張 強(qiáng) 賈富國(guó) 楊瑞雪 付 倩 王吉泰 韓 珊

纖維素酶預(yù)處理糙米發(fā)芽工藝優(yōu)化

張 強(qiáng)1賈富國(guó)1楊瑞雪2付 倩1王吉泰1韓 珊1

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院1，哈爾濱 150030)
(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院2，哈爾濱 150030)

為解決發(fā)芽糙米蒸煮后口感差的問題，提出酶溶液浸泡糙米提供發(fā)芽條件的同時(shí)適當(dāng)降解皮層粗纖維預(yù)處理工藝。研究酶濃度、酶解溫度以及酶解時(shí)間對(duì)糙米發(fā)芽率及發(fā)芽糙米硬度的影響規(guī)律，采用二次旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)。并以GABA含量為考核指標(biāo)，將酶預(yù)處理工藝與傳統(tǒng)浸泡工藝進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明:試驗(yàn)因素對(duì)糙米發(fā)芽率及發(fā)芽糙米硬度變化影響顯著;酶預(yù)處理工藝優(yōu)化參數(shù)組合為:酶濃度為0．4 mg/mL、酶解溫度為33℃和酶解時(shí)間為110 min，在此條件下，糙米發(fā)芽率可達(dá)到傳統(tǒng)浸泡處理的90%以上，其硬度降低14．1%。最優(yōu)酶解條件下得到的發(fā)芽糙米GABA含量略低于未經(jīng)酶浸泡得到的發(fā)芽糙米GABA含量。并通過掃描電鏡分析證實(shí)了發(fā)芽糙米皮層粗纖維降解是其硬度下降的原因。

纖維素酶 糙米 發(fā)芽率 硬度

發(fā)芽糙米是將糙米經(jīng)發(fā)芽至一定的芽長(zhǎng)，所得到的一種由幼芽和帶皮層的胚乳組成的糙米制品［1］。糙米發(fā)芽過程中大量?jī)?nèi)源酶被激活和釋放，具有多種生理活性功能的γ－氨基丁酸含量顯著增加［2］，因而發(fā)芽糙米的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值超過糙米，更遠(yuǎn)勝于白米。但發(fā)芽糙米粗纖維含量仍然較高［3］，且在相同的蒸煮時(shí)間內(nèi)，發(fā)芽糙米的吸水量比白米少［4］，導(dǎo)致發(fā)芽糙米飯的口感較差，限制了發(fā)芽糙米食品的應(yīng)用。在發(fā)芽糙米生產(chǎn)的浸泡過程中添加纖維素酶，可以降解糙米皮層粗纖維、提高發(fā)芽糙米蒸煮后的口感。然而纖維素酶降解糙米皮層粗纖維的同時(shí)可能導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外滲損失影響糙米發(fā)芽［5－6］。因此研究纖維素酶酶解條件對(duì)糙米發(fā)芽率及發(fā)芽糙米硬度的影響具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外有學(xué)者提出了采用纖維素酶酶解糙米皮層、改善糙米口感作了相關(guān)的研究［7－9］;也有學(xué)者嘗試采用噴加少量纖維素酶溶液，改善糙米蒸煮品質(zhì)［10］。以上研究成果證實(shí)了纖維素酶溶液對(duì)糙米皮層粗纖維具有降解的作用，其研究方法和優(yōu)化參數(shù)本研究可借鑒參考。應(yīng)用纖維素酶溶液浸泡制取發(fā)芽糙米，在獲取發(fā)芽糙米的同時(shí)，改善發(fā)芽糙米的口感。國(guó)內(nèi)外鮮見關(guān)于纖維素酶浸泡預(yù)處理對(duì)糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度影響的相關(guān)報(bào)道。

本試驗(yàn)以糙米為原料，采用二次旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研究酶濃度、酶解溫度以及酶解時(shí)間對(duì)糙米發(fā)芽率及發(fā)芽糙米硬度的影響規(guī)律，探求較高糙米發(fā)芽率與其硬度較低的優(yōu)化工藝參數(shù)組合。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所選稻谷品種為粳稻東農(nóng)429，由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所提供，2011年10月收獲，并在(20±2)℃環(huán)境下貯存。試驗(yàn)前去芒、脫殼得糙米，隨機(jī)抽取試驗(yàn)樣品;固體纖維素酶(酶活:濾紙F(tuán)PA≥4萬U/g):寧夏和氏璧生物酶制劑公司;冰乙酸(分析純):天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司;三水乙酸鈉(分析純):天津博迪化工股份有限公司;γ－氨基丁酸標(biāo)準(zhǔn)樣品(分析純):廣州佳威試劑有限公司。

