南瓜子发芽转化制备有机锌食品原料及性状表征

2021-07-21刘瑞琦崔怀田李君王子义朱丹实刘贺

食品研究与开发 2021年13期

刘瑞琦，崔怀田，李君，2，王子义，朱丹实，2*，刘贺，2*

（1.渤海大学食品科学与工程学院，辽宁锦州121013；2.生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心，辽宁锦州121013）

南瓜子（Semen cucurbitae）是菜粮兼用作物南瓜的成熟种子，又称南瓜仁、白瓜子、金瓜子，其中含有大量的脂肪、蛋白质和矿物质等营养成分[1-4]。岳琳等[2]对新疆南瓜子进行了相关营养成分分析，发现南瓜子中钾的含量高达到4 250 mg/kg。南瓜子甾醇对SD大鼠体内抗氧化能力的增强具有一定的促进作用[5]；南瓜子油具有抗菌消炎功效[6]；南瓜子发芽后的脱脂蛋白粉对自发性糖尿病大鼠有一定的降血糖作用[7]。由此可见南瓜子是一味药食两用的材料，应用前景巨大。

锌，元素名称源自于拉丁文Zincum，在植物中以离子的形态被吸收转运，可溶态锌经生化反应过程转化成小分子化合物和金属蛋白，由无机态转变为有机态[8]对植物起到重要的生理作用。另有文献研究表明锌为人体重要组成部分[9]，但是无机锌在人体内吸收效率不高，仅为7%[10]，有机锌的利用率是其数倍，故将无机锌经过转化变为有机锌加以利用更加有效。目前微量元素富集方法主要有利用相关元素肥料施用的土壤富集法、利用植物生理代谢将吸收的无机金属元素转化为有机态的种子发芽转化法、饲喂添加剂饲料的动物富集法以及微生物合成转化法。针对微量元素缺乏症状的补充手段主要有药物防治、饮食多样化和食品防御工程三大战略，其中食品防御工程是指在食品中添加微量元素的方法，最有效且能长久。

锌在生物籽粒中的积累由许多生理学过程控制，但是就籽粒自身生长发芽过程中的相关规律鲜有研究。有相关学者[11]研究纳米氧化锌浸泡对绿豆芽的影响，发现其利于绿豆芽的生长和锌的营养强化，可溶性蛋白质、维生素C等含量也有所改善。徐航丹等[12]用不同浓度硫酸锌溶液浸泡红香糙米，进行发芽与锌富集实验。还有学者对大豆进行锌生物强化，大豆芽中的锌含量和锌生物利用率有显著的提高[13]。本研究采用种子发芽转化法利用南瓜子发芽富集转化有机锌，提高了锌元素在体内的生物可及性，论证了其在发芽过程中的累积效果与规律，为大规模制备有机锌食品原料提供了思路与理论支持，拓宽了农副产品的应用范围，为其它微量元素富集转化提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

南瓜子：辽宁省农业科学研究院提供。发芽率测试合格，选取种子饱满、大小均一、无机械损伤、无病虫害、色泽良好的南瓜子进行试验。七水合硫酸锌、次氯酸钠（分析纯）：天津市化学试剂三厂；石油醚（分析纯）：天津市天力化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

JA21002型精密电子天平：上海舜宇恒平科技仪器有限公司；DK-8D型电热恒温水浴槽、101B-2型电热恒温鼓风干燥箱、LRH系列生化培养箱：上海一恒科技有限公司；VISTA-MPX ICP-OES型全谱直读等离子体发射光谱仪：美国安捷伦公司；ETHOS D型微波消解仪：德国Milestone公司。

1.3 试验方法

1.3.1 南瓜子发芽试验

根据文献[14]的方法略作改动，主要步骤包括原料的挑选、杀菌、漂洗、浸泡、培养等。人工精选南瓜子后，用1.0%的次氯酸钠溶液浸泡消毒20 min，然后用蒸馏水清洗3次。挑选好的南瓜子经杀菌漂洗后分为7份，每份100粒。为打破种子的休眠状态，浸泡时先在45℃水浴锅中保温1 h进行预加热。

配制质量浓度分别为0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.50%、1.00%的ZnSO4溶液。将ZnSO4溶液分别喷洒在纱布表面，上下4层纱布包裹住种子，于35℃恒温培养箱内培养，每隔6 h喷洒一次对应浓度的ZnSO4溶液保持其湿度，同时设置相同体积的去离子水为对照组。每隔12 h进行取样检测并计算发芽率和芽长，剩余样品处理后装入自封袋内低温保藏用于性状表征测试。

1.3.2 南瓜子发芽过程指标测定

1.3.2.1 发芽率及芽长测定

对不同处理的南瓜子进行培养，按时取出样品，用90 mm平板对已发芽南瓜子进行计数，计算其发芽率，计算公式为：发芽率/%=发芽样品数/样品总数×100。用游标卡尺测量其芽长，对测量结果取平均值，结果以测量值±标准差表示。

