超声波辅助处理对发芽糙米营养及食用品质的影响

朱 创，杨 丽，肖登荣，肖 斌，聂 攀，钟苓玥，宋立华,

（1.上海交通大学农业与生物学院, 上海 200240；2.上海瀛丰五斗生态农业发展有限公司, 上海 202179）

发芽处理作为可有效改善谷物和豆类等食品营养特性及食用品质的加工工艺，其成本低且简便易行[1]。种子萌芽过程在酶的作用下会使谷物或豆类食品中的维生素、膳食纤维、蛋白质、氨基酸等基本营养成分的含量有所增加[2]，但处理工艺不同基本营养成分的变化不同；糙米发芽处理还可有效富集γ-氨基丁酸（GABA）等功能活性成分，使发芽糙米的营养价值高于普通糙米和白米[3]，但与普通白米相比，发芽糙米的食用口感仍有待于改进。此外，除GABA外，如何改进发芽工艺以进一步提高发芽糙米中其他活性成分的含量也值得深入研究。

黄酮类化合物是植物性食品中重要的功能活性成分之一。超声波作为一种重要的物理辅助加工技术在黄酮等活性成分的提取方面应用广泛，如利用超声波辅助提取黑米、红麦麸皮及发芽糙米中的黄酮成分，可有效提高提取率[4-6]。在发芽谷物加工方面，卞紫秀等[7]利用超声波辅助处理（320 W，30 min，29 ℃）加工发芽苦荞，发现其不但可有效促进苦荞麦种子的萌发，还可显著增加苦荞芽苗中黄酮类物质的含量；程威威等[8]利用超声波处理（59 kHz，8 h）发芽糙米，发现其可显著增加糙米发芽率。目前，利用超声波辅助技术加工发芽糙米，对功能成分的富集作用研究大多围绕GABA展开[9-11]，但针对黄酮的富集作用研究尚不多见；已有研究结果表明对于不同的谷物，当超声工艺条件不同时，对黄酮成分的富集效果也有所不同；此外，超声波辅助加工对发芽糙米加工及品质改善的相关研究较少。因此，本研究利用超声波辅助技术加工发芽糙米，首先以总黄酮含量为主要考核指标对超声工艺参数进行优化，在此基础上进一步分析超声波辅助处理对发芽糙米基本营养成分、米糠微观结构、糊化性质及质构特性的影响，为改善发芽糙米的功能营养特性及加工食用品质提供可参考的方法。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

糙米 南梗9108，初始湿基含水量为12.63%±0.81%，由上海光明集团瀛丰五斗生态农业有限公司提供；次氯酸钠、乙醇、三氯化铝、乙酸钾 均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；芦丁 萨恩化学技术（上海）有限公司；体外抗氧化试剂盒 南京建成生物科技有限公司。

DHG-9071A电热恒温干燥箱 上海精宏实验设备有限公司；LRH-150培养箱 上海一恒科学仪器公司；200T高速多功能磨粉机 永康市利阳电器有限公司；THC型数控超声波提取机 济宁天华超声电子仪器有限公司；Multiskan FC型酶标仪Thermo Fisher（上海）仪器有限公司；VFD-2000 冷冻干燥机 上海比郎仪器制造有限公司；50T ES plus高真空镀膜仪 英国Quorum公司；拉曼图像-扫描电子显微镜联用仪 捷克TESCAN-MAIA3公司；差式扫描量热仪 德国Netzsch公司；TA-XT Plus型质构仪 英国Stable Micro Systems公司。

1.2 实验方法

1.2.1 发芽糙米的制备 称取经挑选、除杂、饱满的糙米约400 g，漂洗干净后，用0.1%的次氯酸钠溶液浸泡15 s对其表面消毒，冲洗干净后加纯水浸泡，置于恒温培养箱中。浸泡期间每隔2 h更换一次水，浸泡结束后将糙米放入恒温培养箱中萌发。浸泡条件：29 °C，13 h，结束时种子露白；萌发条件：29 °C，24 h，结束后种子芽长约1 mm。收集发芽糙米，参考杨丽等[12]的方法，对发芽糙米经50 °C干燥1 h后磨粉，80目过筛得到实验用糙米粉。

