超声波与超高压处理对全谷物糙米蒸煮品质和抗氧化活性的影响比较

陶 虹,夏 强,李云飞

(上海交通大学农业与生物学院,上海 200240)



超声波与超高压处理对全谷物糙米蒸煮品质和抗氧化活性的影响比较

陶 虹,夏 强,李云飞*

(上海交通大学农业与生物学院,上海 200240)

本文采用不同超声波功率(160、280、400 W)和超高压强度(100、300、500 MPa)对糙米进行预处理,考察了糙米蒸煮品质以及抗氧化活性的变化,并对质构与蒸煮时间、多酚与抗氧化活性指标相关性进行了分析。结果表明两种处理方式均造成糙米硬度、胶黏性和咀嚼性显著(p<0.05)下降12%以上,超声波处理比超高压处理更显著(p<0.05)缩短了蒸煮时间(4.17～4.34 min)。同时,抗氧化测定结果表明,两种处理方式均显著(p<0.05)提高了糙米抗氧化活性,且超声波处理样品的FRAP、DPPH自由基清除能力分别高出超高压处理样品18.86%～23.14%和6.81%～13.41%。相关性分析表明:蒸煮时间与咀嚼性和回复性显著相关(p<0.05),总酚与糙米抗氧化活性相关性不显著(p>0.05),FRAP与DPPH自由基清除能力显著相关(p<0.05)。因此,本文研究结果表明超声波处理可作为一种廉价、简单的全谷物糙米预处理方法提升其蒸煮品质与营养属性。

糙米,超声波,超高压,蒸煮品质,抗氧化活性

稻米是全世界种植最广泛的粮食作物,全球将近一半人口以此为主食[1],其通常消费形式是去除胚芽和皮层的精米。近年来随着人们健康意识的提升,全谷物需求日益增加,保留皮层和胚芽的糙米即属于其中一种。糙米皮层富含各类矿物元素(铁、钙等),维生素(B1、B2、C、D、E),膳食纤维,以及多种功能性成分(多酚、米糠多糖、植物甾醇等)[2-3],胚芽萌发还可产生大量具有降血压功能的γ-氨基丁酸(GABA)。然而糙米适口性差,蒸煮时间长,推广受限[4]。

为解决这个问题,不少学者做出了尝试。詹耀[5]用超高压(High hydrostatic pressure,HHP)处理糙米,发现糙米硬度下降48%,蒸煮时间下降60%。于勇等[6]研究发现,预浸泡的糙米经超高压处理后,硬度显著下降,蒸煮时间从34 min缩短为14 min。崔璐[7]用超声波(Ultrasound,US)处理糙米,发现糙米最适蒸煮时间显著缩短,其质构特性也被改善。然而,这些研究主要集中在蒸煮品质的改善,忽略了加工方法对糙米功能成分尤其是抗氧化活性的影响。杨凌霄[8]研究发现,糙米经过蒸、煮以及挤压处理后其抗氧化活性均有所降低,蒸制比煮制和挤压更能保留和提升糙米抗氧化性。本文旨在运用超声波和超高压对糙米进行预处理,比较不同处理方式对其蒸煮品质以及抗氧化活性的影响,以期选用最优的加工方法和参数来改善糙米的蒸煮品质和营养属性。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

糙米秋田小町 晚熟型粳稻,初始湿基含水量为13.23%±0.02%,购于吉林市宇丰米业有限公司;直链淀粉标准品 美国Sigma公司;支链淀粉标准品、没食子酸 上海阿拉丁生化科技股份有限公司;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH) 梯希爱(上海)化成工业发展有限公司;总抗氧化能力检测试剂盒(FRAP法) 上海碧云天生物技术有限公司;其他试剂 均为国产分析纯。

THC-2B型数控超声波提取机 28 kHz,400 W,济宁天华超声电子仪器有限公司;HHP-750型高压处理设备 内蒙古包头科发新型高技术食品机械有限责任公司;DZQ400/500/600真空包装机 上海易诺包装材料有限公司;C21-SH2137美的多功能电磁炉 广东美的生活电器制造有限公司;FL-1可调式封闭电炉 北京市永光明医疗仪器有限公司;TA-XT Plus质构仪 英国Stable Micro Systems公司;TU-1810紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;Multiskan Go酶标仪 Thermo Scientific公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品处理 糙米剔除杂质和不成熟糙米粒,称取100 g置于聚乙烯塑料袋(170 mm×230 mm),按照糙米∶去离子水=1∶2(w∶w)加水,真空包装后随机分成两组进行超声波或超高压处理。

