南瓜子發芽轉化制備有機鋅食品原料及性狀表征

劉瑞琦，崔懷田，李君，2，王子義，朱丹實，2*，劉賀，2*

（1.渤海大學食品科學與工程學院，遼寧錦州121013；2.生鮮農產品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯合工程研究中心，遼寧錦州121013）

南瓜子（Semen cucurbitae）是菜糧兼用作物南瓜的成熟種子，又稱南瓜仁、白瓜子、金瓜子，其中含有大量的脂肪、蛋白質和礦物質等營養成分[1-4]。岳琳等[2]對新疆南瓜子進行了相關營養成分分析，發現南瓜子中鉀的含量高達到4 250 mg/kg。南瓜子甾醇對SD大鼠體內抗氧化能力的增強具有一定的促進作用[5]；南瓜子油具有抗菌消炎功效[6]；南瓜子發芽后的脫脂蛋白粉對自發性糖尿病大鼠有一定的降血糖作用[7]。由此可見南瓜子是一味藥食兩用的材料，應用前景巨大。

鋅，元素名稱源自于拉丁文Zincum，在植物中以離子的形態被吸收轉運，可溶態鋅經生化反應過程轉化成小分子化合物和金屬蛋白，由無機態轉變為有機態[8]對植物起到重要的生理作用。另有文獻研究表明鋅為人體重要組成部分[9]，但是無機鋅在人體內吸收效率不高，僅為7%[10]，有機鋅的利用率是其數倍，故將無機鋅經過轉化變為有機鋅加以利用更加有效。目前微量元素富集方法主要有利用相關元素肥料施用的土壤富集法、利用植物生理代謝將吸收的無機金屬元素轉化為有機態的種子發芽轉化法、飼喂添加劑飼料的動物富集法以及微生物合成轉化法。針對微量元素缺乏癥狀的補充手段主要有藥物防治、飲食多樣化和食品防御工程三大戰略，其中食品防御工程是指在食品中添加微量元素的方法，最有效且能長久。

鋅在生物籽粒中的積累由許多生理學過程控制，但是就籽粒自身生長發芽過程中的相關規律鮮有研究。有相關學者[11]研究納米氧化鋅浸泡對綠豆芽的影響，發現其利于綠豆芽的生長和鋅的營養強化，可溶性蛋白質、維生素C等含量也有所改善。徐航丹等[12]用不同濃度硫酸鋅溶液浸泡紅香糙米，進行發芽與鋅富集實驗。還有學者對大豆進行鋅生物強化，大豆芽中的鋅含量和鋅生物利用率有顯著的提高[13]。本研究采用種子發芽轉化法利用南瓜子發芽富集轉化有機鋅，提高了鋅元素在體內的生物可及性，論證了其在發芽過程中的累積效果與規律，為大規模制備有機鋅食品原料提供了思路與理論支持，拓寬了農副產品的應用范圍，為其它微量元素富集轉化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

南瓜子：遼寧省農業科學研究院提供。發芽率測試合格，選取種子飽滿、大小均一、無機械損傷、無病蟲害、色澤良好的南瓜子進行試驗。七水合硫酸鋅、次氯酸鈉（分析純）：天津市化學試劑三廠；石油醚（分析純）：天津市天力化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

JA21002型精密電子天平：上海舜宇恒平科技儀器有限公司；DK-8D型電熱恒溫水浴槽、101B-2型電熱恒溫鼓風干燥箱、LRH系列生化培養箱：上海一恒科技有限公司；VISTA-MPX ICP-OES型全譜直讀等離子體發射光譜儀：美國安捷倫公司；ETHOS D型微波消解儀：德國Milestone公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 南瓜子發芽試驗

根據文獻[14]的方法略作改動，主要步驟包括原料的挑選、殺菌、漂洗、浸泡、培養等。人工精選南瓜子后，用1.0%的次氯酸鈉溶液浸泡消毒20 min，然后用蒸餾水清洗3次。挑選好的南瓜子經殺菌漂洗后分為7份，每份100粒。為打破種子的休眠狀態，浸泡時先在45℃水浴鍋中保溫1 h進行預加熱。

