鮮食水稻水溶性膳食纖維理化性質(zhì)和抗氧化活性研究

曲鵬宇，李丹，李志江，*，周義，張東杰，*

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江大慶163319；2.黑龍江省農(nóng)產(chǎn)品加工與質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163319）

黑龍江省是我國(guó)水稻種植和加工最大地區(qū)之一，2017 年黑龍江地區(qū)水稻種植面積為4 987.5 萬(wàn)畝，總產(chǎn)量達(dá)2 377.4 萬(wàn)噸，是全國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)加工基地[1]。目前，水稻主要產(chǎn)品形式為稻米，其加工過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，如葉片、莖和殼等，大部分用作飼料或者初級(jí)食品加工原料，探索這些副產(chǎn)物的加工可以拓展水稻產(chǎn)品的市場(chǎng)。

張康逸等[2]認(rèn)為鮮食全谷物可以最大程度保留谷物的營(yíng)養(yǎng)和生物活性，如鮮食玉米是指乳熟期后收貨的玉米，具有較高的營(yíng)養(yǎng)特性。周義等[3]則探討了鮮食水稻的定義，是指鮮嫩籽粒或取食乳熟期的新鮮果穗的水稻，因此，在乳熟期至蠟熟初期收獲的水稻可以定義為鮮食水稻。乳熟期的水稻灌漿后其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)逐漸積累，蠟熟期后籽粒內(nèi)部開(kāi)始成熟且籽粒逐步變硬，營(yíng)養(yǎng)成分發(fā)生很大變化[4]。膳食纖維（dietary fiber）作為人類(lèi)第七種營(yíng)養(yǎng)素，可有效地提升膳食質(zhì)量，對(duì)飲食結(jié)構(gòu)改善有較好的促進(jìn)作用。膳食纖維按照其水溶性特點(diǎn)不同，可以分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和水不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）兩大類(lèi)，水溶性膳食纖維具有較好的抗氧化和降血脂等活性[5-7]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于可溶性膳食纖維研究較為廣泛，但還沒(méi)有鮮食水稻SDF 的研究報(bào)道，本文以黑龍江水稻綜合利用為研究目的，開(kāi)展鮮食水稻SDF 功能機(jī)制研究，特別是其理化結(jié)構(gòu)和抗氧化活性的深入研究，可為稻米產(chǎn)品新品種開(kāi)發(fā)和水稻增值利用提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試劑

鮮食水稻龍粳31 號(hào)：黑龍江省鶴崗市蘿北名山農(nóng)場(chǎng)；自由基測(cè)試試劑盒、抑制與產(chǎn)生超氧陰離子自由基測(cè)定試劑盒、總抗氧化能力（total-anti oxidant capacity，T-AOC）檢測(cè)試劑盒：南京建成生物工程研究所；1，1-二苯基-2-苦基肼自由基（DPPH）：Alfa Aesar 公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器設(shè)備

GDE-CSF 意大利VELP 膳食纖維測(cè)定儀：北京盈盛恒泰科技有限公司；TGL16B 型臺(tái)式離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；RE-2000A 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：上海亞榮生化儀器廠；TU-1810 型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；YB-1000A 型高速多功能粉碎機(jī)：永康市速鋒工貿(mào)有限公司；實(shí)驗(yàn)室FE20 pH 計(jì)：梅特勒-托利多儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 鮮食水稻SDF 提取與各指標(biāo)含量的測(cè)定

分別采集乳熟期（前、中、后）、蠟熟期和完熟期共計(jì)5 個(gè)水稻樣品，對(duì)鮮食水稻5 個(gè)時(shí)期的葉片、莖稈、殼、籽粒進(jìn)行預(yù)處理，具體步驟參考黃萍提取米糠SDF方法[8]。蛋白質(zhì)含量測(cè)定采用凱氏定氮法（GB/T5009.5-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》），脂肪含量的測(cè)定采用索氏抽提法（GB/T5009.6-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪的測(cè)定》），膳食纖維含量的測(cè)定采用酶重量法（GB/T5009.88-2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中膳食纖維的測(cè)定》），水分含量的測(cè)定重量法（GB/T5009.3-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定》），灰分的測(cè)定灼燒法（GB/T5009.4-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中灰分的測(cè)定》）。

