超聲波輔助處理對發(fā)芽糙米營養(yǎng)及食用品質(zhì)的影響

朱 創(chuàng)，楊 麗，肖登榮，肖 斌，聶 攀，鐘苓玥，宋立華,

（1.上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院, 上海 200240；2.上海瀛豐五斗生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司, 上海 202179）

發(fā)芽處理作為可有效改善谷物和豆類等食品營養(yǎng)特性及食用品質(zhì)的加工工藝，其成本低且簡便易行[1]。種子萌芽過程在酶的作用下會使谷物或豆類食品中的維生素、膳食纖維、蛋白質(zhì)、氨基酸等基本營養(yǎng)成分的含量有所增加[2]，但處理工藝不同基本營養(yǎng)成分的變化不同；糙米發(fā)芽處理還可有效富集γ-氨基丁酸（GABA）等功能活性成分，使發(fā)芽糙米的營養(yǎng)價值高于普通糙米和白米[3]，但與普通白米相比，發(fā)芽糙米的食用口感仍有待于改進(jìn)。此外，除GABA外，如何改進(jìn)發(fā)芽工藝以進(jìn)一步提高發(fā)芽糙米中其他活性成分的含量也值得深入研究。

黃酮類化合物是植物性食品中重要的功能活性成分之一。超聲波作為一種重要的物理輔助加工技術(shù)在黃酮等活性成分的提取方面應(yīng)用廣泛，如利用超聲波輔助提取黑米、紅麥麩皮及發(fā)芽糙米中的黃酮成分，可有效提高提取率[4-6]。在發(fā)芽谷物加工方面，卞紫秀等[7]利用超聲波輔助處理（320 W，30 min，29 ℃）加工發(fā)芽苦蕎，發(fā)現(xiàn)其不但可有效促進(jìn)苦蕎麥種子的萌發(fā)，還可顯著增加苦蕎芽苗中黃酮類物質(zhì)的含量；程威威等[8]利用超聲波處理（59 kHz，8 h）發(fā)芽糙米，發(fā)現(xiàn)其可顯著增加糙米發(fā)芽率。目前，利用超聲波輔助技術(shù)加工發(fā)芽糙米，對功能成分的富集作用研究大多圍繞GABA展開[9-11]，但針對黃酮的富集作用研究尚不多見；已有研究結(jié)果表明對于不同的谷物，當(dāng)超聲工藝條件不同時，對黃酮成分的富集效果也有所不同；此外，超聲波輔助加工對發(fā)芽糙米加工及品質(zhì)改善的相關(guān)研究較少。因此，本研究利用超聲波輔助技術(shù)加工發(fā)芽糙米，首先以總黃酮含量為主要考核指標(biāo)對超聲工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析超聲波輔助處理對發(fā)芽糙米基本營養(yǎng)成分、米糠微觀結(jié)構(gòu)、糊化性質(zhì)及質(zhì)構(gòu)特性的影響，為改善發(fā)芽糙米的功能營養(yǎng)特性及加工食用品質(zhì)提供可參考的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

糙米 南梗9108，初始濕基含水量為12.63%±0.81%，由上海光明集團瀛豐五斗生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司提供；次氯酸鈉、乙醇、三氯化鋁、乙酸鉀 均為分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；蘆丁 薩恩化學(xué)技術(shù)（上海）有限公司；體外抗氧化試劑盒 南京建成生物科技有限公司。