超声波处理:将包装好的糙米悬于处理水槽中心位置,分别在160、280、400 W条件下处理30 min,处理温度为室温,用冰块恒定温度。

超高压处理:将包装好的糙米置于超高压加压筒中,分别在100、300、500 MPa压强下处理15 min,处理温度为室温。

处理完毕立即测定吸水率,然后放入30 ℃烘箱干燥至初始含水率,再-20 ℃冷藏以待后续检测。

1.2.2 吸水率测定 将处理后的糙米从袋中取出,用吸水纸吸除表面多余水分,快速称重计算吸水率。

式中:m0为处理前糙米质量(g);ms为处理后糙米质量(g)。

1.2.3 基本成分测定 用粉碎机磨碎糙米过80目筛,采用GB 5009.5-2010中凯氏定氮法测定蛋白质含量,氮转换蛋白指数为5.95;采用GB/T 5009.6-2003中酸水解法测定脂肪含量;依照钟业俊等[9]测定脂肪酸含量,结果以油酸当量显示;采用GB/T 22510-2008将预灰化样品于550 ℃下灰化4 h测定灰分;依据范明顺等[10]双波长法测定直链淀粉和支链淀粉含量。

1.2.4 质构测定 称取80 g糙米置于铁饭盒(150 mm×120 mm×50 mm),按照糙米∶去离子水=1∶1.6(w∶w)加水,电磁炉蒸煮模式40 min后焖锅20 min。冷却至室温,取饭盒中层米饭15 g平铺于铝盖(Φ=70 mm)进行质构测定,选取P/50探头,TPA模式,测前和测试速度2 mm/s,测后速度5 mm/s,压缩程度75%,每组6个平行,取平均值。

1.2.5 最适蒸煮时间测定 采用玻璃板-白芯法,400 mL烧杯加250 mL水置于电炉加热至沸腾,倒入7 g糙米样品并开始计时,从20 min起每隔1 min捞出至少10粒米,用两块玻璃片(75 mm×25 mm)进行挤压,查看米粒中心是否有白芯,有白芯即为未煮熟,记录所有米粒均煮熟时间即为最适蒸煮时间。

1.2.6 总酚测定 称取0.5 g糙米粉(过80目筛)置于50 mL离心管,加入10 mL 80%乙醇,60 ℃超声(400 W)30 min后4000 r/min离心10 min,取上清液,用于后续总酚及抗氧化活性测定。

采用福林酚法[8],取1 mL上清液加1.25 mL福林酚试剂,振荡混匀后静置5 min,加2 mL质量分数为7.5%碳酸钠溶液,用蒸馏水定容至10 mL。30 ℃水浴120 min后于760 nm波长下测定吸光度。分别配制不同浓度没食子酸(20、40、60、80、100 μg/mL)绘制标准曲线y=6.835x+0.0254(R2=0.9996),结果以mg/g DW(干重)表示。

1.2.7 铁离子还原力(FRAP)测定 采用FRAP试剂盒,取5 μL 1.2.6中制备的上清液按照说明书进行测定,结果以μmol Fe2+/g DW表示。

1.2.8 DPPH自由基清除能力测定 将1.2.6中制备的上清液用无水乙醇分别稀释至5、10、15、25、35 mg/mL,取1 mL稀释液加1 mL DPPH(0.1 mmol/L)混匀,室温下暗处孵育30 min,无水乙醇溶液调零,517 nm波长下测定吸光度值。A0为1 mL DPPH溶液+1 mL无水乙醇,A1为1 mL DPPH溶液+1 mL相应浓度样品溶液。

式中:A0为对照实验吸光度值;A1为样品实验吸光度值。

表1 不同处理方式对糙米基本成分的影响(湿基)Table 1 Effect of US and HHP on the basic compositions of brown rice(wet base)

