超声波处理对发芽糙米GABA积累及抗氧化能力影响的研究

张 祎，赵婷婷，申娟利，王 昕（吉林大学生物与农业工程学院，吉林长春130025）

超声波处理对发芽糙米GABA积累及抗氧化能力影响的研究

张 祎，赵婷婷，申娟利，王 昕*
（吉林大学生物与农业工程学院，吉林长春130025）

以有机糙米为材料，利用不同超声波处理时长、频率在糙米萌发不同阶段进行处理，探讨促进发芽糙米中抗氧化成分积累的较优超声波处理条件。结果发现，在发芽前期（0～16 h）进行超声波处理会显著促进GABA的积累，优于在发芽中后期（16～32 h）累积效果、且在相同时长处理情况下，低频率超声波处理对GABA含量的积累优于高频处理。同时在发芽期间进行超声波处理会提高多酚提取量，处理过的发芽糙米清除羟基自由基效果是普通发芽糙米的1.3倍，超氧阴离子清除能力比前者高10.34%。

超声波，发芽糙米，γ-氨基丁酸，多酚，抗氧化

糙米发芽是在一定的生理活性条件下发生大量酶解的过程［1-2］，其呼吸作用加强，淀粉和蛋白质等贮藏性物质水解，维生素含量增加［3］，功能性成分γ-氨基丁酸（γ-aminobutyricacid，GABA）［4］、谷胱甘肽等含量显著增长，从而营养价值和消化吸收率明显提高。与精白米相比，发芽糙米含有更丰富的营养成分［5］。

超声波是指一定频率的机械振动在气体、液体、固体等介质中传播的弹性波，它能在介质中引起空化效应、热效应和机械效应，从而使物质受到不同程度的热和力作用，产生多种物理化学效应［11］。适当强度的超声波作用于生物组织，可活化生物学性质，调节新陈代谢，最终表现出人们预期的生化效应［12］。根据超声波的热效能与化学效能特点，超声波对糙米处理可以提升其发芽速度和发芽率，促进GABA的合成和代谢。

近年来人们大多用化学方法如富锌［6］和富铁等处理糙米，研究化学成分对糙米发芽过程中营养组分的影响，而利用物理方法处理发芽糙米的研究不多，其中有关超声波处理对糙米发芽影响的报道也很少。且有研究表明低强度的超声波具有提高酶活、促进细胞生长和生物合成的作用，而发芽糙米中含有的多种酶［7］，可促进部分营养成分含量增加［8］。超声波技术常用于提取糙米天然活性成分［9］，但超声波处理对糙米的抗氧化能力影响研究较少［10］。因此，本实验对不同发芽时期的糙米进行超声波处理，考察羟基自由基以及超氧阴离子清除率，探索出超声波更易于GABA积累、多酚提取以及抗氧化物质富集的处理时期，为提高发芽糙米的生理功能提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

糙米 购于天猫五谷商铺；无水乙醇、次氯酸钠、硼酸、氯化钠、硼酸钠、重蒸酚、焦性没食子酸、Folin-Cioalteu试剂、碳酸钠、水杨酸、硫酸亚铁、过氧化氢、盐酸、Tris、邻苯三酚 均购于长春市浩迪试剂有限公司。

WF-130万能粉碎机（80目筛网） 江阴市力仁机械制造有限公司；AL204型电子天平 梅特勒-托利多仪器上海有限公司；SY2-4型电热恒温水浴锅 北京市医疗设备厂；探头式超声波流体处理器美国Misonix公司。

1.2 实验方法

1.2.1 发芽糙米的制备 取经挑选、除杂、均匀的糙米3 kg左右，漂洗干净，用1%的次氯酸钠溶液浸泡30 min对其表面消毒，然后用去离子水冲洗5次，并用去离子水作浸泡处理，采用浸泡3 h，断水15 min，再浸泡3 h工艺，之后于32℃通气培养36 h（通气量为1.0 L/min）。

