不同光質對西蘭花芽苗菜營養品質及抗氧化性的影響

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(南京農業大學生命科學學院,江蘇南京 210095)

西蘭花(BrassicaoleraceaL.var.italicPlanch)隸屬于十字花科蕓薹屬,為甘藍的變種。研究表明,經常食用西蘭花可以降低患癌癥和心血管疾病的風險[1],這些有益效果歸因于一類重要的含硫次級代謝產物,稱為硫苷[2]。西蘭花芽苗菜是西蘭花種子發芽后5～9 d的嫩芽,其中硫苷的含量是成熟西蘭花的20倍以上[3]。硫苷在人體內的分解產物是異硫氰酸酯,它是由葡萄糖醛酸通過黑芥子酶的水解作用形成的,對各種癌癥具有防御性功能,是已知最有希望的抗癌劑[4]。此外,西蘭花芽苗菜還含有大量的抗氧化劑和保健功能化合物,如維生素C、總酚、類黃酮和花青苷等[5-6]。

通過光環境調控技術可以調節芽苗菜的生長發育,改善其營養品質。Lee等[11]研究不同光質處理對普通蕎麥和韃靼蕎麥芽苗菜中酚類物質的影響,發現藍光對普通蕎麥影響較大,而紅光對苦蕎麥影響大;不同的光質處理下,紅光處理更有利于酚類物質在普通蕎麥芽苗中積累。劉文科等[12]利用不同光質處理研究對豌豆苗生長、光合色素和營養品質的影響。結果發現,藍光和紅藍光可以促進豌豆苗地上部生長,提高葉片葉綠素a、b含量,紅藍光處理可增加豌豆苗葉片維生素C含量;白光和紅藍光處理的豌豆莖葉中類胡蘿卜素含量最高,白光處理使豌豆苗莖葉中花青素積累最多。Moreira等[13]研究發現，不同強度的紫外光照射可改變西蘭花芽苗菜的硫苷和酚類組分,提高芽苗菜品質。目前，關于蕓薹屬富含硫苷的芽苗菜光調控的研究主要為不同強度的UV-B輻射對西蘭花芽苗菜疾病和害蟲的抗性研究[14]以及光質對羽衣甘藍芽苗菜健康品質的研究[15],關于單色光對西蘭花芽苗菜子葉和下胚軸營養品質的研究尚未見報道。

為此,本試驗研究了在西蘭花芽苗菜生長中,不同單色光質對其活性物質積累和抗氧化活性的影響,探討光調控對西蘭花芽苗菜營養品質的影響,以期為光調控應用于芽苗菜工廠化生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

西蘭花(品種為‘蔓陀綠’)種子 購于山東金種子農業發展有限公司;烯丙基硫苷標準品、硫酸酯酶、抗壞血酸、DPPH· 美國Sigma公司;乙腈(色譜純) 上海陸都化學試劑廠;甲酸、草酸、沒食子酸、福林酚 上海化學試劑有限公司;超氧陰離子測定試劑盒 南京建成生物工程公司。

液相色譜質譜聯用儀(Liquid chromatograph mass spectrometer,LC-MS)(配有電噴霧離子源(ESI)及Masslynx 4.1數據處理系統) 美國Waters公司;冷光源培養箱 浙江寧波海曙賽福實驗儀器廠;HC-C 6002型電子天平 浙江慈溪市華徐衡器實業有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 西蘭花芽苗菜的培養 將經過10%次氯酸鈉消毒后用滅菌蒸餾水洗至中性的西蘭花種子于30 ℃蒸餾水中浸泡4 h后均勻鋪撒在紗布上,黑暗25 ℃催芽24 h。將發芽的種子播種并置于黑暗25 ℃培養36 h,再轉移至不同光照培養箱中,箱內頂置LED光源,可發出白光(W)、藍光(B)及紅光(R);另外使用紫外窄譜燈管作UV-B光源,以白光培養(W)作為對照。箱內相對濕度為75%±5%,溫度為(25±2) ℃,16 h光照,8 h黑暗處理,5 d后株高約4cm即可收苗。表1為光譜能量分布主要技術參數,調節光強為30 μmol/(m-2·s-1)左右。

