GABA富化处理的大米产品的成分分析与营养评价

赵 祎,侯金铂,张雨婷,王晓丽,周楠迪

江南大学 生物工程学院,糖化学与生物技术教育部重点实验室 (无锡 214122)

在我国,水稻是最重要的粮食作物之一,水稻收获后经过垄谷和碾磨变成大米。大米中通常富含淀粉、蛋白质以及少量的类黄酮、类胡萝卜素、γ-谷维素、酚类化合物、植物甾醇、γ-氨基丁酸(GABA)等一系列生物活性化合物[1-2]。淀粉是大米中最重要的营养物质,主要为人类提供能量。蛋白质是大米胚乳中除了淀粉之外的第二大类贮藏物质,按照功能来分,可分为贮藏蛋白、结构蛋白和保护蛋白[3]。此外,大米中的活性成分也备受关注。例如:GABA具备改善内分泌功能、治疗神经疾病、调节心血管系统和改善肝功能等多种生理活性功能;黄类酮和酚类化合物具有抗衰老和抗氧化功能;γ-谷维素能够降低胆固醇含量,对神经和更年期起到一定的调节作用等等[4-5]。

因此,探究大米产品的成分变化对大米产品的营养评价具有重要意义。在本研究中,运用现代分析技术对经过GABA富化处理前后的大米进行了成分分析,测定了GABA、游离氨基酸、总蛋白、还原糖、总淀粉和抗性淀粉含量变化。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

稻谷,南粳46号购于一米三宝(上海)有限公司;超纯水,由OKP-S210型超低有机型实验室超纯水器制备;MK-RSTAR抗性淀粉试剂盒,购于爱尔兰Megazyme有限公司;17种氨基酸标准品,购于西格玛奥德里奇公司;pH试纸、5%三氯乙酸、正己烷、6 mol/L HCl、10 mol/L NaOH,均购于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 设备与仪器

TG-328A型电子天平,梅特勒-托利多公司;25 mm×40 mm高形称量瓶,上海申迪玻璃仪器有限公司;101-0BS型恒温干燥箱,湖南力辰仪器科技有限公司;研钵(直径8 cm);CF15RN型立式冷冻离心机,日本Hitachi公司;SBA-40C型生物传感分析仪,山东省科学院生物研究所;SHZ-22型数显恒温水浴锅,江苏荣华仪器制造有限公司;DKZ-1型恒温震荡水浴摇床,上海一恒科技有限公司;KjeltecTM 8400型全自动凯氏定氮仪,丹麦福斯分析仪器有限公司;Agilent1100型高效液相色谱仪,美国安捷伦公司;日立U-3900型紫外可见分光光度计,日本日立株式会所;600Y型西厨多功能粉碎机,永康市铂欧五金制品有限公司;FC2R型实验用垄谷机、VP-32型实验用碾米机、LGB5AA-C 型GABA富化设备,日本佐竹公司。

1.3 方法

1.3.1GABA富化处理和稻谷前处理

稻谷的GABA富化总共分为两步。第一步是将稻谷加入到GABA富化装置中,湿度在90%左右、温度在60 ℃左右进行8 h的富化。第二步是将富化结的稻谷进行低温烘干,在45 ℃持续4 h将稻谷的水分调整至安全保存水分,烘干后的稻谷即为GABA稻谷。

首先用砻谷机分别脱除GABA富化处理前后的稻谷稻壳以获得糙米样品,接着将糙米样品放入碾米机中除去糠层以获得精米样品,然后分别将糙米和精米样品放入粉碎机中进行粉碎,制成米粉并过40目筛,最后将糙米和精米样品放入4 ℃冰箱保存,米粉放入干燥器保存供后续实验使用。

图1 利用GABA富化设备对原料稻谷GABA富化加工处理的技术路线图

1.3.2测定方法

1.3.2.1 水分含量的测定

糙米和精米的水分含量采用直接干燥法测定,具体参考国标GB 5009.3—2016 《食品安全国家标准 食品中水分的测定》[6]。

1.3.2.2 还原糖含量的测定

还原糖的含量以游离葡萄糖计,参考姜平和李兴军等的方法对游离葡萄糖进行提取[7-8],并作一定的修改。将1.0 g精米粉和15 mL正己烷放入50 mL离心管中,在振荡摇床上振荡3 h以完全除去脂类物质,使用离心的方式去除己烷即在6 000 r/min条件下离心10 min,然后将沉淀转入研钵中,并加入5 mL超纯水研磨5 min,接着用10 mL超纯水洗涤转入离心管中,在6 000 r/min条件下离心10 min,获得的上清液即为游离葡萄糖提取液,用生物传感分析仪对上清液中葡萄糖进行测定。

