李菁
(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院,黑龍江 哈爾濱 150081)
近年來(lái),經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)帶動(dòng)生活水平不斷提高,人們對(duì)食物的營(yíng)養(yǎng)功能性需求也隨之增強(qiáng),飲食習(xí)慣也逐漸被營(yíng)養(yǎng)、健康、節(jié)約的新理念取代。小麥、水稻等糧食的過(guò)度加工,不僅造成了資源的浪費(fèi),還使外層組織富含的膳食纖維、維生素與礦物質(zhì)流失。糙米是稻谷去殼后仍保留皮層、糊粉層和胚芽等外層組織的籽粒,因其加工過(guò)程沒(méi)有去除富含營(yíng)養(yǎng)的米糠層,糙米營(yíng)養(yǎng)成分大大超過(guò)精白米。但糙米口感粗糙,質(zhì)地較硬,人體攝取后難以消化,不宜作為日常主食,只是少量減肥人群選擇食用,而糙米在適宜濕度和溫度條件下催芽后,外部米糠層中纖維軟化、植酸水解,使糙米的蒸煮特性和口感得以改善。發(fā)芽過(guò)程中其內(nèi)部含有的營(yíng)養(yǎng)素也被激活更易于人體吸收,還產(chǎn)生了肌醇六磷酸鹽和 γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid,GABA)等促進(jìn)人體健康和預(yù)防疾病的有益物質(zhì)。GABA是一種非蛋白質(zhì)氨基酸,是人體神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)素,能改善腦部供氧情況、促進(jìn)血液流通,具有改善睡眠質(zhì)量、降血壓、抗焦慮、提高腦活力、增強(qiáng)記憶力等功效[1]。發(fā)芽糙米是具有多種營(yíng)養(yǎng)功效的新型健康主食。
因體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)不平衡或缺乏某種必需維生素和礦物質(zhì)而導(dǎo)致的“隱性饑餓”已成為全球關(guān)注的公共健康問(wèn)題,人體缺乏必需營(yíng)養(yǎng)素可能造成多種疾病,適當(dāng)補(bǔ)充并保持人體中營(yíng)養(yǎng)元素的正常水平是醫(yī)療和食品保健的重要舉措[2]。鈣在機(jī)體內(nèi)各種生理活動(dòng)中起著重要作用,是骨骼和牙齒的重要組成元素,也是維持細(xì)胞正常生存和功能、神經(jīng)傳導(dǎo)等的重要調(diào)節(jié)物質(zhì),參與人體新陳代謝,影響體內(nèi)多種酶活性。人體每天需攝入足量的鈣元素,才能維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。我國(guó)人群營(yíng)養(yǎng)調(diào)查結(jié)果顯示,膳食營(yíng)養(yǎng)素中鈣攝入不足是人們普遍存在的健康問(wèn)題[3]。陳海燕等[4]研究葉面施鈣對(duì)冬棗品質(zhì)的影響,結(jié)果表明在不同時(shí)期葉面噴施CaCl2溶液均能提高冬棗果實(shí)中的鈣含量。江雨婷[5]篩選大豆分離蛋白種類(lèi),研究大豆分離蛋白、二氧化硅、碳酸鈣和全脂乳粉的配比和混合工藝參數(shù),生產(chǎn)出一種高鈣營(yíng)養(yǎng)蛋白質(zhì)粉。從根本上解決因鈣元素缺乏而引起的“隱性饑餓”,開(kāi)發(fā)安全有效的高鈣食品具有重要意義和廣闊應(yīng)用前景。
