软米制备发芽糙米粉工艺中关键点控制研究

赵金海，郭春景，董 艳

(1.黑龙江省科学院大庆分院，黑龙江 大庆 163319； 2.黑龙江省科学院，哈尔滨 150001)

软米(softrice)是米质介于糯性与黏性之间的一种优质米，其品种从日本引进，直链淀粉含量低，并含有多种维生素和钙、铁、锌、硒等人体必需的微量元素，饭粒晶莹，口感香软甜糯，爽滑Q弹，冷后不变硬不回生，煮饭、熬粥均是养胃上佳之品，是老幼皆宜的健康主食。中国的软米从日本引进后，结合我国江南水稻种植环境，经过多位水稻培育专家努力，在江苏培育出了软米505等优良品种，并逐渐成为当地知名特色农产品。软米地方品种的株高一般约175 cm，高的可达205 cm，茎秆粗壮，叶较披散而色较淡，穗长粒多粒大，谷粒通常为椭圆形，米粒半透明。稻株不耐肥，不早衰，再生能力强，生育后期耐寒耐旱，但产量低，每亩仅200～300 kg。软米的发芽糙米系指软米糙米经过发芽至适当芽长的芽体，主要由幼芽和带皮层的胚乳两部分构成。萌发的方法是将软米糙米置于足够的水分、适宜的温度、充足的氧气条件下，吸水膨润，胚芽萌发，突破种皮，长成新的个体。软米发芽糙米的实质是在一定的生理活性化工艺条件下，其所含有的大量酶，如淀粉酶、蛋白酶、植酸酶等被激活和释放，并从结合态转化为游离态的酶解过程。

在浸泡发芽过程中，内源性酶被生产或激活，淀粉及蛋白质等主要大分子成分发生降解，产生一些次生代谢物，如γ-氨基丁酸(γ-aminobutyricacid，GABA)和酚醛物质，使营养价值得到大大提升。软米糙米经发芽处理后，多种功能性成分也显著增加，与糙米相比，种类更多，含量更丰富，其中最主要成分有GABA、γ-谷维素、谷胱甘肽、六磷酸肌醇、膳食纤维等[1]。糙米经发芽后总淀粉和直链淀粉含量明显降低，氨基酸总量显著提高，GABA含量明显增加。Komatsuzaki等发现在96 h的发芽过程中，GABA的含量从6.04 mg/100 g上升至149 mg/100 g。研究发现，软米发芽糙米具有的降血脂和降血压功效与其富含的生理活性成分，如GABA、膳食纤维、γ-谷维素及其他抗氧化成分有关[2]。糙米发芽后增加了不溶性但可被水解的酚类成分，有利于减少癌症的发病率。除此之外，软米发芽糙米还具有降低心血管疾病发生率、改善记忆、预防老年痴呆症、调节情绪等功效[2-6]。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

软米糙米、次氯酸钠溶液、碳酸钙、NaCl溶液、谷氨酸脱羧酶、标准氨基酸、乙醇。

1.2 仪器与设备

糙米发芽机、旋风式粉碎机、鼓风干燥箱。

1.3 关键工艺流程研究

1.3.1 工艺流程

次氯酸钠溶液浸泡-去离子水冲洗-超声加低温胁迫处理-第一营养液浸泡-第二营养液浸泡-低氧通气胁迫处理-蒸馏水冲洗沥干储存-调质-粉碎-粉碎过滤。

1.3.2 关键点控制研究

1.3.2.1 次氯酸钠溶液浸泡

将软米糙米用次氯酸钠溶液浸泡30 min进行消毒，测试最佳次氯酸钠溶液的浓度及测定GABA含量[7-8]。

1.3.2.2 超声加低温胁迫处理

使用超声波和低温培养两种环境压力共同作用的方式，对软米发芽进行影响，观察GABA含量变化。

1.3.2.3 粉碎过滤

粉碎过滤过程中加入乙醇，粉碎后通过滤纸过滤，对软米发芽糙米粉进行干燥；通过控制加入乙醇后的混合物溶液的浓度、温度、时间条件控制GABA结晶参数，得到富含GABA晶粒的软米发芽糙米粉。通过matlab对本发明方法进行析出实验仿真与实验对比[9]。

