糙米提取物的制備工藝及其特性研究

張 敏，劉 明，譚 斌，*，劉艷香

（1.國家糧食局科學研究院，北京100037；2.東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030）

糙米提取物的制備工藝及其特性研究

張 敏1，2，劉 明1，譚 斌1，*，劉艷香1

（1.國家糧食局科學研究院，北京100037；2.東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030）

以早秈稻糙米為對象，通過雙螺桿擠壓技術、生物酶水解技術等加工處理，研究其提取物的組成變化。研究結果表明，液化工藝料液比1∶9，酶解時間40min，α-淀粉酶添加量1.5%，可獲得較高的產品提取率、還原糖含量與可溶性固形物含量。不同糖化酶處理，對于糙米提取產物的組成和殘渣的結構存在較大差別。β-淀粉酶提取液產量較高，糖苷酶和木聚糖酶的可溶性固形物含量較高；而糖苷酶提取物具有較好的透明度，提取物中葡萄糖含量較高，達到39.09mg/mL，產物DE值高達58.6%。

糙米，提取物，擠壓，酶解，糖分組成

我國是“稻米王國”，稻米產量居世界第一。長期以來我國稻谷資源的有效利用率不高[1]。糙米適口性差、含有抗營養因子等缺點，長期以來制約了糙米食品的研究開發。近年來，糙米的營養價值已逐漸被越來越多的人們重新認識。糙米屬于全谷物，富含維生素、微量元素和膳食纖維等營養物質。20世紀80年代以來，發達國家對全谷物的營養與健康進行了大量的研究表明，全谷中除了膳食纖維的保健作用外，還包括抗氧化成分等生理活性物質，這些生理活性物質可能通過單個組分或相互結合或協同增效的作用來產生各種保健作用。大多數營養組分構成的“全谷物營養包”的協同增效作用比單個營養素更有利于人體健康。根據美國全谷物委員會的資料，通過美國與北歐的大的流行病學與群組研究表明增加全谷物的攝入可使中風危險降低30%～36%，II型糖尿病危險降低21%～30%，心臟疾病危險降低25%～28%，同時還有利于體重控制[2-6]。本研究以（早秈稻）糙米為對象，通過雙螺桿擠壓技術、生物酶水解技術等加工手段對糙米原料進行處理，研究其提取物的組成變化，為糙米提取物等新興糙米食品配料的研究開發奠定基礎，為我國低值早秈稻的增值利用及健康全谷物食品開發開辟一條新的途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

糙米原料 早秈稻常規品種，江西余干縣產，出糙率76%，水分含量15.37%；α-淀粉酶（中溫淀粉酶，3000～5000U/g，取自芽胞桿菌） 北京雙旋微生物培養基制品廠；葡萄糖淀粉酶（糖苷酶，≥100000U/g）上海kayon公司；β-淀粉酶（≥50000U/g） 北京鴻潤寶順科技有限公司；木聚糖酶（≥10000U/g） 北京鴻潤寶順科技有限公司；乙腈、乙醇等色譜試劑 均為色譜純，其余試劑均為分析純。

電子分析天平 梅特勒托利多公司；電熱恒溫鼓風干燥箱 上海森信實驗儀器有限公司；SX-4-10型高溫馬福爐 天津市泰斯特儀器有限公司；樣品磨 天津泰斯特公司；SLG30-IV雙螺桿擠壓實驗機 濟南賽百諾科技開發有限公司；阿貝折光儀 上海易測儀器設備有限公司；CR400型色差計 日本美能達；Agilent1100高效液相色譜 美國Agilent公司；S-3000N掃描電子顯微鏡 日本日立公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料化學組分 水分、淀粉、粗蛋白、粗脂肪、灰分、直鏈淀粉含量按AACC（2000，10th ed.）44-19，76-13，32-10，46-11A，30-25，08-02，61-03測定[7]。

