低速旋转恒温调质处理对稻米籽粒分离淀粉结构、水合及凝胶特性的影响

《Current Research in Food Science》：Effects of low-speed rotational thermostatic tempering of rice kernels on the structure, hydration and gel properties of isolated starch

　　

专业术语翻译的论文摘要 稻米籽粒经低速旋转恒温调质处理后，其淀粉功能性的结构基础尚不完全清楚。本研究比较了籼米、粳米和糯米在籽粒调质前后分离所得淀粉的多尺度结构和理化性质。A型结晶模式得以保留，而相对结晶度（relative crystallinity）增加了6.43–9.40个百分点，同时伴随着短程分子有序度、水溶指数（water solubility index, WSI）和膨胀势（swelling power, SP）的增加。籼米和糯米的分子量（molecular weight）降低，而粳米的分子量增加。支链淀粉链长分布（chain-length distribution, CLD）在籼米淀粉中变化较小，而粳米和糯米则表现出短链和长链组分的相反变化。这些结构响应伴随着不同的功能性变化。籼米淀粉的糊化焓（gelatinization enthalpy, ΔH）从13.96 J/g增加到17.60 J/g，但峰值粘度和最终粘度降低。粳米淀粉的峰值粘度从3837.50 cP增加到4168.00 cP，同时凝胶硬度（gel hardness）和压缩功（work of compression）增大。糯米淀粉的糊化温度（pasting temperature）从67.10 °C降至64.65 °C，崩解值（breakdown viscosity）降低。这些发现表明，根据稻米类型的不同，结构有序度的增加可以伴随不同的加工响应。因此，基于LSRTT的谷物加工有望获得具有不同水合、糊化和凝胶特性的淀粉，但其在成品食品中的性能有待验证。

论文解读文章

研究背景与目的

淀粉是大米的主要成分，其精细结构特征，包括分子量分布、支链淀粉链长架构、结晶有序性和表面形态，直接决定了其水合性、糊化、流变行为和质构属性等理化特性，从而影响大米制品的加工性能和最终品质。调质作为大米加工的关键步骤，旨在通过调控水分和温度来优化淀粉结构与功能性，进而改善大米的物理结构和加工性能。传统的静态调质耗时长、效率低，常伴有高能耗、废水产生和处理不均匀等问题。为克服这些局限，研究者提出了热风调质、微波调质和高温短时调质等多种动态调质技术，但这些方法可能导致籽粒表面过度糊化或局部损伤，难以同时保持结构完整性和处理均匀性。研究人员前期将低速旋转恒温调质处理应用于完整稻米籽粒，并研究了调质水分含量和时间对籼米粉的水分分布及理化性质的影响。在此基础上，本研究聚焦于不同稻米类型经籽粒调质和碾磨后分离所得淀粉的多尺度结构和功能特性。研究人员假设：（i）基于LSRTT的谷物加工会改变分子组织并增强结构有序性，同时保留结晶类型；（ii）响应的幅度和方向会因稻米淀粉的初始特性而异；（iii）分子和有序结构特性与水合、热学、糊化和凝胶性质相关联。

研究方法

研究人员采用的主要关键技术方法包括：使用凝胶渗透色谱结合多角度激光光散射检测器测定绝对分子量；利用离子色谱法分析异淀粉酶脱支后的支链淀粉链长分布；运用X射线衍射仪分析晶体结构并计算相对结晶度；借助傅里叶变换红外光谱仪评估短程有序结构；采用差示扫描量热仪测定热学性质；通过快速粘度分析仪评价糊化特性；并使用流变仪和质构仪分别表征凝胶的动态流变学和质构特性。

研究结果

3.1 直链淀粉含量与分子量特征

研究表明，不同稻米淀粉的绝对分子量和分子量分布存在差异。籼米淀粉具有较高的重均分子量（Mw）和数均分子量（Mn），粳米居中，而糯米尽管直链淀粉含量最低，却显示出较高的表观Mw和较大的重量平均回转半径（Rw），这归因于其较高的长支链淀粉比例易形成缠结或聚集体。经LSRTT后，所有三种淀粉的直链淀粉含量略有增加。分子量参数呈稻米类型依赖性变化：籼米和糯米淀粉的Mw和Mn降低，而粳米升高。

