负压辅助钙营养强化对发芽糙米富钙效果的影响

李菁

（黑龙江省农业机械工程科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150081）

近年来，经济增长带动生活水平不断提高，人们对食物的营养功能性需求也随之增强，饮食习惯也逐渐被营养、健康、节约的新理念取代。小麦、水稻等粮食的过度加工，不仅造成了资源的浪费，还使外层组织富含的膳食纤维、维生素与矿物质流失。糙米是稻谷去壳后仍保留皮层、糊粉层和胚芽等外层组织的籽粒，因其加工过程没有去除富含营养的米糠层，糙米营养成分大大超过精白米。但糙米口感粗糙，质地较硬，人体摄取后难以消化，不宜作为日常主食，只是少量减肥人群选择食用，而糙米在适宜湿度和温度条件下催芽后，外部米糠层中纤维软化、植酸水解，使糙米的蒸煮特性和口感得以改善。发芽过程中其内部含有的营养素也被激活更易于人体吸收，还产生了肌醇六磷酸盐和 γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid，GABA）等促进人体健康和预防疾病的有益物质。GABA是一种非蛋白质氨基酸，是人体神经营养素，能改善脑部供氧情况、促进血液流通，具有改善睡眠质量、降血压、抗焦虑、提高脑活力、增强记忆力等功效[1]。发芽糙米是具有多种营养功效的新型健康主食。

因体内营养不平衡或缺乏某种必需维生素和矿物质而导致的“隐性饥饿”已成为全球关注的公共健康问题，人体缺乏必需营养素可能造成多种疾病，适当补充并保持人体中营养元素的正常水平是医疗和食品保健的重要举措[2]。钙在机体内各种生理活动中起着重要作用，是骨骼和牙齿的重要组成元素，也是维持细胞正常生存和功能、神经传导等的重要调节物质，参与人体新陈代谢，影响体内多种酶活性。人体每天需摄入足量的钙元素，才能维持正常运转。我国人群营养调查结果显示，膳食营养素中钙摄入不足是人们普遍存在的健康问题[3]。陈海燕等[4]研究叶面施钙对冬枣品质的影响，结果表明在不同时期叶面喷施CaCl2溶液均能提高冬枣果实中的钙含量。江雨婷[5]筛选大豆分离蛋白种类，研究大豆分离蛋白、二氧化硅、碳酸钙和全脂乳粉的配比和混合工艺参数，生产出一种高钙营养蛋白质粉。从根本上解决因钙元素缺乏而引起的“隐性饥饿”，开发安全有效的高钙食品具有重要意义和广阔应用前景。

生物营养强化是减轻人体营养匮乏，改善公共健康的新方法，通过农艺措施或生物育种方式对农作物进行营养强化可提高农产品中营养元素含量。He等[6]研究发现在水稻开花期叶面施铁肥可使铁蛋白形成量增加67.2%，也可有效提高其生物利用度。孟君等[7]制备富硒豆芽，以不同浓度的亚硒酸钠为浸泡液，对绿豆和黄豆在发芽过程中进行硒营养强化，结果表明绿豆和黄豆在发芽过程中均会富集一定量的硒元素，但较大浓度的硒溶液会一定程度上抑制豆芽生长。Barrameda-Medina等[8]对甘蓝进行锌元素营养强化研究，在水培甘蓝过程中加入不同浓度的ZnSO4溶液，结果表明甘蓝中锌含量、多酚含量和总氨基酸含量均有所提升。在糙米催芽过程中富钙，糙米可将无机钙经过生物转化形成人体易吸收的有机活性钙，在日常饮食中即可补充钙元素，无需额外补充钙营养剂，从源头上解决钙元素摄入不足问题。目前，已有多种方式可以增加发芽糙米中的钙含量，如优化浸泡液中CaCl2添加量、浸泡液pH值、催芽温度等[9]。也有研究表明，适宜Ca2+浓度可以促进糙米发芽，而且Ca2+可有效促进糙米在发芽过程中GABA的合成[10]，但负压辅助处理对发芽糙米富钙效果的影响鲜有研究。本试验在糙米发芽过程中加入不同浓度CaCl2溶液，并在催芽中期加以负压处理，强化营养组分传质推动力，系统分析基质中Ca2+浓度、负压处理压力强度对糙米发芽率及富钙效果的影响，研究负压辅助钙营养强化对糙米发芽过程中GABA生成量的影响，以期为营养型发芽糙米的开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

