大米陳化過程中表面油脂變化特征初探

徐欣源，付桂明，劉成梅，羅舜菁，鐘業(yè)俊，周曉晴，汪志宇

（南昌大學食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江西南昌330047）

水稻是我國主要糧食作物[1]。在我國國民的日常飲食中，主食也多以大米或大米制品為主，因此水稻也是我國主要儲備糧之一。常用的大米儲藏形式有三種：稻谷、糙米和精米。稻谷有完整的皮殼，具有一定的保護作用，耐儲性較好。但是稻殼表面粗糙，孔隙度大，儲藏時會占很大一部分倉庫容量（稻谷所占的倉容是糙米所占的1.6倍）[2]。日本人提出以糙米儲藏代替稻谷儲藏。糙米儲藏不僅可以減少倉容，大大降低運輸成本[3]，并且可以保持一定的新鮮程度[4]。我國市售大米多以精米為主，精米在加工到銷售之間，多有流通領(lǐng)域內(nèi)的停留，因此有一定數(shù)量的精米儲藏。對糙米和精米儲藏性質(zhì)方面的研究主要涉及儲藏中各營養(yǎng)成分的變化[5-6]，蒸煮品質(zhì)[7-8]、糊化特性和質(zhì)構(gòu)特性[9-10]的變化。對動力學的研究大多側(cè)重于大米淀粉的糊化特性動力學[11-12]以及營養(yǎng)成分變化[13-14]動力學，從動力學角度對糙米和精米表面油脂變化特征分析的較少，對表面油脂氧化反應(yīng)的活化能的比較研究也較少。因此本研究旨在監(jiān)測糙米和精米表面油脂變化情況，對比兩者表面油脂變化差異，同時從反應(yīng)動力學以及活化能角度分析精米表面油脂的變化特征。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

粳米稻谷（空育131）購買自中糧股份有限公司江西省分公司糧庫，除雜后于低溫干燥處存放。

JLGJ2.5礱谷機 浙江展誠；TM05C碾米機SATAKE，北京；紫外分光光度計 普析通用，北京；HR83快速水分測量儀 METTLER TOLEDO。

1.2 實驗樣品的準備

1.2.1 糙米樣品的準備 稻谷原料經(jīng)礱谷機脫殼、φ3.0mm谷物選篩初篩、人工挑揀除去雜質(zhì)和劣質(zhì)米粒后，得到完整無損傷、大小均一的糙米樣品。經(jīng)檢測，水分含量為14.10%，脂肪含量為2.698%。

1.2.2 精米的加工 用碾米機加工糙米，經(jīng)一定的碾磨時間可得到碾減率（Degree of milling，DOM）為10%的精米樣品。加工碾減率偏差范圍為±0.1%。經(jīng)鑒定為市售標一米加工精度，水分含量為13.75%，脂肪含量為0.620%。碾減率（DOM）計算公式[15－16]如下：

碾減率（DOM，%）=[1－（碾磨后米樣重量/碾磨前糙米重量）]×100

1.3 實驗方法

1.3.1 儲藏實驗 兩種實驗樣品分別用玻璃罐密閉封裝，每罐約100g，放入人工氣候箱進行儲藏實驗。儲藏溫度依據(jù)低溫、常溫和高溫區(qū)分，分別設(shè)為4、25、35℃，濕度RH為40%±5%。于陳化開始0d和5d時取樣，之后每15d取樣。每次取樣隨機取出各溫度下米樣各一罐，測定其水分、游離脂肪酸值和丙二醛含量，未測定完的樣品真空包裝后于－20℃下保存，并于5d內(nèi)測完。

1.3.2 游離脂肪酸值（Free Fatty Acid，F(xiàn)FA）游離脂肪酸值的測定參照國標《GB/T 20569－2006稻谷儲存品質(zhì)判定規(guī)則》進行測定。

1.3.3 丙二醛含量（Malondialdehyde，MDA）丙二醛的測定方法參照周顯青等[17]、李宏洋等[18]、Narpinder S等[19]文獻方法稍作修改后測定。將定期取出的樣品經(jīng)粉碎機粉碎，各稱?。?.00±0.01）g，加入5mL 10%三氯乙酸（TCA）溶液研磨勻漿，4000r/min離心10min，上清液用TCA于10mL比色管中稀釋至刻度定容。取定容后的上清液2mL（空白為2mL蒸餾水），加0.6%硫代巴比妥酸溶液2mL，充分混合后在100℃水浴中煮沸15min，冷卻后再離心1次。分別測定離心后上清液在450、532、600nm處的吸光度值。按下列公式計算提取液中MDA濃度，然后進一步換算成米樣中含有的丙二醛含量。