配制質量濃度分別為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.50%、1.00%的ZnSO4溶液。將ZnSO4溶液分別噴灑在紗布表面，上下4層紗布包裹住種子，于35℃恒溫培養箱內培養，每隔6 h噴灑一次對應濃度的ZnSO4溶液保持其濕度，同時設置相同體積的去離子水為對照組。每隔12 h進行取樣檢測并計算發芽率和芽長，剩余樣品處理后裝入自封袋內低溫保藏用于性狀表征測試。

1.3.2 南瓜子發芽過程指標測定

1.3.2.1 發芽率及芽長測定

對不同處理的南瓜子進行培養，按時取出樣品，用90 mm平板對已發芽南瓜子進行計數，計算其發芽率，計算公式為：發芽率/%=發芽樣品數/樣品總數×100。用游標卡尺測量其芽長，對測量結果取平均值，結果以測量值±標準差表示。

1.3.2.2 發芽南瓜子性狀表征

根據GB 5009.3—2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》測定其水分含量。按照GB 5009.6—2016《食品安全國家標準食品中脂肪的測定》測定其粗脂肪含量。測試時將南瓜子去除外殼，用刀切成0.5 mm左右厚的薄片，于105℃鼓風干燥箱中烘干至恒重后，冷卻至室溫25℃進行測定，以百分含量計數。

采用微波消解法測定其鋅元素含量：準確稱取烘干后粉末樣品0.300 0 g～0.500 0 g于消解罐中，加入8 mL濃硝酸和2 mL雙氧水，封罐裝入微波消解儀，消解完成冷卻后將溶液澄清轉移到50 mL容量瓶中定容。將定容后的樣品用全譜直讀等離子體發射光譜儀測定鋅元素含量。鋅含量單位為mg/kg，試驗樣品名稱以ZnSO4質量濃度命名。

1.4 數據處理

所有試驗均3次重復，結果取平均值，結果采用Excel、Origin8.0等軟件作圖分析。

2 結果與分析

2.1 不同質量濃度的硫酸鋅溶液對南瓜子發芽率的影響

不同質量濃度的硫酸鋅溶液對南瓜子發芽率的影響見圖1。

圖1 不同質量濃度的ZnSO4溶液培養過程中南瓜子發芽率Fig.1 Germination rate of pumpkin seed culture in different mass concentrations ZnSO4solution

由圖1可以看出，在60 h的發芽期內，南瓜子的最大發芽率都在65%以上，隨著鋅濃度的增加，發芽率也不斷增加，質量濃度為1.00%時，發芽率最高達到90%，該濃度的ZnSO4溶液對南瓜子沒有明顯毒害作用，可以利用ZnSO4溶液對南瓜子進行種子發芽轉化制備有機鋅食品原料。原因在于ZnSO4提高了淀粉酶等的活性，增強南瓜子生物膜的完整性，有利于種子在發芽時對各種營養物質的吸收和利用[15]。由曲線斜率可知南瓜子在12 h～24 h階段的發芽率增長速率最大，在此階段南瓜子打破休眠期充分生長，大部分已經破殼。在48 h后達到最大發芽率，后續培養沒有增加其發芽率，故最佳培養時間定為48 h。

