焙烤处理对发芽糙米生理活性物质 及抗氧化活性的影响

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(1.渤海大学食品科学与工程学院,生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心, 辽宁省食品安全重点实验室,辽宁省高等学校生鲜食品产业技术研究院,辽宁锦州 121013; 2.福建盼盼食品有限公司,福建晋江 362261; 3.辽宁省粮食科学研究所,辽宁沈阳 110032)

发芽糙米是将糙米置于一定温度、湿度下进行培养,使之萌发到一定长度,所得到的由幼芽和带糠层的胚乳组成的糙米制品[1]。糙米经发芽后,酶被激活,内含的化学成分发生变化,γ-氨基丁酸(GABA)、谷维素、肌醇等生理活性物质含量大大增加[2]。GABA是一种非蛋白质氨基酸,是由谷氨酸经谷氨酸脱羧酶催化生成的,是一种重要的抑制性神经递质[3]。肌醇六磷酸酯,又称植酸,是影响矿物质元素吸收的主要抗营养成分[4]。谷维素是阿魏酸与植物甾醇的结合酯类,主要存在于米糠油及其油脚中,米糠层中谷维素的含量为0.3%～0.5%,谷维素是一种强力抗氧化物,能降低胆固醇,对神经衰弱症患者也具有一定的调节作用[5]。

焙烤是一种利用辐射热能加工食品的方法。在辐射热的作用下,食品物料首先在其表面发生蛋白质凝固和淀粉糊化,然后随着热量进一步向内部传递,在食品内部,除了发生上述变化外,还会发生水分的汽化,以致内部膨胀而使表层丰满,并伴有表层的美拉德反应(酱色化)。焙烤可以改变谷物淀粉和蛋白质的形态、结构及功能性,降低蛋白质和碳水化合物含量[6-7],增加粗纤维和不溶性膳食纤维的含量[8-9],抗氧化能力有所提高。颜色和风味发生明显的变化,有研究表明这是因为焙烤后的谷物中产生了多种吡喃类和呋喃类杂环化合物[10]。发芽糙米经焙烤后,淀粉糊化,通过焙烤处理可以改善发芽糙米的加工与储藏品质。目前对焙烤发芽糙米多集中在焙烤工艺的优化[11]、焙烤米理化性质的研究[12]等方面,对生理活性物质和抗氧化活性方面的研究较少。

为了进一步开发发芽糙米产品,为焙烤类发芽糙米产品的开发提供一定的数据支撑,本研究对发芽糙米进行焙烤处理,研究不同焙烤温度和时间下发芽糙米生理活性物质γ-氨基丁酸、植酸、谷维素及抗氧化物质的变化规律,并对不同条件制备的发芽糙米的抗氧化活性进行研究,以期得到最大限度地保存发芽糙米中生理活性物质及抗氧化活性的焙烤条件。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

发芽糙米 由本溪寨香生态农业有限公司提供,物料含水量14%(湿基);γ-氨基丁酸标准品(≥99%)、没食子酸标准品、福林酚、(+)-儿茶素标准品 北京索莱宝科技有限公司;谷维素标准品 大连美仑生物技术有限公司;1,1-二苯基-2-苦肼基自由基(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl free radical,DPPH)、2,4,6-三(2-吡啶基)-1,3,5-三嗪(2,4,6-Tri-1,3,5-triazine,TPTZ)、2,2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐(2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid),ABTS) Sigma公司;重铬酸钾、乙酸、乙酸钠、邻苯二甲醛、磷酸二氢钾、钼酸钠、硫酸肼、氯化铁、四硼酸钠、氢氧化钠、无水乙醇、氯化铝、亚硝酸钠 国药集团化学试剂有限公司 均为分析纯;甲醇、乙腈 均为色谱纯。

