Introduction

水稻是世界上约一半人口的主食。水稻的主要种植地区是印度、中国、日本、孟加拉国和东南亚。中国种植水稻的历史可以追溯到5000年前，水稻被认为是中国最重要的栽培谷物。水稻可分为籼稻和粳稻。黑龙江省是我国粳稻的主产地。

大米的理化特性包括组成、糊化、质地等，决定了其在食品和非食品中的用途，因此有必要对其进行记录。大米的品质取决于淀粉、蛋白质和脂肪的含量以及淀粉的结构。淀粉是米粒的主要成分，主要决定了米粒的理化和蒸煮特性。淀粉的糊化特性取决于直链淀粉和支链淀粉的比例、链长、支链淀粉的分支程度以及淀粉的颗粒结构等。由于水稻品种不同，淀粉含量也不同，这是决定大米淀粉品质的最重要因素之一。大米淀粉口感平淡，色泽洁白，质地光滑，对很多人来说是低过敏性的。大米淀粉还拥有更强的耐酸性、可延展性和相对较好的冻融稳定性等优越属性。此外，大米中蛋白质的质量和数量也是决定大米品质的重要因素。有研究报道，大米糊状黏度曲线的差异是由于加工过程中蛋白质网络的形成。

在此背景下，哈尔滨商业大学的Yinyuan He、Fenglian Chen、Na Zhang等在本研究中旨在比较中国黑龙江省普遍栽培的12个粳稻品种的理化特性，包括结晶度、微观形态、质地特性、糊化（BV）和热力特性。

Results and Discussion

热性能

米粉在热加工过程中会发生物理和化学变化。这些变化取决于某些特征，如含水量、热度和提供的环境。在本研究中，所有种类的大米在加热过程中都表现出明显的单一吸热峰（图1）。12种米粉的DSC数据如表1所示。总的来说，这些样品的凝胶化起始温度（To）、峰值（Tp）、结束温度（Tc）和吸热焓（ΔH）均有显著差异。差示扫描量热法结果表明，米粉样品的糊化To、Tp和Tc分别在58.34～67.96 ℃、65.39～75.38 ℃和78.47～90.69 ℃之间变化。Tc较高的水稻有较高的ΔH，如WY-4、LD-5、LD-9、LD-19和LJ-31。LD-19拥有最高的To、Tp和Tc，而LD-23拥有最低的Tp和Tc，M-31拥有最低的To。有研究报道，糊化温度的差异可能是由于淀粉含量、分布大小、淀粉颗粒的形成，以及淀粉组分在颗粒内的内部排列等方面的差异。热焓可以全面衡量结晶度，也是颗粒内部分子秩序损失（主要反映双螺旋秩序的损失）的指标。除此之外，糊化焓还可能受到淀粉颗粒形状、大颗粒和小颗粒比例等因素的影响。在本研究的12个样品中，LD-19的ΔH值最高（3.127 J/g），其To、Tp、Tc也最高，LD-20的ΔH值最低（2.036 J/g）。

图1 12个水稻品种制备的米粉分散体的DSC热图

表1 米粉热性能的基本统计参数

据报道，蛋白质、脂类和直链淀粉含量及脂类直链淀粉复合物显著影响米粉的热性能。根据表2的Pearson相关系数，淀粉与ΔH（0.877）和Tc（r＝–0.769，P＜0.01）呈强显著负相关关系，与Tp（r＝–0.549，P＜0.05）呈显著负相关关系。蛋白质在ΔH（r＝–0.735）、To（r＝–0.712）、Tp（r＝–0.752）和Tc（r＝–0.87，P＜0.01）之间表现出强烈的显著负相关关系。ΔH（r＝–0.832，P＜0.01）、Tc（r＝–0.831，P＜0.01）和脂肪之间存在较强的显著负相关，To（r＝–0.577）、Tp（r＝–0.633，P＜0.05）和脂肪之间存在显著的负相关。而ΔH与水分（r＝–0.533，P＜0.05）和受损淀粉（r＝–0.669，P＜0.05）呈显著的负相关关系，而与灰分（r＝–0.829，P＜0.01）呈强烈的显著负相关关系。Tc与灰分（r＝–0.604，P＜0.05）和受损淀粉（r＝–0.599，P＜0.05）呈显著的负相关关系。

表2 米粉的热参数与基本参数之间的相关系数

X射线衍射图

如图2所示，12种米粉的XRD图谱非常相似，这表明谷物淀粉颗粒含有结晶区、无定形区和半结晶区。半结晶颗粒由支链淀粉的排列分支提供结晶区，支链淀粉和直链淀粉的低分支区组成无定形区。本研究中的天然米粉均在15°处出现主要的X射线衍射峰，在17°和18°处出现双峰，在23°处也出现双峰（2θ），表明A型结晶结构，这也与普通谷类淀粉的X射线衍射图谱一致。粳米面粉在20°（2θ）处出现峰，表明其为V型结构，存在淀粉—脂质复合物。但糯米米粉的这种结构不明显。通过X射线衍射图谱计算，大米样品的相对结晶度在19.59%～59.23%之间（图2）。LD-9的结晶度最高（59.23%），其次是LD-19（51.04%）、LJ-31（49.57%）等，LD-20的结晶度最低（19.59%）。

