惠倩汝,王 冕,周 婷,王 沛,顧振新,楊潤強*
(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,南京 江蘇 210095)
植酸又名肌醇六磷酸,廣泛存在于谷、豆類植物籽粒中,是植物磷元素的儲備庫[1]。植酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)中,含有6 個電負性極強的磷酸基團,具有很強的螯合能力,易與一些金屬離子如Ca2+、Mg2+、Zn2+和Fe2+等形成植酸鹽,與蛋白質(zhì)結(jié)合形成蛋白小體,從而影響人體對礦質(zhì)離子和蛋白質(zhì)的吸收。因此,植酸被認為是一種抗?fàn)I養(yǎng)因子[2]。
發(fā)芽被認為是一種低成本、有效降解植酸的技術(shù),同時也可以增強芽苗的營養(yǎng)價值[3]。據(jù)El-Adawy[4]報道,發(fā)芽相較于水煮、高壓蒸煮與微波蒸煮,對植酸降解最有效。乳酸鈣是一種天然的有機酸鈣鹽,具有極高的生物利用率、可溶性及穩(wěn)定性,是有效的外源鈣元素補充劑,且不會影響溶液的感官[5]。同時,鈣元素對植物的生長發(fā)育至關(guān)重要。目前,已有許多植物籽粒發(fā)芽過程中加入外源鈣富集功能性成分的報道。Wang Xinkun等[6]報道了6 mmol/L氯化鈣溶液有效提高了大豆芽菜的產(chǎn)量、促進了植酸的降解,同時富集了功能性成分。在豆類籽粒發(fā)芽過程中,植酸在植酸酶的作用下降解脫去磷酸基團,既降低了植酸的抗?fàn)I養(yǎng)作用,也保持了植酸的有益作用,如抗氧化活性等[7]。有報道稱,發(fā)芽綠豆中植酸的降解與其子葉中植酸酶活性的升高有密切關(guān)系[8]。同時,所形成的低級磷酸肌醇也是重要的信號物質(zhì),參與植物體內(nèi)多種信號通路的傳遞[9],可起到抵御結(jié)腸癌、動脈硬化、神經(jīng)系統(tǒng)疾病及冠心病等功能[10]。大豆是我國常見的糧食作物,其芽菜生產(chǎn)周期短,是廣受國民喜愛的一種蔬菜。然而,大豆植酸含量較高,會影響礦質(zhì)元素和其他營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。外施乳酸鈣處理可降解大豆芽菜中的植酸,并富集低級磷酸肌醇[11]。但是,對于乳酸鈣處理降解植酸的過程中,大豆芽菜礦物質(zhì)和主要營養(yǎng)物質(zhì)含量的變化還鮮見報道。因此,對乳酸鈣處理大豆芽菜營養(yǎng)價值的認識并不全面。
本研究以大豆為試材,研究大豆芽菜的鐵、鋅元素含量、生理生化特性、蛋白質(zhì)、氨基酸、可溶性糖等營養(yǎng)成分含量變化等,明確乳酸鈣對大豆芽菜營養(yǎng)品質(zhì)的影響,為高品質(zhì)大豆芽菜生產(chǎn)提供理論依據(jù)。
大豆(Glycine max L.,品種:云鶴)籽粒購于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,并置于-20 ℃冰柜保藏待用。千粒質(zhì)量為(161.6±0.8)g。
乳酸鈣 美國Sigma-Aldrich公司;AG1-X4樹脂(100~200 目) 德國Alfa Aesar公司;牛血清白蛋白上海藍季科技發(fā)展有限公司;亮氨酸、考馬斯亮藍G-250、茚三酮 國藥集團上?;瘜W(xué)試劑有限公司。
BX801發(fā)芽機 貝欣五金電器廠;755B型分光光度計上海精密科學(xué)儀器有限公司;TGL-16GR冷凍離心機、TDL-40B離心機 上海安亭科學(xué)儀器廠;PYX-DHS-BS型隔水電熱恒溫培養(yǎng)箱 上海躍進醫(yī)療器械廠;L8900AAA-400型氨基酸自動分析儀 日本日立公司;2300全自動凱氏定氮儀 瑞典福斯公司;Optima 2100 DV型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀 珀金埃爾默公司。
