玉米种子发芽动态及生理变化研究

郑冉,吕丹,罗红兵,2*

1(湖南农业大学 农学院,湖南 长沙,410128)2(湖南省玉米工程技术研究中心,湖南 长沙,410128)

玉米是我国重要的粮食作物,其籽粒中含有丰富的营养成分,具有一定的保健功能,因此玉米加工食品广受大众欢迎。但玉米中部分营养成分不能直接被人体吸收,必须依赖相关酶作用,分解成小分子物质,才可以被人体利用[1]。

发芽是一种简单的加工技术手段,可用于改善种子的营养比例[2];发芽期间,玉米种子中的淀粉酶和蛋白酶活性明显增强,可以使不溶性的大分子物质水解生成新的还原糖、氨基酸、维生素和矿物质[3-4];最近的研究表明,普通玉米发芽后干物质含量明显降低,可溶性蛋白含量表现出先降低后升高的趋势,还原糖和可溶性糖的含量呈升高趋势[5];同时,通过发芽处理,可以改善甜、糯玉米淀粉的利用率[6],增大淀粉溶解度和淀粉糊透光率,减小蓝值、碘结合力和膨润力[7-8],最终形成特殊的口感,刺激食欲;张钟等[9]将发芽玉米粉应用到饼干类食品的加工中,研制出了口感酥松的饼干;HELLAND等[10]利用发芽2 d的玉米粉,添加到粥类食品中,增加了糖含量与食物能量密度。

目前对发芽玉米种子中生理指标变化的研究主要集中在单一类型上,对不同类型玉米发芽的研究鲜少报道。本研究选择了3种具有代表性的地方玉米品种,普通玉米(湘农玉27号)、甜玉米(湘农甜玉3号)和糯玉米(湘农白糯3号),对不同发芽时间的胚芽长、胚根长、生理指标的变化及其相互关系进行研究,探究不同类型玉米间各性状的变化趋势,以期评价不同类型发芽玉米的营养价值,并且为发芽玉米在食品加工方面的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试普通玉米品种为湘农玉27号、甜玉米品种为湘农甜玉3号、糯玉米品种为湘农白糯3号,以上试验材料由湖南省玉米工程技术研究中心提供。

1.2 仪器与设备

智能人工气候培养箱,上海丙林电子科技有限公司;UV-1200紫外/可见分光光度计,上海美析仪器有限公司;DF-101S磁力搅拌器,上海予华仪器有限公司;Centrifuge 5420R-高速离心机,艾本德(上海)国际贸易有限公司;冷冻研磨仪,上海净信实业发展有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 玉米发芽处理

挑选适量的玉米种子,在0.1%(体积分数)NaClO 溶液中室温浸泡15 min,蒸馏水冲洗2次,后在25 ℃条件下连续浸泡12 h,每5 h换水1次。将浸泡后的种子移种到育苗盘中,放入智能人工气候培养箱中,于25 ℃、相对湿度为88%,发芽72 h,每隔12 h进行浇水。按发芽0(CK)、12、24、36、48、60、72 h 设置7个处理,将3种类型的玉米种子分别进行不同的处理,3次重复。

1.3.2 玉米的胚芽、胚根长度的测定

分别在发芽后的第12、24、36、48、60、72 h取样,样品用蒸馏水冲洗干净,每个类型玉米挑选20株长势一致的玉米芽苗,测定胚芽、胚根长度。将样品50 ℃下烘至恒重,磨粉至细度≤80目,密封于塑料袋内,4 ℃保存待用。

1.3.3 玉米种子蛋白组分的测定

考马斯亮蓝比色法测定玉米种子的蛋白组分。

1.3.4 玉米种子还原糖和总糖含量的测定

采用DNS法测定还原糖含量,硫酸蒽酮法测定可溶性总糖含量。

1.3.5 玉米种子支链淀粉、直链淀粉和总淀粉含量的测定

采用紫外吸光光度法测定直链淀粉含量,硫酸蒽酮法测定总淀粉含量,支链淀粉含量计算如公式(1)所示:

支链淀粉含量/%=总淀粉含量-直链淀粉含量

(1)

