长期储存低直链淀粉香米的热风热处理再生策略：干燥动力学、微观结构与米饭质构的影响

《Foods》：Hot-Air Thermal Pre-Treatment as a Rejuvenation Strategy for Long-Stored Low-Amylose Aromatic Rice: Effects on Drying Kinetics, Microstructure, and Cooked-Rice Texture

　　

本研究考察了热风热处理是否可通过诱导表面裂纹促进水分吸收，从而对储存12个月的Khao Dawk Mali 105（KDML 105）香米进行再生处理。陈米在40、60、80、100和120 °C温度下干燥至目标水分含量10%、8%、6%和4%湿基（w.b.），共形成16种组合，干燥时间由薄层干燥模型预测。研究人员将干燥动力学、裂纹形态、吸水特性、色泽及米饭质构与新鲜米（储存2个月）和未经处理的陈米进行了比较。Two-term模型和Page模型对干燥过程的描述较为准确（R2 > 0.982，RMSE < 0.039）。透射光成像显示所有预处理样品均出现表面裂纹网络。水分吸收符合Peleg模型，初始吸水速率（1/K1）由未经处理陈米的0.026%/s升至0.099–0.198%/s，有效水分扩散系数（Deff）由0.63升至1.04–1.35 × 10?10 m2/s。干燥至10% w.b.使硬度由25.09 N降至16.28–18.53 N，与新鲜米（16.70 N）相当，而干燥至4% w.b.则使硬度再次升高（23.27–25.11 N）；黏性未能恢复。多目标优化结果表明，在各干燥温度下，10% w.b.均为决定性因素，其中T40–M10得分最高（CI = 0.509；相对CI = +0.118）。将干燥终点设定在10% w.b.而非所采用的干燥温度，是成功实现质构再生的主要决定因素，而在所有测试条件下黏性均未能恢复。

论文解读

一、研究背景与问题

大米是全球人口主要的碳水化合物和能量来源，淀粉约占其干重的80%–90%。消费者对米饭的接受度主要取决于其质构特性，其中硬度和黏性是最重要的两个感官属性。多数亚洲消费者偏好柔软黏糯的米饭，这一特征在KDML 105这一以软质口感和独特香气著称的低直链淀粉香米品种中尤为突出。然而，大米在长期储存后会发生自然老化，导致蒸煮后质地变硬，硬度增加而黏性显著下降，直接损害食用品质并降低消费者满意度。

老化过程在所有稻米品种中均会发生，但程度和模式因品种而异。一般而言，储存超过三个月的大米即开始出现理化性质的明显劣变，被称为陈米。KDML 105老化后表现为特征香气丧失、色泽改变和黏度下降，其根源在于籽粒内部淀粉、蛋白质和脂质在分子层面的结构重组。质构劣变是影响食用品质的主要障碍：硬度增加归因于蛋白质网络的硬化以及淀粉精细结构的改变，后者加速了米饭冷却过程中的回生；黏性下降则归因于脂质降解为游离脂肪酸后与直链淀粉形成V型结晶结构的淀粉–脂质复合物，限制了淀粉颗粒的吸水与溶胀。

由于这些变化以结构性为主，物理处理被认为是逆转老化效应的可行途径。还原剂可通过切断蛋白质二硫键恢复陈米硬度和黏性，超声波处理也可实现淀粉颗粒的解聚，但仅适用于米粉而非完整米粒。热风与红外加热已被证明可通过热诱导表面裂纹加速水分向籽粒内部的吸收从而降低陈米硬度，但微波加热效果较差，且所有热处理方法均未能改善黏性。以往研究的加热条件以单一高温下的暴露时间定义，未以籽粒状态为参照调节热负荷。以目标水分含量而非固定时间作为干燥终点，可直接控制热负荷并允许评估较低干燥温度。干燥温度与终点水分含量的何种组合能在不损害其他品质属性的前提下诱导充分裂纹以加速水分吸收，此前尚未明确。

