韓 璐,盧小卓,朱力杰,王 勃,楊立娜,劉 賀,何余堂,馬 濤

(渤海大學食品科學與工程學院,生鮮農產品貯藏加工 及安全控制技術國家地方聯(lián)合工程研究中心,遼寧錦州 121013)

發(fā)芽糙米是將糙米置于一定溫度、濕度下進行培養(yǎng),使之萌發(fā)到一定長度,所得到的由幼芽和帶糠層的胚乳組成的糙米制品[1]。糙米經(jīng)發(fā)芽后,酶被激活,內含的化學成分發(fā)生變化,γ-氨基丁酸(GABA)、谷維素、肌醇等生理活性物質含量大大增加[2]。GABA是一種非蛋白質氨基酸,是由谷氨酸經(jīng)谷氨酸脫羧酶催化生成的,是一種重要的抑制性神經(jīng)遞質[3]。肌醇六磷酸酯,又稱植酸,是影響礦物質元素吸收的主要抗營養(yǎng)成分。糙米在發(fā)芽過程中植酸酶被激活,植酸被降解,減少抗營養(yǎng)性,并且會生成對人體健康很有益處的肌醇,提高了糙米的營養(yǎng)價值[4-5]。谷維素是阿魏酸與植物甾醇的結合酯類,主要存在于米糠油及其油腳中,米糠層中谷維素的含量為0.3%～0.5%,谷維素是一種強力抗氧化物,能降低膽固醇,對神經(jīng)衰弱癥患者也具有一定的調節(jié)作用[6]。

膨化是食品加工常用的技術方法之一,它可使物料內部的水分液化,在壓力差作用下,使物料膨脹,高分子物質結構變性,形成多孔網(wǎng)狀組織結構[7]。食品經(jīng)膨化后,主要成分、外觀、風味、質構等都會發(fā)生明顯的變化。淀粉、粗纖維、蛋白質、脂肪等大分子物質被切斷成小分子物質,例如將長鏈淀粉切斷成水溶性淀粉、還原糖等,將一部分蛋白質分解成肽和氨基酸,增加食品風味,易于消化吸收。目前對發(fā)芽糙米的研究多集中在膨化米制品的開發(fā)工藝[8]、膨化條件的優(yōu)化[9-10]、膨化對糙米理化性質的影響等方面,對生理活性物質的研究相對較少。

膨化技術中最為常用的為擠壓膨化和微波膨化兩種,故本實驗選用了擠壓和微波兩種膨化方式對發(fā)芽糙米進行處理,測定膨化前后發(fā)芽糙米中生理活性物質γ-氨基丁酸、植酸、谷維素的變化規(guī)律,以期得到最大限度保存發(fā)芽糙米中生理活性物質的膨化方式。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

發(fā)芽糙米 本溪寨香生態(tài)農業(yè)有限公司提供,物料含水量14%(濕基);γ-氨基丁酸標準品(99%) 北京索萊寶科技有限公司;谷維素標準品 大連美侖生物技術有限公司;乙酸鈉、鄰苯二甲醛、磷酸二氫鉀、鉬酸鈉、硫酸肼、氯化鐵、四硼酸鈉、氫氧化鈉、無水乙醇 國藥集團化學試劑有限公司,均為分析純;甲醇、乙腈 均為色譜純。

G7OF23N1P-M8(SO)型微波爐 格蘭仕微爐電器有限公司;電熱恒溫水浴鍋 北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司;Agilent 1260 Infinity高效液相色譜儀 安捷倫科技(中國)有限公司;UV-2802型紫外可見分光光度計 尤尼柯(上海)儀器有限公司;TDL-5-A型離心機 上海安亭科學儀器廠;AR224CN型電子分析天平 奧豪斯儀器上海有限公司;SL-250A型高速多功能粉碎機 浙江省永康市松青五金廠;CR-400型色差計 日本koivica minolta公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 擠壓膨化工藝 對發(fā)芽糙米進行擠壓膨化處理,擠壓膨化參數(shù)為:Ⅰ區(qū)溫度50 ℃,Ⅱ區(qū)溫度165 ℃,Ⅲ區(qū)溫度205 ℃,螺桿轉速35 r/min。將膨化后的發(fā)芽糙米粉碎,過100目篩,4 ℃冷藏備用。

