基于LF-NMR的糙米發芽過程水分狀態變化

劉 瀟 沈 飛 黃 怡 張 斌 趙天霞 邵小龍

(江蘇高校現代糧食流通與安全協同創新中心;江蘇省高校糧油質量安全控制及深加工重點實驗室;南京財經大學食品科學與工程學院，南京 210023)

糙米是稻谷去殼后保留胚芽、糠層和胚乳的全谷米粒，其營養價值遠高于精白米[1-4]。然而，由于糙米含有較多的粗纖維和糠層，膨脹性和吸水性不足，導致其蒸煮性和口感較差，降低了消費者的接受度[5-6]。發芽處理被普遍認為是改善糙米營養品質和加工特性的有效手段。發芽糙米是指糙米在一定條件下培養，經發芽至一定芽長(0.5～1 mm)，所得到的由幼芽和帶糠層的胚乳組成的糙米制品[7-8]。其實質是糙米中大量的酶被激活和釋放，并從結合態轉化為游離態[9]，催化產生了大量的生理活性物質，如γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)等，并改善了其蒸煮特性[10]。此時其營養價值最高，超過糙米，更遠優于精米。

制取發芽糙米的第一個關鍵步驟就是浸泡處理。諸多研究均表明水分吸收和擴散在種子浸泡和發芽過程中發生了顯著變化[11-13]。由于水分變化對代謝物的產生和積累十分關鍵，水分吸收和利用率不同可能會導致不合適的水和作用，從而引起胚乳發生過度或不足反應。因此，為了控制發芽糙米質量，了解糙米發芽過程籽粒結構和水合作用之間的關系，以及外界因素對水分遷移和分布的影響機制十分必要。低場核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR)一種無損、非侵入式的測量技術，能獲取樣品氫質子密度與分布信息，從而反映樣品內部的水分分布及含量變化，從微觀層面揭示水分變化規律。宋平等[14]利用LF-NMR對水稻種子浸泡過程中的水分變化進行了分析，建立了T2弛豫譜總面積與含水量的回歸方程(R2=0.993 2)。發現水稻種子隨著浸泡時間的增加，結合水及總含水量不斷上升，自由水則呈現不規則的反復變化趨勢。要世瑾等[15]將低場核磁共振圖像(LF-MRI)和T2弛豫譜相結合，對萌發過程的小麥種子進行了連續72 h檢測。T2弛豫譜顯示吸水率存在快速吸水、平穩吸水及振蕩吸水3個階段，與成像顯示的萌發3 階段相對應，體現了種子萌發對水分需求的動態過程。以上研究表明，通過低場核磁共振弛豫信息，可以動態追蹤種子浸泡發芽過程的水分遷移與分布模式，對于優化浸泡條件、科學揭示種子萌發過程機理提供了理論依據。然而，目前利用LF-NMR技術對糙米發芽過程的吸水動力學特性的研究報道還十分有限。

因此，本研究擬利用LF-NMR技術，對糙米浸泡和發芽過程各相態水分變化規律進行研究，通過測定T2弛豫時間反演圖譜峰值與波峰位置的改變揭示糙米在發芽過程中不同相態水分的變化過程，建立T2弛豫譜峰值總面積與含水量的線性回歸方程，以期為糙米發芽過程的水分變化提供一種新的監測方法，并為優化發芽工藝和實現產品質量標準化控制提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

粳稻谷(淮稻5號)，產地江蘇淮陰；秈稻谷(中秈84號)，產地江蘇鹽城；NMI-20 Analyst型核磁共振分析儀:上海紐邁電子科技有限公司。

1.2 糙米浸泡與發芽方法[16]

首先將稻谷脫殼，制成糙米；取適量糙米于燒杯中用自來水沖洗3遍以去除糠粉和灰塵，瀝干后用質量分數為5%的次氯酸鈉消毒5 min，再用無菌水沖洗3～5 min；將糙米置于30 ℃水中浸泡7.5 h；將浸泡過的糙米均勻攤放于經消毒處理的底部墊有消毒紗布的培養皿中，蓋上4層消毒紗布，噴灑無菌水，置于32 ℃和80% RH(無光照)條件下持續發芽22.5 h。

1.3 糙米LF-NMR橫向弛豫譜測定

采用CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脈沖序列測定樣品的T2橫向弛豫參數[17-18]。參數設置為：主頻SF1=19 MHz，采樣頻率SW=200 kHz，90°硬脈沖射頻脈寬P1=13 μs，180°硬脈沖射頻脈寬P2=25 μs，信號采樣點數TD=135 014，重復采樣等待時間TW=1 500 ms，重復采樣次數NS=32，回波個數NECH=3 000。整個過程分浸泡和發芽兩部分，共計30 h。在7.5 h浸泡過程中，0.5h時取一次樣，之后每1 h取一次樣；在隨后22.5 h發芽過程中，每1 h取一次樣，20 h后，每2 h取一次樣。每次取樣1.5 g(精確到0.01 g)，共計取樣26 次，每次測量前將樣品表面的水分擦拭干凈。每個樣品平行測6次，取平均值。