1.3.1 樣品處理
每種處理優(yōu)選200 顆大小一致且無腐爛、霉變的大豆籽粒。種子表面用去離子水洗去浮沉與污漬,后置于體積分數(shù)1%的次氯酸鈉溶液浸泡除菌消毒15 min。用去離子水漂洗至少5 次至pH值為中性,洗凈的籽粒在去離子水中于30 ℃浸泡6 h。泡好的籽粒移入自動發(fā)芽機中,溫度30 ℃,相對濕度85%,黑暗培養(yǎng)4 d。
用乳酸鈣溶液在大豆籽粒發(fā)芽過程中進行噴淋處理。乳酸鈣溶液每小時噴淋1 次,每次2 min。用去離子水噴淋設(shè)置為對照。每24 h更換一次培養(yǎng)液。大豆芽菜分別在發(fā)芽0、2 d和4 d取樣,取樣后進行用去離子水漂洗,確保樣品表面沒有噴淋液殘留。樣品每5 株隨機分裝一袋,凍干后,分別磨粉,置于-20 ℃冰柜保藏待用。
乳酸鈣濃度優(yōu)化:設(shè)置濃度為0.01、0.03、0.09、0.27、0.30、0.90、1.50、2.10、2.70 mmol/L。取發(fā)芽4 d大豆芽苗測定植酸含量,確定最佳降解植酸的乳酸鈣濃度。
1.3.2 各指標(biāo)的測定
植酸含量測定參照Hui Qianru等[11]的方法。5 株粉末樣品用30 mL 100 g/L的Na2SO4(溶劑為體積分數(shù)1.2%的HCl溶液)30 ℃提取2 h。9 000×g離心20 min后取上清液過陰離子交換樹脂,取5 mL濾液加4 mL顯色液(由質(zhì)量分數(shù)0.03%的FeCl3溶液及0.3%的磺基水楊酸配制),靜置10 min,在波長500 nm處測定吸光度。實驗結(jié)果以sprout計。
總鈣含量:采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜測定,參照Hui Qianru等[12]的方法測定。樣品與優(yōu)級純硝酸按1∶25(g/mL)混合,進行微波消解。消解后稀釋至有效濃度用電感耦合等離子體發(fā)射光譜測定。實驗結(jié)果以sprout計。
總鋅、鐵含量:參照總鈣含量測定方法。實驗結(jié)果以sprout計??傝F、鋅含量與植酸含量的關(guān)系以其物質(zhì)的量比表示,參照Karkle等[13]的方法計算。
可溶性糖含量:采用硫酸苯酚法測定[14]??偟鞍踪|(zhì)含量:采用凱氏定氮法測定[14]??扇苄缘鞍踪|(zhì)含量:采用考馬斯亮藍G-250法測定[14]。游離氨基酸含量:采用茚三酮溶液顯色法測定[14]。氨基酸組成分析:采用氨基酸自動分析儀測定氨基酸含量[15]。以上實驗結(jié)果以sprout計。
實驗設(shè)3 次生物學(xué)重復(fù),數(shù)據(jù)以 ±s表示。采用SAS 9.2軟件Duncan’s多重比較法進行顯著性分析,顯著性水平為P值小于0.05。
圖1 不同濃度乳酸鈣對發(fā)芽4 d大豆芽菜植酸含量的影響Fig.1 Effects of different calcium lactate concentrations on phytic acid content of 4 day-old soybean sprouts
如圖1所示,設(shè)發(fā)芽0 d大豆為對照,外源乳酸鈣對發(fā)芽4 d大豆芽菜的植酸具有顯著的降解作用。其中0.27 mmol/L的乳酸鈣溶液處理條件下植酸含量最低,比去離子水噴淋低44.22%,比未發(fā)芽的大豆低69.77%。表明發(fā)芽和乳酸鈣噴淋對植酸的降解具有顯著的疊加效果。因此,選0.27 mmol/L的乳酸鈣溶液用于大豆發(fā)芽期間噴淋處理。
圖2 乳酸鈣處理條件下大豆芽菜總鈣含量的變化Fig.2 Changes in total calcium content with calcium lactate treatment
隨著發(fā)芽時間的延長,外源鈣在大豆芽菜中不斷積累,總鈣含量也因此不斷升高。由圖2可知,乳酸鈣處理條件下,大豆芽菜在發(fā)芽4 d時的總鈣含量是0 d的1.36 倍,而對照組隨著發(fā)芽時間的延長,總鈣含量并無顯著性變化。表明大豆籽粒在發(fā)芽過程中,可以吸收外源乳酸鈣,且總鈣含量隨著發(fā)芽時間延長不斷增加。
