糙米提取物的制备工艺及其特性研究

张 敏，刘 明，谭 斌，*，刘艳香

（1.国家粮食局科学研究院，北京100037；2.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030）

糙米提取物的制备工艺及其特性研究

张 敏1，2，刘 明1，谭 斌1，*，刘艳香1

（1.国家粮食局科学研究院，北京100037；2.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150030）

以早籼稻糙米为对象，通过双螺杆挤压技术、生物酶水解技术等加工处理，研究其提取物的组成变化。研究结果表明，液化工艺料液比1∶9，酶解时间40min，α-淀粉酶添加量1.5%，可获得较高的产品提取率、还原糖含量与可溶性固形物含量。不同糖化酶处理，对于糙米提取产物的组成和残渣的结构存在较大差别。β-淀粉酶提取液产量较高，糖苷酶和木聚糖酶的可溶性固形物含量较高；而糖苷酶提取物具有较好的透明度，提取物中葡萄糖含量较高，达到39.09mg/mL，产物DE值高达58.6%。

糙米，提取物，挤压，酶解，糖分组成

我国是“稻米王国”，稻米产量居世界第一。长期以来我国稻谷资源的有效利用率不高[1]。糙米适口性差、含有抗营养因子等缺点，长期以来制约了糙米食品的研究开发。近年来，糙米的营养价值已逐渐被越来越多的人们重新认识。糙米属于全谷物，富含维生素、微量元素和膳食纤维等营养物质。20世纪80年代以来，发达国家对全谷物的营养与健康进行了大量的研究表明，全谷中除了膳食纤维的保健作用外，还包括抗氧化成分等生理活性物质，这些生理活性物质可能通过单个组分或相互结合或协同增效的作用来产生各种保健作用。大多数营养组分构成的“全谷物营养包”的协同增效作用比单个营养素更有利于人体健康。根据美国全谷物委员会的资料，通过美国与北欧的大的流行病学与群组研究表明增加全谷物的摄入可使中风危险降低30%～36%，II型糖尿病危险降低21%～30%，心脏疾病危险降低25%～28%，同时还有利于体重控制[2-6]。本研究以（早籼稻）糙米为对象，通过双螺杆挤压技术、生物酶水解技术等加工手段对糙米原料进行处理，研究其提取物的组成变化，为糙米提取物等新兴糙米食品配料的研究开发奠定基础，为我国低值早籼稻的增值利用及健康全谷物食品开发开辟一条新的途径。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

糙米原料 早籼稻常规品种，江西余干县产，出糙率76%，水分含量15.37%；α-淀粉酶（中温淀粉酶，3000～5000U/g，取自芽胞杆菌） 北京双旋微生物培养基制品厂；葡萄糖淀粉酶（糖苷酶，≥100000U/g）上海kayon公司；β-淀粉酶（≥50000U/g） 北京鸿润宝顺科技有限公司；木聚糖酶（≥10000U/g） 北京鸿润宝顺科技有限公司；乙腈、乙醇等色谱试剂 均为色谱纯，其余试剂均为分析纯。

电子分析天平 梅特勒托利多公司；电热恒温鼓风干燥箱 上海森信实验仪器有限公司；SX-4-10型高温马福炉 天津市泰斯特仪器有限公司；样品磨 天津泰斯特公司；SLG30-IV双螺杆挤压实验机 济南赛百诺科技开发有限公司；阿贝折光仪 上海易测仪器设备有限公司；CR400型色差计 日本美能达；Agilent1100高效液相色谱 美国Agilent公司；S-3000N扫描电子显微镜 日本日立公司。

1.2 实验方法

1.2.1 原料化学组分 水分、淀粉、粗蛋白、粗脂肪、灰分、直链淀粉含量按AACC（2000，10th ed.）44-19，76-13，32-10，46-11A，30-25，08-02，61-03测定[7]。

