李菁

（黑龍江省農業(yè)機械工程科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150081）

近年來，經濟增長帶動生活水平不斷提高，人們對食物的營養(yǎng)功能性需求也隨之增強，飲食習慣也逐漸被營養(yǎng)、健康、節(jié)約的新理念取代。小麥、水稻等糧食的過度加工，不僅造成了資源的浪費，還使外層組織富含的膳食纖維、維生素與礦物質流失。糙米是稻谷去殼后仍保留皮層、糊粉層和胚芽等外層組織的籽粒，因其加工過程沒有去除富含營養(yǎng)的米糠層，糙米營養(yǎng)成分大大超過精白米。但糙米口感粗糙，質地較硬，人體攝取后難以消化，不宜作為日常主食，只是少量減肥人群選擇食用，而糙米在適宜濕度和溫度條件下催芽后，外部米糠層中纖維軟化、植酸水解，使糙米的蒸煮特性和口感得以改善。發(fā)芽過程中其內部含有的營養(yǎng)素也被激活更易于人體吸收，還產生了肌醇六磷酸鹽和 γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid，GABA）等促進人體健康和預防疾病的有益物質。GABA是一種非蛋白質氨基酸，是人體神經營養(yǎng)素，能改善腦部供氧情況、促進血液流通，具有改善睡眠質量、降血壓、抗焦慮、提高腦活力、增強記憶力等功效[1]。發(fā)芽糙米是具有多種營養(yǎng)功效的新型健康主食。

因體內營養(yǎng)不平衡或缺乏某種必需維生素和礦物質而導致的“隱性饑餓”已成為全球關注的公共健康問題，人體缺乏必需營養(yǎng)素可能造成多種疾病，適當補充并保持人體中營養(yǎng)元素的正常水平是醫(yī)療和食品保健的重要舉措[2]。鈣在機體內各種生理活動中起著重要作用，是骨骼和牙齒的重要組成元素，也是維持細胞正常生存和功能、神經傳導等的重要調節(jié)物質，參與人體新陳代謝，影響體內多種酶活性。人體每天需攝入足量的鈣元素，才能維持正常運轉。我國人群營養(yǎng)調查結果顯示，膳食營養(yǎng)素中鈣攝入不足是人們普遍存在的健康問題[3]。陳海燕等[4]研究葉面施鈣對冬棗品質的影響，結果表明在不同時期葉面噴施CaCl2溶液均能提高冬棗果實中的鈣含量。江雨婷[5]篩選大豆分離蛋白種類，研究大豆分離蛋白、二氧化硅、碳酸鈣和全脂乳粉的配比和混合工藝參數，生產出一種高鈣營養(yǎng)蛋白質粉。從根本上解決因鈣元素缺乏而引起的“隱性饑餓”，開發(fā)安全有效的高鈣食品具有重要意義和廣闊應用前景。