1.3.2 鮮食水稻SDF 理化特性測(cè)定

1.3.2.1 持水力測(cè)定

精確稱(chēng)取1.0 g 鮮食水稻SDF 樣品，置于50 mL離心管中，向離心管中加入20 mL 的去離子水，振蕩混合后放在4 ℃條件下24 h，將樣品于4 200 r/min 離心處理 15 min 后稱(chēng)重[9]。

1.3.2.2 持油力測(cè)定

精確稱(chēng)取1.0 g 鮮食水稻SDF 樣品，置于50 mL離心管中，向離心管中加入10 mL 大豆油，振蕩混合后放在4 ℃條件下24 h，將樣品于4 200 r/min 離心處理15 min 后稱(chēng)重。

1.3.2.3 膨脹力測(cè)定

精確稱(chēng)取0.2 g 鮮食水稻SDF 樣品，置于帶刻度的試管中，加入5 mL 的蒸餾水，振蕩混合后放在4 ℃條件下18 h，準(zhǔn)確記錄溶脹后吸收的體積。

1.3.2.4 結(jié)合水力測(cè)定

精確稱(chēng)取0.1 g 鮮食水稻SDF 樣品，浸泡于25 mL的蒸餾水中，離心機(jī)離心1 h，轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，去除上清液。將殘留物在G-2 砂芯坩堝中靜置1 h，稱(chēng)取該殘留物質(zhì)m1，之后將殘留物放置120 ℃下干燥2 h 后再次稱(chēng)量m2，兩者差值即為所結(jié)合水的質(zhì)量[10]。

1.3.2.5 陽(yáng)離子交換能力

精確稱(chēng)取300.0 mg 鮮食水稻SDF 樣品，溶解于30 mL、0.01 mol/L 的鹽酸中，4 ℃條件下過(guò)夜，用0.1 mol/L NaOH 溶液滴定，記錄消耗的堿液體積和pH值變化，以不加樣品的30 mL 0.01 mol/LHCl 溶液為空白對(duì)照[11]。

1.3.2.6 紅外光譜分析

精確稱(chēng)取干燥的鮮食水稻SDF 樣品，利用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行紅外區(qū)掃描，測(cè)定紅外光譜曲線(xiàn)[12]。

1.3.3 抗氧化活性的測(cè)定

準(zhǔn)確稱(chēng)取DPPH 0.002 6 g，用無(wú)水甲醇稀釋?zhuān)瑴y(cè)吸光度使其在517 nm 處吸光度為0.600±0.02，作為對(duì)照。測(cè)定時(shí)，參照Sun T 等[13]方法進(jìn)行，混勻后進(jìn)行避光孵育30 min 后測(cè)定吸光度，計(jì)算其DPPH 清除率；羥自由基清除能力、抗超氧陰離子自由基和總抗氧化能力（T-AOC）測(cè)定，均按照試劑盒說(shuō)明書(shū)進(jìn)行操作。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)均重復(fù)3 次，數(shù)據(jù)處理主要采用SPSS 20軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析、GraphPad Prism 5 和Photoshop 等軟件進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鮮食水稻成熟過(guò)程中水溶性膳食纖維含量測(cè)定結(jié)果

水稻從乳熟前期至成熟期過(guò)程中，葉片、莖、殼和籽粒部位的SDF 含量測(cè)定可以為鮮食水稻膳食纖維的營(yíng)養(yǎng)和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。鮮食水稻在各部位的SDF 測(cè)定結(jié)果如表1 所示。

表1 鮮食水稻不同時(shí)期不同部分SDF 含量測(cè)定結(jié)果Table 1 Results of SDF contents of fresh rice in different sections at various stages

乳熟中期的鮮食水稻莖、葉、殼、籽粒中的SDF 含量均顯著高于相同部位的其他各成熟時(shí)期（p＜0.05），隨著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)則SDF 含量逐漸降低。其中，莖中SDF 含量最高為3.40%，成熟期籽粒最低為0.50%；乳熟前期至中期，水稻處于旺盛的生長(zhǎng)時(shí)期，水溶性膳食纖維結(jié)構(gòu)松散含量逐漸增加，而從乳熟后期開(kāi)始則干物質(zhì)逐漸累積，松散的SDF 逐漸聚合成大分子物質(zhì)，導(dǎo)致含量開(kāi)始下降?？傮w上，莖、葉片和殼中SDF含量均高于籽粒。本研究首次報(bào)道了水稻成熟過(guò)程中的SDF 累積變化規(guī)律，可從乳熟中期選擇不同部位提取SDF 進(jìn)行研究和應(yīng)用，尤其是乳熟中期葉片、莖和殼中SDF 的深入研究，可在利用籽粒的同時(shí)，拓展水稻加工副產(chǎn)物部位進(jìn)行深加工應(yīng)用。