1.3.2.2 发芽南瓜子性状表征

根据GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》测定其水分含量。按照GB 5009.6—2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》测定其粗脂肪含量。测试时将南瓜子去除外壳，用刀切成0.5 mm左右厚的薄片，于105℃鼓风干燥箱中烘干至恒重后，冷却至室温25℃进行测定，以百分含量计数。

采用微波消解法测定其锌元素含量：准确称取烘干后粉末样品0.300 0 g～0.500 0 g于消解罐中，加入8 mL浓硝酸和2 mL双氧水，封罐装入微波消解仪，消解完成冷却后将溶液澄清转移到50 mL容量瓶中定容。将定容后的样品用全谱直读等离子体发射光谱仪测定锌元素含量。锌含量单位为mg/kg，试验样品名称以ZnSO4质量浓度命名。

1.4 数据处理

所有试验均3次重复，结果取平均值，结果采用Excel、Origin8.0等软件作图分析。

2 结果与分析

2.1 不同质量浓度的硫酸锌溶液对南瓜子发芽率的影响

不同质量浓度的硫酸锌溶液对南瓜子发芽率的影响见图1。

图1 不同质量浓度的ZnSO4溶液培养过程中南瓜子发芽率Fig.1 Germination rate of pumpkin seed culture in different mass concentrations ZnSO4solution

由图1可以看出，在60 h的发芽期内，南瓜子的最大发芽率都在65%以上，随着锌浓度的增加，发芽率也不断增加，质量浓度为1.00%时，发芽率最高达到90%，该浓度的ZnSO4溶液对南瓜子没有明显毒害作用，可以利用ZnSO4溶液对南瓜子进行种子发芽转化制备有机锌食品原料。原因在于ZnSO4提高了淀粉酶等的活性，增强南瓜子生物膜的完整性，有利于种子在发芽时对各种营养物质的吸收和利用[15]。由曲线斜率可知南瓜子在12 h～24 h阶段的发芽率增长速率最大，在此阶段南瓜子打破休眠期充分生长，大部分已经破壳。在48 h后达到最大发芽率，后续培养没有增加其发芽率，故最佳培养时间定为48 h。

2.2 不同质量浓度的硫酸锌溶液对南瓜子芽长的影响

不同质量浓度的硫酸锌溶液对南瓜子芽长的影响见表1。

由表1数据可知，在同一质量浓度下，随着培养时间的延长南瓜子芽长逐渐增大。不同时间段纵向对比发现，在ZnSO4溶液质量浓度为0.15%时均有最大芽长值，且在0.05%～0.15%的浓度范围内南瓜子芽长随着ZnSO4溶液质量浓度的增加而增大。当ZnSO4溶液的质量浓度为0.15%～1.00%时，南瓜子芽长随质量浓度增加而降低。当ZnSO4溶液质量浓度为0.20%时短时间内对于南瓜子发芽有促进作用，24 h后发芽效率降低。ZnSO4溶液质量浓度超过0.50%时，南瓜子发芽效率低下，芽较短、细小。相比低质量浓度组，较高质量浓度的ZnSO4对种子发芽生长产生了一定的削弱作用。这与研究发现适当提高锌的浓度可促进藻类特定酶的活性增长，但过高浓度的锌又会对细胞产生毒害作用[16]的结论相一致。锌在南瓜子生长发芽过程中会参与合成生长素吲哚乙酸，吲哚与丝氨酸结合成色氨酸，色氨酸进一步转化为生长素，促进种子生长，缺锌会抑制植物生长，但锌浓度过高则会造成植物叶片枯黄及营养障碍[17]，0.15%为南瓜子发芽转化有机锌的最适质量浓度。

表1 不同质量浓度ZnSO4溶液培养下南瓜子的芽长Table 1 The bud length of pumpkin seed culture in different mass concentrations ZnSO4solution

2.3 发芽对南瓜子粗脂肪含量的影响

脂肪是动植物中能量的主要贮藏物质，脂肪的分解可释放大量能量供种子萌发和各种代谢活动进行。试验测得原料中粗脂肪含量约为30.1%，与文献资料南瓜属种子含有30%～35%的优质植物脂肪相符[18]。0.15%的硫酸锌溶液培养南瓜子发芽过程中的粗脂肪含量变化见图2。

图2 0.15% ZnSO4溶液培养南瓜子发芽过程中的粗脂肪含量Fig.2 Crude fat content during seed germination of pumpkin seed in 0.15% ZnSO4solution

由图2可知，南瓜子在发芽过程中，粗脂肪含量先升高后降低，但总体变化幅度不大。在12 h～24 h，粗脂肪含量呈上升趋势，24 h后便开始下降。在发芽初期，虽然种胚内贮存一定的脂肪，但胚乳中的物质不能转运到胚内为呼吸和代谢提供能量，此时蛋白质和淀粉降解产能为其发育和代谢提供能量和营养物质，在种子发育过程中可溶性糖转变为脂肪，导致粗脂肪含量增加。

