膨化方式對(duì)發(fā)芽糙米 主要生理活性物質(zhì)的影響

韓 璐,盧小卓,朱力杰,王 勃,楊立娜,劉 賀,何余堂,馬 濤

(渤海大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工 及安全控制技術(shù)國(guó)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(jìn)行培養(yǎng),使之萌發(fā)到一定長(zhǎng)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(nèi)含的化學(xué)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(zhì)含量大大增加[2]。GABA是一種非蛋白質(zhì)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(zhì)[3]。肌醇六磷酸酯,又稱植酸,是影響礦物質(zhì)元素吸收的主要抗?fàn)I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?fàn)I養(yǎng)性,并且會(huì)生成對(duì)人體健康很有益處的肌醇,提高了糙米的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[4-5]。谷維素是阿魏酸與植物甾醇的結(jié)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(qiáng)力抗氧化物,能降低膽固醇,對(duì)神經(jīng)衰弱癥患者也具有一定的調(diào)節(jié)作用[6]。

膨化是食品加工常用的技術(shù)方法之一,它可使物料內(nèi)部的水分液化,在壓力差作用下,使物料膨脹,高分子物質(zhì)結(jié)構(gòu)變性,形成多孔網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)[7]。食品經(jīng)膨化后,主要成分、外觀、風(fēng)味、質(zhì)構(gòu)等都會(huì)發(fā)生明顯的變化。淀粉、粗纖維、蛋白質(zhì)、脂肪等大分子物質(zhì)被切斷成小分子物質(zhì),例如將長(zhǎng)鏈淀粉切斷成水溶性淀粉、還原糖等,將一部分蛋白質(zhì)分解成肽和氨基酸,增加食品風(fēng)味,易于消化吸收。目前對(duì)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(duì)糙米理化性質(zhì)的影響等方面,對(duì)生理活性物質(zhì)的研究相對(duì)較少。

膨化技術(shù)中最為常用的為擠壓膨化和微波膨化兩種,故本實(shí)驗(yàn)選用了擠壓和微波兩種膨化方式對(duì)發(fā)芽糙米進(jìn)行處理,測(cè)定膨化前后發(fā)芽糙米中生理活性物質(zhì)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(zhì)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(nóng)業(yè)有限公司提供,物料含水量14%(濕基);γ-氨基丁酸標(biāo)準(zhǔn)品(99%) 北京索萊寶科技有限公司;谷維素標(biāo)準(zhǔn)品 大連美侖生物技術(shù)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(guó)藥集團(tuán)化學(xué)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(guó))有限公司;UV-2802型紫外可見分光光度計(jì) 尤尼柯(上海)儀器有限公司;TDL-5-A型離心機(jī) 上海安亭科學(xué)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(jī) 浙江省永康市松青五金廠;CR-400型色差計(jì) 日本koivica minolta公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 擠壓膨化工藝 對(duì)發(fā)芽糙米進(jìn)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(zhuǎn)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(duì)發(fā)芽糙米進(jìn)行微波膨化處理,微波參數(shù)為:進(jìn)樣量100 g,微波功率800 W,微波時(shí)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(cè)定 參考VAMSHIDHAR[11]和JONES[12]的測(cè)定方法,略有改動(dòng):準(zhǔn)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(zhuǎn)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(jì)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(zhì)量(g),m3為傾出上清液后沉淀的質(zhì)量(g)。

1.2.4 色澤的測(cè)定 采用色差計(jì)測(cè)定樣品的L*、a*、b*值,其中,a*值代表物質(zhì)的紅綠程度,a*為正值表示物質(zhì)偏紅色,為負(fù)值表示偏綠色。b*值代表物質(zhì)的黃藍(lán)程度,b*為正值表示物質(zhì)偏黃色,為負(fù)值表示偏藍(lán)色。按公式計(jì)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(duì)照品的L*、a*、b*值。

1.2.5 GABA含量的測(cè)定

1.2.5.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 準(zhǔn)確稱取質(zhì)量濃度為20、40、60、80、100 μg/mL的GABA標(biāo)準(zhǔn)溶液1 mL,加入1 mL鄰苯二甲醛衍生試劑,混勻,衍生反應(yīng)2 min后過濾,以GABA相應(yīng)濃度為橫坐標(biāo)以峰面積為縱坐標(biāo)做標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)相A:0.025 mol/L pH(5.90±0.05)的乙酸鈉溶液;流動(dòng)相B:純乙腈;紫外檢測(cè)器:發(fā)射波長(zhǎng)332 nm;流速為0.5 mL/min;柱溫:40 ℃;進(jìn)樣:10 μL;梯度洗脫程序如表1所示:

表1 測(cè)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(cè)定

1.2.6.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作 分別量取0.01 mg/mL的磷酸二氫鉀標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)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(zhǎng)650 nm處測(cè)定吸光度[14]。

1.2.6.2 測(cè)定方法 取2.50 g發(fā)芽糙米樣品溶于50 mL質(zhì)量分?jǐn)?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(zhǔn)確移取10 mL上清液于坩堝內(nèi),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(cè)定方法同1.2.6.1。

準(zhǔn)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(cè)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(cè)定

1.2.7.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作 準(zhǔn)確稱取0.04 gγ-谷維素標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)定吸光度,制作標(biāo)準(zhǔn)曲線[15]。

1.2.7.2 樣品中γ-谷維素含量的測(cè)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(cè)定吸光度。