1.2.2 微波膨化工藝 對發(fā)芽糙米進行微波膨化處理,微波參數(shù)為:進樣量100 g,微波功率800 W,微波時間150 s。將膨化后的發(fā)芽糙米粉碎,過100目篩,4 ℃冷藏備用。

1.2.3 吸水指數(shù)(WAI)和水溶指數(shù)(WSI)的測定 參考VAMSHIDHAR[11]和JONES[12]的測定方法,略有改動:準確稱取2.50 g樣品置于50 mL離心管中,加入 30 mL 去離子水,在30 ℃條件下振蕩30 min,再以3000 r/min 的轉速離心10 min,分離上清液和沉淀物。上清液傾倒于恒重的培養(yǎng)皿中,在105 ℃溫度下蒸發(fā)至恒重。WSI 和 WAI 按下式計算:

其中:m1為樣品的干重(g),m2為上清液蒸發(fā)干后殘余物質量(g),m3為傾出上清液后沉淀的質量(g)。

1.2.4 色澤的測定 采用色差計測定樣品的L*、a*、b*值,其中,a*值代表物質的紅綠程度,a*為正值表示物質偏紅色,為負值表示偏綠色。b*值代表物質的黃藍程度,b*為正值表示物質偏黃色,為負值表示偏藍色。按公式計算ΔE值:

其中:ΔE為色差值;L、a、b分別表示樣品的L*、a*、b*值,L0、a0、b0分別表示對照品的L*、a*、b*值。

1.2.5 GABA含量的測定

1.2.5.1 標準曲線的繪制 準確稱取質量濃度為20、40、60、80、100 μg/mL的GABA標準溶液1 mL,加入1 mL鄰苯二甲醛衍生試劑,混勻,衍生反應2 min后過濾,以GABA相應濃度為橫坐標以峰面積為縱坐標做標準曲線。

1.2.5.2 樣品溶液的制備 精確稱取3 g過篩后的發(fā)芽糙米粉溶于50 mL 60%乙醇中,50 ℃水浴振蕩1 h,以3000 r/min的速度離心15 min,將上清液過0.45 μm膜,備用。

1.2.5.3 色譜條件 參考程威威的方法并略作修改[13]。色譜柱Eclipse Plus C18(250 mm×4.6 mm×5 μm);流動相A:0.025 mol/L pH(5.90±0.05)的乙酸鈉溶液;流動相B:純乙腈;紫外檢測器:發(fā)射波長332 nm;流速為0.5 mL/min;柱溫:40 ℃;進樣:10 μL;梯度洗脫程序如表1所示:

表1 測定γ-氨基丁酸的HPLC梯度洗脫程序表Table 1 Gradient elution program for separation of γ-aminobutyric acid by HPLC

1.2.6 植酸含量的測定

1.2.6.1 標準曲線的制作 分別量取0.01 mg/mL的磷酸二氫鉀標準溶液0、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 mL于50 mL容量瓶,再分別補加蒸餾水至10 mL,依次加入2.0 mL鉬酸鈉與8.0 mL硫酸肼溶液,搖勻,沸水浴10 min,用冷水冷卻至室溫,蒸餾水定容至刻度。靜置10 min,于波長650 nm處測定吸光度[14]。

1.2.6.2 測定方法 取2.50 g發(fā)芽糙米樣品溶于50 mL質量分數(shù)為1.2%的鹽酸溶液,室溫震蕩2 h,4500 r/min離心,取上清液。

