鲜食水稻水溶性膳食纤维理化性质和抗氧化活性研究

曲鹏宇，李丹，李志江，*，周义，张东杰，*

（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江大庆163319；2.黑龙江省农产品加工与质量安全重点实验室，黑龙江大庆163319）

黑龙江省是我国水稻种植和加工最大地区之一，2017 年黑龙江地区水稻种植面积为4 987.5 万亩，总产量达2 377.4 万吨，是全国重要的商品粮生产加工基地[1]。目前，水稻主要产品形式为稻米，其加工过程中产生的副产物，如叶片、茎和壳等，大部分用作饲料或者初级食品加工原料，探索这些副产物的加工可以拓展水稻产品的市场。

张康逸等[2]认为鲜食全谷物可以最大程度保留谷物的营养和生物活性，如鲜食玉米是指乳熟期后收货的玉米，具有较高的营养特性。周义等[3]则探讨了鲜食水稻的定义，是指鲜嫩籽粒或取食乳熟期的新鲜果穗的水稻，因此，在乳熟期至蜡熟初期收获的水稻可以定义为鲜食水稻。乳熟期的水稻灌浆后其营养物质逐渐积累，蜡熟期后籽粒内部开始成熟且籽粒逐步变硬，营养成分发生很大变化[4]。膳食纤维（dietary fiber）作为人类第七种营养素，可有效地提升膳食质量，对饮食结构改善有较好的促进作用。膳食纤维按照其水溶性特点不同，可以分为水溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）和水不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）两大类，水溶性膳食纤维具有较好的抗氧化和降血脂等活性[5-7]。国内外对于可溶性膳食纤维研究较为广泛，但还没有鲜食水稻SDF 的研究报道，本文以黑龙江水稻综合利用为研究目的，开展鲜食水稻SDF 功能机制研究，特别是其理化结构和抗氧化活性的深入研究，可为稻米产品新品种开发和水稻增值利用提供理论和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

鲜食水稻龙粳31 号：黑龙江省鹤岗市萝北名山农场；自由基测试试剂盒、抑制与产生超氧阴离子自由基测定试剂盒、总抗氧化能力（total-anti oxidant capacity，T-AOC）检测试剂盒：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；其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器设备

GDE-CSF 意大利VELP 膳食纤维测定仪：北京盈盛恒泰科技有限公司；TGL16B 型台式离心机：上海安亭科学仪器厂；RE-2000A 型旋转蒸发器：上海亚荣生化仪器厂；TU-1810 型紫外可见分光光度计：北京普析通用仪器有限责任公司；YB-1000A 型高速多功能粉碎机：永康市速锋工贸有限公司；实验室FE20 pH 计：梅特勒-托利多仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 鲜食水稻SDF 提取与各指标含量的测定

分别采集乳熟期（前、中、后）、蜡熟期和完熟期共计5 个水稻样品，对鲜食水稻5 个时期的叶片、茎秆、壳、籽粒进行预处理，具体步骤参考黄萍提取米糠SDF方法[8]。蛋白质含量测定采用凯氏定氮法（GB/T5009.5-2016《食品安全国家标准食品中蛋白质的测定》），脂肪含量的测定采用索氏抽提法（GB/T5009.6-2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》），膳食纤维含量的测定采用酶重量法（GB/T5009.88-2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》），水分含量的测定重量法（GB/T5009.3-2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》），灰分的测定灼烧法（GB/T5009.4-2016《食品安全国家标准食品中灰分的测定》）。

1.3.2 鲜食水稻SDF 理化特性测定

1.3.2.1 持水力测定

精确称取1.0 g 鲜食水稻SDF 样品，置于50 mL离心管中，向离心管中加入20 mL 的去离子水，振荡混合后放在4 ℃条件下24 h，将样品于4 200 r/min 离心处理 15 min 后称重[9]。

1.3.2.2 持油力测定

精确称取1.0 g 鲜食水稻SDF 样品，置于50 mL离心管中，向离心管中加入10 mL 大豆油，振荡混合后放在4 ℃条件下24 h，将样品于4 200 r/min 离心处理15 min 后称重。

