大米陈化过程中表面油脂变化特征初探

徐欣源，付桂明，刘成梅，罗舜菁，钟业俊，周晓晴，汪志宇

（南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，江西南昌330047）

水稻是我国主要粮食作物[1]。在我国国民的日常饮食中，主食也多以大米或大米制品为主，因此水稻也是我国主要储备粮之一。常用的大米储藏形式有三种：稻谷、糙米和精米。稻谷有完整的皮壳，具有一定的保护作用，耐储性较好。但是稻壳表面粗糙，孔隙度大，储藏时会占很大一部分仓库容量（稻谷所占的仓容是糙米所占的1.6倍）[2]。日本人提出以糙米储藏代替稻谷储藏。糙米储藏不仅可以减少仓容，大大降低运输成本[3]，并且可以保持一定的新鲜程度[4]。我国市售大米多以精米为主，精米在加工到销售之间，多有流通领域内的停留，因此有一定数量的精米储藏。对糙米和精米储藏性质方面的研究主要涉及储藏中各营养成分的变化[5-6]，蒸煮品质[7-8]、糊化特性和质构特性[9-10]的变化。对动力学的研究大多侧重于大米淀粉的糊化特性动力学[11-12]以及营养成分变化[13-14]动力学，从动力学角度对糙米和精米表面油脂变化特征分析的较少，对表面油脂氧化反应的活化能的比较研究也较少。因此本研究旨在监测糙米和精米表面油脂变化情况，对比两者表面油脂变化差异，同时从反应动力学以及活化能角度分析精米表面油脂的变化特征。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

粳米稻谷（空育131）购买自中粮股份有限公司江西省分公司粮库，除杂后于低温干燥处存放。

JLGJ2.5砻谷机 浙江展诚；TM05C碾米机SATAKE，北京；紫外分光光度计 普析通用，北京；HR83快速水分测量仪 METTLER TOLEDO。

1.2 实验样品的准备

1.2.1 糙米样品的准备 稻谷原料经砻谷机脱壳、φ3.0mm谷物选筛初筛、人工挑拣除去杂质和劣质米粒后，得到完整无损伤、大小均一的糙米样品。经检测，水分含量为14.10%，脂肪含量为2.698%。

1.2.2 精米的加工 用碾米机加工糙米，经一定的碾磨时间可得到碾减率（Degree of milling，DOM）为10%的精米样品。加工碾减率偏差范围为±0.1%。经鉴定为市售标一米加工精度，水分含量为13.75%，脂肪含量为0.620%。碾减率（DOM）计算公式[15－16]如下：

碾减率（DOM，%）=[1－（碾磨后米样重量/碾磨前糙米重量）]×100

1.3 实验方法

1.3.1 储藏实验 两种实验样品分别用玻璃罐密闭封装，每罐约100g，放入人工气候箱进行储藏实验。储藏温度依据低温、常温和高温区分，分别设为4、25、35℃，湿度RH为40%±5%。于陈化开始0d和5d时取样，之后每15d取样。每次取样随机取出各温度下米样各一罐，测定其水分、游离脂肪酸值和丙二醛含量，未测定完的样品真空包装后于－20℃下保存，并于5d内测完。

1.3.2 游离脂肪酸值（Free Fatty Acid，FFA）游离脂肪酸值的测定参照国标《GB/T 20569－2006稻谷储存品质判定规则》进行测定。

1.3.3 丙二醛含量（Malondialdehyde，MDA）丙二醛的测定方法参照周显青等[17]、李宏洋等[18]、Narpinder S等[19]文献方法稍作修改后测定。将定期取出的样品经粉碎机粉碎，各称取（2.00±0.01）g，加入5mL 10%三氯乙酸（TCA）溶液研磨匀浆，4000r/min离心10min，上清液用TCA于10mL比色管中稀释至刻度定容。取定容后的上清液2mL（空白为2mL蒸馏水），加0.6%硫代巴比妥酸溶液2mL，充分混合后在100℃水浴中煮沸15min，冷却后再离心1次。分别测定离心后上清液在450、532、600nm处的吸光度值。按下列公式计算提取液中MDA浓度，然后进一步换算成米样中含有的丙二醛含量。