2.2 不同質量濃度的硫酸鋅溶液對南瓜子芽長的影響

不同質量濃度的硫酸鋅溶液對南瓜子芽長的影響見表1。

由表1數據可知，在同一質量濃度下，隨著培養時間的延長南瓜子芽長逐漸增大。不同時間段縱向對比發現，在ZnSO4溶液質量濃度為0.15%時均有最大芽長值，且在0.05%～0.15%的濃度范圍內南瓜子芽長隨著ZnSO4溶液質量濃度的增加而增大。當ZnSO4溶液的質量濃度為0.15%～1.00%時，南瓜子芽長隨質量濃度增加而降低。當ZnSO4溶液質量濃度為0.20%時短時間內對于南瓜子發芽有促進作用，24 h后發芽效率降低。ZnSO4溶液質量濃度超過0.50%時，南瓜子發芽效率低下，芽較短、細小。相比低質量濃度組，較高質量濃度的ZnSO4對種子發芽生長產生了一定的削弱作用。這與研究發現適當提高鋅的濃度可促進藻類特定酶的活性增長，但過高濃度的鋅又會對細胞產生毒害作用[16]的結論相一致。鋅在南瓜子生長發芽過程中會參與合成生長素吲哚乙酸，吲哚與絲氨酸結合成色氨酸，色氨酸進一步轉化為生長素，促進種子生長，缺鋅會抑制植物生長，但鋅濃度過高則會造成植物葉片枯黃及營養障礙[17]，0.15%為南瓜子發芽轉化有機鋅的最適質量濃度。

表1 不同質量濃度ZnSO4溶液培養下南瓜子的芽長Table 1 The bud length of pumpkin seed culture in different mass concentrations ZnSO4solution

2.3 發芽對南瓜子粗脂肪含量的影響

脂肪是動植物中能量的主要貯藏物質，脂肪的分解可釋放大量能量供種子萌發和各種代謝活動進行。試驗測得原料中粗脂肪含量約為30.1%，與文獻資料南瓜屬種子含有30%～35%的優質植物脂肪相符[18]。0.15%的硫酸鋅溶液培養南瓜子發芽過程中的粗脂肪含量變化見圖2。

圖2 0.15% ZnSO4溶液培養南瓜子發芽過程中的粗脂肪含量Fig.2 Crude fat content during seed germination of pumpkin seed in 0.15% ZnSO4solution

由圖2可知，南瓜子在發芽過程中，粗脂肪含量先升高后降低，但總體變化幅度不大。在12 h～24 h，粗脂肪含量呈上升趨勢，24 h后便開始下降。在發芽初期，雖然種胚內貯存一定的脂肪，但胚乳中的物質不能轉運到胚內為呼吸和代謝提供能量，此時蛋白質和淀粉降解產能為其發育和代謝提供能量和營養物質，在種子發育過程中可溶性糖轉變為脂肪，導致粗脂肪含量增加。

不同質量濃度的硫酸鋅溶液培養發芽南瓜子的粗脂肪含量見表2。

表2 不同質量濃度ZnSO4溶液培養發芽南瓜子的粗脂肪含量Table 2 Crude fat content of pumpkin seed culture in different mass concentrations ZnSO4solution

結合表2可知，發芽時間和硫酸鋅質量濃度都影響南瓜子發芽過程中的粗脂肪含量，硫酸鋅質量濃度的增加會促進脂肪發芽過程中脂肪含量的累積。結合南瓜種子吸脹-萌動-發芽的萌發過程[19]，可見在前12 h的發芽過程中，其在打破種子休眠期的同時，南瓜種子已經進行了脂肪的合成，故脂肪含量呈增加態勢。鋅不僅是組成酶和輔酶成分，而且也是酶的活化劑，鋅元素的增加有利于生物體的生命活動，鋅對南瓜子萌發過程中脂肪酶、淀粉酶等的生化反應都有促進作用，隨著鋅濃度的增加，脂肪酶含量增加，脂肪在24 h～48 h內降解速率加快，即使在發芽初期粗脂肪含量累積較多，但在芽生長的過程中仍有耗損。

2.4 發芽前后南瓜子濕基水分含量對比

不同質量濃度的硫酸鋅溶液培養48 h對發芽南瓜子的水分含量影響見表3。

表3 原料與不同質量濃度ZnSO4溶液培養48 h發芽南瓜子水分含量對比Table 3 Comparison of moisture content of pumpkin seed culture with different mass concentrations ZnSO4solution under 48 h