二、研究内容与结论

本研究以商业来源的KDML 105精米为材料，按储存时间分为新鲜米（收获后储存2个月）和陈米（收获后储存12个月）两组。研究人员在40–120 °C五个温度下对陈米进行热风干燥，以10%、8%、6%和4% w.b.四个目标水分含量为干燥终点，共制备16种温度–水分组合。研究系统评估了干燥动力学、表面裂纹形态、水分吸收动力学、色泽变化和米饭质构，并通过熵权多目标优化识别使陈米性质最接近新鲜米的最佳处理条件。

研究得出以下主要结论：第一，热风预处理在全部16种条件下均诱导陈米表面形成相互连通的细裂纹网络，这些裂纹作为水分的优先通道，使浸泡过程中水分到达籽粒核心的时间由约40分钟缩短至5–10分钟。第二，终点水分含量而非干燥温度是决定质构结果的主导因素：干燥至10% w.b.时，各温度下米饭硬度均降至与新鲜米无显著差异的水平；而干燥至4% w.b.时硬度回升至与未处理陈米相当，表明过度干燥造成的热负荷抵消了裂纹带来的软化效应。第三，黏性在所有处理条件下仅略有增加，始终显著低于新鲜米，说明物理裂纹无法恢复由淀粉–脂质复合物和可溶性淀粉释放不足所决定的黏性。第四，热预处理提高了米粒的亮度和黄度，但褐变指数未超过陈米原有水平，总色差在所有条件下均超过肉眼可感知阈值，其中T40–M10处理色差最小。第五，多目标优化显示T40–M10为最优条件（CI = 0.509，相对CI = +0.118），六个条件使陈米性质向新鲜米方向移动，其中五个的终点水分含量为10% w.b.，其余条件则使性质进一步偏离新鲜米，类似加速老化而非再生。

三、主要技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：薄层干燥动力学建模（以Newton、Page、Henderson and Pabis、Logarithmic和Two-term五种模型拟合干燥曲线，以R²和RMSE评估模型精度并据此预测达到目标水分含量的干燥时间）；透射光成像技术（将完整米粒置于LED光源上以体视显微镜观察表面裂纹形态）；Peleg水合动力学模型（拟合浸泡过程中水分吸收数据以获得初始吸水速率1/K₁和容量常数K₂）；Fick第二定律无限圆柱解析解（计算有效水分扩散系数D_eff）；CIE Lab*色度系统（测定色泽参数并计算褐变指数BI和总色差ΔE）；反挤压质构测试（以质构分析仪测定米饭硬度和黏性）；熵权法多目标优化（以硬度、黏性、D_eff和ΔE四个响应变量构建加权线性综合指数CI进行条件排序）。所有测量均进行三次重复，数据经单因素方差分析和Duncan多重比较检验（p < 0.05），变量间关系以Pearson相关系数考察。

四、研究结果

干燥动力学与数学模型。 五个温度下水分含量均随干燥时间非线性下降，温度越高干燥速率越快。Two-term和Page模型在整个温度范围内对干燥曲线的描述最为准确（R² > 0.982，RMSE < 0.039），据此预测各目标水分含量所需的干燥时间。

裂纹形态与籽粒外观。 新鲜米和未处理陈米胚乳透明光滑、无可视表面裂纹；所有热预处理样品均出现表面及亚表层细裂纹，形成类似干燥裂纹图案的连通网络，半定量分级为100%表面裂纹。100和120 °C干燥至4% w.b.的样品因热诱导不透明化使裂纹对比度降低。

水分浸泡动力学与扩散系数。 预处理样品的1/K₁为0.099–0.198%/s，显著高于新鲜米（0.041%/s）和未处理陈米（0.026%/s），最高值出现在最低目标水分含量条件下。D_eff为1.04–1.35 × 10^?10 m²/s，显著高于新鲜米（0.76 × 10^?10 m²/s）和未处理陈米（0.63 × 10^?10 m²/s），未处理陈米因老化导致的蛋白质网络致密化而具有最低的D_eff。