1．2 儀器與設(shè)備

THU－35B型礱谷機(jī):日本佐竹公司;XMTD－4000型電熱恒溫水浴鍋:北京市永光明醫(yī)療儀器廠;CTHI－150(A)B型恒溫恒濕箱:上海施都凱儀器設(shè)備有限公司;DGH－9053A型鼓風(fēng)干燥箱:上海益恒試驗(yàn)儀器有限公司;B型單篦蒸鍋:潮安縣彩塘群興五金廠;TA．XT．Plus型物性分析儀:英國(guó)Stable Micro Systems公司;L－8800氨基酸自動(dòng)分析儀:日本日立公司。

1．3 試驗(yàn)方法

1．3．1 酶預(yù)處理對(duì)糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度影響

制備發(fā)芽糙米參照J(rèn)ianfen Liang等［11］的方法，將糙米清洗消毒后按試驗(yàn)設(shè)定條件酶解，酶解結(jié)束后用蒸餾水清洗，并置于30℃的恒溫恒濕箱中培養(yǎng)24 h后檢測(cè)發(fā)芽率。將制得的發(fā)芽糙米樣品放入干燥箱內(nèi)在50℃下烘至含水率為14．5%，冷卻后參照GBT15682—2008所述的方法蒸煮成米飯，并測(cè)定發(fā)芽糙米硬度。

依據(jù)文獻(xiàn)以及前期預(yù)試驗(yàn)研究結(jié)果，取料液比為1∶2，pH 5．0［7－9］，確定了各影響因素及水平。以糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度為考核指標(biāo)，采用二次旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，試驗(yàn)選取3因素5水平，試驗(yàn)的因素水平編碼見表1。

表1 因素水平編碼表

1．3．2 糙米發(fā)芽率測(cè)定

糙米發(fā)芽率即試驗(yàn)中糙米胚芽露出種皮達(dá)0．5～1．0 mm長(zhǎng)粒數(shù)占糙米總粒數(shù)的百分比。即G=N1/N2×100%，其中G為發(fā)芽率/%;N1為所取樣品中發(fā)芽糙米的粒數(shù);N2為所取樣品中糙米的總粒數(shù)。

1．3．3 硬度測(cè)定

測(cè)定發(fā)芽糙米和白米硬度參照Zheng等［12］的方法，在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取測(cè)試條件為:測(cè)試前速度為1 mm/s，測(cè)試中速度為0．5 mm/s，測(cè)試后速度為0．5 mm/s，壓縮比例為90%。

1．3．4 酶預(yù)處理工藝與傳統(tǒng)浸泡工藝對(duì)照試驗(yàn)

使用氨基酸自動(dòng)分析儀分析GABA。預(yù)先裝好日立離子交換樹脂2622#(4．6 mmID×60 mm)和日立儀器專用樹脂2650#(4．6 mmID×60 mm)。傳統(tǒng)浸泡處理和經(jīng)酶質(zhì)量濃度0．4 mg/mL，酶解溫度33℃，酶解時(shí)間110 min處理發(fā)芽糙米粉末各2 g，樣品溶液和氨基酸標(biāo)準(zhǔn)溶劑配制均采用錢愛萍等［13］配制方法。

1．3．5 數(shù)據(jù)處理

每組試驗(yàn)均重復(fù)3次，取平均值，并采用Excel軟件和Design Expert軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2．1 酶預(yù)處理對(duì)糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度影響的數(shù)學(xué)模型

二次旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)結(jié)果見表2，試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Design Expert軟件分析回歸，得各試驗(yàn)因素對(duì)糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度影響的回歸方程分別如下:

式中:y1代表糙米發(fā)芽率，y2代表發(fā)芽糙米硬度。

表2 糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度試驗(yàn)結(jié)果

2．2 回歸模型方差分析

對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，其結(jié)果如表3和表4所示。

表3 回歸模型的方差分析

表4 回歸模型的方差分析

用F檢驗(yàn)法對(duì)回歸方程進(jìn)行檢驗(yàn)，從表3和表4可知，糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度回歸方程的F1＜F0．05，說明回歸方程擬合的好，又F2＞F0．05，說明糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度回歸方程在0．05水平顯著，即試驗(yàn)數(shù)據(jù)與所采用的數(shù)學(xué)模型相符合［14］。

2．3 酶預(yù)處理工藝參數(shù)對(duì)糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度影響規(guī)律分析