控制加入乙醇后的混合物溶液的浓度、温度、时间条件控制GABA结晶参数包括：

GABA晶体成核速率为：

A为GABA晶体成核速率(#·mL-1·s-1)，kt为GABA晶体成核速率常数(#·mL-1·s-1)，Mx为GABA晶体悬浮密度(g·mL-1)，α为悬浮密度指数因子，β为搅拌速度指数因子，ωr为混合物溶液的搅拌速度(r·s-1)，Q为溶液过饱和比，To为GABA晶体成核过饱和度指数因子，xc为乙醇摩尔分数(mol·mol-1)，Bt为GABA晶体成核自由能(J·mol-1)，Ry为气体常数(J·mol-1·K-1)，T为热力学温度。

GABA晶体生长速率为：

B为GABA晶体生长速率(cm·s-1)，ks为GABA晶体生长速率常数(cm·s-1)，Bs为GABA晶体生长自由能(J·mol-1)，Zo为GABA晶体生长过饱和度指数因子。

GABA晶体结晶粒数为：

n为GABA晶体粒数密度(#·mL-1·cm-1)，V为溶液体积(mL)，l为GABA晶体粒度(μm)，t为GABA结晶时间。

GABA晶体单一晶粒的质量变化率为：

dMd=2.97ρgkvl2dl

ρg为GABA晶体密度，kv为GABA晶体的体积形状因子。

2 材料与方法

2.1 次氯酸钠溶液浓度对软米中GABA含量的影响

随着次氯酸根浓度的进一步增加，发芽软米中GABA 的含量呈现下降趋势，这是因为在浸泡中添加一定浓度的次氯酸根促进了 GABA 的产生，主要是因为次氯酸根能活化 GAD，刺激酶活性，从而促进谷氨酸转化为 GABA，达到增加 GABA 含量的目的。随着次氯酸根浓度的进一步升高，软米中 GABA 含量开始下降，这可能是因为次氯酸根浓度过高反而会抑制GAD 的活性，使得 GABA 含量下降。

图1 次氯酸钠溶液浓度对软米中GABA含量的影响Fig.1 Effect of sodium hypochlorite solution concentration on GABA content in soft rice

2.2 微波低温胁迫处理对软米中GABA含量的影响

超声波处理在发芽前期对 GABA 含量有适当增加，在软米发芽前期超声波对其他种游离氨基酸含量有促进作用；内源性发芽软米 GAD 是 GA 转化成 GABA 的过程中最主要的酶。然而在发芽软米中 GAD 活性较低，通过分析，低温降低了GABA的消耗量，提高了GAD的活性。通过数据显示，该方法可有效富集GABA，通过5℃低温胁迫后有效降低其他酶活性，然后在常温下进行超声波处理，可以有效提高超声波的效果。

图2 微波低温处理模式数据对比图Fig.2 Data comparison of low temperature processing by microwave

2.3 粉碎过滤过程中GABA结晶参数的控制

对米粉进行乙醇析出的方式进行结晶，同时提出了结晶控制参数，能够通过自行设计获得想要的富含GABA结晶颗粒的米粉。通过matlab对本发明方法进行析出实验仿真与实验对比后(图3、图4、图5)，我们得出这种特殊米粉中各参数的形式。图3、图4、图5中单一点为实验数据，曲线为模拟数据，通过最优控制给出了方法的参数控制形式。

图3 GABA浓度变化曲线Fig.3 Concentration variation curve of GABA

图4 GABA晶体成核速率曲线Fig.4 Nucleation rate curve of GABA crystal

图5 GABA晶体生长速率曲线Fig.5 Growth rate curve of GABA crystal

3 结语

本实验用浓度为3.5%的次氯酸钠溶液浸泡30 min进行消毒，软米糙米中GABA含量最高；软米糙米在5℃条件下处理3 h、25℃回温15 min 后，在35℃、40 kHz、功率 40%超声处理 15 min后用35℃第一营养液浸泡3 h，能得到最大GABA 富集；粉碎过滤过程中加入乙醇，粉碎后通过滤纸过滤，然后对软米发芽糙米粉进行干燥；通过控制加入乙醇后的混合物溶液的浓度、温度、时间条件控制GABA结晶参数，得到富含GABA晶粒的软米发芽糙米粉。