纤维素酶预处理糙米发芽工艺优化

张 强 贾富国 杨瑞雪 付 倩 王吉泰 韩 珊

纤维素酶预处理糙米发芽工艺优化

张 强1贾富国1杨瑞雪2付 倩1王吉泰1韩 珊1

(东北农业大学工程学院1，哈尔滨 150030)
(东北农业大学食品学院2，哈尔滨 150030)

为解决发芽糙米蒸煮后口感差的问题，提出酶溶液浸泡糙米提供发芽条件的同时适当降解皮层粗纤维预处理工艺。研究酶浓度、酶解温度以及酶解时间对糙米发芽率及发芽糙米硬度的影响规律，采用二次旋转组合试验方法设计试验。并以GABA含量为考核指标，将酶预处理工艺与传统浸泡工艺进行了对比试验。结果表明:试验因素对糙米发芽率及发芽糙米硬度变化影响显著;酶预处理工艺优化参数组合为:酶浓度为0．4 mg/mL、酶解温度为33℃和酶解时间为110 min，在此条件下，糙米发芽率可达到传统浸泡处理的90%以上，其硬度降低14．1%。最优酶解条件下得到的发芽糙米GABA含量略低于未经酶浸泡得到的发芽糙米GABA含量。并通过扫描电镜分析证实了发芽糙米皮层粗纤维降解是其硬度下降的原因。

纤维素酶 糙米 发芽率 硬度

发芽糙米是将糙米经发芽至一定的芽长，所得到的一种由幼芽和带皮层的胚乳组成的糙米制品［1］。糙米发芽过程中大量内源酶被激活和释放，具有多种生理活性功能的γ－氨基丁酸含量显著增加［2］，因而发芽糙米的营养价值超过糙米，更远胜于白米。但发芽糙米粗纤维含量仍然较高［3］，且在相同的蒸煮时间内，发芽糙米的吸水量比白米少［4］，导致发芽糙米饭的口感较差，限制了发芽糙米食品的应用。在发芽糙米生产的浸泡过程中添加纤维素酶，可以降解糙米皮层粗纤维、提高发芽糙米蒸煮后的口感。然而纤维素酶降解糙米皮层粗纤维的同时可能导致营养物质外渗损失影响糙米发芽［5－6］。因此研究纤维素酶酶解条件对糙米发芽率及发芽糙米硬度的影响具有重要意义。

目前，国内外有学者提出了采用纤维素酶酶解糙米皮层、改善糙米口感作了相关的研究［7－9］;也有学者尝试采用喷加少量纤维素酶溶液，改善糙米蒸煮品质［10］。以上研究成果证实了纤维素酶溶液对糙米皮层粗纤维具有降解的作用，其研究方法和优化参数本研究可借鉴参考。应用纤维素酶溶液浸泡制取发芽糙米，在获取发芽糙米的同时，改善发芽糙米的口感。国内外鲜见关于纤维素酶浸泡预处理对糙米发芽率和发芽糙米硬度影响的相关报道。

本试验以糙米为原料，采用二次旋转组合试验方法设计试验，研究酶浓度、酶解温度以及酶解时间对糙米发芽率及发芽糙米硬度的影响规律，探求较高糙米发芽率与其硬度较低的优化工艺参数组合。

1 材料与方法

1．1 试验材料

试验所选稻谷品种为粳稻东农429，由东北农业大学水稻研究所提供，2011年10月收获，并在(20±2)℃环境下贮存。试验前去芒、脱壳得糙米，随机抽取试验样品;固体纤维素酶(酶活:滤纸FPA≥4万U/g):宁夏和氏璧生物酶制剂公司;冰乙酸(分析纯):天津市恒兴化学试剂制造有限公司;三水乙酸钠(分析纯):天津博迪化工股份有限公司;γ－氨基丁酸标准样品(分析纯):广州佳威试剂有限公司。

1．2 仪器与设备

THU－35B型砻谷机:日本佐竹公司;XMTD－4000型电热恒温水浴锅:北京市永光明医疗仪器厂;CTHI－150(A)B型恒温恒湿箱:上海施都凯仪器设备有限公司;DGH－9053A型鼓风干燥箱:上海益恒试验仪器有限公司;B型单篦蒸锅:潮安县彩塘群兴五金厂;TA．XT．Plus型物性分析仪:英国Stable Micro Systems公司;L－8800氨基酸自动分析仪:日本日立公司。

1．3 试验方法

1．3．1 酶预处理对糙米发芽率和发芽糙米硬度影响

制备发芽糙米参照Jianfen Liang等［11］的方法，将糙米清洗消毒后按试验设定条件酶解，酶解结束后用蒸馏水清洗，并置于30℃的恒温恒湿箱中培养24 h后检测发芽率。将制得的发芽糙米样品放入干燥箱内在50℃下烘至含水率为14．5%，冷却后参照GBT15682—2008所述的方法蒸煮成米饭，并测定发芽糙米硬度。

