外源物理场诱导技术在发芽糙米生产中的应用研究

于淼 张良晨 周玥彤 石太渊

摘要：根据国内外相关研究结果，总结不同外源物理场诱导对发芽糙米发芽率、营养成分和功能因子的影响和作用机理，探讨外源物理场诱导糙米发芽食品开发的研究方向，为发芽糙米的进一步开发利用提供参考。

关键词：外源物理场;糙米;发芽;诱导;机理

中图分类号：S121    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2021）04-0054-03

糙米是稻米砻谷脱壳后的产物，完整保留稻米的营养成分，富含一些能够促进人体健康的功能性微量成分，如γ-氨基丁酸、谷胱甘肽、谷维素、阿魏酸、植物甾醇、酚类物质等。糙米发芽后能够激活内源酶活性，使一些大分子物质部分降解，富集一些功能性微量成分，降低或消除糙米中的有害物质或抗营养物质。大量的研究表明，植物种子在经过外源物理场诱导后，活力大大增强，发芽率大幅提高，功能活性成分大量增加，且功能活性成分的富集时间缩短。当前，通过外源物理场诱导调控糙米发芽，已经成为功能性糙米发芽食品开发的研究热点。根据国内外相关研究结果，总结不同外源物理场诱导对发芽糙米发芽率、营养成分和功能因子的影响和作用机理，探讨今后的研究方向，以期为发芽糙米的进一步开发利用提供参考。

1 糙米在发芽过程中营养品质的变化

在糙米发芽过程中，会发生各种化学物质转化和理化性质改变：淀粉和蛋白质等大分子物质被部分解，氨基酸组成发生改变;某些成分如还原糖、限制性氨基酸、功能因子的含量增加。此外，糙米籽粒原有的抗营养物质被降解，食用品质和营养品质得到有效改善。

1.1 功能因子的富集

发芽糙米中的γ-氨基丁酸（GABA）是一种功能性微量成分，广泛分布于动植物体内，直接参与生物体代谢活动。GABA对人体有重要的生理作用，可以通过调节人体中枢神经系统达到降低血压、舒缓血管的作用，具有镇静神经、调节心情，改善睡眠的功效。目前的研究已经证实，GABA能够降低肿瘤细胞中端粒酶的活性，从而抑制肿瘤细胞的进一步扩散。

糙米发芽过程中，GABA的合成酶谷氨酸脱羧酶活性被激活，加之蛋白质水解GABA的前体物质谷氨酸的含量增加，使糙米发芽后的GABA含量是未发芽前的2～3倍。六磷酸肌醇（IP6）是一种糖分子，具有强大的抗氧化功能，能够抑制人体内脂质发生过氧化反应，具有降低人体血脂、预防心脏病发作、抑制癌细胞增殖的功效。糙米发芽后的IP6含量可大幅度增殖。谷胱甘肽（GSH）是一种短肽，结构中有3个氨基酸分子，能够有效提高细胞活力。发芽可使糙米的GSH含量提高3倍以上。同时，发芽糙米的总酚类物质提高63.2%，抗氧化活性明显提高。

1.2 抗营养物质的降解

糙米籽粒内所含的一些矿物质元素如Fe，Ga，Mg大都与植酸结合在一起，以植酸盐的形式存在，人体不易消化吸收。在糙米发芽过程中，植酸酶被激活，植酸盐被部分降解，使这些人体必需的矿物质元素呈游离态，消化吸收率大大提高。同时，发芽激活糙米中某些内源酶，使所含的一些抗营养物质如植酸、蛋白质抑制剂的浓度降低，蛋白质消化率和生物利用率增加，从而使营养品质显著提高。

2 外源物理场诱导技术在糙米发芽生产中的应用

植物种子发芽受多种外在因素影响，如发芽温度、发芽时间、可见光、外源激素、外源物理场等。调控影响糙米发芽的外在因素，可有效提高发芽糙米的食用品质和营养品质。外源物理场诱导糙米发芽技术是一种新兴的发芽糙米生产辅助技术，为一种非热处理技术，包括超声波诱导技术、微波诱导技术、外电场诱导技术、脉冲强光诱导技术等。

2.1 超声波诱导技术

超声波作为一种高效、无毒、环保的物理诱导方法，广泛用于促进植物种子发芽。调整超声波的频率、功率、诱导时间和诱导温度，能改变糙米的生理活性，促进其发芽和功能因子富集。在超声波的作用下，植物细胞的细胞壁与液体介质产生多种物理性的机械效应，使植物细胞的物理结构得到改变，水分进入植物细胞的速度加快。此外，超声波的振荡会导致植物种子种皮破碎，促进休眠种子的水合作用。这不仅能提高种子吸水率，而且通过空化和能量传输有效改变酶分子结构，促进酶活性激发和胚萌发。超声波诱导还可以改变植物细胞壁结构，促进细胞壁酶的释放，并增强种子的生理代谢速度，进而提高生物活性物质的含量和抗氧化活性。

