第42卷  第9期 包 装 工 程
2021年5月
PACKAGING ENGINEERING  ·124·
收稿日期：2020-09-22
作者简介：陈远娇（1995—），女，上海理工大学硕士生，主攻食品生物技术。
糯米的湿热处理及其结构表征
陈远娇1,2，杨光1，杨波1，岑涛2，王梅桂2
（1.上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093； 2.丰益（上海）生物技术研发中心有限公司，上海 200137）
摘要：目的 为了解决新糯米制粉峰值粘度过低的问题。方法 对糯米进行湿热处理，研究糯米含水量、湿热处理时间和温度对糯米粉粘度等糊化特性的影响，并进行响应面优化。结果 得到了湿热处理的最佳工艺条件，温度为70 ℃，含水量（质量分数）为20%，时间为1.6 h ，在此工艺条件下糯米粉的峰值粘度
为3.146 Paꞏs ，与原糯米粉相比增加了37.3%，且谷值粘度、最终粘度和崩解值均增加。差示扫描量热仪分析表明，湿热处理后糊化温度有所升高，热焓值无显著性变化。X-衍射图谱表明，结晶度变化不大，且糯米淀粉晶型仍呈A 型。通过扫描电镜观察，湿热处理后糯米淀粉粒的表面出现部分孔洞、凹陷和粘结等现象，整体形貌未发生显著变化。结论 该工艺能够大幅度提升糯米粉的峰值粘度。 关键词：湿热处理；糯米；淀粉；粘度；结构特性
中图分类号：TS213.3  文献标识码：A    文章编号：1001-3563(2021)09-0124-11 DOI ：10.19554/jki.1001-3563.2021.09.018
Heat-Moisture Treatment and Structure Characterization of Glutinous Rice
CHEN Yuan-jiao 1,2, YANG Guang 1, YANG Bo 1, CEN Tao 2, WANG Mei-gui 2
(1.School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,  Shanghai 200093, China; 2.Fengyi (Shanghai) Biotechnology R & D Center Co., Ltd., Shanghai 200137, China) ABSTRACT: In order to improve the low peak viscosity, effect of the gelatinization characterizes of glutinous rice flour by the heat-moisture treated glutinous rice on various moisture content, treatment temperature and time are studied. The optimization condition of glutinous rice is treated with 20% moisture content, at 70 ℃ for 1.6 h. Compared with the initial glutin
ous rice flour, the peak viscosity value has changed to 3.146 Paꞏs, increased by 37.3%. Additionally, the val-ley viscosity, the final viscosity and the disintegration value have all increased slightly. Differential Scanning Calorimeter analysis shows that the gelatinization temperature increased and enthalpy have no significant change after heat-moisture treatment. The XRD indicates that the crystallinity does not change, and the crystalline form of glutinous rice starch is still A type. Some holes, depressions and bonding appeare on the surface of glutinous rice starch grains after heat-moisture treatment by SEM, but the morphology does not change. The heat-moisture treatment in this paper can greatly increase the viscosity of glutinous rice flour.
