发芽对高粱氨基酸及抗营养因子含量的影响
2022-01-19张三杉余梦玲
张 俊,张三杉,叶 丹,余梦玲,雷 激,
(1.西华大学食品与生物工程学院, 四川成都 610039;2.四川天味食品集团股份有限公司, 四川成都 610200)
高粱,又称蜀黍,属高粱科,一年生草本植物,自古以来就有“五谷之精”、“百谷之长”的盛誉,是世界上产量仅次于稻米、小麦、玉米及大麦的第五大粮食作物[1],在非洲、亚洲等国家和地区,除用作酿造原料或饲料外,也作为主食。但高粱蛋白质品质较差,缺乏赖氨酸;抗营养因子单宁和植酸含量较高,植酸可与钙、锌、铁、镁等矿物质结合,形成肌醇六磷酸,导致矿物质无法吸收[2];单宁与体内消化酶结合,影响蛋白、淀粉的消化吸收[3-4],不仅降低了高梁的营养价值,也降低了高粱的适口性,使得高粱在食品方面的加工应用受到限制。因此,需要采取适当方法改善其品质。国内外许多研究[5-7]表明,籽粒发芽可以降低谷物中抗营养物质含量,提高谷物中某些氨基酸、γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)和维生素等营养物质的含量,促进人体对蛋白质和淀粉的消化吸收,从而提高其营养价值。
GABA是一种非蛋白质氨基酸,广泛分布于各种谷物和豆类中。它可以通过调节中枢神经系统,起到降低血压、舒缓血管的作用,同时具有镇静神经、调节心情、改善睡眠的作用[8-9];在医学上,GABA还能用于治疗癫痫[10]、保护肝脏[11]等。目前,以富含GABA的发芽糙米、大豆和蚕豆等为原料开发的食品已经面市,而国内关于发芽高粱中GABA以及抗营养因子含量变化的研究相对较少。因此,本实验主要研究高粱发芽期间营养成分与抗营养因子含量的变化规律,为改善高粱营养价值以及促进高粱在食品工业方面的发展提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
白高粱种子 产自江苏省沭阳县新河镇,市售;盐酸(浓度≥36%)、柠檬酸钠 优级纯,购于成都科隆化学品有限公司;氢氧化钠、三氯化铁、磺基水杨酸、二甲基甲酰胺、谷氨酸(glutamic acid,GA) 分析纯,购于成都科隆化学品有限公司;GABA标准品、氨基酸混合溶液标准品、植酸钠标准品、单宁酸标准品 购于北京世纪奥科生物技术有限公司。
UV-2600型紫外分光光度计 上海谱元仪器有限公司;L-8900型全自动氨基酸分析仪 日本日立公司;TG-5M型台式离心机 四川蜀科仪器有限公司;TB-214电子天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司;BZF型真空干燥箱 上海博迅实业有限公司;MD200-2型氮吹仪 成都世纪方舟科技有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 发芽高粱的制备 参考易翠平等[12]的高粱发芽实验:挑选高粱籽粒,确保没有破损颗粒和其它杂质。将浸泡20 h后的高粱用7.0%的H2O2溶液消毒15 min,再用去离子水反复冲洗。然后将高粱籽粒平铺于双层纱布之间,于30 ℃条件下避光发芽0、12、24、36、48、60、72 h,每隔12 h洒水一次,并清洗纱布和高粱籽粒防止发霉。将不同发芽阶段的高粱籽粒取出后于40 ℃干燥至水分含量约为13%,粉碎过120目筛,放入4 ℃冰箱冷藏保存、备用。
1.2.2 淀粉含量的测定 按照国标GB 5009.9-2016《食品中淀粉的测定》进行测定。
1.2.3 氨基酸和γ-氨基丁酸(GABA)含量的测定按照国标GB 5009.124-2016《食品中氨基酸的测定》进行测定。
1.2.4 谷氨酸脱羧酶(GAD)活性的测定 在Maha[13]和曹晶晶等[14]的方法基础上作适当调整,取1g发芽高粱与5 mL磷酸钾缓冲液(0.05 mol/L,pH7.2)混合,10000 r/min离心20 min,上清液为粗酶提取液。取0.5 mL粗酶液,加入200 μL底物溶液(50 mmol/L GA)和1.8 mL磷酸钾缓冲液(0.05 mol/L,pH5.8),于37 ℃反应1 h后,90 ℃水浴10 min反应灭酶,离心,取1 mL反应液氮吹干燥。加入5 mL 0.02 mol/L盐酸溶液溶解干燥物,按照1.2.3方法测定GABA含量。GAD活性定义:在37 ℃下,1 g高粱每分钟释放1 μmol GABA作为一个酶活力单位,即GAD活力为1 U。
