储藏过程中稻谷β-胡萝卜素含量及色度变化

王 琰 顾佳缘 杨 恒 胡慧敏 陈银基

(南京财经大学食品科学与工程学院；江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心，南京 210023)

稻谷作为我国居民日常生活中的主粮之一，不仅可为人体提供大量的碳水化合物以及少量蛋白质、脂肪，还能提供类胡萝卜素等众多微量元素。类胡萝卜素包括α、β、γ、δ、ε等5种，其中β-胡萝卜素活性最好，是人体维生素A的合成前体[1-2]。β-胡萝卜素是一种橘黄色脂溶性化合物，具有重要的生理功能及生物学效应。β-胡萝卜素具有猝灭自由基等抗氧化功能[3-4]。此外，其在抑制癌细胞生长、免疫反应调节、肝脏保护、调控细胞分化及生长、预防治疗血管疾病等方面具有重要作用[1,5-7]。研究发现，β-胡萝卜素是视黄酸生成的关键前体物质，是体内脂肪储备重要的膳食调节剂[8]。β-胡萝卜素还是良好的营养强化剂、稳定剂和着色剂定性[9]。同时，由于降解方式、双键断裂位点的差异，可以生成多种降解产物，在生物体内起着重要作用，如植物激素、香气物质、类维生素A等[10-12]。虽然与果蔬相比，稻谷中的类胡萝卜素含量相对较低，但谷物作为部分特定区域(如东南亚、南亚)居民摄取营养的主要来源，对人体的营养状况有重要影响[13]。

β-胡萝卜素中存在多个共轭双键。由于其共轭双键的不稳定性，谷物中β-胡萝卜素在储藏过程中易受光、热等因素的影响，造成其氧化降解和和异构化。为了增加稻谷中β-胡萝卜素含量，学者们进行大量研究和实验。Potrykus等[14]利用通过农杆菌转化，将β-胡萝卜素生物合成整个途径引入水稻胚乳中，以调控β-胡萝卜素生物合成，得到“黄金大米”。其β-胡萝卜素大量富集在胚乳中，含量是普通大米的23倍[15]。黄金大米能提高β-胡萝卜素的生物利用度，改善食用者体内维生素A的水平，并可以有效地缓解特定人群营养缺乏症(主要是维生素A缺乏症)。目前，澳大利亚、新西兰等国家已批准黄金大米在食品中的应用。

众多的研究将关注焦点集中在增加稻谷中β-胡萝卜素含量上，而对于稻谷在储藏中的β-胡萝卜素损失研究关注较少。本实验基于储藏过程中温湿度动态条件，研究稻谷β-胡萝卜素的含量及稻谷表面颜色的变化规律，为稻谷的科学合理储藏提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料与仪器

稻谷：华粳5号，采自安徽宿州。

石油醚(沸程60～90 ℃，AR)；无水硫酸钠(AR)；β-胡萝卜素标准品；三氯甲烷(AR)；甲醇(HPLC)；二氯甲烷(HPLC)。

GL-21M离心机；N-1100D-WD旋转蒸发仪；高速万能粉碎机；BLH-3250实验砻谷机；SB25-12DTDN超声波清洗机；PQX-300D人工气候箱；CM-5色差仪；Dionex Ultimate 3000高效液相色谱仪。

1.2 方法

1.2.1 储藏方法

实验在南京财经大学粮食储运国家工程实验室进行。采用模拟粮库储藏，分为3种类型：低温动态L组(配置制冷空调的低温粮库，可控温控湿)、中温动态M组(通风条件较好的普通粮库)、高温动态H组(南方小型粮库，温湿条件较差)。根据2017—2018年期间测定的3种粮库第1年10月到次年2月的各个月的实际温湿度，设定模拟储藏的温湿度条件，如表1所示。在智能人工气候箱中设置好所需的动静态温湿度数据。取初始含水量15%的稻谷，通过水分调节，分别获得15%、17%、19%、21%的稻谷，置于塑封袋中模拟储藏150 d，每30 d随机取适量稻谷测定1次β-胡萝卜素含量和色度值。

表1 动态储藏条件构建

1.2.2 β-胡萝卜素色谱法测定

波长的确定：β-胡萝卜素标准品用少量氯仿溶解，石油醚定容，利用紫外分光光度计在200～700 nm范围内扫描其吸收光谱，找出其最大吸收峰，此时波长为450 nm。在此波长下检测稻谷中的β-胡萝卜素以保证具有较高的灵敏度和准确性。

