蒋 芮,李雅婷,欧阳鹏凌,余满堂,李启莲,宋立华,*

(1.上海交通大学农业与生物学院食品科学与工程系,上海 200240;2.丰泽华绿色生态农业合作社,青海西宁 810000)

黑大麦(HordeumdistichumL.)[1]是一种比普通大麦营养价值更高的有色谷物,其蛋白质含量比普通大麦高2.85%,谷物限制性氨基酸——蛋氨酸和赖氨酸的含量分别比普通大麦高10.53%和7.9%,另外17种氨基酸中有14种比普通大麦高出2%～10%[2]。可见,黑大麦是极具开发价值的谷物食品。

已有研究表明发芽处理可有效提高大麦中各种游离氨基酸的含量[3]。另外,谷物种子发芽过程中,会产生一系列生理生化变化,表现为淀粉和蛋白质等物质水解,植酸、蛋白酶抑制剂等抗营养因子减少,维生素及矿物质含量增加等,从而使其营养价值和风味得到提高和改善[4]。但发芽对黑大麦中游离氨基酸及其他营养成分的影响尚未见相关报道。本文研究了黑大麦最佳发芽工艺以及发芽过程中游离氨基酸和其他主要营养成分的变化,为黑大麦功能性食品的开发提供实验数据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

黑大麦 青海省西宁市泽华绿色生态农业合作社;次氯酸钠、10%(v/v)稀盐酸、10%(v/v)三氯乙酸、氢氧化钠、铁氰化钾、正丁醇、茚三酮、硝酸 均为分析纯,购自国药集团;氨基酸混合标准品 Type B(01608641),和光纯药工业株式会社。

LRH150型培养箱 上海一恒科学仪器有限公司;Sceintz48型高通量组织破碎仪 宁波新芝生物科技股份有限公司;L8900型日立全自动氨基酸分析仪、日立专用离子交换树脂柱(3 μm,4.6 mm×60 mm) 日立高新技术株式会社;Waters e2695型高效液相色谱、C18(250 mm×4. 6 mm,5 μm) 沃特世科技(上海)有限公司;TGL16/TGL16型台式高速冷冻离心机 湖南湘仪实验室仪器开发有限公司;Kjeltec 8100型自动凯氏定氮仪 福斯分析仪器公司;PE AA800型原子吸收光谱仪火焰检测器 珀金埃尔默仪器(上海)有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 黑大麦发芽工艺参数优化 工艺流程:籽粒筛选→净水清洗→次氯酸杀菌→浸泡→恒温萌芽→80 ℃冻存。

操作要点：选择色泽一致、籽粒饱满均匀、无外伤的黑大麦籽粒,超纯水清洗表面灰土,弃去浮渣,用0.001 g/mL次氯酸钠溶液杀菌30 s,无菌水清洗3次，浸泡一定时间、恒温发芽培养、-80 ℃冻存[5]。

在前期预实验的基础上,以浸泡时间、发芽温度及培养时间为主要影响因素,设计三因素三水平正交实验(如表1所示)。

表1 黑大麦发芽工艺正交实验设计表Table 1 Orthogonal experiment of germination process of black barley

根据正交实验条件,用无菌水浸泡后移至培养箱中恒温发芽,期间观察种子的形态,计算发芽率。发芽率按照以下公式计算:

发芽率(%)=(Nij)/N×100

式中:i未发芽种子数;j露白种子数;N供试种子总数。

1.2.2 游离氨基酸的测定 收集发芽黑大麦,冷冻干燥后,低温粉碎过80目筛,用于以下成分测定。

游离氨基酸的测定参照Xu等[6]的方法进行。分别准确称量未发芽黑大麦、浸泡8 h籽粒和发芽黑大麦(24、48、72 h)的低温粉碎粉末100 mg,加入稀盐酸1 mL(0.1 mol/L),组织研磨仪研磨(60 Hz,5 min);离心(8000 r/min,8 min)后取上清200 μL,加10%三氯乙酸200 μL,涡旋混匀,4 ℃下反应1 h后,12000 r/min离心30 min(4 ℃),取上清200 μL,加入5.75 μL NaOH(8 mol/L),调pH至2±0.5;12000 r/min离心30 min(4 ℃),取上清100 μL,0.45 μm微孔滤膜过滤,取40 μL滤液进样分析,茚三酮柱后衍生法定性定量。结果以每毫克样品所含氨基酸纳摩尔数表示(nmol/mg)。

