基于LF-NMR的糙米發(fā)芽過(guò)程水分狀態(tài)變化

劉 瀟 沈 飛 黃 怡 張 斌 趙天霞 邵小龍

(江蘇高校現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心;江蘇省高校糧油質(zhì)量安全控制及深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023)

糙米是稻谷去殼后保留胚芽、糠層和胚乳的全谷米粒，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值遠(yuǎn)高于精白米[1-4]。然而，由于糙米含有較多的粗纖維和糠層，膨脹性和吸水性不足，導(dǎo)致其蒸煮性和口感較差，降低了消費(fèi)者的接受度[5-6]。發(fā)芽處理被普遍認(rèn)為是改善糙米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和加工特性的有效手段。發(fā)芽糙米是指糙米在一定條件下培養(yǎng)，經(jīng)發(fā)芽至一定芽長(zhǎng)(0.5～1 mm)，所得到的由幼芽和帶糠層的胚乳組成的糙米制品[7-8]。其實(shí)質(zhì)是糙米中大量的酶被激活和釋放，并從結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化為游離態(tài)[9]，催化產(chǎn)生了大量的生理活性物質(zhì)，如γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)等，并改善了其蒸煮特性[10]。此時(shí)其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值最高，超過(guò)糙米，更遠(yuǎn)優(yōu)于精米。

制取發(fā)芽糙米的第一個(gè)關(guān)鍵步驟就是浸泡處理。諸多研究均表明水分吸收和擴(kuò)散在種子浸泡和發(fā)芽過(guò)程中發(fā)生了顯著變化[11-13]。由于水分變化對(duì)代謝物的產(chǎn)生和積累十分關(guān)鍵，水分吸收和利用率不同可能會(huì)導(dǎo)致不合適的水和作用，從而引起胚乳發(fā)生過(guò)度或不足反應(yīng)。因此，為了控制發(fā)芽糙米質(zhì)量，了解糙米發(fā)芽過(guò)程籽粒結(jié)構(gòu)和水合作用之間的關(guān)系，以及外界因素對(duì)水分遷移和分布的影響機(jī)制十分必要。低場(chǎng)核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR)一種無(wú)損、非侵入式的測(cè)量技術(shù)，能獲取樣品氫質(zhì)子密度與分布信息，從而反映樣品內(nèi)部的水分分布及含量變化，從微觀層面揭示水分變化規(guī)律。宋平等[14]利用LF-NMR對(duì)水稻種子浸泡過(guò)程中的水分變化進(jìn)行了分析，建立了T2弛豫譜總面積與含水量的回歸方程(R2=0.993 2)。發(fā)現(xiàn)水稻種子隨著浸泡時(shí)間的增加，結(jié)合水及總含水量不斷上升，自由水則呈現(xiàn)不規(guī)則的反復(fù)變化趨勢(shì)。要世瑾等[15]將低場(chǎng)核磁共振圖像(LF-MRI)和T2弛豫譜相結(jié)合，對(duì)萌發(fā)過(guò)程的小麥種子進(jìn)行了連續(xù)72 h檢測(cè)。T2弛豫譜顯示吸水率存在快速吸水、平穩(wěn)吸水及振蕩吸水3個(gè)階段，與成像顯示的萌發(fā)3 階段相對(duì)應(yīng)，體現(xiàn)了種子萌發(fā)對(duì)水分需求的動(dòng)態(tài)過(guò)程。以上研究表明，通過(guò)低場(chǎng)核磁共振弛豫信息，可以動(dòng)態(tài)追蹤種子浸泡發(fā)芽過(guò)程的水分遷移與分布模式，對(duì)于優(yōu)化浸泡條件、科學(xué)揭示種子萌發(fā)過(guò)程機(jī)理提供了理論依據(jù)。然而，目前利用LF-NMR技術(shù)對(duì)糙米發(fā)芽過(guò)程的吸水動(dòng)力學(xué)特性的研究報(bào)道還十分有限。

因此，本研究擬利用LF-NMR技術(shù)，對(duì)糙米浸泡和發(fā)芽過(guò)程各相態(tài)水分變化規(guī)律進(jìn)行研究，通過(guò)測(cè)定T2弛豫時(shí)間反演圖譜峰值與波峰位置的改變揭示糙米在發(fā)芽過(guò)程中不同相態(tài)水分的變化過(guò)程，建立T2弛豫譜峰值總面積與含水量的線性回歸方程，以期為糙米發(fā)芽過(guò)程的水分變化提供一種新的監(jiān)測(cè)方法，并為優(yōu)化發(fā)芽工藝和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化控制提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

粳稻谷(淮稻5號(hào))，產(chǎn)地江蘇淮陰；秈稻谷(中秈84號(hào))，產(chǎn)地江蘇鹽城；NMI-20 Analyst型核磁共振分析儀:上海紐邁電子科技有限公司。

