邵小龙,时小转,周立鸣

(南京财经大学食品科学与工程学院,江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心，江苏高校粮油质量安全控制及深加工重点实验室,江苏南京 210023)

稻谷是最重要的粮食作物之一,为超过半数的亚洲人口提供稳定的食物需求[1]。随着农业科学技术的进步和人民生活水平的提高,人们对大米品质提出了更高的要求。稻米品质包括加工品质、外观品质、食用品质等。影响稻米品质的因素有很多,收获期是其中一个。关于收获期对稻米品质的影响方面的研究国内外已有许多报道。姜萍[2]、苗德雨等[3]认为过早收获主要影响精米率和整精米率。程建峰等[4]认为不同收获期主要影响稻米的胶稠度和蛋白质含量。宋双[5]的研究结果表明加工品质在不同收获时期存在一定差异,但未达到显著水平;垩白性状及食味值不同收获期差异达到显著水平。其他研究者[6-10]也有做过相关方面的研究。钱春荣[11]的研究结果表明不同收获期处理间的味度值和粘滞峰回生值没有显著差异;但整精米率、下降粘度和最高粘度均存在显著或极显著的差异。邵小龙等[12]基于低场核磁共振(LF-NMR)技术观察水稻抽穗到成熟过程中籽粒水分状态的变化,探讨淀粉、蛋白质的积累效应对前者的影响,为水稻品质形成规律提供数据参考。

大米食用品质是指大米在规定条件下蒸煮成米饭后,米饭的色泽、气味、滋味、米饭粘度及软硬适口程度所呈现出的综合品质。气味对大米食用品质至关重要,稻谷是稻米的初始状态,由于谷壳的包裹,直接通过人类感官辨别气味较难。电子鼻作为一种模拟生物嗅觉的新颖仿生检测手段,目前在农业领域的应用已有较多报道,如病虫害、水果、饮料、肉类等的快速检测识别,证明了电子鼻对不同物质的气味进行分类识别的有效性。Sung等[13]应用电子鼻技术研究了稻谷分别在不同温度(0、20、30、40 ℃)储藏4个月时的脂肪酸值、感官特性、风味模式,结果表明,电子鼻能够对储藏的稻谷进行筛选和定性分析;胡桂仙等[14]应用电子鼻对不同状态下香稻和非香稻进行了分类识别;于春慧等[15]用电子鼻对来自同一地域的4种水稻谷物进行了分类识别,初步验证了电子鼻进行稻米品种识别的可行性。关于大米微观结构,陈银基等[16]研究发现辐照处理对淀粉颗粒的结构和形态有修饰作用,淀粉颗粒间空间变大,糙米在蒸煮时可渗入更多水分,进而可以改善蒸煮品质。刘成梅等[17]研究了韧化及湿热处理对大米淀粉理化特性和微观结构的影响。裴永胜等[18]研究了流化床干燥对稻谷爆腰增率及微观结构的影响。

但关于收获期对粳稻气味及微观结构的影响目前国内外未见报道。不同收获期对粳稻气味、质构特性、微观结构的变化的影响及其相互关系,这是本文所要探讨的主要问题。因此本文通过田间定期取样获得不同收获期的粳稻样品,经过前处理后,应用电子鼻测定分析粳米气味变化,质构仪测定粳米质构特性,扫描电镜下观察粳米的微观结构,探讨不同收获期对粳稻相关品质的影响。为收获期对粳稻气味、微观结构和质构特性的影响提供数据支持,为粳稻最佳收割期的确定提供科学依据,使优质稻米能够充分发挥其优势,达到优质、高产、高效的目的,既能创造较高的经济效益,又能满足人们对于稻米质量的需求。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

南粳5055 属于农业部评定的超级稻品种,具有品质优、口感好、产量高、整精米率高和抗逆性好等优点。南梗5055全生育期在160天左右,属于早熟晚粳稻品种,株型紧凑,长势较旺,分蘖力较强,穗型中等,群体整齐度较好,着粒较密,抗倒性强,适宜在江苏省沿江及苏南周边地区种植。实验样品取自南京市江宁区汤山镇孟墓村藏龙湾农场实验田,测定分析实验在南京财经大学食品科学与工程学院粮食储运国家工程实验室进行。

