超聲波輔助處理對發芽糙米營養及食用品質的影響

朱 創，楊 麗，肖登榮，肖 斌，聶 攀，鐘苓玥，宋立華,

（1.上海交通大學農業與生物學院, 上海 200240；2.上海瀛豐五斗生態農業發展有限公司, 上海 202179）

發芽處理作為可有效改善谷物和豆類等食品營養特性及食用品質的加工工藝，其成本低且簡便易行[1]。種子萌芽過程在酶的作用下會使谷物或豆類食品中的維生素、膳食纖維、蛋白質、氨基酸等基本營養成分的含量有所增加[2]，但處理工藝不同基本營養成分的變化不同；糙米發芽處理還可有效富集γ-氨基丁酸（GABA）等功能活性成分，使發芽糙米的營養價值高于普通糙米和白米[3]，但與普通白米相比，發芽糙米的食用口感仍有待于改進。此外，除GABA外，如何改進發芽工藝以進一步提高發芽糙米中其他活性成分的含量也值得深入研究。

黃酮類化合物是植物性食品中重要的功能活性成分之一。超聲波作為一種重要的物理輔助加工技術在黃酮等活性成分的提取方面應用廣泛，如利用超聲波輔助提取黑米、紅麥麩皮及發芽糙米中的黃酮成分，可有效提高提取率[4-6]。在發芽谷物加工方面，卞紫秀等[7]利用超聲波輔助處理（320 W，30 min，29 ℃）加工發芽苦蕎，發現其不但可有效促進苦蕎麥種子的萌發，還可顯著增加苦蕎芽苗中黃酮類物質的含量；程威威等[8]利用超聲波處理（59 kHz，8 h）發芽糙米，發現其可顯著增加糙米發芽率。目前，利用超聲波輔助技術加工發芽糙米，對功能成分的富集作用研究大多圍繞GABA展開[9-11]，但針對黃酮的富集作用研究尚不多見；已有研究結果表明對于不同的谷物，當超聲工藝條件不同時，對黃酮成分的富集效果也有所不同；此外，超聲波輔助加工對發芽糙米加工及品質改善的相關研究較少。因此，本研究利用超聲波輔助技術加工發芽糙米，首先以總黃酮含量為主要考核指標對超聲工藝參數進行優化，在此基礎上進一步分析超聲波輔助處理對發芽糙米基本營養成分、米糠微觀結構、糊化性質及質構特性的影響，為改善發芽糙米的功能營養特性及加工食用品質提供可參考的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

糙米 南梗9108，初始濕基含水量為12.63%±0.81%，由上海光明集團瀛豐五斗生態農業有限公司提供；次氯酸鈉、乙醇、三氯化鋁、乙酸鉀 均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司；蘆丁 薩恩化學技術（上海）有限公司；體外抗氧化試劑盒 南京建成生物科技有限公司。

DHG-9071A電熱恒溫干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司；LRH-150培養箱 上海一恒科學儀器公司；200T高速多功能磨粉機 永康市利陽電器有限公司；THC型數控超聲波提取機 濟寧天華超聲電子儀器有限公司；Multiskan FC型酶標儀Thermo Fisher（上海）儀器有限公司；VFD-2000 冷凍干燥機 上海比郎儀器制造有限公司；50T ES plus高真空鍍膜儀 英國Quorum公司；拉曼圖像-掃描電子顯微鏡聯用儀 捷克TESCAN-MAIA3公司；差式掃描量熱儀 德國Netzsch公司；TA-XT Plus型質構儀 英國Stable Micro Systems公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 發芽糙米的制備 稱取經挑選、除雜、飽滿的糙米約400 g，漂洗干凈后，用0.1%的次氯酸鈉溶液浸泡15 s對其表面消毒，沖洗干凈后加純水浸泡，置于恒溫培養箱中。浸泡期間每隔2 h更換一次水，浸泡結束后將糙米放入恒溫培養箱中萌發。浸泡條件：29 °C，13 h，結束時種子露白；萌發條件：29 °C，24 h，結束后種子芽長約1 mm。收集發芽糙米，參考楊麗等[12]的方法，對發芽糙米經50 °C干燥1 h后磨粉，80目過篩得到實驗用糙米粉。