生物營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化是減輕人體營(yíng)養(yǎng)匱乏,改善公共健康的新方法,通過(guò)農(nóng)藝措施或生物育種方式對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化可提高農(nóng)產(chǎn)品中營(yíng)養(yǎng)元素含量。He等[6]研究發(fā)現(xiàn)在水稻開(kāi)花期葉面施鐵肥可使鐵蛋白形成量增加67.2%,也可有效提高其生物利用度。孟君等[7]制備富硒豆芽,以不同濃度的亞硒酸鈉為浸泡液,對(duì)綠豆和黃豆在發(fā)芽過(guò)程中進(jìn)行硒營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化,結(jié)果表明綠豆和黃豆在發(fā)芽過(guò)程中均會(huì)富集一定量的硒元素,但較大濃度的硒溶液會(huì)一定程度上抑制豆芽生長(zhǎng)。Barrameda-Medina等[8]對(duì)甘藍(lán)進(jìn)行鋅元素營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化研究,在水培甘藍(lán)過(guò)程中加入不同濃度的ZnSO4溶液,結(jié)果表明甘藍(lán)中鋅含量、多酚含量和總氨基酸含量均有所提升。在糙米催芽過(guò)程中富鈣,糙米可將無(wú)機(jī)鈣經(jīng)過(guò)生物轉(zhuǎn)化形成人體易吸收的有機(jī)活性鈣,在日常飲食中即可補(bǔ)充鈣元素,無(wú)需額外補(bǔ)充鈣營(yíng)養(yǎng)劑,從源頭上解決鈣元素?cái)z入不足問(wèn)題。目前,已有多種方式可以增加發(fā)芽糙米中的鈣含量,如優(yōu)化浸泡液中CaCl2添加量、浸泡液pH值、催芽溫度等[9]。也有研究表明,適宜Ca2+濃度可以促進(jìn)糙米發(fā)芽,而且Ca2+可有效促進(jìn)糙米在發(fā)芽過(guò)程中GABA的合成[10],但負(fù)壓輔助處理對(duì)發(fā)芽糙米富鈣效果的影響鮮有研究。本試驗(yàn)在糙米發(fā)芽過(guò)程中加入不同濃度CaCl2溶液,并在催芽中期加以負(fù)壓處理,強(qiáng)化營(yíng)養(yǎng)組分傳質(zhì)推動(dòng)力,系統(tǒng)分析基質(zhì)中Ca2+濃度、負(fù)壓處理壓力強(qiáng)度對(duì)糙米發(fā)芽率及富鈣效果的影響,研究負(fù)壓輔助鈣營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化對(duì)糙米發(fā)芽過(guò)程中GABA生成量的影響,以期為營(yíng)養(yǎng)型發(fā)芽糙米的開(kāi)發(fā)提供參考。
糙米:嘉祥永勝食品有限公司;氯化鈣、碳酸氫鈉:上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;4-二甲基胺基偶氮苯-4’-磺酰氯:美國(guó)Sigma公司;所有試劑均為分析純。
電子天平(LT1002C):常熟市天量?jī)x器有限責(zé)任公司;精密電子天平(AL-104):上海梅特勒-托利多儀器設(shè)備有限公司;催芽控制器(5ZTD):黑龍江沃爾農(nóng)裝科技有限公司;微波消解儀(MD6C-10H):北京盈安美誠(chéng)科學(xué)儀器有限公司;電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Agilent5110):安捷倫科技有限公司;液相色譜儀(LC-20AD):日本島津制作所;高效種子營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化機(jī):黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院自主研制;漩渦混勻器(MX-S):美國(guó)賽洛捷克公司。
1.3.1 富鈣發(fā)芽糙米的制備
將糙米過(guò)篩、挑選,除去雜質(zhì)、發(fā)霉、未脫殼、成熟度差等籽粒。用去離子水沖洗糙米,洗去糙米粒表面的糠粉及灰塵,瀝干。分別稱取一定量糙米,在32℃恒溫條件下浸泡于不同濃度的CaCl2溶液中,并用曝氣強(qiáng)度為 3 m3/h 的曝氣泵增氧,浸泡催芽 0、12、24、36、48 h,在催芽中期對(duì)破胸糙米粒進(jìn)行不同強(qiáng)度的負(fù)壓處理,獲得富鈣發(fā)芽糙米。
1.3.2 富鈣發(fā)芽糙米發(fā)芽率的測(cè)定
