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(1.齐鲁工业大学(山东省科学院)食品科学与工程学院,山东济南 250353;2.中国农业科学院作物科学研究所,北京 100081；3.潍坊医学院公共卫生与管理学院,山东潍坊 261042)

红米起源于中国,距今大约有1千多年历史,在我国具有悠久的栽培历史。历朝历代的农耕文化使得我国的劳动人民在长期的生产活动中培育出了丰富的红米品种。主要分布在中国福建、广东、广西、江西、云南等[1]南部各省,在我国拥有十分悠久的栽培及膳食历史。 红米富含蛋白质、植物脂肪、维生素及人体所需的氨基酸等,此外,还含有黄酮、原花青素、生物碱、皂苷等生物活性物质[2],营养丰富,具有抗氧化、抗衰老、抗动脉粥样硬化等保健功效[3-4]。

近几年,我国科研人员对红米色素的提取工艺、抗氧化性能及分子结构等方面进行了较多研究,如蒋海伟等[5]开展了利用响应面法优化红米花色苷微波辅助提取工艺及其抗氧化活性研究,得出最佳工艺为:微波功率400 W、微波时间100 s、乙醇体积分数85%、料液比1∶22 (g/mL)。胡柏等[6]研究表明红米多酚对α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶、麦芽糖酶、蔗糖酶活性均有抑制作用,其抑制作用均存在剂量-效应关系,红米多酚浓度越高,抑制作用越强。周艳华等[7]研究表明,红米红色素可以不同程度地提高血清的T-AOC以及SOD、CAT、GSH-Px活性,同时可以有效地降低MDA的含量。实验结果表明红米红色素可以通过清除自由基和抑制脂质过氧化来提高D-半乳糖致衰小鼠的抗氧化能力。

虽然我国的科研人员对红米稻的分布地区和主要品种、类型等做了相关研究,并分析了当地红米的一些营养成分,取得了一定的成果。但不同的红米品种间也存在差异,且受环境(季节、地区等)条件影响,其营养成分,氨基酸和花色苷含量会有差异。为了更加全面的了解我国红米质量,为红米深加工提供数据支持,为当地经济发展提供科学依据。课题组首先对云南省哈尼不同加工阶段的红米各类营养成分及花色苷的含量进行分析,为当地高值化利用麸皮提供了强有力的科技支撑[8]。为了进一步了解我国各地红米的营养价值,实验室进一步收集全国主要红米产区的红米样品,全面对比了它们之间营养成分及功能成分的含量差异,为综合加工企业筛选合适加工品种提供相关依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

红米 收集于当地主要品种,购自当地市场,见表1；硫酸铜、硫酸钾、硫酸、甲基红、乙醚、氯仿、甲醇、盐酸、氯化钾、氢氧化钾、正己烷、无水硫酸钠 均为国产分析纯。

表1 红米产地Table 1 Red rice origins

Waters alliance 2695高效液相色谱仪 美国沃特世公司;L-8800型氨基酸自动分析仪、Z5000原子吸收光谱仪 日立高新技术公司;GC-2010型气相色谱仪、UV-1800紫外分光光度计、RF-5301PC荧光分光光度计 日本岛津;Foss kjeltecTM凯氏定氮仪 福斯分析仪器公司。

1.2 实验方法

1.2.1 一般营养成分测定 水分测定:GB/T 5009.03-2010直接干燥法;灰分:GB/T 5009.04-2010;蛋白质:GB/T 5009.05-2003凯氏定氮法;脂肪:GB/T 5009.06-2003索氏提取法。

1.2.2 氨基酸的测定 参照GB/T 5009.124-2016,色氨酸用碱水解法,胱氨酸用过甲酸氧化法,其他氨基酸均用酸水解法测定。

1.2.3 矿物质测定 采用原子吸收光谱法(GB/T 5009.14-2003)。

1.2.4γ-氨基丁酸测定

1.2.4.1γ-氨基丁酸标准曲线绘制 精确配制浓度为1 mg/L的标准溶液,将此溶液稀释成浓度分别为10.0、20.0、40.0、80.0 μg/mL的标准溶液系列,20 μL注入液相色谱仪测定。以进样量(μg)为横坐标,峰面积为纵坐标,进行线性回归，得到曲线方程Y=0.8X+17990，R2=0.971。

1.2.4.2 样品处理 称取适量样品(相当于γ-氨基丁酸4 mg,精密至0.001 g),置于100 mL三角烧瓶中,加入盐酸溶液(0.1 mol/L)适量,40 ℃超声提取20 min,冷却,转移至100 mL容量瓶,加盐酸溶液(0.1 mol/L)至刻度,摇匀,静置,取适量过滤,得样品提取液。