生物營養(yǎng)強化是減輕人體營養(yǎng)匱乏，改善公共健康的新方法，通過農藝措施或生物育種方式對農作物進行營養(yǎng)強化可提高農產品中營養(yǎng)元素含量。He等[6]研究發(fā)現(xiàn)在水稻開花期葉面施鐵肥可使鐵蛋白形成量增加67.2%，也可有效提高其生物利用度。孟君等[7]制備富硒豆芽，以不同濃度的亞硒酸鈉為浸泡液，對綠豆和黃豆在發(fā)芽過程中進行硒營養(yǎng)強化，結果表明綠豆和黃豆在發(fā)芽過程中均會富集一定量的硒元素，但較大濃度的硒溶液會一定程度上抑制豆芽生長。Barrameda-Medina等[8]對甘藍進行鋅元素營養(yǎng)強化研究，在水培甘藍過程中加入不同濃度的ZnSO4溶液，結果表明甘藍中鋅含量、多酚含量和總氨基酸含量均有所提升。在糙米催芽過程中富鈣，糙米可將無機鈣經過生物轉化形成人體易吸收的有機活性鈣，在日常飲食中即可補充鈣元素，無需額外補充鈣營養(yǎng)劑，從源頭上解決鈣元素攝入不足問題。目前，已有多種方式可以增加發(fā)芽糙米中的鈣含量，如優(yōu)化浸泡液中CaCl2添加量、浸泡液pH值、催芽溫度等[9]。也有研究表明，適宜Ca2+濃度可以促進糙米發(fā)芽，而且Ca2+可有效促進糙米在發(fā)芽過程中GABA的合成[10]，但負壓輔助處理對發(fā)芽糙米富鈣效果的影響鮮有研究。本試驗在糙米發(fā)芽過程中加入不同濃度CaCl2溶液，并在催芽中期加以負壓處理，強化營養(yǎng)組分傳質推動力，系統(tǒng)分析基質中Ca2+濃度、負壓處理壓力強度對糙米發(fā)芽率及富鈣效果的影響，研究負壓輔助鈣營養(yǎng)強化對糙米發(fā)芽過程中GABA生成量的影響，以期為營養(yǎng)型發(fā)芽糙米的開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

糙米：嘉祥永勝食品有限公司；氯化鈣、碳酸氫鈉：上海國藥集團化學試劑有限公司；4-二甲基胺基偶氮苯-4’-磺酰氯：美國Sigma公司；所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

電子天平（LT1002C）：常熟市天量儀器有限責任公司；精密電子天平（AL-104）：上海梅特勒-托利多儀器設備有限公司；催芽控制器（5ZTD）：黑龍江沃爾農裝科技有限公司；微波消解儀（MD6C-10H）：北京盈安美誠科學儀器有限公司；電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（Agilent5110）：安捷倫科技有限公司；液相色譜儀（LC-20AD）：日本島津制作所；高效種子營養(yǎng)強化機：黑龍江省農業(yè)機械工程科學研究院自主研制；漩渦混勻器（MX-S）：美國賽洛捷克公司。

1.3 方法

1.3.1 富鈣發(fā)芽糙米的制備

將糙米過篩、挑選，除去雜質、發(fā)霉、未脫殼、成熟度差等籽粒。用去離子水沖洗糙米，洗去糙米粒表面的糠粉及灰塵，瀝干。分別稱取一定量糙米，在32℃恒溫條件下浸泡于不同濃度的CaCl2溶液中，并用曝氣強度為 3 m3/h 的曝氣泵增氧，浸泡催芽 0、12、24、36、48 h，在催芽中期對破胸糙米粒進行不同強度的負壓處理，獲得富鈣發(fā)芽糙米。

1.3.2 富鈣發(fā)芽糙米發(fā)芽率的測定

參照吳小勇等[11]的方法，并稍作修改。分別在糙米浸泡催芽12、24、36、48 h時計算發(fā)芽率，計算發(fā)芽率時把糙米分成3等份，從每一等份中取一勺糙米（約200粒），記總粒數和發(fā)芽糙米數（糙米胚根露出種皮1 mm以上即為發(fā)芽糙米），發(fā)芽糙米數與總糙米粒數的比值即為該等份的發(fā)芽率，3份糙米發(fā)芽率的平均值即為該試驗組的發(fā)芽率。計算公式如下。

發(fā)芽率/%=發(fā)芽糙米粒數/總糙米粒數×100

1.3.3 發(fā)芽糙米中鈣含量的測定

按照GB 5009.268—2016《食品安全國家標準食品中多元素的測定》[12]中第二法測定發(fā)芽糙米中的鈣含量。將發(fā)芽糙米烘干后粉碎，經消解后用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定富鈣發(fā)芽糙米中鈣含量。

