富含GABA和花色苷的发芽紫糙米加工工艺研究

吕秋洁 郑经绍 余宏达 蒲俏楠 涂敏 黄苇

摘  要：紫糙米口感较粗糙，营养素有进一步提升空间。本研究以紫米稻谷为原料，研究浸泡及培养工艺，制备富含γ-氨基丁酸（GABA）和花色苷的发芽紫糙米，改善了口感。单因素实验结果表明，浸泡温度、浸泡时间、培养温度和培养时间对发芽紫糙米中GABA和花色苷含量有顯著影响，再以GABA和花色苷含量综合评分为指标，经正交实验得到发芽工艺参数;在该参数条件下，进一步研究金属离子、谷氨酸钠及谷氨酸（L-Glu）对发芽紫糙米GABA和花色苷含量的影响，并通过响应面实验优化发芽工艺，得到最佳工艺为将紫米稻谷置于Ca2+浓度为61.05 mmol/L、L-Glu浓度为20.42 mmol/L的溶液中，30 ℃浸泡24 h，沥水后30 ℃培养30 h。此优化工艺下发芽紫糙米GABA含量达到180.27 μg/g，是未发芽紫糙米的20.49倍，花色苷含量为1233.88 μg/g，保留率是未发芽紫糙米的87.75%。

关键词：发芽紫糙米;发芽工艺;γ-氨基丁酸（GABA）;花色苷

中图分类号：TS210.4      文献标识码：A

Abstract： The taste of purple brown rice is rough， and the nutrition could be further promoted. Germinated purple brown rice， obtained from purple rice by soaking and culture technology， was rich in -aminobutyric acid （GABA） and anthocyanin， and improved the taste. The single factor experiment showed that the soaking temperature， soaking time， culture temperature and culture time of rice had significant influence on the content of GABA and anthocyanin in the germinated purple brown rice. The germination process parameters of purple brown rice were optimized by an orthogonal experiment with the comprehensive score of GABA and anthocyanin content as the index. The effects of metal ions， glutamic sodium and glutamic acid on the content of GABA and anthocyanin in sprouted purple brown rice were further studied under the conditions of the germination process parameters， then the best sprouting process was optimized by a response surface experiment as follows： purple rice soaked in the Ca2+ solution with a concentration of 61.05 mmol/L and L-Glu solution with a concentration of 20.42 mmol/L at 30 ℃ for 24 h， then the solution filtered out and the rice cultured at 30 ℃ for 30 h. Under this optimized process， the GABA content of the germinated purple brown rice reached 180.27 μg/g， 20.49 times that of the ungerminated purple brown rice， the anthocyanin content was 1233.88 μg/g whose retention rate was 87.75% of the ungerminated purple brown rice.

Keywords： germinated purple brown rice; germination process; γ-aminobutyric acid （GABA）; anthocyanin

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.01.030

产自广东省新兴县的‘天紫1号紫米，是一种珍贵的有色稻米，米粒细长呈紫色，营养丰富并富含白米所缺乏的活性物质——花色苷，具有良好的补益作用[1]。花色苷具有抗氧化[2]、抗肿瘤[3]、抑菌[4]、调节血脂[5]、保护肝脏[6-7]、抵御冠心病及动脉粥样硬化[8]等功效。

发芽糙米，是指具有生理活性的糙米吸水后，在适宜的温度、湿度条件下培养发芽至一定程度后干燥得到的产品，主要包括幼芽和带皮层的胚乳两部分[9]。糙米发芽后，参与人体生理功能调节的某些活性物质含量会提高，如GABA、维生素E、亚油酸、谷维素等[10]。GABA是一种存在于动植物体内的非蛋白质氨基酸，作为高等动物神经系统的抑制性传递物质，具有降血压、抗焦虑、抗动脉硬化等作用[11]。谷氨酸（L-Glu）可经谷氨酸脱羧酶（GAD）转化为GABA，Ca2+是GAD的重要激活因子[12]，因此，L-Glu、Ca2+对发芽糙米GABA的积累有重要的影响。有关提高发芽糙米GABA含量的研究是目前研究热点之一[13-15]。

紫糙米目前主要用于蒸煮米饭和熬粥食用，但因其皮层质地较硬，食感较粗糙。若开发成发芽糙米，软化其皮层[16]，不仅能改善食味，还使之富含GABA，目前有关发芽紫糙米的工艺未见报道。本文拟研究紫糙米发芽工艺及金属离子（Ca2+、Zn2+、Cu2+、Mg2+）、谷氨酸鈉、谷氨酸等对发芽紫糙米GABA积累和花色苷保留情况的影响，为发芽紫糙米的生产提供参考。

1  材料与方法

1.1  材料

1.1.1  材料与试剂  紫米稻谷，云浮市新兴县微丰农业科技有限公司提供的‘天紫1号紫米稻谷;GABA标准品（纯度≥99%），上海麦克林生化科技有限公司;4-二甲基胺基偶氮苯-4-磺酰氯（纯度≥98%），上海阿拉丁生化科技股份有限公司;乙腈、甲醇，均为色谱纯，永华化学科技（江苏）有限公司;氯化钙、硫酸铜、硫酸锌、硫酸镁，均为分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司;生化试剂谷氨酸、谷氨酸钠，上海伯奥生物科技有限公司。