表1 不同光譜能量分布的主要技術參數Table 1 Major technique parameters of light spectral energy distribution

1.2.2 光質對苗菜生長的影響 測定經光質處理5 d后的西蘭花芽苗菜全株鮮重、可食鮮重、下胚軸長,并將經過光質處理的芽苗菜鮮樣置于烘箱中105 ℃殺青15 min,85 ℃烘干3 d至恒重后測定全株干重、可食干重、可食率以及含水率。

1.2.3 子葉和下胚軸品質的測定

1.2.3.1 可溶性糖含量的測定 參照王學奎[16]的方法,稱取0.5 g鮮樣放入玻璃試管中,加入10 mL去離子水,沸水浴30 min(重復提取2次),合并提取液過濾至燒杯后，定容到25 mL的容量瓶中。取1 mL提取液加入到20 mL試管中,加入10 mL濃硫酸溶液和1 mL 2%蒽酮-乙酸乙酯溶液,沸水浴1 min,室溫下測定630 nm波長下的吸光值。式中:C:從標準曲線中求得的糖含量(μg);VT:提取液總體積(mL);VS:測定時取用的樣品提取液體積(mL);N:稀釋倍數;W:樣品質量(g)。

1.2.3.2 可溶性蛋白含量的測定 采用王學奎[16]的方法,稱取1 g鮮樣,加2 mL蒸餾水研磨成勻漿,轉移到離心管中,再用6 mL蒸餾水多次洗滌,在室溫下放置1 h后8000 r/min 4 ℃離心15 min,上清液轉入10 mL容量瓶,定容至刻度。提取液加入考馬斯亮藍后靜置3 min,在595 nm波長下測定吸光值。式中:C:由標準曲線所得蛋白的含量(μg);VT:提取液總體積(mL);VS:測定時所用提取液的體積(mL);N:稀釋倍數;W:樣品鮮重(g)。

1.2.3.3 游離氨基酸含量的測定 提取方法同可溶性糖。參照王學奎[16]的方法,取0.05 mL上清液,加0.5 mL茚三酮酒精溶液,沸水浴后加5 mL 95%乙醇,于570 nm波長下測定吸光值。式中:C:從標準曲線中求得的糖含量(μg);VT:提取液總體積(mL);VS:測定時取用的樣品提取液體積(mL);N:稀釋倍數;W:樣品質量(g)。

1.2.4 總酚含量、類黃酮含量、花青苷含量、維生素C含量的測定

1.2.4.1 總酚含量的測定 取1.5 g西蘭花芽苗,用15 mL 50%甲醇研磨,勻漿液于室溫下12000 r/min離心10 min。參照Volden[5]所述的方法,使用福林-酚試劑測定酚類化合物,并在765 nm讀取其吸光值。樣品中總酚含量用沒食子酸當量(GAE)/100 g FW表示。用沒食子酸作標準曲線,計算出樣品中總酚含量。式中:C:從標準曲線中求得的當量沒食子酸含量(mg);VT:提取液總體積(mL);VS:測定時取用的樣品提取液體積(mL);N:稀釋倍數;W:樣品質量(g)

1.2.4.2 類黃酮含量的測定 通過Chlopicka[17]所述的比色法測定,并稍作修改。用0.25 mL的80%甲醇提取芽苗菜類黃酮,加入1.25 mL蒸餾水稀釋后向混合物中加入75 mL 5% NaNO2溶液,7 min后,加入150 mL 10% AlCl3·6H2O溶液,反應混合物加入0.5 mL NaOH(1 mol/L)后在510 nm處測定混合物的吸光值。

1.2.4.3 花青苷含量的測定 根據Su[18]的方法,將0.5 g樣品于室溫黑暗中用10 mL含1% HCl的甲醇溶液萃取24 h,10000 r/min室溫離心15 min。經光質處理5 d后的西蘭花芽苗菜子葉的花青苷需要在測量前使用氯仿萃取。讀取A530和A657的吸光值。差值每增加0.01定義為一個單位。