1.2.2 其他检测指标 可溶性固形物：采用阿贝折光仪测定；还原糖：采用DNS法测定；DE值：还原糖/干物质；色泽：采用L*a*b*值；残渣的显微结构：采用扫描电子显微镜观察。透明度的测定：将样品稀释20倍，在400nm处测定透光度。

1.2.3 低聚糖测定液相色谱条件 检测器：Agilent1100 series示差检测器；色谱柱：Carbohydrate High Performance 4μm，4.6μm×250mm，Cartridge WAT044355；柱温：30℃，检测器温度：30℃；流动相为乙腈∶水（体积比85∶15）；流速为0.5mL/min，进样量10μL。

1.2.4 原料处理

1.2.4.1 糙米挤出物 将原料糙米粉碎，过80目筛，调节物料水分含量为15.37%。在双螺杆挤压机上挤压改性，操作条件可选择为：物料含水量17%，四段挤压温度分别为60、80、110、150℃，螺杆转速280r/min。挤压样品粉碎后过80目筛。

1.2.4.2 糙米提取物的制备 取糙米挤出物50g，与一定比例水混合后，调节料液pH为6.2～6.4。加入α-淀粉酶，在60℃条件下液化一定时间后，添加1.5%的糖化酶，在60℃下糖化处理2h。糖化结束后，糖化液置于4500r/min离心机离心15min，获得糙米提取液（糖化液）和残渣。

2 结果与分析

2.1 糙米原料与挤出物的化学组成和显微结构变化

测定糙米原料和挤出物的基本化学组成结果见表1，由表1可见，经挤压处理后，糙米中的淀粉发生糊化。挤出物的淀粉糊化度达98%以上，从而有利于被α-淀粉酶分解，使淀粉链发生断裂形成低聚糖、极限糊精和麦芽糖等产物。挤压处理减少了蒸煮糊化工序，降低了生产能耗，提高了原料利用率[6]。糙米挤压处理后，水分大量散失，可溶性蛋白含量也显著降低，样品的淀粉含量（干基）减少，与其在挤压过程中淀粉的降解有关。

表1 原料和挤出物的化学组成（%）Table 1 Composition of raw materials and product（%）

淀粉在糙米中以颗粒的形式存在。在所有已知谷物中，大米淀粉颗粒最小，粒径约为3～8μm。图1是糙米、糙米粉和糙米挤出物的显微结构图。由图1可见，淀粉粒的形状呈不规则的多角形，且棱角显著，其间隙充填着蛋白质类的“框质”。完整的糙米经过粉碎后（过80目筛），部分淀粉颗粒被打散游离出来，形成空洞结构，这样的结构有利于酶的作用位点的暴露，为酶解创造条件[6]。经过挤压处理后，物料形成明显的束状结构，淀粉的颗粒结构消失。有关糙米粉与挤出物在酶解过程中的差异，有待进一步的研究。

图1 物料的显微结构图Fig.1 The microstructure of materials

2.2 液化工艺的确定

2.2.1 料液比对提取效果的影响 图2为采用中温淀粉酶（最适温度50～75℃，pH为5.5～7.5），挤出物与水以一定比例混合后，固定淀粉酶的添加量1.5%，液化时间30min，获得的液化液加入1.5%的糖苷酶糖化处理2h，考察不同料液比对提取效果的影响。由图2可知，随着水分的增加，提取过程中产品的出品率也有所增加，但相应糖化液的可溶性固形物、还原糖明显降低。比较还原糖含量和产品得率的变化，在料液比为1∶9时，可获得较好效果。相关研究表明，不是液化液的还原糖含量越高糖化效果越好，液化DE值处于15～20时，糖化效果最佳[7]。还原糖含量和可溶性固形物含量的变化存在一定偏差，说明酶解产物中，还原糖在固形物中所占的比例有所变化。测定的液化液和糖化液的颜色和透明度变化显示，随着料液比的增加，提取液的亮度变暗，绿色和黄色减弱，透明度增加。