1.3.4 發(fā)芽糙米中γ-氨基丁酸（GABA）含量的測定

按照NY/T 2890—2016《稻米中γ-氨基丁酸的測定高效液相色譜法》[13]的方法測定發(fā)芽糙米中GABA的含量。將發(fā)芽糙米烘干后粉碎，稱取1.0 g樣品于離心管中，加入10 mL提取液（無水乙醇和水，體積比4∶1），超聲輔助提取30 min后，在漩渦混勻器上振蕩2 min，5 000 r/min離心5 min，取上清液放入容量瓶中，剩余樣品殘渣再用10 mL提取液重復提取1次，合并2次上清液，用提取液定容至25 mL。取1 mL上述溶液于試管中，加入0.2 mL碳酸氫鈉溶液和0.4 mL 4-二甲基胺基偶氮苯-4-磺酰氯衍生劑，混勻后在70℃水浴中衍生20 min，過濾后用液相色譜儀測定發(fā)芽糙米中GABA含量。

1.3.5 鈣離子濃度對糙米發(fā)芽率和富鈣效果的影響

同1.3.1方法進行富鈣發(fā)芽糙米制備，CaCl2濃度分別為 0、100、150、200 mg/L，不進行負壓處理。獲得富鈣發(fā)芽糙米，按1.3.2中方法進行發(fā)芽率測定，按1.3.3中方法進行糙米中鈣含量測定。

1.3.6 負壓處理強度對糙米發(fā)芽率和富鈣效果的影響

同1.3.1方法進行富鈣發(fā)芽糙米制備，150 mg/L CaCl2溶液作為糙米浸泡液，在催芽中期進行負壓處理，負壓處理強度分別為 0、-0.06、-0.08、-0.10 MPa，負壓處理時間為4 h。獲得富鈣發(fā)芽糙米，按1.3.2中方法進行發(fā)芽率測定，按1.3.3中方法進行糙米中鈣含量測定。

1.3.7 負壓輔助鈣營養(yǎng)強化對發(fā)芽糙米中GABA含量的影響

同1.3.1方法進行負壓輔助鈣營養(yǎng)強化發(fā)芽糙米制備，150 mg/L CaCl2溶液作為糙米浸泡液，在催芽中期進行負壓處理，負壓處理強度為-0.08 MPa，負壓處理時間為4 h。獲得負壓輔助鈣營養(yǎng)強化發(fā)芽糙米，按1.3.4中方法進行發(fā)芽糙米中GABA含量的測定。

1.4 統(tǒng)計方法

每個試驗重復3次，結果表示為平均值±標準偏差。數據統(tǒng)計分析采用Statistix 8.1軟件包中Linear Models程序進行，差異顯著性（P＜0.05）分析使用Tukey HSD程序，采用Sigmaplot 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 鈣離子濃度對糙米發(fā)芽率和富鈣效果的影響

不同鈣離子濃度下催芽不同時間后糙米發(fā)芽率的變化見圖1。

圖1 不同鈣離子濃度下催芽不同時間后糙米發(fā)芽率的變化Fig.1 The changes in germination rate of brown rice soaked for different time under different calcium ion concentrations

由圖1可以看出，隨著催芽時間的延長，各濃度處理組中糙米的發(fā)芽率總體呈上升趨勢。試驗結果表明，在0～24 h催芽時間內，CaCl2催芽溶液濃度為150 mg/L的糙米發(fā)芽率明顯高于濃度為0、100 mg/L時的發(fā)芽率。而CaCl2濃度為200 mg/L時發(fā)芽率較低，最高只能達到74%左右。說明添加一定濃度Ca2+能夠促進糙米發(fā)芽，而當Ca2+濃度過高時，會抑制其發(fā)芽。當催芽36 h時，糙米已基本完成發(fā)芽階段，除最高濃度200 mg/L處理組外，其他濃度處理組發(fā)芽率均可達到92%以上。