2 結(jié)果與分析

2.1 膨化方式對(duì)發(fā)芽糙米WAI和WSI的影響

WAI和WSI是評(píng)價(jià)膨化食品的良好指標(biāo)。其中,WSI用來評(píng)價(jià)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(zhì)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?yàn)榘l(fā)芽糙米經(jīng)膨化后內(nèi)部形成了較多的孔狀結(jié)構(gòu),這些孔洞會(huì)通過毛細(xì)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(duì)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?yàn)閿D壓膨化是在高溫高壓及高剪切力的條件下進(jìn)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(zhì)裂解,都會(huì)導(dǎo)致擠壓膨化發(fā)芽糙米中的水溶性物質(zhì)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?yàn)槲⒉ǖ母邷貤l件會(huì)使發(fā)芽糙米迅速脫去水分,蛋白質(zhì)的三級(jí)與四級(jí)結(jié)構(gòu)遭到破壞,蛋白質(zhì)分子進(jìn)行伸展、重組,分子間的二硫鍵與氫鍵部分?jǐn)嗔?導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性,把可溶性物質(zhì)包裹在凝膠聚合物中,增加蛋白質(zhì)的疏水作用,從而降低了蛋白質(zhì)的溶解性,此外,由于淀粉顆粒中大量變性蛋白質(zhì)的存在,大大延長(zhǎng)了水分?jǐn)U散到顆粒中的時(shí)間,進(jìn)而阻礙了淀粉流動(dòng)到外部介質(zhì)的進(jìn)程,最終會(huì)導(dǎo)致水溶指數(shù)的降低[18]。

表2 不同膨化方式對(duì)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(duì)發(fā)芽糙米色澤的影響

不同膨化方式對(duì)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(shì)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(jié)果可能是因?yàn)閿D壓膨化作用會(huì)使淀粉分子和蛋白質(zhì)發(fā)生美拉德反應(yīng),生成深色的蛋白黑素[20],還可能是因?yàn)槲⒉ê蛿D壓膨化的高溫致使褐變程度增加,導(dǎo)致pH下降,抑制美拉德反應(yīng)的進(jìn)行,未完全反應(yīng)的糖自身降解生成一部分褐色物質(zhì)[21]。

表3 不同膨化方式對(duì)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(duì)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(duì)GABA標(biāo)準(zhǔn)品及發(fā)芽糙米樣品進(jìn)行進(jìn)樣洗脫,得到的色譜圖如圖1,由圖可以看出,GABA的保留時(shí)間在33 min左右,發(fā)芽糙米樣品中的其它成分對(duì)目標(biāo)物的測(cè)定無干擾。

圖1 GABA標(biāo)準(zhǔn)品的HPLC圖譜Fig.1 The HPLC results of GABA standard

2.3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 將質(zhì)量濃度20、40、60、80、100 μg/mL GABA標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行色譜測(cè)定,以GABA相應(yīng)濃度為橫坐標(biāo)X1,以峰面積為縱坐標(biāo)Y1做標(biāo)準(zhǔn)曲線。繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖2,得到回歸方程Y1=22.888X1+25.29,R2=0.999。

圖2 GABA的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 The standard curve of GABA

2.3.3 膨化對(duì)發(fā)芽糙米樣品GABA含量的影響 不同膨化條件對(duì)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?yàn)镚ABA是一種非蛋白質(zhì)氨基酸,它會(huì)在高溫狀態(tài)下與其它物質(zhì)反應(yīng),高溫也會(huì)破壞GABA的結(jié)構(gòu),使GABA發(fā)生降解,還會(huì)與還原糖發(fā)生美拉德反應(yīng)[22]。由圖可知,微波膨化比擠壓膨化對(duì)GABA的損害更為嚴(yán)重,這可能是因?yàn)槲⒉ㄅ蚧葦D壓膨化的溫度升高的更快,雖然對(duì)發(fā)芽糙米進(jìn)行了高溫、高壓和高剪切力處理,但處理時(shí)間短,而微波膨化則在高溫高壓的條件下對(duì)發(fā)芽糙米進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)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(duì)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(duì)發(fā)芽糙米中植酸含量的影響

2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 以磷含量為橫坐標(biāo)X2,650 nm處測(cè)得的吸光度為縱坐標(biāo)Y2,繪制標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.4 The standard curve of potassium dihydrogen phosphate

2.4.2 不同膨化條件對(duì)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(jià)或三價(jià)的金屬陽離子發(fā)生螯合反應(yīng),生成不溶于水的化合物,會(huì)影響人體對(duì)金屬離子的吸收作用,因此,植酸常作為抗?fàn)I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?yàn)樵诟邷?、高壓、高剪切速率的條件下,發(fā)芽糙米的細(xì)胞壁破裂,細(xì)胞的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,導(dǎo)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(zhì)會(huì)把植酸分子包裹起來,所以裂解的植酸就相對(duì)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(duì)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(duì)發(fā)芽糙米中γ-谷維素含量的影響

2.5.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 以γ-谷維素含量為橫坐標(biāo)X3,327 nm處測(cè)得的吸光度為縱坐標(biāo)Y3,繪制標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.6 The standard curve of oryzanol

2.5.2 不同膨化條件對(duì)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(nèi)部而不靠物體本身的熱傳導(dǎo)進(jìn)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(xué)鍵的斷裂,致使淀粉分子的結(jié)構(gòu)變化,釋放出大量的谷維素[26]。

圖7 不同膨化方式對(duì)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(jié)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(duì)發(fā)芽糙米中主要生理活性物質(zhì)GABA、谷維素和植酸含量的影響,實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)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(duì)GABA的損失較少；微波與擠壓膨化均對(duì)植酸的降解起到了促進(jìn)作用。綜上所述,微波膨化相比較于擠壓膨化對(duì)發(fā)芽糙米的色澤、生理活性物質(zhì)的影響相對(duì)較小。

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