1.2.4.4 維生素C含量的測定 根據Volden等[19]的方法作適當修改。取0.5 g鮮樣,用5 mL 2%草酸研磨提取后過0.45 μm有機系膜后用HPLC測定。色譜柱:SB-C18 色譜柱;流速:0.8 mL/min;檢測波長:254 nm;柱溫:30 ℃;進樣量:20 μL;流動相:0.1%草酸∶甲醇=95∶5。

1.2.5 抗氧化性與苯丙氨酸酶、查爾酮異構酶活性測定

1.2.5.1 DPPH自由基清除活性的測定 根據Do等[22]的方法進行DPPH自由基清除活性測定。取總酚類物質提取液,加入0.1 mmol/L的DPPH,35 min后517 nm波長處測定吸光值。自由基清除能力(%)=[(1-A517 nm樣品/A517 nm對照)]×100

1.2.5.2 抗超氧陰離子能力測定 采用抗超氧陰離子試劑盒測其550 nm下的吸光度,單位為(U/g FW)。

1.2.5.3 苯丙氨酸酶(L-phenylalanine ammo-nialyase,PAL),查爾酮異構酶(Chalcone isomerase,CHI)活性的測定 參照劉金等[20]的方法,稍作修改。稱取1 g鮮樣,加入5 mL提取液(0.1 mol pH8.7硼酸緩沖液,0.05 mol/L抗壞血酸,0.018 mol/L 2-巰基乙醇)充分研磨后10000 r/min 4 ℃離心25 min,上清液即為粗酶液,用于酶活檢測。PAL檢測方法:取250 μL粗酶液、875 μL 0.1 mol/L緩沖液、250 μL L-苯丙氨酸加入試管內,其中L-苯丙氨酸最終濃度為11 mmol/L。將裝有混合物的試管在30 ℃溫育30 min,用0.5 mL 15% HCl終止反應。然后在室溫8000 r/min下離心8 min沉淀變性的蛋白,在1 cm的石英比色皿中于290 nm波長下測定其吸光值。按以下公式計算PAL酶活。式中:N:酶粗提液總體積(mL);W:樣品鮮重(g);T:反應時間(min);n:反應液所用酶粗提液的體積(mL)。

CHI檢測方法:配制測定混合物(含粗酶液0.75 mL,pH7.4,0.050 mol/L Tris-HCl緩沖液2 mL;0.05 mL 1 mg/mL查爾酮溶液;7.5 mg/mL牛血清蛋白),將待測定混合物于34 ℃條件下水浴30 min(另取同量的酶提取液進行沸水浴10 min,作對照),測定A381。CHI酶活性計算公式如下。式中:V:酶粗提液總體積(mL);W:樣品鮮重(g);T:反應時間(min);VS:反應液所用酶粗提液的體積(mL)。P:每克鮮樣中的蛋白質含量(mg)

1.2.6 硫苷含量的測定 參考Font等[21]的方法并稍作修改。取1 g鮮樣,加入6 mL 75%甲醇煮沸25 min滅酶,研磨勻漿后,再用2 mL 75%甲醇萃取殘余物,80 ℃恒溫水浴中浸提25 min,12000 r/min離心15 min,收集上清液。將2 mL上清液加到1 mL DEAE Sephadex A-25柱(乙酸活化)中,加入500 μL 硫酸酯酶,30 ℃下反應16 h。用2 mL去離子水洗脫后過0.22 μm濾膜。通過LC-MS系統(G2-XS QTof,Waters)分析樣品。將2 μL溶液注入UPLC柱,流速為0.4 mL/min。使用Masslynx 4.1進行數據采集和處理。色譜柱:石英毛細柱(30 mm×0.25 mm,0.25 μm);柱溫32 ℃;進樣量0.5 μL;檢測波長為226 nm,流速為1.5 mL/min,內標為烯丙基硫苷。