式中，6.45為常數(shù)；A532、A450、A600分別代表上清液在532、450、600nm波長下的吸光度值；C為提取液中MDA的濃度（μmol/L）。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理 實驗圖表由Origin軟件完成。采用SPSS 16.0軟件進行各級動力學方程的擬合。

1.3.4.1 動力學方程的擬合 選擇參考的動力學模型如下：

零級動力學模型：B=B0+k0t；一級動力學模型：B=B0exp（k1t）；二級動力學模型：B=B0+k2/t

其中，B代表指標在任意時間的測定值；B0為該指標的初始值；t為儲藏時間，d；k0、k1、k2分別代表零級、一級和二級動力學反應(yīng)速率常數(shù)，d－1。

1.3.4.2 反應(yīng)動力學活化能 活化能按照Arrhenius方程進行計算：

式中，Eα為反應(yīng)活化能，J/mol；k為速度常數(shù)；kA為指前因子；R為氣體常數(shù)，8.3144J/（mol·K）；T為熱力學溫度，K。

2 結(jié)果與分析

2.1 精米和糙米樣品儲藏后游離脂肪酸（FFA）變化情況

精米和糙米樣品于恒溫箱儲藏90d期間FFA變化情況如圖1所示。

從圖1的A、B兩圖中可以看出，F(xiàn)FA的增長量隨儲藏溫度的升高增加顯著（p＜0.05）。這說明FFA的增長可能與脂肪酶活性有關(guān)[20]。米粒表面油脂在脂肪酶作用下發(fā)生水解反應(yīng)生成FFA，因此隨著溫度升高，脂肪酶活性升高，F(xiàn)FA生成加快。在開始的0～5d儲藏期內(nèi)精米FFA含量都有較明顯增長，并且增長速率較10～90d期間要快。這與Henry S[21]報道的精米FFA變化趨勢一致。精米在碾磨加工過程中脂肪酶被激活[22]，儲藏期開始的0～5d期間，在糠層脂肪酶的作用下FFA增長達到最高速率，隨后由于不飽和FFA被進一步氧化分解，F(xiàn)FA累積速率減緩。對比A、B兩圖中各溫度下儲藏過程中米樣的FFA變化量可以發(fā)現(xiàn)，精米初始FFA含量為6.84mg KOH/100g（若按占總脂肪質(zhì)量百分比計為：5.4%脂肪w/w），在37、25、4℃ 下 儲 藏90d后 分 別 增 加 到 49.0、26.1、15.3mg KOH/100g（分別為40.4%、21.4%和12.4%脂肪w/w）；而糙米初始FFA含量為18.0mg KOH/100g（3.40%脂肪w/w），在37、25、4℃下儲藏90d后分別增加到54.2、39.1、28.0mg KOH/100g（分別為10.3%、7.38%和5.30%脂肪w/w）。由此可見，首先，精米初始的游離脂肪酸占總脂肪的比例比糙米更大。這可能是由于精米經(jīng)過碾磨加工后脂肪酶被激活，同時加工過程中受熱導(dǎo)致的。其次，精米FFA含量占總脂肪的比例的增幅比糙米更大。可見糙米雖然含有較高的脂肪含量，但是精米脂肪發(fā)生水解反應(yīng)相比于糙米更快，水解反應(yīng)程度更大。這可能與大米表面油脂和脂肪酶在細胞中的分布有關(guān)。三酰基甘油酯在米粒表層細胞中以油脂顆粒形式存在，在磷脂膜的保護下與脂肪酶間隔開，兩者不發(fā)生接觸，油脂水解反應(yīng)收到抑制。精米在生產(chǎn)過程中，經(jīng)機械碾磨后糊粉層細胞破損，油脂顆粒釋放后與脂肪酶充分接觸，迅速發(fā)生水解反應(yīng)生成FFA[23]。