KEY WORDS: heat-moisture treatment, glutinous rice , s tarch , viscosity, structural characteristics
目前，企业在生产糯米粉时主要以后熟糯米为原料，因为新收获的糯米制粉品质不佳、粘度低，制得的汤圆黏弹性不好、软烂、糊口、食用品质差。糯米经过一段时间后熟，制得的糯米粉品质会有所提升。
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自然后熟的糯米需要存放半年到1年，不仅延长了产品的生产周期，还需要占用大量的仓储面积[1—3]。急需开发一种在短时间能提高糯米粉品质的方法，从而缓解自然后熟周期长给生产带来的不便。
湿热处理（Heat-Moisture Treatment，HMT）指在少量水存在的状况下（即含水量小于35%，文中含水量均表示质量分数），在一定的温度范围内（高于玻璃化转变温度但低于糊化温度）处理淀粉的一种物理方法，淀粉的湿热处理过程只涉及水和热，无其他有机溶剂和化学试剂参与反应，是一种纯粹的物理变性手段[4—6]。国外较早对淀粉进行湿热处理研究[7—8]，国内从2004年开始有关于湿热处理的研究性论文报道，其湿热处理淀粉的原料有玉米淀粉[9]、小麦淀粉[10]、木薯淀粉[11]、板栗淀粉[12]等，其中关于湿热处理糯米的研究鲜有报道。
根据现有的生产经验和实验研究表明，糯米粉的应用品质与糊化特性有关，以峰值粘度高的水磨糯米粉制作的汤圆具有弹性高、筋道、不易浑汤等优点，深受厂家和市场的认可[13—15]。文中对新收获的糯米进行湿热处理，以糯米粉的峰值粘度、谷值粘度、最终粘度和回生值为指标进行单因素试验，并以峰值粘度为指标进行响应面优化，确定最佳工艺条件，并考察最佳工艺条件对糯米淀粉糊化特性、结晶结构和颗粒形貌的影响，以期为解决新糯米制粉峰值粘度过低的问题提供指导和理论依据。
1 实验
1.1 材料
主要实验材料：东北龙粳57#，东北佳木斯工厂。
1.2 仪器和设备
主要实验仪器和设备：DHG-9240A型电热鼓风干燥箱，上海一恒；L531-1离心机，湖南湘仪；JFSD-100-Ⅱ粉碎机，上海嘉定粮油仪器有限公司；高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司；FR-400B 手压式塑料薄膜封口机，上海森合包装器材有限公司；LTJM-2099精米机，浙江佰利恒；RVA-S4快速粘度分析仪，澳大利亚波通公司；X'pert PRO X 射线衍射仪，荷兰帕纳科公司PANalytical B.V.；Q2000差示扫描量热仪，美国TA仪器；Q150T镀膜系列，英国QUORUM公司；FEI Quanta 450型扫描电子显微镜，美国FEI公司。
2 方法
2.1 糯米粉的制备
考虑到糯米粉在湿热处理过程中会出现粘结成团的现象，会增加工艺难度，故选定以糯米形式进行湿热处理。用精米机将糯稻脱壳后，取200 g糯米置于密封袋中，称取适量的去离子水，均匀地喷洒于糯米表面，调节至所需水分含量（糯米的初始水分含量12%），密封，置于室温下平衡水分24 h，将平衡水分后的糯米放入高压蒸煮袋，利用封口机封口后，置于烘箱中处理一段时间，取出后在室温下冷却，利用胶体磨将湿热处理后的糯米水磨制粉，制粉工艺：湿热处理的糯米→浸泡→磨浆→离心→热风烘干→粉碎→过筛（100目），即得到湿热处理糯米粉。
2.2 湿热处理糯米工艺单因素试验
2.2.1 湿热处理温度
参考廖卢艳等[16]的方法并稍作修改，设置湿热处理的温度分别为50，70，90，110，130 ℃，固定因素：糯米含水量为25%，时间为2 h，以原糯米为空白对照，按照2.1的方法，研究不同湿热处理的温度对糯米粉峰值粘度、谷值粘度、最终粘度、回生值的影响。
2.2.2 糯米的含水量
参考郝赫男等[17]的方法并稍作修改，设置糯米的含水量分别为15%，20%，25%，30%，35%，固定因素：湿热处理温度为70 ℃，时间为2 h，以原糯米为空白对照，按照2.1的方法，研究不同湿热处理水分对糯米粉峰值粘度、谷值粘度、最终粘度、回生值的影响。
2.2.3 湿热处理时间
根据大量的预实验，设置湿热处理的时间分别为1，1.5，2，2.5，3 h，固定因素：温度为70 ℃，含水量为20%，以原糯米为空白对照，按照2.1的方法，研究不同湿热处理时间对糯米粉峰值粘度、谷值粘度、最终粘度、回生值的影响。
