玉米是我国重要的粮食作物,其籽粒中含有丰富的营养成分,具有一定的保健功能,因此玉米加工食品广受大众欢迎。但玉米中部分营养成分不能直接被人体吸收,必须依赖相关酶作用,分解成小分子物质,才可以被人体利用[1]。

发芽是一种简单的加工技术手段,可用于改善种子的营养比例[2];发芽期间,玉米种子中的淀粉酶和蛋白酶活性明显增强,可以使不溶性的大分子物质水解生成新的还原糖、氨基酸、维生素和矿物质[3-4];最近的研究表明,普通玉米发芽后干物质含量明显降低,可溶性蛋白含量表现出先降低后升高的趋势,还原糖和可溶性糖的含量呈升高趋势[5];同时,通过发芽处理,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,减小蓝值、碘结合力和膨润力[7-8],最终形成特殊的口感,刺激食欲;张钟等[9]将发芽玉米粉应用到饼干类食品的加工中,研制出了口感酥松的饼干;HELLAND等[10]利用发芽2 d的玉米粉,添加到粥类食品中,增加了糖含量与食物能量密度。

目前对发芽玉米种子中生理指标变化的研究主要集中在单一类型上,对不同类型玉米发芽的研究鲜少报道。本研究选择了3种具有代表性的地方玉米品种,普通玉米(湘农玉27号)、甜玉米(湘农甜玉3号)和糯玉米(湘农白糯3号),对不同发芽时间的胚芽长、胚根长、生理指标的变化及其相互关系进行研究,探究不同类型玉米间各性状的变化趋势,以期评价不同类型发芽玉米的营养价值,并且为发芽玉米在食品加工方面的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试普通玉米品种为湘农玉27号、甜玉米品种为湘农甜玉3号、糯玉米品种为湘农白糯3号,以上试验材料由湖南省玉米工程技术研究中心提供。

1.2 仪器与设备

智能人工气候培养箱,上海丙林电子科技有限公司;UV-1200紫外/可见分光光度计,上海美析仪器有限公司;DF-101S磁力搅拌器,上海予华仪器有限公司;Centrifuge 5420R-高速离心机,艾本德(上海)国际贸易有限公司;冷冻研磨仪,上海净信实业发展有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 玉米发芽处理

挑选适量的玉米种子,在0.1%(体积分数)NaClO 溶液中室温浸泡15 min,蒸馏水冲洗2次,后在25 ℃条件下连续浸泡12 h,每5 h换水1次。将浸泡后的种子移种到育苗盘中,放入智能人工气候培养箱中,于25 ℃、相对湿度为88%,发芽72 h,每隔12 h进行浇水。按发芽0(CK)、12、24、36、48、60、72 h 设置7个处理,将3种类型的玉米种子分别进行不同的处理,3次重复。

1.3.2 玉米的胚芽、胚根长度的测定

分别在发芽后的第12、24、36、48、60、72 h取样,样品用蒸馏水冲洗干净,每个类型玉米挑选20株长势一致的玉米芽苗,测定胚芽、胚根长度。将样品50 ℃下烘至恒重,磨粉至细度≤80目,密封于塑料袋内,4 ℃保存待用。

1.3.3 玉米种子蛋白组分的测定

考马斯亮蓝比色法测定玉米种子的蛋白组分。

1.3.4 玉米种子还原糖和总糖含量的测定

采用DNS法测定还原糖含量,硫酸蒽酮法测定可溶性总糖含量。

1.3.5 玉米种子支链淀粉、直链淀粉和总淀粉含量的测定

采用紫外吸光光度法测定直链淀粉含量,硫酸蒽酮法测定总淀粉含量,支链淀粉含量计算如公式(1)所示:

支链淀粉含量/%=总淀粉含量-直链淀粉含量

(1)

1.3.6 玉米种子赖氨酸含量的测定

茚三酮比色法测定赖氨酸含量。

1.4 数据分析

用Microsoft Excel 20.0对表型数据进行整理,用SPSS 24.0和DPS 6.05软件对数据进行方差分析、相关性分析,TBtools软件作图。

2 结果与分析

2.1 玉米发芽过程中胚芽、胚根长度的变化

种子发芽时,胚乳中贮藏的营养物质发生降解,降解后的产物在胚中合成生命物质,形成新的器官。由图1、图2可知,随着发芽时间的延长,各类型玉米的胚芽、胚根的长度均显著增加。整体来看,种子在发芽的48 h后,胚芽长显著增加,各品种的胚芽长大小分别为湘农玉27号>湘农甜玉3号>湘农白糯3号。种子在发芽的24 h后,胚根长显著增加,发芽72 h后,湘农玉27的胚根长最大,达(6.81±0.04) cm,湘农白糯3号的胚根长相对最低,为(2.58±0.01) cm,因此推测玉米种子在发芽24～48 h过程中主要营养成分发生合成和降解。