1.3 數據處理

數據處理采用SPSS 19.0軟件,Origin 8.0軟件作圖,顯著性測驗采用鄧肯氏新復極差法(p<0.05)。

每個樣品做三次重復分析。

2 結果與分析

2.1 光質對西蘭花芽苗菜生長的影響

圖1所示(bar=1cm)為芽苗菜生長形態圖。由表2可知,與對照白光相比,紅光下西蘭花芽苗菜下胚軸(圖1所示)顯著(p<0.05)伸長,UV-B則抑制下胚軸的伸長,而藍光處理后的下胚軸長與白光相比并無顯著性差異(p>0.05)。在紅光培養下的西蘭花芽苗菜可食鮮重最高,與白光相比,其可食鮮重增加約19%;藍光和UV-B處理后全株鮮重以及可食鮮重與白光相比并沒有提高。紅光顯著(p<0.05)提高了西蘭花芽苗菜下胚軸長,這可能是因為，植物感受到紅光后,會導致植物體內光敏色素遠紅光(Pfr)構型與紅光構型(Pr)構型的轉化,從而影響植株的內源激素,加速了莖的細胞分裂和伸長所導致的[23-25]。紅光處理下可食鮮重也高于白光、藍光以及UV-B處理。這可能與紅光提高植物光合速率和碳水化合物的積累有關[26]。

圖1 光質處理對西蘭花芽苗菜形態的影響Fig.1 Effects of light quality treatment on morphology on broccoli sprouts注：W-白光;B-藍光;R-紅光;UV-B-紫外光B。

表2 光質對西蘭花芽苗菜生長的影響Table 2 Effects of light quality on the growth of broccoli sprouts

2.2 光質對西蘭花芽苗菜可溶性糖、可溶性蛋白和游離氨基酸含量的影響

可溶性糖含量可反映出環境對植物生長發育造成的影響。如圖2A所示,單色光處理后子葉中可溶性糖含量均比白光顯著性(p<0.05)提高,其中UV-B處理后的可溶性糖含量最高,提高了69.49%。水果與蔬菜中可溶性蛋白和氨基酸,參與調控多種代謝過程,并作用于氮源的同化和源-庫轉運[27]。圖2B結果表明,與對照相比,藍光和UV-B下可溶性蛋白的含量在子葉中分別顯著提高了18.26%和8.70%;不同光照條件下,藍光和UV-B處理的芽苗菜下胚軸中可溶性蛋白含量高于紅光和白光的培養,其中UV-B培養下的西蘭花芽苗菜與白光和紅光相比具有顯著性(p<0.05)提高。如圖2C所示,子葉和下胚軸中游離氨基酸含量在UV-B照射后與白光相比分別提高67.95%和12.51%。蔬菜中大多數酶是可溶性蛋白,參與調控植物的生長發育、抵御病蟲害、成熟衰老等。可溶性蛋白的含量是評價蔬菜營養品質的重要指標之一[28],能夠反映植物整體代謝水平。有研究[29-30]表明,藍光和低劑量UV-B輻射促進更多蛋白質的合成和抑制蛋白質的降解。本研究發現,與對照相比,在子葉和下胚軸中,藍光和UV-B均能顯著(p<0.05)提高西蘭花芽苗菜可溶性蛋白的含量,這與王虹[31]等的研究結果基本一致。這可能是由于光照促進了西蘭花芽苗菜的生理代謝過程,提高了與代謝相關的酶活性。

圖2 光質對西蘭花芽苗菜可溶性糖、蛋白和游離氨基酸的影響Fig.2 Effects of light quality on soluble sugar, soluble protein and free amino content in broccoli sprouts

2.3 光質對西蘭花芽苗菜總酚、類黃酮、花青苷和維生素C含量的影響

酚類是植物次級代謝的產物,具有廣泛的生物活性,這些活性包括抗氧化、抗癌、抗病毒、抗菌等[32]。一般來說,種子含有較高水平的酚類物質,可以幫助幼苗適應周圍環境。有報道稱,UV-B可以誘導如蘋果、胡蘿卜等[33-34]酚類的積累。如圖3A所示,經不同光質處理后,西蘭花芽苗菜下胚軸中總酚含量在UV-B處理下顯著性(p<0.05)提高,比白光處理平均增加了26.04%。本研究表明,與其他LED光質相比,UV-B處理后的西蘭花芽苗菜下胚軸中的酚類物質顯著(p<0.05)增加。這種差異可能與UV-B促進參與酚類化合物合成酶的產生有關[35]。

圖3 光質對西蘭花芽苗菜總酚、類黃酮、花青苷和維生素C含量的影響Fig.3 Effects of light quality on total phenolic,flavonoid,anthocyanin and vitamin C contents in broccoli sprouts