1.3.2.3 游离氨基酸含量的测定

精米中的游离氨基酸以及GABA含量采用邻苯二甲醛柱前衍生反相高效液相色谱-紫外检测法测定。将1.0 g精米粉置于25 mL容量瓶中,并用5%三氯乙酸溶液定容,充分混匀超声20 min后静置2 h,然后用双层滤纸进行过滤。取1 mL上述滤液在15 000 r/min条件下离心30 min,获得的上清液即为游离氨基酸测试液。

液相测试条件如下:流动相A为27.6 mmol/L pH=7.2的醋酸钠-三乙胺-四氢呋喃(体积比为500 : 0.11 : 2.5);流动相B为80.9 mmol/L pH=7.2的醋酸钠-甲醇-乙腈(体积比为1∶2∶2);色谱柱为Agilent Hypersil ODS柱;流速为1.0 mL/min;紫外检测波长为338 nm;柱温为40 ℃;氨基酸含量以外标法定量。

1.3.2.4 总淀粉含量的测定

总淀粉的测定按照是否需要将淀粉水解可分为两种。第一种不需要水解淀粉,直接测定淀粉含量的称为直接测定法;第二种需要水解淀粉,使其转变为还原糖的称为间接测定法。在间接测定法中最常见的是利用酸将淀粉水解为葡萄糖,通过如下公式:淀粉含量 = 葡萄糖含量 × 0.9[9-11]计算得出淀粉含量,本实验参考张越[12]等的方法进行淀粉的水解和测定。

称取0.1 g精米粉于10 mL玻璃试管中,加入5 mL 6 mol/L HCl并用超纯水定容,将上述玻璃试管置于沸水浴1 h,结束后在室温中自然冷却,加入3 mL 10 mol/L NaOH,用pH试纸测定确保pH在7左右,用超纯水定容为25 mL。取1 mL该溶液于离心管中,4 ℃ 6 000 r/min条件下离心10 min,上清液即为测试液。用生物传感分析仪测定上清液中葡萄糖,再根据公式换算为淀粉含量。

1.3.2.5 总蛋白含量的测定

利用凯氏定氮的原理测定精米中的蛋白质含量,即精米中的蛋白质首先经过催化和加热被分解成氨,与硫酸结合生成硫酸铵。然后在碱性条件下蒸馏使氨游离出来被硼酸吸收。最后用硫酸或者盐酸标准溶液滴定计算。具体参考国标GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》[13]。蛋白质含量以总氮含量 × 5.95计。

1.3.2.6 抗性淀粉含量的测定

按照爱尔兰Megazyme公司的抗性淀粉试剂盒中的方法步骤进行测定。首先,将胰α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶混合液(4 mL)加入到精米粉(0.1 g)中,在37 ℃恒温震荡摇床中反应16 h,通过加入无水乙醇(4 mL)终止水解反应。然后,将上述反应液在4 000 r/min离心10 min去除上清液,并向沉淀中加入50%的乙醇(8 mL)充分混匀洗涤,再次离心去除上清。最后将洗涤离心的步骤重复1次,至此完成非抗性淀粉的溶化与水解。

为了溶解和酶解抗性淀粉,将上述沉淀物置于冰浴中边搅拌边加入2 mol/L的KOH溶液(2 mL),同时加入1.2 mol/L的乙酸钠溶液(pH 3.8, 8 mL)和3 300 U/mL的淀粉葡萄糖苷酶溶液(0.1 mL),在50 ℃水浴中反应30 min,在此过程中不断混匀。反应结束后将上述溶液于4 000 r/min离心10 min,取0.1 mL上清液加入3 mL氧化物酶/过氧化物酶试剂(GOPOD),50 ℃孵育20 min后测定510 nm处的吸光值。

