稻谷是全球三大粮食作物之一,“十二五”以来,我国水稻总产量连续稳定超过2亿t,巨大的生产量与消费量决定了其在膳食中的重要地位[1-2]。稻谷脱壳即得糙米,作为一种完整保留皮层及胚芽结构的全谷物,富含米糠多糖、γ-氨基丁酸和谷维素等多种促进人体健康的功能因子[3]。但糙米粗纤维含量较高,蒸煮时会阻碍水分的浸入,淀粉无法完全糊化,使蒸煮时间较长,产品适口性差,风味不佳[4]。这就导致大米加工企业为迎合市场需求而过度追求大米的精白,虽然感官品质有所改善,但糙米内富含的营养物质却大量流失,造成了粮食资源和能源的双重浪费。我国于“十四五”期间印发的《优质粮食工程“六大提升行动”方案》中提出,持续增强优质粮食供给能力,实现节粮减损、节粮保质,加快人民由“吃得饱”向 “吃得营养健康”转变[5]。因此随着绿色、营养、健康消费潮流的蓬勃兴起,大米适度加工必将成为新的趋势,具有广阔的市场前景。
GB/T 1354—2018《大米》首次提出“适碾”概念,规定稻谷适碾加工的留皮度为2%～7%,新国标对指导和规范大米的适度加工具有重要意义。适碾加工大米以平衡营养保留与食用品质为核心理念,已成为当前的研究热点。刘洁等[6]对5种丝苗米进行研究,指出随加工精度的提升,米饭的感官品质逐渐升高,但当碾至精米程度时这种变化不再显著,甚至略有下降。刘静静等[7]的研究表明,随加工精度提升,大米整精米率下降、碎米率及能耗均显著增加。可见目前关于大米适碾加工的研究多侧重于理化指标的评价,而适碾米在加工过程中其代谢标志物对大米品质的影响却鲜有报道。
因此,本研究以采自查哈阳地理标志保护区的优质粳稻品种“天隆粳391”为原料,研究不同适碾加工精度对稻米加工品质、结构特性、基本营养成分及食用品质的影响。结合LC-MS非靶向代谢组学技术,探究适度碾磨过程中脂肪酸、黄酮及其衍生物和氨基酸等关键差异代谢物对其品质的调控作用,揭示适碾米与糙米及精米在代谢物种类和含量的差异,为完善优质适碾米的精准营养调控和高值化生产提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
稻谷:天隆粳391,齐齐哈尔查哈阳农场。伊红Y、亚甲基蓝和DNS,北京索莱宝科技有限公司;植酸标品、碘和碘化钾,上海麦克林生化试剂有限公司;甲醇、乙腈、乙酸和异丙醇,德国CNW Technologies公司。所有试剂均为分析纯。
1.2 仪器与设备
AR124CN分析天平,奥豪斯仪器有限公司;FC2K砻谷机,日本大竹制作所;TM05C-C碾米机,佐竹机械有限公司;JWCT-12大米外观品质检测仪,北京东孚久恒技术有限公司;Sigma300扫描电镜,德国蔡司公司;Vanquish液相色谱仪和Orbitrap Exploris 120质谱仪,美国Thermo Fisher公司;Spectramax ABS酶标仪,美谷分子仪器(上海)有限公司;MB-FB12X1-306E电饭煲,广东美的集团股份有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 不同留皮度大米样品的制备与留皮度计算
取100 g糙米(留皮度100%),利用碾米机进行碾制,碾辊砂号30 #,转速1 060 r/min。当碾磨105、120、140、180 s时,分别制得留皮度为7.00%(适碾上限临界值)、4.20%(适碾中间平衡值)和2.05%(适碾下限临界值)的适碾米,以及留皮度0.75%的精米样品。其中,留皮度测定参照GB/T 5502—2018《粮油检验 大米加工精度检验》,将大米染色后,利用大米外观品质检测仪采集图像,仪器自动计算分析,计算留皮度。
1.3.2 加工品质测定
1.3.2.1 碾减率、碎米率和留胚率测定
称量碾磨前后大米质量,参照ZHAO等[8]方法测定碾减率。碎米率的测定,参照GB/T 5503—2009《粮油检验 碎米检验法》。留胚率测定,参照GB/T 42227—2022《留胚米》。
1.3.2.2 白度和扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)测定