1.2 糙米浸泡與發(fā)芽方法[16]

首先將稻谷脫殼，制成糙米；取適量糙米于燒杯中用自來(lái)水沖洗3遍以去除糠粉和灰塵，瀝干后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的次氯酸鈉消毒5 min，再用無(wú)菌水沖洗3～5 min；將糙米置于30 ℃水中浸泡7.5 h；將浸泡過(guò)的糙米均勻攤放于經(jīng)消毒處理的底部墊有消毒紗布的培養(yǎng)皿中，蓋上4層消毒紗布，噴灑無(wú)菌水，置于32 ℃和80% RH(無(wú)光照)條件下持續(xù)發(fā)芽22.5 h。

1.3 糙米LF-NMR橫向弛豫譜測(cè)定

采用CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脈沖序列測(cè)定樣品的T2橫向弛豫參數(shù)[17-18]。參數(shù)設(shè)置為：主頻SF1=19 MHz，采樣頻率SW=200 kHz，90°硬脈沖射頻脈寬P1=13 μs，180°硬脈沖射頻脈寬P2=25 μs，信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)TD=135 014，重復(fù)采樣等待時(shí)間TW=1 500 ms，重復(fù)采樣次數(shù)NS=32，回波個(gè)數(shù)NECH=3 000。整個(gè)過(guò)程分浸泡和發(fā)芽?jī)刹糠?，共?jì)30 h。在7.5 h浸泡過(guò)程中，0.5h時(shí)取一次樣，之后每1 h取一次樣；在隨后22.5 h發(fā)芽過(guò)程中，每1 h取一次樣，20 h后，每2 h取一次樣。每次取樣1.5 g(精確到0.01 g)，共計(jì)取樣26 次，每次測(cè)量前將樣品表面的水分擦拭干凈。每個(gè)樣品平行測(cè)6次，取平均值。

1.4 糙米含水量測(cè)定

依據(jù)GB/T 21305—2007，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后采用130 ℃烘箱法，烘干至恒重[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 浸泡過(guò)程糙米水分分布與含量變化

圖1為不同浸泡時(shí)間粳糙米和秈糙米橫向弛豫T2反演譜變化趨勢(shì)圖。糙米浸泡過(guò)程是水分子與糙米中大分子物質(zhì)(如：蛋白質(zhì)和淀粉)相互結(jié)合的過(guò)程，同時(shí)伴隨著復(fù)雜的物理化學(xué)變化。由LF-NMR原理可知，T2弛豫時(shí)間長(zhǎng)短與質(zhì)子自由度密切相關(guān)。質(zhì)子所受束縛力越大，T2弛豫時(shí)間越短；質(zhì)子所受束縛力越小，T2弛豫時(shí)間越長(zhǎng)。因此可根據(jù)T2弛豫圖譜的波峰位置來(lái)判斷糙米中的水分類(lèi)型。觀察可知，浸泡過(guò)程中糙米的T2反演圖譜先后出現(xiàn)了4個(gè)峰(T2b、T21、T22、T23)。其中，T2b、T21和T22分別代表不同流動(dòng)性的水分和少量脂類(lèi)成分。觀察可知，T2b

圖1 浸泡過(guò)程糙米橫向弛豫時(shí)間T2反演圖譜變化趨勢(shì)圖

圖2為糙米含水量與總弛豫峰面積、T21和T22峰面積(幅值)隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖。由圖2可知，糙米含水量和總弛豫峰面積呈現(xiàn)先快速上升，后緩慢上升，再波動(dòng)上升趨勢(shì)。第1階段0 ～1.5 h為快速吸水階段；第2階段1.5～5.5 h，為平穩(wěn)吸水階段；第3階段5.5～7.5 h，為波動(dòng)吸水階段。在階段1，糙米吸水速率最高，此時(shí)干燥糙米籽粒接觸水后快速吸水，大量的水分進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部和細(xì)胞間隙，是簡(jiǎn)單的吸漲過(guò)程。此時(shí)種皮變軟，細(xì)胞壁對(duì)空氣的通透性增加，導(dǎo)致T2b小峰的出現(xiàn)；在階段2，糙米胚部快速吸收水分，為之后糙米的萌發(fā)準(zhǔn)備條件；階段3，糙米處于萌動(dòng)階段，蛋白質(zhì)和淀粉等大分子物質(zhì)參與水解[21-22]，導(dǎo)致含水量呈現(xiàn)出微小波動(dòng)。由圖2c和圖2d可知，糙米中結(jié)合水的含量緩慢上升，而自由水的變化更為明顯，是因?yàn)椴诿椎慕葸^(guò)程主要就是吸水，導(dǎo)致其結(jié)合水和自由水含量均上升。但在此過(guò)程中大量水分子受蛋白質(zhì)、淀粉等大分子物質(zhì)的束縛力變小，導(dǎo)致T21、T22峰等均不同程度右移。粳糙米總吸水量與結(jié)合水含量略高于秈糙米，原因在于粳米中支鏈淀粉含量明顯高于秈米，其持水能力也較高。而秈米直鏈淀粉含量較高，其水解過(guò)程造成其自由水含量變化相對(duì)較粳米劇烈。

