未熟粒糙米低氧胁迫发芽期间生理生化变化研究

钱 行，杨润强，尹永琪，顾振新*

（南京农业大学食品科技学院，江苏 南京 210095）

未熟粒糙米低氧胁迫发芽期间生理生化变化研究

钱 行，杨润强，尹永琪，顾振新*

（南京农业大学食品科技学院，江苏 南京 210095）

以未熟粒糙米为试材，研究其低氧胁迫发芽期间主要生理生化变化。结果表明：经低氧胁迫发芽48 h，未熟粒糙米的发芽率达79.3%，芽长为1.92 mm，呼吸强度提高5.6 倍，容重达0.79 g/mL；发芽期间其含水量快速增加后趋于平缓，淀粉含量持续下降，还原糖和游离氨基酸含量则逐渐增加，均与完熟粒糙米变化趋势一致且无显著性差异；未熟粒糙米中γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）含量随发芽时间延长呈逐渐增加趋势，发芽48 h时GABA含量增加1.08倍，且谷氨酸脱羧酶（glutamate decarboxylase，GAD）活力和谷氨酸（glutamic acid，Glu）含量与对照组无显著差异。低氧胁迫下未熟粒发芽糙米中GABA含量与芽长、呼吸强度、游离氨基酸和GAD活力均呈极显著正相关（P＜0.01），与淀粉和谷氨酸含量呈极显著负相关（P＜0.01）。低氧胁迫发芽改善了未熟粒糙米营养品质，是富集GABA的良好原料。

未熟粒糙米；发芽；低氧胁迫；生理生化

未熟粒糙米，又称白片或青头，是未成熟、不饱满的稻米粒，外观全部为粉质，但仍有食用价值。由于未熟粒粉质含量高、淀粉颗粒排列疏松、相对密度较低，其在碾米过程中易折断和粉碎，因而增加碎米率，并降低糙米出米率和整精米率[1-3]；同时由于未熟粒中垩白度高，导致糙米外观品质较差。糙米品质直接影响大米的食用和营养价值，进而影响其经济价值和粮食安全。因此，美国、中国和泰国均将未熟粒作为糙米标准中的设定指标[4-6]。目前，稻米加工过程中，通过色选机剔除未熟粒，以提高稻米品质。然而，由于未熟粒糙米仍存在一定的生物活性并富含淀粉等营养物质[2]，具有食用价值，将其直接作为饲料不仅降低粮食的利用率，而且造成巨大的经济损失。

糙米经逆境胁迫发芽不仅能提升营养品质，降低抗营养因子水平、改善口感、优化食用加工性能，还能显著富集功能性成分γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）[7-8]。GABA是哺乳动物中枢神经系统中主要的抑制性神经递质，其具有改善大脑血液循环、降低血压、治疗癫痫和痛风等多种功效[9-11]，已于2009年被国家卫生部批准为新资源食品。目前，国内外已对GABA在发芽糙米中的富集技术及其产品开发进行了大量研究[12-13]，但是以未熟粒糙米为原料发芽富集GABA的相关研究还未见报道。

本实验以未熟粒糙米为原料，在低氧胁迫的逆境下进行发芽，研究其发芽率、芽长、GABA含量等主要生理生化变化，为食用化地利用糙米加工过程中的未熟粒糙米提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

糙米，武运粳32号，由江苏省农业科学院提供，于-20 ℃保藏备用。

GABA标准品 美国Sigma公司；其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

PYX-DHS-BS型隔水电热恒温培养箱 上海跃进医疗器械厂；DHG-9030A型电热恒温鼓风干燥箱 上海恒科技有限公司；冷冻离心机 上海安亭科学仪器厂；Orion818型pH测试仪 美国Orion科学仪器公司；UV-2802型紫外可见分光光度计 尤尼柯（上海）仪器有限公司。

