鮮食水稻水溶性膳食纖維理化性質和抗氧化活性研究

曲鵬宇，李丹，李志江，*，周義，張東杰，*

（1.黑龍江八一農墾大學食品學院，黑龍江大慶163319；2.黑龍江省農產品加工與質量安全重點實驗室，黑龍江大慶163319）

黑龍江省是我國水稻種植和加工最大地區之一，2017 年黑龍江地區水稻種植面積為4 987.5 萬畝，總產量達2 377.4 萬噸，是全國重要的商品糧生產加工基地[1]。目前，水稻主要產品形式為稻米，其加工過程中產生的副產物，如葉片、莖和殼等，大部分用作飼料或者初級食品加工原料，探索這些副產物的加工可以拓展水稻產品的市場。

張康逸等[2]認為鮮食全谷物可以最大程度保留谷物的營養和生物活性，如鮮食玉米是指乳熟期后收貨的玉米，具有較高的營養特性。周義等[3]則探討了鮮食水稻的定義，是指鮮嫩籽粒或取食乳熟期的新鮮果穗的水稻，因此，在乳熟期至蠟熟初期收獲的水稻可以定義為鮮食水稻。乳熟期的水稻灌漿后其營養物質逐漸積累，蠟熟期后籽粒內部開始成熟且籽粒逐步變硬，營養成分發生很大變化[4]。膳食纖維（dietary fiber）作為人類第七種營養素，可有效地提升膳食質量，對飲食結構改善有較好的促進作用。膳食纖維按照其水溶性特點不同，可以分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和水不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）兩大類，水溶性膳食纖維具有較好的抗氧化和降血脂等活性[5-7]。國內外對于可溶性膳食纖維研究較為廣泛，但還沒有鮮食水稻SDF 的研究報道，本文以黑龍江水稻綜合利用為研究目的，開展鮮食水稻SDF 功能機制研究，特別是其理化結構和抗氧化活性的深入研究，可為稻米產品新品種開發和水稻增值利用提供理論和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試劑

鮮食水稻龍粳31 號：黑龍江省鶴崗市蘿北名山農場；自由基測試試劑盒、抑制與產生超氧陰離子自由基測定試劑盒、總抗氧化能力（total-anti oxidant capacity，T-AOC）檢測試劑盒：南京建成生物工程研究所；1，1-二苯基-2-苦基肼自由基（DPPH）：Alfa Aesar 公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器設備

GDE-CSF 意大利VELP 膳食纖維測定儀：北京盈盛恒泰科技有限公司；TGL16B 型臺式離心機：上海安亭科學儀器廠；RE-2000A 型旋轉蒸發器：上海亞榮生化儀器廠；TU-1810 型紫外可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；YB-1000A 型高速多功能粉碎機：永康市速鋒工貿有限公司；實驗室FE20 pH 計：梅特勒-托利多儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 鮮食水稻SDF 提取與各指標含量的測定

分別采集乳熟期（前、中、后）、蠟熟期和完熟期共計5 個水稻樣品，對鮮食水稻5 個時期的葉片、莖稈、殼、籽粒進行預處理，具體步驟參考黃萍提取米糠SDF方法[8]。蛋白質含量測定采用凱氏定氮法（GB/T5009.5-2016《食品安全國家標準食品中蛋白質的測定》），脂肪含量的測定采用索氏抽提法（GB/T5009.6-2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》），膳食纖維含量的測定采用酶重量法（GB/T5009.88-2014《食品安全國家標準食品中膳食纖維的測定》），水分含量的測定重量法（GB/T5009.3-2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》），灰分的測定灼燒法（GB/T5009.4-2016《食品安全國家標準食品中灰分的測定》）。

1.3.2 鮮食水稻SDF 理化特性測定

1.3.2.1 持水力測定

精確稱取1.0 g 鮮食水稻SDF 樣品，置于50 mL離心管中，向離心管中加入20 mL 的去離子水，振蕩混合后放在4 ℃條件下24 h，將樣品于4 200 r/min 離心處理 15 min 后稱重[9]。

1.3.2.2 持油力測定

精確稱取1.0 g 鮮食水稻SDF 樣品，置于50 mL離心管中，向離心管中加入10 mL 大豆油，振蕩混合后放在4 ℃條件下24 h，將樣品于4 200 r/min 離心處理15 min 后稱重。

