儲藏過程中稻谷β-胡蘿卜素含量及色度變化

王 琰 顧佳緣 楊 恒 胡慧敏 陳銀基

(南京財經大學食品科學與工程學院；江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心，南京 210023)

稻谷作為我國居民日常生活中的主糧之一，不僅可為人體提供大量的碳水化合物以及少量蛋白質、脂肪，還能提供類胡蘿卜素等眾多微量元素。類胡蘿卜素包括α、β、γ、δ、ε等5種，其中β-胡蘿卜素活性最好，是人體維生素A的合成前體[1-2]。β-胡蘿卜素是一種橘黃色脂溶性化合物，具有重要的生理功能及生物學效應。β-胡蘿卜素具有猝滅自由基等抗氧化功能[3-4]。此外，其在抑制癌細胞生長、免疫反應調節、肝臟保護、調控細胞分化及生長、預防治療血管疾病等方面具有重要作用[1,5-7]。研究發現，β-胡蘿卜素是視黃酸生成的關鍵前體物質，是體內脂肪儲備重要的膳食調節劑[8]。β-胡蘿卜素還是良好的營養強化劑、穩定劑和著色劑定性[9]。同時，由于降解方式、雙鍵斷裂位點的差異，可以生成多種降解產物，在生物體內起著重要作用，如植物激素、香氣物質、類維生素A等[10-12]。雖然與果蔬相比，稻谷中的類胡蘿卜素含量相對較低，但谷物作為部分特定區域(如東南亞、南亞)居民攝取營養的主要來源，對人體的營養狀況有重要影響[13]。

β-胡蘿卜素中存在多個共軛雙鍵。由于其共軛雙鍵的不穩定性，谷物中β-胡蘿卜素在儲藏過程中易受光、熱等因素的影響，造成其氧化降解和和異構化。為了增加稻谷中β-胡蘿卜素含量，學者們進行大量研究和實驗。Potrykus等[14]利用通過農桿菌轉化，將β-胡蘿卜素生物合成整個途徑引入水稻胚乳中，以調控β-胡蘿卜素生物合成，得到“黃金大米”。其β-胡蘿卜素大量富集在胚乳中，含量是普通大米的23倍[15]。黃金大米能提高β-胡蘿卜素的生物利用度，改善食用者體內維生素A的水平，并可以有效地緩解特定人群營養缺乏癥(主要是維生素A缺乏癥)。目前，澳大利亞、新西蘭等國家已批準黃金大米在食品中的應用。

眾多的研究將關注焦點集中在增加稻谷中β-胡蘿卜素含量上，而對于稻谷在儲藏中的β-胡蘿卜素損失研究關注較少。本實驗基于儲藏過程中溫濕度動態條件，研究稻谷β-胡蘿卜素的含量及稻谷表面顏色的變化規律，為稻谷的科學合理儲藏提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與儀器

稻谷：華粳5號，采自安徽宿州。

石油醚(沸程60～90 ℃，AR)；無水硫酸鈉(AR)；β-胡蘿卜素標準品；三氯甲烷(AR)；甲醇(HPLC)；二氯甲烷(HPLC)。

GL-21M離心機；N-1100D-WD旋轉蒸發儀；高速萬能粉碎機；BLH-3250實驗礱谷機；SB25-12DTDN超聲波清洗機；PQX-300D人工氣候箱；CM-5色差儀；Dionex Ultimate 3000高效液相色譜儀。

1.2 方法

1.2.1 儲藏方法

實驗在南京財經大學糧食儲運國家工程實驗室進行。采用模擬糧庫儲藏，分為3種類型：低溫動態L組(配置制冷空調的低溫糧庫，可控溫控濕)、中溫動態M組(通風條件較好的普通糧庫)、高溫動態H組(南方小型糧庫，溫濕條件較差)。根據2017—2018年期間測定的3種糧庫第1年10月到次年2月的各個月的實際溫濕度，設定模擬儲藏的溫濕度條件，如表1所示。在智能人工氣候箱中設置好所需的動靜態溫濕度數據。取初始含水量15%的稻谷，通過水分調節，分別獲得15%、17%、19%、21%的稻谷，置于塑封袋中模擬儲藏150 d，每30 d隨機取適量稻谷測定1次β-胡蘿卜素含量和色度值。

表1 動態儲藏條件構建

1.2.2 β-胡蘿卜素色譜法測定

波長的確定：β-胡蘿卜素標準品用少量氯仿溶解，石油醚定容，利用紫外分光光度計在200～700 nm范圍內掃描其吸收光譜，找出其最大吸收峰，此時波長為450 nm。在此波長下檢測稻谷中的β-胡蘿卜素以保證具有較高的靈敏度和準確性。