2.2 大米樣品儲藏后丙二醛（MDA）含量變化情況

FFA并不是稻米中脂質(zhì)代謝的終產(chǎn)物。大米中的三?；视王ケ恢久杆夂?，不飽和的游離脂肪酸被脂肪氧化酶作用生成氫過氧化物后進一步降解，生成一系列小分子醛、酮以及揮發(fā)性物質(zhì)[24]，丙二醛就是主要產(chǎn)物之一[25]。MDA具有細胞毒性，并能導(dǎo)致蛋白質(zhì)交聯(lián)變性[26]，它在細胞膜上的積累能夠引起膜系統(tǒng)嚴重損傷，細胞膜完整性喪失，膜內(nèi)蛋白水解酶和有機酸滲透進一步加劇對膜的破壞，加速細胞衰亡[27]。兩種大米樣品儲藏90d期間MDA變化情況如圖2所示。

從圖2的A、B兩圖曲線變化可以看出大米中MDA含量表現(xiàn)出先增加后減少的變化特征，這與Robert R[28]報道的一致。同時，在這兩圖中我們還可以發(fā)現(xiàn)MDA的變化趨勢呈現(xiàn)出明顯的三個階段。第一階段在儲藏0～30d期間，此時MDA增長比較平緩。在接下來30～45d儲藏期內(nèi)隨著儲藏時間的延長，增長速率加快，丙二醛含量迅速增加。這種變化特征與Henry S[21]報道的大米中氫過氧化物累積特征類似。儲藏前期，F(xiàn)FA大量累積，隨后將糠層中的脂肪氧化酶激活[23，26]，開啟脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，生成氫過氧化物。而丙二醛作為氫過氧化物的裂解產(chǎn)物，因此它的生成不如FFA迅速，儲藏前期增長較慢。30～60d為丙二醛累積的第二階段，這期間丙二醛含量迅速增長，并且37℃下丙二醛的增長速率要高于其他溫度，說明丙二醛的增長可能與酶活性有關(guān)。第三階段為60～90d。這個階段丙二醛累積達到峰值，并開始呈現(xiàn)下降趨勢。這可能是由于丙二醛大量累積導(dǎo)致酶活性下降[25]，丙二醛生成量減少。同時丙二醛具有揮發(fā)性。丙二醛累積造成細胞膜損傷，在較高環(huán)境溫度下，丙二醛易揮發(fā)[29]。因此在儲藏后期，25℃和37℃環(huán)境中儲藏的米樣MDA含量出現(xiàn)下降趨勢，并且在37℃儲藏溫度下MDA下降幅度要大于25℃，而4℃儲藏的米樣則沒有表現(xiàn)出下降趨勢。對比A、B兩圖中各溫度下儲藏過程中米樣的MDA變化量可以發(fā)現(xiàn)，精米初始MDA含量為9×10－4mg/g（若按占總脂肪質(zhì)量百分比計為：0.015%脂肪w/w），在37、25、4℃下儲藏后峰值分別增加到2.81×10－3、2.63×10－3、2.91×10－3mg/g（分別對應(yīng)0.045%、0.042%和0.047%脂肪w/w），37℃和25℃下，精米在儲藏90d后MDA含量下降，分別為2.05×10－3、2.43×10－3（分別對應(yīng)0.033%和0.039%脂肪w/w）；而糙米初始MDA含量為1×10－3mg/g（0.0037%脂肪w/w），在37、25、4℃下儲藏后峰值分別增加到5.91×10－3、5.33×10－3、5.10×10－3mg/g（分別對應(yīng)0.022%、0.020%和0.019%脂肪w/w），37℃和25℃溫度下，糙米在儲藏90d后MDA含量下降，分別為4.51×10－3和4.90×10－3（分別對應(yīng)0.017%和0.018%脂肪w/w）。與游離脂肪酸值含量相對應(yīng)，精米初始的MDA含量占總脂肪的比例也比糙米大。這可能與精米碾磨加工過程中脂肪氧化酶氧化酶以及裂解酶被激活有關(guān)。精米的MDA含量峰值（占脂肪的質(zhì)量百分比）是糙米的一倍，由此可見精米油脂的過氧化程度比糙米高。在37℃和25℃溫度下儲藏的后期，精米MDA含量占總脂肪的比例的下降幅度大于糙米。這可能由于精米經(jīng)碾磨加工后，米粒表面受損，失去皮層保護的細胞對丙二醛的耐受性較差，當丙二醛累積量還較低時，細胞膜就大量損傷，丙二醛含量下降。

將FFA和MDA兩個指標變化趨勢比較可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)FA的變化較丙二醛有規(guī)律，并且整個變化呈現(xiàn)單調(diào)遞增趨勢。FFA測定方法也較MDA簡便、準確，系統(tǒng)誤差較小。因此從選擇陳化特征的判定指標角度來說，F(xiàn)FA要優(yōu)于MDA。對FFA的動力學分析也較MDA簡單。