2.2 玉米发芽过程中蛋白组分含量变化

玉米种子的发芽与贮藏蛋白含量密切相关,种子发芽期间,许多与贮藏蛋白相关的酶被激活,一些蛋白质被合成,另一些蛋白质被水解,这种平衡决定了蛋白质的含量[11]。OSBORNE[12]将提取出的种子贮藏蛋白按溶解性的差异分为清蛋白(albumin)、球蛋白(globulin)、醇溶蛋白(gliadin)和谷蛋白(gluten)四类。玉米发芽过程中蛋白组分变化如表1所示。

发芽72 h内,湘农玉27号、湘农甜玉3号和湘农白糯3号的清蛋白与球蛋白含量均随发芽时间的延长不断增加,该变化趋势与大麦[13]和燕麦[14]等的研究结果相似;由于类型的差异,清蛋白与球蛋白的变化幅度有明显区别,湘农玉27号清蛋白变化幅度最大(1.37%),其次是湘农白糯3号(0.76%),湘农甜玉3号的变化最小(0.31%);球蛋白变化幅度则表现为湘农白糯3号(0.58%)>湘农玉27号(0.53%)>湘农甜玉3号(0.21%)。

3种类型玉米的醇溶蛋白、谷蛋白和总蛋白含量的变化趋势一致,均随着发芽时间的延长逐渐降低,不同的是谷蛋白整体上消耗量较多,这可能与谷蛋白是胚和幼芽生长的主要能源,降解后可以保护玉米幼苗抵御外界的不良环境有关,此外总蛋白含量在3种不同类型玉米中是随着发芽时间的延长而逐渐减少,种子发芽早期蛋白质的降解幅度小于发芽后期蛋白质的降解幅度,这与张瑜等[15]在研究柱花草种萌发时总蛋白的变化趋势一致。由于类型的差异,醇溶蛋白、谷蛋白与总蛋白的变化幅度有明显区别,除湘农玉甜3号变化幅度较小外,其余2种类型玉米都在发芽24 h后出现显著下降趋势。

2.3 玉米发芽过程中还原糖和总糖含量的变化

玉米种子在发芽时,淀粉酶是被激活的状态,随着发芽时间的延长,光合作用产物不断形成和积累,可溶性总糖剧增,淀粉酶不断积累,导致总糖迅速分解,生成大量的还原糖[4]。随着发芽时间的延长,3种类型的玉米种子还原糖含量呈上升趋势,与总糖的变化趋势正好相反,这可能是因为在种子发芽时的呼吸作用加强,导致多糖等物质的分解,致使还原糖源源不断的生成,这与黄升谋等[16]对小麦种子发芽的研究结果相似,也与大豆[17]种子发芽的研究结果相似。还原糖在不同玉米品种不同发芽阶段的变化幅度存在差异,湘农甜玉3号、湘农白糯3号在发芽24 h后急剧上升,72 h达到最大值;湘农玉27号的还原糖含量在发芽0～12 h、24～48 h呈升高趋势,其余时间都趋于稳定。

由于类型的差异,总糖在不同玉米品种不同发芽阶段的变化幅度有明显区别。在发芽72 h时,总糖含量变化幅度则表现为湘农甜玉3号(8.95%)>湘农白糯3号(3.96%)>湘农玉27号(3.43%),这可能是因为种子发芽时伴随着呼吸作用,消耗了大部分的能量有关。

2.4 玉米发芽过程中支链淀粉、直链淀粉和总淀粉含量的变化

玉米发芽过程中支链淀粉、直链淀粉和总淀粉含量变化如表1,在发芽过程中支链淀粉、直链淀粉和总淀粉含量总体变化趋势一致,均随发芽时间的延长呈降低趋势。3种类型玉米种子未发芽前的支链淀粉含量为34.88%～49.97%;不同类型玉米支链淀粉的变化幅度有明显区别,湘农白糯3号在发芽12 h后呈现降低趋势,湘农玉27号与湘农甜玉3号则在48 h后才有所降低。

3种类型玉米种子未发芽前的直链淀粉含量为16.50%～24.36%;发芽72 h时,湘农白糯3号的直链淀粉含量下降幅度最大(11.67%),其次是湘农甜玉3号(10.98%),湘农玉27号的直链淀粉含量下降幅度最小(8.70%)。

3种类型玉米种子未发芽前的总淀粉含量为51.38%～72.18%,种子发芽24 h后,总淀粉含量显著降低,发芽72 h时,不同类型玉米总淀粉的变化幅度表现为:湘农甜玉3号(36.10%)>湘农玉27号(26.33%)>湘农白糯3号(20.69%)。发芽过程中淀粉组分呈下降趋势,与邢宝[18]和徐惠娟等[19]研究相似,表明随着种子进行露白、胚轴伸长和子叶生长等生命活动,淀粉酶活性的增强,淀粉代谢水平上升,种子贮存的淀粉被消耗用于新组织器官的合成以及胚的生长。

