儲藏過程中稻谷β-胡蘿卜素含量及色度變化

王 琰 顧佳緣 楊 恒 胡慧敏 陳銀基

(南京財經(jīng)大學食品科學與工程學院；江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023)

稻谷作為我國居民日常生活中的主糧之一，不僅可為人體提供大量的碳水化合物以及少量蛋白質(zhì)、脂肪，還能提供類胡蘿卜素等眾多微量元素。類胡蘿卜素包括α、β、γ、δ、ε等5種，其中β-胡蘿卜素活性最好，是人體維生素A的合成前體[1-2]。β-胡蘿卜素是一種橘黃色脂溶性化合物，具有重要的生理功能及生物學效應(yīng)。β-胡蘿卜素具有猝滅自由基等抗氧化功能[3-4]。此外，其在抑制癌細胞生長、免疫反應(yīng)調(diào)節(jié)、肝臟保護、調(diào)控細胞分化及生長、預(yù)防治療血管疾病等方面具有重要作用[1,5-7]。研究發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素是視黃酸生成的關(guān)鍵前體物質(zhì)，是體內(nèi)脂肪儲備重要的膳食調(diào)節(jié)劑[8]。β-胡蘿卜素還是良好的營養(yǎng)強化劑、穩(wěn)定劑和著色劑定性[9]。同時，由于降解方式、雙鍵斷裂位點的差異，可以生成多種降解產(chǎn)物，在生物體內(nèi)起著重要作用，如植物激素、香氣物質(zhì)、類維生素A等[10-12]。雖然與果蔬相比，稻谷中的類胡蘿卜素含量相對較低，但谷物作為部分特定區(qū)域(如東南亞、南亞)居民攝取營養(yǎng)的主要來源，對人體的營養(yǎng)狀況有重要影響[13]。

β-胡蘿卜素中存在多個共軛雙鍵。由于其共軛雙鍵的不穩(wěn)定性，谷物中β-胡蘿卜素在儲藏過程中易受光、熱等因素的影響，造成其氧化降解和和異構(gòu)化。為了增加稻谷中β-胡蘿卜素含量，學者們進行大量研究和實驗。Potrykus等[14]利用通過農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化，將β-胡蘿卜素生物合成整個途徑引入水稻胚乳中，以調(diào)控β-胡蘿卜素生物合成，得到“黃金大米”。其β-胡蘿卜素大量富集在胚乳中，含量是普通大米的23倍[15]。黃金大米能提高β-胡蘿卜素的生物利用度，改善食用者體內(nèi)維生素A的水平，并可以有效地緩解特定人群營養(yǎng)缺乏癥(主要是維生素A缺乏癥)。目前，澳大利亞、新西蘭等國家已批準黃金大米在食品中的應(yīng)用。

眾多的研究將關(guān)注焦點集中在增加稻谷中β-胡蘿卜素含量上，而對于稻谷在儲藏中的β-胡蘿卜素損失研究關(guān)注較少。本實驗基于儲藏過程中溫濕度動態(tài)條件，研究稻谷β-胡蘿卜素的含量及稻谷表面顏色的變化規(guī)律，為稻谷的科學合理儲藏提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與儀器

稻谷：華粳5號，采自安徽宿州。

石油醚(沸程60～90 ℃，AR)；無水硫酸鈉(AR)；β-胡蘿卜素標準品；三氯甲烷(AR)；甲醇(HPLC)；二氯甲烷(HPLC)。

GL-21M離心機；N-1100D-WD旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；高速萬能粉碎機；BLH-3250實驗礱谷機；SB25-12DTDN超聲波清洗機；PQX-300D人工氣候箱；CM-5色差儀；Dionex Ultimate 3000高效液相色譜儀。

