稻谷老化機制研究進展

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(中南林業科技大學食品科學與工程學院，稻谷及副產物深加工國家工程實驗室,湖南長沙 410004)

稻谷老化機制研究進展

趙娟紅,林親錄,孫術國*,王若暉,張素紅,丁玉琴,曹建中

(中南林業科技大學食品科學與工程學院，稻谷及副產物深加工國家工程實驗室,湖南長沙 410004)

稻米老化是一個復雜的過程。雖然淀粉、細胞壁殘留物、蛋白質和脂質的總含量沒有顯著變化,但老化過程卻引起了許多化學基團組分的改變以及大分子之間的相互作用。本文主要綜述了稻米在儲藏過程中的品質變化及機制,展望了我國稻米儲藏研究的未來發展方向,為我國稻谷的安全儲藏提供參考。

稻谷,陳化,機理

水稻是世界上廣泛種植的谷物之一,也是被近一半的世界人口,特別是亞洲人廣泛食用的主食。少量的水稻作物被加工成產品及飼料,大部分是作為熟米食用。糧食是國家的戰略物質,是人民的生活必需品,這種使用模式導致人們要在不同時期存儲水稻[1]。稻谷在儲藏的過程中容易發生陳化,對稻谷老化機制的研究有利于稻谷儲藏方式的開發。近年來,使用頂空固相微萃取以及氣相色譜質譜聯用(HS-SPME-GC-MS)和電子鼻系統等新技術監測水稻衰老過程[2]。文獻[7-10]研究了不同的儲存條件,使稻米衰老過程達到最小化;指出氣調儲藏可以顯著改善整體稻谷品質,為保持稻米品質提供了更實用的方法。稻谷在儲存期間,物理化學特性和蒸煮品質發生了許多變化,這通常被稱為水稻的陳化[3]。與新鮮水稻相比,陳化稻谷表現出不同的性質,包括化學成分,物理化學性質的變化[4],食味品質和感官品質及蒸煮特性的變化[5]。研究表明,這些指標彼此相關性很好。例如,在低溫下儲存白米有利于減少其顏色的變化保持其亮度,而在較高的儲存溫度下獲得低保色值[4],顏色及其亮度的變化與脂肪酸值升高和脂質的氧化有關[6]。對水稻老化機制的研究將為稻谷加工行業提供有價值的信息,使老化條件與不同稻谷品種的加工功能相關聯。

1 特定貯存條件及處理方式對水稻質量的影響

1.1 儲存溫度對水稻儲藏質量的影響

及時以及適當的將稻谷干燥至安全存儲含水量(MCS),溫度對質量變化影響較大。水稻MCS在19%～21%之間,水稻的儲藏效率較高[7]。Wu[8]利用過熱蒸汽(SS)對精米進行過熱蒸汽處理,使其過氧化物酶失去活性,降低了稻谷的老化,延長了其儲藏時間。Zhou[9]在不同的溫度條件下(4 ℃和37 ℃)下分別研究了米飯的結構和消化行為的變化。黏度分析表明,在37 ℃儲存的水稻樣品的糊峰值粘度(PV)隨時間增加,意味著加快了老化。與4 ℃下儲存的米相比,37 ℃保存的大米蒸煮后顯示較粗糙的形態,表明淀粉糊化受到限制。大米在老化過程中,淀粉顆粒重新排列,導致大米在蒸煮過程中淀粉浸出物減小,老化米粒中的淀粉顆粒引起水合和膨脹的程度較小。

1.2 包裝方式對水稻儲藏質量的影響

米的密封儲存是用來保持稻米質量和控制儲存期間昆蟲死亡率的有效方法。Prasantha[10]的研究也證實了這種說法,通過在室溫下比較密封IRRI袋或普通編織聚乙烯袋中儲存9個月的稻谷,發現密封儲存干稻可顯著改善稻谷整體質量,包括昆蟲死亡率、氣體含量、水分含量、千粒重、孔隙率、硬度、亮度、總碾米產量、糊化溫度、直鏈淀粉含量、粗蛋白含量、粗脂肪含量、游離脂肪酸含量。

1.3 處理方法與處理技術對大米儲藏質量的影響

宋婷[11]研究發現碾磨次數可以有效改變稻谷的蒸煮品質,經過5次碾磨的大米在常溫儲藏下的質構品質和食味品質較好;3、4次碾磨米在低溫充100% CO2儲藏條件下質構品質和食味品質較好,碾磨次數可以有效延緩大米食用品質的變化。