1.2.2 其他檢測指標 可溶性固形物：采用阿貝折光儀測定；還原糖：采用DNS法測定；DE值：還原糖/干物質；色澤：采用L*a*b*值；殘渣的顯微結構：采用掃描電子顯微鏡觀察。透明度的測定：將樣品稀釋20倍，在400nm處測定透光度。

1.2.3 低聚糖測定液相色譜條件 檢測器：Agilent1100 series示差檢測器；色譜柱：Carbohydrate High Performance 4μm，4.6μm×250mm，Cartridge WAT044355；柱溫：30℃，檢測器溫度：30℃；流動相為乙腈∶水（體積比85∶15）；流速為0.5mL/min，進樣量10μL。

1.2.4 原料處理

1.2.4.1 糙米擠出物 將原料糙米粉碎，過80目篩，調節物料水分含量為15.37%。在雙螺桿擠壓機上擠壓改性，操作條件可選擇為：物料含水量17%，四段擠壓溫度分別為60、80、110、150℃，螺桿轉速280r/min。擠壓樣品粉碎后過80目篩。

1.2.4.2 糙米提取物的制備 取糙米擠出物50g，與一定比例水混合后，調節料液pH為6.2～6.4。加入α-淀粉酶，在60℃條件下液化一定時間后，添加1.5%的糖化酶，在60℃下糖化處理2h。糖化結束后，糖化液置于4500r/min離心機離心15min，獲得糙米提取液（糖化液）和殘渣。

2 結果與分析

2.1 糙米原料與擠出物的化學組成和顯微結構變化

測定糙米原料和擠出物的基本化學組成結果見表1，由表1可見，經擠壓處理后，糙米中的淀粉發生糊化。擠出物的淀粉糊化度達98%以上，從而有利于被α-淀粉酶分解，使淀粉鏈發生斷裂形成低聚糖、極限糊精和麥芽糖等產物。擠壓處理減少了蒸煮糊化工序，降低了生產能耗，提高了原料利用率[6]。糙米擠壓處理后，水分大量散失，可溶性蛋白含量也顯著降低，樣品的淀粉含量（干基）減少，與其在擠壓過程中淀粉的降解有關。

表1 原料和擠出物的化學組成（%）Table 1 Composition of raw materials and product（%）

淀粉在糙米中以顆粒的形式存在。在所有已知谷物中，大米淀粉顆粒最小，粒徑約為3～8μm。圖1是糙米、糙米粉和糙米擠出物的顯微結構圖。由圖1可見，淀粉粒的形狀呈不規則的多角形，且棱角顯著，其間隙充填著蛋白質類的“框質”。完整的糙米經過粉碎后（過80目篩），部分淀粉顆粒被打散游離出來，形成空洞結構，這樣的結構有利于酶的作用位點的暴露，為酶解創造條件[6]。經過擠壓處理后，物料形成明顯的束狀結構，淀粉的顆粒結構消失。有關糙米粉與擠出物在酶解過程中的差異，有待進一步的研究。

圖1 物料的顯微結構圖Fig.1 The microstructure of materials

2.2 液化工藝的確定

2.2.1 料液比對提取效果的影響 圖2為采用中溫淀粉酶（最適溫度50～75℃，pH為5.5～7.5），擠出物與水以一定比例混合后，固定淀粉酶的添加量1.5%，液化時間30min，獲得的液化液加入1.5%的糖苷酶糖化處理2h，考察不同料液比對提取效果的影響。由圖2可知，隨著水分的增加，提取過程中產品的出品率也有所增加，但相應糖化液的可溶性固形物、還原糖明顯降低。比較還原糖含量和產品得率的變化，在料液比為1∶9時，可獲得較好效果。相關研究表明，不是液化液的還原糖含量越高糖化效果越好，液化DE值處于15～20時，糖化效果最佳[7]。還原糖含量和可溶性固形物含量的變化存在一定偏差，說明酶解產物中，還原糖在固形物中所占的比例有所變化。測定的液化液和糖化液的顏色和透明度變化顯示，隨著料液比的增加，提取液的亮度變暗，綠色和黃色減弱，透明度增加。

