FSHW：浸泡过程对糙米中砷和其他矿质元素的影响

砷的最大减少量约为40%，无机砷占80%

水稻在浸泡过程中除砷的主要部分是胚乳

在浸泡过程中，胚乳中的元素发生一致的变化

浸泡将是去除糙米中砷的替代方法

Introduction

糙米被认为是一种全谷类谷物，因为外层被完全保留。麸皮层含有许多促进健康的成分，包括矿物元素、维生素和膳食纤维。然而，糙米是一种容易从稻田土壤中积累砷（As）的作物。由于工业的负面影响，大量的废弃物导致包括中国在内的许多国家的地下水和土壤中As污染严重，特别是导致糙米中As的积累。此外，气候变化还将影响水稻产量和稻谷中As的含量。研究表明，未来的气候条件会使谷物中的I-As增加2 倍左右。因此，糙米中有毒的As通过食物链进入人体，导致一些疾病的发生。As的毒性取决于其化学种类。I-As（As(III)和As(V)）的毒性比O-As（DMA和MMA）的毒性高。国际癌症研究机构已将I-As列为第一类人类致癌物。因此，包括欧盟、联合国、世界卫生组织和中国在内的许多国家和组织都限制了大米中I-As的浓度，以确保其在市场上的安全。因此，为了降低毒性，去除大米中的As，特别是I-As是至关重要的。

迄今为止，人们已经采用了各种方法来减少As在糙米中的积累，如培育低As积累的水稻品种、土壤修复和水管理等。但这些方法效果有限，都不能完全防止As在糙米中的积累。全世界每年仍有大量的高As糙米出现在As污染地区。所以，人们采用各种工艺来降低糙米中的As含量。籼米淀粉的直链淀粉含量比粳米淀粉高，表现出较高的熔化和糊化黏度，但凝胶硬度较高。所以一般用籼米浸泡后做糙米，而粳米则用来做熟糙米。传统的泡制糙米工艺可以达到快速均匀吸水的目的。随着技术的进步，已经采用替代方法对浸泡工艺进行了改进和简化。除了改善其适口性外，许多研究报告还提到了营养价值的提高，例如，有报道称，浸泡可以显著提高糙米中GABA的含量。

然而，只有少数研究关注系统的浸泡条件和浸泡过程中As浓度、种类和分布的变化。以前的一项研究表明，浸泡可以使As降低18%，但没有分析As的种类。因此，有必要系统地研究浸泡对糙米中As的影响。中国农业科学院的Fan Zhang、Feng Wang等，在本研究评价了两种不同稻米品种中浸泡对As等元素变化的影响。研究了不同的浸泡条件，包括浸泡温度、时间、质量比（水:米）和酸度百分比。该研究结果将为包括大米在内的农作物除As提供重要参考，有助于国内消费者安全、健康地食用糙米。

Results and Discussion

糙米浸泡过程中As、Mg、Ca、Zn和Fe的浓度变化

5 种元素在不同的浸泡条件下表现出不同的变化趋势（图1）。Mg和Ca受温度和时间影响较大，Zn受酸度影响较大，Fe不受影响。其中，粳稻的Mg受温度影响较大，而籼稻则不受影响。从图中分析，在相同条件下，不同元素的变化趋势相似，说明不同元素之间存在一些共性，如储存形式、分布和代谢途径等。

图1 浸泡过程中糙米中As、Mg、Ca、Zn和Fe的含量变化

随着浸泡温度的升高，总As被显著去除（P＜0.05）。值得注意的是，从60 ℃到70 ℃，2 个品种中As的减少极为明显，70 ℃时粳稻的As减少率最大为37.3%，籼稻为32.9%。粳稻中的Mg也有类似的趋势，但籼稻没有。前期研究结果表明，用差示扫描量热仪测定，图2中粳米粉和籼米粉的糊化温度分别为66 ℃和79 ℃。这些结果表明，温度会影响As和Mg的去除。这可能是因为浸种过程中的热量可以促进种子发芽，破坏某些酶并破坏糙米的结构。在糊化温度以下，随着温度的升高，发芽过程加快，可以产生许多物质交换的通道，某些元素也可以顺着这些通道进行交换。当达到糊化温度时，可增加淀粉链之间的距离，从而产生更多的通道，在糙米中形成松散的结构，促进As和Mg的溶解。

