不同品种大米理化性质及其淀粉结构对米饭食用品质的影响

薛 薇， 张聪男， 王 莉*， 陈正行

（1.江南大学 食品学院，江苏 无锡 214122；
2.江苏省农垦农业发展股份有限公司，江苏 南京 210019）

我国大米资源丰富、品种众多[1]，是人们的日常主食之一。水稻种植适宜性强，具有稳产、高产、经济效益高的特点，在粮食产业中占据重要地位[2]。随着人民生活水平的提高，消费者的需求从“吃饱”向“吃好”转变，对大米的外观、口感、滋味、硬度、黏度、弹性等食用品质的要求越来越高，消费者期望购买到适口性佳、香味纯正、滋味回甘、低垩白、冷后不易回生等食用品质佳的大米。质构特性和食味品质是米饭食用品质的重要评价指标，采用质构仪和米饭食味计可以快速、准确地评价米饭的食用品质[3-4]。

大米由淀粉、蛋白质和脂肪等组成，这些组分对大米品质起着关键作用[5]。其中，淀粉作为大米的重要组分，是决定大米食用品质的重要因素。大米淀粉由线性的直链淀粉和多分支的支链淀粉组成[6]。通常认为，直链淀粉含量过高的米饭硬度大、黏度小、蓬松干燥无光泽，综合评分较低；
直链淀粉含量过低的米饭质地软而黏，弹性差[7]；
直链淀粉含量适中的米饭软而不黏，口感较好。然而这一结论并不具有普适性，比如也有直链淀粉含量相近但食用品质相差甚远的大米。目前，多数研究集中在直链淀粉含量对大米食用品质的影响上，淀粉结晶特性、热特性、糊化特性等结构特性对其食用品质的影响鲜少报道。因此，作者以12种不同品种的大米为研究对象，将大米淀粉提取分离，采用相关性分析法比较不同品种大米淀粉的糊化特性、热特性、结晶特性和表面有序度与米饭食用品质的关系，阐释淀粉结构对米饭食用品质的影响机制，为大米适宜性加工和优质稻的育种提供理论基础。

1.1 材料

泰国茉莉香米（籼米）和禾银丝苗（籼米）：购自深圳泰香米业有限公司；
越光：购自日本当地超市；
稻花香2号：购自浙江正方米业有限公司；
苏香粳100号、南粳9108、南粳46、淮稻5号、华粳5号、武育糯481（糯米）、嘉优中科1号（籼米）、Ⅱ优118籼米（籼米）：购自江苏农垦有限责任公司。未特别说明的品种均为粳米。

1.2 仪器与设备

RVA4500型快速黏度分析仪：澳大利亚波通公司产品；
DSC3型差示扫描量热仪：瑞士梅特勒-托利多公司产品；
D2 PHASER型X射线衍射仪：德国布鲁克AXS公司产品；
IS10型傅里叶红外光谱仪：美国Nicolet公司产品；
TA.XTPlus型物性分析仪：英国SMS公司产品。

1.3 实验方法

1.3.1 大米基本成分的测定将大米用粉碎机粉碎（100目筛），蛋白质、脂肪、总淀粉和直链淀粉含量的测定分别参照GB5009.5—2010、GB5009.6—2016、GB5009.9—2008、GB/T15683—2008。

1.3.2 米饭食味值的测定称取大米30 g放入不锈钢杯中，用蒸馏水淘洗3次，加入蒸馏水42 g浸泡30 min，浸泡结束后放入电蒸锅中蒸煮30 min，保温10 min，将保温好的米饭搅拌均匀，在室温下冷却120 min，使用米饭食味计测定米饭食味值。称取米饭8.0 g，放入半径15 mm、高度9 mm的不锈钢环中，使用压片机将不锈钢环分别正压和反压15 s，将得到的米饼放入米饭食味计中，测定米饭食味值。

1.3.3 米饭质构的测定米饭的质构分析选用TPA模式，采用P/35探头。将测定完米饭食味值的米饼平放在测试台进行测试。测试参数设置：压缩比50%，测定高度1.5 cm，测前速度1.0 mm/s，测试速度1.0 mm/s，测后速度1.0 mm/s，触发力5 g。