1.2.2 超聲波處理方法 實驗參考Yaldagard等[13]的超聲參數。實驗分別采用糙米浸泡前超聲處理和浸泡后超聲處理，浸泡前超聲處理操作如下：將清洗干凈的糙米裝進塑封袋中，超聲處理，超聲結束后按照1.2.1中的條件浸泡、發芽。浸泡后超聲處理操作如下：將浸泡13 h后的糙米裝進塑封袋中，進行超聲處理，超聲結束后按照1.2.1中的條件發芽。

超聲處理條件為：a.160 W功率下分別處理5、15和25 min；b.280 W功率下分別處理5、15和25 min；c.400 W功率下分別處理5、15和25 min。

1.2.3 總黃酮含量的測定 采用Guan等[14]的方法并作改動，具體如下：稱取2 g糙米粉末，加入10 mL 50%乙醇水溶液超聲提取40 min，4000 r/min離心10 min后取5 mL上清液，加入2 mL三氯化鋁溶液（0.1 mol/L），反應8 min后再加3 mL乙酸鉀溶液（1 mol/L），用50%乙醇水溶液定容至10 mL，搖勻，室溫下反應30 min后于420 nm波長處測定吸光度值。總黃酮含量以蘆丁當量表示（mg/100 g）。

1.2.4 發芽勢和發芽率的測定 參照Guan等[14]的方法，按如下公式計算發芽勢和發芽率：

1.2.5 基本營養成分的測定 含水量采用國標法-直接干燥法[15]；蛋白質、脂肪、淀粉、維生素、膳食纖維[16-21]采用國標法測定。

礦物質元素參照國標法[22]測定，并稍作改動：稱取糙米粉1.00 g于坩堝中，小火加熱，炭化至無煙，轉移至馬弗爐中，于550 ℃灰化3 h，至試樣呈白灰狀，冷卻，取出，用適量硝酸溶液溶解并用水定容至10 mL。利用ICP-AES法分析測定，外標法定量。

1.2.6 超微結構的測定 冷凍干燥處理樣品24 h后，用導電膠將干燥后的樣品固定在金屬載物臺上，利用高真空鍍膜儀噴金30 s后用電子掃描顯微鏡掃描樣品表面并拍照。

1.2.7 熱物性的測定 取2 mg樣品，按1:2（質量比）加入純水，密封后于4 ℃放置24 h，用差式掃描量熱儀進行測定。掃描溫度由20 ℃上升至100 ℃，掃描速率為10 ℃/min，載氣為氮氣，氮氣流速為20 mL/min。以空坩堝作為對照，記錄并計算吸熱曲線上的起始溫度（To）、峰值溫度（Tp）、終止溫度（Tc）熱焓（ΔH）。

1.2.8 質構的測定 參照宋偉等[23]的方法，測定煮后發芽糙米的質構，具體如下：加12 mL水于10 g糙米中，蒸鍋中加適量水，置于電磁爐上蒸煮40 min后關火燜10 min，待冷卻至室溫后，隨機取6粒米進行硬度、黏著性、彈性和黏度的測定。參數：探頭P/50、觸發點10 g、壓縮比例75%、下降速度10 mm/s、測試速度0.5 mm/s、測試后速度5 mm/s。

1.3 數據處理

每組實驗均平行3次，結果以“平均值±標準差”表示，方差分析采用LSD法，P＜0.05視為有顯著性差異；數據處理軟件使用Excel 2016和IBM SPSS Statistics 25，繪圖使用 GraphPad Prism 8.2.1。

2 結果與分析

2.1 超聲波輔助發芽糙米工藝的建立

本實驗結果表明超聲波輔助處理順序對發芽糙米總黃酮的含量有一定影響，結果如圖1所示。采用先超聲后浸泡處理工藝時，當超聲功率為160和280 W時，隨著超聲處理時間的增加，發芽糙米的總黃酮含量先下降再升高；當超聲波功率為400 W時，隨著超聲處理時間的增加，發芽糙米的總黃酮含量先升高后下降，其中400 W超聲15 min條件下，發芽糙米的總黃酮含量達到最大值203.61 mg/100 g。

圖1 超聲波順序對發芽糙米總黃酮含量的影響Fig.1 Effects of ultrasonic sequence on the total flavonoid contents of GBR