類黃酮是植物的重要次生代謝產物,具有清除自由基,延緩衰老和調節免疫力作用。花青苷是高等植物中主要的水溶性色素,在許多植物生理過程中起關鍵作用[18]。如圖3B所示,與其他光質相比,UV-B顯著(p<0.05)增加了西蘭花芽苗菜下胚軸類黃酮含量。經藍光、紅光照射后的下胚軸中類黃酮與對照白光相比均沒有提高,其中藍光和白光處理下類黃酮含量相差甚微,沒有顯著性差異(p>0.05)。下胚軸中西蘭花芽苗菜中類黃酮含量在UV-B處理后顯著(p<0.05)高于對照組,其次是藍光>白光>紅光,這與Lee等[11]的研究結果相似。據推測,紫外線照射后黃酮含量的增加使西蘭花芽苗菜有效地降低了植物表面紫外線的透過率,降低了紫外線對植物器官和組織的損傷[36]。西蘭花芽苗菜的子葉和下胚軸的生理功能是不同的,兩者的代謝途徑不同,所以在西蘭花芽苗菜子葉和下胚軸中的黃酮含量不同[37]。

如圖3C所示,與對照相比,子葉中花青苷含量經藍光和UV-B處理后分別顯著(p<0.05)提高65.62%和55.35%,下胚軸中分別提高7.58%和74.75%。本研究發現,低劑量的藍光和UV-B輻射都能有效地誘導西蘭花芽苗菜子葉和下胚軸中的花青苷積累,具有在實際生產中加以應用以提高西蘭花芽苗菜營養品質的可能性。此外,與白色LED燈相比,紅色LED燈的花青苷誘導較弱,這與蕎麥芽苗菜的研究報道相同[38]。

維生素C是西蘭花以及許多其他園藝作物中最重要的營養素之一,是促進健康的重要化合物,作為強抗氧化劑,在人體內具有許多生物活性[39]。維生素C在預防動脈粥樣硬化,神經和心血管疾病治療方面也具有重要的醫學價值[19]。據報道,在番茄中,環境脅迫可以誘導與維生素C合成相關基因的表達,增加維生素C含量[40]。如圖3D所示,與白光相比,西蘭花芽苗菜下胚軸經藍光處理后,維生素C含量顯著(p<0.05)增加;而在子葉中,不同光照條件下,紅光處理的子葉中維生素C含量高于其他單色光,這與Qian[15]等研究結果相似。徐茂軍等[41]發現，藍光可通過提高 L-半乳糖脫氫(L-galactose dehydrogenase,GalLDH)的活性來提高發芽大豆中維生素C的含量,說明光質影響芽苗菜維生素C含量與其過程中關鍵酶的表達及活性有關。

2.4 光質對西蘭花芽苗菜PAL與CHI酶活性及抗氧化能力的影響

植物酚類物質(黃酮、花青苷)合成過程中,PAL、CHI等酶起著關鍵作用。本試驗中檢測了PAL和CHI的酶活性,如圖4A、B所示,藍光和UV-B處理的西蘭花芽苗菜子葉和下胚軸中PAL與CHI酶活性均比白光顯著性(p<0.05)提高,子葉中PAL與CHI活性均高于對照,這與藍光和UV-B處理下花青苷的含量影響規律基本一致。當然,PAL、CHI只是酚類物質合成途徑中的第一個關鍵酶,有關光質對該途徑中其他關鍵酶的影響,還需進一步研究。

抗氧化能力反映了多種抗氧化劑的協同作用,包括維生素C和酚類化合物在調節植物發育和光合作用中都有其自身的作用。如圖4C、D所示,西蘭花芽苗菜可食部分DPPH自由基清除能力在UV-B處理下最強,明顯高于其他光質處理。超氧陰離子自由基清除能力在藍光和UV-B處理下最高。研究采用DPPH法和抗超氧陰離子法測定酚提取物的抗氧化能力。研究發現,西蘭花芽苗菜中下胚軸的抗氧化能力在UV-B處理下最高。這可能與酚類物質作為抗氧化劑相關,以保護植物免受不利環境的影響[42]。前人研究發現[43],光質處理可能會影響木質素的形成,酚類物質是木質素的前體物質,因此酚類的抗氧化能力也將受到影響。硫苷和花青苷是有效的抗氧化劑,其抗氧化能力增加可能與UV-B照射后下胚軸的含量花青素含量和硫苷含量有所提高有關。