1.3.4 大米淀粉的提取大米淀粉的提取方法参照文献[8]并适当修改。称取大米粉50 g，加质量分数0.2% NaOH溶液400 mL，在25℃下磁力搅拌30 min后，室温下放置12 h，每4 h更换一次NaOH溶液；
使用200目筛网将淀粉悬浮液过滤，淀粉层用蒸馏水洗涤，在4000 g下离心10 min，除去上清液、上层黄色蛋白质和杂质层，将淀粉层再次用蒸馏水洗涤，直到完全除去黄色层；
最后，将白色淀粉沉淀物重悬于250 mL蒸馏水中，通过加入盐酸溶液中和至pH 7.0，然后在4000 g下离心10 min；
多次用蒸馏水洗涤沉淀物。将提取的大米淀粉进行冷冻干燥，粉碎过100目筛，即得大米淀粉。采用总淀粉试剂盒测定大米淀粉中的总淀粉，所有样品中总淀粉质量分数均高于98.5%（以干质量计）。

1.3.5 糊化性质的测定大米淀粉的黏度曲线测定参照GB/T 24852—2010。

1.3.6 结晶性质的测定通过X-射线衍射仪获得大米淀粉的晶体结构和相对结晶度，扫描角度为2°～40°，目标电压40 kV，电流30 mA，扫描速度2°/min，步长0.02°。测量前，将淀粉样品用饱和NaCl溶液在室温下恒湿一周。利用JADE 6.5软件计算大米淀粉的相对结晶度。

1.3.7 热性质的测定通过差示扫描量热法测定大米淀粉的热性质。精确称量3 mg（干质量）淀粉样品于坩埚里，加入6.0 μL蒸馏水。以空坩埚为参照，在室温下平衡12 h后进行测试。扫描温度为25～100℃，扫描速率10℃/min，氮气流量50 mL/min。

1.3.8 表面有序度的测定通过傅里叶红外光谱仪测定大米淀粉颗粒表面有序结构。将大米淀粉和KBr按照质量比1∶150置于研钵中混合均匀，并用模具将细粉压制成2 mm透明压片进行扫描。扫描次数为32次，扫描波数为4000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1。使用OMNIC 8.2处理数据，通过基线自动校正分析1200～800 cm-1处的光谱并进行去卷积处理，半峰宽和增强因子分别设置为19 cm-1和1.9。

1.3.9 数据分析所有实验均重复进行3次，以平均值±标准差表示。采用SPSS 19.0统计软件进行相关性分析和显著性分析，显著性分析采用Ducan多重检验。采用Origin 9.0绘图。

2.1 不同品种大米的理化特性、食味品质与质构特性分析

2.1.1 理化特性从表1可知，12种大米的直链淀粉和蛋白质质量分数存在显著差异（P＜0.05），大米直链淀粉主要受遗传因素和外部环境条件的影响[9]。直链淀粉质量分数为0～21.16%，其中，武育糯481直链淀粉为0，表明该淀粉仅由支链淀粉组成；
江苏推广的软米品种如苏香粳100号、南粳9108和南粳46的直链淀粉质量分数为8.78%～9.68%，低直链淀粉质量分数使得软米米饭软而不烂、弹性好、冷饭质地佳、回生程度小[10]，深受我国南方地域消费者的喜爱。12种大米蛋白质质量分数为5.33%～9.18%，武育糯481蛋白质质量分数最高，泰国茉莉香米的蛋白质质量分数最低。蛋白质质量分数受地域影响较大，南方地域大米的蛋白质质量分数显著高于北方地域（P＜0.01），高温条件会有利于蛋白质的累积[11]。泰国茉莉香米脂肪质量分数最高，表明该米食用品质较佳[12]。

