乙醇-海藻糖耦合处理通过水态调控加速速冻熟米饭解冻

《Journal of the Science of Food and Agriculture》：Coupled ethanol–trehalose processing accelerates thawing of rapid-frozen cooked rice through water-state modulation

　　

背景
冷冻能够保存熟米饭，但冰晶形成和水分重新分布会导致其结构和质地劣化。本研究考察了乙醇浸泡与海藻糖辅助蒸煮单独及联合处理对冻融行为、水态、质地和微观结构的影响。将大米浸泡于水或含有700 mL L^?1乙醇的乙醇水溶液中，在水或海藻糖溶液（30 g L^?1）中蒸煮，在?20或?55 °C下冷冻，在?18 °C下储存7天，并在27 °C下被动解冻。
结果
在?55 °C下冷冻的乙醇浸泡/海藻糖蒸煮样品（ET55）表现出最高的冷冻速率（1.37 °C min^?1）和最短的解冻时间（34.3 min）。差示扫描量热法（DSC）显示，联合处理样品的表观熔融焓和可冻结水含量较低；ET55的值分别为56.8 J g^?1和170.3 g kg^?1。时域核磁共振（TD-NMR）显示，ET样品的T_2b和T_2c弛豫时间比相应的水浸泡/水蒸煮对照短，表明弱结合水和自由水的迁移率受限，且自由水的相对信号幅度未降低。对?20 °C冷冻样品进行扫描电子显微镜（SEM）观察显示，联合处理产生了孔隙更小的致密冻干基质。ET55的硬度数值上接近其新鲜蒸煮对应样品。
结论
将乙醇-海藻糖处理与?55 °C快速冷冻相结合，可获得最短的被动解冻时间。这一结果与较低的可冻结水含量、较低的表观熔融焓以及受限的水分迁移率相关。因此，这种联合方法可能提高冷冻熟米饭的解冻效率和冻融稳定性。

论文解读：乙醇-海藻糖耦合处理通过水态调控加速速冻熟米饭解冻

大米是全球消费最广泛的主粮之一，也是韩国日常饮食与食品工业的核心成分。近年来，随着生活方式转变、单人家庭增加以及对便利性的需求，即食米饭产品日益普及。即食米饭的生产通常包括浸泡、蒸煮、速冻和卫生包装等工序，旨在延长货架期并保持口感。然而，冷冻过程中冰晶形成和水分重新分布会显著改变熟米饭的淀粉结构、淀粉-蛋白网络及质构特性。冷冻速率是决定冰晶尺寸与分布的关键因素：慢速冷冻形成大冰晶，对淀粉-蛋白网络造成较大机械损伤；快速冷冻则形成细小且均匀分布的冰晶，减少结构破坏。因此，调控冰晶形成对高品质冷冻熟米饭的生产至关重要。近年来，天然冷冻保护剂如海藻糖被广泛研究。海藻糖是一种非还原性二糖，能稳定生物分子、抑制冰晶生长、保持淀粉颗粒完整性并减少水分损失。与蔗糖相比，海藻糖可形成更小、更圆润的冰晶，从而减轻对食品基质的损伤。另一方面，乙醇能够通过改变氢键相互作用和基质孔隙率来修饰淀粉结构，影响水分吸收和冰晶形成。鉴于二者机制的互补性，将乙醇浸泡与海藻糖辅助蒸煮相结合，可能成为一种通过水态调控改善熟米饭冷冻及解冻行为的有效策略。然而，截至目前，将乙醇浸泡作为基质修饰预处理用于改善熟米饭冻融行为的研究尚未见报道，且乙醇与海藻糖联合处理对熟米饭冻融行为的影响也缺乏系统评价。

本研究由韩国研究人员开展，旨在探究乙醇浸泡（700 mL L^?1乙醇溶液）和海藻糖辅助蒸煮（30 g L^?1海藻糖溶液）单独及联合处理，以及不同冷冻温度（?20、?55 °C）对熟米饭冷冻动力学、解冻行为、水态、质构稳定性及微观结构的影响，并阐明冻融稳定性与解冻行为的潜在机制。研究使用的原料为韩国Samkwang品种精米（2022年收获），由韩国农村发展管理局国家作物科学研究所提供。大米经水或乙醇溶液浸泡、水或海藻糖溶液蒸煮后，在设定温度冷冻至中心温度达?18 °C，随后在?18 °C储存7天，并在27 °C下被动解冻。研究人员系统监测了冷冻时间、冷冻速率和解冻时间，并采用差示扫描量热法（DSC）分析热转变特性和可冻结水含量，采用时域核磁共振（TD-NMR）测定横向弛豫时间（T₂）及不同水分群落的相对信号幅度，采用质构仪测定硬度、黏着性、内聚性和咀嚼性，采用扫描电子显微镜（SEM）结合ImageJ图像分析观察孔隙结构。主要结论为：乙醇-海藻糖耦合处理结合?55 °C快速冷冻显著提高了冷冻速率、缩短了解冻时间，降低了可冻结水含量和表观熔融焓，并限制了弱结合水和自由水的迁移率，从而改善了冻融稳定性。该研究发表于《Journal of the Science of Food and Agriculture》，为冷冻熟米饭的品质改良提供了新思路。

在关键技术方法上，研究人员使用了多通道探针温度计连续监测样品中心温度以计算冷冻速率和解冻时间；利用DSC获取熔融转变的起始温度（T_o）、峰值温度（T_p）、结束温度（T_c）及表观熔融焓（ΔH），并按ΔH_样品/ΔH_水计算可冻结水含量；采用TD-NMR（Carr–Purcell–Meiboom–Gill脉冲序列）获得T₂弛豫分布，将水分划分为紧密结合水（T_2a）、弱结合水（T_2b）和自由水（T_2c）三个群落；使用质构仪进行两次压缩测试；利用SEM在×250放大倍数下观察冷冻干燥样品的孔隙形貌，并通过ImageJ分析孔隙面积分数和平均孔隙面积。所有统计均采用单因素方差分析和Duncan多重比较检验（P < 0.05）。