糙米發(fā)芽率與鈣離子的添加濃度密切相關。Ca2+作為一種營養(yǎng)元素除保證糙米粒正常生長和基本生理功能外，在谷類種子發(fā)芽過程中，Ca2+作為α-淀粉酶的重要組成成分，對保持α-淀粉酶的活性和穩(wěn)定性也起到關鍵作用，適宜鈣離子濃度催芽處理可提高糙米發(fā)芽過程中的淀粉酶活力，從而促進其發(fā)芽[14]。而當鈣離子濃度過高時，大量鈣離子形成高滲透壓，可能破壞了發(fā)芽糙米顆粒內部組織細胞結構，擾亂了細胞內部正常生理代謝，從而抑制其發(fā)芽[15]。因此，適宜鈣離子濃度對催芽效果有明顯影響。

不同鈣離子處理濃度下發(fā)芽糙米中鈣含量隨時間變化如圖2所示。

圖2 不同鈣離子濃度下催芽不同時間后糙米鈣含量的變化Fig.2 The changes in calcium content of brown rice soaked for different time under different calcium ion concentrations

由圖2可知，經CaCl2溶液浸泡催芽過的糙米，發(fā)芽后鈣含量明顯高于空白處理組，這與余賽西等[16]的研究結果一致，其在大豆發(fā)芽期間加入不同濃度的硫酸亞鐵和硫酸鋅進行營養(yǎng)強化處理，結果表明大豆在萌發(fā)過程中對Fe2+和Zn2+均有一定的富集作用。Ca2+懸浮液營養(yǎng)強化發(fā)芽糙米，使糙米外部始終保持一定滲透壓，糙米在發(fā)芽過程中吸水膨脹，鈣離子隨水分子一同進入糙米細胞組織內部，使鈣含量增加。由結果可以看出，隨著Ca2+濃度的增加，糙米中的鈣含量也明顯增加，當CaCl2浸泡液濃度為200 mg/L時，發(fā)芽糙米中鈣含量最高可達429 mg/kg，是未經催芽處理的3倍多。催芽時間48 h相比36 h，糙米中鈣含量增加不多，基本趨于平穩(wěn)。

試驗結果表明，用適當濃度CaCl2溶液對發(fā)芽糙米進行營養(yǎng)強化，對糙米富集鈣有促進作用，而達到一定處理時間時，由于生物量的積累使得發(fā)芽糙米中鈣含量變化不明顯，發(fā)芽糙米無法吸收利用多余的鈣，對鈣的富集效率降低。提高浸泡液濃度會促進鈣元素的富集，但濃度過高會抑制糙米發(fā)芽，應選用適宜濃度CaCl2溶液進行營養(yǎng)強化。綜合以上試驗結果，確定催芽溶液中CaCl2濃度為150 mg/L。

2.2 負壓處理強度對糙米發(fā)芽率和富鈣效果的影響

種類發(fā)芽有3個必需條件：適宜的溫度、充足的水分以及足夠的氧氣。在適宜的溫度和充足的水分下，種子就會開始萌發(fā)，氧氣使種子內部酶活旺盛，種子胚細胞的有氧呼吸加強，促進種子內的生物代謝和物質轉化，保證能量供應，為種子萌發(fā)提供需要[17]。經不同強度負壓處理后，糙米不同催芽時間發(fā)芽率的變化如圖3所示。

圖3 不同負壓處理強度催芽不同時間后糙米發(fā)芽率的變化Fig.3 The changes in germination rate of brown rice soaked for different time under different negative pressure treatments

由圖3可知，在0～24 h催芽時間內，由于氧氣的缺乏，負壓處理對糙米發(fā)芽率有一定程度的影響，而且壓強越大發(fā)芽率越低，對發(fā)芽率影響越明顯，但當催芽時間達到36 h和48 h時，隨著催芽時間的延長，負壓處理對發(fā)芽率的影響可基本忽略，糙米發(fā)芽率可達到93%以上。

用真空泵使容器形成負壓狀態(tài)，容器內部壓力分別達到-0.06、-0.08、-0.10 MPa，對糙米催芽營養(yǎng)強化過程進行負壓處理。經負壓處理后發(fā)芽糙米中的鈣含量有明顯變化，結果如圖4所示。