YXE-6型乐创烤箱 佛山市顺德区韩泰电器有限公司;电热恒温水浴锅 北京市永光明医疗仪器有限公司;Agilent 1260 Infinity高效液相色谱仪 安捷伦科技(中国)有限公司;UV-2802型紫外可见分光光度计 尤尼柯(上海)仪器有限公司;TDL-5-A型离心机 上海安亭科学仪器厂;AR224CN型电子分析天平 奥豪斯仪器上海有限公司;SL-250A型高速多功能粉碎机 浙江省永康市松青五金厂;PHS-3CW pH计 上海般特仪器制造有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 焙烤工艺选择试验

1.2.1.1 焙烤温度对发芽糙米生理活性物质及抗氧化活性的影响 根据前期的预实验结果,将100 g发芽糙米置于烤箱中,选取焙烤温度分别为125、150、175 ℃,焙烤时间统一为25 min,将焙烤后的发芽糙米粉碎,过100目筛,测定焙烤后的发芽糙米粉的糊化度,确保达到熟制要求再进行试验,冷藏备用,用于以后生理活性物质与抗氧化活性的测定。

1.2.1.2 焙烤时间对发芽糙米生理活性物质及抗氧化活性的影响 另外,根据单因素试验结果,选定最佳焙烤温度。再分别设置焙烤时间15、20、25、30 min,将焙烤后的发芽糙米粉碎,过100目筛,测定焙烤后的发芽糙米粉的糊化度,确保达到熟制要求再进行试验,冷藏备用,用于以后生理活性物质与抗氧化活性的测定。

1.2.2 GABA含量的测定

1.2.2.1 标准曲线的绘制 准确称取质量浓度为20、40、60、80、100 μg/mL的GABA标准溶液各1 mL,加入1 mL邻苯二甲醛衍生试剂,混匀,衍生反应2 min后过滤,并进行HPLC测定峰面积。以GABA相应浓度为横坐标X1,以峰面积为纵坐标Y1,得到的标准曲线为Y1=22.888X1+25.29,R2=0.999。

1.2.2.2 样品溶液的制备 精确称取3 g过筛后的发芽糙米粉溶于50 mL 60%乙醇中,50 ℃水浴振荡1 h,以3000 r/min的速度离心15 min,将上清液过0.45 μm膜,备用。

1.2.2.3 色谱条件 参考程威威的方法并略作修改。

色谱柱Eclipse Plus C18(250 mm×4.6 mm×5 μm);流动相A:0.025 mol/L pH(5.90±0.05)的乙酸钠溶液;流动相B:纯乙腈;紫外检测器:发射波长332 nm;流速为0.5 mL/min;柱温:40 ℃;进样:10 μL;梯度洗脱程序表1所示:

1.2.3 植酸含量的测定 参考赵仁勇等[14]的方法,其中,以磷含量为横坐标X2,吸光度为纵坐标Y2,得到的标准曲线为Y2=4.0548X2-0.0032,R2=0.9998。

1.2.4 谷维素含量的测定 参考徐冉等[15]的方法,其中,以谷维素含量为横坐标X3,吸光度为纵坐标Y3,得到的标准曲线为Y3=0.513X3+0.0091,R2=0.9997。

1.2.5 抗氧化物质的测定

1.2.5.1 游离酚含量 游离酚测定参考Chandrasekara等[16]的方法。

1.2.5.2 结合酚含量 结合酚类化合物测定参考田志琴等[17]的方法。

1.2.5.3 多酚含量 多酚的测定采用福林酚法[18],以没食子酸为标准品,相应的浓度为横坐标X4,在760 nm处测定的吸光度为纵坐标Y4,得到的标准曲线为Y4=0.0864X4+0.0073,R2=0.9993,多酚释放量以mg没食子酸当量(mg GAE)/100 g干物质来表示。

1.2.5.4 总黄酮含量 总黄酮的测定采用氯化铝-亚硝酸钠比色法[19],以儿茶素为标准品,相应的浓度为横坐标X5,在510 nm处测定的吸光度为纵坐标Y5,得到的标准曲线为Y5=0.0458X5-0.0436,R2=0.9906,黄酮释放量用mg儿茶素当量(mg CE)/100 g干物质来表示。