式中，6.45为常数；A532、A450、A600分别代表上清液在532、450、600nm波长下的吸光度值；C为提取液中MDA的浓度（μmol/L）。

1.3.4 数据处理 实验图表由Origin软件完成。采用SPSS 16.0软件进行各级动力学方程的拟合。

1.3.4.1 动力学方程的拟合 选择参考的动力学模型如下：

零级动力学模型：B=B0+k0t；一级动力学模型：B=B0exp（k1t）；二级动力学模型：B=B0+k2/t

其中，B代表指标在任意时间的测定值；B0为该指标的初始值；t为储藏时间，d；k0、k1、k2分别代表零级、一级和二级动力学反应速率常数，d－1。

1.3.4.2 反应动力学活化能 活化能按照Arrhenius方程进行计算：

式中，Eα为反应活化能，J/mol；k为速度常数；kA为指前因子；R为气体常数，8.3144J/（mol·K）；T为热力学温度，K。

2 结果与分析

2.1 精米和糙米样品储藏后游离脂肪酸（FFA）变化情况

精米和糙米样品于恒温箱储藏90d期间FFA变化情况如图1所示。

从图1的A、B两图中可以看出，FFA的增长量随储藏温度的升高增加显著（p＜0.05）。这说明FFA的增长可能与脂肪酶活性有关[20]。米粒表面油脂在脂肪酶作用下发生水解反应生成FFA，因此随着温度升高，脂肪酶活性升高，FFA生成加快。在开始的0～5d储藏期内精米FFA含量都有较明显增长，并且增长速率较10～90d期间要快。这与Henry S[21]报道的精米FFA变化趋势一致。精米在碾磨加工过程中脂肪酶被激活[22]，储藏期开始的0～5d期间，在糠层脂肪酶的作用下FFA增长达到最高速率，随后由于不饱和FFA被进一步氧化分解，FFA累积速率减缓。对比A、B两图中各温度下储藏过程中米样的FFA变化量可以发现，精米初始FFA含量为6.84mg KOH/100g（若按占总脂肪质量百分比计为：5.4%脂肪w/w），在37、25、4℃ 下 储 藏90d后 分 别 增 加 到 49.0、26.1、15.3mg KOH/100g（分别为40.4%、21.4%和12.4%脂肪w/w）；而糙米初始FFA含量为18.0mg KOH/100g（3.40%脂肪w/w），在37、25、4℃下储藏90d后分别增加到54.2、39.1、28.0mg KOH/100g（分别为10.3%、7.38%和5.30%脂肪w/w）。由此可见，首先，精米初始的游离脂肪酸占总脂肪的比例比糙米更大。这可能是由于精米经过碾磨加工后脂肪酶被激活，同时加工过程中受热导致的。其次，精米FFA含量占总脂肪的比例的增幅比糙米更大。可见糙米虽然含有较高的脂肪含量，但是精米脂肪发生水解反应相比于糙米更快，水解反应程度更大。这可能与大米表面油脂和脂肪酶在细胞中的分布有关。三酰基甘油酯在米粒表层细胞中以油脂颗粒形式存在，在磷脂膜的保护下与脂肪酶间隔开，两者不发生接触，油脂水解反应收到抑制。精米在生产过程中，经机械碾磨后糊粉层细胞破损，油脂颗粒释放后与脂肪酶充分接触，迅速发生水解反应生成FFA[23]。

2.2 大米样品储藏后丙二醛（MDA）含量变化情况

FFA并不是稻米中脂质代谢的终产物。大米中的三酰基甘油酯被脂肪酶水解后，不饱和的游离脂肪酸被脂肪氧化酶作用生成氢过氧化物后进一步降解，生成一系列小分子醛、酮以及挥发性物质[24]，丙二醛就是主要产物之一[25]。MDA具有细胞毒性，并能导致蛋白质交联变性[26]，它在细胞膜上的积累能够引起膜系统严重损伤，细胞膜完整性丧失，膜内蛋白水解酶和有机酸渗透进一步加剧对膜的破坏，加速细胞衰亡[27]。两种大米样品储藏90d期间MDA变化情况如图2所示。