糙米：嘉祥永胜食品有限公司；氯化钙、碳酸氢钠：上海国药集团化学试剂有限公司；4-二甲基胺基偶氮苯-4’-磺酰氯：美国Sigma公司；所有试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

电子天平（LT1002C）：常熟市天量仪器有限责任公司；精密电子天平（AL-104）：上海梅特勒-托利多仪器设备有限公司；催芽控制器（5ZTD）：黑龙江沃尔农装科技有限公司；微波消解仪（MD6C-10H）：北京盈安美诚科学仪器有限公司；电感耦合等离子体发射光谱仪（Agilent5110）：安捷伦科技有限公司；液相色谱仪（LC-20AD）：日本岛津制作所；高效种子营养强化机：黑龙江省农业机械工程科学研究院自主研制；漩涡混匀器（MX-S）：美国赛洛捷克公司。

1.3 方法

1.3.1 富钙发芽糙米的制备

将糙米过筛、挑选，除去杂质、发霉、未脱壳、成熟度差等籽粒。用去离子水冲洗糙米，洗去糙米粒表面的糠粉及灰尘，沥干。分别称取一定量糙米，在32℃恒温条件下浸泡于不同浓度的CaCl2溶液中，并用曝气强度为 3 m3/h 的曝气泵增氧，浸泡催芽 0、12、24、36、48 h，在催芽中期对破胸糙米粒进行不同强度的负压处理，获得富钙发芽糙米。

1.3.2 富钙发芽糙米发芽率的测定

参照吴小勇等[11]的方法，并稍作修改。分别在糙米浸泡催芽12、24、36、48 h时计算发芽率，计算发芽率时把糙米分成3等份，从每一等份中取一勺糙米（约200粒），记总粒数和发芽糙米数（糙米胚根露出种皮1 mm以上即为发芽糙米），发芽糙米数与总糙米粒数的比值即为该等份的发芽率，3份糙米发芽率的平均值即为该试验组的发芽率。计算公式如下。

发芽率/%=发芽糙米粒数/总糙米粒数×100

1.3.3 发芽糙米中钙含量的测定

按照GB 5009.268—2016《食品安全国家标准食品中多元素的测定》[12]中第二法测定发芽糙米中的钙含量。将发芽糙米烘干后粉碎，经消解后用电感耦合等离子体发射光谱仪测定富钙发芽糙米中钙含量。

1.3.4 发芽糙米中γ-氨基丁酸（GABA）含量的测定

按照NY/T 2890—2016《稻米中γ-氨基丁酸的测定高效液相色谱法》[13]的方法测定发芽糙米中GABA的含量。将发芽糙米烘干后粉碎，称取1.0 g样品于离心管中，加入10 mL提取液（无水乙醇和水，体积比4∶1），超声辅助提取30 min后，在漩涡混匀器上振荡2 min，5 000 r/min离心5 min，取上清液放入容量瓶中，剩余样品残渣再用10 mL提取液重复提取1次，合并2次上清液，用提取液定容至25 mL。取1 mL上述溶液于试管中，加入0.2 mL碳酸氢钠溶液和0.4 mL 4-二甲基胺基偶氮苯-4-磺酰氯衍生剂，混匀后在70℃水浴中衍生20 min，过滤后用液相色谱仪测定发芽糙米中GABA含量。

1.3.5 钙离子浓度对糙米发芽率和富钙效果的影响

同1.3.1方法进行富钙发芽糙米制备，CaCl2浓度分别为 0、100、150、200 mg/L，不进行负压处理。获得富钙发芽糙米，按1.3.2中方法进行发芽率测定，按1.3.3中方法进行糙米中钙含量测定。

1.3.6 负压处理强度对糙米发芽率和富钙效果的影响

同1.3.1方法进行富钙发芽糙米制备，150 mg/L CaCl2溶液作为糙米浸泡液，在催芽中期进行负压处理，负压处理强度分别为 0、-0.06、-0.08、-0.10 MPa，负压处理时间为4 h。获得富钙发芽糙米，按1.3.2中方法进行发芽率测定，按1.3.3中方法进行糙米中钙含量测定。