1.2.6 抗氧化活性的测定

1.2.6.1 DPPH自由基清除率的测定 参考Brand-Williams等[20]的方法。

1.2.6.2 ABTS抗氧化能力的测定 参考Re等[21]的方法。

1.2.6.3 铁离子还原能力的测定 参考Benzie等[22]的方法。

1.2.6.4 氧化自由基吸收能力的测定 参考OU等[23]的方法,氧化自由基吸收能力(oxygen radical absorbance capacity,ORAC)值以μmol Trolox当量(Trolox equivalents,TE)/100 g干物质来表示。

1.3 统计分析

2 结果与讨论

2.1 不同焙烤温度对发芽糙米生理活性物质的影响

2.1.1 不同焙烤温度对发芽糙米中GABA含量的影响 由图1可以看出,发芽糙米样品经不同温度焙烤处理后,内含的GABA含量均显著降低(p<0.05),其中,150 ℃处理损失最少,发芽糙米的GABA损失率为10.07%,而175 ℃处理下GABA的损失最大,损失率为83.21%,这可能是由于蛋白质在长时间的高温状态下会发生变性,而且高温会加速GABA降解,所以GABA含量会显著下降[24],而150 ℃时GABA含量增加的原因有待进一步的研究探讨。

图1 焙烤温度对发芽糙米中GABA含量的影响Fig.1 Effects of baking temperatures on GABA content in germinated brown rice注:图中不同字母表示有显著性差异(p<0.05)；图2～图6同。

2.1.2 不同焙烤温度对发芽糙米中植酸含量的影响 由图2可以看出,原料发芽糙米中的植酸含量为129.32 mg/100 g。经焙烤后,植酸含量均有所下降,不同温度对植酸含量的影响的大小顺序依次为150 ℃>175 ℃>125 ℃,150 ℃时植酸降解率最大,为60.56%,造成这种现象的原因是,温度的逐渐升高为发芽糙米的植酸降解提供了能量,导致植酸的降解程度增大,植酸的含量下降;高温会使植酸分子的细胞膜破裂,改变了细胞的组织结构,植酸发生降解,但是随着温度的升高,达到175 ℃时,淀粉分子发生严重的糊化,逐渐增多的糊化淀粉基质会包裹住植酸分子,破坏植酸分子的进程受阻,所以植酸含量又呈现上升的趋势[25]。综上所述,150 ℃焙烤效果相对较优。

图2 焙烤温度对发芽糙米中植酸含量的影响Fig.2 Effects of baking temperatures on phytic acid content in germinated brown rice

2.1.3 不同焙烤温度对发芽糙米中谷维素含量的影响 由图3中可以看出,不同焙烤温度对发芽糙米中的谷维素含量变化均有一定影响,不同温度下谷维素的含量大小顺序依次为175 ℃>150 ℃>125 ℃,经不同温度焙烤后谷维素含量分别增加了22.08%、17.77%、4.62%。这可能是由于谷维素不溶于水,在加热条件下可溶于油脂中,热稳定性很高,且随着温度增高,焙烤的高温条件能够促进发芽糙米纤维分子间化学键的断裂,使淀粉结构疏松,释放出大量的谷维素,导致谷维素含量增加[26]。

图3 焙烤温度对发芽糙米中谷维素含量的影响Fig.3 Effects of baking temperatures on oryzanol content in germinated brown rice

综上所述,在150 ℃焙烤下,发芽糙米GABA损失最小,植酸降解程度最大,虽然175 ℃的发芽糙米中谷维素含量增加值大于150 ℃,但两者相差较小,故总体来看,150 ℃焙烤对活性物质的综合保留效果相对较好。