2015年zhou[12]開發了射頻技術,有效控制了昆蟲對稻谷的侵害。Ding[13]等用紅外干燥(IRD)技術在稻谷儲藏之前進行干燥處理,發現IRD對米色穩定性、微觀結構、糊化、烹飪和質地的性質都有正面影響,IRD能顯著提高水稻的貯藏穩定性。Li[14]證明抗菌納米銀包裝(ANP)可以有效延緩糊化質量和質地的變化,并延長保質期。

2 老化過程對水稻化學成分的影響

2.1 稻谷老化對稻谷的成分-淀粉的影響

淀粉是惰性成分。稻米中淀粉含量的變化在稻米老化過程中隨時間并不顯著。 Rehman[15]觀察到老化米中還原糖含量的輕微增加,表明在儲存期間可能發生淀粉的酶降解。此外,隨著儲藏時間延長,糙米的總淀粉與支鏈淀粉含量緩慢下降,直鏈淀粉含量上升,Huang和Lai[16]研究了內源淀粉酶對淀粉精細結構的影響及其與老化糯米粘貼性的關系,發現淀粉微細結構發生了變化,長鏈比例下降,但是當米在較高儲存溫度下儲存較長時間時,短鏈百分比增加。

2.2 稻谷老化對稻谷成分-脂肪的影響

對水稻其他化學成分的研究表明,盡管淀粉、細胞壁殘留物、蛋白質和脂質的總含量沒有顯著變化,但是老化過程確實引起了許多化學組分的改變。例如,謝宏[17]研究發現,隨著儲藏時間的延長,稻谷中蛋白質總量及谷蛋白含量基本保持不變,而蛋白巰基、粗脂肪含量減少,二硫鍵與脂肪酸值增加,分子間交互作用加強。李興軍[18]發現植物中的脂肪氧化主要由脂氧合酶類(LOXs)催化完成。對植物LOXs的催化機制以及它們的不同區域專一性和立體專一性特性的進一步研究可以促進我國稻谷陳化延緩新技術的開發。Hildebrand[19]已經證實,儲存期間谷粒變質是由脂質過氧化作用引起的,特別是脂氧合酶-3(LOX-3)的存在,脂氧合酶-3(LOX-3)是催化該反應的關鍵酶。這些研究可能表明,改善谷粒儲存性質的有效方向是通過基因工程或其他工具特異性地抑制胚乳中的LOX-3活性。

2.3 老化對稻谷揮發性成分的影響

Griglione等[20]使用全自動氣相色譜質譜聯用(HS-SPME-GC--MC)技術分析六個高品質意大利水稻品種的揮發性成分,以確定可靠的化學標記和老化指數。他們發現,在25種香氣成分中,其中一些在一段時間內表現出相似的趨勢,包括2-(E)-辛烯醛作為所有水稻栽培品種的老化標記,庚醛、辛醛和2-乙基己醇作為品種特異性指標。應用電子鼻系統來研究儲存期間稻米揮發性分布的變化表明:不管儲存溫度如何,芳族化合物似乎取決于儲存時間[6]。酚酸代表水稻的微量組分,但它們在水稻中表現出一些功能性質。在白米儲存期間結合的酚酸含量沒有顯著差異,而老齡稻中游離酚酸含量低于新鮮稻(p<0.05)。這種現象可以通過游離酚酸和不飽和脂肪酸之間的化學反應或酚酸通過與酯化和醚化的細胞壁殘余物的進一步交聯而解釋[21]。

3 老化過程對水稻物理化學性質的影響

水稻的蒸煮品質和流變性質主要取決于其淀粉的溶脹、膠凝和再沉淀特性[22]。水稻老化過程最明顯的指標之一是其粘度變化。 Likitwattanasade[23]廣泛研究了儲存后水稻粘貼和熱性能的變化。結果表明,水稻粘貼和熱性能的變化取決于存儲溫度和持續時間。粘度研究表明,RVA黏度分析中的峰值黏度(PV)是評估水稻衰老過程最靈敏的指標。RVA和DSC數據表明,在更高溫度儲存誘導的稻米陳化后,淀粉顆粒的水合能力和膨脹程度減小[24]。淀粉顆粒顯示出對水熱破裂的更大耐受性,這導致在凝膠化過程中較少的淀粉組分被浸出。水稻黏度和熱力學性質的變化可用于解釋儲存后發生的蒸煮品質變化。與新鮮水稻相比,陳化水稻表現出更高的硬度(p<0.001)、更低的黏度(p<0.01)和更高的內聚力(p<0.05)。破損值與硬度(R=-0.818)、回生與粘附性(R=0.830)之間的重要聯系表明:黏度參數可以用于反映煮熟的質構[25]。位于糊化曲線上的斷點(兩條直線交叉的點)將膠凝過程分成兩個區域:破壞非晶區域和結晶區域;凝膠化在低于斷裂點的溫度下是不完全的,其中假定凝膠化僅影響無定形區域,并且添加到系統中的能量導致淀粉的無定形區域的無序[26]。 Jenkins和Donald[27]認為水首先進入無定形生長區,并且半晶體堆的周期性保持不變,只有微晶可以被鑒定。因此,米粒中淀粉顆粒的相變在糊化過程中決定了淀粉的糊化特性。凝膠化動力學的研究表明,老化過程導致老化水稻樣品的斷裂點溫度增加。此外,老化后,溫譜曲線顯著變寬(p<0.01),“退火”處理對新鮮和陳年水稻樣品的水稻熱性能的影響有相當大的差異[16]。