图2 不同料液比对提取效果的影响Fig.2 Effect of different material liquid ratio on the extraction

2.2.2 液化酶添加量对提取效果的影响 图3为固定料液比为1∶9，淀粉酶的液化时间30min的条件下，考察不同液化酶添加量对提取效果的影响。由图3，随着淀粉酶的添加量增加，糙米提取物的提取率有所增加，产物中还原糖和可溶性固形物含量也有所变化。1.0%的添加量具有较高的还原糖含量和可溶性固形物及密度，而在提取率方面，1.5%和2.0%的添加量效果最好。综合考虑，选择淀粉酶的添加量为1.5%。

图3 不同液化酶添加量对提取效果的影响Fig.3 Effect of different liquefaction enzyme amount on the extraction

2.2.3 液化时间对提取效果的影响 图4为固定料液比为1∶9，淀粉酶的添加量1.5%的条件下，考察不同液化时间对提取效果的影响。由图4可知，随着液化时间的增加，样品的还原糖和可溶性固形物有所增加，而在液化40min时，提取液的提取率最高。因此工艺中选择液化时间为40min。

图4 不同液化时间对提取效果的影响Fig.4 Effect of different liquefaction time on the extraction

2.3 糖化工艺的研究

表2为使用糖苷酶、β-淀粉酶和木聚糖酶对糙米液化液进行糖化处理，相应酶解产物的特性和组成分析。不同糖化酶处理，对于糙米提取产物的组成和残渣的结构存在较大差别。β-淀粉酶提取液产量较高达到440mL，糖苷酶和木聚糖酶的可溶性固形物含量较高，均为9.76%；而糖苷酶处理的提取物具有较高的透明度（0.813）。感官分析表明，糖苷酶提取液呈黄色透明状，放置一段时间后，有粒状絮凝物悬浮，混匀后，絮凝物消失，可能与含有的可溶性含氮物有关；β-淀粉酶提取液呈黄白色，放置后均匀性较好；木聚糖酶提取液呈淡黄色，放置后底部有一层胶状物存在，经分析是一些低聚糊精类物质。

表2 不同糖化酶解提取物的特性Table 2 Extract characteristic of different glucoamylase enzymatic hydrolysis

稻米糖分中的单糖主要是葡萄糖和果糖，二糖、三糖为蔗糖、棉籽糖和麦芽糖。糙米中的总糖含量为0.83%～1.86%，其中0.9%～1.3%为还原糖[1]。图5为糖分混合标准品HPLC图谱。标样中以出峰时间先后分别为：鼠李糖、木糖、阿拉伯糖、果糖、甘露糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖和麦芽三糖。

图5 糖分混合标准品HPLC图谱Fig.5 Sugar mixed standard HPLC chart

2.4 糙米提取物中糖分组成

表3为样品中糖分组成。由表3，糙米挤出物经过α-淀粉酶处理，随机切断α-1，4葡苷键和少量α-1，6糖苷键，使液化液中麦芽糖和麦芽三糖提高了近10倍；糖苷酶是以切断α-1，4葡苷键获得单葡萄糖为主，因此糖苷酶解提取物中葡萄糖含量较高，达到39.09mg/mL，而麦芽三糖、麦芽糖、蔗糖和其他单糖的含量都很低，产物DE值为58.6%；β-淀粉酶是从非还原末端水解1，4糖苷键生成麦芽糖，因此β-淀粉酶解提取物以麦芽糖为主，麦芽糖含量达到54.90mg/mL，另外产物中含有的麦芽三糖和蔗糖的含量分别为4.46mg/mL和1.07mg/mL，产品的DE值仅为30.3%；木聚糖酶以内切β-1，4木糖苷键和少量β-1，3糖苷键为主，最终的分解产物是低聚木糖和少量木糖，本研究没有检测低聚木糖，但检测的木糖含量无显著提高，木聚糖酶解提取物中，麦芽糖和麦芽三糖含量较高，分别为39.36mg/mL和12.24mg/mL，而蔗糖和葡萄糖及其他单糖含量均低于1mg/mL，产品的DE值为33.50%。