采用先浸泡后超聲處理工藝時，當超聲功率為160 W時，發芽糙米的總黃酮含量均顯著高于先超聲后浸泡組（P＜0.05）；且與280和400 W的超聲波處理組相比，160 W超聲波處理的發芽糙米總黃酮含量最高，超聲處理25 min時達到最大值218.17 mg/100 g。這可能是因為先浸泡再進行超聲波適當處理，能在促使種皮軟化的基礎上，利用超聲波的機械效應改變細胞壁結構和細胞膜通透性，從而促使黃酮類物質的釋放[24]。此外，還有研究表明超聲波處理能提高苦蕎種子中與黃酮類物質合成相關的苯丙氨酸解氨酶（PAL）的活性[25]，這可能也是超聲波輔助處理使黃酮含量有所增加的原因。

鑒于上述黃酮的變化情況，本研究后續實驗均選擇將糙米先浸泡13 h后再用160 W超聲處理25 min作為優化超聲輔助處理參數，并進一步研究超聲波輔助對發芽糙米基本營養成分及其食用和加工品質的影響。

2.2 超聲波輔助處理對發芽糙米發芽勢、發芽率及總黃酮含量的影響

糙米發芽勢和發芽率結果如圖2A所示，超聲波輔助糙米發芽組發芽勢為65.82%（P＜0.01），發芽率為 75.02%（P＜0.05），較未超聲處理組分別增加了19.60%和4.66%。這可能與超聲波可以促進谷物代謝，加快細胞吸水膨脹從而使種子發芽速率增加有關[26-27]。

總黃酮含量如圖2B顯示，超聲波輔助處理組發芽糙米組總黃酮含量較未發芽糙米組和未超聲處理組分別顯著增加了 415.49%和 48.11%（P＜0.01）。已有研究表明，超聲波可使類黃酮生物合成相關基因查耳酮合成酶（CHS）等的表達增強[28]；另外，超聲波處理還可提高苯丙氨酸解氨酶（PAL）的活性，PAL是類黃酮合成代謝過程中的關鍵限速酶，其活性增加有利于黃酮類物質的合成[25]。

圖2 超聲波輔助后發芽糙米發芽勢、發芽率（A）及總黃酮含量（B）的變化Fig.2 Changes of germination potential, germination rate(A)and total flavonoid contents(B) of GBR-U

2.3 超聲波輔助處理對發芽糙米基本營養成分及礦物質含量的影響

各組發芽糙米基本營養組分結果如表1所示。與BR相比，GBR中蛋白質、淀粉和不溶性膳食纖維含量有所降低（P＜0.05）；煙酸顯著升高 4 倍（P＜0.05）；脂肪、維生素B1、B2及可溶性膳食纖維含量無顯著變化（P＞0.05）。而與GBR相比，GBR-U組發芽糙米中蛋白質和維生素B2含量分別顯著升高20.54%和110.94%（P＜0.05），而維生素B1和不可溶性膳食纖維分別顯著降低32.40%和16.13%（P＜0.05）。有研究表明，超聲波處理可以提高發芽糙米中可溶性蛋白質含量，這可能是由于超聲波處理能促進植物體細胞和原生質蛋白質的積累[29-30]。超聲波還可使種子內部溫度升高，酶活力上升，物質的分解和轉換速率加快，有利于內部細胞的生長，貯藏在其中的脂肪可作為營養物質轉換成糖類，因此表現為脂肪含量下降而淀粉含量升高[31]。此外，超聲波可以破壞細胞壁，加速膳食纖維的分解[32]，而細胞壁的軟化可促進種子發芽，因此也可以促進發芽率和發芽勢的增加，這進一步驗證了上述關于GBR-U組糙米發芽勢和發芽率的結果。

表1 超聲波輔助處理對發芽糙米基本營養成分的影響Table 1 Effects of ultrasonic-assisted treatment on the basic nutritional components of GBR

此外，發芽糙米中礦物質元素含量分析如表2所示。結果表明，與BR相比，GBR組發芽糙米中鈣的含量顯著升高12.22%（P＜0.05），而鉀的含量顯著降低7.18%（P＜0.05）。與GBR組發芽糙米相比，超聲波輔助處理可使發芽糙米中鉀、磷、錳和鋅分別顯著升高43.90%、35.91%、46.57% 和35.28%（P＜0.05），而鈉和鈣分別顯著降低39.45%和15.33%（P＜0.05）。關于礦物元素的上述變化，一方面可能是由于種子發芽時，胚芽的生長需要礦物質，礦物質可作為輔助因子協助催化蛋白質和碳水化合物的分解和利用，造成部分礦物質被消耗[33]；另一方面是由于種子中的無機物大部分是與有機物結合的形式存在，隨著種子的萌發而轉變成游離態[34]。此外，利用超聲波處理，其空化作用及熱效應也可能促進無機物的釋放。