1.2.3 黑大麦发芽过程中其他营养成分的含量测定 微量元素的测定:分别称取0.5 g未发芽黑大麦和发芽72 h带芽籽粒的低温粉碎粉末于坩埚中,在电炉上低温碳化至无烟,移入马沸炉中550 ℃灰化完全,取出稍冷后滴加HNO3(1∶1)2 mL置于电炉上微沸溶解,移入50 mL容量瓶中以水定容,摇匀,同时制作空白。利用原子吸收光谱火焰检测器测定。

蛋白质、脂肪、淀粉、维生素B1、维生素B2和膳食纤维[712]等营养成分均采用国标方法检测,样品为未发芽黑大麦和发芽72 h带芽籽粒的低温粉碎粉末。

1.2.4 数据处理 所有实验均进行3次及以上的重复,数据差异性分析及作图采用GraphPad Prism 6软件。

2 结果与分析

2.1 黑大麦发芽工艺参数的优化

种子的发芽条件主要取决于其含水量和环境温度[13]。延长浸泡时间可增加种子的含水量,一般大麦最佳发芽含水量为39%～44%[14];其次,在含水量满足萌发要求的情况下,由于温度影响酶的活性,从而影响到种子内部物质的转运,因此,发芽温度也显著影响种子的发芽率[15],但不同的谷物种子对发芽温度的要求有所不同;此外,谷物不同发芽要求的培养时间不同,因此本实验以浸泡时间、发芽温度及培养时间为参数,设计了正交实验,观察影响黑大麦发芽率的关键因素和最佳条件。

正交实验结果如表2所示,由表2中数据可看出,各实验因素中发芽温度对发芽率影响最大,其次是培养时间,浸泡时间影响最小。正交实验建立的黑大麦最佳发芽条件为A2B2C2:浸泡8 h,发芽温度15 ℃,培养时间48 h，此时发芽率达62.14%。徐本美等[16]研究也证明发芽温度为15 ℃时有利于大麦的萌发,与本研究结果相同。大麦种子发芽需低温条件,且萌发启动缓慢,萌发时间较长,这可能与麦类植物的耐寒特性有关[17]。但另有研究发现糙米的最适萌发温度为35 ℃左右[18],而粟米则在33 ℃左右[19],均显著高于大麦,说明谷物不同，其所需最佳发芽温度也有差异。

表2 黑大麦发芽工艺正交实验结果 Table 2 Orthogonal test results of germination process of black barley

2.2 黑大麦发芽对游离氨基酸的影响

本实验还检测了发芽24、48和72 h黑大麦中游离氨基酸的含量,实验结果表明发芽48 h时黑大麦中的氨基酸含量介于24 h与72 h之间,发芽72 h对各营养成分含量具有较明显的影响,故此处仅列出发芽时间较短及较长的状态下对各营养成分的影响。如图1所示为发芽前后游离氨基酸总量的变化趋势。从图1中可看出,黑大麦在发芽过程中,游离氨基酸总量随发芽时间的延长而显著增加(p<0.05),未发芽黑大麦中的含量为9.589 nmol/mg,发芽72 h后的含量是发芽前的2.642倍,为25.331 nmol/mg。这是由于发芽过程是一种复杂的生理生化变化过程,为了保证发芽过程所需的物质和能量,发芽初期胚部吸水后可诱导淀粉酶和蛋白酶的活性增加,分解胚乳中的蛋白质和淀粉,其中蛋白质被降解为小分子肽,然后进一步水解为游离氨基酸[20]。因此,在黑大麦发芽过程中会出现游离氨基酸总量上升的现象。这一过程受到籽粒品种(质)、发芽条件等多种因素的影响[21]。