从图2的A、B两图曲线变化可以看出大米中MDA含量表现出先增加后减少的变化特征，这与Robert R[28]报道的一致。同时，在这两图中我们还可以发现MDA的变化趋势呈现出明显的三个阶段。第一阶段在储藏0～30d期间，此时MDA增长比较平缓。在接下来30～45d储藏期内随着储藏时间的延长，增长速率加快，丙二醛含量迅速增加。这种变化特征与Henry S[21]报道的大米中氢过氧化物累积特征类似。储藏前期，FFA大量累积，随后将糠层中的脂肪氧化酶激活[23，26]，开启脂质过氧化反应，生成氢过氧化物。而丙二醛作为氢过氧化物的裂解产物，因此它的生成不如FFA迅速，储藏前期增长较慢。30～60d为丙二醛累积的第二阶段，这期间丙二醛含量迅速增长，并且37℃下丙二醛的增长速率要高于其他温度，说明丙二醛的增长可能与酶活性有关。第三阶段为60～90d。这个阶段丙二醛累积达到峰值，并开始呈现下降趋势。这可能是由于丙二醛大量累积导致酶活性下降[25]，丙二醛生成量减少。同时丙二醛具有挥发性。丙二醛累积造成细胞膜损伤，在较高环境温度下，丙二醛易挥发[29]。因此在储藏后期，25℃和37℃环境中储藏的米样MDA含量出现下降趋势，并且在37℃储藏温度下MDA下降幅度要大于25℃，而4℃储藏的米样则没有表现出下降趋势。对比A、B两图中各温度下储藏过程中米样的MDA变化量可以发现，精米初始MDA含量为9×10－4mg/g（若按占总脂肪质量百分比计为：0.015%脂肪w/w），在37、25、4℃下储藏后峰值分别增加到2.81×10－3、2.63×10－3、2.91×10－3mg/g（分别对应0.045%、0.042%和0.047%脂肪w/w），37℃和25℃下，精米在储藏90d后MDA含量下降，分别为2.05×10－3、2.43×10－3（分别对应0.033%和0.039%脂肪w/w）；而糙米初始MDA含量为1×10－3mg/g（0.0037%脂肪w/w），在37、25、4℃下储藏后峰值分别增加到5.91×10－3、5.33×10－3、5.10×10－3mg/g（分别对应0.022%、0.020%和0.019%脂肪w/w），37℃和25℃温度下，糙米在储藏90d后MDA含量下降，分别为4.51×10－3和4.90×10－3（分别对应0.017%和0.018%脂肪w/w）。与游离脂肪酸值含量相对应，精米初始的MDA含量占总脂肪的比例也比糙米大。这可能与精米碾磨加工过程中脂肪氧化酶氧化酶以及裂解酶被激活有关。精米的MDA含量峰值（占脂肪的质量百分比）是糙米的一倍，由此可见精米油脂的过氧化程度比糙米高。在37℃和25℃温度下储藏的后期，精米MDA含量占总脂肪的比例的下降幅度大于糙米。这可能由于精米经碾磨加工后，米粒表面受损，失去皮层保护的细胞对丙二醛的耐受性较差，当丙二醛累积量还较低时，细胞膜就大量损伤，丙二醛含量下降。

将FFA和MDA两个指标变化趋势比较可以发现，FFA的变化较丙二醛有规律，并且整个变化呈现单调递增趋势。FFA测定方法也较MDA简便、准确，系统误差较小。因此从选择陈化特征的判定指标角度来说，FFA要优于MDA。对FFA的动力学分析也较MDA简单。

2.3 糙米和精米储藏期间FFA变化动力学分析

2.3.1 反应动力学级数的确定 用SPSS对两种米样FFA值的变化进行各级动力学方程的拟合，得到的相关系数如表1所示。

由表1数据可知，FFA变化动力学模型决定系数R2零级均大于0.94，并且均高于一级和二级，说明FFA变化与零级动力学模型拟合程度更好，用零级动力学模型可以更好的反映糙米和碾减率为10%精米的FFA变化规律。

2.3.2 反应动力学参数与活化能 采用零级动力学模型对米样储藏过程中脂肪酸值变化进行分析后的动力学系数见表2，两种米样FFA变化与Arrhenius方程拟合情况见图3，活化能由Arrhenius方程得到。

由图3两种米样与Arrhenius方程拟合情况可以看出，糙米和碾减率10%精米在储藏过程中FFA值的增加随绝对温度倒数的变化符合Arrhenius方程式。表2中活化能数据可以看出，糙米的活化能要高于精米，说明糙米中脂肪酸水解反应较精米的更难发生，因此糙米的脂肪酸增加速度较低，这和图1中反应的数据是一致的。并且也可说明糙米油脂的稳定性更高，这与Naoto S等[8]的研究是一致的。

3 结论

油脂氧化是引起大米品质下降的主要原因。本实验对糙米和碾减率10%精米表面油脂指标变化情况分析后发现，在储藏0～5d期间，25、37℃下，精米FFA含量增长较快，而此时糙米FFA含量的曲线变化较为平缓。这可能是由于精米在加工碾磨过程中脂肪酶被激活导致的。虽然糙米油脂含量较精米高，但是精米游离脂肪酸占总脂肪质量百分比比糙米高且增幅也比糙米大，同时对FFA生成动力学分析后发现糙米表面油脂水解反应活化能比精米高，说明糙米比加工过的精米表面油脂稳定性更高。MDA含量的变化分为三个阶段，平缓增长、迅速增加和下降阶段。米样的MDA含量的检测中，精米MDA初始含量占脂肪的质量百分比比糙米大，这可能与脂肪氧化酶在加工过程中被激活有关。加工过精米的MDA含量达到峰值时，在37、25、4℃下MDA占总脂肪质量百分比比糙米的高。这说明精米油脂的过氧化程度比糙米大。在后期MDA含量下降阶段，经碾磨加工过的精米表面受损，米粒表面细胞失去皮层的保护后对MDA累积的细胞耐受性较差，累积量较低时细胞膜大量损伤，酶活性下降，MDA含量出现下降趋势并且精米下降幅度比糙米大。由此可见，精米表面油脂稳定性较差，更容易发生氧化，并且米粒表面细胞失去皮层保护后也更加脆弱，容易受MDA累积造成的损伤。由于米样MDA含量在陈化后期会出现下降趋势，因此在对米样陈化程度进行判定时，不宜单独将MDA值作为判定指标，应采用游离脂肪酸含量结合其他大米品质指标进行综合判定。

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