參照吳小勇等[11]的方法,并稍作修改。分別在糙米浸泡催芽12、24、36、48 h時(shí)計(jì)算發(fā)芽率,計(jì)算發(fā)芽率時(shí)把糙米分成3等份,從每一等份中取一勺糙米(約200粒),記總粒數(shù)和發(fā)芽糙米數(shù)(糙米胚根露出種皮1 mm以上即為發(fā)芽糙米),發(fā)芽糙米數(shù)與總糙米粒數(shù)的比值即為該等份的發(fā)芽率,3份糙米發(fā)芽率的平均值即為該試驗(yàn)組的發(fā)芽率。計(jì)算公式如下。
發(fā)芽率/%=發(fā)芽糙米粒數(shù)/總糙米粒數(shù)×100
1.3.3 發(fā)芽糙米中鈣含量的測(cè)定
按照GB 5009.268—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中多元素的測(cè)定》[12]中第二法測(cè)定發(fā)芽糙米中的鈣含量。將發(fā)芽糙米烘干后粉碎,經(jīng)消解后用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定富鈣發(fā)芽糙米中鈣含量。
1.3.4 發(fā)芽糙米中γ-氨基丁酸(GABA)含量的測(cè)定
按照NY/T 2890—2016《稻米中γ-氨基丁酸的測(cè)定高效液相色譜法》[13]的方法測(cè)定發(fā)芽糙米中GABA的含量。將發(fā)芽糙米烘干后粉碎,稱取1.0 g樣品于離心管中,加入10 mL提取液(無(wú)水乙醇和水,體積比4∶1),超聲輔助提取30 min后,在漩渦混勻器上振蕩2 min,5 000 r/min離心5 min,取上清液放入容量瓶中,剩余樣品殘?jiān)儆?0 mL提取液重復(fù)提取1次,合并2次上清液,用提取液定容至25 mL。取1 mL上述溶液于試管中,加入0.2 mL碳酸氫鈉溶液和0.4 mL 4-二甲基胺基偶氮苯-4-磺酰氯衍生劑,混勻后在70℃水浴中衍生20 min,過(guò)濾后用液相色譜儀測(cè)定發(fā)芽糙米中GABA含量。
1.3.5 鈣離子濃度對(duì)糙米發(fā)芽率和富鈣效果的影響
同1.3.1方法進(jìn)行富鈣發(fā)芽糙米制備,CaCl2濃度分別為 0、100、150、200 mg/L,不進(jìn)行負(fù)壓處理。獲得富鈣發(fā)芽糙米,按1.3.2中方法進(jìn)行發(fā)芽率測(cè)定,按1.3.3中方法進(jìn)行糙米中鈣含量測(cè)定。
1.3.6 負(fù)壓處理強(qiáng)度對(duì)糙米發(fā)芽率和富鈣效果的影響
同1.3.1方法進(jìn)行富鈣發(fā)芽糙米制備,150 mg/L CaCl2溶液作為糙米浸泡液,在催芽中期進(jìn)行負(fù)壓處理,負(fù)壓處理強(qiáng)度分別為 0、-0.06、-0.08、-0.10 MPa,負(fù)壓處理時(shí)間為4 h。獲得富鈣發(fā)芽糙米,按1.3.2中方法進(jìn)行發(fā)芽率測(cè)定,按1.3.3中方法進(jìn)行糙米中鈣含量測(cè)定。
1.3.7 負(fù)壓輔助鈣營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化對(duì)發(fā)芽糙米中GABA含量的影響
同1.3.1方法進(jìn)行負(fù)壓輔助鈣營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化發(fā)芽糙米制備,150 mg/L CaCl2溶液作為糙米浸泡液,在催芽中期進(jìn)行負(fù)壓處理,負(fù)壓處理強(qiáng)度為-0.08 MPa,負(fù)壓處理時(shí)間為4 h。獲得負(fù)壓輔助鈣營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化發(fā)芽糙米,按1.3.4中方法進(jìn)行發(fā)芽糙米中GABA含量的測(cè)定。
