精白保胚米發(fā)芽過程中淀粉酶及相關(guān)營養(yǎng)成分的變化

李向紅，劉永樂*，俞 健，王發(fā)祥，王建輝

(長沙理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，湖南 長沙 410004)

精白保胚米是保留了胚芽部分的精白米，胚芽富含多種營養(yǎng)元素。由于保留了胚芽，每100kg稻谷可以多出10kg左右的保胚米，節(jié)約了稻谷資源，增加了大米產(chǎn)量。生產(chǎn)保胚米時由于不需要耗能較大的碾米設(shè)備，使得能耗大為降低，節(jié)約了能源成本。糙米的營養(yǎng)成分雖然很充足，但由于外面包裹著一層堅(jiān)硬的種皮，不但不美觀，而且不易蒸煮，同時不易消化，而去除部分種皮的精白保胚米的食用品質(zhì)就比糙米好得多[1]。干燥的精白保胚米處于休眠狀態(tài)，此時精白保胚米各部分組織比較堅(jiān)實(shí)緊密，細(xì)胞內(nèi)呈干燥的凝膠狀態(tài)。當(dāng)精白保胚米與水分直接接觸或在濕度較高的空氣中，則很快吸水而膨脹，直到細(xì)胞內(nèi)部的水分達(dá)到一定的飽和程度、細(xì)胞壁呈緊張狀態(tài)、精白保胚米外部的保護(hù)組織趨向軟化才逐漸停止，精白保胚米在吸收足夠量的水分后能正常發(fā)芽[2]。

糙米發(fā)育過程中，所含的大量酶被激活和釋放，并從結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化為游離態(tài)，包括淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等，其中最主要的是淀粉酶的作用。陳志剛[3]發(fā)現(xiàn)糙米在發(fā)芽前期和中期隨著萌發(fā)時間的延長α-淀粉酶活力迅速升高，發(fā)芽后期酶活力下降。Ren Yanfang[4]等研究了3種纖維素酶(β-甘露聚糖酶、β-甘露糖苷酶、α-半乳糖苷酶)在糙米發(fā)芽過程中的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)β-甘露糖苷酶和α-半乳糖苷酶存在于未萌發(fā)的種子中并在發(fā)芽過程中活力逐漸增加，而β-甘露聚糖酶只有在發(fā)芽的種子中存在。發(fā)芽過程中，糙米內(nèi)部豐富的營養(yǎng)物質(zhì)逐步地被分解和利用，一方面在呼吸過程中轉(zhuǎn)化為能量，用于生長和合成，另一方面通過代謝轉(zhuǎn)化成新細(xì)胞組成的成分。淀粉在淀粉酶的作用下逐漸被分解，其中α-淀粉酶是一種內(nèi)切型淀粉酶，作用于淀粉時，隨機(jī)地從淀粉內(nèi)部切開α-1,4-糖苷鍵，使淀粉分子迅速降解為麥芽糖、葡萄糖及一系列α-極限糊精等小分子。β-淀粉酶是一種外切型淀粉酶，作用于淀粉時，從淀粉的非還原端依次切開α-1,4-糖苷鍵，生成麥芽糖。脫支酶能催化水解支鏈淀粉、糖原及相關(guān)的大分子化合物中的α-1,6-糖苷鍵，生成直鏈淀粉和糊精。淀粉在幾種淀粉酶的協(xié)同作用下，分解為小分子的葡萄糖，為萌發(fā)提供能量。本實(shí)驗(yàn)研究精白保胚米發(fā)芽過程中各種淀粉酶活力的改變以及伴隨的營養(yǎng)成分的變化，為精白保胚發(fā)芽米產(chǎn)品的開發(fā)以及綜合利用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

糙米和精白保胚米的原料均為東北粳稻(空育131)，購自東北北大荒種業(yè)；其他所有化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

精白保胚米制米機(jī)組 湖南省湘糧機(jī)械制造有限公司；MJ-Ⅱ霉菌培養(yǎng)箱 上海一恒科技有限公司；UV2600 紫外-可見分光光度計(jì) 上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；FW100型高速萬能粉碎機(jī) 天津泰撕特儀器有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；DELTA 320 pH計(jì) 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；SK-1 型快速混勻器 金壇市醫(yī)療儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 精白保胚米發(fā)芽工藝

粳稻礱谷除雜后即得糙米，經(jīng)發(fā)芽后便為發(fā)芽糙米。精白保胚米發(fā)芽工藝流程如下：稻谷→礱谷→除雜→篩選→分級→優(yōu)質(zhì)精白保胚米→經(jīng)0.5g/100mL的次氯酸鈉溶液浸泡消毒5min→經(jīng)0.02mg/mL的赤霉素溶液浸泡16h→25℃培養(yǎng)24h→45℃干燥8h→精白保胚發(fā)芽米。