1.2 方法

1.2.1 儲藏方法

實驗在南京財經(jīng)大學糧食儲運國家工程實驗室進行。采用模擬糧庫儲藏，分為3種類型：低溫動態(tài)L組(配置制冷空調(diào)的低溫糧庫，可控溫控濕)、中溫動態(tài)M組(通風條件較好的普通糧庫)、高溫動態(tài)H組(南方小型糧庫，溫濕條件較差)。根據(jù)2017—2018年期間測定的3種糧庫第1年10月到次年2月的各個月的實際溫濕度，設(shè)定模擬儲藏的溫濕度條件，如表1所示。在智能人工氣候箱中設(shè)置好所需的動靜態(tài)溫濕度數(shù)據(jù)。取初始含水量15%的稻谷，通過水分調(diào)節(jié)，分別獲得15%、17%、19%、21%的稻谷，置于塑封袋中模擬儲藏150 d，每30 d隨機取適量稻谷測定1次β-胡蘿卜素含量和色度值。

表1 動態(tài)儲藏條件構(gòu)建

1.2.2 β-胡蘿卜素色譜法測定

波長的確定：β-胡蘿卜素標準品用少量氯仿溶解，石油醚定容，利用紫外分光光度計在200～700 nm范圍內(nèi)掃描其吸收光譜，找出其最大吸收峰，此時波長為450 nm。在此波長下檢測稻谷中的β-胡蘿卜素以保證具有較高的靈敏度和準確性。

色譜條件： 色譜柱：AcclaimTM C18(250×4.6 mm，5 μm)；流動相∶甲醇∶二氯甲烷=70∶30；檢測波長為450 nm；進樣量20 μL；流速0.8 mL/min；溫度30 ℃；時間30 min。

取適量稻谷樣品，于礱谷機中脫殼2～3次，將脫殼后的糙米放入粉碎機內(nèi)打碎，過80目篩備用。

精確稱取糙米粉2.000 g，蒸餾水浸泡去除碳水化合物等水溶性成分，過濾，加10 mL石油醚溶解，封口，于波清洗機中，250 W超聲提取20 min，離心機4 ℃，8 000 r/min，離心10 min，取上清液，重復(fù)3次，合并清液于50 mL離心管中，過無水硫酸鈉脫水，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上35 ℃蒸至近干。用3 mL石油醚將β-胡蘿卜素洗下，倒入10 mL離心管內(nèi)，定容至5 mL，混勻。經(jīng)0.45 μm濾膜過濾，棄出初始約1 mL濾液，收集至進樣瓶中備用。以上操作均在避光環(huán)境中進行[16]。

1.2.3 表面顏色測定

取適量稻谷樣品，利用CM-5色差儀測定稻谷色度相關(guān)參數(shù)：L(明度)、a(紅綠色相)、b(黃藍色相)。每份樣品重復(fù)檢測5次，每次測定后旋轉(zhuǎn)色差皿45°，結(jié)果取平均值。

1.3 統(tǒng)計分析

利用Excel和SPSS19.0軟件進行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)分析各指標的差異顯著性，并采用LSD法進行多重比較，各指標相關(guān)性采用Person相關(guān)性分析。利用Graphpad Prism7.0軟件進行處理制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻谷儲藏過程中β-胡蘿卜素含量變化

無光照條件下，按1.2.1所構(gòu)建的動態(tài)溫濕度儲藏條件，對含水量為15%、17%、19%、21%的稻谷進行為期150 d的儲藏實驗，結(jié)果見圖1。隨著儲藏時間的延長，β-胡蘿卜素的含量不斷降低。前30 d，β-胡蘿卜素變化較小。同一溫度下，不同水分含量下，隨著儲藏時間的延長，稻谷中的β-胡蘿卜素含量的減少幅度不同。在相同儲藏時間內(nèi)，隨著水分的升高，β-胡蘿卜素的減少量降低。從圖1中還可以發(fā)現(xiàn)，對于同一批次的稻谷來說，相同儲藏時間內(nèi)，不同儲藏溫度下，稻谷中β-胡蘿卜素含量均呈現(xiàn)下降趨勢不同。這是由于溫度變化造成β-胡蘿卜素的降解速率變化。這可能是因為β-胡蘿卜素含共軛雙鍵，在儲藏期間，這種不飽和雙鍵與O2作用，發(fā)生緩慢的氧化反應(yīng)，然后再進一步發(fā)生分解反應(yīng)，而溫度的升高，影響β-胡蘿卜素降解所需酶的活性，從而促進這種氧化降解反應(yīng)，導致稻谷儲藏期間β-胡蘿卜素含量大幅度降低。