1.2.2 超声波处理方法 实验参考Yaldagard等[13]的超声参数。实验分别采用糙米浸泡前超声处理和浸泡后超声处理，浸泡前超声处理操作如下：将清洗干净的糙米装进塑封袋中，超声处理，超声结束后按照1.2.1中的条件浸泡、发芽。浸泡后超声处理操作如下：将浸泡13 h后的糙米装进塑封袋中，进行超声处理，超声结束后按照1.2.1中的条件发芽。

超声处理条件为：a.160 W功率下分别处理5、15和25 min；b.280 W功率下分别处理5、15和25 min；c.400 W功率下分别处理5、15和25 min。

1.2.3 总黄酮含量的测定 采用Guan等[14]的方法并作改动，具体如下：称取2 g糙米粉末，加入10 mL 50%乙醇水溶液超声提取40 min，4000 r/min离心10 min后取5 mL上清液，加入2 mL三氯化铝溶液（0.1 mol/L），反应8 min后再加3 mL乙酸钾溶液（1 mol/L），用50%乙醇水溶液定容至10 mL，摇匀，室温下反应30 min后于420 nm波长处测定吸光度值。总黄酮含量以芦丁当量表示（mg/100 g）。

1.2.4 发芽势和发芽率的测定 参照Guan等[14]的方法，按如下公式计算发芽势和发芽率：

1.2.5 基本营养成分的测定 含水量采用国标法-直接干燥法[15]；蛋白质、脂肪、淀粉、维生素、膳食纤维[16-21]采用国标法测定。

矿物质元素参照国标法[22]测定，并稍作改动：称取糙米粉1.00 g于坩埚中，小火加热，炭化至无烟，转移至马弗炉中，于550 ℃灰化3 h，至试样呈白灰状，冷却，取出，用适量硝酸溶液溶解并用水定容至10 mL。利用ICP-AES法分析测定，外标法定量。

1.2.6 超微结构的测定 冷冻干燥处理样品24 h后，用导电胶将干燥后的样品固定在金属载物台上，利用高真空镀膜仪喷金30 s后用电子扫描显微镜扫描样品表面并拍照。

1.2.7 热物性的测定 取2 mg样品，按1:2（质量比）加入纯水，密封后于4 ℃放置24 h，用差式扫描量热仪进行测定。扫描温度由20 ℃上升至100 ℃，扫描速率为10 ℃/min，载气为氮气，氮气流速为20 mL/min。以空坩埚作为对照，记录并计算吸热曲线上的起始温度（To）、峰值温度（Tp）、终止温度（Tc）热焓（ΔH）。

1.2.8 质构的测定 参照宋伟等[23]的方法，测定煮后发芽糙米的质构，具体如下：加12 mL水于10 g糙米中，蒸锅中加适量水，置于电磁炉上蒸煮40 min后关火焖10 min，待冷却至室温后，随机取6粒米进行硬度、黏着性、弹性和黏度的测定。参数：探头P/50、触发点10 g、压缩比例75%、下降速度10 mm/s、测试速度0.5 mm/s、测试后速度5 mm/s。

1.3 数据处理

每组实验均平行3次，结果以“平均值±标准差”表示，方差分析采用LSD法，P＜0.05视为有显著性差异；数据处理软件使用Excel 2016和IBM SPSS Statistics 25，绘图使用 GraphPad Prism 8.2.1。

2 结果与分析

2.1 超声波辅助发芽糙米工艺的建立

本实验结果表明超声波辅助处理顺序对发芽糙米总黄酮的含量有一定影响，结果如图1所示。采用先超声后浸泡处理工艺时，当超声功率为160和280 W时，随着超声处理时间的增加，发芽糙米的总黄酮含量先下降再升高；当超声波功率为400 W时，随着超声处理时间的增加，发芽糙米的总黄酮含量先升高后下降，其中400 W超声15 min条件下，发芽糙米的总黄酮含量达到最大值203.61 mg/100 g。

图1 超声波顺序对发芽糙米总黄酮含量的影响Fig.1 Effects of ultrasonic sequence on the total flavonoid contents of GBR