图1 黑大麦发芽过程中游离氨基酸总量的变化Fig.1 Changes of free amino acids in germination of black barley注:“*”表示与未发芽黑大麦相比差异显著,p<0.05;图2～图4同。

从氨基酸的分类来看,本实验中三类氨基酸(必需、半必需及非必需)在黑大麦发芽过程中均显著增加(p<0.05)(图2)。其中,与发芽前相比，发芽72 h后非必需氨基酸、必需氨基酸分别从6.858、2.061 nmol/mg增加到11.222、11.882 nmol/mg,是发芽前的1.64倍和5.76倍。必需氨基酸和非必需氨基酸的比例由0.30增加到1.06,是发芽前的3.52倍(未列出)。蛋白质的营养价值主要由必需氨基酸的含量决定,必需氨基酸和非必需氨基酸比例的增加表明发芽处理可显著提高黑大麦中氨基酸的生物利用率,增强其营养价值。此外,半必需氨基酸和条件必需氨基酸也在发芽过程中从0.688 nmol/mg增加到2.269 nmol/mg,是发芽前的3.30倍,这与徐建国[22]研究中关于燕麦发芽过程氨基酸变化趋势相一致。表明发芽后黑大麦的营养品质得到改善。

图2 黑大麦发芽过程中必需、半必需和非必需氨基酸的变化 Fig.2 Changes of essential,semiessential and nonessential amino acids in germination of black barley

除上述必需和非必需氨基酸比例的变化外,黑大麦发芽过程中鲜味、甘味、支链和芳香族氨基酸含量也有所变化(如图3所示)。随着发芽时间的延长,鲜味氨基酸含量的变化表现为先降低后增加的趋势,发芽24 h后,其含量降低到2.582 nmol/mg,72 h后又回升至3.025 nmol/mg;而甘味、支链和芳香族氨基酸含量在发芽过程中一直呈增加趋势,未发芽黑大麦中其含量分别为4.082、0.914和0.677 nmol/mg,72 h后,是发芽前的2.719、7.156和3.962倍,分别为11.100、6.543和2.683 nmol/mg。

图3 黑大麦发芽过程中鲜味、甘味、支链和芳香族氨基酸的变化Fig.3 Changes of flavor,sweet,branched chain and aromatic amino acids in germination of black barley

氨基酸是维持人体生命活动的必需物质,除生理功能外还具有特殊的呈味作用,如谷氨酸的钠盐即为味精的主要成分,是天然氨基酸中鲜味最强的物质,天冬氨酸及其钠盐也具有鲜味,此外甘氨酸因具有甜味在调味品中作为甜味料得到广泛应用[23]。黑大麦发芽过程中鲜味氨基酸谷氨酸和天冬氨酸含量无显著变化,与姚森等[24]研究有相似之处;但甘氨酸含量随发芽时间的延长而增加,因此发芽在一定程度上有利于改善黑大麦的风味。

亮氨酸、缬氨酸和异亮氨酸统称为支链氨基酸,具有特殊的营养功能,可调节蛋白质和氨基酸代谢,促进胰岛素和生长激素释放,能使术后创伤病人更快达到氮平衡,具有一定的抗疲劳作用,并对肝硬化有积极影响,还在肝性脑病的治疗中起重要作用[2529]。Shimomura等[30]研究表明,运动前后补充支链氨基酸对减少运动引起的肌肉损伤和促进肌肉蛋白质合成具有有益的作用。黑大麦发芽后支链氨基酸含量显著上升,表明发芽处理可使黑大麦功能性活性成分增加,营养品质得到极大提高。

2.3 黑大麦发芽过程中其他营养成分的含量变化

除上述氨基酸的变化外,发芽还引起其他营养成分含量的变化。表3为未发芽黑大麦和发芽72 h带芽籽粒的其他营养成分的检测结果。

表3 发芽对黑大麦基础营养成分含量的影响 Table 3 Effect of germination on main nutrients content in black barley

