大米淀粉結(jié)構(gòu)與質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的研究進(jìn)展

王 靜 毛慧佳 李洪巖

（北京工商大學(xué)食品與健康學(xué)院 中加食品營養(yǎng)與健康聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 北京 100048）

水稻是世界上種植最廣泛的糧食作物之一，主要分布在南亞、東亞和東南亞地區(qū)。在我國，三分之二的人們以大米為主食，其在國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位[1]。隨著生活質(zhì)量的不斷提高，消費(fèi)者對大米外觀、香氣、味道、硬度、黏度等食味品質(zhì)的要求逐漸提高。其中，米飯的質(zhì)構(gòu)（硬度、黏度）被認(rèn)為是大米食味品質(zhì)中最重要的品質(zhì)，代表了米飯的適口性，成為消費(fèi)者購買的決定性因素[2-3]。

米飯的質(zhì)構(gòu)特性受多種因素影響，如直鏈淀粉含量[4]、（收獲）后加工方式[5]、碾米程度[6]和烹煮方法[7]等。了解這些影響因素對大米質(zhì)構(gòu)特性的作用機(jī)理，將有助于大米種植、加工以及更好地控制和改善大米的食味品質(zhì)。此外，相比糙米，精白米仍然是當(dāng)下大米最廣為食用的形式。由于淀粉是精白大米的主要成分，因此，本文結(jié)合課題組前期研究成果，綜述大米淀粉結(jié)構(gòu)對米飯質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的影響機(jī)制。

1 大米質(zhì)構(gòu)特性的影響因素

首先，從大米結(jié)構(gòu)上講，米粒由外殼和穎果組成（如圖1）。經(jīng)碾磨除去外殼得到糙米，糙米各組分的質(zhì)量分布為：果皮占1%～2%，糊粉層、種皮和珠心占4%～6%，胚占2%～3%，胚乳占89%～94%。糙米經(jīng)碾米、拋光，去除皮層和胚，得到胚乳，即人們平時(shí)食用的精白大米。碾米工序會造成脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、纖維素、還原糖、總糖、灰分和微量成分（維生素、游離氨基酸和游離脂肪酸）大量損失，降低淀粉的糖化力、蛋白質(zhì)的水解力和脂肪分解力[8]。其次，從組分上看，淀粉是主要成分，占干重的90%～95%；蛋白質(zhì)是第二大組分，約占干重7%～8%[9]。下面從后加工方式、烹煮方法、淀粉、蛋白質(zhì)4個(gè)主要因素闡述其影響大米質(zhì)構(gòu)特性的作用機(jī)理。

1.1 后加工方式

精白大米由糙米經(jīng)碾磨去除外殼和米糠層制得，其食用品質(zhì)受（收獲）后加工方式的影響較大，比如：干燥方式、含水量和碾米程度等處理方式。不同國家和地區(qū)的干燥方式不同，美國采用機(jī)械烘干使糙米干燥至含水量12%，日本多用自然晾干和機(jī)械烘干使含水量降至14%～15%。Champagne等[5]發(fā)現(xiàn)干燥方式對大米黏度品質(zhì)具有顯著影響，這與Lyon等[10]的結(jié)論一致。稻谷收獲時(shí)的含水量通過影響酶系代謝過程進(jìn)而對大米的質(zhì)構(gòu)特性產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)竟群吭?7%～29%時(shí)，淀粉和蛋白質(zhì)的合成基本完成，而收獲的稻谷中仍含有大量未成熟的谷粒，組分的細(xì)微變化會影響大米的理化特性，進(jìn)而改變大米的質(zhì)構(gòu)品質(zhì)[11]。碾米程度是指在碾米過程中米糠層的去除率。碾米過程可降低大米脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、還原糖的含量，同時(shí)提高大米淀粉的相對含量。Juliano等[12]指出碾米可去除超過98%的表層脂質(zhì)和50%的蛋白質(zhì)，使大米食用品質(zhì)顯著提高。然而，碾米程度并非越高越好，過度碾磨會降低谷物長時(shí)間儲存后的食味品質(zhì)。