采用先浸泡后超声处理工艺时，当超声功率为160 W时，发芽糙米的总黄酮含量均显著高于先超声后浸泡组（P＜0.05）；且与280和400 W的超声波处理组相比，160 W超声波处理的发芽糙米总黄酮含量最高，超声处理25 min时达到最大值218.17 mg/100 g。这可能是因为先浸泡再进行超声波适当处理，能在促使种皮软化的基础上，利用超声波的机械效应改变细胞壁结构和细胞膜通透性，从而促使黄酮类物质的释放[24]。此外，还有研究表明超声波处理能提高苦荞种子中与黄酮类物质合成相关的苯丙氨酸解氨酶（PAL）的活性[25]，这可能也是超声波辅助处理使黄酮含量有所增加的原因。

鉴于上述黄酮的变化情况，本研究后续实验均选择将糙米先浸泡13 h后再用160 W超声处理25 min作为优化超声辅助处理参数，并进一步研究超声波辅助对发芽糙米基本营养成分及其食用和加工品质的影响。

2.2 超声波辅助处理对发芽糙米发芽势、发芽率及总黄酮含量的影响

糙米发芽势和发芽率结果如图2A所示，超声波辅助糙米发芽组发芽势为65.82%（P＜0.01），发芽率为 75.02%（P＜0.05），较未超声处理组分别增加了19.60%和4.66%。这可能与超声波可以促进谷物代谢，加快细胞吸水膨胀从而使种子发芽速率增加有关[26-27]。

总黄酮含量如图2B显示，超声波辅助处理组发芽糙米组总黄酮含量较未发芽糙米组和未超声处理组分别显著增加了 415.49%和 48.11%（P＜0.01）。已有研究表明，超声波可使类黄酮生物合成相关基因查耳酮合成酶（CHS）等的表达增强[28]；另外，超声波处理还可提高苯丙氨酸解氨酶（PAL）的活性，PAL是类黄酮合成代谢过程中的关键限速酶，其活性增加有利于黄酮类物质的合成[25]。

图2 超声波辅助后发芽糙米发芽势、发芽率（A）及总黄酮含量（B）的变化Fig.2 Changes of germination potential, germination rate(A)and total flavonoid contents(B) of GBR-U

2.3 超声波辅助处理对发芽糙米基本营养成分及矿物质含量的影响

各组发芽糙米基本营养组分结果如表1所示。与BR相比，GBR中蛋白质、淀粉和不溶性膳食纤维含量有所降低（P＜0.05）；烟酸显著升高 4 倍（P＜0.05）；脂肪、维生素B1、B2及可溶性膳食纤维含量无显著变化（P＞0.05）。而与GBR相比，GBR-U组发芽糙米中蛋白质和维生素B2含量分别显著升高20.54%和110.94%（P＜0.05），而维生素B1和不可溶性膳食纤维分别显著降低32.40%和16.13%（P＜0.05）。有研究表明，超声波处理可以提高发芽糙米中可溶性蛋白质含量，这可能是由于超声波处理能促进植物体细胞和原生质蛋白质的积累[29-30]。超声波还可使种子内部温度升高，酶活力上升，物质的分解和转换速率加快，有利于内部细胞的生长，贮藏在其中的脂肪可作为营养物质转换成糖类，因此表现为脂肪含量下降而淀粉含量升高[31]。此外，超声波可以破坏细胞壁，加速膳食纤维的分解[32]，而细胞壁的软化可促进种子发芽，因此也可以促进发芽率和发芽势的增加，这进一步验证了上述关于GBR-U组糙米发芽势和发芽率的结果。

表1 超声波辅助处理对发芽糙米基本营养成分的影响Table 1 Effects of ultrasonic-assisted treatment on the basic nutritional components of GBR

此外，发芽糙米中矿物质元素含量分析如表2所示。结果表明，与BR相比，GBR组发芽糙米中钙的含量显著升高12.22%（P＜0.05），而钾的含量显著降低7.18%（P＜0.05）。与GBR组发芽糙米相比，超声波辅助处理可使发芽糙米中钾、磷、锰和锌分别显著升高43.90%、35.91%、46.57% 和35.28%（P＜0.05），而钠和钙分别显著降低39.45%和15.33%（P＜0.05）。关于矿物元素的上述变化，一方面可能是由于种子发芽时，胚芽的生长需要矿物质，矿物质可作为辅助因子协助催化蛋白质和碳水化合物的分解和利用，造成部分矿物质被消耗[33]；另一方面是由于种子中的无机物大部分是与有机物结合的形式存在，随着种子的萌发而转变成游离态[34]。此外，利用超声波处理，其空化作用及热效应也可能促进无机物的释放。