1.3.2.3 膨胀力测定

精确称取0.2 g 鲜食水稻SDF 样品，置于带刻度的试管中，加入5 mL 的蒸馏水，振荡混合后放在4 ℃条件下18 h，准确记录溶胀后吸收的体积。

1.3.2.4 结合水力测定

精确称取0.1 g 鲜食水稻SDF 样品，浸泡于25 mL的蒸馏水中，离心机离心1 h，转速为4 000 r/min，去除上清液。将残留物在G-2 砂芯坩埚中静置1 h，称取该残留物质m1，之后将残留物放置120 ℃下干燥2 h 后再次称量m2，两者差值即为所结合水的质量[10]。

1.3.2.5 阳离子交换能力

精确称取300.0 mg 鲜食水稻SDF 样品，溶解于30 mL、0.01 mol/L 的盐酸中，4 ℃条件下过夜，用0.1 mol/L NaOH 溶液滴定，记录消耗的碱液体积和pH值变化，以不加样品的30 mL 0.01 mol/LHCl 溶液为空白对照[11]。

1.3.2.6 红外光谱分析

精确称取干燥的鲜食水稻SDF 样品，利用傅里叶变换红外光谱仪进行红外区扫描，测定红外光谱曲线[12]。

1.3.3 抗氧化活性的测定

准确称取DPPH 0.002 6 g，用无水甲醇稀释，测吸光度使其在517 nm 处吸光度为0.600±0.02，作为对照。测定时，参照Sun T 等[13]方法进行，混匀后进行避光孵育30 min 后测定吸光度，计算其DPPH 清除率；羟自由基清除能力、抗超氧阴离子自由基和总抗氧化能力（T-AOC）测定，均按照试剂盒说明书进行操作。

1.4 数据处理

所有试验均重复3 次，数据处理主要采用SPSS 20软件对数据进行显著性分析、GraphPad Prism 5 和Photoshop 等软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 鲜食水稻成熟过程中水溶性膳食纤维含量测定结果

水稻从乳熟前期至成熟期过程中，叶片、茎、壳和籽粒部位的SDF 含量测定可以为鲜食水稻膳食纤维的营养和应用提供数据基础。鲜食水稻在各部位的SDF 测定结果如表1 所示。

表1 鲜食水稻不同时期不同部分SDF 含量测定结果Table 1 Results of SDF contents of fresh rice in different sections at various stages

乳熟中期的鲜食水稻茎、叶、壳、籽粒中的SDF 含量均显著高于相同部位的其他各成熟时期（p＜0.05），随着生长时间的延长则SDF 含量逐渐降低。其中，茎中SDF 含量最高为3.40%，成熟期籽粒最低为0.50%；乳熟前期至中期，水稻处于旺盛的生长时期，水溶性膳食纤维结构松散含量逐渐增加，而从乳熟后期开始则干物质逐渐累积，松散的SDF 逐渐聚合成大分子物质，导致含量开始下降。总体上，茎、叶片和壳中SDF含量均高于籽粒。本研究首次报道了水稻成熟过程中的SDF 累积变化规律，可从乳熟中期选择不同部位提取SDF 进行研究和应用，尤其是乳熟中期叶片、茎和壳中SDF 的深入研究，可在利用籽粒的同时，拓展水稻加工副产物部位进行深加工应用。

2.2 鲜食水稻SDF理化性质测定结果

对鲜食水稻不同部位的SDF 进行持水力、持油力、结合水力和膨胀力等理化特性指标测定，如图1所示。

鲜食水稻乳熟中期和成熟期SDF 主要表现为持水力和结合水力较强。成熟期壳中的SDF 持水力最强为3.54 g/g，成熟期茎中的SDF 持油力能力较强为1.98 g/g，乳熟中期叶片中的SDF 结合水力最强为3.74 g/g 且高于籽粒0.66 g/g，成熟期茎中的SDF 膨胀力最强为2.28 mL/g。

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

与其他产品SDF 相比，乳熟期鲜食水稻茎、叶片、壳和籽粒的SDF 持油能力低于花粕和小麦麸皮[14-15]，但高于苦荞麸皮和花生壳膳食纤维，与米糠SDF 相近[10，16]。因此，鲜食水稻SDF 具有良好的理化性质，可以为后续产品开发提供理论依据。例如，持水力强的膳食纤维进入人体肠道之后，会迅速的和肠道内所含有的水分结合，使反应后的膳食纤维充满肠道而增强饱腹感，适于减肥人群食用[17-18]。