依据文献以及前期预试验研究结果，取料液比为1∶2，pH 5．0［7－9］，确定了各影响因素及水平。以糙米发芽率和发芽糙米硬度为考核指标，采用二次旋转组合试验，试验选取3因素5水平，试验的因素水平编码见表1。

表1 因素水平编码表

1．3．2 糙米发芽率测定

糙米发芽率即试验中糙米胚芽露出种皮达0．5～1．0 mm长粒数占糙米总粒数的百分比。即G=N1/N2×100%，其中G为发芽率/%;N1为所取样品中发芽糙米的粒数;N2为所取样品中糙米的总粒数。

1．3．3 硬度测定

测定发芽糙米和白米硬度参照Zheng等［12］的方法，在预试验的基础上选取测试条件为:测试前速度为1 mm/s，测试中速度为0．5 mm/s，测试后速度为0．5 mm/s，压缩比例为90%。

1．3．4 酶预处理工艺与传统浸泡工艺对照试验

使用氨基酸自动分析仪分析GABA。预先装好日立离子交换树脂2622#(4．6 mmID×60 mm)和日立仪器专用树脂2650#(4．6 mmID×60 mm)。传统浸泡处理和经酶质量浓度0．4 mg/mL，酶解温度33℃，酶解时间110 min处理发芽糙米粉末各2 g，样品溶液和氨基酸标准溶剂配制均采用钱爱萍等［13］配制方法。

1．3．5 数据处理

每组试验均重复3次，取平均值，并采用Excel软件和Design Expert软件进行数据处理。

2 结果与分析

2．1 酶预处理对糙米发芽率和发芽糙米硬度影响的数学模型

二次旋转组合试验结果见表2，试验数据用Design Expert软件分析回归，得各试验因素对糙米发芽率和发芽糙米硬度影响的回归方程分别如下:

式中:y1代表糙米发芽率，y2代表发芽糙米硬度。

表2 糙米发芽率和发芽糙米硬度试验结果

2．2 回归模型方差分析

对回归模型进行方差分析，其结果如表3和表4所示。

表3 回归模型的方差分析

表4 回归模型的方差分析

用F检验法对回归方程进行检验，从表3和表4可知，糙米发芽率和发芽糙米硬度回归方程的F1＜F0．05，说明回归方程拟合的好，又F2＞F0．05，说明糙米发芽率和发芽糙米硬度回归方程在0．05水平显著，即试验数据与所采用的数学模型相符合［14］。

2．3 酶预处理工艺参数对糙米发芽率和发芽糙米硬度影响规律分析

将酶解温度和酶解时间固定在0水平(35．0℃，120．0 min)，酶质量浓度分别为0．06、0．30、0．65、1．00、1．24 mg/mL。由图1可知糙米发芽率和发芽糙米硬度随酶浓度的增加而降低，并逐渐趋于平缓。这是因为糙米浸泡的同时也是内含营养物质外渗的过程［15］，酶浓度过低时，酶解速率较慢，皮层降解程度低，可溶性营养物质外渗较少，因此，酶浓度较低时，糙米发芽率及发芽糙米硬度均较高。随着酶浓度的增加，酶解速率逐渐加快，皮层降解程度加大，可溶性营养物质外渗较多，不利于糙米发芽。同时皮层结构的破坏使得发芽糙米蒸煮过程中水分和热量更容易穿透皮层内渗，淀粉颗粒更容易膨胀［16－17］，以及皮层粗纤维含量的降低都会使发芽糙米硬度降低［18］。当酶浓度增加到一定程度后，酶与底物糙米接触完全，酶解程度趋于恒定，所以糙米发芽率和发芽糙米硬度均趋于平缓。

图1 酶质量浓度对糙米发芽率和发芽糙米硬度的影响

将酶质量浓度和酶解时间固定在0水平(0．65 mg/mL，120．0 min)，酶解温度分别为26．6、30．0、35．0、40．0、43．4℃。由图2可知糙米发芽率和发芽糙米硬度均随酶解温度的升高呈下降的趋势。这是因为酶解温度过低导致酶活性过低，糙米皮层降解程度低，糙米发芽率和发芽糙米硬度较高。随着温度的升高，纤维素酶活性逐渐增大，皮层酶解程度增大，所以糙米发芽率和发芽糙米硬度降低。而当温度较高时，纤维素酶活性显著增强，使得发芽糙米硬度显著降低。同时温度的升高使糙米籽粒浸泡阶段吸水速度过快，细胞膜将无法得到很好的修复，产生吸胀损伤［19］，所以，糙米发芽率显著降低。

图2 酶解温度对糙米发芽率和发芽糙米硬度的影响

将酶浓度和酶解温度固定在0水平(0．65 mg/mL，35．0℃)，酶解时间分别为69．5、90．0、120．0、150．0、170．5 min。由图3可知糙米发芽率和发芽糙米硬度随酶解时间的延长呈下降的趋势。这是因为设定酶解温度低于纤维素酶最适酶解温度，所以酶解开始阶段，酶解程度小，糙米发芽率和发芽糙米硬度降低相对较缓，而随着酶解时间的继续增加，纤维素酶活性显著增强，皮层结构破坏加剧，可溶性营养成分外渗显著增加导致糙米发芽率和发芽糙米硬度显著降低。