3.2 链长分布

所有样品的CLD均呈现典型双峰分布，主峰位于聚合度（DP）13-14，次峰位于DP 38-42。B1链占比最高（约45-48%）。籼米淀粉的A链比例最低而B3+链比例较高，粳米未处理样品A链比例较高，糯米虽直链淀粉含量最低但A链比例较高。LSRTT后，籼米淀粉的链段分数变化甚微；粳米淀粉的A和B1链比例下降，B2和B3+链比例上升；糯米则呈现相反趋势，A和B1链比例增加，B2和B3+链减少。

3.3 粒径分布

体积加权平均直径D[3,4]在粳米和糯米处理后显著减小，而籼米无显著变化。

3.4 形态学特性

扫描电镜显示，所有样品均保留了颗粒轮廓，差异主要体现在颗粒排列和表观聚集程度上。籼米和粳米处理后颗粒边界更清晰，糯米处理后单个颗粒更易区分，大簇状物减少。

3.5 晶体结构

所有样品均保留A型结晶模式。相对结晶度在籼米、粳米和糯米中分别增加了6.88、6.43和9.40个百分点。研究人员认为，水分辅助下的局部重排有利于更有序的链堆积，但增强的结晶有序性不能仅归因于短链比例的增加。

3.6 短程有序结构

傅里叶变换红外光谱显示，所有样品在LSRTT后1047/1022 cm^-1的吸光度比值（R_1047/1022）均增加，表明短程分子有序度增强。

3.7 水合性质

所有三种稻米淀粉在处理后，水溶指数和膨胀势均显著增加，表明在测量条件下溶解性和溶胀性增强。

3.8 热学性质

未处理样品中，籼米表现出最高的峰值温度（Tp）、终止温度（Tc）和糊化焓（ΔH）。LSRTT后，籼米淀粉的ΔH从13.96 J/g显著增至17.60 J/g，Tc升高；粳米和糯米的ΔH则显著降低。这表明，尽管XRD和FTIR显示结构有序度增加，但ΔH仅在籼米中增加，揭示了长程有序、局部有序和热力学行为并非同步变化。

3.9 糊化特性

LSRTT产生了不同的糊化响应。籼米淀粉的峰值粘度和最终粘度显著降低；粳米淀粉的峰值粘度从3837.50 cP增至4168.00 cP；糯米淀粉的峰值粘度、崩解值和糊化温度显著降低。峰值粘度的变化方向与分子量的变化相对应。

3.10 淀粉凝胶的流变学和质构特性

所有样品的储能模量（G′）均大于损耗模量（G″），呈弹性行为主导。LSRTT后，籼米淀粉凝胶的G′和G″低于对照，但冷藏后硬度显著增加；粳米淀粉凝胶的G′、G″、硬度和压缩功均显著增大；糯米淀粉凝胶的流变曲线重叠，质构无显著差异。

3.11 相关性分析

探索性皮尔逊相关分析表明，A链分数与B2和B3+链分数负相关，与相对结晶度和短程有序度正相关。分子量与相对结晶度和短程有序度正相关，但与峰值粘度、最终粘度和凝胶硬度负相关。B3+链分数与糊化峰值温度和糊化温度正相关，但与有序度指标负相关。

总结与结论

本研究证明了稻米籽粒经LSRTT后，其分离淀粉的多尺度结构和功能性发生稻米类型依赖性的变化。所有三种淀粉均保留A型结晶模式，并表现出增加的相对结晶度、短程分子有序度、水溶指数和膨胀势。然而，它们的分子和功能性响应各异。籼米淀粉的分子量降低，糊化焓增加但峰值和最终粘度降低；粳米淀粉分子量增加，峰值粘度、凝胶硬度和压缩功增大；糯米淀粉分子量降低，糊化温度和崩解值降低，凝胶硬度无显著变化。这些发现表明，共同的结构有序度增加可伴随不同的加工响应，凸显了在解释淀粉功能性时考虑分子架构和稻米类型的重要性。研究结果为通过LSRTT谷物加工获得的淀粉识别了潜在应用方向：处理后的糯米淀粉因溶解性提高和糊化温度降低，适用于需后续加热的速食糯米制品；处理后的粳米淀粉因硬度和压缩功增大，适用于需更坚实质地的米基凝胶食品。这些应用方向有待在相应食品配方中验证。