1.1.2  仪器与设备  LC-15C高效液相色谱仪，日本岛津;TU-1800紫外可见分光光度计，北京谱析通用仪器有限责任公司;LRH系列生化培养箱，上海一恒科学仪器有限公司;FD-889智能胚芽米机，中山市东凤镇汉瑞电器厂;FW-100高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司。

1.2  方法

1.2.1  紫糙米发芽工艺流程  稻谷挑选→消毒→清洗→浸泡→培养→干燥→脱壳→发芽糙米。

先用0.5%的次氯酸钠溶液浸泡稻谷消毒10 min，用水润洗2～3遍，料液比为1∶4浸泡，每隔6 h换浸泡液一次，至预定浸泡时间，沥干，将稻谷铺于有3层湿润纱布的培养皿中，再覆盖3层湿润纱布，置于培养箱中培养，在培养期间，保持稻谷湿润，培养结束后，置于烘箱50 ℃干燥6 h，脱壳得发芽紫糙米，粉碎过60目筛，备用。

1.2.2  GABA的测定  参考NY/T 2890—2016，采用液相色谱法测定GABA含量，略作修改。色谱柱为WondaSil C18柱（250 mm4.6 mm，5 μm）;检测波长436 nm;柱温40 ℃;进样量10 μL;流动相A为乙腈，流动相B为质量浓度为6.8 g/L的三水合乙酸钠溶液;流速1.0 mL/min。洗脱程序：0.01 min，35%（A）～65%（B）;6.00 min，25%（A）～ 75%（B）;20.00 min，50%（A）～50%（B）;21.00 min，35%（A）～65%（B）;30.00 min，35%（A）～65%（B）。

1.2.3  花色苷的测定  采用分光光度法[17]测定花色苷含量，计算公式如下：

式中：A535为样品溶液在535 nm处的吸光值;V为溶液体积，mL;N为稀释倍数;98.2为花色苷在535 nm的消光系数;m为样品重量，g。

1.2.4  发芽紫糙米的工艺参数优选  按1.2.1方法进行稻谷发芽，选取浸泡温度、浸泡时间、培养温度、培养时间作为影响因素，考察各因素对发芽紫糙米中GABA和花色苷含量的影响，由于GABA和花色苷的含量对于发芽糙米工艺优选属双指标优选，分别给予二者不同的权重，以综合评分进行工艺优选，参考修茹燕[17]的计算公式如下：

式中：Ai为样品的GABA含量，Amin为样品的GABA最小含量，Amax为样品的GABA最大含量，Bi为样品的花色苷含量，Bmin为样品的花色苷最小含量，Bmax为样品的花色苷最大含量。

以综合评分为指标进行正交优化实验，因素水平见表1。

1.2.5  金属离子、谷氨酸钠及谷氨酸对发芽紫糙米  GABA和花色苷含量的影响  以正交优化实验确定的发芽工艺参数为基础条件，在浸泡液中加入金属离子、谷氨酸钠及谷氨酸，分别研究Ca2+、Zn2+、Cu2+、Mg2+、谷氨酸钠、谷氨酸对GABA和花色苷含量的影响，再以综合评分为指标，进行响应面优化实验，因素水平表如表2所示。

1.3  数据处理

采用SPSS 16.0软件进行单因素方差分析，对同一处理的数据采用LSD法进行多重比较;采用Design Expert 8.0 软件进行响应面分析;采用Origin 9.0软件作图。

2  结果与分析

2.1  浸泡与培养条件对发芽紫糙米GABA和花色苷含量的影响

2.1.1  浸泡温度对发芽紫糙米GABA和花色苷含量的影响  固定浸泡时间24 h，培养温度30 ℃，培养时间24 h，考察浸泡温度对GABA和花色苷含量的影响，结果如图1所示。在20～40 ℃范围内，GABA的含量随着浸泡温度升高呈现先升高后下降的趋势，30 ℃时达到峰值，但与25℃处理之间差异不显著。由于蛋白酶在约30 ℃条件下糙米中的蛋白酶较活跃[18]，蛋白质降解产生较多量的L-Glu。L-Glu作为GABA的前体物质，温度过低或过高，蛋白酶活力都会受抑制，从而间接影响GABA的积累;花色苷的含量随着浸泡温度的升高呈现先平缓后下降的趋势，究其原因，花色苷是水溶性色素，浸泡温度越高，越容易溶出而损失。如图2所示，当浸泡温度25 ℃时，发芽紫糙米中GABA和花色苷含量综合评分最高，为兼顾GABA和花色苷的含量，25 ℃为适合的浸泡温度。