DHG-9071A電熱恒溫干燥箱 上海精宏實驗設(shè)備有限公司；LRH-150培養(yǎng)箱 上海一恒科學(xué)儀器公司；200T高速多功能磨粉機 永康市利陽電器有限公司；THC型數(shù)控超聲波提取機 濟寧天華超聲電子儀器有限公司；Multiskan FC型酶標(biāo)儀Thermo Fisher（上海）儀器有限公司；VFD-2000 冷凍干燥機 上海比郎儀器制造有限公司；50T ES plus高真空鍍膜儀 英國Quorum公司；拉曼圖像-掃描電子顯微鏡聯(lián)用儀 捷克TESCAN-MAIA3公司；差式掃描量熱儀 德國Netzsch公司；TA-XT Plus型質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro Systems公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 發(fā)芽糙米的制備 稱取經(jīng)挑選、除雜、飽滿的糙米約400 g，漂洗干凈后，用0.1%的次氯酸鈉溶液浸泡15 s對其表面消毒，沖洗干凈后加純水浸泡，置于恒溫培養(yǎng)箱中。浸泡期間每隔2 h更換一次水，浸泡結(jié)束后將糙米放入恒溫培養(yǎng)箱中萌發(fā)。浸泡條件：29 °C，13 h，結(jié)束時種子露白；萌發(fā)條件：29 °C，24 h，結(jié)束后種子芽長約1 mm。收集發(fā)芽糙米，參考楊麗等[12]的方法，對發(fā)芽糙米經(jīng)50 °C干燥1 h后磨粉，80目過篩得到實驗用糙米粉。

1.2.2 超聲波處理方法 實驗參考Yaldagard等[13]的超聲參數(shù)。實驗分別采用糙米浸泡前超聲處理和浸泡后超聲處理，浸泡前超聲處理操作如下：將清洗干凈的糙米裝進(jìn)塑封袋中，超聲處理，超聲結(jié)束后按照1.2.1中的條件浸泡、發(fā)芽。浸泡后超聲處理操作如下：將浸泡13 h后的糙米裝進(jìn)塑封袋中，進(jìn)行超聲處理，超聲結(jié)束后按照1.2.1中的條件發(fā)芽。

超聲處理條件為：a.160 W功率下分別處理5、15和25 min；b.280 W功率下分別處理5、15和25 min；c.400 W功率下分別處理5、15和25 min。

1.2.3 總黃酮含量的測定 采用Guan等[14]的方法并作改動，具體如下：稱取2 g糙米粉末，加入10 mL 50%乙醇水溶液超聲提取40 min，4000 r/min離心10 min后取5 mL上清液，加入2 mL三氯化鋁溶液（0.1 mol/L），反應(yīng)8 min后再加3 mL乙酸鉀溶液（1 mol/L），用50%乙醇水溶液定容至10 mL，搖勻，室溫下反應(yīng)30 min后于420 nm波長處測定吸光度值。總黃酮含量以蘆丁當(dāng)量表示（mg/100 g）。

1.2.4 發(fā)芽勢和發(fā)芽率的測定 參照Guan等[14]的方法，按如下公式計算發(fā)芽勢和發(fā)芽率：

1.2.5 基本營養(yǎng)成分的測定 含水量采用國標(biāo)法-直接干燥法[15]；蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、維生素、膳食纖維[16-21]采用國標(biāo)法測定。

礦物質(zhì)元素參照國標(biāo)法[22]測定，并稍作改動：稱取糙米粉1.00 g于坩堝中，小火加熱，炭化至無煙，轉(zhuǎn)移至馬弗爐中，于550 ℃灰化3 h，至試樣呈白灰狀，冷卻，取出，用適量硝酸溶液溶解并用水定容至10 mL。利用ICP-AES法分析測定，外標(biāo)法定量。

1.2.6 超微結(jié)構(gòu)的測定 冷凍干燥處理樣品24 h后，用導(dǎo)電膠將干燥后的樣品固定在金屬載物臺上，利用高真空鍍膜儀噴金30 s后用電子掃描顯微鏡掃描樣品表面并拍照。

1.2.7 熱物性的測定 取2 mg樣品，按1:2（質(zhì)量比）加入純水，密封后于4 ℃放置24 h，用差式掃描量熱儀進(jìn)行測定。掃描溫度由20 ℃上升至100 ℃，掃描速率為10 ℃/min，載氣為氮氣，氮氣流速為20 mL/min。以空坩堝作為對照，記錄并計算吸熱曲線上的起始溫度（To）、峰值溫度（Tp）、終止溫度（Tc）熱焓（ΔH）。

