黄金梅，李静，宁恩创，居诗瑶

（广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530004）

近几年，全谷物食品的开发和消费逐渐成为一种流行趋势[1]。糙米，作为全谷物食品的重要原料之一，其含有丰富的营养物质，如脂肪、蛋白质、淀粉、维生素和功能性成分，能提供比精米更全面的基本营养素[2]。这些功能性成分包括：谷胱甘肽、膳食纤维、米糠脂多糖、γ-氨基丁酸、γ-谷维醇等，它们大多都具有增强免疫力、预防心血管疾病、抗氧化等生理功能[3]。目前，国外已研发出一系列的糙米全谷物食品，如发芽糙米食品、营养速食糙米粉、糙米烘焙食品等。我国对糙米产品的研发起步较晚，相关产品生产规模不大，种类较少[4]。随着生活水平的提高，人们需要更健康、营养、保健的食品，而糙米作为一种全谷物食品原料，来源丰富，营养价值高，具有广阔的开发前景[5]。

糙米食品在开发的过程中仍存在一些问题，抗营养因子植酸的存在是主要问题之一。植酸，也称为六磷酸肌醇，是属于维生素B族的肌醇类物质[6]。其易与微量元素结合，形成金属螯合物，导致人体对微量元素的吸收利用率低[2]。此外，植酸与蛋白质结合形成植酸-蛋白质不溶性复合物，从而阻碍蛋白质的吸收利用[7]。如何降低糙米中植酸含量是当前需解决的问题。目前有关降低糙米植酸含量的研究有很多，但研究湿热法对糙米植酸的去除却很少。本研究旨在通过响应面优化湿热法来降低糙米中植酸含量，改善糙米营养缺陷，进而有效利用糙米营养资源，为糙米及以糙米为原料的食品开发和利用提供一定的借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 原料

杂优早稻：由广西国泰米业公司提供。

1.2 试剂

磷酸二氢钾、氯化钠、氢氧化钠、磷酸氢二钠、乳酸、乙酸、乙酸钠、三氯化铁、硫酸钠、亚硫酸钠、柠檬酸、柠檬酸钠、磺基水杨酸、阴离子交换树脂、对苯二酚、盐酸、植酸钠（纯度98%），（均为分析纯）：上海一研生物科技有限公司；钼酸铵：Sigma公司。

1.3 仪器与设备

DHG-9123A电热恒温鼓风干燥箱：上海精宏实验设备有限公司；HW.SY21-K电热恒温水浴：北京市长风仪器仪表公司；GL-21M磁力搅拌器：湖南湘仪离心机仪器公司；LXJ-ⅡB离心机：上海安亭科学仪器公司；FA1104H分析天平：上海精密科学仪器有限公司；T6新世纪紫外可见分光光度计：北京华威兴业科技有限公司；BLH-3250砻谷机：宏泰粮食公司。

1.4 方法

称量50 g原料，用冷水清洗干净，然后加一定倍数的浸泡液进行浸泡处理，目的是激活内源植酸酶，同时使原料中的植酸尽可能游离出来。然后进行一定时间的恒温保湿，使内源植酸酶活性达到最大，使糙米植酸充分降解。文献报道[8]，糙米只有达到一定的水分活度，其中的内源植酸酶才可能被激活。同时谷物中的植酸多以植酸盐的形式存在，植酸盐只有在酸性条件下才能游离出来，因此采用酸浸处理[9]。本试验着重探讨浸泡条件及恒温保湿条件对糙米植酸降解率的影响。湿热过程流程图如图1所示。

图1 湿热法降解糙米中植酸工艺流程图Fig.1 Flow chart of hydrothermal degradation of phytic acid in brown rice

1.4.1 植酸含量的测定

参照GB 5009.153-2016《食品安全国家标准食品中植酸的测定》。

1.4.2 单因素试验

对湿热法中浸泡液及其pH值、液料比、恒温保湿温度、恒温保湿时间、浸泡次数、第n（n＞1）次恒温保湿温度进行单因素试验，分别研究6个因素对糙米植酸降解率的影响。

1.4.2.1 不同浸泡液对糙米植酸降解率的影响

乳酸溶液：浸泡液浓度设为0.0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%6个梯度，其他条件固定为：液料比1.5∶1（mL/g），恒温保湿温度 55 ℃，恒温保湿时间 21 h，浸泡1次。

乙酸-乙酸钠缓冲液：浸泡液pH值设为3.8、4.2、4.6、5.0、5.4、5.8、6.2 7个梯度，其他条件固定为：液料比1.5∶1（mL/g），恒温保湿温度 55 ℃，恒温保湿时间 21 h。