1.3.7 负压辅助钙营养强化对发芽糙米中GABA含量的影响

同1.3.1方法进行负压辅助钙营养强化发芽糙米制备，150 mg/L CaCl2溶液作为糙米浸泡液，在催芽中期进行负压处理，负压处理强度为-0.08 MPa，负压处理时间为4 h。获得负压辅助钙营养强化发芽糙米，按1.3.4中方法进行发芽糙米中GABA含量的测定。

1.4 统计方法

每个试验重复3次，结果表示为平均值±标准偏差。数据统计分析采用Statistix 8.1软件包中Linear Models程序进行，差异显著性（P＜0.05）分析使用Tukey HSD程序，采用Sigmaplot 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 钙离子浓度对糙米发芽率和富钙效果的影响

不同钙离子浓度下催芽不同时间后糙米发芽率的变化见图1。

图1 不同钙离子浓度下催芽不同时间后糙米发芽率的变化Fig.1 The changes in germination rate of brown rice soaked for different time under different calcium ion concentrations

由图1可以看出，随着催芽时间的延长，各浓度处理组中糙米的发芽率总体呈上升趋势。试验结果表明，在0～24 h催芽时间内，CaCl2催芽溶液浓度为150 mg/L的糙米发芽率明显高于浓度为0、100 mg/L时的发芽率。而CaCl2浓度为200 mg/L时发芽率较低，最高只能达到74%左右。说明添加一定浓度Ca2+能够促进糙米发芽，而当Ca2+浓度过高时，会抑制其发芽。当催芽36 h时，糙米已基本完成发芽阶段，除最高浓度200 mg/L处理组外，其他浓度处理组发芽率均可达到92%以上。

糙米发芽率与钙离子的添加浓度密切相关。Ca2+作为一种营养元素除保证糙米粒正常生长和基本生理功能外，在谷类种子发芽过程中，Ca2+作为α-淀粉酶的重要组成成分，对保持α-淀粉酶的活性和稳定性也起到关键作用，适宜钙离子浓度催芽处理可提高糙米发芽过程中的淀粉酶活力，从而促进其发芽[14]。而当钙离子浓度过高时，大量钙离子形成高渗透压，可能破坏了发芽糙米颗粒内部组织细胞结构，扰乱了细胞内部正常生理代谢，从而抑制其发芽[15]。因此，适宜钙离子浓度对催芽效果有明显影响。

不同钙离子处理浓度下发芽糙米中钙含量随时间变化如图2所示。

图2 不同钙离子浓度下催芽不同时间后糙米钙含量的变化Fig.2 The changes in calcium content of brown rice soaked for different time under different calcium ion concentrations

由图2可知，经CaCl2溶液浸泡催芽过的糙米，发芽后钙含量明显高于空白处理组，这与余赛西等[16]的研究结果一致，其在大豆发芽期间加入不同浓度的硫酸亚铁和硫酸锌进行营养强化处理，结果表明大豆在萌发过程中对Fe2+和Zn2+均有一定的富集作用。Ca2+悬浮液营养强化发芽糙米，使糙米外部始终保持一定渗透压，糙米在发芽过程中吸水膨胀，钙离子随水分子一同进入糙米细胞组织内部，使钙含量增加。由结果可以看出，随着Ca2+浓度的增加，糙米中的钙含量也明显增加，当CaCl2浸泡液浓度为200 mg/L时，发芽糙米中钙含量最高可达429 mg/kg，是未经催芽处理的3倍多。催芽时间48 h相比36 h，糙米中钙含量增加不多，基本趋于平稳。

试验结果表明，用适当浓度CaCl2溶液对发芽糙米进行营养强化，对糙米富集钙有促进作用，而达到一定处理时间时，由于生物量的积累使得发芽糙米中钙含量变化不明显，发芽糙米无法吸收利用多余的钙，对钙的富集效率降低。提高浸泡液浓度会促进钙元素的富集，但浓度过高会抑制糙米发芽，应选用适宜浓度CaCl2溶液进行营养强化。综合以上试验结果，确定催芽溶液中CaCl2浓度为150 mg/L。

2.2 负压处理强度对糙米发芽率和富钙效果的影响

种类发芽有3个必需条件：适宜的温度、充足的水分以及足够的氧气。在适宜的温度和充足的水分下，种子就会开始萌发，氧气使种子内部酶活旺盛，种子胚细胞的有氧呼吸加强，促进种子内的生物代谢和物质转化，保证能量供应，为种子萌发提供需要[17]。经不同强度负压处理后，糙米不同催芽时间发芽率的变化如图3所示。

