超聲波處理對(duì)發(fā)芽糙米GABA積累及抗氧化能力影響的研究

張 祎，趙婷婷，申娟利，王 昕（吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130025）

超聲波處理對(duì)發(fā)芽糙米GABA積累及抗氧化能力影響的研究

張 祎，趙婷婷，申娟利，王 昕*
（吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130025）

以有機(jī)糙米為材料，利用不同超聲波處理時(shí)長(zhǎng)、頻率在糙米萌發(fā)不同階段進(jìn)行處理，探討促進(jìn)發(fā)芽糙米中抗氧化成分積累的較優(yōu)超聲波處理?xiàng)l件。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在發(fā)芽前期（0～16 h）進(jìn)行超聲波處理會(huì)顯著促進(jìn)GABA的積累，優(yōu)于在發(fā)芽中后期（16～32 h）累積效果、且在相同時(shí)長(zhǎng)處理情況下，低頻率超聲波處理對(duì)GABA含量的積累優(yōu)于高頻處理。同時(shí)在發(fā)芽期間進(jìn)行超聲波處理會(huì)提高多酚提取量，處理過(guò)的發(fā)芽糙米清除羥基自由基效果是普通發(fā)芽糙米的1.3倍，超氧陰離子清除能力比前者高10.34%。

超聲波，發(fā)芽糙米，γ-氨基丁酸，多酚，抗氧化

糙米發(fā)芽是在一定的生理活性條件下發(fā)生大量酶解的過(guò)程［1-2］，其呼吸作用加強(qiáng)，淀粉和蛋白質(zhì)等貯藏性物質(zhì)水解，維生素含量增加［3］，功能性成分γ-氨基丁酸（γ-aminobutyricacid，GABA）［4］、谷胱甘肽等含量顯著增長(zhǎng)，從而營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和消化吸收率明顯提高。與精白米相比，發(fā)芽糙米含有更豐富的營(yíng)養(yǎng)成分［5］。

超聲波是指一定頻率的機(jī)械振動(dòng)在氣體、液體、固體等介質(zhì)中傳播的彈性波，它能在介質(zhì)中引起空化效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，從而使物質(zhì)受到不同程度的熱和力作用，產(chǎn)生多種物理化學(xué)效應(yīng)［11］。適當(dāng)強(qiáng)度的超聲波作用于生物組織，可活化生物學(xué)性質(zhì)，調(diào)節(jié)新陳代謝，最終表現(xiàn)出人們預(yù)期的生化效應(yīng)［12］。根據(jù)超聲波的熱效能與化學(xué)效能特點(diǎn)，超聲波對(duì)糙米處理可以提升其發(fā)芽速度和發(fā)芽率，促進(jìn)GABA的合成和代謝。

近年來(lái)人們大多用化學(xué)方法如富鋅［6］和富鐵等處理糙米，研究化學(xué)成分對(duì)糙米發(fā)芽過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)組分的影響，而利用物理方法處理發(fā)芽糙米的研究不多，其中有關(guān)超聲波處理對(duì)糙米發(fā)芽影響的報(bào)道也很少。且有研究表明低強(qiáng)度的超聲波具有提高酶活、促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和生物合成的作用，而發(fā)芽糙米中含有的多種酶［7］，可促進(jìn)部分營(yíng)養(yǎng)成分含量增加［8］。超聲波技術(shù)常用于提取糙米天然活性成分［9］，但超聲波處理對(duì)糙米的抗氧化能力影響研究較少［10］。因此，本實(shí)驗(yàn)對(duì)不同發(fā)芽時(shí)期的糙米進(jìn)行超聲波處理，考察羥基自由基以及超氧陰離子清除率，探索出超聲波更易于GABA積累、多酚提取以及抗氧化物質(zhì)富集的處理時(shí)期，為提高發(fā)芽糙米的生理功能提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

糙米 購(gòu)于天貓五谷商鋪；無(wú)水乙醇、次氯酸鈉、硼酸、氯化鈉、硼酸鈉、重蒸酚、焦性沒(méi)食子酸、Folin-Cioalteu試劑、碳酸鈉、水楊酸、硫酸亞鐵、過(guò)氧化氫、鹽酸、Tris、鄰苯三酚 均購(gòu)于長(zhǎng)春市浩迪試劑有限公司。