Fox3000型电子鼻 法国AlphaMOS公司;质构仪 TA.XT2i，英国SMS公司;扫描电镜 SEM Model 27021-H，英国。

1.2 实验方法

1.2.1 样品准备 取样于齐穗后42 d至齐穗后66 d,每隔6 d采样一次,共采样5次,样品经人工脱粒,除杂,过筛,干燥至水分为14.5%,备用。

1.2.2 基于电子鼻的粳米气味测定 精确称取样品5 g,置于20 mL的顶空瓶;参数:获取时间420 s,保持时间120 s,注射温度70 ℃,冲洗时间120 s;载气为干燥空气,流速150 mL·min-1,每个样品8个平行[19]。

1.2.3 粳米质构特性的测定 准确称取10 g试样于铝盒中,淘洗、冲洗各1次,在每个铝盒中各加水10 mL。加盖后放入带有抽屉的蒸锅上,蒸煮40 min后,停止加热焖制10 min。每次测定时,从蒸煮糙米样品中间层的不同部位随机取3粒完整米粒,对称放置在载物台上测定。每个样品重复6次,结果采用去掉最大值和最小值,求平均值。物性测试仪的参数设置如下:探头为P/36(大米专用探头);操作模式为压力测定:压缩比为75%;测试模式为strain,触发点为10 g,测试循环数为1,测前速度:1 mm·s-1,测试速度为0.5 mm·s-1,测试后速度为1 mm·s-1[16]。

1.2.4 粳米微观结构的测 取20～25粒完整且裂纹少的大米于直径5 cm的培养皿中,用质量分数为2.5%的戊二醛溶液浸泡2 h固定,用pH7.8的磷酸缓冲液漂洗3次,时间分别为15、20、30 min,然后超纯水清洗3次,时间同上,接下来用体积分数为30%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的乙醇梯度脱水各10 min,再分别用50%、70%和100%的叔丁醇各浸泡10 min,然后用叔丁醇-乙腈(体积比2∶1)与叔丁醇-乙腈(体积比1∶1)各浸泡10 min后,100%的乙腈浸泡10 min。样品干燥后沿长轴垂直方向拦腰切割,放置在黑色的导电双面胶上,固定在载物台上,放入离子溅射仪的喷金室(加速电压15 kV、溅射电流1.5 mA、溅射时间90 s),前处理完成后,用扫描电子显微镜观察大米微观结构[20]。

1.3 数据分析

电子鼻数据分析:使用仪器自带的AlphaSoftV 12.0软件对数据进行采集、检测及分析。应用IBM SPSS Statistics 22.0对稻谷挥发性物质进行主成分分析。其余数据和图表采用Office 2003软件处理绘制。

2 结果与分析

2.1 粳稻收获期对气味变化的影响

为更好观察和分析电子鼻12根传感器对不同收获期粳稻挥发性物质的变化,根据12根传感器的响应值大小及差异,绘制不同收获期粳稻雷达图谱,如图1,12根传感器对不同收获期粳稻响应值不同,其中传感器P10/1、P10/2、P40/1的响应值在0.25～0.36之间,T30/1、T70/2、PA/2的响应值在0.11～0.21之间,其余6根传感器的响应值均低于0.02。不同收获期粳稻雷达图谱具有相似的形状和变化趋势,说明粳稻所产生的挥发物类型是相同的,但传感器P10/1、P10/2、P40/1的检测数据存在明显的差异,说明不同收获期挥发性物质差异可以被传感器敏感捕捉。

图2是不同收获期粳稻采用PCA法的分析图。在PCA分析结果中,前2个主成分的贡献率分别为92.66%,4.93%,累积贡献率达97.59%,相同收获期的样本重现性很高,5个收获期的粳稻气味差异显著。

图2 不同收获期粳稻的主成分分析Fig.2 Principal compounds analysis of japonica rice of different harvest date注:42、48、54、60和66 d分别表示齐穗后42 d、 齐穗后48 d、齐穗后54 d、齐穗后60 d和齐穗后66 d。