表3 样品中糖分组成（mg/mL）Table 3 Sugar composition in samples（mg/mL）

图6 糙米酶解残渣的显微结构图（×2500）Fig.6 Microscopic structure diagram of brown rice enzyme hydrolysis residue（×2500）

图6是糙米糖化酶解后经离心获得的残渣显微结构图。由图6可见，不同的糖化酶处理，物料残渣的显微结构明显不同。经糖苷酶处理的样品，物料呈现不连续的碎片；由β-淀粉酶处理的样品以镂空的骨架结构为主；而由木聚糖酶酶解的样品，则呈现较致密的结构，表面形成一些小团块。

3 结论与讨论

通过以上各实验结果，结合不同指标的变化规律，在以糙米挤出物为原料的酶解提取工艺的研究中，得到以下结论。

糙米提取物制备的液化工艺条件为：料液比1∶9，酶解时间40min，α-淀粉酶的添加量为1.5%，在此条件下可以得到较高的糙米提取物产品提取率、还原糖含量和可溶性固形物的含量。

不同糖化酶处理，对于糙米提取产物的组成和残渣的结构存在较大差别。β-淀粉酶提取液产量较高，达到440mL，糖苷酶和木聚糖酶的可溶性固形物含量较高，均为9.76%；而糖苷酶处理的提取物透明度为0.813。

糙米挤出物经过α-淀粉酶处理，液化液中麦芽糖和麦芽三糖提高了近10倍；糖苷酶酶解提取物中葡萄糖含量较高，达到39.09mg/mL，产物DE值为58.6%；β-淀粉酶酶解提取物以麦芽糖为主，麦芽糖含量达到54.90mg/mL，产品的DE值仅为30.3%；木聚糖酶酶解产物中木糖含量无显著提高，麦芽糖和麦芽三糖含量较高，分别为39.36mg/mL和12.24mg/mL，产品的DE值为33.50%。

根据相关实验研究，如使用复合糖化酶，并结合蛋白酶和纤维素酶等共同处理，将极大的提高提取液的可溶性固形物含量和原料的利用率。这部分研究有待进一步开展。对于糙米提取物，根据不同的应用领域，采用不同的糖化酶进行处理，从而获得具有不同糖分组成和可溶性固形物的多种产品，使其作为饮料、乳制品的主料以及主食品和副食品的配料等，从而扩大糙米的应用领域，增加糙米食品的种类[8]。

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Study on the preparation and characteristics of brown rice extracts

ZHANG Min1，2，LIU Ming1，TAN Bin1，*，LIU Yan-xiang1
（1.Academy of State Administration of Grain，Beijing 100037，China；2.College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

The composition changes of extracted hydrolysates of early long-grain nonglutinous brown rice treated by twin-screw extrusion and bio-enzymatic hydrolysis were systematically investigated.The results indicated that the extraction rate，reducing sugar and soluble solid content were enhanced at the optimal conditions which the material to liquid ratio 1∶9 during liquefaction，40min hydrolysis time，1.5% α-amylase. Brown rice extract compositions and structure of residue varied greatly with different glucoamylase treatment. Yield of extract was high after the treatment with β-amylase.Hydrolysis with glucosidase and xylanase led to high content of soluble solids in the extracts.Extracts hydrolyzed by Glucosidase had the transparency of 39.09mg/mL，and DE value of 58.6%.

brown rice；extracts；extrusion；enzymatic hydrolysis；carbohydrate composition

TS210.1

B

1002-0306（2012）01-0302-04

2010－06－09 *通讯联系人

张敏（1972-），女，博士，教授，研究方向：粮油深加工。

国家公益性院所基本科研业务费专项课题（ZX0901）。