色譜條件： 色譜柱：AcclaimTM C18(250×4.6 mm，5 μm)；流動相∶甲醇∶二氯甲烷=70∶30；檢測波長為450 nm；進樣量20 μL；流速0.8 mL/min；溫度30 ℃；時間30 min。

取適量稻谷樣品，于礱谷機中脫殼2～3次，將脫殼后的糙米放入粉碎機內打碎，過80目篩備用。

精確稱取糙米粉2.000 g，蒸餾水浸泡去除碳水化合物等水溶性成分，過濾，加10 mL石油醚溶解，封口，于波清洗機中，250 W超聲提取20 min，離心機4 ℃，8 000 r/min，離心10 min，取上清液，重復3次，合并清液于50 mL離心管中，過無水硫酸鈉脫水，旋轉蒸發儀上35 ℃蒸至近干。用3 mL石油醚將β-胡蘿卜素洗下，倒入10 mL離心管內，定容至5 mL，混勻。經0.45 μm濾膜過濾，棄出初始約1 mL濾液，收集至進樣瓶中備用。以上操作均在避光環境中進行[16]。

1.2.3 表面顏色測定

取適量稻谷樣品，利用CM-5色差儀測定稻谷色度相關參數：L(明度)、a(紅綠色相)、b(黃藍色相)。每份樣品重復檢測5次，每次測定后旋轉色差皿45°，結果取平均值。

1.3 統計分析

利用Excel和SPSS19.0軟件進行數據處理及統計分析，采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)分析各指標的差異顯著性，并采用LSD法進行多重比較，各指標相關性采用Person相關性分析。利用Graphpad Prism7.0軟件進行處理制圖。

2 結果與分析

2.1 稻谷儲藏過程中β-胡蘿卜素含量變化

無光照條件下，按1.2.1所構建的動態溫濕度儲藏條件，對含水量為15%、17%、19%、21%的稻谷進行為期150 d的儲藏實驗，結果見圖1。隨著儲藏時間的延長，β-胡蘿卜素的含量不斷降低。前30 d，β-胡蘿卜素變化較小。同一溫度下，不同水分含量下，隨著儲藏時間的延長，稻谷中的β-胡蘿卜素含量的減少幅度不同。在相同儲藏時間內，隨著水分的升高，β-胡蘿卜素的減少量降低。從圖1中還可以發現，對于同一批次的稻谷來說，相同儲藏時間內，不同儲藏溫度下，稻谷中β-胡蘿卜素含量均呈現下降趨勢不同。這是由于溫度變化造成β-胡蘿卜素的降解速率變化。這可能是因為β-胡蘿卜素含共軛雙鍵，在儲藏期間，這種不飽和雙鍵與O2作用，發生緩慢的氧化反應，然后再進一步發生分解反應，而溫度的升高，影響β-胡蘿卜素降解所需酶的活性，從而促進這種氧化降解反應，導致稻谷儲藏期間β-胡蘿卜素含量大幅度降低。

圖1 不同水分稻谷儲藏期間β-胡蘿卜素含量變化

對3個動態溫濕度和水分含量進行分析可知，儲藏溫度、水分含量都對稻谷β-胡蘿卜素含量有極顯著的影響(P<0.01)。稻谷儲藏期間，儲藏溫度不同，β-胡蘿卜素的損失程度差別較大。高溫度儲藏，促進了β-胡蘿卜素氧化降解為一些相對分子質量較小的物質；水對這些β-胡蘿卜素具有保護作用，高的水分可以降低β-胡蘿卜素的降解速率。由此可知，稻谷儲藏時應采用低溫儲藏并控制好含水量，以降低β-胡蘿卜素的降解速率，減少β-胡蘿卜素的損失。

2.2 稻谷儲藏過程中表面顏色變化

在動態儲藏期間，取不同含水量的稻谷，測定其色度相關參數：L(明度)、a(紅綠色相)、b(黃藍色相)，結果如表2所示。

150 d的模擬儲藏過程中，L值不斷減小，稻谷表面顏色慢慢變暗，稻谷品質發生變化。稻谷水分含量相同，不同溫度下的L值變化較小，且隨著溫度增大，L值變化量逐漸變大；在同一溫度下，水分含量不同，L值變化顯著，水分含量越低，ΔL值越小(表2)。通過對溫度和水分含量進行顯著性分析可知，溫度對稻谷色度L值影響顯著(P<0.05),初始水分含量對稻谷色度L值影響極顯著(P<0.01)。

