全 文 ：书2014 年 12 月
第 29 卷第 12 期
中国粮油学报
Journal of the Chinese Cereals and Oils Association
Vol． 29，No． 12
Dec. 2014
籼米凝胶的应力松弛特性研究
陈 芸 李江涛 赵思明 李云波
(华中农业大学食品科技学院，武汉 430070)
摘 要 以 16 种籼型稻米为原料制作大米凝胶，研究凝胶的应力松弛特性，籼米主要化学成分对松弛特
性的影响，为大米质凝胶食品的加工和品质控制提供试验数据。结果表明，籼米凝胶的应力松弛过程主要由
高弹松弛和普弹松弛 2 部分组成，以高弹松弛为主。籼米凝胶的普弹模量 E0为 1． 472 ～ 11． 400 kg·f /m
2;高
弹模量 E1为 988 ～ 6 955 kg·f /m
2;松弛时间 τ为 0． 129 ～ 0． 220 s;应力松弛非线形指数 n为 0． 057 ～ 0． 162;黏
滞系数 η为 217． 777 ～ 927． 102 kg·f·s /m2。籼米凝胶的应力松弛特性与化学成分有关。直链淀粉诱导高分
子链间产生较多的氢键，脂肪与淀粉分子结合增加分子链间交联度，导致凝胶的硬度增大、弹性减小、应力松
弛衰减速度缓慢。
关键词 籼米 凝胶 应力松弛
中图分类号:TS213． 3 文献标识码:A 文章编号:1003 － 0174(2014)12 － 0001 － 05
收稿日期:2013 － 09 － 22
作者简介:陈芸，女，1989 年出生，硕士，食品工程
通讯作者:赵思明，女，1963 年出生，教授，食品大分子结构与功
能特性
应力松弛是恒定应变下，高分子体系内部的应
力随时间增长而减少的现象。应力松弛特性可以反
映食品的硬、软、黏性和弹性等质地、口感信息，为食
品的加工和品质控制等提供依据。
大米的品种、组成成分等对凝胶的形成及凝胶
的力学特性都有一定的影响［1 － 4］。米饭［5］、米线［6］
等是以大米为原料制作的凝胶食品，凝胶食品的品
质对原料的特性都有较大的依赖性［5 － 10］。直链淀
粉、蛋白质含量高的大米吸水性差，用其制作的米饭
弹性和黏性小、硬度大［5，9］。与糯稻和粳稻相比，较
高直链淀粉含量和蛋白质含量的籼米较适于加工方
便米粉［7 － 8］。用直链淀粉含量高的早籼米制作米线
时，米线吸水率和煮沸损失低;高蛋白、低脂肪含量
的米线硬度大、弹性和黏性低［6］。不同品种的籼米
由于化学组成不同，制作的凝胶性质也有差异。与
晚籼米相比，早籼米凝胶有较高的黏附性和较低的
回弹性［3］，籼米凝胶的蠕变特性与其化学成分有相
关性［1］。目前对于不同品种的籼米凝胶的力学特性
的报道较少，本试验通过对 16 种籼米凝胶应力松弛
特性的测定，从高分子结构的角度探索主要化学成
分对籼米凝胶的影响，为淀粉质凝胶食品的生产加
工及品质评价提供依据。
1 材料与方法
1． 1 试验材料
试验用稻谷为 16 种当年收获精选晾晒的籼稻，
室温储藏。使用前用实验砻谷机加工成糙米，再用
实验碾米机碾米 60 s碾成白米。试验所用籼米的品
种名称、类型及主要化学成分见表 1，其中编号为
01 ～ 08、10 ～ 11 的籼米均产自于湖北，编号为 09、
12 ～ 16的籼米均来自湖南金健米业股份有限公司。
1． 2 凝胶的制作
基于米粉的工艺［5］制作大米凝胶。
1． 3 凝胶质构特性的测定
将用 1． 2 的方法制作的凝胶切成长方体(长 ×
宽 ×高 = 20 mm × 20 mm × 7 mm)。用质构仪(XT
Plus Texture Analyser，TA － XT2 型:Stable Micro Sys-
tems Ltd，美国)测定，测试时环境温度为 25 ℃。设
定参数为:采用 Hold on 模式，探头为 P /36Ｒ。压缩
比为 50%，探头测试前下压速度为 5 mm /s，测试速
度为 10 mm /s，测试后返回速度 10 mm /s，探头自动
采集感应力，数据采集速度为 400 pp /s。
松弛段曲线采用 Maxwell 三元件质构模型进行
拟合，此质构模型由一个虎克体和一个阻尼体串联
后再与另一虎克体并联组成。虎克体模拟的是网络
结构的可逆变形即理想弹性体，阻尼体模拟的是线
形分子的不可逆变形即理想黏性体。用该模型可以
反映高分子形成的网络结构，线形分子间的摩擦及
网络结构与线形分子间的相互作用［11］。
中国粮油学报 2014 年第 12 期
表 1 籼米品种名称、类型及主要化学成分(平均值 ±标准差)
编号 品种名称 品种类型 水分 /% 蛋白质 /% 碘兰值 脂肪 /%
01 两优 103 早籼 10． 68 ± 0． 12 13． 26 ± 0． 09 0． 406 ± 0． 012 2． 26 ± 0． 08