工艺流程：糙米→消毒→清洗→浸泡→发芽→超声波处理→检测。

发芽糙米的干燥：将发芽糙米清洗、沥干后，取等量米用微波干燥方式对发芽糙米分别进行干燥。本实验干燥后发芽糙米水分含量为14%±0.5%，达到安全贮藏水分要求。

1.2.2 超声波处理实验设计 精选好的糙米按要求进行消毒处理，清水冲洗干净后在一定温度下发芽，分别取发芽0、16、24 h的糙米用纱布包裹，悬挂于超声波清洗器的水槽中间，在0、30、45 kHz下分别处理0、5、10、15、20、25、30 min，将发芽后样品粉碎后进一步测定不同处理时间下GABA含量。

在超声波处理对GABA富集较优的条件参数下，于发芽前对糙米进行超声波处理，分别在发芽16、24、32 h将样品取出粉碎后进一步测定不同时刻糙米的多酚含量，同时测定未进行超声波处理的糙米中多酚含量，并进一步对超氧阴离子清除能力、羟基自由基清除能力进行测定

1.2.3 指标含量的测定

1.2.3.1 GABA含量测定 将干燥后的发芽糙米粉，称取1.0 g，用60%乙醇定容至5 mL后，振荡浸提2 h，过滤。取滤液0.5 mL，依次加入0.2 mL 0.2 mol/L pH9.0的硼酸缓冲液，1 mL 6%的重蒸酚溶液，0.4 mL有效氯为9%的次氯酸钠，充分振荡；沸水浴10 min后，立即冰浴20 min并不断地振荡，直至有蓝绿色化合物出现，然后加入2 mL 60%的乙醇，然后从高到低依次于645 nm下比色，测吸光值A。

1.2.3.2 多酚的测定 称取研细的糙米和发芽糙米样品各5.0 g于250 mL三角瓶中，按料液比1∶15，即加入75 mL的体积分数80%乙醇，75℃水浴回流2 h。过滤后，澄清液待测。绘制标准曲线：配制质量浓度0、50、100、150、250、500 mg/L的没食子酸溶液，分别取1 mL于100 mL棕色容量瓶中，加入60 mL去离子水，5 mL的Folin-Ciocalteu试剂，摇匀。在0.5～8 min内加入质量分数20%的Na2CO3溶液15 mL，摇匀，用去离子水定容，20～30℃暗处放置2 h，在波长765 nm处测吸光度A。

1.2.4 抗氧化能力的测定

1.2.4.1 超氧阴离子测定 称取研细的糙米和发芽糙米样品各5.0 g于250 mL三角瓶中，按料液比1∶15，即加入75 mL的体积分数为80%乙醇，75℃水浴回流2 h。过滤后，澄清液待测。绘制标准曲线：配制质量浓度0、50、100、150、250、500 mg/L的没食子酸溶液，分别取1 mL于100 mL棕色容量瓶中，加入60 mL去离子水和5 mL的Folin-Ciocalteu试剂，摇匀。在0.5～8 min内加入质量分数20%的Na2CO3溶液15 mL，摇匀，用去离子水定容，20～30℃暗处放置2 h，在波长765 nm处测吸光度。

1.2.4.2 羟基自由基清除率测定 取若干10 mL离心管，依次加入8.0 mmol/L的FeSO4，0.02 mol/L的H2O2，3.0 mmol/L水杨酸及不同浓度的多酚提取物。37℃保温30 min后，加入0.9 mL 1 mol/L的HCl终止反应，定容反应体系终体积为6.0 mL，转速2000 r/min离心10 min，取上清液测定波长510 nm处的吸光度值，以多酚提取物抑制·OH引发的水杨酸羟基化作用的程度表示其清除·OH的能力。

2 结果与分析

2.1 超声波处理对GABA含量的影响

2.1.1 超声波处理时刻对糙米发芽过程中GABA含量的影响 糙米本身含有一定量的谷氨酸，而GABA可由谷氨酸经谷氨酸脱羧酶（GAD）催化转化而来。在发芽过程中GAD被激活，GAD以谷氨酸为底物催化生成GABA［13］。糙米在发芽过程中随发芽时间的延长，GABA含量会缓慢上升，发芽24 h后其含量增加较为明显。图1表明，与未处理发芽糙米相比，不同时长的超声波处理均可促进GABA含量显著上升。不同时长的超声波处理对发芽糙米中GABA含量影响不同，总体呈现上升-平缓-下降趋势，处理15 min时均达到累积峰值，且高于未处理时累积量。处理15 min后，GABA含量增加幅度有所下降。该现象说明处理达到一定时长后，发芽糙米中GABA含量增加量减缓。