準確移取10 mL上清液于坩堝內,加入少量ZnO,在電爐上炭化完全。然后將坩堝放入550～600 ℃的馬弗爐中煅燒2 h,冷卻至室溫后,加入5 mL蒸餾水和5 mL HCl,在電爐上微沸5 min,然后過濾至100 mL容量瓶,分別用5 mL蒸餾水洗滌坩堝及濾紙5次。濾液冷卻至室溫后,滴加50%的NaOH溶液至濾液呈微渾濁,滴加鹽酸至沉淀溶解,多滴2滴使溶液呈微酸性,用蒸餾水定容至刻度。用移液管移取上述液10 mL,總磷含量的測定方法同1.2.6.1。

準確移取離心后的上清液10 mL,加入10 mL蒸餾水與12 mL FeCl3溶液,在沸水浴中加熱75 min。冷卻至室溫后過濾,得到澄清濾液。移取10 mL濾液,游離磷含量的測定方法同1.2.6.1。

根據(jù)總磷與游離磷的差值換算樣品中植酸含量及植酸降解率。

1.2.7γ-谷維素含量的測定

1.2.7.1 標準曲線的制作 準確稱取0.04 gγ-谷維素標準品于100 mL棕色容量瓶中,加入4 mL三氯甲烷,再用無水乙醇定容至刻度線。吸取0.1、0.25、0.5、1.0、1.5、2.0 mL標準液分別于50 mL棕色容量瓶中,用無水乙醇定容,以無水乙醇做空白樣液,在327 nm處測定吸光度,制作標準曲線[15]。

1.2.7.2 樣品中γ-谷維素含量的測定 稱取0.50 g發(fā)芽糙米樣品于50 mL棕色容量瓶中,加2 mL三氯甲烷溶解,再用無水乙醇定容,靜置40 min后過濾,取濾液于327 nm處測定吸光度。

2 結果與分析

2.1 膨化方式對發(fā)芽糙米WAI和WSI的影響

WAI和WSI是評價膨化食品的良好指標。其中,WSI用來評價分子的降解程度,其大小與膨化后發(fā)芽糙米中淀粉釋放的可溶性糖等小分子物質的量成正比[16]。由表2可以看出,微波膨化、擠壓膨化均提高了發(fā)芽糙米的WAI,分別約為原料發(fā)芽糙米的1.84、2.81倍。這可能是因為發(fā)芽糙米經(jīng)膨化后內部形成了較多的孔狀結構,這些孔洞會通過毛細管作用來吸收并保持水分不流失,所以增加了WAI。但是,不同膨化方式對發(fā)芽糙米的WSI有不同的影響作用,其中,擠壓膨化顯著增加了發(fā)芽糙米的WSI(p<0.05),約為原料米的2.38倍,這可能是因為擠壓膨化是在高溫高壓及高剪切力的條件下進行的,在此過程中,發(fā)芽糙米中的淀粉糊化裂解,纖維素降解成葡萄糖,蛋白質裂解,都會導致擠壓膨化發(fā)芽糙米中的水溶性物質增多[17]。而微波膨化則降低了發(fā)芽糙米的WSI,從下表中可以看出,微波膨化后發(fā)芽糙米的WSI從(7.43%±0.26%)下降到(3.12%±0.14%),這可能是因為微波的高溫條件會使發(fā)芽糙米迅速脫去水分,蛋白質的三級與四級結構遭到破壞,蛋白質分子進行伸展、重組,分子間的二硫鍵與氫鍵部分斷裂,導致蛋白質變性,把可溶性物質包裹在凝膠聚合物中,增加蛋白質的疏水作用,從而降低了蛋白質的溶解性,此外,由于淀粉顆粒中大量變性蛋白質的存在,大大延長了水分擴散到顆粒中的時間,進而阻礙了淀粉流動到外部介質的進程,最終會導致水溶指數(shù)的降低[18]。