不同质量浓度的硫酸锌溶液培养发芽南瓜子的粗脂肪含量见表2。

表2 不同质量浓度ZnSO4溶液培养发芽南瓜子的粗脂肪含量Table 2 Crude fat content of pumpkin seed culture in different mass concentrations ZnSO4solution

结合表2可知，发芽时间和硫酸锌质量浓度都影响南瓜子发芽过程中的粗脂肪含量，硫酸锌质量浓度的增加会促进脂肪发芽过程中脂肪含量的累积。结合南瓜种子吸胀-萌动-发芽的萌发过程[19]，可见在前12 h的发芽过程中，其在打破种子休眠期的同时，南瓜种子已经进行了脂肪的合成，故脂肪含量呈增加态势。锌不仅是组成酶和辅酶成分，而且也是酶的活化剂，锌元素的增加有利于生物体的生命活动，锌对南瓜子萌发过程中脂肪酶、淀粉酶等的生化反应都有促进作用，随着锌浓度的增加，脂肪酶含量增加，脂肪在24 h～48 h内降解速率加快，即使在发芽初期粗脂肪含量累积较多，但在芽生长的过程中仍有耗损。

2.4 发芽前后南瓜子湿基水分含量对比

不同质量浓度的硫酸锌溶液培养48 h对发芽南瓜子的水分含量影响见表3。

表3 原料与不同质量浓度ZnSO4溶液培养48 h发芽南瓜子水分含量对比Table 3 Comparison of moisture content of pumpkin seed culture with different mass concentrations ZnSO4solution under 48 h

通过表3能够明显看出，发芽前后水分含量有明显提高，大约为原料水分含量（5.36%）的3倍左右，随着ZnSO4溶液质量浓度的升高，水分含量整体上也有微小的升高，当ZnSO4溶液质量浓度达到0.15%时，水分含量达到最高。研究表明微量元素可促进种子在萌发初始阶段吸水，从而加强体内的生物氧化反应，水分使胚内干物质由凝胶状态转变为溶胶状态[20]，在酶的作用下，胚乳中的干物质转化为可溶性物质，为胚的呼吸、发芽等生理过程提供所需的营养。在浸泡过程中，南瓜子快速吸水膨胀，继而萌发，生长越快，生化反应强度越大，需水越多，体内含水量越高。从另一角度来说，生物体内酶反应过程均需要适宜的温度与湿度，参与反应的酶越多，生长代谢越旺盛，作为反应底物的水与提供反应环境的水也就所需越多，更从侧面证明了该条件培养能达到最大芽长的原因。ZnSO4溶液质量浓度过高，南瓜子发芽48 h后的水分含量开始下降，且浓度越大下降越明显，可能是外部环境离子强度大，破坏了细胞膜功能，稳态机制控制被破坏，造成锌中毒[21]。

2.5 发芽前后南瓜子锌含量对比

锌在自然界中按结合形态可分为无机锌和有机锌[22]，通常植物中干基锌含量为25 mg/kg～150 mg/kg，根系、茎尖和嫩叶中锌含量较高，且根系部分锌含量高于地上部分[23]，不同原料部位锌含量的不同证明选取南瓜种子进行发芽富集转化有机锌具有天然优势，孙雨茜在糙米发芽试验中也有类似结论[20]。本试验测得原料南瓜子中锌含量为52.30 mg/kg，不同质量浓度ZnSO4溶液培养48 h对发芽南瓜子锌含量影响见表4。

表4 原料与不同质量浓度ZnSO4溶液培养48 h发芽南瓜子锌含量对比Table 4 Comparison of znic content of pumpkin seed culture with different mass concentrations ZnSO4solution under 48 h

由表4可以看出，南瓜子内的锌含量随着浸泡液硫酸锌质量浓度增加而增加，与介质中的离子浓度存在一定的线性关系。在浸泡过程中，溶液中的Zn2+被南瓜子吸收截留，一部分转化成有机锌贮藏在生物体内，一部分仍然以无机态离子形式存在。在样品烘干脱水过程中两者均未被除去，可以被检测器检测到，可见48 h培养后锌含量的增加一部分来源于有机锌的转化，一部分来源于浸泡液离子。结合表1芽长数据可知，当ZnSO4溶液质量浓度高于0.15%时，芽长随浓度增加而降低，芽长的降低意味着构成芽的有机锌减少，锌离子逐渐占据主导地位，无机锌在人体内吸收效率不高仅为7%[20]，当无机锌含量高于有机锌，不利于人体吸收利用，故在实际生产生活中仍以0.15%质量浓度的ZnSO4溶液为最佳，一方面避免锌元素摄入过量带来的负面影响，一方面提高其实际价值。