不同发芽时刻对糙米进行超声波处理对其GABA含量也有显著影响。在发芽24 h时对糙米进行超声波处理使其GABA累积量低于16 h的处理，而高于未发芽时进行处理的糙米。不同时刻的超声波处理GABA含量呈上升-下降趋势，在发芽16 h后处理出现下降趋势。总体言之，在发芽不同时期进行超声波处理对GABA的累积效果优于不处理，发芽中期进行超声波处理可以显著提高GABA累积量和发芽速度。糙米发芽过程中，内源酶被激活的速度缓慢。在不同时刻进行超声波处理，可以不同程度加速内源酶激活速度，分解部分生物高分子化合物，如淀粉、非淀粉多糖和蛋白质等，产生发芽所需要的小分子糖和氨基酸等营养物质［14］。在发芽中期进行超声波处理时，其GABA含量可达到最大。

图1 超声波处理时刻对糙米发芽过程中GABA累积的影响Fig.1 Effect of ultrasonic treatment duration on GABA in germinated brown rice

2.1.2 超声波处理频率对发芽糙米GABA含量的影响 不同频率的超声波处理均可以促进糙米发芽过程中GABA的生成。频率的处理能够激发内源酶的活性，使糙米发芽过程中生理变化速度加快［15］。由图2可知，30 Hz处理时GABA含量高于其他频率，可达到未处理前的2.7倍。在相同时长处理情况下，低频率超声波处理对GABA含量的积累优于高频处理。随着超声波频率的增加，可能产生瞬间高温，导致部分GABA降解，发生GABA含量下降的情况。

图2 超声波处理频率对GABA累积的影响Fig.2 Effect of ultrasonic frequency on GABA in germinated brown rice

2.2 超声波处理对总多酚提取量及抗氧化能力的影响

2.2.1 超声波处理对总多酚提取量的影响 多酚是主要抗氧化成分之一［16］。总多酚含量的增加的重要原因是发芽处理可使植物细胞壁周围的成分降解，使得结合态以及游离态的酚类化合物得以释放，致使总酚含量增加［17］。图3表明，较未处理发芽糙米，处理发芽糙米多酚含量在10 h时上升趋势明显，25 h后才达到平缓趋势。另实验发现超声波处理糙米与未处理糙米的多酚含量提高了8%，因此超声波处理发芽糙米会提升多酚提取量，缩短多酚提取时间。

2.2.2 超声波处理对超氧阴离子清除能力的影响

超氧阴离子自由基是生命活动代谢过程中产生的一种重要的自由基，具有很强的氧化能力。因此，清除超氧阴离子自由基的能力是抗氧化活性的重要的指标之一［18］。图4可以看出超声波处理发芽糙米以及未处理发芽糙米的多酚提取物都随着时间的延长呈上升趋势。处理后的发芽糙米在8 h时体现出清除率上升较快趋势。16 h时达到清除速率最快趋势。与未处理发芽糙米相比，在24 h后进行处理清除效果不明显。32h后超氧阴离子清除能力较普通发芽糙米可高出10.34%。

图3 不同处理方式对多酚含量的影响Fig.3 Effect of different treatments on polyphenol content

图4 不同处理方式对超氧阴离子清除率的影响Fig.4 Effect of different treatments on the ability to clean superoxide anions

2.2.3 不同超声波处理对羟自由基清除作用的效果

图5 不同处理方式对羟基自由基清除率的影响Fig.5 Effect of different treatments on the ability to clean hydroxyl radicals

多酚类化合物具有较好的自由基清除能力，能够进一步预防或有助于治疗与自由基有关的心脑血管疾病、肿瘤等慢性疾病［19］。超声波处理后，发芽糙米的多酚提取物对羟自由基的清除效果明显高于不处理发芽糙米，且两者之间差距明显。这是因为经过超声波处理后，糙米在发芽过程中多酚氧化酶（PPO）活性增强，多酚含量上升，形成的抗氧化活性对羟自由基的清除效果明显增强［20］。从图5发现，超声波处理发芽糙米对羟自由基清除能力明显高于未处理糙米。在发芽30 h时处理发芽糙米清除率达到70.8%，而发芽糙米仅达到42.1%，前者比后者高出28.7%。这一结论表明，超声波处理的发芽糙米其清除率更强。