圖4 不同負壓處理強度催芽不同時間后糙米鈣含量的變化Fig.4 The changes in calcium content of brown rice soaked for different time under different negative pressure treatments

由圖4可知，經不同強度負壓處理后的糙米中鈣含量明顯高于未負壓處理組，最高可達523 mg/kg，這表明負壓處理可以促進糙米發(fā)芽過程中鈣元素的富集。徐珠潔等[18]研究表明用乳酸鈣和葡萄糖酸鋅混合液真空浸漬處理蘋果，可以有效提高蘋果中鈣、鋅元素含量，這是由于液體在真空、低溫環(huán)境下容易汽化蒸發(fā)，使得浸泡液的擴散性和滲透性增強。由圖4還可以看出，當負壓處理強度為-0.08、-0.10 MPa時，鈣離子富集作用差別不明顯。因此，在對糙米發(fā)芽過程進行營養(yǎng)強化時，可以采取適宜強度的負壓處理手段來增強鈣營養(yǎng)強化程度。

2.3 負壓輔助鈣營養(yǎng)強化對發(fā)芽糙米中GABA含量的影響

促進糙米在發(fā)芽過程中生成GABA有多種方式，除負壓輔助鈣營養(yǎng)強化措施外，通過優(yōu)化催芽浸泡溫度、浸泡時間、浸泡液pH值、超聲處理等發(fā)芽條件，也能達到促進目的[19]。張祎等[20]研究發(fā)現(xiàn)超聲波輔助處理對發(fā)芽糙米中GABA的生成有促進作用，其中超聲波處理時機、超聲波處理時長、超聲頻率均對發(fā)芽糙米中GABA的生成量有影響。Zhang等[21]研究不同pH值浸泡液對發(fā)芽糙米GABA含量的影響，結果表明在萌發(fā)過程中，浸泡液pH值為5.6的糙米在發(fā)芽過程中GABA積累量最高。植物組織內，GABA主要是由谷氨酸脫羧酶（glutamate decarboxylase，GAD）催化 L-谷氨酸發(fā)生脫羧反應生成。GAD是一種鈣調素結合蛋白，其活性受Ca2+濃度的影響[22]，適當增加浸泡液中Ca2+濃度有利于發(fā)芽糙米中GABA的產生積累。

圖5為負壓輔助鈣營養(yǎng)強化對糙米發(fā)芽過程中GABA含量的影響。

圖5 負壓輔助鈣營養(yǎng)強化對發(fā)芽糙米中GABA含量的影響Fig.5 Effects of negative pressure assisted calcium nutrition enhancement on GABA content in germinated brown rice

由圖5可知，在0～36 h，發(fā)芽糙米中GABA累積量隨催芽時間的延長明顯增加，而且CaCl2浸泡液濃度為150 mg/L的強化組GABA富集趨勢更為明顯，明顯高于未強化組，在36 h時達到最高值。經負壓輔助鈣營養(yǎng)強化處理組中GABA平均含量可達89.65 mg/100 g，是未經強化組中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。對糙米進行鈣營養(yǎng)強化以及催芽過程中進行負壓強化處理，能有效提高發(fā)芽糙米中GABA含量。

3 結論

我國在大力推進現(xiàn)代化農業(yè)建設進程中，對多樣性、安全性和營養(yǎng)性食物的需求越發(fā)急迫。人們對食品的消費觀念已由生存型消費加速向健康型、享受型消費轉變。在糙米催芽過程中進行鈣營養(yǎng)強化，并在催芽中期采取負壓輔助處理措施，可明顯提高發(fā)芽糙米中鈣含量和GABA含量，其中鈣含量最高可達523mg/kg，GABA含量可達89.65 mg/100 g。因此，在糙米發(fā)芽過程中進行負壓輔助鈣營養(yǎng)強化處理，可得到更具營養(yǎng)和保健功能的食品。