1.3.2.3 膨脹力測定

精確稱取0.2 g 鮮食水稻SDF 樣品，置于帶刻度的試管中，加入5 mL 的蒸餾水，振蕩混合后放在4 ℃條件下18 h，準確記錄溶脹后吸收的體積。

1.3.2.4 結合水力測定

精確稱取0.1 g 鮮食水稻SDF 樣品，浸泡于25 mL的蒸餾水中，離心機離心1 h，轉速為4 000 r/min，去除上清液。將殘留物在G-2 砂芯坩堝中靜置1 h，稱取該殘留物質m1，之后將殘留物放置120 ℃下干燥2 h 后再次稱量m2，兩者差值即為所結合水的質量[10]。

1.3.2.5 陽離子交換能力

精確稱取300.0 mg 鮮食水稻SDF 樣品，溶解于30 mL、0.01 mol/L 的鹽酸中，4 ℃條件下過夜，用0.1 mol/L NaOH 溶液滴定，記錄消耗的堿液體積和pH值變化，以不加樣品的30 mL 0.01 mol/LHCl 溶液為空白對照[11]。

1.3.2.6 紅外光譜分析

精確稱取干燥的鮮食水稻SDF 樣品，利用傅里葉變換紅外光譜儀進行紅外區掃描，測定紅外光譜曲線[12]。

1.3.3 抗氧化活性的測定

準確稱取DPPH 0.002 6 g，用無水甲醇稀釋，測吸光度使其在517 nm 處吸光度為0.600±0.02，作為對照。測定時，參照Sun T 等[13]方法進行，混勻后進行避光孵育30 min 后測定吸光度，計算其DPPH 清除率；羥自由基清除能力、抗超氧陰離子自由基和總抗氧化能力（T-AOC）測定，均按照試劑盒說明書進行操作。

1.4 數據處理

所有試驗均重復3 次，數據處理主要采用SPSS 20軟件對數據進行顯著性分析、GraphPad Prism 5 和Photoshop 等軟件進行制圖。

2 結果與分析

2.1 鮮食水稻成熟過程中水溶性膳食纖維含量測定結果

水稻從乳熟前期至成熟期過程中，葉片、莖、殼和籽粒部位的SDF 含量測定可以為鮮食水稻膳食纖維的營養和應用提供數據基礎。鮮食水稻在各部位的SDF 測定結果如表1 所示。

表1 鮮食水稻不同時期不同部分SDF 含量測定結果Table 1 Results of SDF contents of fresh rice in different sections at various stages

乳熟中期的鮮食水稻莖、葉、殼、籽粒中的SDF 含量均顯著高于相同部位的其他各成熟時期（p＜0.05），隨著生長時間的延長則SDF 含量逐漸降低。其中，莖中SDF 含量最高為3.40%，成熟期籽粒最低為0.50%；乳熟前期至中期，水稻處于旺盛的生長時期，水溶性膳食纖維結構松散含量逐漸增加，而從乳熟后期開始則干物質逐漸累積，松散的SDF 逐漸聚合成大分子物質，導致含量開始下降。總體上，莖、葉片和殼中SDF含量均高于籽粒。本研究首次報道了水稻成熟過程中的SDF 累積變化規律，可從乳熟中期選擇不同部位提取SDF 進行研究和應用，尤其是乳熟中期葉片、莖和殼中SDF 的深入研究，可在利用籽粒的同時，拓展水稻加工副產物部位進行深加工應用。

2.2 鮮食水稻SDF理化性質測定結果

對鮮食水稻不同部位的SDF 進行持水力、持油力、結合水力和膨脹力等理化特性指標測定，如圖1所示。

鮮食水稻乳熟中期和成熟期SDF 主要表現為持水力和結合水力較強。成熟期殼中的SDF 持水力最強為3.54 g/g，成熟期莖中的SDF 持油力能力較強為1.98 g/g，乳熟中期葉片中的SDF 結合水力最強為3.74 g/g 且高于籽粒0.66 g/g，成熟期莖中的SDF 膨脹力最強為2.28 mL/g。

圖1 鮮食水稻乳熟中期和成熟期理化性質Fig.1 Physical and chemical properties of fresh rice in mid-and mature-terms

與其他產品SDF 相比，乳熟期鮮食水稻莖、葉片、殼和籽粒的SDF 持油能力低于花粕和小麥麩皮[14-15]，但高于苦蕎麩皮和花生殼膳食纖維，與米糠SDF 相近[10，16]。因此，鮮食水稻SDF 具有良好的理化性質，可以為后續產品開發提供理論依據。例如，持水力強的膳食纖維進入人體腸道之后，會迅速的和腸道內所含有的水分結合，使反應后的膳食纖維充滿腸道而增強飽腹感，適于減肥人群食用[17-18]。