02 两优 106 早籼 10． 10 ± 0． 03 11． 16 ± 0． 21 0． 313 ± 0． 011 2． 24 ± 0． 03
03 两优 105 早籼 10． 21 ± 0． 11 12． 18 ± 0． 07 0． 312 ± 0． 004 2． 10 ± 0． 13
04 两优 407 早籼 10． 21 ± 0． 26 11． 88 ± 0． 12 0． 372 ± 0． 009 1． 57 ± 0． 09
05 两优 301 早籼 9． 89 ± 0． 08 11． 50 ± 0． 11 0． 315 ± 0． 005 1． 27 ± 0． 03
06 金优 402 早籼 9． 81 ± 0． 17 12． 45 ± 0． 05 0． 445 ± 0． 003 2． 00 ± 0． 00
07 金优 207 早籼 12． 79 ± 0． 06 10． 80 ± 0． 03 0． 418 ± 0． 005 2． 43 ± 0． 13
08 晚籼 89 － 3 早籼 12． 21 ± 0． 12 11． 26 ± 0． 13 0． 429 ± 0． 001 2． 59 ± 0． 28
09 M103s /20257 晚籼 9． 77 ± 0． 07 9． 96 ± 0． 18 0． 349 ± 0． 015 1． 66 ± 0． 12
10 M104s /20257 早籼 10． 37 ± 0． 03 12． 28 ± 0． 12 0． 418 ± 0． 003 1． 81 ± 0． 06
11 M103s /中组 1 号 早籼 9． 48 ± 0． 23 11． 06 ± 0． 22 0． 387 ± 0． 004 2． 87 ± 0． 11
12 M102s /中组 1 号 晚籼 10． 02 ± 0． 09 11． 71 ± 0． 06 0． 476 ± 0． 007 2． 78 ± 0． 05
13 余红 晚籼 12． 80 ± 0． 14 10． 59 ± 0． 13 0． 390 ± 0． 001 2． 30 ± 0． 14
14 丝苗 晚籼 12． 44 ± 0． 03 10． 89 ± 0． 07 0． 446 ± 0． 009 2． 57 ± 0． 06
15 浙辐 802 早籼 11． 36 ± 0． 05 12． 82 ± 0． 03 0． 374 ± 0． 002 2． 71 ± 0． 01
16 余赤 晚籼 12． 31 ± 0． 19 10． 42 ± 0． 02 0． 401 ± 0． 006 2． 66 ± 0． 10
其数学模型为:
σ = εE0 + εE1e
－tn /τ (1)
式中:σ 为物料承受的应力 / kg·f /m2;E0为普
弹模量 / kg·f /m2;E1为高弹模量 / kg·f /m
2;ε 为变
形量，本试验为 50%;t 为松弛段试验时间 / s;τ 为应
力松弛时间 / s，是应力 σ 降到初始应力 σ0的 1 /e 时
所需的时间;n为应力松弛非线形指数。η = E1·τ，
为阻尼体黏滞系数 / kg·f·s /m2。
1． 4 数据处理
采用 OriginPro8 进行绘图，MATLAB 进行数学模
型拟合，SAS 8． 1 进行相关性分析。2 次重复试验，
每次试验做 3 个平行。
2 结果与分析
2． 1 籼米凝胶的应力松弛特性
籼米凝胶应力松弛特性曲线见图1。以60 s时
图 1 不同品种籼米凝胶的应力松弛特征曲线
2
第 29 卷第 12 期 陈 芸等 籼米凝胶的应力松弛特性研究
的应力 σ60为标志将其分为 2 组，其中图 1a 为 σ60≥
7 500 kg·f /m2 的大米凝胶的应力随时间的响应图
(0 ～ 60 s)。图 1c为 σ60 ＜ 7 500 kg·f /m
2 的大米凝
胶的应力响应图(0 ～ 60 s)。图 1b 和图 1d 分别为
图 1a和图 1c的局部放大图(0 ～ 1 s)。
由图 1 可知，在设定测试模式下，压缩段应力迅
速上升，所需时间约 0． 4 ～ 0． 5 s，进入松弛段，应力释
放由快而慢，然后逐渐减缓并趋近定值平衡应力
σ60。不同品种籼米凝胶压缩 50%的最大应力约在
8 000～ 32 000 kg·f /m2 之间。最大应力反映籼米凝
胶的硬度，由图 1 可知，余赤米的凝胶硬度最大，而
两优 301 的凝胶质地最软。
2． 2 籼米凝胶的应力松弛参数
凝胶的应力松弛过程主要由高弹松弛和普弹松
弛 2 部分组成。对于黏弹性体而言，达到完全的应
力平衡需要较长时间。本试验对 60 s 内的应力 －时
间数据，应用 Maxwell 三元件模型进行拟合，得到不
同品种大米凝胶的应力松弛参数见表 2。所有样品
的校正系数 Ｒ2 均在 0． 96 以上，表明所用的方程拟合
精度很高。
表 2 不同品种稻米凝胶的应力松弛参数
品种名称
E0 /