4 淀粉和非淀粉組分之間的相互作用對水稻老化期間的物理化學性質影響

對于儲存后水稻物理化學功能的變化進行的研究表明,老化過程使水稻更難水合和溶脹,并且在糊化過程中表現出對水稻破裂的高抗性,但未充分說明水稻中非淀粉組分對稻谷淀粉性質的影響,特別是涉及稻米的老化過程。通過差示掃描量熱(DSC)熱分析表明,這些變化與高溫儲存期間稻谷組織結構的形成有關[24],從而導致“溶解性”淀粉和直鏈淀粉量在烹飪中減少,熟米粒質地變得更硬和黏度變得更小。水稻中其他成分的存在會對淀粉糊化和熱性能帶來較大的影響。尤其是儲存后水稻中其他組分化學性質的變化以及大分子之間的互相連結也會導致陳化水稻的熱性能發生變化。伍金娥等[28]研究發現:在陳化過程中,直鏈淀粉脂質復合物含量隨大米中直鏈淀粉含量的增加而增加。脂肪酸和淀粉形成的復合體提高了淀粉糊化的熱焓值。焓值對淀粉糊化的熱穩定性有較大影響,促進了陳米飯的回生。大米陳化過程中淀粉結合蛋白與淀粉相互作用可能是導致陳化大米黏度降低的重要因素之一。

在水稻老化模型的開發中,對來自新鮮和陳化水稻的淀粉進行糊化和熱性質研究表明,在兩種所提取淀粉的黏度圖和熱分析圖之間沒有可辨別的差異[29]。這些數據表明老化對水稻黏度和熱性能的影響與存儲期間淀粉和非淀粉組分之間的相互作用有關。將谷蛋白(oryzenin)添加到分離的淀粉中,會出現類似于老化米粉的糊化行為。充分證明脂質與淀粉顆粒表面上的直鏈淀粉分子存在復合,從而限制了顆粒溶脹[30],影響淀粉糊化在儲存期間內源脂質的變化。這種行為可以解釋老化水稻的糊化行為。然而,游離脂質的去除相對于其天然樣品沒有改變黏度性質。這可能是由于米粒中游離脂質的含量較低,并且該部分的變化對儲存后的糊化性質的影響太小而無法測量。

在半纖維素酶處理后,與其未處理樣品相比,新鮮水稻樣品的峰值黏度降低。這種差異可能與半纖維素及其他組分(例如淀粉組分)之間的協同作用有關。然而,老化水稻樣品用半纖維素酶處理之前和處理之后其整個粘度和熱曲線沒有顯著差異。因此,在水稻老化期間半纖維素的變化對稻谷的變質沒有顯著影響,儲存后水稻粘貼和熱性質的變化或在儲存期間半纖維素變化對米粒的組織結構影響太小而不能測量。與其相應的未處理樣品相比[29],老化水稻樣品的纖維素酶處理產生了RVA和DSC曲線形狀的顯著差異,表明水稻細胞壁對水稻結構和烹飪性質的重要性[31]。酶處理樣品的粘貼和熱曲線更接近于新鮮大米的粘貼和熱曲線,表明老化引起的粘貼差異和熱性質變化通過酶處理之后降低。此外,通過自動熒光和碘染色后的顯微鏡觀察顯示在淀粉糊化的同時動態外周細胞破裂,這可能對淀粉浸出和熟米飯的質構性質具有主要影響。因此,水稻衰老研究表明,細胞壁殘余物參與衰老過程,纖維素酶處理改變了老化水稻的細胞壁結構,并且在RVA和DSC運行期間增強了水的滲透能力,促進了淀粉糊化行為。

