基于LF-NMR的糙米发芽过程水分状态变化

刘 潇 沈 飞 黄 怡 张 斌 赵天霞 邵小龙

(江苏高校现代粮食流通与安全协同创新中心;江苏省高校粮油质量安全控制及深加工重点实验室;南京财经大学食品科学与工程学院，南京 210023)

糙米是稻谷去壳后保留胚芽、糠层和胚乳的全谷米粒，其营养价值远高于精白米[1-4]。然而，由于糙米含有较多的粗纤维和糠层，膨胀性和吸水性不足，导致其蒸煮性和口感较差，降低了消费者的接受度[5-6]。发芽处理被普遍认为是改善糙米营养品质和加工特性的有效手段。发芽糙米是指糙米在一定条件下培养，经发芽至一定芽长(0.5～1 mm)，所得到的由幼芽和带糠层的胚乳组成的糙米制品[7-8]。其实质是糙米中大量的酶被激活和释放，并从结合态转化为游离态[9]，催化产生了大量的生理活性物质，如γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)等，并改善了其蒸煮特性[10]。此时其营养价值最高，超过糙米，更远优于精米。

制取发芽糙米的第一个关键步骤就是浸泡处理。诸多研究均表明水分吸收和扩散在种子浸泡和发芽过程中发生了显著变化[11-13]。由于水分变化对代谢物的产生和积累十分关键，水分吸收和利用率不同可能会导致不合适的水和作用，从而引起胚乳发生过度或不足反应。因此，为了控制发芽糙米质量，了解糙米发芽过程籽粒结构和水合作用之间的关系，以及外界因素对水分迁移和分布的影响机制十分必要。低场核磁共振(low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR)一种无损、非侵入式的测量技术，能获取样品氢质子密度与分布信息，从而反映样品内部的水分分布及含量变化，从微观层面揭示水分变化规律。宋平等[14]利用LF-NMR对水稻种子浸泡过程中的水分变化进行了分析，建立了T2弛豫谱总面积与含水量的回归方程(R2=0.993 2)。发现水稻种子随着浸泡时间的增加，结合水及总含水量不断上升，自由水则呈现不规则的反复变化趋势。要世瑾等[15]将低场核磁共振图像(LF-MRI)和T2弛豫谱相结合，对萌发过程的小麦种子进行了连续72 h检测。T2弛豫谱显示吸水率存在快速吸水、平稳吸水及振荡吸水3个阶段，与成像显示的萌发3 阶段相对应，体现了种子萌发对水分需求的动态过程。以上研究表明，通过低场核磁共振弛豫信息，可以动态追踪种子浸泡发芽过程的水分迁移与分布模式，对于优化浸泡条件、科学揭示种子萌发过程机理提供了理论依据。然而，目前利用LF-NMR技术对糙米发芽过程的吸水动力学特性的研究报道还十分有限。

因此，本研究拟利用LF-NMR技术，对糙米浸泡和发芽过程各相态水分变化规律进行研究，通过测定T2弛豫时间反演图谱峰值与波峰位置的改变揭示糙米在发芽过程中不同相态水分的变化过程，建立T2弛豫谱峰值总面积与含水量的线性回归方程，以期为糙米发芽过程的水分变化提供一种新的监测方法，并为优化发芽工艺和实现产品质量标准化控制提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

粳稻谷(淮稻5号)，产地江苏淮阴；籼稻谷(中籼84号)，产地江苏盐城；NMI-20 Analyst型核磁共振分析仪:上海纽迈电子科技有限公司。

1.2 糙米浸泡与发芽方法[16]

首先将稻谷脱壳，制成糙米；取适量糙米于烧杯中用自来水冲洗3遍以去除糠粉和灰尘，沥干后用质量分数为5%的次氯酸钠消毒5 min，再用无菌水冲洗3～5 min；将糙米置于30 ℃水中浸泡7.5 h；将浸泡过的糙米均匀摊放于经消毒处理的底部垫有消毒纱布的培养皿中，盖上4层消毒纱布，喷洒无菌水，置于32 ℃和80% RH(无光照)条件下持续发芽22.5 h。

1.3 糙米LF-NMR横向弛豫谱测定

采用CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脉冲序列测定样品的T2横向弛豫参数[17-18]。参数设置为：主频SF1=19 MHz，采样频率SW=200 kHz，90°硬脉冲射频脉宽P1=13 μs，180°硬脉冲射频脉宽P2=25 μs，信号采样点数TD=135 014，重复采样等待时间TW=1 500 ms，重复采样次数NS=32，回波个数NECH=3 000。整个过程分浸泡和发芽两部分，共计30 h。在7.5 h浸泡过程中，0.5h时取一次样，之后每1 h取一次样；在随后22.5 h发芽过程中，每1 h取一次样，20 h后，每2 h取一次样。每次取样1.5 g(精确到0.01 g)，共计取样26 次，每次测量前将样品表面的水分擦拭干净。每个样品平行测6次，取平均值。