1.2.8 質(zhì)構(gòu)的測定 參照宋偉等[23]的方法，測定煮后發(fā)芽糙米的質(zhì)構(gòu)，具體如下：加12 mL水于10 g糙米中，蒸鍋中加適量水，置于電磁爐上蒸煮40 min后關(guān)火燜10 min，待冷卻至室溫后，隨機取6粒米進(jìn)行硬度、黏著性、彈性和黏度的測定。參數(shù)：探頭P/50、觸發(fā)點10 g、壓縮比例75%、下降速度10 mm/s、測試速度0.5 mm/s、測試后速度5 mm/s。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每組實驗均平行3次，結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示，方差分析采用LSD法，P＜0.05視為有顯著性差異；數(shù)據(jù)處理軟件使用Excel 2016和IBM SPSS Statistics 25，繪圖使用 GraphPad Prism 8.2.1。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波輔助發(fā)芽糙米工藝的建立

本實驗結(jié)果表明超聲波輔助處理順序?qū)Πl(fā)芽糙米總黃酮的含量有一定影響，結(jié)果如圖1所示。采用先超聲后浸泡處理工藝時，當(dāng)超聲功率為160和280 W時，隨著超聲處理時間的增加，發(fā)芽糙米的總黃酮含量先下降再升高；當(dāng)超聲波功率為400 W時，隨著超聲處理時間的增加，發(fā)芽糙米的總黃酮含量先升高后下降，其中400 W超聲15 min條件下，發(fā)芽糙米的總黃酮含量達(dá)到最大值203.61 mg/100 g。

圖1 超聲波順序?qū)Πl(fā)芽糙米總黃酮含量的影響Fig.1 Effects of ultrasonic sequence on the total flavonoid contents of GBR

采用先浸泡后超聲處理工藝時，當(dāng)超聲功率為160 W時，發(fā)芽糙米的總黃酮含量均顯著高于先超聲后浸泡組（P＜0.05）；且與280和400 W的超聲波處理組相比，160 W超聲波處理的發(fā)芽糙米總黃酮含量最高，超聲處理25 min時達(dá)到最大值218.17 mg/100 g。這可能是因為先浸泡再進(jìn)行超聲波適當(dāng)處理，能在促使種皮軟化的基礎(chǔ)上，利用超聲波的機械效應(yīng)改變細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和細(xì)胞膜通透性，從而促使黃酮類物質(zhì)的釋放[24]。此外，還有研究表明超聲波處理能提高苦蕎種子中與黃酮類物質(zhì)合成相關(guān)的苯丙氨酸解氨酶（PAL）的活性[25]，這可能也是超聲波輔助處理使黃酮含量有所增加的原因。

鑒于上述黃酮的變化情況，本研究后續(xù)實驗均選擇將糙米先浸泡13 h后再用160 W超聲處理25 min作為優(yōu)化超聲輔助處理參數(shù)，并進(jìn)一步研究超聲波輔助對發(fā)芽糙米基本營養(yǎng)成分及其食用和加工品質(zhì)的影響。

2.2 超聲波輔助處理對發(fā)芽糙米發(fā)芽勢、發(fā)芽率及總黃酮含量的影響

糙米發(fā)芽勢和發(fā)芽率結(jié)果如圖2A所示，超聲波輔助糙米發(fā)芽組發(fā)芽勢為65.82%（P＜0.01），發(fā)芽率為 75.02%（P＜0.05），較未超聲處理組分別增加了19.60%和4.66%。這可能與超聲波可以促進(jìn)谷物代謝，加快細(xì)胞吸水膨脹從而使種子發(fā)芽速率增加有關(guān)[26-27]。

總黃酮含量如圖2B顯示，超聲波輔助處理組發(fā)芽糙米組總黃酮含量較未發(fā)芽糙米組和未超聲處理組分別顯著增加了 415.49%和 48.11%（P＜0.01）。已有研究表明，超聲波可使類黃酮生物合成相關(guān)基因查耳酮合成酶（CHS）等的表達(dá)增強[28]；另外，超聲波處理還可提高苯丙氨酸解氨酶（PAL）的活性，PAL是類黃酮合成代謝過程中的關(guān)鍵限速酶，其活性增加有利于黃酮類物質(zhì)的合成[25]。