植酸易與金屬離子鋅鐵螯合形成植酸鹽的形式積累。由圖3可知,相同發(fā)芽時間條件下,乳酸鈣處理的芽菜總鋅、總鐵含量并無顯著變化。但是,隨發(fā)芽時間的延長,植酸-鋅和植酸-鐵物質(zhì)的量比值顯著降低。在發(fā)芽第4天時,植酸-鋅和植酸-鐵物質(zhì)的量比值較對照分別降低58.20%和58.75%,而發(fā)芽第2天時,乳酸鈣處理與對照無顯著差異。
圖3 乳酸鈣處理條件下大豆芽菜總鋅含量(A)、植酸-鋅物質(zhì)的量比值(B)、總鐵含量(C)及植酸-鐵物質(zhì)的量比值(D)的變化Fig.3 Changes in total zinc content (A), molar ratio of PA to Zn (B),total iron content (C) and molar ratio of PA to Fe (D) with calcium lactate treatment
由圖4可知,隨著發(fā)芽時間的延長,可溶性糖含量顯著下降。其中,在乳酸鈣處理條件下,可溶性糖含量顯著低于對照。在發(fā)芽4 d時,乳酸鈣處理的大豆芽菜可溶性糖比0 d低45.66%,表明乳酸鈣處理條件下的大豆芽菜對可溶性糖利用更多。
圖4 乳酸鈣處理條件下大豆芽菜可溶性糖含量的變化Fig.4 Changes in soluble sugar content with calcium lactate treatment
圖5 乳酸鈣處理條件下大豆芽菜總蛋白質(zhì)含量的變化Fig.5 Changes in total protein content with calcium lactate treatment
蛋白質(zhì)是大豆籽粒中最重要的營養(yǎng)物質(zhì),約占大豆鮮質(zhì)量的40%左右。如圖5所示,發(fā)芽2 d,對照組中總蛋白質(zhì)含量顯著下降,然而乳酸鈣處理對總蛋白質(zhì)含量卻無顯著影響。發(fā)芽至第4天,對照組的總蛋白含量與乳酸鈣處理組的總蛋白含量相比顯著下降。表明乳酸鈣處理不僅不會造成總蛋白質(zhì)的流失,而且可以保存蛋白質(zhì)。
圖6 乳酸鈣處理條件下大豆芽菜可溶性蛋白含量的變化Fig.6 Changes in soluble protein content with calcium lactate treatment
如圖6所示,發(fā)芽過程中,對照及乳酸鈣處理均可顯著降低可溶性蛋白的含量,但在相同發(fā)芽時間條件下,乳酸鈣處理大豆芽菜的可溶性蛋白含量顯著低于對照。發(fā)芽4 d,乳酸鈣處理的可溶性蛋白含量比0 d降低74.56%。
隨著發(fā)芽時間的延長,游離氨基酸含量顯著增加。其中,發(fā)芽4 d時,乳酸鈣處理的大豆芽菜中游離氨基酸含量比對照增加了30.35%;與0 d相比增加到5.6 倍。這可能與可溶性蛋白的水解有關(guān)。
圖7 乳酸鈣處理條件下大豆芽菜游離氨基酸含量的變化Fig.7 Changes in free amino acids with calcium lactate treatment
表1 乳酸鈣處理條件下氨基酸組成的變化Table1 Changes in amino acid composition with calcium lactate treatment%
探究在乳酸鈣處理條件下發(fā)芽4 d大豆芽菜的17 種氨基酸組成的變化,如表1所示。其中包括8 種必需氨基酸和9 種非必需氨基酸。發(fā)芽0 d 時,谷氨酸含量最高,發(fā)芽4 d后,其含量比對照和乳酸鈣處理分別下降了39.92%和53.19%。但發(fā)芽4 d后,天冬氨酸成為含量最高的氨基酸,與未發(fā)芽大豆相比,對照和乳酸鈣處理中天冬氨酸含量分別增加了1.27 倍和1.65 倍。在發(fā)芽過程中,乳酸鈣處理與對照均只有天冬氨酸和組氨酸含量隨著發(fā)芽時間的延長而增加;丙氨酸含量在發(fā)芽第2天達到最高,隨后下降;其余氨基酸含量都呈下降趨勢。但纈氨酸含量在對照中先升高后下降,而在乳酸鈣處理條件下一直上升,因此在4 d與對照相比增加4.79%。乳酸鈣處理條件下,除了天冬氨酸、纈氨酸和組氨酸,其余氨基酸含量均在發(fā)芽4 d時顯著低于對照。