1.2.4.3 衍生化处理 取样品提取液0.2 mL,置于5 mL具塞试管中,加0.1 mol/L异硫氰酸苯酯-乙腈溶液0.4 mL,再加1 mol/L三乙胺-乙腈溶液1.4 mL,摇匀,放置1 h,然后加入正己烷2 mL,漩涡混合1 min,静置5 min,取下层液体作为待测溶液[8]。

1.2.4.4 液相色谱测定条件 色谱柱:Venusil-AA氨基酸分析柱,250 mm×4.6 mm,5 μm。流动相:流动相A为0.05 mol/L醋酸钠溶液,流动相B为乙腈-水溶液,采用梯度洗脱方式。3% B 0～5 min;3%～10% B 5～20 min,10%～20% B 20～30 min,20%～60% B 30～40 min;流速:1.0 mL/min。波长:248 nm。进样量:10 μL。柱温:室温。

1.2.5 花色苷测定

1.2.5.1 芍药苷3-葡萄糖苷标准曲线绘制 参考文献[9]称取芍药苷3-葡萄糖苷标准品1 mg,配制成0.2、0.1、0.05、0.025及0.125 mg/mL的标准品溶液。20 μL注入液相色谱仪测定。以进样量(μg)为横坐标,峰面积为纵坐标,进行线性回归，得到曲线方程Y=1.65×105X-8415,R2=0.995。

1.2.5.2 样品处理 称取红米样品0.52 g于15 mL离心管中,加入10 mL乙醇/水/盐酸(50/50/0.5,V/V/V)提取液,避光,震荡提取8 h,离心,取上清液过0.45 μm滤膜,备用[9]。

1.2.5.3 液相色谱测定条件 Ultrasphere 5 C18(4.6 mm×250 mm,Ultrasphere Co.,Ltd.,Berkshire,UK),检测波长520 nm,柱温箱25 ℃,色谱相A:水,B:乙腈:10% B 0～5 min;10%～25% B 5～10 min,25%～30% B 10～15 min,30%～60% B 15～50 min;进样量:20.0 μL。

1.3 数据统计分析

本实验使用了SPSS 12.0对测量得到数据进行了统计分析,不同品种间的差异用方差分析来发现,p<0.05为显著性差异。

2 结果与分析

2.1 一般营养成分分析

如表2，红米中水分11.87%±0.40%,粗蛋白8.3%±0.38%,粗淀粉76.78%±2.31%,粗脂肪1.95%±0.55%,灰分1.5%±0.25%,各个地区无太大差异。普通大米中粗蛋白7.3%,粗脂肪0.5%,灰分0.4%,红米的粗蛋白、粗脂肪、灰分含量均高于中国食物成分表上的普通大米[8]。

表2 红米的粗蛋白、粗淀粉、粗脂肪、水分及灰分分析Table 2 Analysis of crude protein,crude starch,crude fat,water and ash content in red rice

2.2 氨基酸分析

氨基酸是红米的重要营养成分。红米氨基酸含量的多少既受品种特性的影响,更受环境因素的影响,且关系复杂,在不同的环境条件下,红米氨基酸与环境因素的关系不同[10]。 采用氨基酸自动分析仪对15种红米的氨基酸进行测定,其结果氨基酸如表3。在15种红米中,来自福建福安6号红米的各个氨基酸指标均远高于其他品种。其中Glu含量最高,是其他地区红米平均含量的2.16倍,含量最低的Cys也高出其他地区红米品种平均值的1.3倍左右。除此以外,福安红米中的Arg含量与其他地区红米平均含量差异显著(p<0.05),高出其他地区红米平均含量的2.3倍。EAA/TAA(必需氨基酸/总氨基酸)和EAA/NEAA(必需氨基酸/非必需氨基酸)分别为35.04%、53.94%。根据FAO/WHO的理想模式,质量较好的蛋白质其组成氨基EAA/TAA为40%左右,EAA/NEAA在60%以上。福安红米氨基酸组成较接近FAO/WHO模式。这种显著差异与福建福安当地的气候应该有一定联系,福建福安地区温暖湿润,属中亚热带海洋性季风气候。这种特殊环境使得当地红米品质更优。除了福安红米外,来自吉林延边的红米样品氨基酸含量也很高,仅次与福建福安红米。延边地处北半球中温带,一年中四季分明,属于中温带湿润季风气候,特别是当地特殊的黑土土壤,营养丰富,是地球上珍贵的土壤资源,正是这种复杂的地理条件和气候,使得吉林延边的红米品种也同样优于其他地区。在测量的17种氨基酸里,氨基酸含量排前三的分别是谷氨酸,天冬氨酸和精氨酸。这三种氨基酸在红米中含量相对较高,其中精氨酸为小儿发育时期所必需的氨基酸,它具有重要的生理、代谢和营养作用,不仅是机体蛋白质的组成成分,而且还是多种生物活性物质的合成前体。天冬氨酸能调节脑和神经的代谢功能,可用于治疗心律失常、心动过速、心力衰竭、心肌梗塞、心绞痛、肝炎和肝硬化等疾病[11]。