圖2 不同料液比對提取效果的影響Fig.2 Effect of different material liquid ratio on the extraction

2.2.2 液化酶添加量對提取效果的影響 圖3為固定料液比為1∶9，淀粉酶的液化時間30min的條件下，考察不同液化酶添加量對提取效果的影響。由圖3，隨著淀粉酶的添加量增加，糙米提取物的提取率有所增加，產物中還原糖和可溶性固形物含量也有所變化。1.0%的添加量具有較高的還原糖含量和可溶性固形物及密度，而在提取率方面，1.5%和2.0%的添加量效果最好。綜合考慮，選擇淀粉酶的添加量為1.5%。

圖3 不同液化酶添加量對提取效果的影響Fig.3 Effect of different liquefaction enzyme amount on the extraction

2.2.3 液化時間對提取效果的影響 圖4為固定料液比為1∶9，淀粉酶的添加量1.5%的條件下，考察不同液化時間對提取效果的影響。由圖4可知，隨著液化時間的增加，樣品的還原糖和可溶性固形物有所增加，而在液化40min時，提取液的提取率最高。因此工藝中選擇液化時間為40min。

圖4 不同液化時間對提取效果的影響Fig.4 Effect of different liquefaction time on the extraction

2.3 糖化工藝的研究

表2為使用糖苷酶、β-淀粉酶和木聚糖酶對糙米液化液進行糖化處理，相應酶解產物的特性和組成分析。不同糖化酶處理，對于糙米提取產物的組成和殘渣的結構存在較大差別。β-淀粉酶提取液產量較高達到440mL，糖苷酶和木聚糖酶的可溶性固形物含量較高，均為9.76%；而糖苷酶處理的提取物具有較高的透明度（0.813）。感官分析表明，糖苷酶提取液呈黃色透明狀，放置一段時間后，有粒狀絮凝物懸浮，混勻后，絮凝物消失，可能與含有的可溶性含氮物有關；β-淀粉酶提取液呈黃白色，放置后均勻性較好；木聚糖酶提取液呈淡黃色，放置后底部有一層膠狀物存在，經分析是一些低聚糊精類物質。

表2 不同糖化酶解提取物的特性Table 2 Extract characteristic of different glucoamylase enzymatic hydrolysis

稻米糖分中的單糖主要是葡萄糖和果糖，二糖、三糖為蔗糖、棉籽糖和麥芽糖。糙米中的總糖含量為0.83%～1.86%，其中0.9%～1.3%為還原糖[1]。圖5為糖分混合標準品HPLC圖譜。標樣中以出峰時間先后分別為：鼠李糖、木糖、阿拉伯糖、果糖、甘露糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖和麥芽三糖。

圖5 糖分混合標準品HPLC圖譜Fig.5 Sugar mixed standard HPLC chart

2.4 糙米提取物中糖分組成

表3為樣品中糖分組成。由表3，糙米擠出物經過α-淀粉酶處理，隨機切斷α-1，4葡苷鍵和少量α-1，6糖苷鍵，使液化液中麥芽糖和麥芽三糖提高了近10倍；糖苷酶是以切斷α-1，4葡苷鍵獲得單葡萄糖為主，因此糖苷酶解提取物中葡萄糖含量較高，達到39.09mg/mL，而麥芽三糖、麥芽糖、蔗糖和其他單糖的含量都很低，產物DE值為58.6%；β-淀粉酶是從非還原末端水解1，4糖苷鍵生成麥芽糖，因此β-淀粉酶解提取物以麥芽糖為主，麥芽糖含量達到54.90mg/mL，另外產物中含有的麥芽三糖和蔗糖的含量分別為4.46mg/mL和1.07mg/mL，產品的DE值僅為30.3%；木聚糖酶以內切β-1，4木糖苷鍵和少量β-1，3糖苷鍵為主，最終的分解產物是低聚木糖和少量木糖，本研究沒有檢測低聚木糖，但檢測的木糖含量無顯著提高，木聚糖酶解提取物中，麥芽糖和麥芽三糖含量較高，分別為39.36mg/mL和12.24mg/mL，而蔗糖和葡萄糖及其他單糖含量均低于1mg/mL，產品的DE值為33.50%。