研究结果分为五个部分。

**冷冻速率、解冻时间和水分含量**
以?20和?55 °C冷冻熟米饭，冷冻时间范围为39.0–449.3 min，冷冻速率为0.12–1.37 °C min^?1。仅海藻糖处理（WT）和乙醇+海藻糖联合处理（ET）在?55 °C下进入快速冷冻区间（>0.83 °C min^?1），其中ET55取得最高冷冻速率（1.37 °C min^?1）和最短冷冻时间（39.0 min），对应最短解冻时间（34.3 min）。海藻糖处理降低了样品水分含量（461.3–506.1 g kg^?1，对照为563.1–568.3 g kg^?1），有利于加速冰成核；乙醇处理则因增加淀粉基质孔隙和持水性而倾向于降低冷冻速率。解冻时间不仅受水分含量影响，还与冷冻速率、表观熔融焓和水分迁移率相关。

**质地特性**
冷冻储存7天后，所有冷冻样品硬度均高于新鲜蒸煮对照（WWC）。但与各自非冻对照相比，WT20、WT55和ET55的硬度变化极小（?0.5%至?0.2%），表明这些样品的硬度差异主要来自处理对初始质地的影响，而非冻藏期间的劣化。慢速冷冻（?20 °C）样品硬度增加更显著，快速冷冻（?55 °C）样品硬度相对较低。乙醇处理倾向于降低黏着性并增加硬度（EW20黏着性最低，为1.376 N·s），海藻糖则主要通过稳定水分分布减轻冰晶损伤。但海藻糖并非普遍降低硬度，ET20硬度最高（29.614 N），说明其效果依赖冷冻条件。研究同时指出，未直接测定淀粉回生，质构变化仅作为回生间接指标，尚需直接结构表征以区分淀粉重排与冻融结构破坏的贡献。

**可冻结水含量**
DSC分析显示，WW20具有最高ΔH（168.0 J g^?1）和可冻结水含量（503.7 g kg^?1）。降低冷冻温度至?55 °C使WW55的ΔH降至104.1 J g^?1，可冻结水含量降至312.1 g kg^?1。海藻糖处理（WT）进一步降低二者，乙醇处理（EW）则产生中等程度影响。联合处理ET20和ET55表现出最低的ΔH（59.6和56.8 J g^?1）和最低可冻结水含量（178.7和170.3 g kg^?1）。将可冻结水含量按总含水量归一化后，WW20的比值约为0.895，WW55降至0.549，ET55仅为0.369，说明ET55可冻结水的减少不仅源于含水量降低，还源于参与冰熔融转变的水比例减少。ET55的峰值温度T_p最低（3.9 °C），表明其相变所需热能最低。联合处理组的可冻结水含量主要由处理本身决定，受冷冻温度影响不显著。

**孔隙微观结构**
由于?55 °C冷冻样品冻干后呈致密半透明状，无法可靠进行SEM和ImageJ孔隙分析，因此仅对?20 °C样品进行观察。WT20的孔隙面积分数（0.0148）低于对照WW20（0.0292），但平均孔隙面积较大（4.54 vs. 3.89 μm2），表明海藻糖稳定基质并减少碎片化。EW20的孔隙面积分数与对照无显著差异，但平均孔隙面积最大（5.01 μm2），与乙醇破坏淀粉氢键、形成疏松结构有关。联合处理ET20具有最低孔隙面积分数（0.0125）和最小平均孔隙面积（1.95 μm2），形成致密、细小且分布均匀的孔隙结构，尽管其外层出现因脱水引起的表面裂纹，但整体基质更紧凑，冰晶损伤更小。

**核磁共振分析**
TD-NMR将水分分为三个群落：T_2a（0.6–1.0 ms）、T_2b（12.3–19.4 ms）和T_2c（160.5–211.1 ms）。ET20和ET55的T_2b和T_2c显著短于其他样品，表明弱结合水和自由水的迁移率受到限制。同时，ET样品的紧密结合水相对信号幅度（A_2a）最高（ET20为7.20%，ET55为8.70%），而弱结合水信号（A_2b）占比略有下降，说明水分向更强结合状态转移。尽管ET样品的自由水相对信号幅度（A_2c）未低于对照，但其弛豫时间显著缩短，证实水分固定主要通过弛豫时间缩短和重新分布实现。该结果与DSC结果一致，表明乙醇-海藻糖处理减少可参与冰熔融的水量，并限制残余水分的移动性，从而降低解冻热需求，加速解冻。

**总结讨论与结论**
讨论部分指出，乙醇浸泡可能通过破坏淀粉间氢键改变基质结构，影响水分分布；海藻糖则通过强氢键作用与结合水相互作用，减少可冻结水并限制水分迁移。在?55 °C快速冷冻下，这些效应协同降低了表观熔融焓和冰熔融所需热量，并限制了弱结合水与自由水的迁移，从而缩短了解冻时间。同时，联合处理对初始质地有一定修饰，但在冻藏期间保持了硬度与黏着性的稳定性，微观结构上形成更紧凑、孔隙更细小的基质。结论认为，乙醇-海藻糖处理结合快速冷冻是一种提升冷冻熟米饭解冻效率和冻融稳定性的可行策略，为通过水态和基质结构协同调控改善冷冻米饭品质提供了实际路径。