鈣是植物的必需元素之一,對其生長發(fā)育有著重要的作用[16]。本研究在大豆籽粒發(fā)芽過程中施用0.27 mmol/L乳酸鈣處理,有效地降解了植酸(圖1),同時探明了幾種基本營養(yǎng)成分含量的變化。由于乳酸鈣良好的溶解性、穩(wěn)定性以及生物利用率,其被認為是一種優(yōu)質(zhì)的鈣元素補充劑。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與食品加工中,無機鈣鹽如氯化鈣被廣泛應(yīng)用,但其用量大濃度高,生物利用率低,難以滿足生產(chǎn)需要。Wang Xinkun[6]和Yin Yongqi[17]等均施用6 mmol/L的氯化鈣降解植酸來提高大豆芽菜品質(zhì)、緩解鹽脅迫等。但0.27 mmol/L乳酸鈣具有更好的植酸降解效果,能更好地提高大豆芽菜品質(zhì)。其原因可能是:第一,鈣元素是植物細胞的結(jié)構(gòu)組成元素,鈣元素的補充促進大豆生長;第二,鈣參與能量三磷酸腺苷(adenosinetriphosphate,ATP)的合成,而ATP的合成需要大量的磷元素,因此促進了植酸降解[9];第三,鈣是細胞內(nèi)的第二信使,是植物體內(nèi)多種酶類和輔酶的活化因子,可以通過影響酶的活性來調(diào)節(jié)多種生理過程[18]。同時,乳酸的作用也不容忽視。據(jù)報道,乳酸可以有效激活大麥的植酸酶活性,降低大麥中的植酸含量,從而促進其體內(nèi)低級磷酸肌醇的形成[19]。因此,乳酸鈣的補充適用于植物籽粒在發(fā)芽過程中植酸的降解。
在種子萌發(fā)過程中,外施乳酸鈣被植物大量吸收(圖2),大豆芽菜生長狀態(tài)佳,而芽菜旺盛的生長狀態(tài)必然和呼吸速率的增強以及子葉中營養(yǎng)物質(zhì)大量的消耗相關(guān)。此時,植酸降解相關(guān)酶被激活[20],植酸降解及其磷代謝等也均受到Ca2+的調(diào)控,因此在乳酸鈣處理條件下植酸隨著發(fā)芽時間的延長而大量降解[9]。隨之生成低級磷酸肌醇、無機磷、肌醇、二價金屬離子以及蛋白等物質(zhì),以供給植株生長所需[21]。總鐵、總鋅含量在發(fā)芽過程中基本保持不變,但植酸降解釋放了鐵、鋅元素從而降低了大豆的抗?fàn)I養(yǎng)作用。在幾種易被植酸螯合的礦質(zhì)元素中,鋅與植酸形成的植酸鋅是最穩(wěn)定的,因此鋅元素的生物利用率也是受植酸影響最大的[22]。鐵、鋅與植酸的物質(zhì)的量之比可有效反映鐵、鋅的吸收情況。據(jù)報道,植酸-鋅物質(zhì)的量比值超過10~15會抑制鋅的吸收;而植酸-鐵物質(zhì)的量比值超過14會造成鐵缺乏[23-24]。發(fā)芽0 d的大豆籽粒的鋅、鐵元素利用率極差,但在乳酸鈣處理條件下,發(fā)芽4 d的大豆芽菜植酸-鋅與植酸-鐵物質(zhì)的量比值均有了很大變化,鋅、鐵元素的吸收也達到了最佳效果,并且顯著優(yōu)于對照組(圖3B、D)。
碳水化合物約占大豆籽粒干質(zhì)量的35%左右,多為蔗糖、棉子糖、水蘇糖等可溶性糖及纖維素類[25]。其中可溶性糖是大豆中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的重要組成部分,包括絕大部分單糖和寡糖。而非結(jié)構(gòu)性碳水化合物也是大豆籽粒中重要的能量來源。其含量隨著發(fā)芽過程逐漸下降(圖4),且與植株發(fā)育程度和生長環(huán)境有關(guān)。據(jù)報道,淀粉作為另一種重要的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物,在大豆發(fā)芽過程中含量也在不斷下降[26]。蔗糖、淀粉被大量利用,提供發(fā)芽過程中所需的能量。