表1 大米的理化性质Table 1 Physicochemical properties of rice

2.1.2 食味品质感官评价的主观性强，不同地域人群对米饭有不同的偏好度，而使用食味计测定米饭食味值周期较短、流程简单、重复性好，能够快速、准确评价大米的食用品质[13]。此外，有研究报道感官评定总分与食味计总分呈显著正相关[15]。由表2可知，II优118的食味值最低，其次是武育糯481和华粳5号；
而南粳系列软米的食味值普遍较高，仅次于越光、禾银丝苗和泰国茉莉香米。综上，泰国茉莉香米、禾银丝苗、越光、苏香粳100号、南粳9108和南粳46具有较高的食味值。

表2 大米的食味品质与质构特性Table 2 Taste value and textural properties of cooked rice

2.1.3 质构特性质构是一种多参数感官特性，硬度是米饭最常用的感官参数[14]。从表2可知，不同品种的米饭在硬度、黏度、胶着性方面差异较大，在弹性、凝聚性和回复性方面差异较小。嘉优中科1号的硬度、弹性均最高，分别为3748.45 g、0.82。泰国茉莉香米的凝聚性、胶着性和回复性最高，分别为0.43、1458.78、0.19。不同品种大米之间质构参数差异较大，表明不同地域和不同基因型的大米制备的米饭间差异显著。综合比较，嘉优中科1号和Ⅱ优118的硬度、弹性较高，黏度、凝聚性和回复性较小，过高的硬度和过低的黏度导致其米饭质地较差，食味值较低。南粳46和南粳9108表现出与越光相似的质构特性，因为二者的父本都为关东194，是日本选育的粳型常规水稻。二者食味值稍低于越光，硬度高于越光，黏度与越光接近，均表现出合适的硬度与黏度，同时也具有较高的食味值。将不同品种米饭的硬度进行聚类分析，结果见图1。聚类距离为5～10时，根据米饭硬度分为2个亚类，武育糯481、苏香粳100号、南粳9108、南粳46、越光、淮稻5号、华粳5号、稻花香2号为一类，泰国茉莉香米、禾银丝苗、嘉优中科1号、Ⅱ优118为另一类，说明米饭硬度的差异性归因于品种差异。在同一亚类中，稻米类型对米饭硬度有着相似的影响。

图1 米饭硬度聚类分析图Fig.1 Cluster analysis chart for the hardness of cooked rice

2.1.4 大米的理化特性、食味品质与质构特性相关性分析从表3可知，米饭食味值与蛋白质质量分数呈极显著负相关（P＜0.01）。当蛋白质质量分数高于9%时，米饭松散、颜色暗、感官评分低[19]。然而，米饭食味值与直链淀粉质量分数无显著相关性，这可能是因为选取的12种原料中包括一些特殊培育的品种，如南梗系列、泰国茉莉香米、禾银丝苗，均是经过改良培育的低直链淀粉质量分数优质大米品种，这与前人的研究结果基本一致[15-16]。对于苏香粳100、南粳9108、南粳46而言，食味值随着直链淀粉质量分数的增加而增加。直链淀粉质量分数与米饭硬度呈极显著正相关，与米饭凝聚性呈极显著负相关（P＜0.01），直链淀粉质量分数越高，蒸煮时加水量越多，米饭越松散，不易成型，冷后易老化，硬度增大，凝聚性减小。蛋白质质量分数与米饭的胶着性呈极显著负相关（P＜0.01），蛋白质质量分数升高，米粒的吸水性降低，米饭的硬度升高，破碎米饭所需要的能量越大。因此，不能仅仅通过直链淀粉质量分数判断大米食用品质的优劣，还需研究淀粉结构与米饭食味值和质构特性的关系。

表3 大米理化特性、食味品质与质构特性的相关性分析Table 3 Correlation analysis between the physicochemical properties,taste value and textural properties of rice