1.3 方法

选取大小均匀一致的未熟粒，用0.5%的次氯酸钠溶液浸泡消毒30 min，去离子水冲洗至pH值中性后置于培养箱中30 ℃浸泡6 h。浸泡结束后，以去离子水为培养液，通入空气（通气量1.2 L/min），于（32±1）℃、黑暗条件下发芽48 h，每隔8 h取样测定指标。发芽期间，每隔12 h更换培养液，直至培养结束；以完熟粒糙米发芽为对照组。

1.4 测定指标及方法

发芽率：随机抽取两组糙米，每组50粒，测发芽率，取平均值；芽长：随机抽取两组糙米，每组30粒，采用游标卡尺测其芽长，取平均值，以毫米为长度单位；呼吸强度：参照郑永华等[14]方法测定；吸水曲线：两种糙米各取10 g在28 ℃下浸泡，前8 h每隔1 h取出称量，后40 h每隔8 h取出称量，并作出吸水曲线；容重：分别称取发芽前后10 g完熟粒与未熟粒于50 mL量筒中，用排水法测定其体积；淀粉和还原糖含量：采用DNS比色法[15]测定；游离氨基酸含量：采用茚三酮显色法[15]测定；GABA和谷氨酸（glutamic acid，Glu）含量：参照Bai Qingyun等[16]的方法测定；谷氨酸脱羧酶（glutamate decarboxylase，GAD）活力：参照Li Yan等[17]的方法测定。

2 结果与分析

2.1 吸水速率

图1 两种糙米浸泡发芽期间吸水速率比较Fig.1 Comparison of water absorption rate between immature and mature brown rice during soaking germination

由图1可知，低氧胁迫发芽0～48 h期间，两种糙米的吸水变化均包括两个阶段。在0～8 h内，糙米迅速吸水，90%的水分在这一阶段吸收，发芽8 h时未熟粒和完熟粒糙米的质量分别达12.42 g和12.30 g；糙米发芽8 h后吸水速度明显减缓，其质量无显著性变化，发芽48 h时两种糙米的质量无显著差异（P＞0.05）。

2.2 发芽率

图2 两种糙米浸泡发芽期间发芽率比较Fig.2 Comparisons of germination rate between immature and mature brown rice during soaking germination

由图2可知，低氧胁迫发芽8 h后未熟粒与完熟粒糙米发芽率均达70%以上，其后随着发芽时间的延长其发芽率趋于稳定；发芽48 h时，未熟粒糙米的发芽率达79.3%，比完熟粒低14%。

2.3 芽长与呼吸强度

由图3可知，低氧胁迫发芽48 h期间，未熟粒与完熟粒糙米的芽长均随发芽时间的延长呈增长趋势。未熟粒糙米的芽长在0～16 h内无显著性变化，其后显著增加，发芽48 h其芽长达1.93 mm。

图3 两种糙米浸泡发芽期间芽长比较Fig.3 Comparison of shoot length between immature and mature brown rice during soaking germination

图4 两种糙米浸泡发芽期间呼吸强度比较Fig.4 Comparisons of respiration rate between of immature and mature brown rice during soaking germination

由图4可知，低氧胁迫发芽0～48 h范围内，两种糙米呼吸强度变化趋势一致，其均随发芽时间的延长呈增加趋势。发芽48 h时，未熟粒糙米呼吸强度比发芽前升高5.6倍，与完熟粒糙米无显著性差异，呼吸强度变化与其芽长变化趋势一致，呈极显著正相关（r=0.95，P＜0.05）。

2.4 容重

图5 两种糙米发芽前后容重比较Fig.5 Comparisons of density between immature and mature brown rice before and after germination

由图5可知，未熟粒与完熟粒糙米经低氧胁迫发芽后容重均无显著性变化（P＞0.05），发芽48 h后未熟粒糙米容重为0.79 g/mL。

2.5 淀粉含量

由图6可知，低氧胁迫发芽48 h期间，未熟粒与完熟粒糙米中淀粉含量均随发芽时间的延长呈下降趋势。发芽0 h，未熟粒糙米中淀粉含量为706.4 mg/g，经低氧胁迫发芽48 h其淀粉含量下降13.3%，为619.9 mg/g。发芽48 h时，未熟粒与完熟粒糙米中淀粉含量无显著性差异（P＞0.05）。