1.2.5 单宁含量的测定 按照GB/T15686-2008《高粱:单宁含量的测定》进行测定。
1.2.6 植酸含量及植酸酶活性的测定 植酸含量按照GB5009.153-2016《食品中植酸的测定》进行测定;植酸酶活性按照GB/T 18634-2009《饲用植酸酶活性的测定-分光光度法》进行测定。
1.3 统计分析
每个处理组进行3次重复,所有实验数据用Excel 2010分析处理,利用Origin 8.5作图,通过SPSS 19.0进行显著性检验(P<0.05),结果以均值±标准差表示。
2 结果与分析
2.1 高粱发芽过程中淀粉含量的变化
如图1所示,与未发芽高粱相比,浸泡处理(0 h)对淀粉含量无显著影响(P>0.05)。随着发芽时间的延长,高粱淀粉含量显著下降(P<0.05)。发芽72 h后,从72.74%下降到54.44%,这与Li等[15]的研究结果相似。这是因为随着发芽时间的延长,高粱中淀粉酶活性增加,这些酶的作用使淀粉降解成还原糖,以满足种子萌发和生长的物质和能量的需要[16]。
图1 高粱发芽过程中淀粉含量的变化Fig.1 Changes in starch content of sorghum during germination
2.2 高粱发芽过程中氨基酸含量的变化
由表1可知,不同发芽时间处理后高粱的氨基酸含量发生了很大的变化。与未发芽高粱相比,发芽处理后氨基酸总量显著(P<0.05)增加,在发芽60 h达到最大值为5.694 g/100 g,比未发芽上升28.50%,各种氨基酸含量也都有不同程度的增加,这与易翠平等[12]的研究结果相似。必需氨基酸的类型和数量可以评估食物蛋白的营养价值,随着发芽时间的延长,必需氨基酸总量显著(P<0.05)增加,在发芽60 h达到最大值为2.056 g/100 g,比未发芽上升28.42%;每一种必需氨基酸含量增长情况有所不同,在发芽48 h,苯丙氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、异亮氨酸含量达到最大值,与未发芽相比分别增加了32.84%、65.12%、33.33%、29.19%;亮氨酸和缬氨酸分别在发芽60、72 h达到最大值,与未发芽相比分别增加了40.42%、26.00%;第一限制氨基酸赖氨酸含量也在发芽72 h达到最大值,由未发芽的0.129 g/100 g增加到0.157 g/100 g,增加了21.71%;而必需氨基酸在氨基酸总量中所占比重在48 h最大,占比37.24%。另外,谷氨酸是合成GABA的底物,对GABA含量有重要影响,随着发芽时间的延长,谷氨酸含量显著增加,在发芽60 h达到最大值1.423 g/100 g,增加了37.62%,之后有所下降,发芽至72 h含量降至1.311 g/100 g,这可能是限制 GABA 合成的因素之一[17]。其下降原因可能是发芽后期高粱呼吸强度增大,干物质消耗量加剧,各种氨基酸消耗量增加[14],这也是后期氨基酸总量下降的原因。综上所述,发芽处理对改善高粱营养价值以及在食品中的应用具有积极的意义。
2.3 高粱发芽过程中GABA含量和GAD活性的变化
GABA是一种非蛋白氨基酸,具有许多生理功效,主要是由谷氨酸脱羧反应形成的[5]。由图2可知,随着发芽时间的延长,高粱中GABA 含量呈先升高后降低的趋势,60 h时GABA含量最高,从未发芽的4.005 mg/100 g增加到19.026 mg/100 g,增加到近5倍,与Yang等[18]的研究结果基本一致。高等植物 GABA 的合成主要由 GAD 和GABA转氨酶(GABA transaminase,GABA-T)调控[19]。GAD是GABA合成的限速酶,对GABA的含量有直接影响。在发芽开始时,稻谷体内的 GAD被激活,随着时间的延长,GAD 活性开始增强,发芽至60 h时GAD活性最高,为8.139 U/100 g,在这个过程中GABA 开始大量生成、积累;GABA增加的另一个原因可能是发芽过程中由于高粱籽粒中的营养素溶于水后通过生化反应发生降解,导致可溶性含氮化合物(如GABA)的积累[20]。