色谱条件： 色谱柱：AcclaimTM C18(250×4.6 mm，5 μm)；流动相∶甲醇∶二氯甲烷=70∶30；检测波长为450 nm；进样量20 μL；流速0.8 mL/min；温度30 ℃；时间30 min。

取适量稻谷样品，于砻谷机中脱壳2～3次，将脱壳后的糙米放入粉碎机内打碎，过80目筛备用。

精确称取糙米粉2.000 g，蒸馏水浸泡去除碳水化合物等水溶性成分，过滤，加10 mL石油醚溶解，封口，于波清洗机中，250 W超声提取20 min，离心机4 ℃，8 000 r/min，离心10 min，取上清液，重复3次，合并清液于50 mL离心管中，过无水硫酸钠脱水，旋转蒸发仪上35 ℃蒸至近干。用3 mL石油醚将β-胡萝卜素洗下，倒入10 mL离心管内，定容至5 mL，混匀。经0.45 μm滤膜过滤，弃出初始约1 mL滤液，收集至进样瓶中备用。以上操作均在避光环境中进行[16]。

1.2.3 表面颜色测定

取适量稻谷样品，利用CM-5色差仪测定稻谷色度相关参数：L(明度)、a(红绿色相)、b(黄蓝色相)。每份样品重复检测5次，每次测定后旋转色差皿45°，结果取平均值。

1.3 统计分析

利用Excel和SPSS19.0软件进行数据处理及统计分析，采用单因素方差分析法(One-way ANOVA)分析各指标的差异显著性，并采用LSD法进行多重比较，各指标相关性采用Person相关性分析。利用Graphpad Prism7.0软件进行处理制图。

2 结果与分析

2.1 稻谷储藏过程中β-胡萝卜素含量变化

无光照条件下，按1.2.1所构建的动态温湿度储藏条件，对含水量为15%、17%、19%、21%的稻谷进行为期150 d的储藏实验，结果见图1。随着储藏时间的延长，β-胡萝卜素的含量不断降低。前30 d，β-胡萝卜素变化较小。同一温度下，不同水分含量下，随着储藏时间的延长，稻谷中的β-胡萝卜素含量的减少幅度不同。在相同储藏时间内，随着水分的升高，β-胡萝卜素的减少量降低。从图1中还可以发现，对于同一批次的稻谷来说，相同储藏时间内，不同储藏温度下，稻谷中β-胡萝卜素含量均呈现下降趋势不同。这是由于温度变化造成β-胡萝卜素的降解速率变化。这可能是因为β-胡萝卜素含共轭双键，在储藏期间，这种不饱和双键与O2作用，发生缓慢的氧化反应，然后再进一步发生分解反应，而温度的升高，影响β-胡萝卜素降解所需酶的活性，从而促进这种氧化降解反应，导致稻谷储藏期间β-胡萝卜素含量大幅度降低。

图1 不同水分稻谷储藏期间β-胡萝卜素含量变化

对3个动态温湿度和水分含量进行分析可知，储藏温度、水分含量都对稻谷β-胡萝卜素含量有极显著的影响(P<0.01)。稻谷储藏期间，储藏温度不同，β-胡萝卜素的损失程度差别较大。高温度储藏，促进了β-胡萝卜素氧化降解为一些相对分子质量较小的物质；水对这些β-胡萝卜素具有保护作用，高的水分可以降低β-胡萝卜素的降解速率。由此可知，稻谷储藏时应采用低温储藏并控制好含水量，以降低β-胡萝卜素的降解速率，减少β-胡萝卜素的损失。

2.2 稻谷储藏过程中表面颜色变化

在动态储藏期间，取不同含水量的稻谷，测定其色度相关参数：L(明度)、a(红绿色相)、b(黄蓝色相)，结果如表2所示。

150 d的模拟储藏过程中，L值不断减小，稻谷表面颜色慢慢变暗，稻谷品质发生变化。稻谷水分含量相同，不同温度下的L值变化较小，且随着温度增大，L值变化量逐渐变大；在同一温度下，水分含量不同，L值变化显著，水分含量越低，ΔL值越小(表2)。通过对温度和水分含量进行显著性分析可知，温度对稻谷色度L值影响显著(P<0.05),初始水分含量对稻谷色度L值影响极显著(P<0.01)。