磷酸氢二钠-柠檬酸钠缓冲液：浸泡液pH值设为2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5 6 个梯度，其他条件固定为：液料比 1.5∶1（mL/g），恒温保湿温度 55 ℃，恒温保湿时间21 h，浸泡1次。

柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液：浸泡液pH值设为2.8、3.2、3.6、4.0、4.4、4.8、5.2、5.6、6.0 9 个梯度，其他条件固定为：液料比 1.5∶1（mL/g），恒温保湿温度 55 ℃，恒温保湿时间21 h，浸泡1次。

测定不同浸泡液处理的糙米植酸降解率，获得适宜的浸泡液及其pH值。

1.4.2.2 液料比对糙米植酸降解率的影响

液料比设为 0.5∶1、1.0∶1、1.5∶1、2.0∶1、3.0∶1、4.0∶1、5.0∶1、6.0∶1（mL/g）8 个梯度。其他条件固定为：pH4.6 乙酸-乙酸钠浸泡液，恒温保湿温度55℃，恒温保湿时间21 h，浸泡1次。测定不同液料比的糙米植酸降解率，获得适宜的液料比。

1.4.2.3 恒温保湿温度T1对糙米植酸降解率的影响

恒温保湿温度设为 40、45、50、55、60、65、70 ℃ 7个梯度。其他条件固定为：液料比 1.5∶1（mL/g），pH4.6 乙酸-乙酸钠浸泡液，恒温保湿时间21 h，浸泡1次。测定不同温度的糙米植酸降解率，获得适宜的恒温保湿温度。

1.4.2.4 恒温保湿时间对糙米植酸降解率的影响

恒温保湿时间设为 2、7、12、17、22、27、32 h 7 个梯度。其他条件固定为：液料比 1.5∶1（mL/g），pH4.6 乙酸－乙酸钠浸泡液，恒温保湿温度55℃，浸泡1次。测定不同时间的糙米植酸降解率，获得适宜的恒温保湿时间。

1.4.2.5 浸泡次数对糙米植酸降解率的影响

浸泡次数设为1、2、3次3个梯度，其他条件固定为：1）1 次浸泡：液料比 1.5∶1（mL/g），pH4.6 乙酸－乙酸钠浸泡液，恒温保湿温度T1为55℃，恒温保湿时间为12 h；2）2次浸泡：在1次浸泡的基础上，进行第2次浸泡1 h，恒温保湿温度为55℃，恒温保湿时间为7 h；3）3次浸泡：在1、2次浸泡的基础上，进行第3次浸泡1 h，恒温保湿温度为55℃，恒温保湿时间为4 h。测定不同浸泡次数处理的糙米植酸降解率，获得适宜的浸泡次数。

1.4.2.6 第n（n＞1）次恒温保湿温度对糙米植酸降解率的影响

第二次恒温保湿温度 T2设为 40、45、50、55、60、65、70℃7个梯度。其他条件固定为：液料比1.5∶1（mL/g），pH4.6乙酸－乙酸钠浸泡液，第一次恒温保湿温度T1为55℃，浸泡次数2次。测定第2次不同恒温保湿温度T2的糙米植酸降解率，获得适宜的温度。

1.4.3 中心组合设计试验

在单因素试验结果的基础上，以第一次恒温保湿温度T1（X1）、第二次恒温保湿温度T2（X2）、乙酸－乙酸钠浸泡液pH值（X3）为自变量，以糙米植酸降解率为响应值（Y），进行中心组合设计，中心组合设计各因素水平如表1所示。

表1 中心组合试验因素和水平Table1 Experimentalfactorsandlevelsincentralcompositedesign

1.4.4 数据处理方法

采用SPSS17.0统计软件对单因素各水平进行差异显著性分析。分析方法采用单因素方差分析的同类子集，均值差的显著水平为0.05。采用Design－Expert 8统计分析软件，对响应面进行多元二次回归分析，建立稻谷植酸降解率的二阶响应回归模型，并对回归模型进行方差分析。

2 结果与讨论

2.2 单因素试验结果分析

2.2.1 不同浸泡液对糙米植酸降解率的影响

乳酸溶液浓度对植酸降解率的影响见图2。

图2 乳酸溶液浓度对植酸降解率的影响Fig.2 Effect of concent rations of lacti cacid solution on phytic acid degradation rate

由图2可知，稻谷在乳酸浓度0.0%～2.0%范围内处理，植酸降解率先升后平缓。0.0%～0.8%范围内，降解率随着乳酸浓度的提高而上升，0.8%浓度时降解率达到最大值55.70%。当乳酸浓度大于0.8%后，植酸降解率无显著变化趋势。