注:同一列不同字母表示差异显著(p<0.05),表2同。

表2 不同处理方式对糙米质构的影响Table 2 Effect of US and HHP on the texture of brown rice

1.3 数据处理

采用SAS 9.1对数据进行统计分析,结果以平均值±标准差表示,方差分析用Duncan多重比较,显著水平为p<0.05;采用SPSS 22.0进行Pearson相关系数分析;Origin 8.5绘图。所有测定除特别说明,均为3次平行。

2 结果与分析

2.1 不同处理方式对糙米基本成分的影响

不同处理下糙米的基本成分含量如表1所示。未处理样品蛋白质、脂肪、游离脂肪酸、灰分、直链淀粉、支链淀粉含量分别为6.14、2.99、0.14、1.07、13.45、74.32 g/100 g。与未处理组相比,不同处理后脂肪含量和游离脂肪酸含量没有显著差异,蛋白质、灰分、直链淀粉含量均有不同程度的降低,且超高压处理影响大于超声波处理。糙米皮层在超声波作用下产生裂痕[7],而在超高压作用下,随压强增加逐渐呈片层状,甚至发生糊粉层细胞破碎[5],从而使营养成分向外扩散,部分溶于处理水中,导致含量下降。邓云等[11]研究荞麦也有类似发现,经超高压处理后的荞麦,其蛋白质、脂肪、灰分和淀粉均显著下降。直链淀粉是影响大米食用品质的关键因素,含量越高品质相应越差,糙米经过处理后其含量降低,说明糙米品质在一定程度上得以提升。

2.2 不同处理方式对糙米吸水率的影响

不同处理后糙米吸水率如图1所示,其中未处理组为糙米浸泡30 min后的吸水率。相较于未处理组,两种处理方式均能显著提高糙米吸水率。160 W和280 W功率超声波处理样品吸水率没有显著差异,400 W功率有显著差异,吸水率为12.29%。研究表明,糙米经2000 W超声波处理30 min,其吸水率为13%[12],比本实验略高,符合吸水率随功率增大而增加的趋势。超高压处理后糙米吸水率变化与超声波类似,500 MPa处理组吸水率达15.99%,是100 MPa处理的1.05倍。Watanabe等[13]研究发现,300 MPa及以下压强对粳米吸水率影响不大,400 MPa及以上压强将显著提高粳米吸水率。两种处理相比,超高压对糙米吸水率影响更大,这主要取决于不同的作用机制。超高压处理能促使氢键形成,改变大分子结构,增强淀粉、蛋白质等与水分子的结合能力,使糙米含水量大幅度增加[13]。超声波处理使得糙米皮层变得粗糙不平,甚至产生裂纹[7],进而水分渗透。相较于单纯的水分渗透,亲水物质氢键结合水分子能力更强,故吸水率更高。

图1 不同处理方式对糙米吸水率的影响(湿基)Fig.1 Effect of US and HHP on the water absorption ratio of brown rice(wet base)注:不同字母表示差异显著(p<0.05),图2～图5同。

2.3 不同处理方式对糙米质构的影响

不同处理后糙米的质构变化如表2所示。结果表明,超声波处理和超高压处理均能够显著降低糙米硬度、胶黏性和咀嚼性(12%以上),部分处理弹性降低,而内聚性、回复性指标与未处理组没有明显差异。随着超声波功率或超高压压强的增加,糙米硬度显著下降,降幅最大分别为16.11%和18.31%。胶黏性与咀嚼性在不同功率超声处理间没有显著差异,但随超高压压强的增加而显著下降。糙米质构的变化主要受内部物质尤其是淀粉颗粒的影响,在超声波处理下,糙米皮层及内部出现裂痕,水分侵入,淀粉颗粒膨胀,相互作用力减弱,因而硬度、弹性、胶黏性和咀嚼性下降。而在超高压处理下,糙米皮层片层化[5],内部水溶性蛋白变性,淀粉液化[14],也导致了这四个指标的下降。表2中超高压处理组指标(硬度、胶黏性和咀嚼性)下降幅度大于超声波处理组,且表1中超高压处理组营养成分(蛋白质、灰分和直链淀粉)显著低于超声波处理组,说明超高压对于糙米内部物质的影响大于超声波。