每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次,結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Statistix 8.1軟件包中Linear Models程序進(jìn)行,差異顯著性(P<0.05)分析使用Tukey HSD程序,采用Sigmaplot 9.0軟件作圖。
不同鈣離子濃度下催芽不同時(shí)間后糙米發(fā)芽率的變化見(jiàn)圖1。
圖1 不同鈣離子濃度下催芽不同時(shí)間后糙米發(fā)芽率的變化Fig.1 The changes in germination rate of brown rice soaked for different time under different calcium ion concentrations
由圖1可以看出,隨著催芽時(shí)間的延長(zhǎng),各濃度處理組中糙米的發(fā)芽率總體呈上升趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明,在0~24 h催芽時(shí)間內(nèi),CaCl2催芽溶液濃度為150 mg/L的糙米發(fā)芽率明顯高于濃度為0、100 mg/L時(shí)的發(fā)芽率。而CaCl2濃度為200 mg/L時(shí)發(fā)芽率較低,最高只能達(dá)到74%左右。說(shuō)明添加一定濃度Ca2+能夠促進(jìn)糙米發(fā)芽,而當(dāng)Ca2+濃度過(guò)高時(shí),會(huì)抑制其發(fā)芽。當(dāng)催芽36 h時(shí),糙米已基本完成發(fā)芽階段,除最高濃度200 mg/L處理組外,其他濃度處理組發(fā)芽率均可達(dá)到92%以上。
糙米發(fā)芽率與鈣離子的添加濃度密切相關(guān)。Ca2+作為一種營(yíng)養(yǎng)元素除保證糙米粒正常生長(zhǎng)和基本生理功能外,在谷類(lèi)種子發(fā)芽過(guò)程中,Ca2+作為α-淀粉酶的重要組成成分,對(duì)保持α-淀粉酶的活性和穩(wěn)定性也起到關(guān)鍵作用,適宜鈣離子濃度催芽處理可提高糙米發(fā)芽過(guò)程中的淀粉酶活力,從而促進(jìn)其發(fā)芽[14]。而當(dāng)鈣離子濃度過(guò)高時(shí),大量鈣離子形成高滲透壓,可能破壞了發(fā)芽糙米顆粒內(nèi)部組織細(xì)胞結(jié)構(gòu),擾亂了細(xì)胞內(nèi)部正常生理代謝,從而抑制其發(fā)芽[15]。因此,適宜鈣離子濃度對(duì)催芽效果有明顯影響。
不同鈣離子處理濃度下發(fā)芽糙米中鈣含量隨時(shí)間變化如圖2所示。
圖2 不同鈣離子濃度下催芽不同時(shí)間后糙米鈣含量的變化Fig.2 The changes in calcium content of brown rice soaked for different time under different calcium ion concentrations
由圖2可知,經(jīng)CaCl2溶液浸泡催芽過(guò)的糙米,發(fā)芽后鈣含量明顯高于空白處理組,這與余賽西等[16]的研究結(jié)果一致,其在大豆發(fā)芽期間加入不同濃度的硫酸亞鐵和硫酸鋅進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化處理,結(jié)果表明大豆在萌發(fā)過(guò)程中對(duì)Fe2+和Zn2+均有一定的富集作用。Ca2+懸浮液營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化發(fā)芽糙米,使糙米外部始終保持一定滲透壓,糙米在發(fā)芽過(guò)程中吸水膨脹,鈣離子隨水分子一同進(jìn)入糙米細(xì)胞組織內(nèi)部,使鈣含量增加。由結(jié)果可以看出,隨著Ca2+濃度的增加,糙米中的鈣含量也明顯增加,當(dāng)CaCl2浸泡液濃度為200 mg/L時(shí),發(fā)芽糙米中鈣含量最高可達(dá)429 mg/kg,是未經(jīng)催芽處理的3倍多。催芽時(shí)間48 h相比36 h,糙米中鈣含量增加不多,基本趨于平穩(wěn)。