2.2 不同品种的大米淀粉结构特性

2.2.1 糊化特性不同品种大米的糊化参数见表4。大米淀粉的糊化特性与品种、直链淀粉质量分数、支链淀粉的链长分布和结晶度等因素相关[17]。不同品种大米淀粉糊化参数之间存在显著差异。结果显示，苏香粳100峰值黏度最高（3962.5 mPa·s），禾银丝苗崩解值最高（2554.0 mPa·s），Ⅱ优118终值黏度最高（3591.0 mPa·s），华粳5号回生值最高（1468.0 mPa·s），Ⅱ优118糊化温度最高（79.17℃）。一般来说，峰值黏度的高低与淀粉颗粒的膨胀能力有关，体现了淀粉颗粒的膨胀程度和结合水的能力，并与体系最终质量有关。南粳9108、南粳46和苏香粳100号的峰值黏度均高于3600 mPa·s，表明此3种大米淀粉糊黏性较强。崩解值反映了淀粉糊抗热和抗剪切能力，崩解值越大，淀粉糊体系稳定性越差，体系抗热和抗剪切能力越弱。苏香粳100号、南粳9108、南粳46、泰国茉莉香米、禾银丝苗和越光大米淀粉的热稳定性差。回生值体现淀粉短期老化的差异，回生值越大，淀粉糊冷却后稳定性越差，凝胶能力越强，容易发生短期老化。武育糯481淀粉回生值较低，冷却后不易短期老化，仍能保持较好的品质；
而华粳5号和Ⅱ优118的回生值最大，最易老化，老化后硬度快速增加，大米品质较差。与嘉优中科1号、Ⅱ优118相比，苏香粳100、南粳9108、南粳46、泰国茉莉香米、禾银丝苗和越光大米淀粉的糊化温度较低，这类米制品在蒸煮时需严格控制加水量。

表4 不同品种大米淀粉糊化过程中的特征值Table 4 Characteristic values of rice starch from different varieties during gelatinization

2.2.2 热特性、结晶特性和有序度淀粉主要以颗粒的形式存在，淀粉颗粒由无定形区和半结晶生长环组成，结晶结构和非结晶结构可以采用XRD图谱表征，结晶区呈现尖峰特征，非结晶区呈现弥散特征[18]。从图2（a）可知，大米淀粉表现了典型的A型衍射图谱，衍射峰主要集中在15°～23°，在15°、17°、18°和23°处有高强度的衍射峰，其中17°和18°处是双峰且衍射强度最强[19-20]。虽然不同品种的大米淀粉在图谱上出峰位置大致相同，但相对结晶度具有显著差异。12种大米淀粉的相对结晶度为22.05%～31.15%（见表5），其中，武育糯481的相对结晶度最高，其次是苏香粳100号、南粳9108、南粳46，稻花香2号淀粉的相对结晶度最低。软米的直链淀粉质量分数相对较低，可以推测大米淀粉的相对结晶度与直链淀粉质量分数有一定关系[21]。支链淀粉的外链可以形成双螺旋结构，从而相互结合形成晶体结构域，在支链淀粉质量分数高的淀粉中，结晶度的高低与支链淀粉外链间的双螺旋结构紧密相关[22]。除此之外，相对结晶度也与糊化温度、支链淀粉链长分布关系密切[23]。

将FTIR技术和波谱去卷积处理方法联合运用可研究淀粉粒外部区域的结构，虽然FTIR光谱无法区分淀粉晶体类型，但是相同晶体类型具有相似的红外光谱。1047 cm-1/1022 cm-1表示淀粉结晶区与非结晶区的比值，可以反映淀粉粒的有序度[24]。图2（b）显示12种大米淀粉在去卷积处理后的谱图相同，说明12种淀粉的晶型相似，与XRD结果一致。但是颗粒表面有序度（1047 cm-1/1022 cm-1）结果差异显著，从表5可知，南粳9108、南粳46和淮稻5号的淀粉颗粒表面有序度均低于0.850，而禾银丝苗、越光和Ⅱ优118淀粉颗粒表面有序度均高于0.900，这可能是直链淀粉质量分数与支链淀粉的精细化结构有关[25]。

图2 不同品种大米淀粉的XRD图谱及红外光谱Fig.2 XRD patterns and infrared patterns of rice starch from different varieties