图3 酶解时间对糙米发芽率和发芽糙米硬度的影响

2．4 优化分析

按照糙米发芽率较高、发芽糙米硬度较低且酶浓度低、酶作用时间短的原则，利用Design Expert软件分析得到优化结果:酶浓度为0．4 mg/mL、酶解温度为33℃和酶解时间为110 min时，糙米发芽率可达到传统浸泡处理的90%以上，最优酶浸泡获得的发芽糙米硬度降低14．1%。

取最优参数数值按本试验方法发芽后测得5个试样的糙米发芽率分别为81．9%、79．2%、78．7%、80．9%、76．8%，均值为79．5%，误差为0．525，可以认为优化结果可信。

不同处理得到的发芽糙米以及白米硬度比较如图4所示。

图4 最优酶处理和蒸馏水处理后发芽糙米以及白米的硬度对比

2．5 酶预处理工艺与传统浸泡工艺对发芽糙米GABA含量的影响

由图5可知，经最优酶处理获得的发芽糙米GABA含量为10．56 mg/100 g，传统浸泡工艺获得的发芽糙米GABA含量为13．05 mg/100 g。发芽糙米中的GABA是由谷氨酸经谷氨酸脱羧酶(GAD)脱羧而成，GAD酶活性与GABA的富集有着密切的联系［20］，由于纤维素酶浸泡糙米对糙米发芽有影响，可能降低了谷氨酸脱羧酶的活性，不利于GABA的生成，所以最优酶处理条件下获得的发芽糙米GABA含量略低于传统浸泡工艺获得的发芽糙米GABA含量。

图5 最优酶处理和传统浸泡工艺对发芽糙米GABA含量的影响

2．6 酶预处理对发芽糙米微观结构影响

利用电子扫描显微镜对未经酶浸泡得到的发芽糙米和酶浸泡得到的发芽糙米进行观测，在放大倍数为2 000倍的情况下观察发芽糙米皮层结构。从图6中可以看出，未经酶浸泡得到的发芽糙米表面结构相对完整。从图7中可以看出，酶浸泡预处理得到的发芽糙米皮层粗纤维结构被破坏出现洞孔结构。由于纤维素酶选择性降解皮层非淀粉多糖破坏了发芽糙米皮层结构，使发芽糙米蒸煮时水分较容易穿透皮层内渗，以及发芽糙米粗纤维含量的降低都会使发芽糙米硬度降低。

图7 酶预处理后发芽糙米扫描电子显微镜图

3 结论

在试验参数范围内，酶浓度、酶解温度以及酶解时间对糙米发芽率和发芽糙米硬度变化影响显著;以糙米发芽率较高并兼顾硬度为目标得到纤维素酶浸泡糙米预处理工艺优化参数组合为:酶浓度为0．4 mg/mL、酶解温度为33℃和酶解时间为110 min时，糙米发芽率可达到传统浸泡处理的90%以上，最优酶浸泡获得的发芽糙米硬度降低14．1%。最优酶处理条件下获得的发芽糙米GABA含量略低于传统浸泡工艺获得的发芽糙米GABA含量。试验所得数学模型可用来指导实际生产条件下的酶预处理发芽糙米工艺。

［1］吴凤凤，臧楠，杨哪，等．浸泡处理对发芽糙米蒸煮食用品质的影响［J］．中国粮油学报，2009，24(7):6－9

［2］姚森，郑理，赵思明，等．发芽条件对发芽糙米中γ－氨基丁酸含量的影响［J］．农业工程学报，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］郑理．发芽糙米工艺与发芽动力学研究［D］．武汉:华中农业大学，2005

［5］孟焕文，程智慧，王龙．浸种时间和温度对豇豆种子物质外渗及幼苗生长的影响［J］．西北农业大学学报，1997，25(1):49－53

［6］张名位，陈恩成，张雁，等．籼型黑米萌芽积累γ－氨基丁酸的工艺条件研究［J］．农业工程学报，2007，23(3):213－218

［7］张瑞宇，曾金林．糙米皮层中抗营养因子酶解条件的研究［J］．食品科学，2006，27(11):262－266

［8］姚人勇．糙米食用品质改良的研究［D］．武汉:武汉工业学院，2009

［9］张晨，温欢，刘志伟．外源酶制剂对糙米蒸煮特性的影响［J］．食品科学，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］钱爱萍，颜孙安，林香信，等．氨基酸自动分析仪快速测定γ－氨基丁酸［J］．福建农业学报，2007，22(1):73－76

［14］徐中儒．试验回归设计［M］．哈尔滨:黑龙江科技出版社，1988

［15］傅家瑞．种子生理［M］．北京:科学出版社，1985:81－86

［16］姚人勇，刘英．响应面分析法优化糙米纤维酶解工艺［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］张红生．种子生理［M］．北京:科学出版社，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

黑龙江省自然科学基金(C200809)

2012－01－06

张强，男，1986年出生，硕士，农产品加工

贾富国，1964年出生，教授，博士生导师，农产品加工技术及设备