圖1 大米的結(jié)構(gòu)Fig.1 The detailed structure of rice grains

1.2 烹煮方法

大米常用的烹煮方法有傳統(tǒng)蒸汽蒸煮、微波加熱、電飯鍋蒸煮、壓力蒸煮等。不同烹煮方式，其熱量的產(chǎn)生機(jī)理、升溫速率和蒸煮時(shí)間等對米飯的質(zhì)構(gòu)特性產(chǎn)生較大影響。傳統(tǒng)方法中能量由外向內(nèi)傳遞，而微波加熱則使能量從中心傳遞到邊緣[13]。多數(shù)人認(rèn)為微波烹煮的米飯較難被接受，而Khatoon等[14]發(fā)現(xiàn)兩種方法煮熟米飯的感官評分相近。本課題組最新研究結(jié)果顯示：微波烹煮米飯相比蒸汽蒸煮和電壓力鍋蒸煮的米飯，硬而不黏[15-16]。高靜水壓是新興的非熱加工方法，其施加的壓力可使水分均勻分布在大米顆粒內(nèi)部，對米飯口感品質(zhì)具有顯著提升作用。Boluda-Aguilar等[17]研究表明使用高靜壓法處理大米，可顯著縮短煮飯時(shí)間，且在300MPa和400MPa條件下處理大米的外形、黏度、團(tuán)聚性等質(zhì)構(gòu)特性更佳。

然而，加水量是所有烹煮方法中影響米飯質(zhì)構(gòu)特性的最主要因素。烹煮時(shí)的加水量（即米水比）隨大米品質(zhì)而異，粳米的米水比一般是1∶1.3，秈米的為1∶1.6，高直鏈大米一般為1∶1.8[18]。烹煮時(shí)，如果加水過少，淀粉無法充分吸收水分導(dǎo)致糊化不均勻，硬度就變大；加水過多，導(dǎo)致米粒腹背水分差異大而產(chǎn)生龜裂，使淀粉流失，彈性減弱。Srisawas等[19]研究了米水比對米飯的硬度、黏度和香味的影響，隨水分比例的增加，硬度降低，黏度增加，而對香味沒有顯著影響，當(dāng)水過量時(shí)則不存在此相關(guān)性[20]。

1.3 淀粉

淀粉是大米的主要成分，約占干物質(zhì)的90%，包含直鏈淀粉（amylose，Am）和支鏈淀粉（amylopectin，Ap）。支鏈淀粉是由 α-（1→4）糖苷鍵連接的D-葡萄糖單元鏈和α-（1→6）鍵構(gòu)成的分支點(diǎn)組成的高度分支化的聚合物，具有大量的短支鏈且分子質(zhì)量較大，直鏈淀粉分支少且分子質(zhì)量較小。大米直鏈淀粉含量因品種而異，然而，不同品種間大米淀粉含量差別較小[21]，淀粉結(jié)構(gòu)成為制約米飯質(zhì)構(gòu)特性的關(guān)鍵因素。

Rao等[22]首次研究表明，表觀直鏈淀粉含量（Apparent amylose content，AAC）與大米的質(zhì)構(gòu)品質(zhì)具有顯著相關(guān)性[23]，即：與硬度正相關(guān)，與黏度呈反比[24]。隨后，Bhattacharya等[25]發(fā)現(xiàn)AAC相同的不同品種大米淀粉在熱水（96℃）中的溶解度不同，由此“熱水不溶性直鏈淀粉含量（即：直鏈淀粉總量除去可溶性直鏈淀粉）”的概念被提出，而且顯示與大米質(zhì)構(gòu)特性更加顯著的相關(guān)性，成為決定大米品質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)。然而，脫分支的大米淀粉支鏈經(jīng)凝膠色譜分離后可分為長B鏈、中長B鏈以及A鏈和短B鏈組，而高直鏈大米比其它大米具有更多的長B鏈[26]。Reddy等[27]研究發(fā)現(xiàn)長B鏈及其外鏈的比例與不溶性直鏈淀粉含量顯著正相關(guān)，進(jìn)而認(rèn)為支鏈淀粉中長鏈B的含量是決定大米質(zhì)構(gòu)品質(zhì)更重要的因素。Radhika等[28]和Ong等[29]發(fā)現(xiàn)長B鏈可能與其它支鏈相互纏繞，形成更為致密的結(jié)晶區(qū)，從而限制蒸煮時(shí)水分遷移和熱膨脹，產(chǎn)生較硬的質(zhì)構(gòu)。最近，本課題組研究結(jié)果顯示，直鏈淀粉的中長鏈含量和分子尺寸可協(xié)同決定大米的硬度品質(zhì)[21]。

1.4 蛋白質(zhì)