2.3 湿热处理糯米工艺的响应面优化
基于单因素试验结果，以温度（A）、含水量（B）、时间（C）为自变量，以糯米粉的峰值粘度为响应值，采用Box-Behnken设计响应面分析对湿热处理糯米工艺进行优化，通过对响应面数据的处理分析确定湿热处理糯米的最佳工艺参数。其分析因素和水平设计见表1。
表1 响应面设计因素和水平
Tab.1 Factors and levels in response surface design 因素
编码水平
−1 0    1 A温度/℃ 50 70 90
B含水量/% 15 20 25
C时间/h    1    1.5    2
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2.4 水分含量测定
参照GB5009.3—2016《食品中水分的测定》[18]中的方法执行。
2.5 糯米粉糊化特性的测定
利用快速粘度分析仪（Rapid Visco Analyser，RVA）测定样品的糊化曲线。根据糯米粉的含水量，计算糯米粉和水的实际添加量，准确称取糯米粉和去离子水，并放入RVA专用铝筒中混匀后，置于RVA 仪测试。采用升温/降温程序，整个过程用时13 min，具体检测参数[19]：RVA初始温度为50 ℃（0～80 s），从50 ℃提高到95 ℃（80 s～295 s），保持95 ℃（295 s～445 s），从95 ℃降至50 ℃（445 s～11 min），保持50 ℃（11 min～13 min）。
2.6 淀粉结晶结构的测定
利用X-射线衍射仪（X-Ray Diffractometer，XRD）对糯米粉的结晶结构进行分析[20]。设置靶型：Cu，辐射波长为0.154 nm，工作电压为40 kV，工作电流为40 mA，扫描速度为8 (°)/min，步长为0.013°，扫描范围2θ=8°～40°。
2.7 淀粉热力学特性的测定
利用差示扫描量热仪（Differential Scanning Calorimetry，DSC）测定样品的糊化参数。称取4 mg 糯米粉置于DSC铝盒内，按m样品∶m水=12
∶加入适量的水，密封平衡24 h，扫描温度从15 ℃上升至140 ℃，升温速率为5 ℃/min。
2.8 淀粉颗粒形貌观察
糯米粉在40 ℃下烘干3 h，冷却后，将待测糯米粉涂在贴有双面导电胶的金属圆盘上，在真空条件下，经离子溅射仪喷金后，置于扫描电子显微镜内分别在5000和10 000倍下进行观察，选择具有代表性的样品颗粒区域进行拍摄[21]。
2.9 统计分析
每个样品平行测定3次，所有特征值取3次测定的平均值，利用Origin 8.6软件作图，采用Desigin-Expert软件进行响应面优化分析。
3 结果与分析
3.1 单因素试验
3.1.1 湿热处理温度的确定
以糯米为原料，在糯米含水量为25%，时间为2 h的条件下，分别设定温度为50，70，90，110，130 ℃进行湿热处理，考察湿热处理温度对糯米粉峰值粘度、谷值粘度、最终粘度、回生值的影响，结果见图1。
注：同行数据后不同字母表示差异显著（P＜0.05）
图1 湿热处理温度对糯米粉糊化参数的影响
Fig.1 Effects of the temperature of heat-moisture treatment on pasting parameters of glutinous rice flour
由图1可知，随着湿热处理温度的升高，回生值无显著性变化，谷值粘度和最终粘度均呈现缓慢上升的趋势，其差异不显著。糯米粉的峰值粘度呈现先上升后下降趋势，当温度为70 ℃时，糯米粉的峰值粘度最高达到2.914 Paꞏs，由此推测适当的湿热处理会使淀粉颗粒的膨胀性和吸水性增强，淀粉颗粒体积增大，使淀粉的粘度增加，从而提高糯米粉的黏糯性；当温度高于70 ℃时，峰值粘度显著降低，由此推测湿热处理使气化水分在一定的高温环境下与淀粉发生反应，使部分糖苷键断裂，导致支链淀粉发生部分降解，直链淀粉的量增多，最终导致糯米粉的粘度下降[22—23]。综上所述，选择70 ℃为湿热处理的最适温度。
3.1.2 糯米含水量的确定
以糯米为原料，在湿热处理温度为70 ℃，湿热时间为2 h的条件下，分别设定糯米含水量为15%，20%，25%，30%，35%进行湿热处理，考察糯米含水量对糯米粉峰值粘度、谷值粘度、最终粘度、回生值的影响，结果见图2。