图6 两种糙米浸泡发芽期间淀粉含量比较Fig.6 Comparison of starch content between immature and mature brown rice during germination

2.6 还原糖与游离氨基酸含量

图7 两种糙米浸泡发芽期间还原糖含量比较Fig.7 Comparison of reducing sugar content between immature and mature brown rice during germination

由图7可知，低氧胁迫发芽48 h期间，未熟粒糙米中还原糖含量高于完熟粒糙米，且二者均随发芽时间的延长呈增加趋势。发芽48 h后，未熟粒糙米中还原糖含量是发芽0 h的2.7倍，高达48.9 mg/g，且其与完熟粒糙米无显著性差异（P＞0.05）。

图8 两种糙米浸泡发芽期间游离氨基酸含量比较Fig.8 Comparison of free amino acid content between immature and mature brown rice during soaking germination

由图8可知，低氧胁迫发芽48 h期间，未熟粒与完熟粒糙米中游离氨基酸含量与还原糖含量变化趋势一致，亦随发芽时间的延长呈增加趋势。发芽48 h后，未熟粒糙米中游离氨基酸含量增加3.19倍，达390.7 μg/g，其含量与完熟粒糙米无显著性差异（P＞0.05）。

2.7 GABA含量

图9 两种糙米浸泡发芽期间GABA含量比较Fig.9 Comparison of GABA content between immature and mature brown rice during soaking germination

由图9可知，低氧胁迫发芽0～48 h范围内，未熟粒糙米中GABA含量与完熟粒糙米无显著差异，且均随发芽时间的延长呈增加趋势。发芽48 h时，未熟粒糙米中GABA含量是发芽0 h的2.08倍，达227.7 μg/g。

2.8 Glu含量与GAD活力

图10 两种糙米浸泡发芽期间Glu含量比较Fig.10 Comparison of Glu content between immature and mature brown rice during soaking germination

由图10可知，低氧胁迫发芽48 h期间，未熟粒和完熟粒糙米中Glu含量均呈下降趋势，且未熟粒糙米中Glu含量持续高于完熟粒。发芽0 h，未熟粒糙米中Glu含量为259.9 μg/g，胁迫发芽48 h后其含量显著下降，仅为141.8 μg/g，是发芽0 h的54.6%，但未熟粒糙米中Glu含量与完熟粒无显著性差异（P＞0.05）。

图11 两种糙米浸泡发芽期间GAD活力比较Fig.11 Comparison of GAD activity between immature and mature brown rice during soaking germination

由图11可知，低氧胁迫发芽48 h期间，未熟粒和完熟粒糙米中GAD活力与Glu含量变化趋势相反，其随发芽时

间的延长逐渐增加，且未熟粒糙米中GAD活力低于完熟粒糙米。发芽0 h，未熟粒糙米中GAD活力为18.5 U/g，为完熟粒糙米的82.6%，发芽48 h后，其含量增加50.8%，与完熟粒糙米无显著性差异（P＞0.05）。

2.9 主要生理生化指标和GABA含量的相关性分析

表1 未熟粒发芽糙米主要生理生化指标和GABA含量的相关性分析Table 1 Correlation analysis between physiological indexes and GABA content in germinated immature brown rice

由表1可知，未熟粒糙米低氧胁迫发芽期间，GABA含量增加，芽长增长，呼吸强度增加，游离氨基酸含量和GAD活力增加，而Glu含量下降，这些指标的相关性分析结果见表1。结果表明，GABA含量与芽长、呼吸强度、游离氨基酸和GAD活力的相关系数均高于0.96，呈极显著正相关（P＜0.01），而与淀粉和Glu含量呈极显著负相关（P＜0.01）。