2.3 鲜食水稻SDF阳离子交换能力分析

膳食纤维中有很多特征性基团，例如羟基、羧基和氨基等，这些基团与人体肠胃内的铁、钙、铜、汞和镉等二价金属阳离子结合，表现出相应的阳离子离子交换能力，并通过缓冲体系提高了机体消化能力和清除重金属能力，有利于机体健康[19-20]。鲜食水稻乳熟中期和成熟期阳离子交换能力见图2。

由图2 可知，乳熟中期和成熟期的鲜食水稻不同部位的SDF 均具有较强的阳离子交换能力，与文献报道比较，图中曲线的斜率越小表示阳离子交换能力越强[21]。乳熟中期和成熟期叶片中的SDF 阳离子交换能力最强，溶液滴定至终点所消耗NaOH 溶液的体积分别为30.92 mL 和26.62 mL。乳熟中期和成熟期的籽粒的阳离子交换较弱，溶液滴定至滴定终点所消耗的NaOH 溶液体积分别为23.70 mL 和24.20 mL。鲜食水稻SDF 这种较强的阳离子交换能力，对液体环境中pH 值的改变能起到一定稀释缓冲的作用，具有较好的应用前景。

图2 鲜食水稻乳熟中期和成熟期阳离子交换能力Fig.2 Cation exchange capacities fresh rice in medium-and mature-terms

2.4 鲜食水稻SDF红外光谱分析

根据膳食纤维典型基团的红外特征吸收峰可以进行基团鉴别，并通过吸收峰位移和吸收强度识别或推断出其结构[22]。鲜食水稻SDF 的傅里叶红外光谱图见图3。

图3 鲜食水稻SDF 的傅里叶红外光谱图Fig.3 Fourier infrared spectrum of fresh rice SDF

如图3 所示，鲜食水稻茎、叶、壳、籽粒在乳熟中期和成熟期主要吸收峰和化学键总体呈现相似趋势。因鲜食水稻纤维素和半纤维分子中富含羟基基团，在3 423 cm-1处出现H 键缔合键峰，在2 938 cm-1显示糖环或支链上的C-H 峰，在1 636 cm-1处呈现木质素中苯环的特征吸收峰，1 081 cm-1～1 102 cm-1处为糖环CO-C 的C-O 伸缩振动吸收峰。鲜食水稻籽粒SDF 在1 652 cm-1处出现了酰胺I 带的酰胺特征吸收峰，是木质素的特征吸收峰，在1 538 cm-1处呈现仲酰胺基的酰胺Ⅱ吸收带，说明鲜食水稻籽粒中SDF 还含有少量蛋白质。壳中在1 659.61 cm-1处还出现了羧基-COOH 的特征峰，表明样品中含有糖醛酸。619 cm-1处附近是糖分子中β-型的C-H 直立键的变角振动吸收峰[12-14]。因此，鲜食水稻乳熟中期和成熟期之间的各部位SDF 结构很相似，但吸收峰强度则存在一定的差异，可能因为SDF 含量差异和结合度不同所导致的[23]。

2.5 鲜食水稻SDF体外抗氧化能力分析

乳熟中期和成熟期鲜食水稻SDF 抗氧化能力见表2 和表3。

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

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

2.5.1 鲜食水稻SDF 清除DPPH 自由基能力结果分析

DPPH 自由基的累积与抗衰老直接相关，可以通过食用水稻膳食纤维或将其添加到食品中，通过膳食纤维清除机体自由基和抗氧化效果调整机体功能[24]。如表2 和表3 可知，与菊糖比较，乳熟中期和成熟期鲜食水稻SDF 清除DPPH·显著低于菊糖（p＜0.05）。乳熟中期的茎和叶片SDF 清除DPPH·能力最强，清除率分别为88.87 %和88.50 %，乳熟中期籽粒SDF 清除DPPH·能力最弱仅为59.09%。成熟期鲜食水稻各部分SDF 清除能力差异不大。与其它SDF 相比，鲜食水稻SDF 清除能力明显高于花生壳和米糠膳食纤维[8，10]。