圖2 浸泡過(guò)程糙米總含水量與T2總幅值、T21和T22信號(hào)幅值變化趨勢(shì)圖

通過(guò)一維回歸分析發(fā)現(xiàn)糙米的T2總弛豫峰面積與樣品含水量呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系(圖3)，其中粳糙米的擬合方程為：y=0.001 31x-3.092 8(R2=0.991 9,P<0.01)；秈糙米的擬合方程為：y=0.001 4x-2.647 6(R2=0.964 7，P<0.01)，x表示糙米T2弛豫峰面積，y表示樣品含水量。

a 粳稻

b 秈稻

圖3 浸泡過(guò)程糙米含水量與T2總信號(hào)幅值線性擬合關(guān)系圖

2.2 發(fā)芽過(guò)程糙米水分分布與含量變化

圖4為不同發(fā)芽時(shí)間粳糙米和秈糙米橫向弛豫時(shí)間T2反演譜變化趨勢(shì)圖。觀察可知，相比于浸泡過(guò)程，此階段T2各譜峰面積和波峰位置變化均不大，表明經(jīng)過(guò)浸泡后，糙米內(nèi)各相態(tài)水分進(jìn)入了一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)，結(jié)合水向自由水遷移的趨勢(shì)并不顯著。圖5為不同發(fā)芽時(shí)間糙米含水量與總弛豫信號(hào)、T21和T22弛豫信號(hào)變化。由圖5可知，發(fā)芽過(guò)程糙米含水量增加較為緩慢，與圖4相對(duì)應(yīng)，粳糙米和秈糙米含水量均增加了約5%，低于浸泡過(guò)程樣品吸水量(約15%)。

雖然含水量總體變化不大，但在糙米發(fā)芽過(guò)程中自身發(fā)生各種物理化學(xué)變化，包括淀粉、蛋白質(zhì)的水解，還原糖的生成等[23]。糙米發(fā)芽過(guò)程，一方面可以從外界吸收水分，另一方面伴隨多種化學(xué)反應(yīng)，離不開(kāi)結(jié)合水和自由水的參與。由圖5c可知，結(jié)合水的含量隨著發(fā)芽過(guò)程的推進(jìn)含量不斷減少，表明部分結(jié)合水參與水解過(guò)程，生成自由水。而發(fā)芽過(guò)程自由水參與各項(xiàng)生化活動(dòng)，在此期間會(huì)不斷消耗和產(chǎn)生自由水，導(dǎo)致自由水含量并不直線上升，而是呈現(xiàn)變化幅度較大，波動(dòng)上升的趨勢(shì)(圖5d)。與浸泡過(guò)程類(lèi)似，粳糙米的持水力高于秈糙米，造成其結(jié)合水含量相對(duì)較高，而由于直鏈淀粉水解，導(dǎo)致秈糙米比粳糙米中自由水的含量要高且變化更劇烈。然而本研究所用粳米和秈米品種有限，不同品種的水分狀態(tài)變化規(guī)律的還有待進(jìn)一步研究。

a 粳稻

b 秈稻

圖4 發(fā)芽過(guò)程糙米橫向弛豫時(shí)間T2反演圖譜變化趨勢(shì)圖

圖5 發(fā)芽過(guò)程糙米總含水量與T2總幅值、T21和T22信號(hào)幅值變化趨勢(shì)圖

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)LF-NMR技術(shù)研究糙米在浸泡與發(fā)芽過(guò)程中的水分狀態(tài)與分布情況，利用CPMG序列獲取了樣品的T2反演圖譜，分析了不同狀態(tài)水分的遷移變化規(guī)律。浸泡過(guò)程樣品中存在結(jié)合水向自由水遷移趨勢(shì)，其含水量、結(jié)合水和自由水含量均不斷上升，且含水量與T2信號(hào)總幅值呈顯著相關(guān)性(R2>0.96)。發(fā)芽過(guò)程總含水量與自由水含量緩慢波動(dòng)上升，結(jié)合水含量逐漸下降。浸泡與發(fā)芽過(guò)程中，自由水的含量變化與波動(dòng)幅度均更加劇烈。結(jié)果表明，LF-NMR技術(shù)能夠直觀獲取樣品中不同狀態(tài)水分的含量及變化趨勢(shì)，為優(yōu)化糙米發(fā)芽過(guò)程及品質(zhì)控制提供了一種新的監(jiān)測(cè)手段。

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