WF-130萬(wàn)能粉碎機(jī)（80目篩網(wǎng)） 江陰市力仁機(jī)械制造有限公司；AL204型電子天平 梅特勒-托利多儀器上海有限公司；SY2-4型電熱恒溫水浴鍋 北京市醫(yī)療設(shè)備廠；探頭式超聲波流體處理器美國(guó)Misonix公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 發(fā)芽糙米的制備 取經(jīng)挑選、除雜、均勻的糙米3 kg左右，漂洗干凈，用1%的次氯酸鈉溶液浸泡30 min對(duì)其表面消毒，然后用去離子水沖洗5次，并用去離子水作浸泡處理，采用浸泡3 h，斷水15 min，再浸泡3 h工藝，之后于32℃通氣培養(yǎng)36 h（通氣量為1.0 L/min）。

工藝流程：糙米→消毒→清洗→浸泡→發(fā)芽→超聲波處理→檢測(cè)。

發(fā)芽糙米的干燥：將發(fā)芽糙米清洗、瀝干后，取等量米用微波干燥方式對(duì)發(fā)芽糙米分別進(jìn)行干燥。本實(shí)驗(yàn)干燥后發(fā)芽糙米水分含量為14%±0.5%，達(dá)到安全貯藏水分要求。

1.2.2 超聲波處理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 精選好的糙米按要求進(jìn)行消毒處理，清水沖洗干凈后在一定溫度下發(fā)芽，分別取發(fā)芽0、16、24 h的糙米用紗布包裹，懸掛于超聲波清洗器的水槽中間，在0、30、45 kHz下分別處理0、5、10、15、20、25、30 min，將發(fā)芽后樣品粉碎后進(jìn)一步測(cè)定不同處理時(shí)間下GABA含量。

在超聲波處理對(duì)GABA富集較優(yōu)的條件參數(shù)下，于發(fā)芽前對(duì)糙米進(jìn)行超聲波處理，分別在發(fā)芽16、24、32 h將樣品取出粉碎后進(jìn)一步測(cè)定不同時(shí)刻糙米的多酚含量，同時(shí)測(cè)定未進(jìn)行超聲波處理的糙米中多酚含量，并進(jìn)一步對(duì)超氧陰離子清除能力、羥基自由基清除能力進(jìn)行測(cè)定

1.2.3 指標(biāo)含量的測(cè)定

1.2.3.1 GABA含量測(cè)定 將干燥后的發(fā)芽糙米粉，稱(chēng)取1.0 g，用60%乙醇定容至5 mL后，振蕩浸提2 h，過(guò)濾。取濾液0.5 mL，依次加入0.2 mL 0.2 mol/L pH9.0的硼酸緩沖液，1 mL 6%的重蒸酚溶液，0.4 mL有效氯為9%的次氯酸鈉，充分振蕩；沸水浴10 min后，立即冰浴20 min并不斷地振蕩，直至有藍(lán)綠色化合物出現(xiàn)，然后加入2 mL 60%的乙醇，然后從高到低依次于645 nm下比色，測(cè)吸光值A(chǔ)。

1.2.3.2 多酚的測(cè)定 稱(chēng)取研細(xì)的糙米和發(fā)芽糙米樣品各5.0 g于250 mL三角瓶中，按料液比1∶15，即加入75 mL的體積分?jǐn)?shù)80%乙醇，75℃水浴回流2 h。過(guò)濾后，澄清液待測(cè)。繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線：配制質(zhì)量濃度0、50、100、150、250、500 mg/L的沒(méi)食子酸溶液，分別取1 mL于100 mL棕色容量瓶中，加入60 mL去離子水，5 mL的Folin-Ciocalteu試劑，搖勻。在0.5～8 min內(nèi)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的Na2CO3溶液15 mL，搖勻，用去離子水定容，20～30℃暗處放置2 h，在波長(zhǎng)765 nm處測(cè)吸光度A。

1.2.4 抗氧化能力的測(cè)定

1.2.4.1 超氧陰離子測(cè)定 稱(chēng)取研細(xì)的糙米和發(fā)芽糙米樣品各5.0 g于250 mL三角瓶中，按料液比1∶15，即加入75 mL的體積分?jǐn)?shù)為80%乙醇，75℃水浴回流2 h。過(guò)濾后，澄清液待測(cè)。繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線：配制質(zhì)量濃度0、50、100、150、250、500 mg/L的沒(méi)食子酸溶液，分別取1 mL于100 mL棕色容量瓶中，加入60 mL去離子水和5 mL的Folin-Ciocalteu試劑，搖勻。在0.5～8 min內(nèi)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的Na2CO3溶液15 mL，搖勻，用去離子水定容，20～30℃暗處放置2 h，在波長(zhǎng)765 nm處測(cè)吸光度。