3 讨 论

本实验将未熟粒糙米置于30 ℃、以酸性柠檬酸缓冲液为培养液，并通以1.2 L/min空气进行发芽，这是一种低氧胁迫发芽方式。糙米胁迫发芽期间的生理生化变化包括酶系统的形成活化，呼吸作用增强和根芽的生长等方面，淀粉酶、蛋白酶等水解酶类的形成和活性增强，降解种子内淀粉和蛋白质等贮藏物质，从而为呼吸等生理活动提供基质，产生能量供种子萌发与生长利用[18]。有研究指出，不同粳稻品种的糙米发芽势、发芽率等生理指标和呼吸速率、淀粉酶活力及主要成分存在着差异[19]。实验结果显示，未熟粒糙米中淀粉含量低于完熟粒糙米，但其在低氧胁迫发芽期间仍能降解产生充足的能量用于种子的萌发与生长，尽管未熟粒糙米在发芽16 h内芽长无显著变化。即未熟粒糙米在发芽初期生长相对迟滞，但发芽48 h后，未熟粒糙米的芽长和呼吸强度较完熟粒无显著性差异。胁迫发芽期间，未熟粒糙米中游离氨基酸含量显著增加，这是由于发芽过程中蛋白酶被激活，贮藏蛋白分解从而使游离氨基酸含量增加，这与王玉萍等[20]研究结果一致。同时，未熟粒糙米发芽过程淀粉含量减少而还原糖和游离氨基酸含量增加，这说明未熟粒糙米经发芽其营养组成得以改善，有利于人体吸收利用。

与玉米[21]和粟谷[22]等其他禾谷类原料在低氧胁迫条件下发芽变化一致，未熟粒糙米在低氧胁迫发芽48 h期间，GABA含量得以富集，且其与GAD活力呈显著正相关，而与Glu含量呈显著负相关，这是因为未熟粒糙米在低氧环境中其电子传递链受到抑制，糖类经糖酵解途径转化为丙酮酸后生成乳酸和乙醇导致细胞质酸化，致使存在于细胞质中的GAD在酸性条件下被激活，而Glu作为底物不断被催化脱羧生成GABA[23]，最 终未熟粒糙米中GABA含量达227.7 μg/g。因此，未熟粒糙米可作为良好原料用于低氧胁迫发芽生产高GABA 功能性发芽糙米。

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Physiological and Biochemical Changes during Germination of Immature Brown Rice under H ypoxia Stress

QIAN Hang, YANG Run-qiang, YIN Yong-qi, GU Zhen-xin*
(College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

The physiological and biochemical changes during germination of immature brown rice under hypoxia stress were investig ated. The results indicated that the germination rate of immature brown rice was 79.3%, shoot length was 1.92 mm, respiration rate was increased by 6.6 times, and density was 0.79 g/mL, after 48 h of germination under hypoxia stress. During germination, water content was increased firstly and then tended to be stable. Starch con tent showed a continuous decline, while the contents of reducing sugars and free amino acids were increased. T hese changes were consistent with those in mature brown rice and showed no significant difference. In addition, accumulation of γ-aminobutyric acid (GABA) was accelerated with increasing germination time. GABA content was increased by 108% at 48 h. Meanwhile, glutamate decarboxylase (GAD) activity and Glu content showed no significant difference from those of the mature brown rice. GABA content in immature brown rice germinating under hypoxia stress was correlated significantly positively with sprout length, respiration rate, free amino acid content and GAD activity, but significantly negatively with Glu and starch contents. Germination of immature brown rice under hypoxia stress can improve its nutritional quality and provide an excellent GABA-enriched material.

immature brown rice; germination; hypoxia stress; physiology and biochemistry

TS210.2

A

1002-6630（2014）15-0089-05

10.7506/spkx1002-6630-201415018

2014-04-25

江苏高校优势学科建设工程资助项目

钱行（1989—），男，硕士研究生，研究方向为食品中功能成分的富集技术。E-mail：2012808116@njau.edu.cn

*通信作者：顾振新（1956—），男，教授，博士，研究方向为生物技术与功能食品。E-mail：guzx@njau.edu.cn