圖2 超聲波輔助后發(fā)芽糙米發(fā)芽勢、發(fā)芽率（A）及總黃酮含量（B）的變化Fig.2 Changes of germination potential, germination rate(A)and total flavonoid contents(B) of GBR-U

2.3 超聲波輔助處理對發(fā)芽糙米基本營養(yǎng)成分及礦物質(zhì)含量的影響

各組發(fā)芽糙米基本營養(yǎng)組分結(jié)果如表1所示。與BR相比，GBR中蛋白質(zhì)、淀粉和不溶性膳食纖維含量有所降低（P＜0.05）；煙酸顯著升高 4 倍（P＜0.05）；脂肪、維生素B1、B2及可溶性膳食纖維含量無顯著變化（P＞0.05）。而與GBR相比，GBR-U組發(fā)芽糙米中蛋白質(zhì)和維生素B2含量分別顯著升高20.54%和110.94%（P＜0.05），而維生素B1和不可溶性膳食纖維分別顯著降低32.40%和16.13%（P＜0.05）。有研究表明，超聲波處理可以提高發(fā)芽糙米中可溶性蛋白質(zhì)含量，這可能是由于超聲波處理能促進(jìn)植物體細(xì)胞和原生質(zhì)蛋白質(zhì)的積累[29-30]。超聲波還可使種子內(nèi)部溫度升高，酶活力上升，物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)換速率加快，有利于內(nèi)部細(xì)胞的生長，貯藏在其中的脂肪可作為營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)換成糖類，因此表現(xiàn)為脂肪含量下降而淀粉含量升高[31]。此外，超聲波可以破壞細(xì)胞壁，加速膳食纖維的分解[32]，而細(xì)胞壁的軟化可促進(jìn)種子發(fā)芽，因此也可以促進(jìn)發(fā)芽率和發(fā)芽勢的增加，這進(jìn)一步驗證了上述關(guān)于GBR-U組糙米發(fā)芽勢和發(fā)芽率的結(jié)果。

表1 超聲波輔助處理對發(fā)芽糙米基本營養(yǎng)成分的影響Table 1 Effects of ultrasonic-assisted treatment on the basic nutritional components of GBR

此外，發(fā)芽糙米中礦物質(zhì)元素含量分析如表2所示。結(jié)果表明，與BR相比，GBR組發(fā)芽糙米中鈣的含量顯著升高12.22%（P＜0.05），而鉀的含量顯著降低7.18%（P＜0.05）。與GBR組發(fā)芽糙米相比，超聲波輔助處理可使發(fā)芽糙米中鉀、磷、錳和鋅分別顯著升高43.90%、35.91%、46.57% 和35.28%（P＜0.05），而鈉和鈣分別顯著降低39.45%和15.33%（P＜0.05）。關(guān)于礦物元素的上述變化，一方面可能是由于種子發(fā)芽時，胚芽的生長需要礦物質(zhì)，礦物質(zhì)可作為輔助因子協(xié)助催化蛋白質(zhì)和碳水化合物的分解和利用，造成部分礦物質(zhì)被消耗[33]；另一方面是由于種子中的無機物大部分是與有機物結(jié)合的形式存在，隨著種子的萌發(fā)而轉(zhuǎn)變成游離態(tài)[34]。此外，利用超聲波處理，其空化作用及熱效應(yīng)也可能促進(jìn)無機物的釋放。

表2 超聲波輔助發(fā)芽糙米礦物質(zhì)元素的變化Table 2 Changes of mineral elements in GBR-U

2.4 超聲波輔助處理對發(fā)芽糙米表皮超微結(jié)構(gòu)的影響

圖3為發(fā)芽糙米表皮掃描電鏡分析結(jié)果。從圖3中可以看到，未發(fā)芽糙米表皮光滑致密無空隙；發(fā)芽后，糙米皮層變得松散；而超聲波輔助處理后發(fā)芽糙米的表皮結(jié)構(gòu)變得更加疏松，空隙也變得更大，這說明超聲波可以破壞糙米皮層的致密程度。同樣，用超聲波處理金蕎麥粉末后，其細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，變得疏松多孔[35]。Yang等[36]研究也發(fā)現(xiàn)超聲波產(chǎn)生的空化和機械作用使得糙米表皮發(fā)生了不同程度的變形并產(chǎn)生了裂痕，從而使糙米皮層變得更疏松多孔。