1.2.4.2 羥基自由基清除率測(cè)定 取若干10 mL離心管，依次加入8.0 mmol/L的FeSO4，0.02 mol/L的H2O2，3.0 mmol/L水楊酸及不同濃度的多酚提取物。37℃保溫30 min后，加入0.9 mL 1 mol/L的HCl終止反應(yīng)，定容反應(yīng)體系終體積為6.0 mL，轉(zhuǎn)速2000 r/min離心10 min，取上清液測(cè)定波長(zhǎng)510 nm處的吸光度值，以多酚提取物抑制·OH引發(fā)的水楊酸羥基化作用的程度表示其清除·OH的能力。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波處理對(duì)GABA含量的影響

2.1.1 超聲波處理時(shí)刻對(duì)糙米發(fā)芽過(guò)程中GABA含量的影響 糙米本身含有一定量的谷氨酸，而GABA可由谷氨酸經(jīng)谷氨酸脫羧酶（GAD）催化轉(zhuǎn)化而來(lái)。在發(fā)芽過(guò)程中GAD被激活，GAD以谷氨酸為底物催化生成GABA［13］。糙米在發(fā)芽過(guò)程中隨發(fā)芽時(shí)間的延長(zhǎng)，GABA含量會(huì)緩慢上升，發(fā)芽24 h后其含量增加較為明顯。圖1表明，與未處理發(fā)芽糙米相比，不同時(shí)長(zhǎng)的超聲波處理均可促進(jìn)GABA含量顯著上升。不同時(shí)長(zhǎng)的超聲波處理對(duì)發(fā)芽糙米中GABA含量影響不同，總體呈現(xiàn)上升-平緩-下降趨勢(shì)，處理15 min時(shí)均達(dá)到累積峰值，且高于未處理時(shí)累積量。處理15 min后，GABA含量增加幅度有所下降。該現(xiàn)象說(shuō)明處理達(dá)到一定時(shí)長(zhǎng)后，發(fā)芽糙米中GABA含量增加量減緩。

不同發(fā)芽時(shí)刻對(duì)糙米進(jìn)行超聲波處理對(duì)其GABA含量也有顯著影響。在發(fā)芽24 h時(shí)對(duì)糙米進(jìn)行超聲波處理使其GABA累積量低于16 h的處理，而高于未發(fā)芽時(shí)進(jìn)行處理的糙米。不同時(shí)刻的超聲波處理GABA含量呈上升-下降趨勢(shì)，在發(fā)芽16 h后處理出現(xiàn)下降趨勢(shì)。總體言之，在發(fā)芽不同時(shí)期進(jìn)行超聲波處理對(duì)GABA的累積效果優(yōu)于不處理，發(fā)芽中期進(jìn)行超聲波處理可以顯著提高GABA累積量和發(fā)芽速度。糙米發(fā)芽過(guò)程中，內(nèi)源酶被激活的速度緩慢。在不同時(shí)刻進(jìn)行超聲波處理，可以不同程度加速內(nèi)源酶激活速度，分解部分生物高分子化合物，如淀粉、非淀粉多糖和蛋白質(zhì)等，產(chǎn)生發(fā)芽所需要的小分子糖和氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)［14］。在發(fā)芽中期進(jìn)行超聲波處理時(shí)，其GABA含量可達(dá)到最大。

圖1 超聲波處理時(shí)刻對(duì)糙米發(fā)芽過(guò)程中GABA累積的影響Fig.1 Effect of ultrasonic treatment duration on GABA in germinated brown rice

2.1.2 超聲波處理頻率對(duì)發(fā)芽糙米GABA含量的影響 不同頻率的超聲波處理均可以促進(jìn)糙米發(fā)芽過(guò)程中GABA的生成。頻率的處理能夠激發(fā)內(nèi)源酶的活性，使糙米發(fā)芽過(guò)程中生理變化速度加快［15］。由圖2可知，30 Hz處理時(shí)GABA含量高于其他頻率，可達(dá)到未處理前的2.7倍。在相同時(shí)長(zhǎng)處理情況下，低頻率超聲波處理對(duì)GABA含量的積累優(yōu)于高頻處理。隨著超聲波頻率的增加，可能產(chǎn)生瞬間高溫，導(dǎo)致部分GABA降解，發(fā)生GABA含量下降的情況。

