纖維素酶預(yù)處理糙米發(fā)芽工藝優(yōu)化

張 強 賈富國 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1賈富國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間對糙米發(fā)芽率及發(fā)芽糙米硬度的影響規(guī)律，采用二次旋轉(zhuǎn)組合試驗方法設(shè)計試驗。并以GABA含量為考核指標(biāo)，將酶預(yù)處理工藝與傳統(tǒng)浸泡工藝進行了對比試驗。結(jié)果表明:試驗因素對糙米發(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℃和酶解時間為110 min，在此條件下，糙米發(fā)芽率可達到傳統(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，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)芽過程中大量內(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)芽糙米的營養(yǎng)價值超過糙米，更遠勝于白米。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可能導(dǎo)致營養(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］。以上研究成果證實了纖維素酶溶液對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，改善發(fā)芽糙米的口感。國內(nèi)外鮮見關(guān)于纖維素酶浸泡預(yù)處理對糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度影響的相關(guān)報道。

本試驗以糙米為原料，采用二次旋轉(zhuǎn)組合試驗方法設(shè)計試驗，研究酶濃度、酶解溫度以及酶解時間對糙米發(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 試驗材料

試驗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。試驗前去芒、脫殼得糙米，隨機抽取試驗樣品;固體纖維素酶(酶活:濾紙FPA≥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: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Stable Micro Systems公司;L－8800氨基酸自動分析儀:日本日立公司。

1．3 試驗方法

1．3．1 酶預(yù)處理對糙米發(fā)芽率和發(fā)芽糙米硬度影響

制備發(fā)芽糙米參照Jianfen Liang等［11］的方法，將糙米清洗消毒后按試驗設(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，并測定發(fā)芽糙米硬度。

依據(jù)文獻以及前期預(yù)試驗研究結(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，試驗選取3因素5水平，試驗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)芽率測定

糙米發(fā)芽率即試驗中糙米胚芽露出種皮達0．5～1．0 mm長粒數(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 硬度測定

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

1．3．4 酶預(yù)處理工藝與傳統(tǒng)浸泡工藝對照試驗

使用氨基酸自動分析儀分析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

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

2 結(jié)果與分析

2．1 酶預(yù)處理對糙米發(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)組合試驗結(jié)果見表2，試驗數(shù)據(jù)用Design Expert軟件分析回歸，得各試驗因素對糙米發(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)芽糙米硬度試驗結(jié)果

2．2 回歸模型方差分析

對回歸模型進行方差分析，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檢驗法對回歸方程進行檢驗，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。這是因為糙米浸泡的同時也是內(nèi)含營養(yǎng)物質(zhì)外滲的過程［15］，酶濃度過低時，酶解速率較慢，皮層降解程度低，可溶性營養(yǎng)物質(zhì)外滲較少，因此，酶濃度較低時，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，可溶性營養(yǎng)物質(zhì)外滲較多，不利于糙米發(fā)芽。同時皮層結(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。這是因為酶解溫度過低導(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，纖維素酶活性顯著增強，使得發(fā)芽糙米硬度顯著降低。同時溫度的升高使糙米籽粒浸泡階段吸水速度過快，細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間的延長呈下降的趨勢。這是因為設(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較緩，而隨著酶解時間的繼續(xù)增加，纖維素酶活性顯著增強，皮層結(jié)構(gòu)破壞加劇，可溶性營養(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 酶解時間對糙米發(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℃和酶解時間為110 min時，糙米發(fā)芽率可達到傳統(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)值按本試驗方法發(fā)芽后測得5個試樣的糙米發(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比

2．5 酶預(yù)處理工藝與傳統(tǒng)浸泡工藝對發(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)酶處理條件下獲得的發(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)浸泡工藝對發(fā)芽糙米GABA含量的影響