大米淀粉的热特性可能受大米的生长环境和基因型的影响。根据糊化温度可以将淀粉分为以下3类：低糊化温度淀粉、中等糊化温度淀粉和高糊化温度淀粉，分别对应66.6～70.5℃、73.5～77.6℃、79.7～82.5℃。从表5可知，12种大米淀粉的糊化起始温度、峰值温度和终值温度差异显著，糊化起始温度为55.10～66.54℃，峰值温度为61.75～72.53℃，终值温度为69.75～81.80℃。其中，南粳46和稻花香2号具有较低的糊化起始温度和峰值温度，嘉优中科1号和Ⅱ优118具有较高的糊化起始温度、峰值温度和终值温度。随着直链淀粉质量分数的增加，淀粉的糊化温度也逐渐增加，与前人的研究结果相一致[26-27]。热焓值反映了淀粉在糊化过程中所需要吸收的能量。热焓值为8.44～11.83 J/g，其中，淮稻5号淀粉的热焓值最低，武育糯481淀粉的热焓值最高，说明其双螺旋结构较多，淀粉糊化过程需要更多的能量破坏淀粉的晶体结构[28]。

2.2.3 大米淀粉的结构与米饭特性的相关性米饭的食味品质和质构特性与淀粉的糊化特性密切相关。由表6可知，淀粉的峰值黏度和崩解值与米饭食味值呈极显著正相关（P＜0.01）；
淀粉的终值黏度和回生值与米饭的硬度呈显著正相关（P＜0.05），淀粉的糊化温度与米饭的硬度呈极显著正相关（P＜0.01）；
米饭的凝聚性和淀粉的谷值黏度、终值黏度、回生值、糊化温度呈极显著负相关（P＜0.01）；
米饭的胶着性和淀粉的崩解值呈极显著正相关（P＜0.01）；
米饭的回复性和淀粉的糊化温度呈显著负相关（P＜0.05）。淀粉终值黏度越高、回生值越大，冷却后老化速度越快，米饭硬度越高，同时，淀粉糊化温度越高，米饭的回复性越差，米饭很难恢复到原来的形状，导致口感变差。因此，华粳5号、嘉优中科1号、Ⅱ优118表现出较差的食用品质，越光、南粳46、南粳9108、泰国茉莉香米、禾银丝苗表现出较优的食用品质。相关性分析表明，淀粉的相对结晶度、表面有序度和热焓值与米饭的食味品质和质构特性关系不显著；
而淀粉糊化的起始温度和峰值温度与米饭的硬度呈极显著正相关（P＜0.01）；
淀粉糊化的峰值温度与米饭的黏度呈显著负相关（P＜0.05），与回复性呈极显著负相关（P＜0.01），说明淀粉糊化的起始温度和峰值温度越高，蒸煮米饭时所要的能量越高，米饭的硬度越大，黏度和回复性越低，米饭的食用品质不佳。

表6 大米淀粉的结构与米饭特性的相关性Table 6 Correlation analysis between the starch structure and cooked rice properties

续表6

作者对12种大米的理化组成、食味品质和质构特性进行了测定和差异性分析，继而分别考察了食味品质和质构特性与大米淀粉糊化性质、结晶特性、热特性和颗粒表面有序度之间的相关性。结果表明，泰国茉莉香米、禾银丝苗、越光、苏香粳100号、南粳9108和南粳46具有较高的食味值。不同品种大米直链淀粉质量分数与米饭的食味品质关系不显著，不能仅用直链淀粉质量分数作为评判米饭食用品质的唯一指标。米饭食味值主要与淀粉的糊化参数存在显著相关性，与峰值黏度和崩解值呈极显著正相关关系。米饭的质构和淀粉的糊化特性有一定的相关性，尤其是米饭的硬度、凝聚性和回复性，其他质构参数均与淀粉特性无显著相关性，说明淀粉的糊化特性极大程度上决定了米饭的硬度、凝聚性和回复性。该研究阐释了大米理化性质及淀粉结构对米饭食用品质的影响机制，为大米适宜性加工和优质稻的培育提供了理论基础。