2.2 不同焙烤温度对发芽糙米中抗氧化物质含量的影响

由表2可知,经过焙烤后,发芽糙米中游离酚、结合酚和黄酮含量显著下降(p<0.05)。随着焙烤温度的提高,游离酚和黄酮的含量呈下降趋势,结合酚含量呈下降后上升再下降的趋势。125 ℃焙烤发芽糙米三种抗氧化物质的下降程度分别为23.99%、45.97%和26.92%,150 ℃焙烤发芽糙米下降程度为36.32%、14.53%和31.90%,175 ℃焙烤发芽糙米下降程度为53.25%、34.47%和48.74%。

表2 焙烤温度对发芽糙米抗氧化物质的影响Table 2 Effects of baking temperatures on antioxidant substances in germinated brown rice

2.3 不同焙烤温度对发芽糙米抗氧化活性的影响

由表3可知,发芽糙米的DPPH自由基清除率、ABTS清除率、FRAP值和ORAC值经过焙烤后均出现整体下降趋势。随着焙烤温度的增加,发芽糙米的抗氧化活性先下降后增高,抗氧化能力大小为原料>150 ℃>125 ℃>175 ℃。因此,在焙烤处理下,与其它温度相比150 ℃焙烤温度能更好地保留其抗氧化活性。

表3 焙烤温度对发芽糙米抗氧化活性的影响Table 3 Effect of baking temperatures on antioxidant activity of germinated brown rice

焙烤之后出现这种抗氧化活性下降的趋势的原因可能是,结合酚类起主要的抗氧化作用,在焙烤处理过程中,结合酚类被释放,转变为游离酚,抗氧化活性下降。一方面随着焙烤温度不断升高,淀粉糊化度也不断提高,在淀粉糊化过程中游离酚被淀粉包裹而免受破坏,最终以结合酚类的形式释放出来,会造成抗氧化活性的轻微升高,结合酚类与游离酚相比更不易被破坏,因为结合酚类以化学键的形式,与木质素和阿拉伯木聚糖等物质结合在一起,所以被破坏会需要更多的能量[27]。另一方面焙烤过程会发生美拉德反应,产生的黑精类物质的支链氨基酸具有DPPH自由基清除能力,而且在反应过程中,如还原酮和哚环类化合物的中间产物也会对发芽糙米的抗氧化活性有一定贡献[28]。

2.4 不同焙烤时间对发芽糙米生理活性物质的影响

2.4.1 不同焙烤时间对发芽糙米中GABA含量的影响 由图4可知,在焙烤温度为150 ℃下,随着焙烤时间的增加,发芽糙米中GABA含量整体呈下降趋势,其中,焙烤15 min时,降幅最少,相比原样仅降低了5.58%,差异不显著(p>0.05),烘烤20～30 min时,GABA含量显著降低(p<0.05),且焙烤30 min时,GABA含量下降幅度最大,降低了17.03%。因此,相比其他烘烤时间,焙烤15 min能较好地保持发芽糙米中的GABA含量。

图4 焙烤时间对发芽糙米中GABA含量的影响Fig.4 Effects of baking time on GABA content in germinated brown rice

2.4.2 不同焙烤时间对发芽糙米中植酸含量的影响 由图5可以看出,在焙烤温度为150 ℃时,各焙烤时间下发芽糙米中植酸含量相比原样均显著降低(p<0.05),且随着焙烤时间的增加,植酸含量下降更加明显,其中,焙烤15 min和20 min植酸含量差异不显著(p>0.05),焙烤30 min时显著低于15、20、25 min,焙烤15、20、25、30 min发芽糙米中植酸的降解率分别为43.53%、48.20%、52.85%和57.46%。

图5 焙烤时间对发芽糙米中植酸含量的影响Fig.5 Effects of baking time on phytic acid content in germinated brown rice

2.4.3 不同焙烤时间对发芽糙米中谷维素含量的影响 由图6可知,在焙烤温度为150 ℃时,各焙烤时间下发芽糙米中谷维素含量均显著增加(p<0.05)。焙烤15 min时,谷维素含量增加最多,相比原样增加了21.54%。因此,相比其他焙烤时间,焙烤15 min时谷维素含量最高。