圖4 光質對西蘭花芽苗菜中PAL、CHI酶活和抗氧化能力的影響Fig.4 Effect of light quality on the activities of PAL,CHI and antioxidant activity

2.5 光質對西蘭花芽苗菜硫苷含量的影響

硫苷是主要在十字花科作物中發現的一類含氮和硫的次級代謝產物,因為其在抗癌活性、植物防御微生物病原體和食草昆蟲方面具有重要性[3,44],其分解產物已經成為被廣泛研究的對象,其中蘿卜硫苷的分解產物蘿卜硫素是目前發現的抗癌活性最強的成分。本實驗中檢測到9種硫苷,其中脂肪族硫苷的比例較高。在西蘭花芽苗菜的子葉和下胚軸中定量測定總硫苷含量以及單個硫苷含量(表3～表4)。如表3所示,與白光處理相比,子葉經藍光、紅光照射后均顯著(p<0.05)地提高了GRA的含量。此外,相比于對照,GBS和4HGBS含量在藍光培養后分別提高了約56%和35%。子葉中藍光下吲哚族脂肪族硫苷的提升可能與植物內源茉莉酸誘導吲哚族硫苷的提高有關[45]。

表3 不同光質處理下西蘭花芽苗菜菜子葉中硫苷含量的變化(μmol/g FW)Table 3 Effect of different lights on glucosinolate composition and content in cotyledons of broccoli sprouts(μmol/g FW)

表4反映了西蘭花芽苗菜下胚軸中硫苷含量的變化。藍光和UV-B促進了GAL含量的積累,分別提高21.43%和32.14%。紅光顯著(p<0.05)促進了GBS的提高,其含量約為對照白光的2.7倍。GER和GNA在UV-B處理下分別提高了約3.1和2.6倍。藍光處理的下胚軸中4HGBS含量是白光處理下的2.21倍。UV-B處理后芽苗菜下胚軸中總硫苷含量在整個處理中最高,與對照白光相比提高了約37.78%。

表4 不同光質處理下西蘭花芽苗菜下胚軸中硫苷含量的變化(μmol/g FW)Table 4 Effect of different lights on glucosinolate composition and content in hypocotyls of broccoli sprouts(μmol/g FW)

結果表明,與對照白光相比,總硫苷含量經藍光和紅光處理后無顯著性差異(p<0.05),但硫苷中最重要的單體GRA的含量在子葉中得到了顯著性(p<0.05)提升。GRA在西蘭花芽苗菜中不僅含量高,而且其分解產物是迄今為止抗癌活性最強的天然成分[3]。綜合全文考慮,藍光是西蘭花芽苗菜實際生產中較理想的光照條件。

3 結論

藍光照射的西蘭花芽苗菜具有更高的營養品質。首先與白光相比,藍光處理下的西蘭花芽苗菜的可食鮮重并沒有減少,而且藍光處理與白光處理相比顯著增加了子葉中可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游離氨基酸含量以及下胚軸中的維生素C含量(p<0.05)。藍光比白光還顯著提高了可食部分的花青苷含量以及相應的PAL、CHI酶活(p<0.05)。其次,藍光比紅光顯著性地提高了子葉和下胚軸中的總酚、花青苷、可溶性蛋白的含量以及下胚軸中類黃酮、維生素C、子葉中游離氨基酸含量;藍光比紅光還顯著性地提高了子葉中苯丙氨酸酶、查爾酮異構酶的活性(p<0.05)。與紅光相比,藍光處理下抗超氧陰離子活性和清除DPPH自由基的能力也較為顯著地提高(p<0.05)。UV-B處理雖可部分提高西蘭花芽苗菜的營養品質,但其效果不如藍光處理。綜合考慮,藍光是西蘭花芽苗菜實際生產中較理想的光照條件。西蘭花芽苗菜富含營養與功能品質,推薦食用。