圖2 超聲波處理頻率對(duì)GABA累積的影響Fig.2 Effect of ultrasonic frequency on GABA in germinated brown rice

2.2 超聲波處理對(duì)總多酚提取量及抗氧化能力的影響

2.2.1 超聲波處理對(duì)總多酚提取量的影響 多酚是主要抗氧化成分之一［16］。總多酚含量的增加的重要原因是發(fā)芽處理可使植物細(xì)胞壁周?chē)某煞纸到猓沟媒Y(jié)合態(tài)以及游離態(tài)的酚類(lèi)化合物得以釋放，致使總酚含量增加［17］。圖3表明，較未處理發(fā)芽糙米，處理發(fā)芽糙米多酚含量在10 h時(shí)上升趨勢(shì)明顯，25 h后才達(dá)到平緩趨勢(shì)。另實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)超聲波處理糙米與未處理糙米的多酚含量提高了8%，因此超聲波處理發(fā)芽糙米會(huì)提升多酚提取量，縮短多酚提取時(shí)間。

2.2.2 超聲波處理對(duì)超氧陰離子清除能力的影響

超氧陰離子自由基是生命活動(dòng)代謝過(guò)程中產(chǎn)生的一種重要的自由基，具有很強(qiáng)的氧化能力。因此，清除超氧陰離子自由基的能力是抗氧化活性的重要的指標(biāo)之一［18］。圖4可以看出超聲波處理發(fā)芽糙米以及未處理發(fā)芽糙米的多酚提取物都隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)。處理后的發(fā)芽糙米在8 h時(shí)體現(xiàn)出清除率上升較快趨勢(shì)。16 h時(shí)達(dá)到清除速率最快趨勢(shì)。與未處理發(fā)芽糙米相比，在24 h后進(jìn)行處理清除效果不明顯。32h后超氧陰離子清除能力較普通發(fā)芽糙米可高出10.34%。

圖3 不同處理方式對(duì)多酚含量的影響Fig.3 Effect of different treatments on polyphenol content

圖4 不同處理方式對(duì)超氧陰離子清除率的影響Fig.4 Effect of different treatments on the ability to clean superoxide anions

2.2.3 不同超聲波處理對(duì)羥自由基清除作用的效果

圖5 不同處理方式對(duì)羥基自由基清除率的影響Fig.5 Effect of different treatments on the ability to clean hydroxyl radicals

多酚類(lèi)化合物具有較好的自由基清除能力，能夠進(jìn)一步預(yù)防或有助于治療與自由基有關(guān)的心腦血管疾病、腫瘤等慢性疾病［19］。超聲波處理后，發(fā)芽糙米的多酚提取物對(duì)羥自由基的清除效果明顯高于不處理發(fā)芽糙米，且兩者之間差距明顯。這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)超聲波處理后，糙米在發(fā)芽過(guò)程中多酚氧化酶（PPO）活性增強(qiáng)，多酚含量上升，形成的抗氧化活性對(duì)羥自由基的清除效果明顯增強(qiáng)［20］。從圖5發(fā)現(xiàn)，超聲波處理發(fā)芽糙米對(duì)羥自由基清除能力明顯高于未處理糙米。在發(fā)芽30 h時(shí)處理發(fā)芽糙米清除率達(dá)到70.8%，而發(fā)芽糙米僅達(dá)到42.1%，前者比后者高出28.7%。這一結(jié)論表明，超聲波處理的發(fā)芽糙米其清除率更強(qiáng)。