通過表3能夠明顯看出，發芽前后水分含量有明顯提高，大約為原料水分含量（5.36%）的3倍左右，隨著ZnSO4溶液質量濃度的升高，水分含量整體上也有微小的升高，當ZnSO4溶液質量濃度達到0.15%時，水分含量達到最高。研究表明微量元素可促進種子在萌發初始階段吸水，從而加強體內的生物氧化反應，水分使胚內干物質由凝膠狀態轉變為溶膠狀態[20]，在酶的作用下，胚乳中的干物質轉化為可溶性物質，為胚的呼吸、發芽等生理過程提供所需的營養。在浸泡過程中，南瓜子快速吸水膨脹，繼而萌發，生長越快，生化反應強度越大，需水越多，體內含水量越高。從另一角度來說，生物體內酶反應過程均需要適宜的溫度與濕度，參與反應的酶越多，生長代謝越旺盛，作為反應底物的水與提供反應環境的水也就所需越多，更從側面證明了該條件培養能達到最大芽長的原因。ZnSO4溶液質量濃度過高，南瓜子發芽48 h后的水分含量開始下降，且濃度越大下降越明顯，可能是外部環境離子強度大，破壞了細胞膜功能，穩態機制控制被破壞，造成鋅中毒[21]。

2.5 發芽前后南瓜子鋅含量對比

鋅在自然界中按結合形態可分為無機鋅和有機鋅[22]，通常植物中干基鋅含量為25 mg/kg～150 mg/kg，根系、莖尖和嫩葉中鋅含量較高，且根系部分鋅含量高于地上部分[23]，不同原料部位鋅含量的不同證明選取南瓜種子進行發芽富集轉化有機鋅具有天然優勢，孫雨茜在糙米發芽試驗中也有類似結論[20]。本試驗測得原料南瓜子中鋅含量為52.30 mg/kg，不同質量濃度ZnSO4溶液培養48 h對發芽南瓜子鋅含量影響見表4。

表4 原料與不同質量濃度ZnSO4溶液培養48 h發芽南瓜子鋅含量對比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，南瓜子內的鋅含量隨著浸泡液硫酸鋅質量濃度增加而增加，與介質中的離子濃度存在一定的線性關系。在浸泡過程中，溶液中的Zn2+被南瓜子吸收截留，一部分轉化成有機鋅貯藏在生物體內，一部分仍然以無機態離子形式存在。在樣品烘干脫水過程中兩者均未被除去，可以被檢測器檢測到，可見48 h培養后鋅含量的增加一部分來源于有機鋅的轉化，一部分來源于浸泡液離子。結合表1芽長數據可知，當ZnSO4溶液質量濃度高于0.15%時，芽長隨濃度增加而降低，芽長的降低意味著構成芽的有機鋅減少，鋅離子逐漸占據主導地位，無機鋅在人體內吸收效率不高僅為7%[20]，當無機鋅含量高于有機鋅，不利于人體吸收利用，故在實際生產生活中仍以0.15%質量濃度的ZnSO4溶液為最佳，一方面避免鋅元素攝入過量帶來的負面影響，一方面提高其實際價值。

3 結論

發芽可用來增加豆類、谷類營養價值，改善適口性、消化率與生物可及性。試驗以南瓜種子為原料，采用種子發芽轉化法以硫酸鋅試劑浸泡培養，研究不同發芽條件下南瓜子芽的生長情況及其對有機鋅的富集轉化規律。

通過優化浸泡參數與培養條件，得到最有利于南瓜子發芽生長及有機鋅富集轉化的硫酸鋅質量濃度為0.15%，培養時間為48 h，發芽率達到81%，芽長為30.18 mm，該條件下獲得的南瓜子鋅含量為191.68 mg/kg，約為原料的4倍，發芽過程中水分含量的升高證明了生命活動的旺盛，促進了有機鋅的積累。

本試驗探究得到的工藝條件與參數適合有機鋅食品原料的大量制備，操作簡單可行，可以通過此法大規模制備有機鋅食品原料，并且可作為各種新型食品與保健品原料擴大原料商品使用范圍，增加產品價值，更為其它必需礦物質元素的富集轉化提供思路。