不同pH值乙酸－乙酸钠缓冲液对植酸降解率的影响见图3。

图3 不同pH值乙酸-乙酸钠缓冲液对植酸降解率的影响Fig.3 Effect of different pH of aceti cacid-sodium acetate buffer solution on phytic acid degradation rate

由图3可知，稻谷在乙酸－乙酸钠缓冲液pH3.8～6.2范围内处理，植酸降解率呈先升后降趋势，且差异明显，pH4.6时降解率达到最大值59.49%。

不同pH值磷酸氢二钠－柠檬酸缓冲液对植酸降解率的影响见图4。

由图4可知，稻谷在磷酸氢二钠－柠檬酸缓冲液pH2.5～7.5范围内处理，植酸降解率呈下降趋势，pH2.5时降解率达到最大值47.50%，且pH2.5与0.8%乳酸（pH2.0）的pH值接近，但降解效果比0.8%乳酸差。随着pH值的增大，降解率不断下降，总体上该法不适合采用。

图4 不同pH值磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液对植酸降解率的影响Fig.4 Effect of different pH of NA buffer solution on phytic acid degradation rate

不同pH值柠檬酸－柠檬酸钠缓冲液对植酸降解率的影响见图5。

图5 不同pH值柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液对植酸降解率的影响Fig.5 Effect of different pH of citric acid sodium citrate buffer solution on phytic acid degradation rate

由图5可知，稻谷在柠檬酸－柠檬酸钠缓冲液pH2.8～6.0范围内处理，植酸降解率呈先降再升后降的趋势。pH偏酸性时，在pH2.5缓冲液中有较高降解率47.16%，与磷酸氢二钠－柠檬酸缓冲液有类似结果。在pH4.8缓冲液中达到降解率最大值49.00%，且pH4.8缓冲液与乙酸－乙酸钠缓冲液pH4.6的pH值相似，但降解率较低，故总体上该法不适合采用。

综合4种浸泡液的植酸降解率和趋势变化，乙酸－乙酸钠缓冲液对植酸降解效果在pH4.6最好，且降解趋势明显，降解效果在pH4.2～5.0范围内较好，pH值接近中性，降解率呈下降趋势。故综合考虑选用pH4.2～5.0乙酸－乙酸钠缓冲液作为浸泡液进行后续研究。

2.2.2 液料比对糙米植酸降解率的影响

液料比对植酸降解率的影响见图6。

图6 液料比对植酸降解率的影响Fig.6 Effect of the liquid-solid ratio on phytic acid degradation rate

由图6可知，植酸降解率随液料比增加呈先升后降趋势。液料比为 0.5 ∶1（mL/g）～1.5 ∶1（mL/g）时，降解率提高显著。液料比为0.5∶1（mL/g）时，降解率最低，可能是由稻谷不能完全浸湿所致。液料比大于等于1.5∶1（mL/g）时，稻谷完全浸湿，植酸完全浸提出来，因此降解率无明显变化。为降低成本，节约溶剂用量，确定液料比为 1.5 ∶1（mL/g）。

2.2.3 恒温保湿温度T1对糙米植酸降解率的影响

恒温保湿温度T1对糙米植酸降解率的影响见图7。

图7 第一次恒温保湿温度T1对植酸降解率的影响Fig.7 Effect of the first thermostatic moisturizing temperature T1 on phytic acid degradation rate

由图7可知，40℃～55℃内，植酸降解率随温度增加而提高，在55℃时植酸降解率达到最大值，这可能是由于随着温度增加，溶液中分子动能增大，有利于植酸的降解[10]。55℃后降解率下降，一方面由于高温下内源植酸酶活性下降；另一方面是由于随着温度的升高，蛋白质等物质溶出，植酸与蛋白质作用形成螯合物，使得植酸降解率下降[11]。故第一次浸泡和恒温保湿温度为55℃左右适宜。

2.2.4 恒温保湿时间对糙米植酸降解率的影响

恒温保湿时间对糙米植酸降解率的影响见图8。

图8 恒温保湿时间对植酸降解率的影响Fig.8 Effect of thermostatic moisturizing time on phytic acid degradation rate

由图8可知，植酸降解率随恒温保湿时间的延长而逐渐提高而后趋于平缓。2 h～12 h内，降解率变化显著，12 h时达到60.56%，12 h后降解率无明显变化。这可能是由于随着时间的延长，植酸逐渐溶出，同时蛋白质等物质也会溶出，与植酸形成螯合物，使得植酸降解率下降[9]。考虑到实际中的耗能问题，确定恒温保湿时间为12 h。