2.3 糙米和精米儲藏期間FFA變化動力學分析

2.3.1 反應(yīng)動力學級數(shù)的確定 用SPSS對兩種米樣FFA值的變化進行各級動力學方程的擬合，得到的相關(guān)系數(shù)如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可知，F(xiàn)FA變化動力學模型決定系數(shù)R2零級均大于0.94，并且均高于一級和二級，說明FFA變化與零級動力學模型擬合程度更好，用零級動力學模型可以更好的反映糙米和碾減率為10%精米的FFA變化規(guī)律。

2.3.2 反應(yīng)動力學參數(shù)與活化能 采用零級動力學模型對米樣儲藏過程中脂肪酸值變化進行分析后的動力學系數(shù)見表2，兩種米樣FFA變化與Arrhenius方程擬合情況見圖3，活化能由Arrhenius方程得到。

由圖3兩種米樣與Arrhenius方程擬合情況可以看出，糙米和碾減率10%精米在儲藏過程中FFA值的增加隨絕對溫度倒數(shù)的變化符合Arrhenius方程式。表2中活化能數(shù)據(jù)可以看出，糙米的活化能要高于精米，說明糙米中脂肪酸水解反應(yīng)較精米的更難發(fā)生，因此糙米的脂肪酸增加速度較低，這和圖1中反應(yīng)的數(shù)據(jù)是一致的。并且也可說明糙米油脂的穩(wěn)定性更高，這與Naoto S等[8]的研究是一致的。

3 結(jié)論

油脂氧化是引起大米品質(zhì)下降的主要原因。本實驗對糙米和碾減率10%精米表面油脂指標變化情況分析后發(fā)現(xiàn)，在儲藏0～5d期間，25、37℃下，精米FFA含量增長較快，而此時糙米FFA含量的曲線變化較為平緩。這可能是由于精米在加工碾磨過程中脂肪酶被激活導(dǎo)致的。雖然糙米油脂含量較精米高，但是精米游離脂肪酸占總脂肪質(zhì)量百分比比糙米高且增幅也比糙米大，同時對FFA生成動力學分析后發(fā)現(xiàn)糙米表面油脂水解反應(yīng)活化能比精米高，說明糙米比加工過的精米表面油脂穩(wěn)定性更高。MDA含量的變化分為三個階段，平緩增長、迅速增加和下降階段。米樣的MDA含量的檢測中，精米MDA初始含量占脂肪的質(zhì)量百分比比糙米大，這可能與脂肪氧化酶在加工過程中被激活有關(guān)。加工過精米的MDA含量達到峰值時，在37、25、4℃下MDA占總脂肪質(zhì)量百分比比糙米的高。這說明精米油脂的過氧化程度比糙米大。在后期MDA含量下降階段，經(jīng)碾磨加工過的精米表面受損，米粒表面細胞失去皮層的保護后對MDA累積的細胞耐受性較差，累積量較低時細胞膜大量損傷，酶活性下降，MDA含量出現(xiàn)下降趨勢并且精米下降幅度比糙米大。由此可見，精米表面油脂穩(wěn)定性較差，更容易發(fā)生氧化，并且米粒表面細胞失去皮層保護后也更加脆弱，容易受MDA累積造成的損傷。由于米樣MDA含量在陳化后期會出現(xiàn)下降趨勢，因此在對米樣陳化程度進行判定時，不宜單獨將MDA值作為判定指標，應(yīng)采用游離脂肪酸含量結(jié)合其他大米品質(zhì)指標進行綜合判定。

[1]張曼，李喜宏，邢亞閣.水稻自發(fā)氣調(diào)儲藏技術(shù)研究[J].食品工業(yè)科技，2011，32（12）：432－440.

[2]金建，馬海樂，閆景坤.糙米儲藏技術(shù)研究進展[J].糧食與飼料工業(yè)，2012（3）：6－9.

[3]唐為民，張旭晶，李文敏，等.糙米的儲藏技術(shù)及品質(zhì)變化[J].糧食與飼料工業(yè)，2001（1）：10－13.

[4]王若蘭，田書普，譚永清.不同儲藏條件下糙米保鮮效果的研究[J].鄭州工程學院學報，2001，22（2）：31－34.

[5]Juliano B O，Bautista G M，Lugay J C，et al.Rice Quality，Studies on Physicochemical Properties of Rice[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，1964，12（2）：131－138.