表2 超声波辅助发芽糙米矿物质元素的变化Table 2 Changes of mineral elements in GBR-U

2.4 超声波辅助处理对发芽糙米表皮超微结构的影响

图3为发芽糙米表皮扫描电镜分析结果。从图3中可以看到，未发芽糙米表皮光滑致密无空隙；发芽后，糙米皮层变得松散；而超声波辅助处理后发芽糙米的表皮结构变得更加疏松，空隙也变得更大，这说明超声波可以破坏糙米皮层的致密程度。同样，用超声波处理金荞麦粉末后，其细胞结构被破坏，变得疏松多孔[35]。Yang等[36]研究也发现超声波产生的空化和机械作用使得糙米表皮发生了不同程度的变形并产生了裂痕，从而使糙米皮层变得更疏松多孔。

图3 超声波辅助发芽糙米扫描电镜图（2000×）Fig.3 SEM images of GBR-U (2000×)

2.5 超声波辅助处理对发芽糙米热物性的影响

表3为利用差式扫描量热仪分析发芽糙米糊化特性结果。与BR相比，发芽可使糙米加热糊化的起始温度、峰值温度（P＜0.05）、终止温度和热焓值均有所降低，这可能是因为淀粉与脂质的交互作用可以使糊化温度升高，而糙米经发芽后淀粉含量降低，导致其与脂质的交互作用减弱，进而使糊化温度下降[37]。

表3 超声波辅助处理对发芽糙米热物性的影响Table 3 Effects of ultrasonic-assisted treatment on the thermal properties of GBR

与GBR相比，超声波辅助处理后发芽糙米糊化的起始温度、峰值温度、终止温度和热焓值分别略有升高，但两组发芽糙米的热物性参数无显著差异。值得关注的是，也有研究发现超声波处理（55 ℃，16 kHz）后发芽糙米糊化所需的能量增多，这可能是因为超声处理会诱导糙米内的聚合物重新排列，从而使其需要更多的能量来完全糊化[38]。这也提示本实验所采用的超声辅助处理条件较适宜，不影响发芽糙米的热物性，可更有利于保持发芽后糙米的糊化特性。

2.6 超声波辅助处理对发芽糙米质构的影响

质构分析结果显示（表4），GBR-U组的硬度、黏着性显著低于GBR组（P＜0.05），弹性和黏度无显著差异（P＞0.05）；与GBR组相比，超声波辅助后糙米硬度和黏着性分别降低了11.42%和15.40%；弹性和黏度也略有下降。已有研究表明，适当的超声波处理可以降低稻米的硬度[39]、胶黏性和咀嚼性[40]。有研究发现超声波会使谷物表面产生裂纹，在糙米蒸煮过程中水会更容易通过增加的裂纹渗透进糙米中从而降低其硬度[41]，这一结论与本实验中扫描电镜结果相一致。

表4 超声波辅助处理对发芽糙米质构的影响Table 4 Effects of ultrasonic-assisted treatment on the texture properties of GBR

3 结论

本实验探究了超声波辅助处理技术对发芽糙米部分理化品质的影响。结果表明超声波处理工艺条件对发芽糙米总黄酮含量有显著影响，先将糙米浸泡13 h后再用160 W超声处理25 min，总黄酮含量可达到最大值218.17 mg/100 g。此外，在此处理工艺条件下，与未超声处理发芽糙米相比，糙米发芽势、发芽率分别提高19.60%和4.66%；蛋白质和维生素B2含量均有所提高，而维生素B1和不可溶性膳食纤维均有所降低；米糠皮层致密程度降低，变得疏松多孔；发芽糙米的硬度、黏着性、弹性和黏度等质构特性均得到改善，但糙米加热糊化过程的热物性参数无显著变化。上述结果提示利用超声波辅助处理加工发芽糙米可在一定程度上通过富集黄酮成分改善发芽糙米的功能营养特性，通过影响质构参数改善发芽糙米的食用品质。