2.3 鮮食水稻SDF陽離子交換能力分析

膳食纖維中有很多特征性基團，例如羥基、羧基和氨基等，這些基團與人體腸胃內的鐵、鈣、銅、汞和鎘等二價金屬陽離子結合，表現出相應的陽離子離子交換能力，并通過緩沖體系提高了機體消化能力和清除重金屬能力，有利于機體健康[19-20]。鮮食水稻乳熟中期和成熟期陽離子交換能力見圖2。

由圖2 可知，乳熟中期和成熟期的鮮食水稻不同部位的SDF 均具有較強的陽離子交換能力，與文獻報道比較，圖中曲線的斜率越小表示陽離子交換能力越強[21]。乳熟中期和成熟期葉片中的SDF 陽離子交換能力最強，溶液滴定至終點所消耗NaOH 溶液的體積分別為30.92 mL 和26.62 mL。乳熟中期和成熟期的籽粒的陽離子交換較弱，溶液滴定至滴定終點所消耗的NaOH 溶液體積分別為23.70 mL 和24.20 mL。鮮食水稻SDF 這種較強的陽離子交換能力，對液體環境中pH 值的改變能起到一定稀釋緩沖的作用，具有較好的應用前景。

圖2 鮮食水稻乳熟中期和成熟期陽離子交換能力Fig.2 Cation exchange capacities fresh rice in medium-and mature-terms

2.4 鮮食水稻SDF紅外光譜分析

根據膳食纖維典型基團的紅外特征吸收峰可以進行基團鑒別，并通過吸收峰位移和吸收強度識別或推斷出其結構[22]。鮮食水稻SDF 的傅里葉紅外光譜圖見圖3。

圖3 鮮食水稻SDF 的傅里葉紅外光譜圖Fig.3 Fourier infrared spectrum of fresh rice SDF

如圖3 所示，鮮食水稻莖、葉、殼、籽粒在乳熟中期和成熟期主要吸收峰和化學鍵總體呈現相似趨勢。因鮮食水稻纖維素和半纖維分子中富含羥基基團，在3 423 cm-1處出現H 鍵締合鍵峰，在2 938 cm-1顯示糖環或支鏈上的C-H 峰，在1 636 cm-1處呈現木質素中苯環的特征吸收峰，1 081 cm-1～1 102 cm-1處為糖環CO-C 的C-O 伸縮振動吸收峰。鮮食水稻籽粒SDF 在1 652 cm-1處出現了酰胺I 帶的酰胺特征吸收峰，是木質素的特征吸收峰，在1 538 cm-1處呈現仲酰胺基的酰胺Ⅱ吸收帶，說明鮮食水稻籽粒中SDF 還含有少量蛋白質。殼中在1 659.61 cm-1處還出現了羧基-COOH 的特征峰，表明樣品中含有糖醛酸。619 cm-1處附近是糖分子中β-型的C-H 直立鍵的變角振動吸收峰[12-14]。因此，鮮食水稻乳熟中期和成熟期之間的各部位SDF 結構很相似，但吸收峰強度則存在一定的差異，可能因為SDF 含量差異和結合度不同所導致的[23]。

2.5 鮮食水稻SDF體外抗氧化能力分析

乳熟中期和成熟期鮮食水稻SDF 抗氧化能力見表2 和表3。

表2 乳熟中期鮮食水稻SDF 抗氧化能力Table 2 Antioxidant capacity of SDFs from fresh rice at mid-milk stage

表3 成熟期鮮食水稻SDF 抗氧化能力Table 3 Antioxidant capacity of SDFs from fresh rice at maturestage

2.5.1 鮮食水稻SDF 清除DPPH 自由基能力結果分析

DPPH 自由基的累積與抗衰老直接相關，可以通過食用水稻膳食纖維或將其添加到食品中，通過膳食纖維清除機體自由基和抗氧化效果調整機體功能[24]。如表2 和表3 可知，與菊糖比較，乳熟中期和成熟期鮮食水稻SDF 清除DPPH·顯著低于菊糖（p＜0.05）。乳熟中期的莖和葉片SDF 清除DPPH·能力最強，清除率分別為88.87 %和88.50 %，乳熟中期籽粒SDF 清除DPPH·能力最弱僅為59.09%。成熟期鮮食水稻各部分SDF 清除能力差異不大。與其它SDF 相比，鮮食水稻SDF 清除能力明顯高于花生殼和米糠膳食纖維[8，10]。