图2 黑龙江省种植的12种米粉的X射线衍射图

SEM观察颗粒形态

观察到米粒（图3 3A～3L）、大米淀粉（图3 4A～4L）以及米粉（图3 5A～5L）的截断面有明显的形态差异，表面有微量的蛋白质和脂肪滴。LD-9是典型的糯米，其米粒表面粗糙，边缘和角落的横截面不明显，如图3 3A～3L所示。

一般情况下，淀粉呈现出均匀的质地。图3 4A～4L中4000倍SEM的分离淀粉图像显示，直链淀粉含量高的淀粉比含量低的淀粉更均匀。除LD-9外，其他大米淀粉均表现出表面光滑、结构丰满的特点。与非糯米相比，LD-9（糯米）淀粉颗粒的结构更加紧密，表面更加粗糙、不规则，有明显的扇形和孔洞。因此，可以断定糯米淀粉有失去物理完整性的迹象。其他研究也报道了类似的趋势，即淀粉颗粒表面的扇形和孔隙较少，随着直链淀粉含量的增加，表面变得更加光滑。并且，大部分淀粉颗粒具有棱角状，呈多面体，形状不规则，部分颗粒呈椭圆形。如图3 4A～4L，WY-4、LD-5、LD-9、LD-19和LJ-31的淀粉颗粒粒径较小，而Tc和ΔH则较高。这一结果表明，淀粉颗粒的粒径对米粉的糊化特性有显著影响。正如其他研究所讨论的，大米淀粉的粒径和形状是影响大米淀粉的组成、溶胀度、结晶度和胶化特性的内在特性。

在5000倍放大镜下对米粉进行SEM分析表明，淀粉呈强烈的封闭式结构，非糯米比糯米更坚固（图3 5A～5L）。糯米粉表面的洞穴比非糯米粉表面的洞穴多。

图3 SEM显微照片显示大米颗粒、大米淀粉和米粉的截面轮廓

Conclusion

中国黑龙江省12个纯种水稻在理化性质上表现出显著差异，尤其是糯米。黑龙江省生产的大米除LD-9外均为粳稻，其淀粉含量在14.05%～19.63%之间，蛋白质含量在4.03%～6.99%之间。直链淀粉和蛋白质含量高的粳稻与硬度、胶质、内聚力呈较强的显著正相关，煮熟后显得粗糙、低黏性。除LD-9外，11个大米样品均呈V型结构。淀粉颗粒均具有棱角，呈多面体状，形状不规则，而糯米淀粉LD-9随着颗粒表面的膨胀而出现物理完整性丧失的迹象，颗粒表面不光滑。大米组成、物理特性、结晶度和糊化性能之间有一定的相关性。

Physico-chemical properties and structure of rice cultivars grown in Heilongjiang Province of China

Yinyuan He^a, Fenglian Chen^a,*, Yanguo Shi^a, Zhexian Guan^a, Na Zhang^a,*, Osvaldo H. Campanella^b

^a College of Food Science and Engineering, Harbin University of Commerce, Heilongjiang, Harbin, 150076, China

^b The Ohio State University, Columbus, US

Abstract

The relationships between chemical composition, structure and physicochemical properties such as pasting, thermal, and textural properties of 12 temperate rice cultivars grown in Heilongjiang Province, China were investigated in this study. There were significant differences in the content of fat, protein, ash, amylose, damaged starch among 12 cultivars. Brabender Viscograph results showed that gelatinization time, peak viscosity, pasting and peak temperature ranged from 9 min to 15 min, 2100 BU to 2500 BU, 58.75 ℃ to 72.00 ℃ and 63.75 ℃ to 84.45 ℃, respectively, except for the waxy one Longjing 9. T_o, T_p, T_c and ΔH were found in the range of 58.34 ℃ to 67.96 ℃, 65.39 ℃ to 75.38 ℃, 78.47 ℃ to 90.69 ℃ and 2.036 J/g to 3.127 J/g respectively. Scanning Electron Micro-photograph results showed that all starch granules were polyhedral with irregular shapes, except Longjing 9 showing signs of the loss of physical integrity. The hardness, adhesiveness, springiness, gumminess, cohesiveness and resilience ranged from 395.87 g to 1161.76 g, -90.842 g·mm to -36.4 g·mm, 0.498 to 0.747, 78.631 g to 466.837 g, 0.199 to 0.569, 0.321 to 0.504, respectively. Correlation studies indicated that amylose, damaged starch, protein, fat and ash played a more important role in determining the rice properties of pasting, thermal, crystallinity and texture.

该文章《Physico-chemical properties and structure of rice cultivars grown in Heilongjiang Province of China》发表于Food Science and Human Wellness 2021年第1期45-53页。点击下方阅读原文即可查看摘要原文。

翻译：梁安琪；编辑：袁月；责编：张睿梅

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