玉米種子發芽動態及生理變化研究

鄭冉,呂丹,羅紅兵,2*

1(湖南農業大學 農學院,湖南 長沙,410128)2(湖南省玉米工程技術研究中心,湖南 長沙,410128)

玉米是我國重要的糧食作物,其籽粒中含有豐富的營養成分,具有一定的保健功能,因此玉米加工食品廣受大眾歡迎。但玉米中部分營養成分不能直接被人體吸收,必須依賴相關酶作用,分解成小分子物質,才可以被人體利用[1]。

發芽是一種簡單的加工技術手段,可用于改善種子的營養比例[2];發芽期間,玉米種子中的淀粉酶和蛋白酶活性明顯增強,可以使不溶性的大分子物質水解生成新的還原糖、氨基酸、維生素和礦物質[3-4];最近的研究表明,普通玉米發芽后干物質含量明顯降低,可溶性蛋白含量表現出先降低后升高的趨勢,還原糖和可溶性糖的含量呈升高趨勢[5];同時,通過發芽處理,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,減小藍值、碘結合力和膨潤力[7-8],最終形成特殊的口感,刺激食欲;張鐘等[9]將發芽玉米粉應用到餅干類食品的加工中,研制出了口感酥松的餅干;HELLAND等[10]利用發芽2 d的玉米粉,添加到粥類食品中,增加了糖含量與食物能量密度。

目前對發芽玉米種子中生理指標變化的研究主要集中在單一類型上,對不同類型玉米發芽的研究鮮少報道。本研究選擇了3種具有代表性的地方玉米品種,普通玉米(湘農玉27號)、甜玉米(湘農甜玉3號)和糯玉米(湘農白糯3號),對不同發芽時間的胚芽長、胚根長、生理指標的變化及其相互關系進行研究,探究不同類型玉米間各性狀的變化趨勢,以期評價不同類型發芽玉米的營養價值,并且為發芽玉米在食品加工方面的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試普通玉米品種為湘農玉27號、甜玉米品種為湘農甜玉3號、糯玉米品種為湘農白糯3號,以上試驗材料由湖南省玉米工程技術研究中心提供。

1.2 儀器與設備

智能人工氣候培養箱,上海丙林電子科技有限公司;UV-1200紫外/可見分光光度計,上海美析儀器有限公司;DF-101S磁力攪拌器,上海予華儀器有限公司;Centrifuge 5420R-高速離心機,艾本德(上海)國際貿易有限公司;冷凍研磨儀,上海凈信實業發展有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 玉米發芽處理

挑選適量的玉米種子,在0.1%(體積分數)NaClO 溶液中室溫浸泡15 min,蒸餾水沖洗2次,后在25 ℃條件下連續浸泡12 h,每5 h換水1次。將浸泡后的種子移種到育苗盤中,放入智能人工氣候培養箱中,于25 ℃、相對濕度為88%,發芽72 h,每隔12 h進行澆水。按發芽0(CK)、12、24、36、48、60、72 h 設置7個處理,將3種類型的玉米種子分別進行不同的處理,3次重復。

1.3.2 玉米的胚芽、胚根長度的測定

分別在發芽后的第12、24、36、48、60、72 h取樣,樣品用蒸餾水沖洗干凈,每個類型玉米挑選20株長勢一致的玉米芽苗,測定胚芽、胚根長度。將樣品50 ℃下烘至恒重,磨粉至細度≤80目,密封于塑料袋內,4 ℃保存待用。

1.3.3 玉米種子蛋白組分的測定

考馬斯亮藍比色法測定玉米種子的蛋白組分。

1.3.4 玉米種子還原糖和總糖含量的測定

采用DNS法測定還原糖含量,硫酸蒽酮法測定可溶性總糖含量。

1.3.5 玉米種子支鏈淀粉、直鏈淀粉和總淀粉含量的測定

采用紫外吸光光度法測定直鏈淀粉含量,硫酸蒽酮法測定總淀粉含量,支鏈淀粉含量計算如公式(1)所示:

支鏈淀粉含量/%=總淀粉含量-直鏈淀粉含量

(1)

1.3.6 玉米種子賴氨酸含量的測定

茚三酮比色法測定賴氨酸含量。

1.4 數據分析

用Microsoft Excel 20.0對表型數據進行整理,用SPSS 24.0和DPS 6.05軟件對數據進行方差分析、相關性分析,TBtools軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 玉米發芽過程中胚芽、胚根長度的變化