表2 不同膨化方式對發(fā)芽糙米 吸水指數(shù)和水溶指數(shù)的影響Table 2 The effects of different puffing methods on water absorption index and water solubility index of germinated brown rice

2.2 膨化方式對發(fā)芽糙米色澤的影響

不同膨化方式對發(fā)芽糙米色澤的變化如表3所示。由表3中可以看出,微波和擠壓膨化后的發(fā)芽糙米的L*值都低于原料發(fā)芽糙米的L*值,分別降低了9.29%、4.41%,這說明膨化后的發(fā)芽糙米褐變程度變大[19],L*值代表明度,L*值越大,表示褐變程度越小。a*值顯著高于原料發(fā)芽糙米(p<0.05),b*值的變化趨勢與a*值一樣,這表明原料發(fā)芽糙米、擠壓膨化發(fā)芽糙米和微波膨化發(fā)芽糙米都主要以黃色為主,略帶綠色。這種結果可能是因為擠壓膨化作用會使淀粉分子和蛋白質發(fā)生美拉德反應,生成深色的蛋白黑素[20],還可能是因為微波和擠壓膨化的高溫致使褐變程度增加,導致pH下降,抑制美拉德反應的進行,未完全反應的糖自身降解生成一部分褐色物質[21]。

表3 不同膨化方式對發(fā)芽糙米色澤的影響Table 3 The effects of different puffing methods on the color of germinated brown rice

2.3 膨化對發(fā)芽糙米中GABA的影響

2.3.1 GABA的定性分析 在1.2.5.3的色譜條件下,對GABA標準品及發(fā)芽糙米樣品進行進樣洗脫,得到的色譜圖如圖1,由圖可以看出,GABA的保留時間在33 min左右,發(fā)芽糙米樣品中的其它成分對目標物的測定無干擾。

圖1 GABA標準品的HPLC圖譜Fig.1 The HPLC results of GABA standard

2.3.2 標準曲線的繪制 將質量濃度20、40、60、80、100 μg/mL GABA標準溶液進行色譜測定,以GABA相應濃度為橫坐標X1,以峰面積為縱坐標Y1做標準曲線。繪制的標準曲線如圖2,得到回歸方程Y1=22.888X1+25.29,R2=0.999。

圖2 GABA的標準曲線Fig.2 The standard curve of GABA

2.3.3 膨化對發(fā)芽糙米樣品GABA含量的影響 不同膨化條件對發(fā)芽糙米中GABA含量的影響如圖3所示,從圖3中可以看出,微波膨化及擠壓膨化后發(fā)芽糙米中GABA含量都顯著下降,分別減少了40.42%和24.49%，這可能是因為GABA是一種非蛋白質氨基酸,它會在高溫狀態(tài)下與其它物質反應,高溫也會破壞GABA的結構,使GABA發(fā)生降解,還會與還原糖發(fā)生美拉德反應[22]。由圖可知,微波膨化比擠壓膨化對GABA的損害更為嚴重,這可能是因為微波膨化比擠壓膨化的溫度升高的更快,雖然對發(fā)芽糙米進行了高溫、高壓和高剪切力處理,但處理時間短,而微波膨化則在高溫高壓的條件下對發(fā)芽糙米進行較長時間的處理,因此造成了微波膨化后的發(fā)芽糙米中GABA含量比擠壓膨化處理的下降更為明顯。

圖3 不同膨化方式對發(fā)芽糙米中GABA含量的影響Fig.3 The effects of different puffing methods on GABA content in germinated brown rice

2.4 不同膨化條件對發(fā)芽糙米中植酸含量的影響

2.4.1 標準曲線的繪制 以磷含量為橫坐標X2,650 nm處測得的吸光度為縱坐標Y2,繪制標準曲線如圖4,得到線性回歸方程Y2=4.0548X2-0.0032,R2=0.9998。