1.3.6 玉米种子赖氨酸含量的测定

茚三酮比色法测定赖氨酸含量。

1.4 数据分析

用Microsoft Excel 20.0对表型数据进行整理,用SPSS 24.0和DPS 6.05软件对数据进行方差分析、相关性分析,TBtools软件作图。

2 结果与分析

2.1 玉米发芽过程中胚芽、胚根长度的变化

种子发芽时,胚乳中贮藏的营养物质发生降解,降解后的产物在胚中合成生命物质,形成新的器官。由图1、图2可知,随着发芽时间的延长,各类型玉米的胚芽、胚根的长度均显著增加。整体来看,种子在发芽的48 h后,胚芽长显著增加,各品种的胚芽长大小分别为湘农玉27号>湘农甜玉3号>湘农白糯3号。种子在发芽的24 h后,胚根长显著增加,发芽72 h后,湘农玉27的胚根长最大,达(6.81±0.04) cm,湘农白糯3号的胚根长相对最低,为(2.58±0.01) cm,因此推测玉米种子在发芽24～48 h过程中主要营养成分发生合成和降解。

图1 玉米发芽过程中胚芽长度的变化

图2 玉米发芽过程中胚根长度的变化

2.2 玉米发芽过程中蛋白组分含量变化

玉米种子的发芽与贮藏蛋白含量密切相关,种子发芽期间,许多与贮藏蛋白相关的酶被激活,一些蛋白质被合成,另一些蛋白质被水解,这种平衡决定了蛋白质的含量[11]。OSBORNE[12]将提取出的种子贮藏蛋白按溶解性的差异分为清蛋白(albumin)、球蛋白(globulin)、醇溶蛋白(gliadin)和谷蛋白(gluten)四类。玉米发芽过程中蛋白组分变化如表1所示。

表1 玉米发芽过程中生理指标含量变化

发芽72 h内,湘农玉27号、湘农甜玉3号和湘农白糯3号的清蛋白与球蛋白含量均随发芽时间的延长不断增加,该变化趋势与大麦[13]和燕麦[14]等的研究结果相似;由于类型的差异,清蛋白与球蛋白的变化幅度有明显区别,湘农玉27号清蛋白变化幅度最大(1.37%),其次是湘农白糯3号(0.76%),湘农甜玉3号的变化最小(0.31%);球蛋白变化幅度则表现为湘农白糯3号(0.58%)>湘农玉27号(0.53%)>湘农甜玉3号(0.21%)。

3种类型玉米的醇溶蛋白、谷蛋白和总蛋白含量的变化趋势一致,均随着发芽时间的延长逐渐降低,不同的是谷蛋白整体上消耗量较多,这可能与谷蛋白是胚和幼芽生长的主要能源,降解后可以保护玉米幼苗抵御外界的不良环境有关,此外总蛋白含量在3种不同类型玉米中是随着发芽时间的延长而逐渐减少,种子发芽早期蛋白质的降解幅度小于发芽后期蛋白质的降解幅度,这与张瑜等[15]在研究柱花草种萌发时总蛋白的变化趋势一致。由于类型的差异,醇溶蛋白、谷蛋白与总蛋白的变化幅度有明显区别,除湘农玉甜3号变化幅度较小外,其余2种类型玉米都在发芽24 h后出现显著下降趋势。

2.3 玉米发芽过程中还原糖和总糖含量的变化

玉米种子在发芽时,淀粉酶是被激活的状态,随着发芽时间的延长,光合作用产物不断形成和积累,可溶性总糖剧增,淀粉酶不断积累,导致总糖迅速分解,生成大量的还原糖[4]。随着发芽时间的延长,3种类型的玉米种子还原糖含量呈上升趋势,与总糖的变化趋势正好相反,这可能是因为在种子发芽时的呼吸作用加强,导致多糖等物质的分解,致使还原糖源源不断的生成,这与黄升谋等[16]对小麦种子发芽的研究结果相似,也与大豆[17]种子发芽的研究结果相似。还原糖在不同玉米品种不同发芽阶段的变化幅度存在差异,湘农甜玉3号、湘农白糯3号在发芽24 h后急剧上升,72 h达到最大值;湘农玉27号的还原糖含量在发芽0～12 h、24～48 h呈升高趋势,其余时间都趋于稳定。

由于类型的差异,总糖在不同玉米品种不同发芽阶段的变化幅度有明显区别。在发芽72 h时,总糖含量变化幅度则表现为湘农甜玉3号(8.95%)>湘农白糯3号(3.96%)>湘农玉27号(3.43%),这可能是因为种子发芽时伴随着呼吸作用,消耗了大部分的能量有关。