白度测定,使用大米外观检测仪对大米进行拍照,仪器自动分析计算得到白度值。
SEM测定,将不同留皮度样品黏在导电胶上,置于SEM下,喷金,加速电压10 kV,观察样品在35×下横截面图像和500×下的背部和腹部图像[9]。
1.3.3 基本营养成分含量测定
蛋白质含量测定参照GB/T 5009.5—2025《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》凯氏定氮法;脂肪含量测定参照GB/T 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》索氏抽提法;总淀粉含量,使用DNS酸水解法测定[10];总膳食纤维含量测定参照GB/T 5009.88—2023《食品安全国家标准 食品中膳食纤维的测定》;维生素B1含量测定参照GB/T 5009.84—2016《食品安全国家标准 食品中维生素B1的测定》高效液相色谱法;矿物质元素含量测定参照GB/T 5009.268—2025《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》电感耦合等离子体质谱法。
1.3.4 植酸含量测定
将碾磨后的大米样品磨碎过60目筛,取0.5 g,加入50 mL 0.2 mol/L盐酸溶液,振荡3 h。取上清液0.5 mL,加入1 mL硫酸铁铵溶液,沸水浴30 min。冷却至室温后,取100 μL上清液,加入150 μL双吡啶溶液。于519 nm测定吸光度,以标准曲线y=-0.798 4x+0.432 5,R2=0.997 2,计算植酸含量[11]。
1.3.5 食用品质测定
称取100 g大米放入沥水筛内,蒸馏水淘洗3遍。沥干后,加入样品量1.3倍质量的蒸馏水,于40 ℃恒温浸泡30 min。电饭煲蒸制30 min,焖饭10 min,得米饭成品。
1.3.5.1 吸水率和体积膨胀率的测定
参照ZHAO等[12]方法,计算的米饭吸水率和体积膨胀率。
1.3.5.2 碘蓝值测定
按照周小理等[13]方法并稍作修改。取米饭3 g,加水至25 mL,40 ℃水浴振荡60 min,定容至50 mL,离心取上清液5 mL,加入0.5 mL碘试剂、0.5 mL 0.1 mol/L盐酸,定容至50 mL,摇匀,于620 nm波长处比色,以吸光度表示碘蓝值,同时做空白。
1.3.5.3 感官评定
选取10名具有经验的食品专业人员组成评定小组(5名女性和5名男性),参照GB/T 15682—2008《粮油检验 稻谷、大米蒸煮食用品质感官评价方法》附录B的评分细则。从气味、外观结构、适口性、滋味、冷饭质地5个方面对米饭进行评价。
1.3.6 代谢组学测定
称取25 mg大米样品,加入1 000 μL提取液[V(甲醇)∶V(乙腈)∶V(水)=2∶2∶1,含同位素标记内标],涡旋振荡30 s,组织研磨仪35 Hz,处理4 min;再转移到冰水浴超声5 min,重复3次;-40 ℃静置1 h后4 ℃、12 000 r/min低温离心15 min,上清液过0.22 μm滤膜,收集过滤液于进样瓶中用于LC-MS检测[14]。
1.4 数据处理
所有实验重复3次,数据结果采用“平均值±标准差”表示。使用SPSS 23.0进行显著性分析,P<0.05表示具有显著性。非靶向代谢组学数据使用ProteoWizard MSConvert,将原始MS数据转换为mzXML文件,导入XCMS软件,进行峰识别、峰提取、对齐和积分等处理。使用SIMCA软件18.0.1进行正交偏最小二乘判别分析(orthogonal projections to latent structures-discriminant analysis,OPLS-DA),基于OPLS-DA模型得到的变量投影重要度(variable importance in projection,VIP)、P值及差异倍数(fold change,FC)筛选差异代谢物。
2 结果与分析
2.1 加工精度对稻米品质的影响