將酶解溫度和酶解時(shí)間固定在0水平(35．0℃，120．0 min)，酶質(zhì)量濃度分別為0．06、0．30、0．65、1．00、1．24 mg/mL。由圖1可知糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度隨酶濃度的增加而降低，并逐漸趨于平緩。這是因?yàn)椴诿捉莸耐瑫r(shí)也是內(nèi)含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外滲的過程［15］，酶濃度過低時(shí)，酶解速率較慢，皮層降解程度低，可溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外滲較少，因此，酶濃度較低時(shí)，糙米發(fā)芽率及發(fā)芽糙米硬度均較高。隨著酶濃度的增加，酶解速率逐漸加快，皮層降解程度加大，可溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外滲較多，不利于糙米發(fā)芽。同時(shí)皮層結(jié)構(gòu)的破壞使得發(fā)芽糙米蒸煮過程中水分和熱量更容易穿透皮層內(nèi)滲，淀粉顆粒更容易膨脹［16－17］，以及皮層粗纖維含量的降低都會(huì)使發(fā)芽糙米硬度降低［18］。當(dāng)酶濃度增加到一定程度后，酶與底物糙米接觸完全，酶解程度趨于恒定，所以糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度均趨于平緩。

圖1 酶質(zhì)量濃度對(duì)糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度的影響

將酶質(zhì)量濃度和酶解時(shí)間固定在0水平(0．65 mg/mL，120．0 min)，酶解溫度分別為26．6、30．0、35．0、40．0、43．4℃。由圖2可知糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度均隨酶解溫度的升高呈下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)槊附鉁囟冗^低導(dǎo)致酶活性過低，糙米皮層降解程度低，糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度較高。隨著溫度的升高，纖維素酶活性逐漸增大，皮層酶解程度增大，所以糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度降低。而當(dāng)溫度較高時(shí)，纖維素酶活性顯著增強(qiáng)，使得發(fā)芽糙米硬度顯著降低。同時(shí)溫度的升高使糙米籽粒浸泡階段吸水速度過快，細(xì)胞膜將無法得到很好的修復(fù)，產(chǎn)生吸脹損傷［19］，所以，糙米發(fā)芽率顯著降低。

圖2 酶解溫度對(duì)糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度的影響

將酶濃度和酶解溫度固定在0水平(0．65 mg/mL，35．0℃)，酶解時(shí)間分別為69．5、90．0、120．0、150．0、170．5 min。由圖3可知糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度隨酶解時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵O(shè)定酶解溫度低于纖維素酶最適酶解溫度，所以酶解開始階段，酶解程度小，糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度降低相對(duì)較緩，而隨著酶解時(shí)間的繼續(xù)增加，纖維素酶活性顯著增強(qiáng)，皮層結(jié)構(gòu)破壞加劇，可溶性營(yíng)養(yǎng)成分外滲顯著增加導(dǎo)致糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度顯著降低。

圖3 酶解時(shí)間對(duì)糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度的影響

2．4 優(yōu)化分析

按照糙米發(fā)芽率較高、發(fā)芽糙米硬度較低且酶濃度低、酶作用時(shí)間短的原則，利用Design Expert軟件分析得到優(yōu)化結(jié)果:酶濃度為0．4 mg/mL、酶解溫度為33℃和酶解時(shí)間為110 min時(shí)，糙米發(fā)芽率可達(dá)到傳統(tǒng)浸泡處理的90%以上，最優(yōu)酶浸泡獲得的發(fā)芽糙米硬度降低14．1%。

取最優(yōu)參數(shù)數(shù)值按本試驗(yàn)方法發(fā)芽后測(cè)得5個(gè)試樣的糙米發(fā)芽率分別為81．9%、79．2%、78．7%、80．9%、76．8%，均值為79．5%，誤差為0．525，可以認(rèn)為優(yōu)化結(jié)果可信。

不同處理得到的發(fā)芽糙米以及白米硬度比較如圖4所示。

圖4 最優(yōu)酶處理和蒸餾水處理后發(fā)芽糙米以及白米的硬度對(duì)比

2．5 酶預(yù)處理工藝與傳統(tǒng)浸泡工藝對(duì)發(fā)芽糙米GABA含量的影響

由圖5可知，經(jīng)最優(yōu)酶處理獲得的發(fā)芽糙米GABA含量為10．56 mg/100 g，傳統(tǒng)浸泡工藝獲得的發(fā)芽糙米GABA含量為13．05 mg/100 g。發(fā)芽糙米中的GABA是由谷氨酸經(jīng)谷氨酸脫羧酶(GAD)脫羧而成，GAD酶活性與GABA的富集有著密切的聯(lián)系［20］，由于纖維素酶浸泡糙米對(duì)糙米發(fā)芽有影響，可能降低了谷氨酸脫羧酶的活性，不利于GABA的生成，所以最優(yōu)酶處理?xiàng)l件下獲得的發(fā)芽糙米GABA含量略低于傳統(tǒng)浸泡工藝獲得的發(fā)芽糙米GABA含量。