2.2 粳稻收获期对质构特性的影响

蒸煮食用是大米的主要食用方式,而质构特性是大米蒸煮品质优劣的直观反映,质构特性不同,意味着大米组成成分、含量及结构有所不同,从而影响到大米的食用品质[21-22]。不同收获期粳米蒸煮后质构特性变化如图3所示,其中硬度的变化如图3a,随着收获期的增加大米硬度逐渐减小,54 d至66 d趋于平缓。42 d收割的粳米蒸煮后硬度最大,口感最差。大米的黏附性是指咀嚼时,大米与牙齿摩擦接触,表面间分子力的作用使其产生局部固态连接,由图3b可知,随着收获期的增加,大米黏附性逐渐先升高,54 d之后变化不大。米饭的弹性是反映米饭滋味的重要指标,弹性越大越有嚼劲,不同收获期粳米蒸煮后弹性变化如图3c所示,齐穗后42 d收割的粳稻弹性最低,60 d收割的粳稻弹性最高。胶黏性反映大米的粘牙程度,大米越粘牙,口感越差,由图3d可知,随着收获期的增加粳米的蒸煮胶黏性呈降低趋势,54 d之后趋于平稳,42 d收割的粳稻大米蒸煮后胶黏性最大。不同收获期粳米的咀嚼性变化如图3e,随着收获期的增加,咀嚼性整体呈下降趋势,即粳米的咀嚼性随着收获期的增加而降低。总体而言,齐穗后54 d之后收割的粳米食味品质相对较好。

图3 不同收获期粳米质构特性变化Fig.3 Textural characteristics of japonica rice with different harvest date

2.3 粳稻收获期对微观结构的影响

2.3.1 胚乳横断面 SEM放大100倍观察大米横截面胚乳显微结构如图4所示。5个收获期的粳稻胚乳横断面中,60 d收割的粳稻(图4c)大米可清晰观察到胚乳细胞为长多边形的柱状细胞,排列整齐有序,淀粉粒包裹其中,表面光滑,清晰可见胚乳细胞以胚乳中心或近中心为同心圆呈放射状,由中心向外辐射,中心位置胚乳细胞相对外层细胞较小,这与一些研究者[23-25]观察到的新鲜大米结果一致。42 d收割的粳稻(图4a)横断面极易产生小裂纹,这可能是因为胚乳内淀粉发育不成熟,淀粉间排列疏松导致的。66 d收割的粳稻(图4e)横断面可观察到胚乳细胞破裂,淀粉裸露出来,胚乳细胞破裂主要出现在中心部位,使得胚乳细胞放射状分布的轮廓变得模糊。

图4 胚乳横截面结构随收获期变化(100×)Fig.4 Structural changes of endosperm cross-sectional with different harvest date(100×)

2.3.2 胚乳细胞表面 SEM放大2000倍观察大米横截面胚乳细胞显微结构如图5所示。齐穗后48 d收割的稻谷(图5b)胚乳细胞表面最光滑,几乎看不到淀粉体纹路,淀粉体间隙有可观察到蛋白体。齐穗后42 d稻谷(图5a)和齐穗后54 d稻谷(图5c)胚乳细胞表面可清晰看到淀粉体纹路,同时可观察到少量小孔,这主要是胚乳细胞在生长过程中,细胞内外物质进行交换留下的通道[26]。齐穗后60 d收割的稻谷(图5c)胚乳细胞表面淀粉体纹路清晰可见且淀粉体之间出现明显间隙。齐穗后60 d收割的稻谷(图5c)胚乳细胞表面出现较多或大或小的小孔,细胞膜有翘起,胚乳内部淀粉部分裸露出来,细胞表面粗糙。

图5 粳米胚乳细胞表面膜的显微结构形态(2000×)Fig.5 Microscopic structure of endosperm cell membrane of milled Japonica rice after artificial storage(2000×)注:Po表示小孔;Pro表示蛋白体。