Zhou[29]研究發現,在蛋白酶處理后,與未處理的水稻樣品相比,新鮮水稻黏度曲線的峰值黏度和峰值溫度降低,但這些變化并不顯著,老化的水稻樣品經過蛋白酶處理產生了黏度性狀的變化和凝膠化吸熱到較低溫度的顯著變化(p<0.01)。蛋白酶處理對老化樣品物理化學性質的最明顯影響是觀察到通常用新鮮水稻觀察到的峰和谷。在通過蛋白酶處理去除蛋白質后,老化水稻DSC曲線的峰值溫度(Tp)與其相應的新鮮水稻的峰值溫度相同表明,去除蛋白質產生較少結構化的水稻樣品,使淀粉更容易發生糊化。

Cameron等[32]發現脂肪氧化的初級和次級產物能夠促進蛋白質的氧化。楊鳳儀等[33]發現薏仁米儲藏過程中的陳化主要與醇類、酯類等物質的氧化、分解及醛類、酸類物質的形成相關,也與脂類氧化降解密切相關。雖然淀粉、直鏈淀粉、細胞壁殘余物、蛋白質和脂質的總含量沒有顯著差異,許多化學組分在老化后發生改變。例如,水稻貯藏蛋白(即谷醇溶蛋白和谷蛋白)的溶劑萃取性在老化過程后降低。這種變化可能與在蛋白質分子發生蛋白質細胞內/細胞間結構的變化經歷化學反應(如二硫鍵)和其他交聯的形成有關;這些反應改變蛋白質結構,并隨后影響蛋白質性質,例如溶解性、熱特性和親水/親脂性質[34]。脂質研究表明,在水稻老化期間,丙醇-水可提取脂質(PWE-L)部分沒有變化。這可能是脂質與直鏈淀粉復合的結果。相比之下,石油醚可提取脂質(PEE-L)餾分中的游離脂肪酸(FFA)與總脂肪酸(SFA)的比例遠高于PWE-L餾分中的比例[35]。此外,PEE-L級分中不飽和脂肪酸的含量隨著稻米老化進程而降低。這可能意味著與老化期間PWE-L級分中的脂質相比,PEE-L級分中的脂質是不穩定的,并且更可能經歷水解和氧化。酚酸雖然作為水稻中的微量組分存在,但已知它具有抗氧化活性[36],并且與胚乳細胞壁的結構有關。

5 結論與展望

大米陳化是一項復雜的過程,淀粉、蛋白質、脂類和內源淀粉酶都扮演著重要的角色。這些化學成分的變化直接影響淀粉的理化性質。大米外觀的變化是由淀粉結構的改變引起的;水稻中脂質的變化會對水稻的香氣轉移影響很大;貯藏過程中,稻米蛋白質和細胞壁結構的變化可能會導致儲藏過程中稻米理化性質和蒸煮特性的變化;因此在分子水平上應用脂質組學和蛋白質組學技術對稻谷的老化進一步研究,并分析稻谷中化學成分之間相互作用的宏觀效果和微觀成分對水稻物理化學特性和蒸煮特性的影響,更有利于進一步揭示大米老化機制,幫助我們制定有利于稻谷儲藏的條件進而更有效的儲藏糧食。

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Researchprogressinagingmechanismofrice

ZHAOJuan-hong,LINQin-lu,SUNShu-guo*,WANGRuo-hui,ZHANGSu-hong,DINGYu-qin,CAOJian-zhong

(College of Food Science and Engineering,Central South University of Forestry and Technology,NationalEngineering Laboratory for Deep Processing of Rice and Byproducts,Changsha 410004,China)

Rice aging is a complex process. Although the total contents of starches,cell wall residues,proteins and lipids were not changed significantly,the aging process had caused the change of many chemical group components and the interaction between macro-molecules. This paper mainly reviews the quality change and mechanism during the storage process of rice,and prospects the future development of rice storage in China to provide a reference for the safe storage of rice in China.

rice;aging;mechanism

2017-05-02

趙娟紅(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：食品貯藏保鮮，E-mail：2681470419@qq.com。

*通訊作者:孫術國(1977-)，男，博士，副教授，研究方向：食品貯藏保鮮，E-mail：sshuguo@163.com。

湖南省重點研發計劃項目(2016NK2146)；國家自然科學基金面上項目(31571874)；長沙市科技計劃重點項目(k1508009-21)；2011湖南省協同創新項目。

TS201.1

A

1002-0306(2017)23-0326-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.23.059