2.1.2  浸泡时间对发芽紫糙米GABA和花色苷含量的影响  固定浸泡温度25 ℃，培养温度30 ℃，培养时间24 h，考察浸泡时间对GABA和花色苷含量的影响，如图3所示，在12～36 h范围内，GABA的含量随着浸泡时间的延长呈现先升高后下降的趋势，于24 h达到峰值，但与18 h处理间差异不显著;而花色苷的含量随着浸泡时间的延长呈现先平缓后下降的趋势，原因是花色苷是水溶性色素，浸泡时间越长，越容易溶出。如图4所示，当浸泡时间为24 h时，GABA和花色苷含量综合评分最高，表明适当的浸泡时间有利于同时保持GABA含量和花色苷维持较高含量。

Y=0.88+0.081A+0.10B+0.056C?0.085AB+0.059AC+（1.000E?003）BC?0.24A2?0.28B2+0.010C2

模型的R2=0.9629，由表6可知，实验模型极显著（P=0.0003<0.01），失拟项不显著（P= 0.0641>0.05），表明此模型与实际实验有良好的拟合性，自变量与响应值之间线性关系显著。由方差分析结果可见，3个因素对综合评分的影响顺序为L-Glu浓度>Ca2+浓度>培养时间，其中L-Glu浓度、Ca2+浓度二次方项和L-Glu浓度二次方项影响极显著，Ca2+浓度、培养时间、Ca2+浓度与L-Glu浓度交互作用项影响显著。

通过响应曲面的陡峭程度可以看出因素对响应值的影响，曲面越陡峭，影响越大;通过等高线的形状可以看出因素之间的交互作用，等高线为椭圆形，说明交互作用显著，反之，等高线为圆形，则交互作用不显著，如图13可知，以培养时间为中心零点，随着Ca2+浓度的增加，综合评分先上升后趋于平缓，随着L-Glu浓度的增加，综合评分先上升后趋于平缓，等高线密集且呈椭圆形，说明Ca2+浓度和L-Glu浓度的交互作用较强，与方差分析结果一致。

根据响应面优化得到最佳条件：Ca2+浓度为61.05 mmol/L、L-Glu浓度为20.42 mmol/L、培养时间为29.64 h，综合评分预测值为0.95。为方便实际生产应用，将上述工艺中的培养时间修正为30 h进行验证实验，发芽紫糙米的GABA含量为180.27 μg/g，花色苷含量为1233.88 μg/g，综合评分为0.95，与预测值相当，说明该模型有较好的预测效果。此时，发芽紫糙米的GABA含量、花色苷的保留率分别是未发芽紫糙米的20.49倍及87.75%，芽长为0.5～1.0 mm，发芽率为78.92%，无发酸、发臭等异味。糙米口感不佳的问题经发芽后得到明显改善，原因是发芽过程中皮层的纤维素酶、半纤维素酶活化，使得纤维素、半纤维素部分酶解[22]。

3  讨论

GABA由L-Glu经GAD 转化而来，Ca2+是GAD的重要激活剂，浸泡液中添加Ca2+、L-Glu来提高发芽糙米GABA的含量在发芽白糙米的研究中较多，但在发芽有色稻米中鲜见报道。本研究发现浸泡液中添加适宜浓度的Ca2+、L-Glu，的确有效提高了发芽紫糙米中GABA的含量，與周艳华等[23]和李娜[24]报道的结果一致。

目前有色稻米中以黑米的发芽工艺研究较多，有关紫米的尚未见报道。王艳等[25]研究发现，以纯净水为浸泡液，当培养时间为96 h时，发芽黑米的GABA含量达到最大，为171.10 μg/g，与本研究的发芽紫糙米含量相当，但培养时间过长。本研究的培养时间为30 h，其他报道发芽糙米培养时间通常为20～28 h[26]。

花色苷是有色稻米的特征性重要营养成分，而修茹燕[17]的研究表明发芽黑米花色苷保留率较低，仅为58.12%，究其原因可能来自三方面，首先由于花色苷为水溶性色素，易溶于水而损失，本研究采用的工艺是以紫米稻谷而非紫糙米为原料，因稻壳的隔离作用，使得在浸泡、培养过程中紫米中的花色苷不易溶于水而损失;其次，为了防止发芽过程中微生物发酵污染[27]，在浸泡工序前需先用次氯酸钠溶液[28]对糙米或稻谷进行10min的消毒处理，稻壳的隔离作用有利于防止花色苷被次氯酸钠氧化分解;第三，花色苷在酸性条件下稳定性高，浸泡液中因添加L-Glu而呈酸性，其渗入谷壳内有利于保护花色苷。因此采用本工艺制得的发芽糙米中花色苷保留率更高。

本工艺将紫米稻谷置于Ca2+浓度为61.05 mmol/L、L-Glu浓度为20.42 mmol/L的溶液中，30 ℃浸泡24 h，沥水后30 ℃培养30 h，不仅能有效提高发芽紫糙米中GABA的含量，维持花色苷的高保留率，还能改善糙米的口感，为生产优质发芽紫糙米提供了有益参考。

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责任编辑：崔丽虹