表3 红米氨基酸分析(mg/g)Table 3 Analysis of amino acids in red rice(mg/g)

2.3 矿物质元素分析

红米中的矿物质含量丰富,其中钙、铁、锌含量都高于普通大米[12]。本实验采用了原子吸收光谱对样品中矿物质进行了测定,其结果见表4。

表4 红米矿物元素分析(μg/g)Table 4 Analysis of red rice mineral elements(μg/g)

钙是人体所不可或缺的微量元素,是人体内最丰富的矿物质,参与人体整个生命过程。从骨骼形成、肌肉收缩、心脏跳动、神经以及大脑的思维活动、直至人体的生长发育、消除疲劳、健脑益智和延缓衰老等[13]。实验发现,4号云南哈尼红米相比于其他地区的红米,锌、钙含量高于其他地区的红米品种,各为(19.945±0.01)、(284.09±5.43) μg/g,值得注意的是,钙元素的含量远远高于其他红米样品,是平均含量的5.63倍。哈尼地区的红米矿物质元素含量丰富,钙含量高,这与云南地区独特的气候条件和地理位置有极大的关系。因此,此红米品种适宜儿童及中老年人等需要补钙的人群食用。

铁元素是人体所需的必不可少的微量元素,缺铁会影响到人体的健康和发育。十五个红米品种中,铁元素含量最高的是来自广东梅州的五号红米样品含量为(31.96±0.25) μg/g,4号哈尼红米铁元素含量次之,含量为(26.67±0.21) μg/g。分别是平均含量的2.13和1.77倍。铁元素含量高的红米品种更适合用于妇女,孕妇等一类人群食用,后期可深入研究开发此红米品种。

镁在人体中的重要性和钙不相上下,是人体细胞内第二重要的阳离子,几乎参与人体所有的新陈代谢过程。实验发现,十五份红米中镁含量排前三的分别是江西吉安、陕西汉中和河北巨鹿。样品含量分别为(1389.43±19.18)、(1384.59±19.67)、(1384.59±19.67) μg/g。此外,江西吉安和河北巨鹿红米中的锰离子含量也很高,分别为(32.34±0.01)、(34.55±0.18) μg/g。锰在人体中的作用是非常重要的,它不仅可以促进人体骨骼的正常发育,也可维持正常脑功能。铜含量最高的是来自广东梅州的红米样品,含量为(3.00±0.02) μg/g。

2.4 γ-氨基丁酸及花色苷含量分析

γ-氨基丁酸(GABA)是广泛分布于动植物中的一种非蛋白质氨基酸。它由谷氨酸经谷氨酸脱羧酶催化转化而来,是存在于哺乳动物脑、脊髓中的抑制性神经传递物质,在人或动物体内参与脑循环生理活动[13]。如表5所示,红米中的γ-氨基丁酸含量最高的是来自云南哈尼地区的4号红米样品,含量为(6.01±0.14) μg/g,其次为来自广西象州的10号(5.17±0.13) μg/g和来自福建福安的6号(5.12±0.11) μg/g。这种结果与云贵一带独特的气候条件与特殊的土壤环境有极大关系。富含γ-氨基丁酸的红米具有改善脑血流通,调整血压,镇静神经,减少中性脂肪等作用,这对预防老年痴呆,高血压等老年慢性疾病具有良好的预防作用[14-15]。

红米中的特效成分主要集中在种皮中,其中的花色苷是天然色素的主要来源,红米中的花色苷鉴定有二甲花翠素[16-17]、矢车菊素-3-葡萄糖苷[18]等,可以减少体内氧化应激作用[19-20]。花色苷为红米的主要色素物质,表5中,来自云南哈尼的4号样品花色苷含量显著高于其他地区的含量,为(38.71±2.23) μg/g。其次是来自广西象州的10号(32.48±1.96) μg/g和来自山东沂蒙的1号(34.73±1.12) μg/g。

表5 红米花色苷及γ-氨基丁酸分析Table 5 Analysis of anthocyanins and γ-aminobutyric acid in red rice

3 结论

本文通过对全国十五种红米营养成分及理化指标的测定发现,各个地区红米中的水分、灰分、粗脂肪、粗淀粉、粗蛋白无明显差异,但红米的粗蛋白、粗脂肪、灰分含量均高于中国食物成分表上的普通大米。福建福安6号的17种氨基酸远高于其他地区红米,EAA/TAA(必需氨基酸/总氨基酸)和EAA/NEAA(必需氨基酸/非必需氨基酸)分别为35.08%、54.54%,配比合适。哈尼地区红米的矿物质含量如锌、镁和钙等均高于其他地区红米的含量,这与其独特的耕种方式有关。因此,以哈尼红米为日常饮食补品,其高含量的Fe、Zn、Ca对儿童身体与智力发育、骨骼生长及改善贫血有明显作用,可做为小儿辅食的重要原料。