2.5.2 鮮食水稻SDF 清除羥自由基能力

羥自由基作用于體內蛋白質、核酸、脂類等生物分子，造成細胞結構和功能受損，進而導致體內代謝紊亂引起疾病，可通過攝食膳食纖維進行調整，以保護機體健康[25]。由表2 和表3 可知，菊糖的清除羥自由基能力顯著高于其他試驗組（p＜0.05），各試驗組中，成熟期鮮食水稻葉片的SDF 清除羥自由基能力達到254.34 U/mL，清除能力最強。成熟期殼中的SDF 清除能力最弱為147.90 U/mL，除菊糖試驗組外，4 組樣品組內抗氧化能力均存顯著性差別（p＜0.05）。與其它來源的SDF 相比，鮮食水稻莖、葉中的SDF 清除羥自由基能力高于豆渣膳食纖維[26]和柚皮多糖[27]。

2.5.3 鮮食水稻SDF 總抗氧化能力結果分析

機體防御體系的抗氧化能力強弱與健康程度存在著密切的聯系，各類文獻也指出膳食纖維具有較好的抗氧化能力[28-29]。由表2 和表3 可知，菊糖的總抗氧化能力為2.55 U/mg，乳熟中期和成熟期鮮食水稻葉中的SDF 總抗氧化能力最強，最弱為籽粒中的SDF，分別為1.87 U/mg 和0.52 U/mg；乳熟中期的莖、葉、殼和籽粒中的SDF 均比成熟期相同部位的總抗氧化能力強，除菊糖實驗組外，4 組樣品組內抗氧化能力均存顯著性差別（p＜0.05）。張智猛等[30]對花生籽仁進行抗氧化研究，鮮食水稻與其相比總抗氧化能力強于花生籽仁。

2.5.4 鮮食水稻SDF 抗超氧陰離子能力結果分析

超氧陰離子自由基也是一種活性很強的氧自由基，與羥自由基一樣，可以與氨基酸、蛋白質、脂類發生氧化反應，當反應體系中加入鮮食水稻SDF 后能清除產超氧陰離子自由基，依據生產有色物質和吸光值變量關系，可以評價其對超氧陰離子自由基的清除效果[31]。由表2 和表3 可知，菊糖的超氧陰離子自由基最強為858.33 U/L，成熟期水稻葉中的SDF 清除能力最強為658.65 U/L，籽粒最弱為150.44 U/L，呈現出與清除總抗氧化能力相同的趨勢。

3 結論

本研究首次報道了水稻成熟過程中的SDF 累積變化規律，乳熟中期的鮮食水稻莖、葉、殼、籽粒中的SDF 含量均顯著高于相同部位的其他各成熟時期（p＜0.05），乳熟期莖中SDF 含量最高而成熟期籽粒最低，為鮮食水稻水溶性膳食纖維食品及營養開發提供了數據基礎。鮮食水稻的乳熟中期和成熟期SDF 主要表現在持水力和結合水力，莖和葉中的SDF 的基礎理化性質優于殼和籽粒。乳熟中期和成熟期鮮食水稻SDF具有較強的陽離子交換能力，葉片陽離子交換能力最強，籽粒的陽離子交換較弱。通過紅外分析鮮食水稻莖、葉、殼、籽粒乳熟中期和成熟期分子間結構和組成差別不大。機體防御體系的抗氧化能力強弱與健康程度存在著密切的聯系，SDF 有很好的清除體內自由基的作用。體外抗氧化能力測定可以總結出鮮食水稻莖稈和葉片在乳熟中期和成熟期清除自由基能力較強，殼和籽粒最弱。相同時期之間各部分SDF 的抗氧化能力呈顯著性差異。

根據鮮食水稻的理化和抗氧化等營養特性，可以將鮮食水稻SDF 應用于食品生產的強化劑，提高傳統食品抗氧化和功能，以利于人類的營養與健康。在考慮鮮食水稻籽粒和其他營養成分應用的同時，可利用其莖、葉、殼和籽粒中的SDF 進行水稻新產品的開發，也應考量基于農藝產量和機械作業方面綜合衡量開發的經濟價值和保健價值。