表3 樣品中糖分組成（mg/mL）Table 3 Sugar composition in samples（mg/mL）

圖6 糙米酶解殘渣的顯微結構圖（×2500）Fig.6 Microscopic structure diagram of brown rice enzyme hydrolysis residue（×2500）

圖6是糙米糖化酶解后經離心獲得的殘渣顯微結構圖。由圖6可見，不同的糖化酶處理，物料殘渣的顯微結構明顯不同。經糖苷酶處理的樣品，物料呈現不連續的碎片；由β-淀粉酶處理的樣品以鏤空的骨架結構為主；而由木聚糖酶酶解的樣品，則呈現較致密的結構，表面形成一些小團塊。

3 結論與討論

通過以上各實驗結果，結合不同指標的變化規律，在以糙米擠出物為原料的酶解提取工藝的研究中，得到以下結論。

糙米提取物制備的液化工藝條件為：料液比1∶9，酶解時間40min，α-淀粉酶的添加量為1.5%，在此條件下可以得到較高的糙米提取物產品提取率、還原糖含量和可溶性固形物的含量。

不同糖化酶處理，對于糙米提取產物的組成和殘渣的結構存在較大差別。β-淀粉酶提取液產量較高，達到440mL，糖苷酶和木聚糖酶的可溶性固形物含量較高，均為9.76%；而糖苷酶處理的提取物透明度為0.813。

糙米擠出物經過α-淀粉酶處理，液化液中麥芽糖和麥芽三糖提高了近10倍；糖苷酶酶解提取物中葡萄糖含量較高，達到39.09mg/mL，產物DE值為58.6%；β-淀粉酶酶解提取物以麥芽糖為主，麥芽糖含量達到54.90mg/mL，產品的DE值僅為30.3%；木聚糖酶酶解產物中木糖含量無顯著提高，麥芽糖和麥芽三糖含量較高，分別為39.36mg/mL和12.24mg/mL，產品的DE值為33.50%。

根據相關實驗研究，如使用復合糖化酶，并結合蛋白酶和纖維素酶等共同處理，將極大的提高提取液的可溶性固形物含量和原料的利用率。這部分研究有待進一步開展。對于糙米提取物，根據不同的應用領域，采用不同的糖化酶進行處理，從而獲得具有不同糖分組成和可溶性固形物的多種產品，使其作為飲料、乳制品的主料以及主食品和副食品的配料等，從而擴大糙米的應用領域，增加糙米食品的種類[8]。

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Study on the preparation and characteristics of brown rice extracts

ZHANG Min1，2，LIU Ming1，TAN Bin1，*，LIU Yan-xiang1
（1.Academy of State Administration of Grain，Beijing 100037，China；2.College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

The composition changes of extracted hydrolysates of early long-grain nonglutinous brown rice treated by twin-screw extrusion and bio-enzymatic hydrolysis were systematically investigated.The results indicated that the extraction rate，reducing sugar and soluble solid content were enhanced at the optimal conditions which the material to liquid ratio 1∶9 during liquefaction，40min hydrolysis time，1.5% α-amylase. Brown rice extract compositions and structure of residue varied greatly with different glucoamylase treatment. Yield of extract was high after the treatment with β-amylase.Hydrolysis with glucosidase and xylanase led to high content of soluble solids in the extracts.Extracts hydrolyzed by Glucosidase had the transparency of 39.09mg/mL，and DE value of 58.6%.

brown rice；extracts；extrusion；enzymatic hydrolysis；carbohydrate composition

TS210.1

B

1002-0306（2012）01-0302-04

2010－06－09 *通訊聯系人

張敏（1972-），女，博士，教授，研究方向：糧油深加工。

國家公益性院所基本科研業務費專項課題（ZX0901）。