由图2可知，随着糯米含水量的增加，糯米粉的回生值、谷值粘度和最终粘度均无显著性变化。当含水量低于20%时，经湿热处理后，糯米粉的峰值粘度呈显著上升趋势；当含水量为20%时，糯米粉的峰值粘度最高达到3.490 Paꞏs；当含水量大于20%时，峰值粘度呈显著下降趋势，由此推测湿热处理破坏了淀粉无定形区和结晶区之间的链接，同时湿热处理对峰值粘度的影响随含水量的增加而增大[24]。选择20%为最适的糯米含水量。
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glutinous注：同行数据后不同字母表示差异显著（P＜0.05）
图2 糯米含水量对糯米粉糊化参数的影响Fig.2 Effects of moisture content of glutinous rice on pasting parameters of glutinous rice flour
3.1.3 湿热处理时间的确定
以糯米为原料，在湿热处理温度为70 ℃，糯米含水量为20%的条件下，考察湿热处理时间对糯米粉峰值粘度、谷值粘度、最终粘度、回生值的影响，结果见图3。
注：同行数据后不同字母表示差异显著（P＜0.05）
图3 湿热处理时间对糯米粉糊化参数的影响Fig.3 Effects of the time of heat-moisture treatment on past-ing parameters of glutinous rice flour
由图3可知，随着湿热处理时间的增加，糯米粉的回生值无显著变化，峰值粘度和谷值粘度缓慢上升，其差异不显著。峰值粘度逐渐增加，当湿热处理时间低于1.5 h时，糯米粉的峰值粘度有显著的上升趋势；当湿热处理的时间高于1.5 h时，随着时间的增加，峰值粘度的增加幅度较平缓，且无显著性差异，考虑时间因素，选择1.5 h为最适湿热处理时间。3.2 湿热处理响应面优化及回归方程分析
根据单因素试验的结果，谷值粘度、最终粘度和回生值总体增幅较小，差异不显著，峰值粘度变化较显著。当湿热处理温度为70 ℃，时间为1.5 h，糯米含水量为20%时，得到的糯米粉峰值粘度最高，且糯米粉的峰值粘度与其应用品质呈显著正相关，即糯米粉的峰值粘度越高，汤圆的黏弹性和口感越好[1,15,25]。故选择糯米粉的峰值粘度为响应值，通过响应面试验进一步优化湿热处理糯米的条件。
3.2.1 响应面试验设计及结果
以温度（A）、含水量（B）、时间（C）为自变量，糯米粉的峰值粘度（Y）为响应值，进行三因素三水平试验优化，共17组实验方案。响应面设计和结果见表2。
表2 湿热处理的响应面试验方案和结果 Tab.2 Respond surface test scheme and results of
heat-moisture treatment
编号
A温度/
℃
B含水
量/%
C时间/
h
Y峰值粘度/
(Paꞏs)
1 0    1    1    2.751
2 −1 −1 0    2.300
3    1    1 0    2.032
4 0 0 0    3.155
5 0 0 0    3.285
6 0 −1    1    2.857
7    1 0 −1    2.874
8 −1    1 0    2.505
9 0    1 −1    2.667
10    1 0    1    2.614
11 −1 0    1    2.796
12    1 −1 0    2.687
13 0 0 0    3.166
14 0 0 0    3.187
15 0 0 0    3.128
16 −1 0 −1    2.505
17 0 −1 −1    2.749
3.2.2 模型方程的建立和显著性检验
利用Design-Expert软件对表2的数据进行响应面分析，拟合得到峰值粘度关于A，B，C的三元二次多项回归方程：Y=3184.20+12.62×A−79.75×B+ 27.88×C−215.00×A×B−137.75×A×C−6.00×B×C−430.98× A2−372.22×B2−55.98×C2。
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表3 拟合二次多项式模型的方差分析