图2 通过差示扫描量热仪（DSC）确定两个糙米品种的糊化温度

糙米在浸泡过程中As的变化

I-As的毒性高于O-As。为了更好地分析糙米的毒性，采用HPLC-AFS测定As的种类。比较2 个水稻品种，As的变化趋势十分相似（图3）。分析表明，I-As的下降趋势与总As的下降趋势一致。相关系数达到0.9，说明它们之间具有较高的相关性。浸泡的温度和时间可以有效地去除As，特别是籼稻中的I-As，说明浸泡是减少I-As摄入的有效方法。但在浸泡过程中，2 个品种的水稻中O-As的含量都很稳定。不同的变化表明，I-As和O-As具有不同的储存形式和代谢机制。I-As可能以离子的形式螯合一些大分子，随着种子的发芽容易解离。而O-As可与一些蛋白质的功能基团结合，具有很强的结合力。因此，O-As在一些常规工艺中很难去除。

A、B为浸种温度对2个品种中As的影响；

C、D为浸泡时间为浸种温度对2个品种中As的影响。

图3 浸泡过程中糙米中As含量的变化

糙米中5 种元素的分布

采用同步辐射μ-XRF鉴别5 种元素在未浸泡和50 ℃浸泡的糙米粒中的分布规律（图4）。As在2 个品种的糙米粒和胚芽周围高度均匀定位，这与以往的研究结果不一致。这些结果说明As的具体分布受水稻品种和种植区域的影响。Mg趋于均匀分布，Ca主要分布在胚芽中，少量分布在胚乳中，而Zn、Fe则局部分布在稻谷的胚芽中。浸泡后，As和Mg在胚乳中的浓度明显下降，说明这2 种元素可能具有相似的储存形式和代谢渠道。Ca的变化在图形上不是很明显。在浸泡过程中，营养物质随着种子的萌发，代谢成小分子，供植物生长。淀粉作为水稻胚乳中的主要碳水化合物，被分解成短链淀粉，造成许多不规则的小空隙。因此，随着这些空隙形成，As、Mg、Ca可能会减少。这对人体健康是有利的，因为As被有效地去除，而没有破坏胚乳的可食部分。同时，在一些特定产品中需要强化Mg、Ca。对于其他元素，没有检测到明显的下降。根据图像分析，浸泡过程可能很容易影响胚乳中分布的元素，主要原因是浸泡过程可以促进种子发芽，而种子发芽主要发生在胚乳中，因此，分布在胚乳中的元素容易受到影响。

A. 粳稻；B. 籼稻。

图4 糙米中5 种元素的分布分析

Conclusion

本研究通过控制浸泡条件，可有效地去除糙米中的总As。简而言之，温度和时间对总As有显著影响，最大还原率约为40%。根据种类和分布的分析，As的还原主要涉及胚乳中的I-As。在相同条件下还分析了其他4种元素，Mg、Ca的变化趋势与As相似，而Zn、Fe在稻谷胚中的定位稳定。根据数据分析，种子发芽可能是元素变化的主要原因。

Abstract

Effects of soaking process on arsenic and other mineral elements in brown rice

Fan Zhang, Fengying Gu, Huili Yan, Zhenyan He, Bolun Wang, Hao Liu, Tingting Yang, Feng Wang

One of the main food crops in the world, rice can accumulate high levels of arsenic from flooded paddy soils, which seriously threatens human health. Soaking, a common processing method for brown rice products, especially for brown rice noodles, was investigated in this study. Japonica rice (Dao Hua Xiang No. 2) and Indica rice (Ye Xiang You No. 3) were selected for studying the effects of soaking on arsenic concentrations, species, and distributions. Results revealed that soaking can efficiently remove arsenic in these two rice varieties, and the main part of removal is endosperm with the maximal rate of about 40%. Inorganic arsenic (I-As) (about 85%) is the main species of arsenic reduction. Meanwhile, the variations of four other elements (i.e., Mg, Ca, Zn, and Fe) were analyzed. Collectively, the findings of this study indicate that soaking can efficiently remove arsenic in brown rice under controlled soaking conditions, which thereby reduces the arsenic intake for brown rice customers.

该文章《Effects of soaking process on arsenic and other mineral elements in brown rice》于《Food Science and Human Wellness》2020年6月出版。

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