大米加工品质随加工精度的变化规律如表1所示。随留皮度逐渐减少,碎米率、碾减率和白度呈上升趋势,留胚率则下降。糙米碾磨至留皮度7.00%时,其碎米率、白度上升速率最高分别上升了39.73%、245.58%。但继续碾磨至留皮度4.20%时,碎米率的差异不显著(P>0.05),这可能是因为此时稻米的碾削已非常接近胚乳,而胚乳较皮层硬度大、结构紧密可一定程度分散机械应力导致碎米率变化平缓[15]。在2%～7%适碾范围内白度的上升速率仅为11.27%,这与此范围内,碾除的多是糙米表面凹陷处残存的皮层,该凹陷区域存留的皮层较少,对白度的影响有限有关[16]。由图1可更直观地看出,留皮度从100%(糙米)减少至留皮度7.00%时,米粒由黄褐色转变为精白色。大米胚芽位于米粒腹侧部,内部含有丰富的营养元素[17],在2%～7%适碾范围内,留胚率变化显著(P<0.05),由18.98%降至8.11%;当碾磨至精米程度时,几乎没有胚芽保留(3.97%),与安红周等[18]研究结果类似。因此,适度加工不仅显著改善大米外观品质,减少米粒破碎,还可保留大米胚芽,为膳食提供营养组分。
a-糙米;b-留皮度7.00%;c-留皮度4.20%;d-留皮度2.05%;e-精米样品
图1 不同加工精度下大米外观变化
Fig.1 Appearance changes of rice under different processing accuracies
表1 不同加工精度大米加工品质变化
Table 1 Changes in processing quality of rice with different processing accuracies
指标留皮度100%(糙米)7.00%4.20%2.05%0.75%(精米)碎米率/%7.30±0.40d10.20±0.53c10.70±0.56c11.77±0.45b14.80±0.20a碾减率/%—9.60±0.10d10.10±0.20c11.50±0.20b13.90±0.10a留胚率/%92.09±0.30a18.98±0.32b15.53±0.42c8.11±0.15d3.97±0.77e白度 9.50±0.17e32.83±0.29d34.97±0.35c36.53±0.21b38.57±0.49a
注：不同小写字母代表同行间差异显著(P<0.05)(下同);—表示无数据。
2.2 SEM结果
利用SEM观察不同留皮度大米横截面微观变化,结果如图2所示。未经碾磨的糙米,显示出完整的皮层结构,由外到内依次为果皮、种皮、糊粉层、亚糊粉层及淀粉胚乳,其中利用背散射电子成像较明亮区域即为糊粉层(图2首行)。KIM等[19]研究报道,糊粉层由方形厚壁细胞组成,蛋白质、脂质、粗纤维及酚类物质多集中于这些糊粉颗粒簇内。随加工精度提升,糙米皮层被逐渐碾去(图2第1～4行),达到精米程度时(图2第5行),背腹两侧糊粉层完全消失(图2第5行),说明此时已碾磨至胚乳组分。同时,适碾范围内仍保留了部分糊粉颗粒,避免了营养成分的过量损失。
图2 不同加工精度大米皮层变化
Fig.2 Changes in rice skin layer with different processing accuracies
2.3 加工精度对稻米基本营养成分和植酸含量的影响
碾磨程度对大米基本营养成分含量的影响,结果如表2所示。在各碾磨阶段大米中,除淀粉外,均呈整体下降趋势。在稻米中,淀粉主要集中在胚乳内部,随加工精度升高,大米皮层被逐渐碾去,胚乳部分质量占比越来越高,导致了大米中淀粉占比的增加[20]。当糙米碾磨至留皮度为7.00%时,蛋白质去除率最高为6.92%。继续碾磨至留皮度4.20%与留皮度2.05%的蛋白质含量则差异不显著(P>0.05),这或许与蛋白质多存在于皮层及糊粉层中,而此时稻米表面残存的皮层与糊粉颗粒在碾磨至精米前无法被完全剥离有关[21]。LIN等[22]研究发现,蛋白质与淀粉相互作用形成淀粉-蛋白质复合物,限制消化酶进入内部淀粉分子,减缓淀粉水解。因此,蛋白质含量影响米饭适口性,蛋白质含量较低的大米,淀粉糊化程度高,米饭硬度小,黏性高,食味品质较好[23]。膳食纤维、维生素B1及矿物质元素,对维持人体正常生理活动发挥重要作用[24]。相比于精米,适碾米膳食纤维及维生素B1,分别提高了68.57%～138.57%和53.85%～128.21%。当留皮度4.20%时,Mg、Mn、Ca和Zn等矿物质元素,分别是精米的1.63、1.17、1.11、1.10倍。