圖1 不同水分稻谷儲藏期間β-胡蘿卜素含量變化

對3個動態(tài)溫濕度和水分含量進行分析可知，儲藏溫度、水分含量都對稻谷β-胡蘿卜素含量有極顯著的影響(P<0.01)。稻谷儲藏期間，儲藏溫度不同，β-胡蘿卜素的損失程度差別較大。高溫度儲藏，促進了β-胡蘿卜素氧化降解為一些相對分子質(zhì)量較小的物質(zhì)；水對這些β-胡蘿卜素具有保護作用，高的水分可以降低β-胡蘿卜素的降解速率。由此可知，稻谷儲藏時應(yīng)采用低溫儲藏并控制好含水量，以降低β-胡蘿卜素的降解速率，減少β-胡蘿卜素的損失。

2.2 稻谷儲藏過程中表面顏色變化

在動態(tài)儲藏期間，取不同含水量的稻谷，測定其色度相關(guān)參數(shù)：L(明度)、a(紅綠色相)、b(黃藍色相)，結(jié)果如表2所示。

150 d的模擬儲藏過程中，L值不斷減小，稻谷表面顏色慢慢變暗，稻谷品質(zhì)發(fā)生變化。稻谷水分含量相同，不同溫度下的L值變化較小，且隨著溫度增大，L值變化量逐漸變大；在同一溫度下，水分含量不同，L值變化顯著，水分含量越低，ΔL值越小(表2)。通過對溫度和水分含量進行顯著性分析可知，溫度對稻谷色度L值影響顯著(P<0.05),初始水分含量對稻谷色度L值影響極顯著(P<0.01)。

稻谷儲藏期間，隨時間的延長，a值逐漸增大，稻谷表面逐漸偏紅色，稻谷品質(zhì)發(fā)生劣變。L組中，初始含水量為15%、17%、19%、21%的稻谷a值分別增加了0.47、0.46、0.63、0.85，水分越高，a值變化越大。溫度對稻谷色度a值影響極顯著(P<0.01),初始水分含量對稻谷色度a值影響不大(P>0.05)。

b值隨著儲藏時間的延長而不斷增大且變化較明顯，稻谷表面逐漸變黃，稻谷品質(zhì)發(fā)生了劣變。在相同溫度條件下，稻谷的初始水分含量越高，Δb越高。3個模擬儲藏組中，經(jīng)150 d儲藏后，21%的稻谷b值變化尤為顯著。溫度對對稻谷色度b值影響不大(P>0.05),初始水分含量對稻谷色度b值影響極顯著(P<0.01)。

2.3 相關(guān)性分析

稻谷各指標間相關(guān)性分析見表3。L值與儲藏溫度顯著負相關(guān)(r=-0.235，P<0.05)，說明隨著儲藏期間溫度的增高，L值逐漸降低。a值與儲藏溫度極顯著正相關(guān)(r=0.520，P<0.01)，說明溫度升高，a值增大，稻谷表面逐漸偏紅。L值與稻谷中β-胡蘿卜素含量顯著正相關(guān)(r=0.236，P<0.05)，隨著β-胡蘿卜素含量的減少，L值不斷降低，稻谷表面逐漸變暗。a值與β-胡蘿卜素含量極顯著負相關(guān)(r=-0.517，P<0.01), 即β-胡蘿卜素含量降低，稻谷色度a值增加，稻谷表面偏紅。b值與β-胡蘿卜素含量顯著負相關(guān)(r=-0.258，P<0.05), β-胡蘿卜素含量降低，稻谷色度b值增加，稻谷表面逐漸發(fā)黃。β-胡蘿卜素含量與色度的3個指標之間存在顯著的相關(guān)性，說明β-胡蘿卜素含量的變化可以一定程度上反映稻谷表面顏色的變化。