試驗(yàn)結(jié)果表明,用適當(dāng)濃度CaCl2溶液對(duì)發(fā)芽糙米進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化,對(duì)糙米富集鈣有促進(jìn)作用,而達(dá)到一定處理時(shí)間時(shí),由于生物量的積累使得發(fā)芽糙米中鈣含量變化不明顯,發(fā)芽糙米無(wú)法吸收利用多余的鈣,對(duì)鈣的富集效率降低。提高浸泡液濃度會(huì)促進(jìn)鈣元素的富集,但濃度過(guò)高會(huì)抑制糙米發(fā)芽,應(yīng)選用適宜濃度CaCl2溶液進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化。綜合以上試驗(yàn)結(jié)果,確定催芽溶液中CaCl2濃度為150 mg/L。
種類(lèi)發(fā)芽有3個(gè)必需條件:適宜的溫度、充足的水分以及足夠的氧氣。在適宜的溫度和充足的水分下,種子就會(huì)開(kāi)始萌發(fā),氧氣使種子內(nèi)部酶活旺盛,種子胚細(xì)胞的有氧呼吸加強(qiáng),促進(jìn)種子內(nèi)的生物代謝和物質(zhì)轉(zhuǎn)化,保證能量供應(yīng),為種子萌發(fā)提供需要[17]。經(jīng)不同強(qiáng)度負(fù)壓處理后,糙米不同催芽時(shí)間發(fā)芽率的變化如圖3所示。
圖3 不同負(fù)壓處理強(qiáng)度催芽不同時(shí)間后糙米發(fā)芽率的變化Fig.3 The changes in germination rate of brown rice soaked for different time under different negative pressure treatments
由圖3可知,在0~24 h催芽時(shí)間內(nèi),由于氧氣的缺乏,負(fù)壓處理對(duì)糙米發(fā)芽率有一定程度的影響,而且壓強(qiáng)越大發(fā)芽率越低,對(duì)發(fā)芽率影響越明顯,但當(dāng)催芽時(shí)間達(dá)到36 h和48 h時(shí),隨著催芽時(shí)間的延長(zhǎng),負(fù)壓處理對(duì)發(fā)芽率的影響可基本忽略,糙米發(fā)芽率可達(dá)到93%以上。
用真空泵使容器形成負(fù)壓狀態(tài),容器內(nèi)部壓力分別達(dá)到-0.06、-0.08、-0.10 MPa,對(duì)糙米催芽營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化過(guò)程進(jìn)行負(fù)壓處理。經(jīng)負(fù)壓處理后發(fā)芽糙米中的鈣含量有明顯變化,結(jié)果如圖4所示。
圖4 不同負(fù)壓處理強(qiáng)度催芽不同時(shí)間后糙米鈣含量的變化Fig.4 The changes in calcium content of brown rice soaked for different time under different negative pressure treatments
由圖4可知,經(jīng)不同強(qiáng)度負(fù)壓處理后的糙米中鈣含量明顯高于未負(fù)壓處理組,最高可達(dá)523 mg/kg,這表明負(fù)壓處理可以促進(jìn)糙米發(fā)芽過(guò)程中鈣元素的富集。徐珠潔等[18]研究表明用乳酸鈣和葡萄糖酸鋅混合液真空浸漬處理蘋(píng)果,可以有效提高蘋(píng)果中鈣、鋅元素含量,這是由于液體在真空、低溫環(huán)境下容易汽化蒸發(fā),使得浸泡液的擴(kuò)散性和滲透性增強(qiáng)。由圖4還可以看出,當(dāng)負(fù)壓處理強(qiáng)度為-0.08、-0.10 MPa時(shí),鈣離子富集作用差別不明顯。因此,在對(duì)糙米發(fā)芽過(guò)程進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化時(shí),可以采取適宜強(qiáng)度的負(fù)壓處理手段來(lái)增強(qiáng)鈣營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化程度。