2.4 不同处理方式对糙米蒸煮时间的影响

如图2所示,未处理组蒸煮时间为33.67 min,超声波处理使糙米蒸煮时间显著减少4.17～4.34 min,不同功率间没有显著差异。崔璐等[7]将糙米在25 ℃超声下处理30 min,蒸煮时间从39.6 min降至37 min,降幅2.6 min与本实验结果接近。超声波剧烈的机械作用使得糙米表面产生裂痕[7],蒸煮时水分浸入内部与内部物质充分接触,传热更均匀,淀粉糊化加快,从而蒸煮时间降低。超高压处理糙米,100 MPa和300 MPa处理降低蒸煮时间2.34 min,500 MPa处理降低3 min。尽管超高压处理在一定程度上也能造成糙米皮层及胚乳产生细小裂痕促进水分扩散[6],但根据实验结果,它对蒸煮时间的影响不如超声波大。

图2 不同处理方式对糙米蒸煮时间的影响Fig.2 Effect of US and HHP on the cooking time of brown rice

2.5 不同处理方式对糙米总酚的影响

糙米经过不同处理后总酚含量如图3所示,未处理组含量为0.65 mg/g DW,经过超声波处理,总酚含量显著下降,160、280、400 W功率下分别为0.58、0.63和0.61 mg/g DW。Fonteles等[15]也有类似发现,分别在超声波100、300和500W功率下处理哈密瓜汁6 min,其多酚含量降幅分别为30.07%、14.78%和22.26%。这可能是由于超声波空穴效应使水分子产生羟自由基与多酚反应,从而使多酚含量降低[16]。超高压处理仅100 MPa使得总酚含量略有下降,300 MPa和500 MPa处理下总酚含量和未处理样品没有显著差异,说明超高压处理比超声波处理能更好地保留总酚含量。

图3 不同处理方式对糙米总酚的影响Fig.3 Effect of US and HHP on the total phenol contents of brown rice

2.6 不同处理方式对糙米铁离子还原能力(FRAP)的影响

FRAP是衡量总抗氧化性的一个重要指标,如图4所示,未处理组FRAP值为3.43 μmol Fe2+/g DW,随着超声波功率的增加,FRAP值显著增加。160 W功率下FRAP值较未处理组增加29.45%,400 W功率下糙米FRAP值达到4.79 μmol Fe2+/g DW,增幅39.65%。超声波强烈的机械作用破坏了糙米结构,使得非酚类抗氧化物质(如γ-谷维素)提取率增强,从而抗氧化活性增强。超高压处理下糙米的FRAP也显著提高,增幅在13.41%～17.49%,不同压强间无显著差异。在超高压作用下,糙米细胞壁以及内部细胞被破坏,抗氧化组分释放到胞外更易提取,进而表现为抗氧化能力增强[17]。两种处理相比,超声波处理更能提高糙米铁离子还原能力,其FRAP值比超高压处理高出18.86%～23.14%。

图4 不同处理方式对于糙米FRAP的影响Fig.4 Effect of US and HHP on the FRAP value of brown rice

2.7 不同处理方式对糙米DPPH自由基清除能力的影响

糙米中抗氧化成分具有DPPH自由基清除能力,其衡量方式之一是半抑制浓度IC50。IC50指抑制50% DPPH自由基所需的样品浓度,其值与自由基清除能力呈反比。由图5可知,未处理组IC50为14.54 mg/mL(DW),超声波处理显著提高了糙米的自由基清除能力且280 W功率下IC50最小,为10.72 mg/mL(DW)。

表3 TPA各指标与蒸煮时间相关系数Table 3 Correlation analysis among TPA parameters and cooking time

注:**表示相关性极显著(p<0.01);*表示相关性显著(p<0.05)。超高压处理也显著提高了糙米自由基清除能力,且压强对自由基清除能力的影响是先减后增,300 MPa下自由基清除能力相对最小,IC50为12.38 mg/mL(DW)。张文佳等[18]对树莓汁进行超高压处理,发现其自由基清除能力也显著增强,与本实验一致。比较两种处理方式下糙米DPPH自由基清除能力,超声波处理最大可以降低IC50值26.27%,优于超高压处理6.81%～13.41%。