1.4 糙米含水量测定

依据GB/T 21305—2007，经过预处理后采用130 ℃烘箱法，烘干至恒重[19]。

2 结果与分析

2.1 浸泡过程糙米水分分布与含量变化

图1为不同浸泡时间粳糙米和籼糙米横向弛豫T2反演谱变化趋势图。糙米浸泡过程是水分子与糙米中大分子物质(如：蛋白质和淀粉)相互结合的过程，同时伴随着复杂的物理化学变化。由LF-NMR原理可知，T2弛豫时间长短与质子自由度密切相关。质子所受束缚力越大，T2弛豫时间越短；质子所受束缚力越小，T2弛豫时间越长。因此可根据T2弛豫图谱的波峰位置来判断糙米中的水分类型。观察可知，浸泡过程中糙米的T2反演图谱先后出现了4个峰(T2b、T21、T22、T23)。其中，T2b、T21和T22分别代表不同流动性的水分和少量脂类成分。观察可知，T2b

图1 浸泡过程糙米横向弛豫时间T2反演图谱变化趋势图

图2为糙米含水量与总弛豫峰面积、T21和T22峰面积(幅值)随时间变化趋势图。由图2可知，糙米含水量和总弛豫峰面积呈现先快速上升，后缓慢上升，再波动上升趋势。第1阶段0 ～1.5 h为快速吸水阶段；第2阶段1.5～5.5 h，为平稳吸水阶段；第3阶段5.5～7.5 h，为波动吸水阶段。在阶段1，糙米吸水速率最高，此时干燥糙米籽粒接触水后快速吸水，大量的水分进入细胞内部和细胞间隙，是简单的吸涨过程。此时种皮变软，细胞壁对空气的通透性增加，导致T2b小峰的出现；在阶段2，糙米胚部快速吸收水分，为之后糙米的萌发准备条件；阶段3，糙米处于萌动阶段，蛋白质和淀粉等大分子物质参与水解[21-22]，导致含水量呈现出微小波动。由图2c和图2d可知，糙米中结合水的含量缓慢上升，而自由水的变化更为明显，是因为糙米的浸泡过程主要就是吸水，导致其结合水和自由水含量均上升。但在此过程中大量水分子受蛋白质、淀粉等大分子物质的束缚力变小，导致T21、T22峰等均不同程度右移。粳糙米总吸水量与结合水含量略高于籼糙米，原因在于粳米中支链淀粉含量明显高于籼米，其持水能力也较高。而籼米直链淀粉含量较高，其水解过程造成其自由水含量变化相对较粳米剧烈。

图2 浸泡过程糙米总含水量与T2总幅值、T21和T22信号幅值变化趋势图

通过一维回归分析发现糙米的T2总弛豫峰面积与样品含水量呈现显著相关关系(图3)，其中粳糙米的拟合方程为：y=0.001 31x-3.092 8(R2=0.991 9,P<0.01)；籼糙米的拟合方程为：y=0.001 4x-2.647 6(R2=0.964 7，P<0.01)，x表示糙米T2弛豫峰面积，y表示样品含水量。

a 粳稻

b 籼稻

图3 浸泡过程糙米含水量与T2总信号幅值线性拟合关系图

2.2 发芽过程糙米水分分布与含量变化

图4为不同发芽时间粳糙米和籼糙米横向弛豫时间T2反演谱变化趋势图。观察可知，相比于浸泡过程，此阶段T2各谱峰面积和波峰位置变化均不大，表明经过浸泡后，糙米内各相态水分进入了一个较为稳定的状态，结合水向自由水迁移的趋势并不显著。图5为不同发芽时间糙米含水量与总弛豫信号、T21和T22弛豫信号变化。由图5可知，发芽过程糙米含水量增加较为缓慢，与图4相对应，粳糙米和籼糙米含水量均增加了约5%，低于浸泡过程样品吸水量(约15%)。

虽然含水量总体变化不大，但在糙米发芽过程中自身发生各种物理化学变化，包括淀粉、蛋白质的水解，还原糖的生成等[23]。糙米发芽过程，一方面可以从外界吸收水分，另一方面伴随多种化学反应，离不开结合水和自由水的参与。由图5c可知，结合水的含量随着发芽过程的推进含量不断减少，表明部分结合水参与水解过程，生成自由水。而发芽过程自由水参与各项生化活动，在此期间会不断消耗和产生自由水，导致自由水含量并不直线上升，而是呈现变化幅度较大，波动上升的趋势(图5d)。与浸泡过程类似，粳糙米的持水力高于籼糙米，造成其结合水含量相对较高，而由于直链淀粉水解，导致籼糙米比粳糙米中自由水的含量要高且变化更剧烈。然而本研究所用粳米和籼米品种有限，不同品种的水分状态变化规律的还有待进一步研究。

a 粳稻

b 籼稻

图4 发芽过程糙米横向弛豫时间T2反演图谱变化趋势图

图5 发芽过程糙米总含水量与T2总幅值、T21和T22信号幅值变化趋势图

3 结论

本实验通过LF-NMR技术研究糙米在浸泡与发芽过程中的水分状态与分布情况，利用CPMG序列获取了样品的T2反演图谱，分析了不同状态水分的迁移变化规律。浸泡过程样品中存在结合水向自由水迁移趋势，其含水量、结合水和自由水含量均不断上升，且含水量与T2信号总幅值呈显著相关性(R2>0.96)。发芽过程总含水量与自由水含量缓慢波动上升，结合水含量逐渐下降。浸泡与发芽过程中，自由水的含量变化与波动幅度均更加剧烈。结果表明，LF-NMR技术能够直观获取样品中不同状态水分的含量及变化趋势，为优化糙米发芽过程及品质控制提供了一种新的监测手段。

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