稻谷储藏期间，随时间的延长，a值逐渐增大，稻谷表面逐渐偏红色，稻谷品质发生劣变。L组中，初始含水量为15%、17%、19%、21%的稻谷a值分别增加了0.47、0.46、0.63、0.85，水分越高，a值变化越大。温度对稻谷色度a值影响极显著(P<0.01),初始水分含量对稻谷色度a值影响不大(P>0.05)。

b值随着储藏时间的延长而不断增大且变化较明显，稻谷表面逐渐变黄，稻谷品质发生了劣变。在相同温度条件下，稻谷的初始水分含量越高，Δb越高。3个模拟储藏组中，经150 d储藏后，21%的稻谷b值变化尤为显著。温度对对稻谷色度b值影响不大(P>0.05),初始水分含量对稻谷色度b值影响极显著(P<0.01)。

2.3 相关性分析

稻谷各指标间相关性分析见表3。L值与储藏温度显著负相关(r=-0.235，P<0.05)，说明随着储藏期间温度的增高，L值逐渐降低。a值与储藏温度极显著正相关(r=0.520，P<0.01)，说明温度升高，a值增大，稻谷表面逐渐偏红。L值与稻谷中β-胡萝卜素含量显著正相关(r=0.236，P<0.05)，随着β-胡萝卜素含量的减少，L值不断降低，稻谷表面逐渐变暗。a值与β-胡萝卜素含量极显著负相关(r=-0.517，P<0.01), 即β-胡萝卜素含量降低，稻谷色度a值增加，稻谷表面偏红。b值与β-胡萝卜素含量显著负相关(r=-0.258，P<0.05), β-胡萝卜素含量降低，稻谷色度b值增加，稻谷表面逐渐发黄。β-胡萝卜素含量与色度的3个指标之间存在显著的相关性，说明β-胡萝卜素含量的变化可以一定程度上反映稻谷表面颜色的变化。

表2 储藏期间不同水分含量稻谷的色度值变化

注：同一指标内同行小写字母不同表示同一组别不同储藏时间的差异性显著(P<0.05)；同一指标内同列大写字母不同表示同一组别不同水分含量间差异性显著(P<0.05)。

表3 储藏过程中稻谷各指标间的相关性

注：*表示P<0.05，显著相关；**表示P<0.01，极显著相关。

3 讨论

收获后的稻谷在储藏期间，其外观、风味、营养成分等会发生各种变化。储藏温度及水分含量对其产生重要影响。随着随时间延长，β-胡萝卜素含量降低，这是因为其受到温度、水分、霉菌等的影响，发生了降解。有研究报道，高水分能够稳定稻谷中的β-胡萝卜素，而低水分会促使β-胡萝卜素降解[17]。Mibei等[18]通过研究发现，受干旱胁迫条件下，作物中的β-胡萝卜素含量显著下降。Aurélie等[19]研究证实，β-胡萝卜素的降解与水分及氧含量相关。本实验中，含水量21%的稻谷β-胡萝卜素含量明显高于水分含量15%、17%、19%的稻谷，与其研究结果相似。Tantratian等[20]研究发现，与其他样品储存条件相比，冷藏储存中的β-胡萝卜素和总类胡萝卜素含量显着更高； Przybysz等[21]研究也发现，在储存期间β-胡萝卜素的降解遵循一级动力学，在所研究的影响因素中，温度和时间对β-胡萝卜素降解的影响最为严重。这与本研究结果一致。模拟储藏中H组，稻谷β-胡萝卜素流失显著增多，有报道称这是因为在温度与初始水分含量的双重作用下，氧化反应和酶及非酶作用会促进降解酶与色素的接触，引起储藏和加工中叶黄素、β-胡萝卜素等类胡萝卜素的损失，同时引起品质劣化[22]。