3 討論

3.1 超聲波處理對(duì)糙米發(fā)芽過(guò)程中GABA含量影響

超聲波能量作用于酶分子，可使酶分子的構(gòu)象發(fā)生改變，從而影響該酶的活力，改變酶的生物活性［21］。GABA由谷氨酸經(jīng)GAD催化轉(zhuǎn)化而來(lái)，GAD是一種鈣調(diào)素（Calmodulin，CaM）結(jié)合蛋白［22］。有研究說(shuō)明，GAD活性在糙米發(fā)芽24 h后才有較高上升趨勢(shì)，進(jìn)而影響了發(fā)芽的時(shí)長(zhǎng)。本研究發(fā)現(xiàn)，在超聲波處理5～15 min時(shí)GABA較未處理其含量增加較快，而在15 min時(shí)累積量為最大。在20～30 min處理時(shí)也有不同程度提升，考慮到時(shí)間和能量消耗問(wèn)題，選擇15 min處理時(shí)長(zhǎng)為最佳處理時(shí)間。此外，不同的處理時(shí)刻對(duì)GABA的累積效應(yīng)也不盡相同：在發(fā)芽16 h時(shí)進(jìn)行處理GABA含量上升最為明顯。證明在此時(shí)對(duì)內(nèi)源酶的激活效應(yīng)最顯著，也是發(fā)芽時(shí)間提前的重要原因。超聲波處理情況下，植物細(xì)胞壁周?chē)镔|(zhì)降解，細(xì)胞內(nèi)Ca2+和H+濃度增加，可以有效激活GAD酶活性，顯著促進(jìn)GABA在發(fā)芽過(guò)程中的積累，且使發(fā)芽時(shí)間大幅縮短。

3.2 超聲波處理對(duì)發(fā)芽糙米多酚提取量及抗氧化能力的影響

有研究表明，在一定的超聲波處理下，多酚提取量在一定參數(shù)范圍內(nèi)都有不同程度的升高，抗氧化活性會(huì)有不同程度提升［23］。蔡碧瓊等［24］研究了稻殼提取物的抗氧化性質(zhì)，結(jié)果表明稻殼中對(duì)超氧陰離子清除率、羥自由基清除率等都具有較強(qiáng)的清除能力。有大量研究結(jié)果表明多酚類(lèi)化合物具有較強(qiáng)的抗氧化能力［25］。多酚類(lèi)物質(zhì)對(duì)心腦血管疾病具有預(yù)防和治療的作用。本研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)芽期對(duì)糙米進(jìn)行超聲波的處理利于多酚含量的提取。多酚物質(zhì)的增加直接影響其抗氧化性質(zhì)，提升對(duì)氧化物質(zhì)的清除率。

4 結(jié)論

超聲波處理對(duì)發(fā)芽糙米的內(nèi)源酶、GABA含量以及多酚物質(zhì)提取量均有顯著的影響。在發(fā)芽前期（0～16 h）更適宜進(jìn)行超聲波處理，提升GABA累積量和多酚物質(zhì)的提取。不同時(shí)長(zhǎng)、不同頻率的超聲波處理對(duì)GABA累積量均有促進(jìn)作用。本實(shí)驗(yàn)最佳的超聲波處理方式是在處理15 min、發(fā)芽16 h、處理頻率30 kHz下進(jìn)行，其GABA累積量能夠達(dá)到85.36 g/100g，多酚提取量達(dá)到55.32 mg/100g，顯著高于普通發(fā)芽糙米累積量和多酚提取量。同時(shí)，經(jīng)超聲波處理過(guò)的發(fā)芽糙米清除羥基自由基效果是普通發(fā)芽糙米的1.3倍，超氧陰離子清除能力比前者高10.34%。

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Study on effect of ultrasonic treatment on GABA accumulation and antioxidant capacity in germinated brown rice

ZHANG Yi，ZHAO Ting-ting，SHEN Juan-li，WANG Xin*
（College of Agriculture and Biology Engineering，Jilin University，Changchun 130025，China）

Using the organic brown rice as material，the effects of different ultrasonic treatment on the accumulation of GABA were studied and the appropriate ultrasonic treatment conditions were discussed，with different length of time and different frequencies of ultrasonic treatment being applied during several period of germinated brown rice growth.Result showed that during the early stage of germination（0 to 16 hours），ultrasonic treatment could have better contribution to the GABA accumulation than the middle（16 to 32 hours）.In addition，using ultrasonic treatment during germination might increase the content of polyphenol.The ability to clean hydroxyl radicals of germinated brown rice which was treated by ultrasonic was 1.3 times greater than the one without ultrasonic treatment and the ability to clean superoxide anions was 10.34 percent better than the one without ultrasonic treatment.

ultrasonic treatment；germinated brown rice；γ-aminobutyricacid；polyphenol；antioxidant

TS201.1

A

1002-0306（2016）02-0130-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.02.017

2015－05－26

張祎（1994-），女，大學(xué)本科，研究方向：食品科學(xué)與工程，E-mail：846703111@qq.com。

*通訊作者：王昕（1970-），女，博士，教授，研究方向：食品保藏與加工理論新技術(shù)，E-mail：wx@jlu.edu.cn。

2014年吉林大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練國(guó)家級(jí)項(xiàng)目（2014A45168）。