圖4 磷酸二氫鉀的標準曲線Fig.4 The standard curve of potassium dihydrogen phosphate

2.4.2 不同膨化條件對發(fā)芽糙米中植酸含量的影響 不同膨化條件下發(fā)芽糙米中的植酸含量如圖5所示。植酸主要貯藏在發(fā)芽糙米的糊粉層中,它能與二價或三價的金屬陽離子發(fā)生螯合反應,生成不溶于水的化合物,會影響人體對金屬離子的吸收作用,因此,植酸常作為抗營養(yǎng)因子存在于植物中[23]。由圖5可以看出,微波膨化和擠壓膨化都降低了發(fā)芽糙米中植酸的含量,植酸降解率分別為6.98%和14.17%。這可能是因為在高溫、高壓、高剪切速率的條件下,發(fā)芽糙米的細胞壁破裂,細胞的組織結構發(fā)生了變化,導致植酸分子降解,降低了植酸的含量,而微波膨化溫度升高的速度快,使發(fā)芽糙米中的淀粉分子發(fā)生糊化,糊化后的淀粉等物質會把植酸分子包裹起來,所以裂解的植酸就相對少于擠壓膨化的植酸分子,這也就解釋了圖5中微波膨化后的植酸含量為什么顯著低于擠壓膨化后的植酸含量[24]。

圖5 不同膨化方式對發(fā)芽糙米中植酸含量的影響Fig.5 The effects of different puffing methods on phytic acid content in germinated brown rice

2.5 不同膨化條件對發(fā)芽糙米中γ-谷維素含量的影響

2.5.1 標準曲線的繪制 以γ-谷維素含量為橫坐標X3,327 nm處測得的吸光度為縱坐標Y3,繪制標準曲線如圖6,得到線性回歸方程Y3=0.513X3+0.0091,R2=0.9997。

圖6 谷維素的標準曲線Fig.6 The standard curve of oryzanol

2.5.2 不同膨化條件對發(fā)芽糙米中γ-谷維素含量的影響 谷維素存在于發(fā)芽糙米的米糠層中,不溶于水,是一種脂溶性不皂化物,阿魏酸分子與阿拉伯木聚糖以酯鍵形式鍵合,擠壓膨化的高壓、高剪切的條件可能使酯鍵斷裂,造成谷維素的損失[25]。不同膨化條件下發(fā)芽糙米中的谷維素含量如圖7所示,由圖中可以看出,微波膨化后的發(fā)芽糙米中谷維素含量升高,是原料的1.44倍；而擠壓膨化后谷維素含量大幅度下降，減少了89.2%。造成這種情況的原因可能是微波加熱過程中微波能夠深入到物料內部而不靠物體本身的熱傳導進行加熱,所以溫度升高的速度快,快速加熱可以加速發(fā)芽糙米的纖維分子之間化學鍵的斷裂,致使淀粉分子的結構變化,釋放出大量的谷維素[26]。

圖7 不同膨化方式對發(fā)芽糙米中谷維素含量的影響Fig.7 The effects of different puffing methods on oryzanol content in germinated brown rice

3 結論

以發(fā)芽糙米為原料,研究了微波膨化和擠壓膨化兩種膨化方式對發(fā)芽糙米中主要生理活性物質GABA、谷維素和植酸含量的影響,實驗表明,微波、擠壓膨化均顯著提高了發(fā)芽糙米的吸水指數(shù)(p<0.05),但對水溶指數(shù)的影響則不相同,擠壓膨化增加了發(fā)芽糙米的水溶指數(shù),而微波膨化大大降低了水溶指數(shù)。擠壓膨化降低了發(fā)芽糙米中GABA、谷維素的含量,對谷維素造成極大的損失；而微波膨化則提高了谷維素的含量,對GABA的損失較少；微波與擠壓膨化均對植酸的降解起到了促進作用。綜上所述,微波膨化相比較于擠壓膨化對發(fā)芽糙米的色澤、生理活性物質的影響相對較小。

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