2.2 鮮食水稻SDF理化性質(zhì)測(cè)定結(jié)果

對(duì)鮮食水稻不同部位的SDF 進(jìn)行持水力、持油力、結(jié)合水力和膨脹力等理化特性指標(biāo)測(cè)定，如圖1所示。

鮮食水稻乳熟中期和成熟期SDF 主要表現(xiàn)為持水力和結(jié)合水力較強(qiáng)。成熟期殼中的SDF 持水力最強(qiáng)為3.54 g/g，成熟期莖中的SDF 持油力能力較強(qiáng)為1.98 g/g，乳熟中期葉片中的SDF 結(jié)合水力最強(qiáng)為3.74 g/g 且高于籽粒0.66 g/g，成熟期莖中的SDF 膨脹力最強(qiáng)為2.28 mL/g。

圖1 鮮食水稻乳熟中期和成熟期理化性質(zhì)Fig.1 Physical and chemical properties of fresh rice in mid-and mature-terms

與其他產(chǎn)品SDF 相比，乳熟期鮮食水稻莖、葉片、殼和籽粒的SDF 持油能力低于花粕和小麥麩皮[14-15]，但高于苦蕎麩皮和花生殼膳食纖維，與米糠SDF 相近[10，16]。因此，鮮食水稻SDF 具有良好的理化性質(zhì)，可以為后續(xù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。例如，持水力強(qiáng)的膳食纖維進(jìn)入人體腸道之后，會(huì)迅速的和腸道內(nèi)所含有的水分結(jié)合，使反應(yīng)后的膳食纖維充滿(mǎn)腸道而增強(qiáng)飽腹感，適于減肥人群食用[17-18]。

2.3 鮮食水稻SDF陽(yáng)離子交換能力分析

膳食纖維中有很多特征性基團(tuán)，例如羥基、羧基和氨基等，這些基團(tuán)與人體腸胃內(nèi)的鐵、鈣、銅、汞和鎘等二價(jià)金屬陽(yáng)離子結(jié)合，表現(xiàn)出相應(yīng)的陽(yáng)離子離子交換能力，并通過(guò)緩沖體系提高了機(jī)體消化能力和清除重金屬能力，有利于機(jī)體健康[19-20]。鮮食水稻乳熟中期和成熟期陽(yáng)離子交換能力見(jiàn)圖2。

由圖2 可知，乳熟中期和成熟期的鮮食水稻不同部位的SDF 均具有較強(qiáng)的陽(yáng)離子交換能力，與文獻(xiàn)報(bào)道比較，圖中曲線(xiàn)的斜率越小表示陽(yáng)離子交換能力越強(qiáng)[21]。乳熟中期和成熟期葉片中的SDF 陽(yáng)離子交換能力最強(qiáng)，溶液滴定至終點(diǎn)所消耗NaOH 溶液的體積分別為30.92 mL 和26.62 mL。乳熟中期和成熟期的籽粒的陽(yáng)離子交換較弱，溶液滴定至滴定終點(diǎn)所消耗的NaOH 溶液體積分別為23.70 mL 和24.20 mL。鮮食水稻SDF 這種較強(qiáng)的陽(yáng)離子交換能力，對(duì)液體環(huán)境中pH 值的改變能起到一定稀釋緩沖的作用，具有較好的應(yīng)用前景。

圖2 鮮食水稻乳熟中期和成熟期陽(yáng)離子交換能力Fig.2 Cation exchange capacities fresh rice in medium-and mature-terms

2.4 鮮食水稻SDF紅外光譜分析

根據(jù)膳食纖維典型基團(tuán)的紅外特征吸收峰可以進(jìn)行基團(tuán)鑒別，并通過(guò)吸收峰位移和吸收強(qiáng)度識(shí)別或推斷出其結(jié)構(gòu)[22]。鮮食水稻SDF 的傅里葉紅外光譜圖見(jiàn)圖3。