表2 儲藏期間不同水分含量稻谷的色度值變化

注：同一指標內(nèi)同行小寫字母不同表示同一組別不同儲藏時間的差異性顯著(P<0.05)；同一指標內(nèi)同列大寫字母不同表示同一組別不同水分含量間差異性顯著(P<0.05)。

表3 儲藏過程中稻谷各指標間的相關(guān)性

注：*表示P<0.05，顯著相關(guān)；**表示P<0.01，極顯著相關(guān)。

3 討論

收獲后的稻谷在儲藏期間，其外觀、風味、營養(yǎng)成分等會發(fā)生各種變化。儲藏溫度及水分含量對其產(chǎn)生重要影響。隨著隨時間延長，β-胡蘿卜素含量降低，這是因為其受到溫度、水分、霉菌等的影響，發(fā)生了降解。有研究報道，高水分能夠穩(wěn)定稻谷中的β-胡蘿卜素，而低水分會促使β-胡蘿卜素降解[17]。Mibei等[18]通過研究發(fā)現(xiàn)，受干旱脅迫條件下，作物中的β-胡蘿卜素含量顯著下降。Aurélie等[19]研究證實，β-胡蘿卜素的降解與水分及氧含量相關(guān)。本實驗中，含水量21%的稻谷β-胡蘿卜素含量明顯高于水分含量15%、17%、19%的稻谷，與其研究結(jié)果相似。Tantratian等[20]研究發(fā)現(xiàn)，與其他樣品儲存條件相比，冷藏儲存中的β-胡蘿卜素和總類胡蘿卜素含量顯著更高； Przybysz等[21]研究也發(fā)現(xiàn)，在儲存期間β-胡蘿卜素的降解遵循一級動力學，在所研究的影響因素中，溫度和時間對β-胡蘿卜素降解的影響最為嚴重。這與本研究結(jié)果一致。模擬儲藏中H組，稻谷β-胡蘿卜素流失顯著增多，有報道稱這是因為在溫度與初始水分含量的雙重作用下，氧化反應(yīng)和酶及非酶作用會促進降解酶與色素的接觸，引起儲藏和加工中葉黃素、β-胡蘿卜素等類胡蘿卜素的損失，同時引起品質(zhì)劣化[22]。