蛋白約占精白米含量的7%～8%，是大米中的第二大組分[30]。其中，堿溶性谷蛋白含量占精米總蛋白的79%～83%，且主要以“I型球狀聚合體”的形式存在于胚乳中[31]。關(guān)于蛋白對米飯黏度的影響一直存在爭議。早期研究認(rèn)為蛋白并未對米飯黏度品質(zhì)產(chǎn)生影響[32]；隨后，Martin等[33]發(fā)現(xiàn)酶法脫除蛋白可顯著降低大米粉的黏度，并認(rèn)為蛋白通過影響大米吸水量進(jìn)而改變米飯的質(zhì)構(gòu)特性；另一部分學(xué)者則持相反觀點(diǎn)，比如，通過對比不同品種的大米發(fā)現(xiàn)蛋白含量高的大米的黏度較低[34]；最新研究顯示，如Nawaz等[35]通過去除大米顆粒表面蛋白顯著提高了米飯的黏度，并認(rèn)為這可能與熱溶出直鏈淀粉有關(guān)。本課題組的研究結(jié)果支持Nawaz的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)大米顆粒表面蛋白的去除會促進(jìn)淀粉的熱溶出，從而提高米飯的黏度[36-37]。

2 大米質(zhì)構(gòu)特性的評價(jià)方法

目前，大米質(zhì)構(gòu)特性的評價(jià)方法主要有主觀評價(jià)和客觀評價(jià)兩種方法。主觀評價(jià)通過人的感官評價(jià)來直接反映消費(fèi)者對大米的接受程度；而客觀評價(jià)則利用儀器分析等手段對食品的理化指標(biāo)、質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行測定，與感官評價(jià)相比，具有更高的可靠性和科學(xué)性。

2.1 理化法

理化法是通過構(gòu)建大米的組分成分與含量及其與大米質(zhì)構(gòu)特性的關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)用理化指標(biāo)來預(yù)測或評估大米質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的方法，常見的理化指標(biāo)有碘藍(lán)值、布拉班德黏度計(jì)、膠稠度等。碘藍(lán)值法最早用于預(yù)測大米的口感品質(zhì)，該方法主要基于通過碘藍(lán)值強(qiáng)度預(yù)測大米的直鏈淀粉含量，而直鏈淀粉含量常與大米硬度品質(zhì)呈正相關(guān)[38]。布拉班德黏度曲線常用于記錄淀粉糊化過程的黏度變化，高直鏈大米的黏度曲線具有較低的峰值黏度和較高的消減值，而糯米的黏度曲線則顯示較高的峰值黏度、崩解值和較低的消減值[39]。膠稠度是將大米粉經(jīng)稀堿熱糊化成膠，冷卻后在水平放置的試管中做一定程度的延伸，測量出延伸后的米膠長度。該長度與大米直鏈淀粉含量呈反比，可用來預(yù)測大米的質(zhì)構(gòu)品質(zhì)。從以上方法可知，理化法大都基于理化指標(biāo)與直鏈淀粉含量之間的相關(guān)性對大米質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行評估，因?yàn)槿藗円恢睂⒅辨湹矸酆孔鳛榭诟性u估的標(biāo)志，即：直鏈含量高的大米，硬度大而不黏；直鏈淀粉含量低的糯米則軟糯、黏度大。其局限性是：對于直鏈淀粉含量相似，而質(zhì)構(gòu)品質(zhì)差異顯著的大米，該方法很難進(jìn)行區(qū)分。

2.2 物性分析法

隨著機(jī)械科技的發(fā)展，F(xiàn)riedman等[40]首次建立了食品機(jī)械性能與其質(zhì)構(gòu)之間的直接聯(lián)系，發(fā)明了物性分析儀。其作用原理如圖2所示，通過探頭兩次擠壓被測食品，獲得的壓力-位移曲線，通過曲線可計(jì)算被測食品的硬度、黏度、內(nèi)聚力、粘合性、彈性和耐嚼性等質(zhì)構(gòu)參數(shù)。該方法又稱為質(zhì)構(gòu)分析法（TPA），也是目前最常用的質(zhì)構(gòu)分析方法。然而，該方法有其局限性，比如只能模擬食物進(jìn)入口腔后的第1次咬合的過程；眾多質(zhì)構(gòu)參數(shù)中，只有硬度和黏度的真實(shí)性較好；而且，該方法的重復(fù)性較差，通常需要多次試驗(yàn)才能得到統(tǒng)計(jì)學(xué)上有意義的數(shù)據(jù)。此外，由于大米淀粉在室溫條件下快速回生，因此對新鮮米飯的結(jié)果重復(fù)性也很差[41]。

圖2 質(zhì)構(gòu)分析法[42] Fig.2 Texture profile analysis[42]