2.3.3 胚乳淀粉颗粒形态 大米的主要食用部分是胚乳,胚乳的形态结构及其中各物质成分的累积分布特点是大米食用品质形成的基础,通过解剖观察胚乳结构可了解大米品质的直接成因。水稻胚乳的淀粉体中的淀粉是复粒淀粉,这是因为淀粉体中的淀粉粒是相互独立存在,互不黏连的发育起来的[27]。花后胚乳细胞中开始产生了小的淀粉体,其中的淀粉粒少棱角,呈卵状或球形,淀粉体间有间隙,随着生长的进行,淀粉体和其中淀粉粒由于相互挤压而呈多面体形,最终,内胚乳细胞被淀粉体充满,蛋白体变形,残留在淀粉体的缝隙中[28]。

本文观察不同收获期即齐穗后42 d至66 d大米胚乳淀粉变化如图6,SEM放大2000倍观察到的大米淀粉颗粒结构。如图6a和图6b所示,淀粉体充满整个胚乳,从裸露的淀粉体可以看出淀粉粒呈多面体且棱角分明,在淀粉体的缝隙可观察到蛋白体,这和Tsutomu Ishimaru等[29]的观察结果一致。此外,对比图6a和图6b可知,齐穗后48 d的稻谷的胚乳内淀粉排列较42 d更加致密。齐穗后54 d的稻谷的胚乳内淀粉体的淀粉粒之间开始出现缝隙如图6c,齐穗后60 d胚乳内可观察到大量的淀粉颗粒,淀粉颗粒棱角分明,到齐穗后66 d,淀粉体排列变得疏松,淀粉颗粒的棱角也开始变得模糊不清。

图6 大米淀粉颗粒微观结构(2000×)Fig.6 The microscopic structure of rice starch granules(2000×)

3 讨论

从对不同收获期粳米的横断面微观结构的观察,结合李栋梁[28]的研究可知,随着收获期的增加,胚乳的变化过程为:由疏松变为致密再变为疏松,在粳稻没有完全成熟之前,胚乳结构疏松,随着胚乳细胞内的淀粉粒不断膨大,淀粉粒和淀粉体之间相互挤压最终使整个胚乳结构变得致密,随着收获期的进一步加深,复粒淀粉发生崩解,单个小淀粉颗粒增多,裸露淀粉也增多,放射状轮廓变模糊,经田间取样观察,齐穗后54 d粳稻已经完熟,66 d时已达到枯熟,因此,可能是因为稻谷完熟后田间的自然环境不再是其赖以生长的必要条件,而是促使其内部发生反应的相关因素,至于发生了什么反应,该反应对稻谷综合品质的影响是利是弊,有待进一步研究。从粳稻质构特性的变化情况来看,随着收获期的增加,尤其是齐穗后54 d之后,粳米的硬度较低,弹性升高,黏附性较高,胶黏性低,这些变化有利于粳米的食味品质,结合微观结构的变化我们得出分散的淀粉颗粒增大了与水结合的表面积,大米在蒸煮过程中水分子可以更容易渗入,增大淀粉颗粒的溶胀程度,使更多的淀粉颗粒在加热中破裂,淀粉分子释放出来,增加米饭口感柔软度,提高食味品质。

4 结论

本文通过田间定期取样,应用电子鼻等测定不同收获期粳稻相关品质指标变化,对数据进行处理分析,研究表明不同收获期对粳稻的气味、质构特性和微观结构有显著影响。电子鼻传感器可以敏感捕捉粳稻气味信息,通过对气味信息的PCA分析,不同收获期粳稻的气味呈现出显著差异;质构特性的变化情况为随着收获期的增加,尤其是齐穗后54 d之后,粳米的硬度较低,弹性升高,黏附性较高,胶黏性低,蒸煮品质呈变好趋势;随着收获期的增加粳稻横断面的放射形状由不清晰到清晰再到模糊甚至消失,胚乳细胞表面由光滑少孔,淀粉体纹路不清晰到粗糙多孔,淀粉体纹路清晰,淀粉则由复粒淀粉居多排列疏松到复粒淀粉居多排列紧密再到淀粉颗粒居多结构疏松;通过对比微观结构和质构特性变化情况我们得出齐穗54 d后的粳稻中分散的淀粉颗粒增大了与水结合的表面积,大米在蒸煮过程中水分子可以更容易渗入,增大淀粉颗粒的溶胀程度,使更多的淀粉颗粒在加热中破裂,淀粉分子释放出来,增加米饭口感柔软度,提高食味品质。