圖5 最優(yōu)酶處理和傳統(tǒng)浸泡工藝對(duì)發(fā)芽糙米GABA含量的影響

2．6 酶預(yù)處理對(duì)發(fā)芽糙米微觀結(jié)構(gòu)影響

利用電子掃描顯微鏡對(duì)未經(jīng)酶浸泡得到的發(fā)芽糙米和酶浸泡得到的發(fā)芽糙米進(jìn)行觀測(cè)，在放大倍數(shù)為2 000倍的情況下觀察發(fā)芽糙米皮層結(jié)構(gòu)。從圖6中可以看出，未經(jīng)酶浸泡得到的發(fā)芽糙米表面結(jié)構(gòu)相對(duì)完整。從圖7中可以看出，酶浸泡預(yù)處理得到的發(fā)芽糙米皮層粗纖維結(jié)構(gòu)被破壞出現(xiàn)洞孔結(jié)構(gòu)。由于纖維素酶選擇性降解皮層非淀粉多糖破壞了發(fā)芽糙米皮層結(jié)構(gòu)，使發(fā)芽糙米蒸煮時(shí)水分較容易穿透皮層內(nèi)滲，以及發(fā)芽糙米粗纖維含量的降低都會(huì)使發(fā)芽糙米硬度降低。

圖7 酶預(yù)處理后發(fā)芽糙米掃描電子顯微鏡圖

3 結(jié)論

在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，酶濃度、酶解溫度以及酶解時(shí)間對(duì)糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度變化影響顯著;以糙米發(fā)芽率較高并兼顧硬度為目標(biāo)得到纖維素酶浸泡糙米預(yù)處理工藝優(yōu)化參數(shù)組合為:酶濃度為0．4 mg/mL、酶解溫度為33℃和酶解時(shí)間為110 min時(shí)，糙米發(fā)芽率可達(dá)到傳統(tǒng)浸泡處理的90%以上，最優(yōu)酶浸泡獲得的發(fā)芽糙米硬度降低14．1%。最優(yōu)酶處理?xiàng)l件下獲得的發(fā)芽糙米GABA含量略低于傳統(tǒng)浸泡工藝獲得的發(fā)芽糙米GABA含量。試驗(yàn)所得數(shù)學(xué)模型可用來指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)條件下的酶預(yù)處理發(fā)芽糙米工藝。

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Optimization of Brown Rice Germination Process with Cellulase Treatment

Zhang Qiang1Jia Fuguo1Yang Ruixue2Fu Qian1Wang Jitai1Han Shan1

(College of Engineering，Northeast Agriculture University1，Harbin 150030)
(College of Food Science，Northeast Agriculture University2，Harbin 150030)

In order to improve the taste of the cooked germinated brown rice，the research of the pre－treating technology for cellulose－immersing brown rice was explored to provide conditions for germination and appropriate degradation of the cortex crude fiber．Influences of the enzyme concentration，the enzyme temperature and enzymolysis time on the germinating rate of brown rice，and the variation of hardness were studied by quadratic regression rotary combination experiments．The GABA content of germinated brown rice was taken as the index for evaluation and the comparative test was carried out with traditional process of soaking and germination．The results showed that experimental factors had significant effects on the germinating rate of brown rice and hardness of germinated brown rice．And the optimum parameter combination in the germination rate of germinated brown rice was that the enzyme concentration being 0．4 mg/mL，enzyme temperature being 33℃ ，and enzyme time being 110 min．Under such conditions，the germination rate of brown rice can reach up to higher than 90%of that soaking in a traditional way，and the hardness of germinated brown rice can be reduced by 14．1%．The GABA content in germinated brown rice by the cellulase pretreatment is a little lower than that by traditional immersion．The cortex crude fiber degradation of germinated brown rice proved to be the reason for the decline of hardness with scanning electron microscope analysis．

cellulase，brown rice，germinating rate，hardness

TS210．1

A

1003－0174(2012)10－0092－06

黑龍江省自然科學(xué)基金(C200809)

2012－01－06

張強(qiáng)，男，1986年出生，碩士，農(nóng)產(chǎn)品加工

賈富國(guó)，1964年出生，教授，博士生導(dǎo)師，農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)及設(shè)備