種子發芽時,胚乳中貯藏的營養物質發生降解,降解后的產物在胚中合成生命物質,形成新的器官。由圖1、圖2可知,隨著發芽時間的延長,各類型玉米的胚芽、胚根的長度均顯著增加。整體來看,種子在發芽的48 h后,胚芽長顯著增加,各品種的胚芽長大小分別為湘農玉27號>湘農甜玉3號>湘農白糯3號。種子在發芽的24 h后,胚根長顯著增加,發芽72 h后,湘農玉27的胚根長最大,達(6.81±0.04) cm,湘農白糯3號的胚根長相對最低,為(2.58±0.01) cm,因此推測玉米種子在發芽24～48 h過程中主要營養成分發生合成和降解。

圖1 玉米發芽過程中胚芽長度的變化

圖2 玉米發芽過程中胚根長度的變化

2.2 玉米發芽過程中蛋白組分含量變化

玉米種子的發芽與貯藏蛋白含量密切相關,種子發芽期間,許多與貯藏蛋白相關的酶被激活,一些蛋白質被合成,另一些蛋白質被水解,這種平衡決定了蛋白質的含量[11]。OSBORNE[12]將提取出的種子貯藏蛋白按溶解性的差異分為清蛋白(albumin)、球蛋白(globulin)、醇溶蛋白(gliadin)和谷蛋白(gluten)四類。玉米發芽過程中蛋白組分變化如表1所示。

表1 玉米發芽過程中生理指標含量變化

發芽72 h內,湘農玉27號、湘農甜玉3號和湘農白糯3號的清蛋白與球蛋白含量均隨發芽時間的延長不斷增加,該變化趨勢與大麥[13]和燕麥[14]等的研究結果相似;由于類型的差異,清蛋白與球蛋白的變化幅度有明顯區別,湘農玉27號清蛋白變化幅度最大(1.37%),其次是湘農白糯3號(0.76%),湘農甜玉3號的變化最小(0.31%);球蛋白變化幅度則表現為湘農白糯3號(0.58%)>湘農玉27號(0.53%)>湘農甜玉3號(0.21%)。

3種類型玉米的醇溶蛋白、谷蛋白和總蛋白含量的變化趨勢一致,均隨著發芽時間的延長逐漸降低,不同的是谷蛋白整體上消耗量較多,這可能與谷蛋白是胚和幼芽生長的主要能源,降解后可以保護玉米幼苗抵御外界的不良環境有關,此外總蛋白含量在3種不同類型玉米中是隨著發芽時間的延長而逐漸減少,種子發芽早期蛋白質的降解幅度小于發芽后期蛋白質的降解幅度,這與張瑜等[15]在研究柱花草種萌發時總蛋白的變化趨勢一致。由于類型的差異,醇溶蛋白、谷蛋白與總蛋白的變化幅度有明顯區別,除湘農玉甜3號變化幅度較小外,其余2種類型玉米都在發芽24 h后出現顯著下降趨勢。

2.3 玉米發芽過程中還原糖和總糖含量的變化

玉米種子在發芽時,淀粉酶是被激活的狀態,隨著發芽時間的延長,光合作用產物不斷形成和積累,可溶性總糖劇增,淀粉酶不斷積累,導致總糖迅速分解,生成大量的還原糖[4]。隨著發芽時間的延長,3種類型的玉米種子還原糖含量呈上升趨勢,與總糖的變化趨勢正好相反,這可能是因為在種子發芽時的呼吸作用加強,導致多糖等物質的分解,致使還原糖源源不斷的生成,這與黃升謀等[16]對小麥種子發芽的研究結果相似,也與大豆[17]種子發芽的研究結果相似。還原糖在不同玉米品種不同發芽階段的變化幅度存在差異,湘農甜玉3號、湘農白糯3號在發芽24 h后急劇上升,72 h達到最大值;湘農玉27號的還原糖含量在發芽0～12 h、24～48 h呈升高趨勢,其余時間都趨于穩定。

由于類型的差異,總糖在不同玉米品種不同發芽階段的變化幅度有明顯區別。在發芽72 h時,總糖含量變化幅度則表現為湘農甜玉3號(8.95%)>湘農白糯3號(3.96%)>湘農玉27號(3.43%),這可能是因為種子發芽時伴隨著呼吸作用,消耗了大部分的能量有關。