自然条件下，反式β-胡萝卜素在β-胡萝卜素中占据主要地位。但由于其存在多个共轭双键，导致其易受到光、热、氧等因素的影响，引起自身的氧化降解和和异构化。研究发现，富含β-胡萝卜素的食物经热处理后，由于全反式β-胡萝卜素热异构化为顺式异构体，导致食物中反式β-胡萝卜素的含量减少，顺式异构体的含量增加；其中，β-胡萝卜素的主要顺式异构体是15-15'-二顺式-β-胡萝卜素、13-顺式-β-胡萝卜素和9-顺式-β-胡萝卜素，其中13-顺式-β-胡萝卜素的含量最多[23-24]。在低温条件下，顺式异构体中，13-和15-15′-二顺式-β-胡萝卜素占据优势，而9-顺式-β-胡萝卜素在更高温度条件下形成[25]。β-胡萝卜素降解方式主要分为物理降解、化学降解、生物降解，稻谷加工储藏期间的β-胡萝卜素降解是一种自氧化热降解现象[26]。在类胡萝卜素热降解的研究中，一般是通过人为施加高温来得到降解产物，反映类胡萝卜素热降过程，如β-胡萝卜素在97 ℃下加热3 h得到其降解路径[12]，但自然条件下，温度一般最高在30 ℃左右。储藏期间，随着时间的延长、温度和水分含量的影响，稻谷中β-胡萝卜素发生氧化降解，导致β-胡萝卜素含量不断减少，此种温和的自氧化降解称之为中低温降解，其降解速率缓慢，耗时长[12]。在本模拟储藏实验中，最初30 d内，受温度、水分含量影响较小，β-胡萝卜素含量变化不大，最高仅为0.087 8 μg/g，30 d后，在含水量和温度的双重作用下，β-胡萝卜素氧化降解速率慢慢加快，使得稻谷中其含量不断降低，储藏150 d后，β-胡萝卜素变化量最高为0.373 98 μg/g，由此可以得出，储藏期间β-胡萝卜素的降解是一个长期而缓慢降解过程。在中低温降解过程中，β-胡萝卜素先是发生环氧化，其稳定结构遭到破坏，形成环氧化合物，从而导致碳链断裂形成氧化产物，如β-胡萝卜素-5,6-环氧化物、β-胡萝卜素-5,8-环氧化物，然后多个位置的双键断裂进一步降解，根据断裂位置不同，其主要产物有阿朴-胡萝卜素如β-阿朴-13-胡萝卜素，阿朴-胡萝卜醛如阿朴-14’-胡萝卜醛、阿朴-12’-胡萝卜醛、阿朴-10’-胡萝卜醛[14,27]。同时，阿朴-10’-胡萝卜醛可能会继续氧化断裂生成类维生素A。因此在储藏期间，要严格控制水分和温度，以减少β-胡萝卜素的流失。

稻谷储存过程中，稻谷本身的初始水分含量及环境的温湿度对稻谷色度产生显著影响。储藏期间，随时间的延长，L值逐渐减小，a值和b值逐渐增大。这和Choi等[27]的研究结论一致。本研究中L值的减少、a值和b值的增加表明储藏过程中稻谷的品质发生劣变。有研究表明，水分含量、储藏温度对稻谷呼吸作用具有重要影响，水分含量增大、温度升高，导致稻谷的呼吸作用增强，增加了代谢废物的积累，稻谷就更容易发生黄变[28]。同时，稻谷储藏期间会受到真菌和霉菌等微生物的影响[29]，这些因素交叉作用引起稻谷品质发生劣变。因此，为了使稻谷不会发生黄变，保持良好的色度，储藏期间应尽量控制好温湿度和稻谷本身的水分含量。本研究通过品质相关性分析表明，β-胡萝卜素含量的变化与稻谷色度的L值、a值、b值具有极显著的相关性。这与Oli等[30]的研究结果相近，即稻谷颜色的变化可能与一些红色或黄色的类胡萝卜素相关。

4 结论

研究不同动态储藏条件下不同初始水分的稻谷中β-胡萝卜素含量及稻谷表面颜色的变化。结果表明，储藏时的初始水分含量、温湿度对稻谷储藏中β-胡萝卜素含量影响极显著；随着储藏时间的延长，色度的L值和β-胡萝卜素含量呈现降低趋势，色度的a值和b值呈现显著升高趋势，稻谷品质劣变。稻谷色度L值与β-胡萝卜素含量有显著正相关；稻谷色度a值和b值与β-胡萝卜素含量有显著负相关。储藏过程应严格控制稻谷的含水量、储藏温度和湿度，以减少稻谷β-胡萝卜素的流失，防止稻谷品质劣变。