促進(jìn)糙米在發(fā)芽過(guò)程中生成GABA有多種方式,除負(fù)壓輔助鈣營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化措施外,通過(guò)優(yōu)化催芽浸泡溫度、浸泡時(shí)間、浸泡液pH值、超聲處理等發(fā)芽條件,也能達(dá)到促進(jìn)目的[19]。張祎等[20]研究發(fā)現(xiàn)超聲波輔助處理對(duì)發(fā)芽糙米中GABA的生成有促進(jìn)作用,其中超聲波處理時(shí)機(jī)、超聲波處理時(shí)長(zhǎng)、超聲頻率均對(duì)發(fā)芽糙米中GABA的生成量有影響。Zhang等[21]研究不同pH值浸泡液對(duì)發(fā)芽糙米GABA含量的影響,結(jié)果表明在萌發(fā)過(guò)程中,浸泡液pH值為5.6的糙米在發(fā)芽過(guò)程中GABA積累量最高。植物組織內(nèi),GABA主要是由谷氨酸脫羧酶(glutamate decarboxylase,GAD)催化 L-谷氨酸發(fā)生脫羧反應(yīng)生成。GAD是一種鈣調(diào)素結(jié)合蛋白,其活性受Ca2+濃度的影響[22],適當(dāng)增加浸泡液中Ca2+濃度有利于發(fā)芽糙米中GABA的產(chǎn)生積累。
圖5為負(fù)壓輔助鈣營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化對(duì)糙米發(fā)芽過(guò)程中GABA含量的影響。
圖5 負(fù)壓輔助鈣營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化對(duì)發(fā)芽糙米中GABA含量的影響Fig.5 Effects of negative pressure assisted calcium nutrition enhancement on GABA content in germinated brown rice
由圖5可知,在0~36 h,發(fā)芽糙米中GABA累積量隨催芽時(shí)間的延長(zhǎng)明顯增加,而且CaCl2浸泡液濃度為150 mg/L的強(qiáng)化組GABA富集趨勢(shì)更為明顯,明顯高于未強(qiáng)化組,在36 h時(shí)達(dá)到最高值。經(jīng)負(fù)壓輔助鈣營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化處理組中GABA平均含量可達(dá)89.65 mg/100 g,是未經(jīng)強(qiáng)化組中GABA平均含量32.62 mg/100 g的近3倍,比未催芽糙米中GABA含量4.33 mg/100 g提高近20倍。對(duì)糙米進(jìn)行鈣營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化以及催芽過(guò)程中進(jìn)行負(fù)壓強(qiáng)化處理,能有效提高發(fā)芽糙米中GABA含量。
我國(guó)在大力推進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)進(jìn)程中,對(duì)多樣性、安全性和營(yíng)養(yǎng)性食物的需求越發(fā)急迫。人們對(duì)食品的消費(fèi)觀念已由生存型消費(fèi)加速向健康型、享受型消費(fèi)轉(zhuǎn)變。在糙米催芽過(guò)程中進(jìn)行鈣營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化,并在催芽中期采取負(fù)壓輔助處理措施,可明顯提高發(fā)芽糙米中鈣含量和GABA含量,其中鈣含量最高可達(dá)523mg/kg,GABA含量可達(dá)89.65 mg/100 g。因此,在糙米發(fā)芽過(guò)程中進(jìn)行負(fù)壓輔助鈣營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化處理,可得到更具營(yíng)養(yǎng)和保健功能的食品。