圖3 鮮食水稻SDF 的傅里葉紅外光譜圖Fig.3 Fourier infrared spectrum of fresh rice SDF

如圖3 所示，鮮食水稻莖、葉、殼、籽粒在乳熟中期和成熟期主要吸收峰和化學(xué)鍵總體呈現(xiàn)相似趨勢(shì)。因鮮食水稻纖維素和半纖維分子中富含羥基基團(tuán)，在3 423 cm-1處出現(xiàn)H 鍵締合鍵峰，在2 938 cm-1顯示糖環(huán)或支鏈上的C-H 峰，在1 636 cm-1處呈現(xiàn)木質(zhì)素中苯環(huán)的特征吸收峰，1 081 cm-1～1 102 cm-1處為糖環(huán)CO-C 的C-O 伸縮振動(dòng)吸收峰。鮮食水稻籽粒SDF 在1 652 cm-1處出現(xiàn)了酰胺I 帶的酰胺特征吸收峰，是木質(zhì)素的特征吸收峰，在1 538 cm-1處呈現(xiàn)仲酰胺基的酰胺Ⅱ吸收帶，說(shuō)明鮮食水稻籽粒中SDF 還含有少量蛋白質(zhì)。殼中在1 659.61 cm-1處還出現(xiàn)了羧基-COOH 的特征峰，表明樣品中含有糖醛酸。619 cm-1處附近是糖分子中β-型的C-H 直立鍵的變角振動(dòng)吸收峰[12-14]。因此，鮮食水稻乳熟中期和成熟期之間的各部位SDF 結(jié)構(gòu)很相似，但吸收峰強(qiáng)度則存在一定的差異，可能因?yàn)镾DF 含量差異和結(jié)合度不同所導(dǎo)致的[23]。

2.5 鮮食水稻SDF體外抗氧化能力分析

乳熟中期和成熟期鮮食水稻SDF 抗氧化能力見(jiàn)表2 和表3。

表2 乳熟中期鮮食水稻SDF 抗氧化能力Table 2 Antioxidant capacity of SDFs from fresh rice at mid-milk stage

表3 成熟期鮮食水稻SDF 抗氧化能力Table 3 Antioxidant capacity of SDFs from fresh rice at maturestage

2.5.1 鮮食水稻SDF 清除DPPH 自由基能力結(jié)果分析

DPPH 自由基的累積與抗衰老直接相關(guān)，可以通過(guò)食用水稻膳食纖維或?qū)⑵涮砑拥绞称分?，通過(guò)膳食纖維清除機(jī)體自由基和抗氧化效果調(diào)整機(jī)體功能[24]。如表2 和表3 可知，與菊糖比較，乳熟中期和成熟期鮮食水稻SDF 清除DPPH·顯著低于菊糖（p＜0.05）。乳熟中期的莖和葉片SDF 清除DPPH·能力最強(qiáng)，清除率分別為88.87 %和88.50 %，乳熟中期籽粒SDF 清除DPPH·能力最弱僅為59.09%。成熟期鮮食水稻各部分SDF 清除能力差異不大。與其它SDF 相比，鮮食水稻SDF 清除能力明顯高于花生殼和米糠膳食纖維[8，10]。

2.5.2 鮮食水稻SDF 清除羥自由基能力

羥自由基作用于體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、脂類(lèi)等生物分子，造成細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能受損，進(jìn)而導(dǎo)致體內(nèi)代謝紊亂引起疾病，可通過(guò)攝食膳食纖維進(jìn)行調(diào)整，以保護(hù)機(jī)體健康[25]。由表2 和表3 可知，菊糖的清除羥自由基能力顯著高于其他試驗(yàn)組（p＜0.05），各試驗(yàn)組中，成熟期鮮食水稻葉片的SDF 清除羥自由基能力達(dá)到254.34 U/mL，清除能力最強(qiáng)。成熟期殼中的SDF 清除能力最弱為147.90 U/mL，除菊糖試驗(yàn)組外，4 組樣品組內(nèi)抗氧化能力均存顯著性差別（p＜0.05）。與其它來(lái)源的SDF 相比，鮮食水稻莖、葉中的SDF 清除羥自由基能力高于豆渣膳食纖維[26]和柚皮多糖[27]。