2.5 玉米发芽过程中赖氨酸含量的变化

赖氨酸是人体所必需的氨基酸,其含量的高低是衡量玉米种子品质的重要指标。不同发芽时间玉米种子中赖氨酸的含量变化如表1所示。不同类型玉米赖氨酸含量总体变化趋势基本一致,随发芽时间的延长而显著增加,这与白永富等[20]对烟草种子萌发时的规律相似,相同的结果也出现在大豆[21]中。不同类型玉米赖氨酸的变化幅度有明显区别,发芽前后脯氨酸变化最大的是湘农甜玉3号,3种类型玉米在发芽第72 h时的赖氨酸含量分别比发芽前提高1.64、2.00和1.71倍,因此发芽后的玉米可作为开发高赖氨酸食品的一种方式,降低人们患癞皮病的风险有重要的意义。赖氨酸含量的增加可能是内源性蛋白酶的活化,它诱导了玉米贮藏蛋白以及肽的水解。

2.6 玉米发芽过程中主要生理指标与胚芽长、胚根长的相关性

对玉米发芽过程中清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白、总蛋白、还原糖、总糖、支链淀粉、直链淀粉、总淀粉、赖氨酸、胚芽长与胚根长进行简单相关分析。结果如图3所示,玉米发芽过程中胚芽长、胚根长与生理指标存在密切关系,各指标间相互影响并且也相互制约。玉米种子发芽过程中玉米胚芽长、胚根长均与清蛋白和球蛋白呈显著正相关,因此玉米种子发芽过程中清蛋白、球蛋白含量随着胚的生长逐渐增加,这与戈珍梅等[22]发现蛋白含量随胚根长增加而持续增加的结果相似;玉米中还原糖含量随胚芽长、胚根长伸长而显著增加,这与杨红等[23]研究中还原糖含量随胚芽长、胚根长伸长而增加的结果一致;此外胚芽长、胚根长与直链淀粉呈极显著负相关,该结论在小麦[24]种子中得到了验证。

3 结论

本文研究了发芽过程中湘农玉27号、湘农甜玉3号和湘农白糯3号发芽动态及生理指标的变化。结果表明胚芽、胚根的长度随着玉米种子发芽时间的延长而不断增加。不同类型玉米发芽过程中的生理指标的变化趋势相同,仅变化幅度存在差异。发芽降低了3种不同类型玉米的醇溶蛋白、谷蛋白、总蛋白、直链淀粉、总淀粉和总糖的含量,但提升了清蛋白、球蛋白、还原糖和赖氨酸的含量。这些结果揭示了发芽一定程度上可以改善玉米理化特性,也为发芽玉米面包、饮料、婴幼儿辅食等相关食品的加工提供参考。发芽玉米种子中毒素含量极低,大多数可在高温下破坏,紫外线照射也可使之破坏,因此发芽玉米加工后的食品相当安全,近年来人类食用的经验也证明了这一点。综合考虑,在健康饮食观念的广泛普及的今天,发芽玉米产品的加工将拥有广阔前景。

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Germination dynamics and physiological changes of metabolism in maize seed

ZHENG Ran1,LYU Dan1,LUO Hongbing1,2*

1(College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) 2(Maize Engineering Technology Research Center of Hunan Province, Changsha 410128, China)

ABSTRACT In this study, normal maize (Xiangnongyu27), sweet maize (Xiangnongtianyu3), and waxy maize (Xiangnongbainuo3) were used as the research material. The changes in the length of embryo and radicle, the contents of albumin, globulin, gliadin, glutenin, total protein, reducing sugar, total sugar, amylopectin, amylose, total starch, and lysine in maize seeds after germination of time 0-72 h were tested, and the correlation was analyzed to provide the basis for the physiological changes of maize seed germination. Results showed that the embryo and radicle length of maize increased significantly after germination. The changing trend of physiological indexes of different types of maize was the same, but the change range was different in the process of germination, among them, the content of total protein, gliadin, glutenin, amylose, total starch, and total sugar decreased significantly and the contents of albumin, globulin, reducing sugar and lysine increased significantly after germination, the contents of albumin increased by 1.37%, 0.31%, and 0.55% respectively, and the contents of globulin increased by 0.53%, 0.21%, and 0.58% respectively. The content of reduced sugar was the highest, reaching 4.12%, 5.82%, and 4.05% respectively, the content of lysine increased by 1.64, 2, and 1.71 times, respectively. Correlation analysis showed that the length of embryo and radicle was significantly/extremely significantly positively correlated with albumin and globulin, extremely significantly/significantly positively correlated with reducing sugar and negatively correlated with amylose.

Key words maize; germination; growth characteristics; physiological indexes; correlation

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.032087

引用格式：郑冉,吕丹,罗红兵.玉米种子发芽动态及生理变化研究[J].食品与发酵工业,2023,49(16):139-144.ZHENG Ran,LYU Dan,LUO Hongbing, et al.Germination dynamics and physiological changes of metabolism in maize seed[J].Food and Fermentation Industries,2023,49(16):139-144.

第一作者：博士研究生(罗红兵教授为通信作者,E-mail:Hbluo48@sohu.com)

基金项目：湖南省现代农业产业技术体系(湘农发〔2019〕105号);湖南省重点研发计划(2022 NK2002)

收稿日期：2022-04-27,改回日期:2022-05-30