由表3中数据可看出,发芽可提高黑大麦中蛋白质的含量(p<0.05),这可能由于发芽改变了蛋白酶的活性[31],进而影响了蛋白的合成。发芽对黑大麦脂肪含量虽无显著影响(p>0.05),但有增高的趋势,这一结果与发芽燕麦的变化相同[32]。发芽后维生素B1和维生素B2的含量显著增加,表现为发芽72 h后,维生素B1和B2的含量分别达到0.13 mg/100 g和0.20 mg/100 g,分别相当于未发芽黑大麦的13倍和6.76倍。这可能由于黑大麦在发芽过程中为了满足自身代谢活动的需要而合成了维生素B1和B2。这一现象与其他麦类[33]和豆类[34]发芽过程中B族维生素含量变化研究的结果趋势一致。但发芽使黑大麦中的淀粉含量显著降低(p<0.05),这可能由于未发芽黑大麦经过浸泡后水分含量急剧上升,淀粉酶被激活,随着发芽时间的延长,在淀粉酶的作用下淀粉被降解为小分子多糖,Moongngarm等[35]发现发芽24 h时,糙米中α淀粉酶活性增强。

黑大麦中还含有丰富的微量元素,由表4可知,黑大麦发芽过程中钙、铁和锰元素分别是未发芽黑大麦的1.276、1.386和1.527倍(p<0.05),钾、铜、锌元素则都显著下降。这一变化趋势与发芽大豆中微量元素的变化趋势略有不同[36],表明食品原料不同,发芽对微量元素含量的影响也不同。

表4 发芽对黑大麦微量元素含量的影响Table 4 Effect of germination on elements content in black barley

钙、铁和锰是人体中重要的微量元素,维持人的正常代谢活动,钙是人体骨骼的主要成分,还与神经应激过程密切相关[37];铁是造血系统的主要原料,缺乏可能造成缺铁性贫血[38];锰参与多种酶的合成,如超氧化物歧化酶、精氨酸酶等,二价锰能激活一百多种酶的活性,如磷酸酶、胆碱酯酶等[39]。发芽黑大麦中钙、铁和锰含量增加,提高了其营养价值。此外,有研究表明发芽植物中微量元素的含量也可通过浸泡溶液的溶质组成与浓度来调控,采用一定浓度的硫酸亚铁溶液处理糙米,可提高发芽糙米中铁的含量[40]。

膳食纤维有结合胆汁酸的功能,可将其排出体外,预防胆结石的发生,还能刺激大肠肠壁,促进其蠕动,加快粪便排出,缩短了肠道内粪便的滞留时间,加速体内有毒物质的排除,对预防结肠癌等疾病有一定作用[41]。黑大麦作为粗粮,膳食纤维含量丰富[42]。由图4可知,发芽后黑大麦可溶性膳食纤维含量显著降低,不溶性膳食纤维增加,总膳食纤维含量减少(p<0.05)。这可能是由于发芽过程中半纤维素酶的作用,使得黑大麦中的半纤维素分解成糖类[43],从而使得膳食纤维含量降低。此结果与发芽大豆中膳食纤维的变化一致[44]。

图4 发芽对黑大麦膳食纤维含量变化的影响Fig.4 Effect of germination on dietary fiber content of black barley

3 结论

黑大麦经过常温浸泡8 h后,在温度15 ℃下培养48 h,发芽率最高达到62.14%。

黑大麦发芽72 h,总游离氨基酸、必需、半必需、非必需氨基酸、甘味、支链氨基酸含量及必需氨基酸和非必需氨基酸的比例均显著增加;蛋白质、维生素B1和B2也显著上升,而淀粉含量显著下降;钙、铁和锰等元素显著增加,钾、铜、锌等元素都显著下降;可溶性膳食纤维和总膳食纤维含量显著减少,不溶性膳食纤维显著增加。可见,总体来看通过发芽处理后黑大麦的营养价值得到改善,可为开发功能性谷物食品提供了良好的食品原料。

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