2.2.5 浸泡次数对糙米植酸降解率的影响

浸泡次数对糙米植酸降解率的影响见图9。

图9 浸泡次数对植酸降解率的影响Fig.9 Effect of soaking times on phytic acid degradation rate

由图9可知，1次浸泡降解率略低。2次和3次浸泡降解率均比1次浸泡的高，而3次浸泡和2次浸泡的效果无明显变化，这与湿热过程中水分含量有关。1次2 h的浸泡处理稻谷水分含量可达26%以上；而2次浸泡，由于经过第一次浸泡后，稻谷再浸泡1 h，吸水接近饱和状态；3次浸泡与2次浸泡效果无明显变化，可能原因：一方面后期植酸含量越来越低，降解效果不显著；另一方面稻谷的水分含量达到饱和，糊粉层细胞吸水膨胀死亡，活力下降，内源植酸酶的合成分泌受到影响[8]。考虑到成本及耗能问题，确定浸泡次数为2次。

2.2.6 第二次恒温保湿温度T2对糙米植酸降解率的影响

第二次恒温保湿温度T2对糙米植酸降解率的影响见图10。

图10 第二次恒温保湿温度T2对植酸降解率的影响Fig.10 Effect of the second thermostatic moisturizing temperature T2on phytic acid degradation rate

由图10可知，植酸降解率随第2次恒温保湿温度的增加呈先升后降趋势，50℃时植酸降解率达到最大值，50℃后降解率明显下降，故第2次恒温保湿温度在50℃左右降解效果较佳。

根据以上单因素试验结果，液料比确定为1.5 ∶1（mL/g），恒温保湿时间确定为 12 h，浸泡次数确定为2次。通过比较4种不同浸泡液对植酸降解率的影响，确定pH4.2～5.0乙酸－乙酸钠缓冲液作为浸泡液对植酸降解的效果较佳；第一次恒温浸泡和保湿温度在55℃左右对植酸降解效果较佳；第二次恒温保湿温度在50℃左右降解效果较佳。综合各单因素对植酸降解率的影响，选取对植酸降解效果影响较大的3个因素进行优化试验，即第一次恒温保湿温度T1（X1）、第二次恒温保湿温度T2（X2）、乙酸－乙酸钠浸泡液pH值（X3）。

2.3 响应优化试验结果分析

选用中心组合模型，做三因素五水平共20个试验点的响应面分析，采用Design－Expert 8统计分析软件，对响应面试验结果（见表2）进行多元二次回归拟合，得到的回归方程：

表2 试验方案与结果Table 2 The experimental scheme and results

续表2 试验方案与结果Continue table 2 The experimental scheme and results

2.3.1 方差分析

回归模型方差分析见表3。

表3 回归模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

由表3方差分析可看出，该模型具有极显著性（P<0.01），拟合程度好（失拟项 P＞0.05），试验误差较小，可用于该试验进行分析和预测。方差分析表可知，X3，X12、X22、X32对植酸降解率的影响极显著，X1、X2、X2X3对植酸降解率的影响显著，而X1X2、X1X3对植酸降解率的影响不显著。对植酸降解率影响大小的因素顺序依次为：X3（pH值）＞X1（T1）＞X2（T2）。

2.3.2 响应曲面分析

各因素之间的响应面图见图11。

图11 各因素之间的响应面图Fig.11 Response surface map of the various factors

根据回归分析结果，作出的响应面图如图11所示。响应面图反映了各因素的交互作用对响应值的影响，由响应面图可以直观地看出pH值和T2的交互作用对植酸降解率的影响最大，表现为曲线图最陡峭，其次是pH值和T1的交互作用。

2.3.3 响应面条件的确定

利用Design-Expert 8软件对试验模型进行分析，获得最优处理条件：T1=53.90℃，T2=50.46℃，pH=4.52℃，此时样品植酸降解率为75.59%。考虑到实际操作的条件，最优处理条件改为：T1=54℃，T2=51℃，pH=4.5。在此条件下，做3次平行试验，植酸降解率平均值为75.62%，与理论值相比，误差不大。因此优化结果可靠，具有实际意义。

3 结论

本研究通过响应面优化湿热法降解糙米植酸的工艺，得出的最佳工艺条件为：液料比1.5∶1（mL/g），在pH4.5的乙酸-乙酸钠浸泡液中浸泡2 h（54℃），经过滤在54℃恒温保湿12 h；第二次投入浸泡液，浸泡1 h（51℃），经过滤在51℃恒温保湿7 h。经处理，糙米植酸降解率提高到75.62%，与理论值相差不大。因此，采用响应面法对湿热法降解糙米植酸工艺条件进行优化具有可行性，建立的回归模型可用于实际预测。