2.4 玉米發芽過程中支鏈淀粉、直鏈淀粉和總淀粉含量的變化

玉米發芽過程中支鏈淀粉、直鏈淀粉和總淀粉含量變化如表1,在發芽過程中支鏈淀粉、直鏈淀粉和總淀粉含量總體變化趨勢一致,均隨發芽時間的延長呈降低趨勢。3種類型玉米種子未發芽前的支鏈淀粉含量為34.88%～49.97%;不同類型玉米支鏈淀粉的變化幅度有明顯區別,湘農白糯3號在發芽12 h后呈現降低趨勢,湘農玉27號與湘農甜玉3號則在48 h后才有所降低。

3種類型玉米種子未發芽前的直鏈淀粉含量為16.50%～24.36%;發芽72 h時,湘農白糯3號的直鏈淀粉含量下降幅度最大(11.67%),其次是湘農甜玉3號(10.98%),湘農玉27號的直鏈淀粉含量下降幅度最小(8.70%)。

3種類型玉米種子未發芽前的總淀粉含量為51.38%～72.18%,種子發芽24 h后,總淀粉含量顯著降低,發芽72 h時,不同類型玉米總淀粉的變化幅度表現為:湘農甜玉3號(36.10%)>湘農玉27號(26.33%)>湘農白糯3號(20.69%)。發芽過程中淀粉組分呈下降趨勢,與邢寶[18]和徐惠娟等[19]研究相似,表明隨著種子進行露白、胚軸伸長和子葉生長等生命活動,淀粉酶活性的增強,淀粉代謝水平上升,種子貯存的淀粉被消耗用于新組織器官的合成以及胚的生長。

2.5 玉米發芽過程中賴氨酸含量的變化

賴氨酸是人體所必需的氨基酸,其含量的高低是衡量玉米種子品質的重要指標。不同發芽時間玉米種子中賴氨酸的含量變化如表1所示。不同類型玉米賴氨酸含量總體變化趨勢基本一致,隨發芽時間的延長而顯著增加,這與白永富等[20]對煙草種子萌發時的規律相似,相同的結果也出現在大豆[21]中。不同類型玉米賴氨酸的變化幅度有明顯區別,發芽前后脯氨酸變化最大的是湘農甜玉3號,3種類型玉米在發芽第72 h時的賴氨酸含量分別比發芽前提高1.64、2.00和1.71倍,因此發芽后的玉米可作為開發高賴氨酸食品的一種方式,降低人們患癩皮病的風險有重要的意義。賴氨酸含量的增加可能是內源性蛋白酶的活化,它誘導了玉米貯藏蛋白以及肽的水解。

2.6 玉米發芽過程中主要生理指標與胚芽長、胚根長的相關性

對玉米發芽過程中清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白、總蛋白、還原糖、總糖、支鏈淀粉、直鏈淀粉、總淀粉、賴氨酸、胚芽長與胚根長進行簡單相關分析。結果如圖3所示,玉米發芽過程中胚芽長、胚根長與生理指標存在密切關系,各指標間相互影響并且也相互制約。玉米種子發芽過程中玉米胚芽長、胚根長均與清蛋白和球蛋白呈顯著正相關,因此玉米種子發芽過程中清蛋白、球蛋白含量隨著胚的生長逐漸增加,這與戈珍梅等[22]發現蛋白含量隨胚根長增加而持續增加的結果相似;玉米中還原糖含量隨胚芽長、胚根長伸長而顯著增加,這與楊紅等[23]研究中還原糖含量隨胚芽長、胚根長伸長而增加的結果一致;此外胚芽長、胚根長與直鏈淀粉呈極顯著負相關,該結論在小麥[24]種子中得到了驗證。

圖3 玉米發芽過程中主要生理指標與胚芽長、胚根長的相關性分析

3 結論

本文研究了發芽過程中湘農玉27號、湘農甜玉3號和湘農白糯3號發芽動態及生理指標的變化。結果表明胚芽、胚根的長度隨著玉米種子發芽時間的延長而不斷增加。不同類型玉米發芽過程中的生理指標的變化趨勢相同,僅變化幅度存在差異。發芽降低了3種不同類型玉米的醇溶蛋白、谷蛋白、總蛋白、直鏈淀粉、總淀粉和總糖的含量,但提升了清蛋白、球蛋白、還原糖和賴氨酸的含量。這些結果揭示了發芽一定程度上可以改善玉米理化特性,也為發芽玉米面包、飲料、嬰幼兒輔食等相關食品的加工提供參考。發芽玉米種子中毒素含量極低,大多數可在高溫下破壞,紫外線照射也可使之破壞,因此發芽玉米加工后的食品相當安全,近年來人類食用的經驗也證明了這一點。綜合考慮,在健康飲食觀念的廣泛普及的今天,發芽玉米產品的加工將擁有廣闊前景。