2 结果与讨论

2.1 水分含量分析

对谷物中的含水量进行测定具有重要的意义。在运输和存储的过程中如果含水量过高,谷物就易霉变或者生虫。相反如果过低,亦会对谷物中的有机物造成破坏,从而降低谷物的营养价值,所以谷物的含水量必须处在安全水分范围内。糙米和精米中的水分含量如图2所示,GABA富化处理前后的糙米和精米含水量均集中在10%～13%之间,这有利于谷物的运输和存储[14]。而且由于糙米和精米在经过富化处理后进行了低温烘干,所以水分含量均有一定的减少,但是仍在10%之上,说明在处理过程中仍能保留充足水分,确保了大米的营养成分和口感鲜味。

图2 糙米和精米处理前后水分含量

2.2 还原糖和总淀粉含量分析

淀粉是大米中的第一大营养物质,因此分析淀粉等糖类物质的变化尤为重要。由图3可知精米中的还原糖和总淀粉含量在经过GABA富化处理之后均减少,推测可能在处理过程中各种淀粉酶被激活将淀粉分解为葡萄糖,而葡萄糖经过了一系列复杂的生理生化代谢转变成了氨基酸等其他营养物质[15-16]。

图3 精米处理前后还原糖和总淀粉含量

2.3 抗性淀粉含量分析

抗性淀粉又被称为抗酶解淀粉,它无法在人体的小肠中进行消化吸收,而是在大肠中被一些特定的微生物所发酵利用[17]。运用酶解比色法测定了精米中的抗性淀粉含量,结果如表1所示。经过GABA富化处理,精米中的抗性淀粉含量由1.96%增加到2.3%,增幅达到17.3%,推测可能是由葡萄糖或者淀粉经过结构的改变转变而来。由于抗性淀粉具备较低的血糖生成指数,可以有效的稳定餐后血糖,故较适合糖尿病患者食用[18-20]。

表1 精米处理前后抗性淀粉含量 %

2.4 氨基酸和蛋白质含量分析

蛋白质是大米中的第二大营养物质,监测处理前后GABA、游离氨基酸和蛋白质变化具有重要意义。由图4可知,在经过GABA富化处理之后精米中的总必需氨基酸含量和总游离氨基酸含量均有所增加,推测可能是蛋白质分解生成氨基酸,也有可能是淀粉和葡萄糖等糖类物质经过复杂代谢途径转变而来[15,21]。精米中的总蛋白含量见表2,可以看出在处理前后,精米中的总蛋白含量几乎不变。进一步运用高效液相色谱法研究分析了9种必需氨基酸和GABA的含量变化。结果如图5所示,在成人的8种必需氨基酸中,色氨酸、亮氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸和赖氨酸的含量均呈增多趋势,而对于婴幼儿所必需的组氨酸也呈增多趋势。此外,经过富集处理后,GABA含量比处理前有明显增多。由此看来,经过处理之后由于必需氨基酸和GABA含量增多,氨基酸结构更加合理,营养价值得到进一步提高。

表2 精米处理前后总蛋白含量 %

图4 精米处理前后总必需氨基酸和总游离氨基酸含量

图5 精米处理前后必需氨基酸和GABA含量

根据FAO/WHO的模式标准,必需氨基酸(EAA)/氨基酸总量(TAA)在40%左右、必需氨基酸(EAA)/非必需氨基酸(NAA)在60%以上被认为是理想蛋白质的标准要求。因此计算分析了以上两项指标,由表3可知经过GABA富化处理前后的EAA/TAA均接近40%,EAA/NAA均接近60%,表明该精米中的蛋白质符合该标准,被认为是理想蛋白质。

表3 精米中必需氨基酸与氨基酸总量和非必需氨基酸的比值 %

3 结论

在本研究中,运用现代分析技术对GABA富化处理前后的大米进行成分分析。结果表明:经过GABA富化处理之后还原糖和总淀粉含量减少,但抗性淀粉含量增加,GABA、总游离氨基酸和9种必需氨基酸含量均有增加而总蛋白含量几乎不变。从成分含量变化的结果来看,抗性淀粉含量的增加使得该大米产品比处理前更适合糖尿病患者食用,因为抗性淀粉不易被人体的消化酶分解成葡萄糖,可以大大减少食用后血糖增加的量。另外由于处理后大米的必需氨基酸、总游离氨基酸和GABA含量的增加,因此相较于处理前的大米,营养结构更加完善,营养价值得以提升。