发芽60 h后,GAD活性和GABA含量都有所下降,这是因为GAD活性受谷氨酸的调节。GAD 定位于细胞质中,其活性受细胞环境中Ca2+调节[21], 而谷氨酸可以通过改变细胞质中Ca2+浓度来影响GAD活性[22],因此谷氨酸含量的变化会对GAD活性产生一定影响。结合表1可知,随着发芽时间延长,谷氨酸含量不断增加,GAD活性增加;60 h后谷氨酸含量有所下降,GAD活性降低。谷氨酸含量的下降使得以其为底物形成的GABA含量也有所下降。另外,60 h后GABA含量下降也可能是因为GABA被GABA-T催化转换为琥珀酸半醛进入三羧酸循环[23]。
图2 高粱发芽过程中GABA含量和GAD活性的变化Fig.2 Changes in GABA content and GAD activity of sorghum during germination
表1 发芽高粱氨基酸含量变化Table 1 Changes in amino acid content of germinated sorghum
2.4 高粱发芽过程中单宁含量的变化
单宁,可与蛋白质作用生成难消化的高分子沉淀物质,具有较强的苦涩味[24];过量摄入单宁会使消化酶活力降低,从而影响人体对蛋白质的消化率和生物价[25];同时会影响脂肪酶、胰蛋白酶以及α-糖化酶等的功能作用[26]。如图2所示,发芽处理后高粱中单宁含量显著(P<0.05)下降,发芽至72 h,单宁含量从1.07%降到0.14%,下降了86.92%。这与Claver等[27]的研究结果一致。高粱单宁可溶于水,浸泡(0 h)处理使单宁部分扩散到水中,含量有所下降;发芽过程中,单宁含量继续下降,这可能与高粱中醇溶蛋白的结构变化有关,发芽处理后,醇溶蛋白表面可能已经暴露出新位点,可促进单宁与醇溶蛋白单体之间的相互作用[28];除此之外,单宁属于多酚类化合物,其含量降低可能是发芽过程中多酚氧化酶活性增加所致[29]。
2.5 高粱发芽过程中植酸含量和植酸酶活性的变化
植酸,化学名为肌醇六磷酸酯,是谷类、豆类中磷的主要存在形式,可与Zn2+、Ca2+、Fe2+等多种矿物质元素结合形成难溶性的植酸盐络合物,从而很难被人体吸收[2];还可与蛋白质生成复合物,影响蛋白质的生理功能,或与酶结合,抑制其活性[30]。因此被看作是一种抗营养因子。由图3可知,浸泡(发芽0 h)处理后,植酸含量下降幅度较大,这可能是因为浸泡过程中植酸扩散到浸泡介质中[29];随着发芽时间的延长,植酸含量持续下降,从94.85 mg/100 g下降到52.44 mg/100 g,下降了44.71%。这是因为当种子吸水开始发芽后,植酸酶活性被激发,植酸盐水解并释放出无机磷以供作物生长;随着发芽时间延长,植酸酶活性不断增加,由未发芽的28.88 U/g增加到36.52 U/g,这与丁俊胄等[31]对发芽糙米的研究结果相似。
图3 高粱发芽过程中单宁含量的变化Fig.3 Changes in tannin content of sorghum during germination
3 结论
图4 高粱发芽过程中植酸含量和植酸酶活性的变化Fig.4 Changes of phytic acid content and phytase activity of sorghum during germination
本研究探讨了发芽过程中高粱营养成分以及抗营养因子的变化规律,结果表明:随着发芽时间的延长,氨基酸总量显著增加,60 h达到最大值,各种氨基酸含量均有不同程度的增加(P<0.05),其中第一限制氨基酸赖氨酸含量增加了21.71%;GAD酶活性和GABA含量均比未发芽时显著增加(P<0.05),发芽至60 h GAD酶活性最强,GABA含量最高;植酸酶活性增强,单宁和植酸含量在发芽过程中始终呈下降趋势(P<0.05)。综上所述,发芽在一定程度上能够提高高粱的营养价值,可为今后高粱在食品中的应用提供参考。
目前我们国家对于发芽高粱的研究并不多见,且发芽后高粱中GABA含量尽管有很大程度的增长,但总量依然不高。因此,后续的研究可在发芽基础上进一步探讨其他富集工艺对高粱GABA含量的影响,以进一步提高高粱中GABA含量,为开发富含GABA的发芽高粱食品提供理论基础。