其较高的初始结晶度和结构稳定性一致。
3.1.5 淀粉体外消化：体外消化实验结果显示，SAHT后所有样品的RDS含量降低，RS含量显著升高。糙米的RS增幅最大，其次是红米，黑米的RS增幅最小。这与XRD观察到的结晶度变化趋势一致，表明更有序的淀粉结构降低了酶的可及性。
3.2 蛋白质表征
3.2.1 FTIR光谱分析蛋白质二级结构：FTIR分析蛋白质酰胺I带的结果显示，SAHT后糙米和红米的α-螺旋比例分别增加13.63%和10.95%，而黑米的α-螺旋减少4.58%。糙米的β-折叠大幅增加35.78%，而红米的β-折叠减少16.92%。β-转角和无规卷曲的比例也发生相应变化。总体上，糙米的有序结构（α-螺旋+β-折叠）比例从59.99%升至76.48%，红米从74.89%略降至73.52%，黑米基本不变（64.27%→64.76%）。
3.2.2 游离巯基与二硫键含量：游离巯基（-SH）和二硫键（SS）含量的测定结果显示，SAHT后糙米和红米的游离-SH含量降低、SS含量升高，表明蛋白质发生了氧化交联反应；而黑米的游离-SH和SS变化不显著，与其蛋白质二级结构变化较小的结果相一致。
四、讨论与结论
研究人员在讨论中指出，SAHT在湿热处理谱系中处于中间位置：它提供了足够的水分促进淀粉和蛋白质的重组及结晶度的提升，同时又避免了像蒸谷和高压灭菌那样引发广泛的糊化作用。SAHT与传统HMT的主要区别在于水分递送方式——本研究中水分是从湿润环境中逐步吸收，而非预先调整。FTIR所反映的短程有序结构在早期即趋于稳定，而XRD检测到的长程结晶度持续增长，表明两者反映的是互补而非相同的结构特征。对于黑米而言，V型结晶度的下降可能反映了直链淀粉-脂质相互作用的变化，但需独立定量加以验证。
研究结论可翻译如下：SAHT诱导了品种依赖性的淀粉结晶度、蛋白质结构及体外消化特性的变化。糙米和红米淀粉通过支链重组和直链淀粉-脂质复合物形成实现结构稳定化，而黑米淀粉因其较高的天然结晶度而限制了进一步重组。蛋白质二级结构和二硫键化学也表现出品种特异性响应。这些发现揭示了有色稻米粉在湿热条件下淀粉与蛋白质的结构响应机制，为热加工无麸质食品配料的理性设计提供了科学依据。