kg·f /m2
E1 /
kg·f /m2
n τ / s
η /
kg·f·s /m2
两优 103 4． 506 3 467 0． 082 0． 167 577． 949
两优 106 1． 472 5 687 0． 102 0． 130 736． 467
两优 105 2． 578 3 672 0． 092 0． 146 537． 581
两优 407 4． 402 3 547 0． 910 0． 152 540． 208
两优 301 1． 885 5 072 0． 117 0． 129 653． 781
金优 402 9． 620 1 106 0． 067 0． 216 239． 338
金优 207 2． 345 6 955 0． 162 0． 133 927． 102
晚籼 89 － 3 9． 178 4 900 0． 099 0． 138 677． 180
M103s /20257 1． 935 5 279 0． 120 0． 131 692． 605
M104s /20257 4． 318 2 835 0． 097 0． 172 488． 754
M103s /中组 1 号 3． 622 1 273 0． 086 0． 176 223． 666
M102s /中组 1 号 7． 556 1 522 0． 071 0． 191 290． 093
余红 5． 989 4 907 0． 102 0． 154 753． 225
丝苗 6． 192 2 035 0． 086 0． 18 365． 893
浙辐 802 7． 604 2 997 0． 078 0． 167 500． 799
余赤 11． 400 988 0． 057 0． 220 217． 777
由表 2可知，不同品种大米凝胶之间的应力松弛参
数有差异，普弹模量 E0分布在 1． 472 ～11． 400 kg·f /m
2
之间，高弹模量 E1分布在 988 ～6 955 kg·f /m
2之间，松
弛时间 τ分布在 0． 129 ～ 0． 220 s 之间，松弛非线形
指数 n分布在 0． 057 ～ 0． 162 之间，黏滞系数 η 分布
在 217． 777 ～ 927． 102 kg·f·s /m2 之间。以余赤米
凝胶的普弹模量 E0 和松弛时间 τ 最大，高弹模量
E1、松弛非线形指数 n和黏滞系数 η 最小，表明其初
始硬度最大，在压缩过程中凝胶弹性与黏性小，外力
对高分子网络结构的破坏作用较大，凝胶线形分子
链间存在较大的摩擦和较小的相对位移。以两优
106 凝胶的 E0 最小，其质地柔软。两优 301 凝胶的
松弛时间 τ 最小，则表明其应力松弛衰减速度快。
以金优 207 凝胶的高弹模量 E1、松弛非线形指数 n
和黏滞系数 η最大，表明其凝胶黏性与弹性大，外力
对高分子网络结构的破坏作用较小，凝胶线形分子
链间存在较大的相对位移。
2． 3 大米主要化学成分对凝胶松弛参数的影响
大米中主要成分是淀粉，包括直链淀粉和支链
淀粉，其次是水分、蛋白质和脂肪，它们对大米凝胶
的形成有不同程度的影响［12 － 13］。不同品种稻米的
水分含量、蛋白质含量、碘兰值、脂肪含量与应力松
弛参数相关性见表 3。
表 3 凝胶应力松弛参数与籼米化学成分的相关性分析(n = 16，r /P)
应力松
弛参数
水分含量 蛋白质含量 碘兰值 脂肪含量
E0 0． 380 /0． 147 0． 092 /0． 736 0． 625 /0． 010 0． 485 /0． 057
E1 0． 224 /0． 404 － 0． 268 /0． 316 － 0． 471 /0． 066 － 0． 368 /0． 160
n － 0． 130 /0． 630 0． 063 /0． 819 － 0． 143 /0． 599 － 0． 416 /0． 099
τ 0． 022 /0． 935 0． 196 /0． 469 0． 610 /0． 012 0． 410 /0． 115
η 0． 300 /0． 259 － 0． 194 /0． 471 － 0． 406 /0． 119 － 0． 342 /0． 195
注:r表示应力松弛参数与蛋白质含量、碘兰值、脂肪含量的相关系
数。P表示概率，P≤0． 01表明呈极显著相关，0． 01 ＜ P≤0． 05表明呈显著
相关，0． 05 ＜ P≤0． 1表明有相关性，P ＞ 0． 1表明相关性不大。
由表 3 可知，普弹模量 E0 与碘兰值呈极显著正
相关，高弹模量 E1 与碘兰值呈显著负相关。松弛时
间 τ与碘兰值呈显著正相关。碘兰值较大说明大米
的直链淀粉含量较高，导致凝胶体系的刚性较大，从
而使松弛时间 τ 较大。在大米凝胶中，直链淀粉穿
插缠结在支链淀粉网络中，参与凝胶网络结构的形
成。直链淀粉有助于高分子链间氢键的形成，分子