1.4 糙米含水量測定

依據GB/T 21305—2007，經過預處理后采用130 ℃烘箱法，烘干至恒重[19]。

2 結果與分析

2.1 浸泡過程糙米水分分布與含量變化

圖1為不同浸泡時間粳糙米和秈糙米橫向弛豫T2反演譜變化趨勢圖。糙米浸泡過程是水分子與糙米中大分子物質(如：蛋白質和淀粉)相互結合的過程，同時伴隨著復雜的物理化學變化。由LF-NMR原理可知，T2弛豫時間長短與質子自由度密切相關。質子所受束縛力越大，T2弛豫時間越短；質子所受束縛力越小，T2弛豫時間越長。因此可根據T2弛豫圖譜的波峰位置來判斷糙米中的水分類型。觀察可知，浸泡過程中糙米的T2反演圖譜先后出現了4個峰(T2b、T21、T22、T23)。其中，T2b、T21和T22分別代表不同流動性的水分和少量脂類成分。觀察可知，T2b

圖1 浸泡過程糙米橫向弛豫時間T2反演圖譜變化趨勢圖

圖2為糙米含水量與總弛豫峰面積、T21和T22峰面積(幅值)隨時間變化趨勢圖。由圖2可知，糙米含水量和總弛豫峰面積呈現先快速上升，后緩慢上升，再波動上升趨勢。第1階段0 ～1.5 h為快速吸水階段；第2階段1.5～5.5 h，為平穩吸水階段；第3階段5.5～7.5 h，為波動吸水階段。在階段1，糙米吸水速率最高，此時干燥糙米籽粒接觸水后快速吸水，大量的水分進入細胞內部和細胞間隙，是簡單的吸漲過程。此時種皮變軟，細胞壁對空氣的通透性增加，導致T2b小峰的出現；在階段2，糙米胚部快速吸收水分，為之后糙米的萌發準備條件；階段3，糙米處于萌動階段，蛋白質和淀粉等大分子物質參與水解[21-22]，導致含水量呈現出微小波動。由圖2c和圖2d可知，糙米中結合水的含量緩慢上升，而自由水的變化更為明顯，是因為糙米的浸泡過程主要就是吸水，導致其結合水和自由水含量均上升。但在此過程中大量水分子受蛋白質、淀粉等大分子物質的束縛力變小，導致T21、T22峰等均不同程度右移。粳糙米總吸水量與結合水含量略高于秈糙米，原因在于粳米中支鏈淀粉含量明顯高于秈米，其持水能力也較高。而秈米直鏈淀粉含量較高，其水解過程造成其自由水含量變化相對較粳米劇烈。

圖2 浸泡過程糙米總含水量與T2總幅值、T21和T22信號幅值變化趨勢圖

通過一維回歸分析發現糙米的T2總弛豫峰面積與樣品含水量呈現顯著相關關系(圖3)，其中粳糙米的擬合方程為：y=0.001 31x-3.092 8(R2=0.991 9,P<0.01)；秈糙米的擬合方程為：y=0.001 4x-2.647 6(R2=0.964 7，P<0.01)，x表示糙米T2弛豫峰面積，y表示樣品含水量。

a 粳稻

b 秈稻

圖3 浸泡過程糙米含水量與T2總信號幅值線性擬合關系圖

2.2 發芽過程糙米水分分布與含量變化

圖4為不同發芽時間粳糙米和秈糙米橫向弛豫時間T2反演譜變化趨勢圖。觀察可知，相比于浸泡過程，此階段T2各譜峰面積和波峰位置變化均不大，表明經過浸泡后，糙米內各相態水分進入了一個較為穩定的狀態，結合水向自由水遷移的趨勢并不顯著。圖5為不同發芽時間糙米含水量與總弛豫信號、T21和T22弛豫信號變化。由圖5可知，發芽過程糙米含水量增加較為緩慢，與圖4相對應，粳糙米和秈糙米含水量均增加了約5%，低于浸泡過程樣品吸水量(約15%)。

雖然含水量總體變化不大，但在糙米發芽過程中自身發生各種物理化學變化，包括淀粉、蛋白質的水解，還原糖的生成等[23]。糙米發芽過程，一方面可以從外界吸收水分，另一方面伴隨多種化學反應，離不開結合水和自由水的參與。由圖5c可知，結合水的含量隨著發芽過程的推進含量不斷減少，表明部分結合水參與水解過程，生成自由水。而發芽過程自由水參與各項生化活動，在此期間會不斷消耗和產生自由水，導致自由水含量并不直線上升，而是呈現變化幅度較大，波動上升的趨勢(圖5d)。與浸泡過程類似，粳糙米的持水力高于秈糙米，造成其結合水含量相對較高，而由于直鏈淀粉水解，導致秈糙米比粳糙米中自由水的含量要高且變化更劇烈。然而本研究所用粳米和秈米品種有限，不同品種的水分狀態變化規律的還有待進一步研究。

a 粳稻

b 秈稻

圖4 發芽過程糙米橫向弛豫時間T2反演圖譜變化趨勢圖

圖5 發芽過程糙米總含水量與T2總幅值、T21和T22信號幅值變化趨勢圖

3 結論

本實驗通過LF-NMR技術研究糙米在浸泡與發芽過程中的水分狀態與分布情況，利用CPMG序列獲取了樣品的T2反演圖譜，分析了不同狀態水分的遷移變化規律。浸泡過程樣品中存在結合水向自由水遷移趨勢，其含水量、結合水和自由水含量均不斷上升，且含水量與T2信號總幅值呈顯著相關性(R2>0.96)。發芽過程總含水量與自由水含量緩慢波動上升，結合水含量逐漸下降。浸泡與發芽過程中，自由水的含量變化與波動幅度均更加劇烈。結果表明，LF-NMR技術能夠直觀獲取樣品中不同狀態水分的含量及變化趨勢，為優化糙米發芽過程及品質控制提供了一種新的監測手段。

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