图5 不同处理方式对于糙米IC50的影响Fig.5 Effect of US and HHP on the IC50 value of brown rice

2.8 相关性分析

2.8.1 质构指标与蒸煮时间相关性分析 如表3所示,对于质构各指标,除了硬度与内聚性相关性不显著,六个指标两两间均显著相关,甚至极显著相关。蒸煮时间只与咀嚼性和回复性显著相关。

表4 抗氧化活性指标间相关关系Table 4 Correlation analysis of total phenol contents and antioxidant activity

注:*表示相关性显著,p<0.05。2.8.2 抗氧化活性指标相关性分析 如表4所示,糙米中总酚与FRAP、DPPH IC50相关性不显著(p>0.05),FRAP和DPPH IC50显著负相关(p<0.05),相关系数为-0.861。FRAP值衡量的是糙米对于三价铁离子的还原能力,DPPH IC50衡量的是糙米对于DPPH自由基的清除能力,二者都涉及氧化还原中的电子对转移,因此具有高度相关性,即糙米抗氧化能力越强,FRAP值越大,DPPH IC50值就相对越小。Min[19]针对八种不同颜色全谷粒研究表明谷粒中总酚与抗氧化性密切相关。而Adom等[20]研究却发现全谷物游离多酚与抗氧化性没有显著相关性。上述现象的差异主要是由不同品种大米抗氧化物分布的差异以及不同方法检测的机理不同引起的。

3 结论

糙米经过超声波和超高压处理后,其蒸煮品质和抗氧化活性都发生了显著改善。两种处理下直链淀粉含量减少,硬度、胶黏性和咀嚼性下降,超声波处理缩短蒸煮时间4.17～4.34 min,超高压处理缩短蒸煮时间2.34～3 min,糙米蒸煮品质均得以提升。两种处理下超高压能更好地保留总酚含量,但对于抗氧化活性,超声波处理样品的FRAP、DPPH自由基清除能力分别高出超高压处理样品18.86%～23.14%、6.81%～13.41%。相关性分析结果显示,总酚与糙米抗氧化活性关系不显著,FRAP与DPPH自由基清除力显著相关,可能存在其他抗氧化物质。综合衡量各指标,超声波处理能更显著缩短蒸煮时间,提升抗氧化活性,可作为一种潜在提升糙米蒸煮品质与营养特征的预处理方法。

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Comparative effects of ultrasound and high hydrostatic pressure treatments on cooking properties and antioxidant activity of brown rice

TAO Hong,XIA Qiang,LI Yun-fei*

(School of Agriculture and Biology,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)

In the current study,different treatments of ultrasound(160,280,400 W)and high hydrostatic pressure(100,300,500 MPa)were employed for the pretreatment of brown rice. The effects of both technologies on cooking properties and antioxidant activity were determined. The relationships among parameters were also analyzed. Results showed that hardness,gumminess and chewiness were significantly reduced(p<0.05)by over 12% in the samples with both treatments. Cooking time of ultrasound-treated samples was shorter than those treated by high hydrostatic pressure(4.17～4.34 min). The antioxidant activity was higher after all treatments. Ultrasound treated samples showed higher ferric reducing antioxidant potential(FRAP)and DPPH radical scavenging capacity,being 18.86%～23.14% and 6.81%～13.41% higher than high hydrostatic pressure treated samples,respectively. The correlation analysis indicated that cooking time was significantly correlated with chewiness and resilience(p<0.05). And a significant correlation(p<0.05)was observed between FRAP and DPPH radical scavenging capacity,whereas no significant correlation(p>0.05)was observed between total phenol contents and antioxidant ability. Therefore,the results obtained from this investigation indicate that ultrasound treatment could be used as an economical and simple pretreatment method to improve the cooking properties and nutritional value of brown rice.

brown rice;ultrasound;high hydrostatic pressure;cooking properties;antioxidant activity

2016-10-11

陶虹(1992-)，女，硕士研究生，研究方向：食品加工与保藏，E-mail:Hong_THTH@163.com。

*通讯作者:李云飞(1954-)，男，博士，教授，研究方向：食品加工与保藏，E-mail:yfli@sjtu.edu.cn。

“十二五”国家科技支撑计划(2014BAD04B08)。

TS201.4

A

1002-0306(2017)10-0091-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.10.010