表2 不同加工精度大米基本营养成分及植酸含量
Table 2 Basic nutritional components and phytic acid content of rice with different processing accuracies
指标留皮度100%(糙米)7.00%4.20%2.05%0.75%(精米)蛋白质含量/%7.95±0.20a7.40±0.06b7.08±0.01c6.92±0.20cd6.81±0.06d脂肪含量/%1.31±0.30a0.50±0.03b0.37±0.02bc0.21±0.03c0.18±0.02c淀粉含量/%65.82±0.48e66.53±0.28d67.27±0.25c68.07±0.24b71.15±0.42a膳食纤维含量/%4.40±0.05a3.34±0.05b2.73±0.08c2.36±0.04d1.40±0.07e维生素B1含量/(mg/100 g)1.59±0.02a0.89±0.01b0.64±0.01c0.60±0.02d0.39±0.01e锌含量/(mg/100 g)1.41±0.02a1.16±0.05b1.06±0.04c1.01±0.01cd0.96±0.02d镁含量/(mg/100 g)97.60±0.02a34.64±0.01b15.60±0.01c12.80±0.02d9.59±0.01e锰含量/(mg/100 g)5.17±0.02a2.18±0.01b1.74±0.01c1.63±0.02d1.49±0.01e钙含量/(mg/100 g)6.96±0.02a5.46±0.01b4.27±0.01c3.90±0.02d3.83±0.01e植酸含量/(mg/g)24.27±0.27a9.13±0.25b7.59±0.28c5.05±0.38d3.27±0.31e
植酸是谷物中常见的抗营养因子,其结构中的磷酸基团具有极强的电负性及螯合能力,可与Ca2+、Fe2+和Zn2+等金属阳离子反应生成人体难以消化的植酸盐,限制矿物质的生物利用度[25]。据报道,当食物中不含植酸时,人体对Zn和Mg的吸收率可分别提升20%与60%[26]。因此本实验通过碾磨去除皮层使植酸含量显著下降(P<0.05),留皮度7.00%时,去除率达62.38%。继续提高加工精度,植酸含量虽继续降低,但人体所需的基本营养物质也同时大量流失。因此,控制留皮度为7.00%～4.20%时营养物质损失较小,且矿物质元素得到有效保留。
2.4 加工精度对大米食用品质的影响
2.4.1 不同加工精度大米蒸煮品质分析
不同加工精度下大米蒸煮品质的变化,如表3所示。随加工精度增加,大米的3种蒸煮品质呈升高趋势,这是由于米粒致密的皮层被逐渐碾去,蒸煮过程中,水分更易渗入胚乳内部,保留的皮层结构无法阻碍米粒的吸水膨胀,大米中淀粉颗粒充分吸水糊化并渗出所致。LI等[27]研究认为,适当去除大米麸皮层,水分与胚乳内部淀粉充分结合,米饭更易糊化完全,质地更加柔软,感官品质提升。由糙米至留皮度4.20%时,米饭吸水率、体积膨胀率及碘蓝值,分别显著提高了71.64%、73.62%、311.67%(P<0.05)。但继续碾磨至接近适碾下限2%时,与留皮度4.20%相比,上述3种蒸煮品质的变化则不再显著(P>0.05)。因此留皮度为4.20%时,即可一定程度上改善水分无法渗入糙米纤维层,导致淀粉糊化不完全和质地坚硬等问题,有效提升大米的蒸煮品质。
表3 不同加工精度大米蒸煮品质的变化
Table 3 Changes in cooking quality of rice with different processing accuracies