2.4 玉米发芽过程中支链淀粉、直链淀粉和总淀粉含量的变化

玉米发芽过程中支链淀粉、直链淀粉和总淀粉含量变化如表1,在发芽过程中支链淀粉、直链淀粉和总淀粉含量总体变化趋势一致,均随发芽时间的延长呈降低趋势。3种类型玉米种子未发芽前的支链淀粉含量为34.88%～49.97%;不同类型玉米支链淀粉的变化幅度有明显区别,湘农白糯3号在发芽12 h后呈现降低趋势,湘农玉27号与湘农甜玉3号则在48 h后才有所降低。

3种类型玉米种子未发芽前的直链淀粉含量为16.50%～24.36%;发芽72 h时,湘农白糯3号的直链淀粉含量下降幅度最大(11.67%),其次是湘农甜玉3号(10.98%),湘农玉27号的直链淀粉含量下降幅度最小(8.70%)。

3种类型玉米种子未发芽前的总淀粉含量为51.38%～72.18%,种子发芽24 h后,总淀粉含量显著降低,发芽72 h时,不同类型玉米总淀粉的变化幅度表现为:湘农甜玉3号(36.10%)>湘农玉27号(26.33%)>湘农白糯3号(20.69%)。发芽过程中淀粉组分呈下降趋势,与邢宝[18]和徐惠娟等[19]研究相似,表明随着种子进行露白、胚轴伸长和子叶生长等生命活动,淀粉酶活性的增强,淀粉代谢水平上升,种子贮存的淀粉被消耗用于新组织器官的合成以及胚的生长。

2.5 玉米发芽过程中赖氨酸含量的变化

赖氨酸是人体所必需的氨基酸,其含量的高低是衡量玉米种子品质的重要指标。不同发芽时间玉米种子中赖氨酸的含量变化如表1所示。不同类型玉米赖氨酸含量总体变化趋势基本一致,随发芽时间的延长而显著增加,这与白永富等[20]对烟草种子萌发时的规律相似,相同的结果也出现在大豆[21]中。不同类型玉米赖氨酸的变化幅度有明显区别,发芽前后脯氨酸变化最大的是湘农甜玉3号,3种类型玉米在发芽第72 h时的赖氨酸含量分别比发芽前提高1.64、2.00和1.71倍,因此发芽后的玉米可作为开发高赖氨酸食品的一种方式,降低人们患癞皮病的风险有重要的意义。赖氨酸含量的增加可能是内源性蛋白酶的活化,它诱导了玉米贮藏蛋白以及肽的水解。

2.6 玉米发芽过程中主要生理指标与胚芽长、胚根长的相关性

对玉米发芽过程中清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白、总蛋白、还原糖、总糖、支链淀粉、直链淀粉、总淀粉、赖氨酸、胚芽长与胚根长进行简单相关分析。结果如图3所示,玉米发芽过程中胚芽长、胚根长与生理指标存在密切关系,各指标间相互影响并且也相互制约。玉米种子发芽过程中玉米胚芽长、胚根长均与清蛋白和球蛋白呈显著正相关,因此玉米种子发芽过程中清蛋白、球蛋白含量随着胚的生长逐渐增加,这与戈珍梅等[22]发现蛋白含量随胚根长增加而持续增加的结果相似;玉米中还原糖含量随胚芽长、胚根长伸长而显著增加,这与杨红等[23]研究中还原糖含量随胚芽长、胚根长伸长而增加的结果一致;此外胚芽长、胚根长与直链淀粉呈极显著负相关,该结论在小麦[24]种子中得到了验证。

图3 玉米发芽过程中主要生理指标与胚芽长、胚根长的相关性分析

3 结论

本文研究了发芽过程中湘农玉27号、湘农甜玉3号和湘农白糯3号发芽动态及生理指标的变化。结果表明胚芽、胚根的长度随着玉米种子发芽时间的延长而不断增加。不同类型玉米发芽过程中的生理指标的变化趋势相同,仅变化幅度存在差异。发芽降低了3种不同类型玉米的醇溶蛋白、谷蛋白、总蛋白、直链淀粉、总淀粉和总糖的含量,但提升了清蛋白、球蛋白、还原糖和赖氨酸的含量。这些结果揭示了发芽一定程度上可以改善玉米理化特性,也为发芽玉米面包、饮料、婴幼儿辅食等相关食品的加工提供参考。发芽玉米种子中毒素含量极低,大多数可在高温下破坏,紫外线照射也可使之破坏,因此发芽玉米加工后的食品相当安全,近年来人类食用的经验也证明了这一点。综合考虑,在健康饮食观念的广泛普及的今天,发芽玉米产品的加工将拥有广阔前景。