2.3 描述性感官分析法

描述性感官分析是精確分析大米多維度質(zhì)構(gòu)特性的有效方法。Szczesniak等[42]將質(zhì)構(gòu)定義為“從力學(xué)、幾何結(jié)構(gòu)、脂肪和水分等方面感知食品的性質(zhì)，以及各方面的感知程度，甚至包括從初次咬合到完全咀嚼的順序”，并提出質(zhì)構(gòu)三維輪廓法。隨后，Stokes等[43]將此過程分為6個(gè)階段：初次咬合、咀嚼、造粒、成團(tuán)、吞咽和咽后后感，如圖3所示。隨著食品種類的增加，研究人員開發(fā)出定量描述感官分析方法，如表1所示，其中列出大米感官評價(jià)不同階段所感知的不同質(zhì)構(gòu)屬性，以及評估方法和術(shù)語。當(dāng)然，感官評價(jià)更接近人類的實(shí)際感受，就會存在操作復(fù)雜，耗時(shí)長，易受主觀影響和結(jié)果重復(fù)性差等缺點(diǎn)。

圖3 固體食品在口腔中的6個(gè)關(guān)鍵階段[43] Fig.3 Depiction of 6 key stages proposed to occur during oral processing of solid food[43]

表1 大米感官評價(jià)術(shù)語Table1 Vocabulary for sensory texture attributes of cooked rice

3 淀粉的結(jié)構(gòu)及測定方法

淀粉結(jié)構(gòu)可以分為多層次、不同水平，如圖4所示。1級結(jié)構(gòu)指淀粉分子中的分支鏈，由脫水葡萄糖單元通過α-1，4糖苷鍵連接在一起的單個(gè)線性鏈[44]，通常用鏈長分布表示。2級結(jié)構(gòu)指完全分支化的單個(gè)淀粉分子，包括相對分子質(zhì)量約為106的直鏈淀粉分子，以及高度支化的相對分子質(zhì)量約為102的支鏈淀粉分子。3級結(jié)構(gòu)指淀粉分子的構(gòu)象，主要包括：淀粉鏈聚集、淀粉鏈纏繞形成螺旋結(jié)構(gòu)、螺旋聚集形成微晶以及微晶排列形成無定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)。除此之外，天然淀粉的高級結(jié)構(gòu)包括結(jié)晶區(qū)與無定形區(qū)交替排列形成的生長環(huán)結(jié)構(gòu)、生長環(huán)構(gòu)成淀粉顆粒結(jié)構(gòu)以及非淀粉組分與淀粉相互作用形成的米粒結(jié)構(gòu)[45]。

淀粉鏈長分布（1級結(jié)構(gòu)）的測定方法主要有電泳法和色譜法兩類。如熒光輔助毛細(xì)管電泳法（Fluorophore-assisted carbohydrate electrophoresis，F(xiàn)ACE），利用帶電荷的熒光基團(tuán)在脫分支鏈的還原性末端進(jìn)行標(biāo)記，根據(jù)線性分子的不同質(zhì)荷比進(jìn)行分離，然而，這種方法只能表征聚合度≤180的淀粉支鏈。高效陰離子交換色譜法（High-performanceanion exchangechromatography，HPAEC）是近年發(fā)展起來的多糖分析的有效方法，采用脈沖安培對淀粉鏈長分布進(jìn)行測定[47]。與FACE相似的是HPAEC同樣無法定量檢測聚合度＞100的淀粉鏈，因此兩種方法更適用于支鏈淀粉鏈長分布的測定。而高效體積排阻色譜（HPSEC）通過淀粉支鏈的水力學(xué)半徑差異對淀粉鏈進(jìn)行分離，且不受聚合度的限制，可用于直鏈淀粉以及脫分支支鏈淀粉鏈長分布的測定。此外，可通過1H NMR計(jì)算α-1，6糖苷鍵和總糖苷鍵的比例而準(zhǔn)確測定分支度。淀粉的分子尺寸（2級結(jié)構(gòu)）通常采用凝膠排阻色譜法進(jìn)行表征，然而該方法無法完全區(qū)分直鏈和支鏈淀粉，因?yàn)榕抛枭V通過水力學(xué)半徑對樣品進(jìn)行分離，而小的支鏈淀粉和大的直鏈淀粉在溶劑中可能具有相似的水力學(xué)半徑，因此，目前尚未有有效的方法可以完全精確地進(jìn)行二級結(jié)構(gòu)表征。淀粉分子的聚集形成淀粉的3級結(jié)構(gòu)?？赏ㄟ^13C CP/MAS NMR觀察到淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)，由于部分的結(jié)晶區(qū)會嵌入無定形區(qū)而無法完全檢測。從有序光譜中可推斷出淀粉的螺旋特征：A型晶體或B型晶體主要由雙螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)成，V型微晶主要為單螺旋結(jié)構(gòu)。此外，還可以通過X-射線衍射（XRD）獲得淀粉的晶體類型及結(jié)晶區(qū)大小[45]。