指标留皮度100%(糙米)7.00%4.20%2.05%0.75%(精米)吸水率/%81.64±0.41c139.53±0.67b140.13±0.46b140.74±0.70b144.13±1.31a体积膨胀率/%115.41±2.66d175.63±3.59c200.38±3.54b198.25±4.23b218.53±3.67a碘蓝值/BV 0.120±0.003d 0.354±0.006c 0.494±0.011b 0.514±0.008b 0.602±0.020a
2.4.2 不同加工精度大米感官评价
不同加工精度下米饭感官评分的变化如图3所示。糙米气味评分最高,这与糙米未经碾磨加工,保留了完整的皮层结构,其内部挥发性风味物质未游离出有关。米饭的外观、适口性、滋味及冷饭质地均随加工精度的提高而呈上升趋势。留皮度4.20%时,以上4个指标较糙米分别提高了117.89%、48.76%、9.85%、43.97%,改善明显,但适碾米之间差异较小。感官评价总分也呈类似变化,即接近适碾下限2%时,其变化不再显著(P>0.05),与刘洁等[6]研究结果相似。因此,一味提高加工精度并不总代表品质的改善,反而会造成米饭口感与营养的双重损失。综上,基于加工品质、营养品质及食用品质结果,留皮度4.20%为最佳适碾精度。
a-感官评价得分雷达图;b-感官评价总分
图3 不同加工精度大米感官评价
Fig.3 Sensory evaluation of rice with different processing accuracies
注:不同小写字母代表差异显著(P<0.05)。
2.5 加工精度对大米代谢差异物的影响
2.5.1 不同加工精度大米代谢物分析
为进一步探讨适碾加工过程中稻米生理状态的变化规律,了解其影响稻米品质的机理。本研究采用LC-MS检测平台,全面评估加工精度对稻米代谢物的影响。正负离子模式联合在留皮度100%(糙米)、留皮度4.20%和留皮度0.75%(精米)中鉴定代谢物均为709种,未发现独有代谢物。所有代谢物可分为14类包括有机酸及衍生物160种(22.57%)、黄酮及其衍生物144种(20.31%)、萜类83种(11.71%)等(图4-a)。为更直观地展示各类代谢物组分在样本间的变化情况,绘制了聚类热图,其中红色、绿色分别代表含量高表达、含量低表达(图4-b)。由此可知,糙米加工至精米过程中代谢物成分发生了显著变化,即大部分物质含量逐渐下降,这与糙米籽粒在碾磨过程中胚、果皮、种皮及糊粉层等逐渐被去除有关。其中,碳水化合物虽种类较少,但其相对含量明显高于其他成分。完整的糙米籽粒约90%都由淀粉质胚乳组成,糠层、胚芽部分仅占10%左右[28]。因此,这可能相对提高了特异性富集在胚乳中的代谢物含量。
a-全部代谢物分类图;b-总体聚类图;c～d-OPLS-DA得分图
图4 不同加工精度大米代谢组学图谱
Fig.4 Metabolomic profiles of rice with different processing accuracies
注:A、C、E分别代表糙米样品、留皮度4.20%适碾米样品、精米样品。
当留皮度为4.20%时,OPLS-DA结果如图4-c和图4-d所示。各组数据均分布于得分图两侧,模型判别效果明显,所有模型R2Y均为1,Q2值为0.946～0.968,表明模型的解释率与预测能力均好,所得VIP值可用于后续辅助筛选差异代谢物。
2.5.2 不同加工精度大米差异代谢物分析
为阐明不同加工精度稻米间差异代谢物的变化规律,基于OPLS-DA结果,设定VIP>1、P<0.05且FC>1.5或<1/1.5条件,筛选关键差异代谢物。由图5-a可知,与糙米相比,适碾米中247种差异代谢物下调、10种上调。下调差异代谢物主要为黄酮及其衍生物、有机酸及其衍生物、酚酸类、氨基酸及其衍生物和萜类(图5-b)。其中,有机酸及其衍生物中下调物质多为脂肪酸类,如(E)-2-(4-甲基戊-3-烯基)-6-氧代庚-2-烯酸、顺-9,10-单环氧硬脂酸、(E)-11-羟基十八碳-9-烯酸、(Z)-2-羟基十八碳-9-烯酸等不饱和脂肪酸。