图6 焙烤时间对发芽糙米中谷维素含量的影响Fig.6 Effects of baking time on oryzanol content in germinated brown rice

2.5 不同焙烤时间对发芽糙米中抗氧化物质含量的影响

由表4可知,不同焙烤时间对发芽糙米中游离酚、结合酚和黄酮含量的影响显著(p<0.05),结合酚和黄酮的含量随着焙烤温度的增加而下降,游离酚酚含量呈下降后上升再下降的趋势。焙烤15 min发芽糙米三种抗氧化物质的下降程度分别为16.77%、18.54%和20.30%,焙烤20 min发芽糙米下降程度为41.87%、39.30%和39.08%,焙烤25 min发芽糙米下降程度为34.29%、47.58%和55.28%,焙烤30 min发芽糙米下降程度为51.47%、63.68%和59.12%。因此,相比其他焙烤时间,焙烤15 min时抗氧化物质含量下降程度最小。

表4 焙烤时间对发芽糙米抗氧化物质含量的影响Table 4 Effects of baking time on the content of antioxidant substances in germinated brown rice

2.6 不同焙烤时间对发芽糙米抗氧化活性的影响

由表5可以看出,发芽糙米的DPPH自由基清除率、ABTS清除率、FRAP值和ORAC值经过焙烤后均出现整体下降趋势,说明随着焙烤时间的增加,发芽糙米的抗氧化活性均呈现下降趋势,抗氧化能力的大小为原料>15 min>20 min>25 min>30 min。因此,在焙烤处理下,150 ℃焙烤15 min能更好地保留其抗氧化活性。

表5 焙烤时间对发芽糙米抗氧化活性的影响Table 5 Effect of baking time on antioxidant activity of germinated brown rice

2.7 焙烤发芽糙米抗氧化物质与抗氧化活性的相关性分析

发芽糙米经过焙烤处理后,其游离酚、结合酚和黄酮与抗氧化活性之间的相关性分析如表6所示。游离酚和DPPH自由基清除率(r=0.805,p<0.01)、ABTS清除率(r=0.749,p<0.01)、FRAP值(r=0.724,p<0.01)和ORAC值(r=0.812,p<0.01)之间具有极显著的相关性;结合酚和DPPH自由基清除率(r=0.616,p<0.01)、ABTS清除率(r=0.548,p<0.01)和ORAC值(r=0.831,p<0.01)之间具有极显著相关性,与FRAP值之间具有显著相关性(rFRAP=0.412,p<0.05);黄酮和DPPH自由基清除率(r=0.712,p<0.01)、ABTS清除率(r=0.645,p<0.01)、FRAP值(r=0.577,p<0.01)和ORAC值(r=0.886,p<0.01)之间具有极显著的相关性。

表6 焙烤发芽糙米抗氧化物质 与抗氧化活性之间的相关性分析Table 6 Correlation analysis between antioxidant substances and antioxidant activity of baking germinated brown rice

3 结论

以发芽糙米为原料,研究不同焙烤温度与时间对发芽糙米中生理活性物质及抗氧化活性的影响,结果表明:在125、150、175 ℃三种焙烤温度下,150 ℃焙烤后的发芽糙米GABA损失率最小,植酸降解率与谷维素增加量较大;抗氧化物质与抗氧化活性下降较小;焙烤15 min时,发芽糙米中GABA损失了5.58%,植酸降解率为43.53%,谷维素含量增加了21.54%;游离酚、结合酚和黄酮的下降程度分别为16.77%、18.54%和20.30%;在抗氧化活性方面,DPPH自由基清除率、ABTS清除率、FRAP值和ORAC值分别下降了14.77%、13.60%、9.10%和19.86%。因此,150 ℃焙烤15 min能最大限度地保持发芽糙米生理活性物质和抗氧化活性。