2.5.3 鮮食水稻SDF 總抗氧化能力結(jié)果分析

機(jī)體防御體系的抗氧化能力強(qiáng)弱與健康程度存在著密切的聯(lián)系，各類(lèi)文獻(xiàn)也指出膳食纖維具有較好的抗氧化能力[28-29]。由表2 和表3 可知，菊糖的總抗氧化能力為2.55 U/mg，乳熟中期和成熟期鮮食水稻葉中的SDF 總抗氧化能力最強(qiáng)，最弱為籽粒中的SDF，分別為1.87 U/mg 和0.52 U/mg；乳熟中期的莖、葉、殼和籽粒中的SDF 均比成熟期相同部位的總抗氧化能力強(qiáng)，除菊糖實(shí)驗(yàn)組外，4 組樣品組內(nèi)抗氧化能力均存顯著性差別（p＜0.05）。張智猛等[30]對(duì)花生籽仁進(jìn)行抗氧化研究，鮮食水稻與其相比總抗氧化能力強(qiáng)于花生籽仁。

2.5.4 鮮食水稻SDF 抗超氧陰離子能力結(jié)果分析

超氧陰離子自由基也是一種活性很強(qiáng)的氧自由基，與羥自由基一樣，可以與氨基酸、蛋白質(zhì)、脂類(lèi)發(fā)生氧化反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)體系中加入鮮食水稻SDF 后能清除產(chǎn)超氧陰離子自由基，依據(jù)生產(chǎn)有色物質(zhì)和吸光值變量關(guān)系，可以評(píng)價(jià)其對(duì)超氧陰離子自由基的清除效果[31]。由表2 和表3 可知，菊糖的超氧陰離子自由基最強(qiáng)為858.33 U/L，成熟期水稻葉中的SDF 清除能力最強(qiáng)為658.65 U/L，籽粒最弱為150.44 U/L，呈現(xiàn)出與清除總抗氧化能力相同的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

本研究首次報(bào)道了水稻成熟過(guò)程中的SDF 累積變化規(guī)律，乳熟中期的鮮食水稻莖、葉、殼、籽粒中的SDF 含量均顯著高于相同部位的其他各成熟時(shí)期（p＜0.05），乳熟期莖中SDF 含量最高而成熟期籽粒最低，為鮮食水稻水溶性膳食纖維食品及營(yíng)養(yǎng)開(kāi)發(fā)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。鮮食水稻的乳熟中期和成熟期SDF 主要表現(xiàn)在持水力和結(jié)合水力，莖和葉中的SDF 的基礎(chǔ)理化性質(zhì)優(yōu)于殼和籽粒。乳熟中期和成熟期鮮食水稻SDF具有較強(qiáng)的陽(yáng)離子交換能力，葉片陽(yáng)離子交換能力最強(qiáng)，籽粒的陽(yáng)離子交換較弱。通過(guò)紅外分析鮮食水稻莖、葉、殼、籽粒乳熟中期和成熟期分子間結(jié)構(gòu)和組成差別不大。機(jī)體防御體系的抗氧化能力強(qiáng)弱與健康程度存在著密切的聯(lián)系，SDF 有很好的清除體內(nèi)自由基的作用。體外抗氧化能力測(cè)定可以總結(jié)出鮮食水稻莖稈和葉片在乳熟中期和成熟期清除自由基能力較強(qiáng)，殼和籽粒最弱。相同時(shí)期之間各部分SDF 的抗氧化能力呈顯著性差異。

根據(jù)鮮食水稻的理化和抗氧化等營(yíng)養(yǎng)特性，可以將鮮食水稻SDF 應(yīng)用于食品生產(chǎn)的強(qiáng)化劑，提高傳統(tǒng)食品抗氧化和功能，以利于人類(lèi)的營(yíng)養(yǎng)與健康。在考慮鮮食水稻籽粒和其他營(yíng)養(yǎng)成分應(yīng)用的同時(shí)，可利用其莖、葉、殼和籽粒中的SDF 進(jìn)行水稻新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，也應(yīng)考量基于農(nóng)藝產(chǎn)量和機(jī)械作業(yè)方面綜合衡量開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和保健價(jià)值。