其中,顺-9,10-单环氧硬脂酸由油酸双键9,10位发生环氧化形成,常作为脂质氧化劣变的标记物[29]。并且这些不饱和脂肪酸易发生自动氧化反应,引起共轭烯类、过氧化物和醛类等低级脂类氧化物生成,产生酸败气味(即陈米的“哈喇味”),导致大米食用品质的下降[30]。因此,碾磨可在一定程度上去除皮层中的不饱和脂肪酸,延缓氧化酸败反应,提升大米的品质。在上调差异代谢物中,萜类物质最多,包括紫罗兰酮、雅施克二醇、大戟二烯醇醋酸酯共3种。其中紫罗兰酮上调程度(|log2FC|=2.19)最大,相对丰度VIP值为1.19,该物质具有抗氧化和抗菌等多种生理活性,呈现木质香气,可作为香精香料添加在各种食品中[31]。并且近来研究发现,雅施克二醇可作为合成抗胰腺癌活性物质的关键中间体,大戟二烯醇醋酸酯则可通过抑制PKCε调控的促炎因子减少炎症反应[32-33]。同样,氯化木犀草定、奥沙京等黄酮及其衍生物类生物活性物质也显著上调,其可分别通过抑制CD38酶、IL-33/LPO/8-OHdG/caspase-3通路,保护心脏、预防急性肾损伤[34-35]。因此,通过适度碾磨去除大米致密的糠层,更有利于部分对人体健康有益的活性物质游离。
a-留皮度4.20%VS糙米火山图;b留皮度4.20%VS糙米分类柱状图;c-留皮度4.20%VS精米火山图;d-留皮度4.20%VS精米分类柱状图
图5 不同加工精度大米差异代谢物火山图及其分类柱状图
Fig.5 Volcanic diagram and classification bar chart of differential metabolites in rice with different processing accuracies
与精米相比,适碾米中181种差异代谢物上调、1种差异代谢物下调,差异代谢物上调为主(图5-c)。其中,黄酮类及其衍生物上调最多,包括鼠李柠檬素-3,4′-二葡萄糖苷、芹菜素-7-O-(2G-鼠李糖基)龙胆双糖苷和橙黄决明素β-D-葡萄糖苷等74种(图5-d)。这些黄酮及其衍生物可通过调节相关酶活性抑制炎症反应,并破坏细菌细胞膜结构、抑制其核酸和蛋白质合成发挥抗炎抗菌等作用[36]。因此经碾磨后,适碾米保留的部分皮层中仍含有大量生物活性物质,具有一定功能特性。此外,氨基酸及衍生物中13种差异代谢物全部上调,包括谷胱甘肽、L-精氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、天冬酰胺等,其中谷胱甘肽上调程度(|log2FC|=1.84)最大,VIP值为1.32,该物质是人体内重要的内源性抗氧化剂之一,可直接与自由基反应清除活性氧,抑制细胞的过氧化损伤,同时还可与其他呈味氨基酸产生协同作用,增强食物的滋味厚感[37]。此外,这些氨基酸作为风味前体物质,还可与大米中的碳水化合物发生美拉德反应,生成吡嗪类和醛类等一系列风味化合物,共同赋予米饭更加复杂的香气[38]。因此,大米风味的形成,与上述氨基酸及其衍生物的差异代谢物密切相关。
3 结论
本研究以“天隆粳391”稻米为原料,系统分析了不同加工精度对稻米品质的影响。在符合国家适碾加工标准前提下,大米留皮度为4.20%时,其营养成分和食用品质均得到了一定的提升,一定程度上改善了糙米质地硬、适口性差等问题。为深入分析适碾加工对稻米品质的调控作用,本研究结合LC-MS非靶向代谢组学技术证实,适碾米(留皮度4.20%)与糙米及精米相比分别筛选出257种和182种差异代谢物,去除部分皮层使不饱和脂肪酸显著下调,可有效抑制脂质发生自动氧化酸败所引发的品质劣变。而相较于精米,黄酮及其衍生物和氨基酸组分显著上调,在保留活性物质的同时又为米饭特征风味表征提供了前体物质。因此,适碾留皮度为4.20%时,可实现加工品质、营养品质及食用品质的多方面平衡。后续可深入挖掘适碾加工与米饭风味的内在关联,扩宽营养导向型适碾米产品的市场,推动大米加工企业的可持续性健康发展。
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