圖3 超聲波輔助發(fā)芽糙米掃描電鏡圖（2000×）Fig.3 SEM images of GBR-U (2000×)

2.5 超聲波輔助處理對發(fā)芽糙米熱物性的影響

表3為利用差式掃描量熱儀分析發(fā)芽糙米糊化特性結(jié)果。與BR相比，發(fā)芽可使糙米加熱糊化的起始溫度、峰值溫度（P＜0.05）、終止溫度和熱焓值均有所降低，這可能是因為淀粉與脂質(zhì)的交互作用可以使糊化溫度升高，而糙米經(jīng)發(fā)芽后淀粉含量降低，導(dǎo)致其與脂質(zhì)的交互作用減弱，進(jìn)而使糊化溫度下降[37]。

表3 超聲波輔助處理對發(fā)芽糙米熱物性的影響Table 3 Effects of ultrasonic-assisted treatment on the thermal properties of GBR

與GBR相比，超聲波輔助處理后發(fā)芽糙米糊化的起始溫度、峰值溫度、終止溫度和熱焓值分別略有升高，但兩組發(fā)芽糙米的熱物性參數(shù)無顯著差異。值得關(guān)注的是，也有研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理（55 ℃，16 kHz）后發(fā)芽糙米糊化所需的能量增多，這可能是因為超聲處理會誘導(dǎo)糙米內(nèi)的聚合物重新排列，從而使其需要更多的能量來完全糊化[38]。這也提示本實驗所采用的超聲輔助處理條件較適宜，不影響發(fā)芽糙米的熱物性，可更有利于保持發(fā)芽后糙米的糊化特性。

2.6 超聲波輔助處理對發(fā)芽糙米質(zhì)構(gòu)的影響

質(zhì)構(gòu)分析結(jié)果顯示（表4），GBR-U組的硬度、黏著性顯著低于GBR組（P＜0.05），彈性和黏度無顯著差異（P＞0.05）；與GBR組相比，超聲波輔助后糙米硬度和黏著性分別降低了11.42%和15.40%；彈性和黏度也略有下降。已有研究表明，適當(dāng)?shù)某暡ㄌ幚砜梢越档偷久椎挠捕萚39]、膠黏性和咀嚼性[40]。有研究發(fā)現(xiàn)超聲波會使谷物表面產(chǎn)生裂紋，在糙米蒸煮過程中水會更容易通過增加的裂紋滲透進(jìn)糙米中從而降低其硬度[41]，這一結(jié)論與本實驗中掃描電鏡結(jié)果相一致。

表4 超聲波輔助處理對發(fā)芽糙米質(zhì)構(gòu)的影響Table 4 Effects of ultrasonic-assisted treatment on the texture properties of GBR

3 結(jié)論

本實驗探究了超聲波輔助處理技術(shù)對發(fā)芽糙米部分理化品質(zhì)的影響。結(jié)果表明超聲波處理工藝條件對發(fā)芽糙米總黃酮含量有顯著影響，先將糙米浸泡13 h后再用160 W超聲處理25 min，總黃酮含量可達(dá)到最大值218.17 mg/100 g。此外，在此處理工藝條件下，與未超聲處理發(fā)芽糙米相比，糙米發(fā)芽勢、發(fā)芽率分別提高19.60%和4.66%；蛋白質(zhì)和維生素B2含量均有所提高，而維生素B1和不可溶性膳食纖維均有所降低；米糠皮層致密程度降低，變得疏松多孔；發(fā)芽糙米的硬度、黏著性、彈性和黏度等質(zhì)構(gòu)特性均得到改善，但糙米加熱糊化過程的熱物性參數(shù)無顯著變化。上述結(jié)果提示利用超聲波輔助處理加工發(fā)芽糙米可在一定程度上通過富集黃酮成分改善發(fā)芽糙米的功能營養(yǎng)特性，通過影響質(zhì)構(gòu)參數(shù)改善發(fā)芽糙米的食用品質(zhì)。