发芽糙米中γ-氨基丁酸富集工艺及检测方法研究进展

陈国威,王雪莹,刘平稳,何豫伟,赵菲菲,高 阳,张士龙

1.无锡中粮工程科技有限公司 (无锡 214035) 2.中粮油脂工业(巢湖)有限公司 (巢湖 238000)

糙米由胚芽、糊粉层、胚乳组成,由于保留胚芽和糊粉层,其营养价值远远超过精白米。但是因其外表被粗纤维和糠蜡等包裹,使得其口感粗糙,蒸煮不便。糙米在发芽的过程中内源酶得到激活和释放,并从结合态转变为游离态,糙米中一些大分子物质如淀粉、蛋白以及纤维素等与其发生酶解反应,生成糖类、氨基酸等小分子物质。在此过程中糙米的质地软化,食用品质明显提高,同时一些生理活性物质得到富集,如GABA、谷胱甘肽、肌醇六磷酸盐等。在这些生理活性物质中,GABA因具有降血压、抗衰老、调节心律失常、治疗精神疾病等作用,已成为糙米发芽研究的主要关注点。

在发芽糙米GABA研究中,GABA富集工艺是研究的重点,同时发芽糙米中GABA的检测方法也相当重要,它是各项研究工作的基础。本文综述了近年来发芽糙米中GABA富集工艺及检测方法,为后续研究工作提供参考。

1 发芽糙米GABA富集工艺

研究表明,植物体中GABA合成转化途径主要有两条,第一条途径以谷氨酸为底物,经谷氨酸脱羧酶(GAD)催化生成GABA;第二条途径为以多氨为底物,经过二胺氧化酶(DAO)、多氨氧化酶(PAO)催化生成GABA。两条途径中以第一条途径为生成GABA的主要途径[1]。发芽糙米是以糙米为原料,经清选、浸泡、发芽、干燥等工艺加工而成,目前发芽糙米GABA富集工艺方法主要从优化浸泡及发芽工艺条件、逆境胁迫处理、循环加湿等方面入手,通过优化工艺参数,促进GAD酶促反应,从而提高糙米中GABA含量。

1.1 优化浸泡及发芽工艺条件

影响糙米中GABA含量的主要因素有浸泡温度和时间、发芽温度和时间等。康文瀚等[2]采用响应面分析法优化糙米发芽富集GABA的工艺参数,得到最佳条件是浸泡温度30 ℃、浸泡时间24 h、发芽温度30 ℃、发芽时间28 h,此时糙米中GABA含量可达到906.563 mg/kg。在此基础上,为了增加发芽糙米中GABA含量,研究人员在浸泡过程添加谷氨酸钠、氯化钙,以起到增加GAD酶促反应底物浓度、增强GAD活性的作用[3]。同时为了减少浸泡时间,改善发芽糙米口感,在浸泡过程中也会添加纤维素酶或复合酶等[4]。张盈娇等[5]在浸泡时间25 ℃、浸泡时间2 h、发芽时间48 h、CaCl2溶液浓度1 mg/mL、纤维素酶溶液浓度0.64 mg/mL、谷氨酸溶液浓度1.5 mmol/L的条件下,得到的发芽红糙米中GABA含量可达到发芽前的2倍。

1.2 逆境胁迫处理

当植物收到逆境刺激时,植物体内H+和Ca2+会大量增加,这会显著提高GAD活性,进而促进GABA生成[6]。糙米逆境胁迫处理是在发芽过程中采用低氧、高盐渗透、低温、超声波等方式胁迫萌发。丁俊胄[7]等研究发现,利用CO2和N2在糙米萌发不同阶段制造厌氧环境,在发芽前期进行厌氧处理会抑制GAD活力,在发芽中后期(60～72 h)则能起到显著促进作用,且CO2的促进效果明显优于N2。曹晶晶等[8]发现超声波处理能使发芽糙米中谷氨酸含量增加2倍以上,快速提高GAD活性,促进GABA含量增加,尤其在发芽前期效果显著。

1.3 循环加湿法

循环加湿法是采用按需加湿逐渐提高含水率直至糙米发芽萌发的方法,与常规发芽糙米生产工艺需要长时间浸泡相比,此法在有效提高发芽糙米中GABA含量和发芽糙米得率的同时,显著降低发芽糙米爆腰率[9]。贾富国等[10]研究了循环加湿工艺对发芽糙米中GABA含量的影响,在优化的工艺参数条件下,循环加湿处理后发芽糙米中GABA含量为浸泡发芽处理的2.09倍。张强等[11]研究得出此法中单次加湿量、间隔时间和温度对爆腰增率和发芽糙米得率影响显著,在单次加湿量1.2%～1.6%、间隔时间45～75 min、温度30 ℃条件下,发芽糙米的爆腰率低于33%,得率大于90%,这比传统浸泡处理爆腰率降低20%～70%,发芽糙米得率提高1%～16%。

2 发芽糙米中GABA的检测方法

发芽糙米中GABA的测定主要有比色法、氨基酸分析仪法、高效液相色谱(HPLC)法等。其中比色法检测精度不高,但相对简单、快速且成本较低,适合大批量样品的快速测定;氨基酸分析仪法具有检测准确、操作简便的优势,但仪器专用,同时检测成本高;HPLC法检测精密度高,准确度好,但操作过程较繁琐。随着检测机构条件和能力的不断提升,目前GABA的检测主要选用HPLC法。

采用HPLC法测定GABA时,由于GABA在快速加热条件下易分解,需在上柱前进行衍生化处理。现常用的衍生剂主要有邻苯二甲醛(OPA),2,4-二硝基氟苯(FDNB),4-二甲基胺基偶氮苯-4-磺酰氯(DABS-Cl)等。轻工行业标准QB/T 4587《γ-氨基丁酸》于2013年发布,该标准中采用HPLC法测定GABA含量,并选用OPA进行柱前衍生化[12]。由于OPA衍生产物不稳定,信号衰减快,在2022年替代标准中HPLC法选用衍生剂调整为2,4-二硝基氟苯(DNFB)[13]。该标准适用于以L-谷氨酸(钠)为原料,经微生物发酵或生物酶转化、精制、干燥或加入调配辅料制得的γ-氨基丁酸样品。由于该标准方法中样品的GABA含量高,且缺少GABA提取制备过程,因此该标准方法用于测定发芽糙米中GABA含量时适用性不强。2016年农业农村部批准发布了农业行业标准NY/T 2890《稻米中γ-氨基丁酸的测定高效液相色谱法》[14]。该法中样品先经粉碎过60目筛,并采用80%的乙醇溶液提取后,选用DABS-Cl衍生化处理,利用C18色谱柱,以乙腈-三水合乙酸钠溶液作为流动相,在436 nm波长下测定GABA含量。此标准方法前处理步骤简单,重现性好、分析时间短、检测成本低,适用于发芽糙米中GABA的测定[15]。

3 结束语

循环加湿法能提高发芽糙米中GABA含量和得率,并有效降低发芽糙米爆腰率,是工业化生产发芽糙米的趋势。目前在此方法研究及设备研发上,日本处于领先地位,其研发的GABA富化设备经过数代更新,可通过蒸汽加湿加热促使糙米发芽,与此同时促进胚芽生成的GABA自然扩散转移到胚乳中,经后续加工得到的白米中GABA含量是普通白米的约10倍。随着人们对健康的越来越重视,发芽糙米作为功能性食品,其市场前景将会非常广阔。