图3 不同负压处理强度催芽不同时间后糙米发芽率的变化Fig.3 The changes in germination rate of brown rice soaked for different time under different negative pressure treatments

由图3可知，在0～24 h催芽时间内，由于氧气的缺乏，负压处理对糙米发芽率有一定程度的影响，而且压强越大发芽率越低，对发芽率影响越明显，但当催芽时间达到36 h和48 h时，随着催芽时间的延长，负压处理对发芽率的影响可基本忽略，糙米发芽率可达到93%以上。

用真空泵使容器形成负压状态，容器内部压力分别达到-0.06、-0.08、-0.10 MPa，对糙米催芽营养强化过程进行负压处理。经负压处理后发芽糙米中的钙含量有明显变化，结果如图4所示。

图4 不同负压处理强度催芽不同时间后糙米钙含量的变化Fig.4 The changes in calcium content of brown rice soaked for different time under different negative pressure treatments

由图4可知，经不同强度负压处理后的糙米中钙含量明显高于未负压处理组，最高可达523 mg/kg，这表明负压处理可以促进糙米发芽过程中钙元素的富集。徐珠洁等[18]研究表明用乳酸钙和葡萄糖酸锌混合液真空浸渍处理苹果，可以有效提高苹果中钙、锌元素含量，这是由于液体在真空、低温环境下容易汽化蒸发，使得浸泡液的扩散性和渗透性增强。由图4还可以看出，当负压处理强度为-0.08、-0.10 MPa时，钙离子富集作用差别不明显。因此，在对糙米发芽过程进行营养强化时，可以采取适宜强度的负压处理手段来增强钙营养强化程度。

2.3 负压辅助钙营养强化对发芽糙米中GABA含量的影响

促进糙米在发芽过程中生成GABA有多种方式，除负压辅助钙营养强化措施外，通过优化催芽浸泡温度、浸泡时间、浸泡液pH值、超声处理等发芽条件，也能达到促进目的[19]。张祎等[20]研究发现超声波辅助处理对发芽糙米中GABA的生成有促进作用，其中超声波处理时机、超声波处理时长、超声频率均对发芽糙米中GABA的生成量有影响。Zhang等[21]研究不同pH值浸泡液对发芽糙米GABA含量的影响，结果表明在萌发过程中，浸泡液pH值为5.6的糙米在发芽过程中GABA积累量最高。植物组织内，GABA主要是由谷氨酸脱羧酶（glutamate decarboxylase，GAD）催化 L-谷氨酸发生脱羧反应生成。GAD是一种钙调素结合蛋白，其活性受Ca2+浓度的影响[22]，适当增加浸泡液中Ca2+浓度有利于发芽糙米中GABA的产生积累。

图5为负压辅助钙营养强化对糙米发芽过程中GABA含量的影响。

图5 负压辅助钙营养强化对发芽糙米中GABA含量的影响Fig.5 Effects of negative pressure assisted calcium nutrition enhancement on GABA content in germinated brown rice

由图5可知，在0～36 h，发芽糙米中GABA累积量随催芽时间的延长明显增加，而且CaCl2浸泡液浓度为150 mg/L的强化组GABA富集趋势更为明显，明显高于未强化组，在36 h时达到最高值。经负压辅助钙营养强化处理组中GABA平均含量可达89.65 mg/100 g，是未经强化组中GABA平均含量32.62 mg/100 g的近3倍，比未催芽糙米中GABA含量4.33 mg/100 g提高近20倍。对糙米进行钙营养强化以及催芽过程中进行负压强化处理，能有效提高发芽糙米中GABA含量。

3 结论

我国在大力推进现代化农业建设进程中，对多样性、安全性和营养性食物的需求越发急迫。人们对食品的消费观念已由生存型消费加速向健康型、享受型消费转变。在糙米催芽过程中进行钙营养强化，并在催芽中期采取负压辅助处理措施，可明显提高发芽糙米中钙含量和GABA含量，其中钙含量最高可达523mg/kg，GABA含量可达89.65 mg/100 g。因此，在糙米发芽过程中进行负压辅助钙营养强化处理，可得到更具营养和保健功能的食品。