[6]Zhongkai Z，Kevin R，Stuart H，et al.The distribution of phenolic acids in rice[J].Food Chemistry，2004，87（3）：401－406.

[7]Barber S.Milled rice and changes during ageing[C].USA：American Association of Cereal Chemists，1972：215－263.

[8]Naoto S，Tetsuya I，Shinjiro C，et al.Studies on Deterioration of Rice during Storage Part I.Changes of brown rice and milled rice[J].Journal of the Japanese Society of Food Science and Technology，1974，21：597－603.

[9]Villareal R M，Resurreccion A P，Suzuki L B，et al.Changes in Physicochemical Properties of Rice during Storage[J].Starch，1976，28（3）：88－94.

[10]NAVDEEP SINGH SODHI，NARPINDER SINGH，MUNISH ARORA，et al.Changes in physico－chemical，thermal，cooking and texture properties of rice during aging[J].Journal of Food Processing Preservation，2003，27（5）：387－400.

[11]趙思明，熊善柏，俞蘭苓.稻米淀粉糊老化動力學研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2003，19（1）：37－39.

[12]Yamamoto H，Makita E，Oki Y，et al.Flow characteristics and gelatinization kinetics of rice starch under strong alkali conditions[J].Food Hydrocolloids，2006，20（1）：9－20.

[13]葉霞，李學剛，張毅.稻谷陳化過程中維生素B1、B2變化的動力學研究[J].糧食儲藏，2004，32（1）：45－46.

[14]葉霞，李學剛，張毅，等.稻谷陳化過程中重要營養(yǎng)素變化動力學特性的初步探討[J].中國糧油學報，2004，19（1）：4－7.

[15]Debabandya M，Satish B.Cooking quality and instrumental textural attributes of cooked rice for different milling fractions[J].Journal of Food Engineering，2006，73（3）：253-259.

[16]Lieve L，Els D B，Greet E V，et al.Effect of milling on color and nutritional properties of rice[J].Food Chemistry，2007，100（4）：1496-1503.

[17]周顯青，張玉榮，王鋒.稻谷儲藏中細胞膜透性、膜脂過氧化及體內(nèi)抗氧化酶活性變化[J].中國糧油學報，2008，23（2）：159-162.

[18]李宏洋，王若蘭，胡連榮.不同儲藏條件下糙米品質(zhì)變化研究[J].糧食儲藏，2007，36（4）：38-41.

[19]Narpinder S，Hardeep S，Kulwinder K，et al.Relationship between the degree of milling，ash distribution pattern and conductivity in brown rice[J].Food Chemistry，2000，69（2）：147-151.

[20]葉霞.稻谷儲藏過程中重要營養(yǎng)素變化的動力學研究[D].重慶：西南農(nóng)業(yè)大學，2003.

[21]Henry S L，Andrew P.Lipid Hydrolysis and Oxidation on the Surface of Milled Rice[J].JAOCS，2003，80（6）：563-567.

[22]朱星曄，韓育梅，陸暉，等.氣調(diào)儲藏對大米脂肪酸值變化的影響[J].糧油食品科技，2010，18（4）：49-51.

[23]Kazuhito S，Yasushi T，Youichiyo S.Effect of Superheated Steam Treatment on Enzymes Related to Lipid Oxidation of Brown Rice[J].Food Science Technology Research，2010，16（1）：93-97.

[24]張瑛.脂肪酶和脂肪氧化酶影響稻谷儲藏的作用機制研究[D].北京：中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院，2007.

[25]Suzuki Y.Screening and mode of inheritance of a rice variety lacking lipoxygenase-3[J].Gramma Field Symp，1995，33：51-62.

[26]Christophe B，Abdelilah B，F(xiàn)ranoise C，et al.Changes in malondialdehyde content and in superoxide dismutase，catalase and glutathione reductase activities in sunflower seeds as related to deterioration during accelerated aging[J].Physiologia Plantarum，1996，97（1）：104-110.

[27]劉潔.水稻種子脂肪酶和脂肪氧化酶生化特性研究[D].合肥：中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院，2007.

[28]Robert R，Stewart C，Derek B.Lipid Peroxidation Associated with Accelerated Aging of Soybean Axes’ [J].Plant Physiol，1980，65（2）：245-248.

[29]李宏洋，王若蘭，胡連榮.不同儲藏條件下糙米品質(zhì)變化研究[J].糧食儲藏，2007，36（4）：38-41.