Tab.3 Variance analysis of fitted quadratic polynomial model
方差来源平方和自由度均方F值P值显著性模型  1 803 000.00 9 200 300.00 39.33 <0.0001 ** A温度1275.13    1 1275.13 0.25 0.6321
B含水量50 880.50    1 50 880.50 9.99 0.0159 * C时间6216.13    1 6216.13    1.22 0.3058
AB184 900.00    1 184 900.00 36.31 0.0005
AC75 900.25    1 75 900.25 14.90 0.0062
BC144.00    1 144.00 0.03 0.8712
A2782 100.00    1 782 100.00 153.57 <0.0001 **
B2583 400.00    1 583 400.00 114.56 <0.0001 **
C213 192.42    1 13 192.42    2.59 0.1515
残差35 647.55 7 5092.51
失拟项21 136.75    3 7045.58    1.94 0.2646 不显著纯误差14 510.80    4 3627.70
总和  1 838 000.00 16
注：*表示差异显著（P＜0.05）；**表示差异极显著（P＜0.01）；R2=0.9806；R2Adj=0.9557
对该回归模型进行方差分析和显著性检验。由表3可知，模型P＜0.0001，表明该模型差异极显著；失拟项P=0.2646＞0.05，表明失拟不显著，说明残差由随机误差引起[16]；模型的确定系数R2为0.9806，模型调整确定系数R2Adj为0.9557，说明该模型具有很好的拟合度，能准确反映湿热处理温度和时间，以及糯米含水量对糯米粉峰值粘度的影响。可用此回归模型对实际的实验结果进行分析和预测。
回归方程中各项系数的绝对值能直接反映各因素对响应值的影响程度，其正负表示影响的方向[26]。由方程的各项系数可知，各因素对糯米粉峰值粘度的显著性顺序：含水量＞时间＞温度。
采用Design-Expert8.0软件优化回归方程模型，最佳工艺条件：湿热处理温度为70.03 ℃，糯米含水量为19.43%，湿热处理时间为1.63 h，得到糯米粉峰值粘度的理论值为3.192 Paꞏs。
3.2.3 因素交互作用分析
湿热处理中温度、糯米含水量、时间这3者之间交互作用对峰值粘度的响应面见图4。
由图4a可知，当时间为1.5 h时，固定含水量、糯米粉的峰值粘度随时间的升高呈先上升后下降趋势，固定温度、糯米粉的峰值粘度随含水量的增加呈先升高后降低的趋势（P＜0.05）。峰值粘度的最高值
在温度为66~82 ℃和含水量为19%~23%，且存在最高点，即为图4a等高线中的点5。
由图4b可知，当含水量为20%时，固定时间、糯米粉的峰值粘度随湿热处理温度的升高呈先上升后下降趋势，固定温度、糯米粉的峰值粘度随时间的增加呈缓慢上升趋势。峰值粘度的最高值在温度为66~82 ℃和时间为1.4~1.8 h，且存在最高点，即为图4b等高线中的点5。
由图4c可知，当温度为70 ℃时，固定时间、糯米粉的峰值粘度随含水量的增加呈先上升后下降趋势，固定含水量、糯米粉的峰值粘度随时间变化不显著。峰值粘度的最高值在含水量为19%~21%和时间为1.4~1.8 h，且存在最高点，即为图4c等高线中的点5。
3.2.4 最佳处理条件的验证
结合实际条件，调整最佳参数：湿热处理温度为70 ℃，时间为1.6 h，糯米含水量为20%。在此工艺参数下进行验证实验，3次平行试验取平均值，得到糯米粉的峰值粘度为3.146 Paꞏs，实际值与理论值接近。证实该模型能较好地模拟并预测糯米粉的峰值粘度。
3.3 湿热处理对糯米淀粉糊化特性的影响
糊化参数曲线描述的是一定浓度的淀粉水悬浮液在升温加热、高温保持和降温冷却过程中黏滞性的变化[27]。由表4可知，与原糯米粉相比，经湿热处理后，回生值无显著性变化，这与淀粉的稳定性相关，
表明湿热处理对糯米粉的老化性影响不大[28]；湿热处理后糯米粉的崩解值增大，马鹏阔等[29]研究表明，糯米粉应用于麻球的制作时，崩解值与麻球比容得分呈显著正相关。由图5可知，糯米粉的峰值粘度、谷值