圖4 大米淀粉的多層級結(jié)構(gòu)[46] Fig.4 The structural levels of starch[46]

4 淀粉結(jié)構(gòu)對大米質(zhì)構(gòu)特性的影響

硬度和黏度品質(zhì)是大米眾多口感品質(zhì)中最具識別性的兩種，可通過物性分析法檢測分析[48]。淀粉是大米最主要的成分，有研究者指出直鏈淀粉和支鏈淀粉含量與大米的質(zhì)構(gòu)特性存在顯著相關(guān)性，高直鏈大米往往硬度較大且黏度較低，而低直鏈大米則相對黏軟。然而這一結(jié)論的適用范圍有限，比如直鏈淀粉含量相似而口感差異大的大米。綜上，解析淀粉的分子精細(xì)結(jié)構(gòu)，對探究大米質(zhì)構(gòu)品質(zhì)具有重要意義。

4.1 硬度和直鏈淀粉的關(guān)系

直鏈淀粉的結(jié)構(gòu)特征是影響米飯硬度品質(zhì)的主要因素。對于直鏈淀粉分子在淀粉顆粒內(nèi)的位置及其與支鏈淀粉的相互作用機(jī)制，目前主要有兩種推測，如圖5所示。一些研究者認(rèn)為長直鏈淀粉的鏈存在于淀粉顆粒的無定形區(qū)；另一些研究者則提出直鏈淀粉可能與支鏈淀粉分支共結(jié)晶[49]。本課題組的研究推測直鏈淀粉鏈可能與支鏈淀粉支鏈形成結(jié)晶并分散于結(jié)晶區(qū)，從而增強(qiáng)淀粉晶體結(jié)構(gòu)的耐熱性，限制蒸煮過程中淀粉的膨脹和熱溶出，導(dǎo)致米飯硬度增加[21]。

4.2 黏度和溶出的支鏈淀粉的關(guān)系

本課題組的系列研究顯示，大米在蒸煮過程中的熱溶出物與米飯的黏度品質(zhì)直接相關(guān)。在大米蒸煮的過程中，米粒會吸水、溶脹、糊化，同時(shí)伴隨著淀粉受熱溶出顆粒，并黏附于米粒表面。熱溶出物中，淀粉含量約80%～90%，這些淀粉分子，尤其是支鏈淀粉分子通過分子間相互作用力相互黏連，決定了米飯的黏度品質(zhì)。本課題組還探討了熱溶出淀粉分子結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)和動力學(xué)，研究表明小的支鏈淀粉較直鏈淀粉更容易從米粒中溶出[51]。此外，大米的表觀直鏈淀粉含量與米飯黏度有顯著負(fù)相關(guān)，這是因?yàn)?，隨著大米直鏈淀粉含量的增加，米飯蒸煮時(shí)熱溶出物中可溶性支鏈淀粉含量、短鏈比例和分子尺寸都降低，從而減弱了米粒表面淀粉分子間的相互作用力，使得質(zhì)構(gòu)儀探頭測定米粒時(shí)的黏附力和脫附阻力都減小，進(jìn)而降低了大米黏度[52-53]。

圖5 大米硬度和黏度品質(zhì)的分子機(jī)制推測圖[50] Fig.5 The proposed molecular mechanisms for hardness and stickiness of cooked rice[50]

5 展望

隨著人民生活水平的提高，越來越重視大米的食味品質(zhì)，米飯的硬度和黏度是大米眾多口感品質(zhì)中最重要的兩種品質(zhì)。近年來，關(guān)于大米質(zhì)構(gòu)的研究主要集中在質(zhì)構(gòu)的影響因素及評價(jià)方法上。以往常用的碘藍(lán)值、膠稠度等理化指標(biāo)已經(jīng)無法滿足對大米質(zhì)構(gòu)特性精確表征的需求，而最新的口腔加工學(xué)顯示米飯的口感品質(zhì)是多重質(zhì)構(gòu)特性與多維度感知過程的復(fù)合，這也對未來大米質(zhì)構(gòu)特性的發(fā)展提供了參考。淀粉結(jié)構(gòu)是決定大米質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的關(guān)鍵因素。本文列舉了決定大米質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及發(fā)展進(jìn)程，從表觀直鏈淀粉含量、熱不溶性直鏈淀粉含量，長B鏈，再到最新的淀粉一級和二級結(jié)構(gòu)協(xié)同影響，并最終對大米硬度和黏度兩種質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行闡述。隨著這些基礎(chǔ)研究的不斷加深，人們可以更好地調(diào)控大米加工和口感品質(zhì)，開發(fā)出美味的米制食品。