稻谷儲藏期間，隨時間的延長，a值逐漸增大，稻谷表面逐漸偏紅色，稻谷品質發生劣變。L組中，初始含水量為15%、17%、19%、21%的稻谷a值分別增加了0.47、0.46、0.63、0.85，水分越高，a值變化越大。溫度對稻谷色度a值影響極顯著(P<0.01),初始水分含量對稻谷色度a值影響不大(P>0.05)。

b值隨著儲藏時間的延長而不斷增大且變化較明顯，稻谷表面逐漸變黃，稻谷品質發生了劣變。在相同溫度條件下，稻谷的初始水分含量越高，Δb越高。3個模擬儲藏組中，經150 d儲藏后，21%的稻谷b值變化尤為顯著。溫度對對稻谷色度b值影響不大(P>0.05),初始水分含量對稻谷色度b值影響極顯著(P<0.01)。

2.3 相關性分析

稻谷各指標間相關性分析見表3。L值與儲藏溫度顯著負相關(r=-0.235，P<0.05)，說明隨著儲藏期間溫度的增高，L值逐漸降低。a值與儲藏溫度極顯著正相關(r=0.520，P<0.01)，說明溫度升高，a值增大，稻谷表面逐漸偏紅。L值與稻谷中β-胡蘿卜素含量顯著正相關(r=0.236，P<0.05)，隨著β-胡蘿卜素含量的減少，L值不斷降低，稻谷表面逐漸變暗。a值與β-胡蘿卜素含量極顯著負相關(r=-0.517，P<0.01), 即β-胡蘿卜素含量降低，稻谷色度a值增加，稻谷表面偏紅。b值與β-胡蘿卜素含量顯著負相關(r=-0.258，P<0.05), β-胡蘿卜素含量降低，稻谷色度b值增加，稻谷表面逐漸發黃。β-胡蘿卜素含量與色度的3個指標之間存在顯著的相關性，說明β-胡蘿卜素含量的變化可以一定程度上反映稻谷表面顏色的變化。

表2 儲藏期間不同水分含量稻谷的色度值變化

注：同一指標內同行小寫字母不同表示同一組別不同儲藏時間的差異性顯著(P<0.05)；同一指標內同列大寫字母不同表示同一組別不同水分含量間差異性顯著(P<0.05)。

表3 儲藏過程中稻谷各指標間的相關性

注：*表示P<0.05，顯著相關；**表示P<0.01，極顯著相關。

3 討論

收獲后的稻谷在儲藏期間，其外觀、風味、營養成分等會發生各種變化。儲藏溫度及水分含量對其產生重要影響。隨著隨時間延長，β-胡蘿卜素含量降低，這是因為其受到溫度、水分、霉菌等的影響，發生了降解。有研究報道，高水分能夠穩定稻谷中的β-胡蘿卜素，而低水分會促使β-胡蘿卜素降解[17]。Mibei等[18]通過研究發現，受干旱脅迫條件下，作物中的β-胡蘿卜素含量顯著下降。Aurélie等[19]研究證實，β-胡蘿卜素的降解與水分及氧含量相關。本實驗中，含水量21%的稻谷β-胡蘿卜素含量明顯高于水分含量15%、17%、19%的稻谷，與其研究結果相似。Tantratian等[20]研究發現，與其他樣品儲存條件相比，冷藏儲存中的β-胡蘿卜素和總類胡蘿卜素含量顯著更高； Przybysz等[21]研究也發現，在儲存期間β-胡蘿卜素的降解遵循一級動力學，在所研究的影響因素中，溫度和時間對β-胡蘿卜素降解的影響最為嚴重。這與本研究結果一致。模擬儲藏中H組，稻谷β-胡蘿卜素流失顯著增多，有報道稱這是因為在溫度與初始水分含量的雙重作用下，氧化反應和酶及非酶作用會促進降解酶與色素的接觸，引起儲藏和加工中葉黃素、β-胡蘿卜素等類胡蘿卜素的損失，同時引起品質劣化[22]。