链段运动时受到的阻力较大，导致普弹模量 E0和松
弛时间 τ较大，高弹模量 E1较小，从而表现出凝胶的
刚度［14］和硬度增强，弹性降低，应力松弛衰减速度缓
慢。如 M102s /中组 1 号凝胶的碘兰值比两优 105
大，即 M102s /中组 1 号凝胶的直链淀粉含量高，与两
优 105 相比，其硬度大、弹性小，松弛时间长而应力
松弛衰减速度缓慢。直链淀粉含量高，籼米凝胶 E1
较小，这与米饭凝胶的松弛特性［5］相似，而直链淀粉
含量高，籼米凝胶松弛时间长，这与米饭凝胶的松弛
特性［5］相反。这可能是因为籼米凝胶的蛋白质或脂
肪与淀粉分子缠绕或交联，使得分子间发生相对滑
动的能力较低，也可能是籼米凝胶经过重组织化，质
3
中国粮油学报 2014 年第 12 期
地较均匀，分子链间相互作用力较大，而导致与米饭
凝胶的应力松弛特性有所不同。
普弹模量 E0与脂肪含量呈正相关，应力松弛非
线形指数 n 与脂肪呈负相关。这是由于脂肪与淀粉
分子以结合态形式存在［15］，增加了分子链间的交联
度，使胶体网络结构更加致密，从而提高了凝胶硬
度。如 M103s /中组 1 号凝胶的脂肪含量比两优 301
的高，表现出 M103s /中组 1 号凝胶的普弹模量 E0较
大。脂肪含量较高时，籼米凝胶的硬度较大，这与籼
米凝胶的蠕变特性研究结果［1］不同。这可能是因为
镶嵌在凝胶网络中的脂肪，一方面增加分子链间的
交联度，分子链段运动受到阻碍;另一方面脂肪有润
滑作用，脂肪分子间或脂肪与其他化学键间产生斥
力，克服分子间的相互作用，使分子链发生位移。当
斥力小于分子间的相互作用力时，分子链间的位移
较小，宏观上使凝胶表现出较小的弹韧性。
3 结论
籼米凝胶的应力松弛过程主要由普弹松弛和高
弹松弛 2 部分组成，以高弹松弛为主。籼米凝胶的
应力松弛特性与品种有较大关系。直链淀粉含量、
脂肪含量对松弛特性有显著影响。直链淀粉诱导高
分子链间产生较多的氢键，使分子链段运动时受到
的阻力增大;脂肪与淀粉分子结合增加分子链间交
联度，导致籼米凝胶的硬度增大、弹性减小、应力松
弛衰减速度缓慢。
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Stress － Ｒelaxation Properties of Indica Ｒice Gel
Chen Yun Li Jiangtao Zhao Siming Li Yunbo
(College of Food Science and Technology，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070)
Abstract The rice gel produced from 16 various types of indica rice have been studied on their stress relaxation
properties in the paper． The effects of the main chemical composition on relaxation parameters have been also re-
searched to provide experimental data for starchy gel food’s quality and processing properties． The stress relaxation
process of indica rice gel included high elastic relaxation and general elastic relaxation with high elastic relaxation as
the main factor． The data were as follows:general elastic modulus (E0)of 1． 472 ～11． 400 kg·f /m
2，the high elastic
(下转第 11 页)
4
第 29 卷第 12 期 董建云等 谷氨酰胺转氨酶对小麦蛋白凝胶性的影响研究
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Gelling Characteristics of
Wheat Protein Modified by Transglutaminase
Dong Jianyun Zhong Xiyang Luo Shuizhong Cai Jing Jiang Shaotong Zheng Zhi
(Key Laboratory for Agriculture Products Processing of Anhui Province College of Biotechnology and