2.5.2 鲜食水稻SDF 清除羟自由基能力

羟自由基作用于体内蛋白质、核酸、脂类等生物分子，造成细胞结构和功能受损，进而导致体内代谢紊乱引起疾病，可通过摄食膳食纤维进行调整，以保护机体健康[25]。由表2 和表3 可知，菊糖的清除羟自由基能力显著高于其他试验组（p＜0.05），各试验组中，成熟期鲜食水稻叶片的SDF 清除羟自由基能力达到254.34 U/mL，清除能力最强。成熟期壳中的SDF 清除能力最弱为147.90 U/mL，除菊糖试验组外，4 组样品组内抗氧化能力均存显著性差别（p＜0.05）。与其它来源的SDF 相比，鲜食水稻茎、叶中的SDF 清除羟自由基能力高于豆渣膳食纤维[26]和柚皮多糖[27]。

2.5.3 鲜食水稻SDF 总抗氧化能力结果分析

机体防御体系的抗氧化能力强弱与健康程度存在着密切的联系，各类文献也指出膳食纤维具有较好的抗氧化能力[28-29]。由表2 和表3 可知，菊糖的总抗氧化能力为2.55 U/mg，乳熟中期和成熟期鲜食水稻叶中的SDF 总抗氧化能力最强，最弱为籽粒中的SDF，分别为1.87 U/mg 和0.52 U/mg；乳熟中期的茎、叶、壳和籽粒中的SDF 均比成熟期相同部位的总抗氧化能力强，除菊糖实验组外，4 组样品组内抗氧化能力均存显著性差别（p＜0.05）。张智猛等[30]对花生籽仁进行抗氧化研究，鲜食水稻与其相比总抗氧化能力强于花生籽仁。

2.5.4 鲜食水稻SDF 抗超氧阴离子能力结果分析

超氧阴离子自由基也是一种活性很强的氧自由基，与羟自由基一样，可以与氨基酸、蛋白质、脂类发生氧化反应，当反应体系中加入鲜食水稻SDF 后能清除产超氧阴离子自由基，依据生产有色物质和吸光值变量关系，可以评价其对超氧阴离子自由基的清除效果[31]。由表2 和表3 可知，菊糖的超氧阴离子自由基最强为858.33 U/L，成熟期水稻叶中的SDF 清除能力最强为658.65 U/L，籽粒最弱为150.44 U/L，呈现出与清除总抗氧化能力相同的趋势。

3 结论

本研究首次报道了水稻成熟过程中的SDF 累积变化规律，乳熟中期的鲜食水稻茎、叶、壳、籽粒中的SDF 含量均显著高于相同部位的其他各成熟时期（p＜0.05），乳熟期茎中SDF 含量最高而成熟期籽粒最低，为鲜食水稻水溶性膳食纤维食品及营养开发提供了数据基础。鲜食水稻的乳熟中期和成熟期SDF 主要表现在持水力和结合水力，茎和叶中的SDF 的基础理化性质优于壳和籽粒。乳熟中期和成熟期鲜食水稻SDF具有较强的阳离子交换能力，叶片阳离子交换能力最强，籽粒的阳离子交换较弱。通过红外分析鲜食水稻茎、叶、壳、籽粒乳熟中期和成熟期分子间结构和组成差别不大。机体防御体系的抗氧化能力强弱与健康程度存在着密切的联系，SDF 有很好的清除体内自由基的作用。体外抗氧化能力测定可以总结出鲜食水稻茎秆和叶片在乳熟中期和成熟期清除自由基能力较强，壳和籽粒最弱。相同时期之间各部分SDF 的抗氧化能力呈显著性差异。

根据鲜食水稻的理化和抗氧化等营养特性，可以将鲜食水稻SDF 应用于食品生产的强化剂，提高传统食品抗氧化和功能，以利于人类的营养与健康。在考虑鲜食水稻籽粒和其他营养成分应用的同时，可利用其茎、叶、壳和籽粒中的SDF 进行水稻新产品的开发，也应考量基于农艺产量和机械作业方面综合衡量开发的经济价值和保健价值。