超声波诱导处理对糙米发芽的影响研究表明，在46 kHz功率条件下处理5～15 min，糙米发芽率可提高4.2%～6.5%，发芽时间比未经超声波诱导处理的短15%～20%，芽长增加15%。进一步的研究表明，调节培养液pH 6.0，在超声波温度40 ℃、频率30 kHz的条件下处理糙米16 min，得到的发芽糙米GABA含量比未经超声波诱导处理的高37.6%，且核黄素、磷酸乙醇胺和葡萄糖-6-磷酸的含量也顯著增加。

2.2 微波诱导技术

微波诱导处理可以对植物种子产生生物性质的非热效应。当微波能量与生物组织相互作用时，微波辐射会改变细胞膜表面的电荷密度和细胞膜两侧的电位差，从而影响细胞离子通道的活性，进而促进植物种子发生一系列生理变化。

据报道，微波能使种子的种皮产生大量的裂缝网络，加快种子的吸水速度。种子吸收微波能量后，细胞内的温度迅速升高，当其内压超过细胞壁膨胀能力后导致细胞壁破裂，有效成分自由流出。可溶性物质穿透细胞生物膜后，改变生物大分子结构，影响植物细胞的生理生化特性。

微波诱导处理对糙米发芽的影响研究表明，微波处理功率过强，不利于糙米的发芽和功能因子的富集，而低功率微波辐射对糙米的发芽率、根长、功能因子富集有益。糙米经过460 W的微波处理10 s后，发芽率提高21%，GABA含量提高19.6%。

2.3 外電场诱导技术

外电场诱导处理对植物的影响取决于电场的大小和性质，其中低磁密度的静电场对种子萌发具有积极作用。外电场不仅影响生物体本身，而且影响生物体的生长环境，例如水和生长介质。

外电场能增强植物种子种皮的渗透性，加快水分和氧气进入种子内部的速度。研究发现，外电场可以激活环核苷酸磷酸二酯酶和细胞色素C氧化酶的活性，通过改变植物激素浓度并诱导DNA合成（或转移）来改变种子的生物功能。研究表明，以200 kV/m的外电场处理糙米10 min后再发芽，发芽率可提高25%，α-淀粉酶活性提高125%，游离氨基酸含量提高90%，GABA含量提高14.2%。

2.4 脉冲强光诱导技术

脉冲强光是一种高能量宽频谱的脉冲白光，对食品表面的部分微生物有很强的杀灭效果。研究发现，应用脉冲强光对糙米灭菌可激活糙米中一些内源酶（如谷氨酸脱羧酶、蛋白酶、α-淀粉酶），且GABA含量可大量增殖。但目前尚不清楚脉冲强光促进糙米发芽和功能性成分富集的机理。

脉冲强光诱导糙米发芽的控制因素包括单次脉冲能量、闪照次数和照射距离。脉冲强光单次脉冲能量大于500 J时，不利于糙米发芽。在单次脉冲能量400 J、闪照次数300次的条件下，糙米中的α-淀粉酶活力增强2.87倍，蛋白酶活力增强1.30倍，谷氨酸脱羧酶活力增强2.16倍。糙米浸泡12 h后进行脉冲强光诱导处理，在单次脉冲能量400 J、闪照距离11.3 cm的条件下闪照277次，发芽糙米的GABA含量对比未经过脉冲强光诱导处理的增长75.72%，发芽时间缩短22.67%。

3 结语

当前，以物理场诱导技术作为糙米发芽辅助技术的研究较多，但主要集中在工艺技术方面，对促进糙米发芽和营养品质改善的研究非常有限。糙米经发芽后在一定程度上能改善口感与风味，但其食用品质仍不及精白米，是限制其消费的主要因素。因此，探索改善发芽糙米食用品质的加工方式和工艺，是用物理场诱导技术开发发芽糙米产品的主要趋势。另外，糙米发芽外源物理场诱导设备大多是研究机构自制或定制的，市面上缺乏应用于工业生产的专用设备，因此相关设备的研究与开发将是研发重点。

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Research Progress on the Application of Exogenous Physical Field Induction

Technology in Production of Germinated Brown Rice

YU Miao1， ZHANG Liangchen1*， ZHOU Yuetong2， SHI Taiyuan1

（1. Food and Processing Research Institute， Liaoning Academy of Agricultural Sciences， Shengyang 110161， China; 2. College of Food Science， Shenyang Agricultural University， Shengyang 110866， China）

Abstract： According to the relevant research results at home and abroad， this paper summarized the influence and action mechanism of different exogenous physical field induction on the germination rate， nutrients and functional factors， and discussed the research direction of exogenous physical field induction brown rice germination food development， in order to provide reference for the further development and utilization of germinated brown rice.

Key words： exogenous physical field; brown rice; germination; induction; mechanism