表2 超聲波輔助發芽糙米礦物質元素的變化Table 2 Changes of mineral elements in GBR-U

2.4 超聲波輔助處理對發芽糙米表皮超微結構的影響

圖3為發芽糙米表皮掃描電鏡分析結果。從圖3中可以看到，未發芽糙米表皮光滑致密無空隙；發芽后，糙米皮層變得松散；而超聲波輔助處理后發芽糙米的表皮結構變得更加疏松，空隙也變得更大，這說明超聲波可以破壞糙米皮層的致密程度。同樣，用超聲波處理金蕎麥粉末后，其細胞結構被破壞，變得疏松多孔[35]。Yang等[36]研究也發現超聲波產生的空化和機械作用使得糙米表皮發生了不同程度的變形并產生了裂痕，從而使糙米皮層變得更疏松多孔。

圖3 超聲波輔助發芽糙米掃描電鏡圖（2000×）Fig.3 SEM images of GBR-U (2000×)

2.5 超聲波輔助處理對發芽糙米熱物性的影響

表3為利用差式掃描量熱儀分析發芽糙米糊化特性結果。與BR相比，發芽可使糙米加熱糊化的起始溫度、峰值溫度（P＜0.05）、終止溫度和熱焓值均有所降低，這可能是因為淀粉與脂質的交互作用可以使糊化溫度升高，而糙米經發芽后淀粉含量降低，導致其與脂質的交互作用減弱，進而使糊化溫度下降[37]。

表3 超聲波輔助處理對發芽糙米熱物性的影響Table 3 Effects of ultrasonic-assisted treatment on the thermal properties of GBR

與GBR相比，超聲波輔助處理后發芽糙米糊化的起始溫度、峰值溫度、終止溫度和熱焓值分別略有升高，但兩組發芽糙米的熱物性參數無顯著差異。值得關注的是，也有研究發現超聲波處理（55 ℃，16 kHz）后發芽糙米糊化所需的能量增多，這可能是因為超聲處理會誘導糙米內的聚合物重新排列，從而使其需要更多的能量來完全糊化[38]。這也提示本實驗所采用的超聲輔助處理條件較適宜，不影響發芽糙米的熱物性，可更有利于保持發芽后糙米的糊化特性。

2.6 超聲波輔助處理對發芽糙米質構的影響

質構分析結果顯示（表4），GBR-U組的硬度、黏著性顯著低于GBR組（P＜0.05），彈性和黏度無顯著差異（P＞0.05）；與GBR組相比，超聲波輔助后糙米硬度和黏著性分別降低了11.42%和15.40%；彈性和黏度也略有下降。已有研究表明，適當的超聲波處理可以降低稻米的硬度[39]、膠黏性和咀嚼性[40]。有研究發現超聲波會使谷物表面產生裂紋，在糙米蒸煮過程中水會更容易通過增加的裂紋滲透進糙米中從而降低其硬度[41]，這一結論與本實驗中掃描電鏡結果相一致。

表4 超聲波輔助處理對發芽糙米質構的影響Table 4 Effects of ultrasonic-assisted treatment on the texture properties of GBR

3 結論

本實驗探究了超聲波輔助處理技術對發芽糙米部分理化品質的影響。結果表明超聲波處理工藝條件對發芽糙米總黃酮含量有顯著影響，先將糙米浸泡13 h后再用160 W超聲處理25 min，總黃酮含量可達到最大值218.17 mg/100 g。此外，在此處理工藝條件下，與未超聲處理發芽糙米相比，糙米發芽勢、發芽率分別提高19.60%和4.66%；蛋白質和維生素B2含量均有所提高，而維生素B1和不可溶性膳食纖維均有所降低；米糠皮層致密程度降低，變得疏松多孔；發芽糙米的硬度、黏著性、彈性和黏度等質構特性均得到改善，但糙米加熱糊化過程的熱物性參數無顯著變化。上述結果提示利用超聲波輔助處理加工發芽糙米可在一定程度上通過富集黃酮成分改善發芽糙米的功能營養特性，通過影響質構參數改善發芽糙米的食用品質。