1.3.2α-淀粉酶、β-淀粉酶活力測定方法

1.3.2.1 制備酶液

DNS試劑的配制方法為：稱取3,5-二硝基水楊酸(10±0.1)g，置于約600mL水中，逐漸加入NaOH 10g，在50℃水浴中磁力攪拌溶解，再依次加入酒石酸甲鈉200g、苯酚(重蒸)2g和無水亞硫酸鈉5g，待全部溶解并澄清后，冷卻至室溫，用水定容至1000mL，過濾。貯存于棕色試劑瓶中，于暗處放置7d后使用。

1.3.2.2α-淀粉酶活力測定

測定方法參考文獻(xiàn)[5]。取淀粉酶原液lmL，置于70℃水浴中15min，冷卻后放入40℃水浴中10min，加入1%淀粉lmL，準(zhǔn)確保溫5min，加入DNS試劑2mL終止反應(yīng)，再加入16mL蒸餾水搖勻，在540nm波長處比色。單位酶活力定義為1min能使淀粉碘液光密度下降10%為1個酶活力單位，按式(1)進(jìn)行計(jì)算。

式中：OD1為參比光密度；OD2為樣品光密度；C為水分含量/%；n為稀釋倍數(shù)。

1.3.2.3β-淀粉酶活力的測定

取淀粉酶稀釋液lmL，放入40℃水浴中預(yù)溫10min，加入1%淀粉lmL，準(zhǔn)確保溫5min，加入DNS試劑2mL終止反應(yīng)，再加入16mL蒸餾水搖勻，在540nm波長處比色。單位酶活力定義為1min能使淀粉碘液光密度下降10%為1個酶活力單位，按式(2)、(3)進(jìn)行計(jì)算。

1.3.3 還原糖含量變化的測定

采用3,5-二硝基水楊酸(DNS)比色法測還原糖含量[7]。在540nm波長處比色，以麥芽糖標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，以其對應(yīng)的光密度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到線性方程為y= 0.1249x―0.0397(R2=0.9969)。

1.3.4 總糖含量變化的測定

采用硫酸-蒽酮法測定總糖含量[8-9]。在540nm波長處比色，以葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，以其對應(yīng)的光密度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到線性方程為y=0.0318x―0.0111(R2=0.9987)。

1.3.5 淀粉含量變化的測定

取2g已脫脂樣品，用150mL 85%乙醇分?jǐn)?shù)次洗滌去除可溶性糖，3000r/min離心10min，將沉淀轉(zhuǎn)移至250mL錐形瓶中后加入20mL稀HCl，裝入回流裝置在沸水浴中回流2.5h，冷卻后用20% NaOH溶液中和，過濾取上清液用硫酸-蒽酮法測定其總糖量，最后折算成淀粉含量。

1.3.6 熱水溶性直鏈淀粉的含量變化的測定

測定方法參考GB/T 15683—2008《大米直鏈淀粉含量測定法》[10]。原料處理：準(zhǔn)確稱取0.1000g過100目篩的米粉于100mL燒杯中，加入50mL 30℃的蒸餾水，然后沸水浴5min再轉(zhuǎn)入30℃水浴中保溫30min過濾，取濾液3mL，再加入1mL碘溶液和1mL 15%的HCl溶液，定容至50mL，室溫條件下放置30min后在620nm波長處比色，1mL碘溶液與1mL 15%的HCl溶液定容到50mL作為空白對照。以直鏈淀粉質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，以其對應(yīng)的光密度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到線性方程為y= 3.0143x＋0.149(R2=0.9936)。

2 結(jié)果與分析

2.1 α-淀粉酶及β-淀粉酶活力變化

圖1 α-淀粉酶活力隨發(fā)芽時間變化的比較曲線Fig.1 Activities of α-amylase under different germination conditions

由圖1可知，在精白保胚米和糙米發(fā)芽過程中α-淀粉酶的活力先由低變高，再由高變低，精白保胚米在發(fā)芽16h時α-淀粉酶活力最高，而糙米在發(fā)芽時α-淀粉酶活力達(dá)到最高點(diǎn)時間較長。因?yàn)棣?淀粉酶是谷類種子發(fā)芽過程中形成的主要淀粉酶，在干稻谷種子中一般不含或含量甚微，發(fā)芽后由于赤霉素的誘導(dǎo)作用，在糊粉層內(nèi)產(chǎn)生大量的α-淀粉酶，酶活力逐漸升高。

圖2 β-淀粉酶活力隨發(fā)芽時間變化的比較曲線Fig.2 Activities of β-amylase under different germination conditions