自然條件下，反式β-胡蘿卜素在β-胡蘿卜素中占據主要地位。但由于其存在多個共軛雙鍵，導致其易受到光、熱、氧等因素的影響，引起自身的氧化降解和和異構化。研究發現，富含β-胡蘿卜素的食物經熱處理后，由于全反式β-胡蘿卜素熱異構化為順式異構體，導致食物中反式β-胡蘿卜素的含量減少，順式異構體的含量增加；其中，β-胡蘿卜素的主要順式異構體是15-15'-二順式-β-胡蘿卜素、13-順式-β-胡蘿卜素和9-順式-β-胡蘿卜素，其中13-順式-β-胡蘿卜素的含量最多[23-24]。在低溫條件下，順式異構體中，13-和15-15′-二順式-β-胡蘿卜素占據優勢，而9-順式-β-胡蘿卜素在更高溫度條件下形成[25]。β-胡蘿卜素降解方式主要分為物理降解、化學降解、生物降解，稻谷加工儲藏期間的β-胡蘿卜素降解是一種自氧化熱降解現象[26]。在類胡蘿卜素熱降解的研究中，一般是通過人為施加高溫來得到降解產物，反映類胡蘿卜素熱降過程，如β-胡蘿卜素在97 ℃下加熱3 h得到其降解路徑[12]，但自然條件下，溫度一般最高在30 ℃左右。儲藏期間，隨著時間的延長、溫度和水分含量的影響，稻谷中β-胡蘿卜素發生氧化降解，導致β-胡蘿卜素含量不斷減少，此種溫和的自氧化降解稱之為中低溫降解，其降解速率緩慢，耗時長[12]。在本模擬儲藏實驗中，最初30 d內，受溫度、水分含量影響較小，β-胡蘿卜素含量變化不大，最高僅為0.087 8 μg/g，30 d后，在含水量和溫度的雙重作用下，β-胡蘿卜素氧化降解速率慢慢加快，使得稻谷中其含量不斷降低，儲藏150 d后，β-胡蘿卜素變化量最高為0.373 98 μg/g，由此可以得出，儲藏期間β-胡蘿卜素的降解是一個長期而緩慢降解過程。在中低溫降解過程中，β-胡蘿卜素先是發生環氧化，其穩定結構遭到破壞，形成環氧化合物，從而導致碳鏈斷裂形成氧化產物，如β-胡蘿卜素-5,6-環氧化物、β-胡蘿卜素-5,8-環氧化物，然后多個位置的雙鍵斷裂進一步降解，根據斷裂位置不同，其主要產物有阿樸-胡蘿卜素如β-阿樸-13-胡蘿卜素，阿樸-胡蘿卜醛如阿樸-14’-胡蘿卜醛、阿樸-12’-胡蘿卜醛、阿樸-10’-胡蘿卜醛[14,27]。同時，阿樸-10’-胡蘿卜醛可能會繼續氧化斷裂生成類維生素A。因此在儲藏期間，要嚴格控制水分和溫度，以減少β-胡蘿卜素的流失。

稻谷儲存過程中，稻谷本身的初始水分含量及環境的溫濕度對稻谷色度產生顯著影響。儲藏期間，隨時間的延長，L值逐漸減小，a值和b值逐漸增大。這和Choi等[27]的研究結論一致。本研究中L值的減少、a值和b值的增加表明儲藏過程中稻谷的品質發生劣變。有研究表明，水分含量、儲藏溫度對稻谷呼吸作用具有重要影響，水分含量增大、溫度升高，導致稻谷的呼吸作用增強，增加了代謝廢物的積累，稻谷就更容易發生黃變[28]。同時，稻谷儲藏期間會受到真菌和霉菌等微生物的影響[29]，這些因素交叉作用引起稻谷品質發生劣變。因此，為了使稻谷不會發生黃變，保持良好的色度，儲藏期間應盡量控制好溫濕度和稻谷本身的水分含量。本研究通過品質相關性分析表明，β-胡蘿卜素含量的變化與稻谷色度的L值、a值、b值具有極顯著的相關性。這與Oli等[30]的研究結果相近，即稻谷顏色的變化可能與一些紅色或黃色的類胡蘿卜素相關。

4 結論

研究不同動態儲藏條件下不同初始水分的稻谷中β-胡蘿卜素含量及稻谷表面顏色的變化。結果表明，儲藏時的初始水分含量、溫濕度對稻谷儲藏中β-胡蘿卜素含量影響極顯著；隨著儲藏時間的延長，色度的L值和β-胡蘿卜素含量呈現降低趨勢，色度的a值和b值呈現顯著升高趨勢，稻谷品質劣變。稻谷色度L值與β-胡蘿卜素含量有顯著正相關；稻谷色度a值和b值與β-胡蘿卜素含量有顯著負相關。儲藏過程應嚴格控制稻谷的含水量、儲藏溫度和濕度，以減少稻谷β-胡蘿卜素的流失，防止稻谷品質劣變。