自然條件下，反式β-胡蘿卜素在β-胡蘿卜素中占據(jù)主要地位。但由于其存在多個共軛雙鍵，導致其易受到光、熱、氧等因素的影響，引起自身的氧化降解和和異構(gòu)化。研究發(fā)現(xiàn)，富含β-胡蘿卜素的食物經(jīng)熱處理后，由于全反式β-胡蘿卜素熱異構(gòu)化為順式異構(gòu)體，導致食物中反式β-胡蘿卜素的含量減少，順式異構(gòu)體的含量增加；其中，β-胡蘿卜素的主要順式異構(gòu)體是15-15'-二順式-β-胡蘿卜素、13-順式-β-胡蘿卜素和9-順式-β-胡蘿卜素，其中13-順式-β-胡蘿卜素的含量最多[23-24]。在低溫條件下，順式異構(gòu)體中，13-和15-15′-二順式-β-胡蘿卜素占據(jù)優(yōu)勢，而9-順式-β-胡蘿卜素在更高溫度條件下形成[25]。β-胡蘿卜素降解方式主要分為物理降解、化學降解、生物降解，稻谷加工儲藏期間的β-胡蘿卜素降解是一種自氧化熱降解現(xiàn)象[26]。在類胡蘿卜素熱降解的研究中，一般是通過人為施加高溫來得到降解產(chǎn)物，反映類胡蘿卜素熱降過程，如β-胡蘿卜素在97 ℃下加熱3 h得到其降解路徑[12]，但自然條件下，溫度一般最高在30 ℃左右。儲藏期間，隨著時間的延長、溫度和水分含量的影響，稻谷中β-胡蘿卜素發(fā)生氧化降解，導致β-胡蘿卜素含量不斷減少，此種溫和的自氧化降解稱之為中低溫降解，其降解速率緩慢，耗時長[12]。在本模擬儲藏實驗中，最初30 d內(nèi)，受溫度、水分含量影響較小，β-胡蘿卜素含量變化不大，最高僅為0.087 8 μg/g，30 d后，在含水量和溫度的雙重作用下，β-胡蘿卜素氧化降解速率慢慢加快，使得稻谷中其含量不斷降低，儲藏150 d后，β-胡蘿卜素變化量最高為0.373 98 μg/g，由此可以得出，儲藏期間β-胡蘿卜素的降解是一個長期而緩慢降解過程。在中低溫降解過程中，β-胡蘿卜素先是發(fā)生環(huán)氧化，其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)遭到破壞，形成環(huán)氧化合物，從而導致碳鏈斷裂形成氧化產(chǎn)物，如β-胡蘿卜素-5,6-環(huán)氧化物、β-胡蘿卜素-5,8-環(huán)氧化物，然后多個位置的雙鍵斷裂進一步降解，根據(jù)斷裂位置不同，其主要產(chǎn)物有阿樸-胡蘿卜素如β-阿樸-13-胡蘿卜素，阿樸-胡蘿卜醛如阿樸-14’-胡蘿卜醛、阿樸-12’-胡蘿卜醛、阿樸-10’-胡蘿卜醛[14,27]。同時，阿樸-10’-胡蘿卜醛可能會繼續(xù)氧化斷裂生成類維生素A。因此在儲藏期間，要嚴格控制水分和溫度，以減少β-胡蘿卜素的流失。

稻谷儲存過程中，稻谷本身的初始水分含量及環(huán)境的溫濕度對稻谷色度產(chǎn)生顯著影響。儲藏期間，隨時間的延長，L值逐漸減小，a值和b值逐漸增大。這和Choi等[27]的研究結(jié)論一致。本研究中L值的減少、a值和b值的增加表明儲藏過程中稻谷的品質(zhì)發(fā)生劣變。有研究表明，水分含量、儲藏溫度對稻谷呼吸作用具有重要影響，水分含量增大、溫度升高，導致稻谷的呼吸作用增強，增加了代謝廢物的積累，稻谷就更容易發(fā)生黃變[28]。同時，稻谷儲藏期間會受到真菌和霉菌等微生物的影響[29]，這些因素交叉作用引起稻谷品質(zhì)發(fā)生劣變。因此，為了使稻谷不會發(fā)生黃變，保持良好的色度，儲藏期間應(yīng)盡量控制好溫濕度和稻谷本身的水分含量。本研究通過品質(zhì)相關(guān)性分析表明，β-胡蘿卜素含量的變化與稻谷色度的L值、a值、b值具有極顯著的相關(guān)性。這與Oli等[30]的研究結(jié)果相近，即稻谷顏色的變化可能與一些紅色或黃色的類胡蘿卜素相關(guān)。

4 結(jié)論

研究不同動態(tài)儲藏條件下不同初始水分的稻谷中β-胡蘿卜素含量及稻谷表面顏色的變化。結(jié)果表明，儲藏時的初始水分含量、溫濕度對稻谷儲藏中β-胡蘿卜素含量影響極顯著；隨著儲藏時間的延長，色度的L值和β-胡蘿卜素含量呈現(xiàn)降低趨勢，色度的a值和b值呈現(xiàn)顯著升高趨勢，稻谷品質(zhì)劣變。稻谷色度L值與β-胡蘿卜素含量有顯著正相關(guān)；稻谷色度a值和b值與β-胡蘿卜素含量有顯著負相關(guān)。儲藏過程應(yīng)嚴格控制稻谷的含水量、儲藏溫度和濕度，以減少稻谷β-胡蘿卜素的流失，防止稻谷品質(zhì)劣變。