2．6 酶預(yù)處理對發(fā)芽糙米微觀結(jié)構(gòu)影響

利用電子掃描顯微鏡對未經(jīng)酶浸泡得到的發(fā)芽糙米和酶浸泡得到的發(fā)芽糙米進行觀測，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

在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，酶濃度、酶解溫度以及酶解時間對糙米發(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℃和酶解時間為110 min時，糙米發(fā)芽率可達到傳統(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)酶處理條件下獲得的發(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。試驗所得數(shù)學(xué)模型可用來指導(dǎo)實際生產(chǎn)條件下的酶預(yù)處理發(fā)芽糙米工藝。

［1］吳鳳鳳，臧楠，楊哪，等．浸泡處理對發(fā)芽糙米蒸煮食用品質(zhì)的影響［J］．中國糧油學(xué)報，2009，24(7):6－9

［2］姚森，鄭理，趙思明，等．發(fā)芽條件對發(fā)芽糙米中γ－氨基丁酸含量的影響［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22(12):211－215

［3］Moongngarm A，Saetung N．Comparison of chemical compositions and bioactive compounds of germinated rough rice and brown rice［J］．Food Chemistry，2010，279(122):782－788

［4］鄭理．發(fā)芽糙米工藝與發(fā)芽動力學(xué)研究［D］．武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005

［5］孟煥文，程智慧，王龍．浸種時間和溫度對豇豆種子物質(zhì)外滲及幼苗生長的影響［J］．西北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1997，25(1):49－53

［6］張名位，陳恩成，張雁，等．秈型黑米萌芽積累γ－氨基丁酸的工藝條件研究［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(3):213－218

［7］張瑞宇，曾金林．糙米皮層中抗?fàn)I養(yǎng)因子酶解條件的研究［J］．食品科學(xué)，2006，27(11):262－266

［8］姚人勇．糙米食用品質(zhì)改良的研究［D］．武漢:武漢工業(yè)學(xué)院，2009

［9］張晨，溫歡，劉志偉．外源酶制劑對糙米蒸煮特性的影響［J］．食品科學(xué)，2009，30(23):356－360

［10］Arora G．Sehgal V K，Arora，M．Optimization of process parameters for milling of enzymatically pretreated basmati rice［J］．Journal of Food Engineering，2007，82:153－159

［11］Liang J F，Han B Z，Robert Nout，et al．Effects of soaking，germination and fermentation on phytic acid，total and in vitro soluble zinc in brown rice［J］．Food Chemistry，2008，110:821－828

［12］Zheng X Z，Liu CH，Chen Z Y，et al．Effect of drying conditions on the texture and taste characteristics of rough rice［J］．Drying Technology，2011，29:1297－1305

［13］錢愛萍，顏孫安，林香信，等．氨基酸自動分析儀快速測定γ－氨基丁酸［J］．福建農(nóng)業(yè)學(xué)報，2007，22(1):73－76

［14］徐中儒．試驗回歸設(shè)計［M］．哈爾濱:黑龍江科技出版社，1988

［15］傅家瑞．種子生理［M］．北京:科學(xué)出版社，1985:81－86

［16］姚人勇，劉英．響應(yīng)面分析法優(yōu)化糙米纖維酶解工藝［J］．食品科技，2009，34(11):147－151

［17］Das M，Banerjee R，Bal S．Evaluation of physicochemical properties of enzyme treated brown rice［J］．LWT－Food Science and Technology，2008b，41:2092－2096

［18］Das M，Gupta S，Kapoor V，et al．Enzymatic polishing of rice－a new processing technology［J］．LWT－Food Science and Technology，2008a，41:2079－2084

［19］張紅生．種子生理［M］．北京:科學(xué)出版社，2010:136

［20］Saikusa T，Horino T，Mori Y．Accumulation ofγ－aminobutyric acid in the rice germ during water soaking［J］．Biosci．Biotech．Biochem，1994，58(12):2291－2292．

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，男，1986年出生，碩士，農(nóng)產(chǎn)品加工

賈富國，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