3 讨论

3.1 超声波处理对糙米发芽过程中GABA含量影响

超声波能量作用于酶分子，可使酶分子的构象发生改变，从而影响该酶的活力，改变酶的生物活性［21］。GABA由谷氨酸经GAD催化转化而来，GAD是一种钙调素（Calmodulin，CaM）结合蛋白［22］。有研究说明，GAD活性在糙米发芽24 h后才有较高上升趋势，进而影响了发芽的时长。本研究发现，在超声波处理5～15 min时GABA较未处理其含量增加较快，而在15 min时累积量为最大。在20～30 min处理时也有不同程度提升，考虑到时间和能量消耗问题，选择15 min处理时长为最佳处理时间。此外，不同的处理时刻对GABA的累积效应也不尽相同：在发芽16 h时进行处理GABA含量上升最为明显。证明在此时对内源酶的激活效应最显著，也是发芽时间提前的重要原因。超声波处理情况下，植物细胞壁周围物质降解，细胞内Ca2+和H+浓度增加，可以有效激活GAD酶活性，显著促进GABA在发芽过程中的积累，且使发芽时间大幅缩短。

3.2 超声波处理对发芽糙米多酚提取量及抗氧化能力的影响

有研究表明，在一定的超声波处理下，多酚提取量在一定参数范围内都有不同程度的升高，抗氧化活性会有不同程度提升［23］。蔡碧琼等［24］研究了稻壳提取物的抗氧化性质，结果表明稻壳中对超氧阴离子清除率、羟自由基清除率等都具有较强的清除能力。有大量研究结果表明多酚类化合物具有较强的抗氧化能力［25］。多酚类物质对心脑血管疾病具有预防和治疗的作用。本研究发现，在发芽期对糙米进行超声波的处理利于多酚含量的提取。多酚物质的增加直接影响其抗氧化性质，提升对氧化物质的清除率。

4 结论

超声波处理对发芽糙米的内源酶、GABA含量以及多酚物质提取量均有显著的影响。在发芽前期（0～16 h）更适宜进行超声波处理，提升GABA累积量和多酚物质的提取。不同时长、不同频率的超声波处理对GABA累积量均有促进作用。本实验最佳的超声波处理方式是在处理15 min、发芽16 h、处理频率30 kHz下进行，其GABA累积量能够达到85.36 g/100g，多酚提取量达到55.32 mg/100g，显著高于普通发芽糙米累积量和多酚提取量。同时，经超声波处理过的发芽糙米清除羟基自由基效果是普通发芽糙米的1.3倍，超氧阴离子清除能力比前者高10.34%。

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Study on effect of ultrasonic treatment on GABA accumulation and antioxidant capacity in germinated brown rice

ZHANG Yi，ZHAO Ting-ting，SHEN Juan-li，WANG Xin*
（College of Agriculture and Biology Engineering，Jilin University，Changchun 130025，China）

Using the organic brown rice as material，the effects of different ultrasonic treatment on the accumulation of GABA were studied and the appropriate ultrasonic treatment conditions were discussed，with different length of time and different frequencies of ultrasonic treatment being applied during several period of germinated brown rice growth.Result showed that during the early stage of germination（0 to 16 hours），ultrasonic treatment could have better contribution to the GABA accumulation than the middle（16 to 32 hours）.In addition，using ultrasonic treatment during germination might increase the content of polyphenol.The ability to clean hydroxyl radicals of germinated brown rice which was treated by ultrasonic was 1.3 times greater than the one without ultrasonic treatment and the ability to clean superoxide anions was 10.34 percent better than the one without ultrasonic treatment.

ultrasonic treatment；germinated brown rice；γ-aminobutyricacid；polyphenol；antioxidant

TS201.1

A

1002-0306（2016）02-0130-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.02.017

2015－05－26

张祎（1994-），女，大学本科，研究方向：食品科学与工程，E-mail：846703111@qq.com。

*通讯作者：王昕（1970-），女，博士，教授，研究方向：食品保藏与加工理论新技术，E-mail：wx@jlu.edu.cn。

2014年吉林大学创新创业训练国家级项目（2014A45168）。