色泽变化。 预处理使L由陈米的57.28升至62.72–68.59，a为负值且趋近于零，b*升至11.51–13.16，显著高于新鲜米和陈米。BI为19.23–21.08，与陈米（20.74）接近但高于新鲜米（17.90）。相对新鲜米的ΔE为5.37–11.14，均超过肉眼可感知阈值3.0，其中T40–M10色差最小，最大色差出现在高温低水分含量组合。

质构特性。 干燥至10% w.b.使硬度降至16.28–18.53 N，T40–M10（16.28 N）、T100–M10（16.47 N）和T60–M10（16.96 N）与新鲜米（16.70 N）无显著差异；干燥至4% w.b.使硬度升至23.27–25.11 N，与未处理陈米（25.09 N）无显著差异。黏性方面，新鲜米最高（12.73 N），未处理陈米最低（5.06 N），预处理样品为5.79–7.70 N，各处理间无显著差异且均显著低于新鲜米。

相关性分析。 硬度与1/K₁（r = 0.837）、ΔE（r = 0.879）、L（r = 0.867）和b（r = 0.805）呈正相关，这种看似矛盾的关联源于二者均随目标水分含量降低而增大，受干燥严酷度混杂影响。D_eff与硬度相关性较弱（r = 0.373），与1/K₁相关性较强（r = 0.706），反映其表征通过裂纹网络的持续水分传输而非仅初始表面吸收。黏性与硬度和各动力学参数的相关性均较弱（r = ?0.185至0.306），表明黏性由蒸煮过程中可溶性淀粉的释放独立调控。

多目标优化。 新鲜米CI最高（0.913），预处理样品中T40–M10排名第一（CI = 0.509），其后依次为T100–M10（0.502）、T80–M10（0.490）和T60–M10（0.456），T100–M4最低（0.103）。以未处理陈米为基线的相对CI显示，新鲜米为+0.522，六个条件向新鲜米方向移动（T40–M10 +0.118、T100–M10 +0.111、T80–M10 +0.098、T60–M10 +0.065、T100–M8 +0.027、T120–M10 +0.005），其余条件为负值，表示性质进一步偏离新鲜米。即使排名最高的条件也只恢复了陈米与新鲜米差距的四分之一以下。

五、讨论与结论

热风热处理通过诱导表面裂纹网络显著加速了陈米的水分吸收，使有效水分扩散系数提高，浸泡时水分到达籽粒核心的时间由约40分钟缩短至5–10分钟。终点水分含量而非干燥温度是决定质构结果的主导因素：干燥至10% w.b.可在各温度下将米饭硬度降至与新鲜米无显著差异的水平，而干燥至4% w.b.则使硬度回升至陈米水平，表明过度干燥造成的热负荷引起淀粉结构改变，抵消了裂纹的软化效应。黏性在所有条件下仅略有增加且始终显著低于新鲜米，这与老化过程中淀粉–脂质复合物的形成限制了淀粉溶胀和可溶性淀粉释放有关，物理裂纹无法解离这些复合物。热预处理提高了米粒亮度和黄度但未加剧褐变，总色差在温和条件下最小但仍超过视觉感知阈值。多目标优化确定T40–M10为最优条件，其相对综合指数为+0.118，仅恢复了陈米与新鲜米品质差距的不到四分之一。

结论：陈米可通过热风热处理实现部分再生，前提是将干燥终点控制在约10% w.b.。再生效果仅限于硬度恢复，黏性在所有测试条件下均未改善，恢复黏性可能需要作用于淀粉溶解释放而非仅改变籽粒物理结构的处理手段。该研究未评估营养成分和功能性质的变化，也未进行香气保留和消费者感官接受度评价，处理方案不旨在恢复KDML 105的特征香气。从工业可扩展性角度，T40–M10处理（40 °C干燥至10% w.b.）具有低能耗和较低严重热裂风险的优点，可利用常规商业谷物干燥设备实施，主要制约因素是低温干燥所需的时间较长，需通过优化风速或两段式干燥方案来平衡连续处理量。