植酸與蛋白質(zhì)也易結(jié)合形成植酸-蛋白質(zhì)復(fù)合體,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而產(chǎn)生聚沉作用,導(dǎo)致其溶解度降低,同時被蛋白酶水解的程度也下降[27]。在大豆籽粒中,蛋白質(zhì)是其中最重要的營養(yǎng)物質(zhì)并占有較大比例。隨著籽粒休眠被打破,蛋白酶被激活,籽粒中貯藏的蛋白質(zhì)被水解成多肽、氨基酸及酰胺。因此,在發(fā)芽過程中可溶性蛋白含量不斷下降(圖6),游離氨基酸含量逐漸增加(圖7),而外施乳酸鈣處理組變化更為明顯,可溶性蛋白消耗更多,游離氨基酸生成也更多??偟鞍缀吭谌樗徕}處理發(fā)芽過程中基本沒有變化,因為無外源添加的情況下氮元素在植物體內(nèi)僅被轉(zhuǎn)化利用,并不影響總含量。
大豆中含有人體所必需的各類氨基酸,其中8 種必需氨基酸的含量與肉制品相似。因此,大豆氨基酸組成平衡,其營養(yǎng)價值高于其他谷豆類植物性食品[28]。氨基酸組成的變化可以從某種程度上反映出蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化情況。本研究共檢測17 種氨基酸的變化,其中有9 種非必需氨基酸以及8 種必需氨基酸。大豆籽粒在未發(fā)芽時,谷氨酸含量最高。谷氨酸是一種酸性氨基酸,廣泛存在于谷豆類蛋白質(zhì)中,是蛋白質(zhì)代謝的重要中間產(chǎn)物之一。隨著發(fā)芽時間的延長,谷氨酸含量逐漸下降,其中乳酸鈣處理的大豆芽菜中下降更為明顯(表1)??赡茉蚴?,在大豆萌發(fā)過程中游離谷氨酸的不斷釋放,為谷氨酸脫羧酶(glutamate decarboxylase,GAD)提供了充足的底物。GAD是γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)生成的關(guān)鍵酶,伴隨著發(fā)芽的進行,GABA也在芽菜體內(nèi)不斷積累[6]。GAD活性受到Ca2+調(diào)控,而植酸降解釋放的Ca2+與外源吸收的Ca2+不斷增加,也因此大大提高GAD活性[29]。據(jù)報道,發(fā)芽與施鈣會促進大豆芽菜中酚類物質(zhì)的積累[6]。苯丙氨酸是植物體內(nèi)酚類物質(zhì)包括大豆異黃酮的前體[30],在乳酸鈣處理發(fā)芽過程中,苯丙氨酸含量也可能因此而不斷下降。與谷氨酸、苯丙氨酸不同的是,天冬氨酸含量顯著升高,而施加乳酸鈣的處理組升高更為明顯(表1)。天冬氨酸是一種非必需氨基酸,也是數(shù)種氨基酸合成的前體,包括必需氨基酸甲硫氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸、賴氨酸等。因此,在籽粒發(fā)芽過程中天冬氨酸要不斷積累,供給大豆生長發(fā)育之用。鈣的施用,提高了生化反應(yīng)速率,也加速了天冬氨酸的合成。另外,天冬氨酸也具有和Ca2+結(jié)合的能力,大豆芽菜吸收了大量Ca2+后,更多的天冬氨酸生成,可以更好地在芽體內(nèi)貯藏、分流多余鈣源。組氨酸是另一種伴隨發(fā)芽過程含量上升的氨基酸,發(fā)芽4 d,乳酸鈣處理組和對照組組氨酸均顯著高于未發(fā)芽大豆的含量(表1)。組氨酸是嬰兒的必需氨基酸,因此富含鈣的芽類食品也可作為嬰兒輔食進行進一步開發(fā)。
在大豆發(fā)芽過程中施用0.27 mmol/L乳酸鈣處理可以顯著降解大豆籽粒體內(nèi)的植酸,并且提高鋅、鐵元素的生物利用率,利于人體吸收。此外,基本營養(yǎng)物質(zhì)蛋白質(zhì)、碳水化合物等代謝速率也加快,總蛋白質(zhì)與氨基酸總量基本保持穩(wěn)定,氨基酸組成發(fā)生了較大變化,使氨基酸組成更為合理,提高了大豆的營養(yǎng)品質(zhì)。
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