Food Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009)
Abstract The gelling characteristics of wheat protein modified by transglutaminase (TG)have been researched
by the single factor experiment and response surface method． The effects of wheat protein concentrations，TG enzyme
concentration，temperature，time and pH on gelling characteristic have been investigated． The results showed that on
condition of the wheat protein mass concentration 20 g /100 mL，TG enzyme dosage 14 U /g wheat protein，pH 7． 0，
the reacting temperature 30℃ and the reacting time 30 min，transglutaminase had the strongest improving effect on
gelling property of wheat protein with the maximum gel strength as 120． 099 g /cm2，which was 55． 5% higher than
that of the unmodified wheat protein． Meanwhile，the emulsification and foaming increased by 83% and 56． 25% re-
spectively，and foaming stability and water absorption slightly increased by 5% and 8． 5% respectively in comparison
of untreated wheat protein． The solubility and emulsion stability were lower than those of the unmodified wheat pro-
tein，which decreased by 9． 91% and 12． 41% respectively．
Key words wheat protein，transglutaminase，
檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪
gelling property
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modulus (E1)of 988 ～ 6 955 kg·f /m
2，the stress relaxation time (τ)of 0． 129 ～ 0． 220 s，the nonlinearity expo-
nent (n)of 0． 057 ～ 0． 162，and the viscosity coefficient (η)of 217． 777 ～ 927． 102 kg· f·s /m2 ． The results
showed that there was a dependence on the main chemical compositions． The higher content of amylose induced to
form stronger hydrogen bonds between polymer chains;meanwhile，the higher content of fat and starch molecules in-
duced to the higher cross linking degree between molecular chains． Both of those could cause higher gel hardness，
the smaller elasticity and slower speed of attenuation of stress relaxation．
Key words indica rice，gel，stress － relaxation
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