由圖2可知，發(fā)芽開始時β-淀粉酶活力較低，這是糊粉層中少量已活化的β-淀粉酶在發(fā)揮作用。發(fā)芽過程中，位于糊粉層中的β-淀粉酶向胚乳分泌，位于胚乳中的未活化部分在蛋白酶的作用下雙硫鍵被切斷，β-淀粉酶得以活化從而使β-淀粉酶的活性先由低變高，再由高變低，到達(dá)最高點(diǎn)后受到底物質(zhì)量濃度的影響而逐漸降低[11]。

2.2 還原糖、總糖及淀粉含量的變化

由圖3、4可知，還原糖、總糖的含量隨著時間的增加而升高，在24h后逐漸降低，精白保胚米在發(fā)芽過程中還原糖的含量高于糙米，這是因?yàn)樵诎l(fā)芽過程中由于淀粉酶(α-淀粉酶和β-淀粉酶)被激活，在淀粉酶的作用下淀粉被酶解為還原糖和非還原性糖，總糖含量也隨之增加，在24h后由于精白保胚米和糙米芽體的迅速生長，為了提供芽體生長所需的能量和基礎(chǔ)原料，需要利用糖類從而使還原糖、總糖的含量稍有降低。還原糖含量的高低直接影響稻米食味的好壞[3]，與發(fā)芽糙米比較，精白保胚發(fā)芽米蒸煮時易糊化，甜味稍強(qiáng)，食味品質(zhì)稍高。

圖3 還原糖含量隨時間變化曲線Fig.3 Contents of reducing sugar under different germination conditions

圖4 總糖含量隨時間變化曲線Fig.4 Contents of total sugar under different germination conditions

圖5 淀粉含量隨時間變化曲線Fig.5 Contents of starch under different germination conditions

由圖5可知，淀粉含量隨發(fā)芽時間的延長而逐漸降低。精白保胚米和糙米在發(fā)芽的過程中淀粉在淀粉酶的作用下酶解為糖類及糊精，而糖類和糊精則為芽體的生長提供必須的營養(yǎng)物質(zhì)，從而使淀粉的含量逐漸降低，前期由于精白保胚米的發(fā)芽能力高于糙米，所以精白保胚米在發(fā)芽過程中淀粉消耗的比糙米多，淀粉含量較糙米低，24h后由于糙米芽體迅速增長，使得淀粉含量迅速下降。

2.3 精白保胚米發(fā)芽過程中熱水溶性直鏈淀粉含量的變化

圖6 熱水溶性直鏈淀粉的含量隨時間的變化Fig.6 Hot-water solubility of amylose under different germination conditions

由圖6可知，發(fā)芽時間對精白保胚米和糙米中熱水溶性直鏈淀粉的含量影響較為明顯。隨著發(fā)芽時間的延長，熱水溶性直鏈淀粉的含量不斷增加，發(fā)芽24h后熱水溶性直鏈淀粉的含量增加緩慢。這是因?yàn)橹辨湹矸劬哂袩崴苄裕诎l(fā)芽過程中由于脫支酶被激活將分子質(zhì)量較大的支鏈淀粉進(jìn)行脫支，從支鏈淀粉上脫下來的分支成為直鏈淀粉，從而使熱水溶性直鏈淀粉的含量增加。

3 結(jié) 論

精白保胚米和糙米發(fā)芽過程中α-淀粉酶、β-淀粉酶、總淀粉酶的活性先由低變高，再由高變低，精白保胚米在發(fā)芽16h時淀粉酶的活性最高，而糙米在發(fā)芽時淀粉酶活性達(dá)到最高點(diǎn)時間較長；葡聚糖內(nèi)切酶活力隨發(fā)芽時間的增加活性逐漸升高，糙米在發(fā)芽過程中葡聚糖內(nèi)切酶活力高于精白保胚米。還原糖、總糖的含量隨著時間的增加而升高，在20～24h后逐漸降低，精白保胚米在發(fā)芽過程中還原糖的含量高于糙米；淀粉含量隨發(fā)芽時間的延長而逐漸降低，因?yàn)榈矸墼诘矸勖傅淖饔孟旅附鉃樘穷惣昂?，從而使淀粉的含量逐漸降低，前期精白保胚米的發(fā)芽能力高于糙米，所以精白保胚米在發(fā)芽過程中淀粉消耗的比糙米多，淀粉含量較糙米低，24h后由于糙米芽體迅速增長，使得淀粉含量迅速下降。發(fā)芽時間對精白保胚米和糙米中熱水溶性直鏈淀粉的含量影響較為明顯，隨著發(fā)芽時間的延長，熱水溶性直鏈淀粉的含量也不斷增加。本實(shí)驗(yàn)研究了精白保胚米發(fā)芽過程中各種淀粉酶活力的改變以及伴隨的一些相關(guān)營養(yǎng)成分的變化，為精白保胚發(fā)芽米產(chǎn)品的開發(fā)以及綜合利用提供了理論支持。

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