藜麦是南美洲安第斯山区的一种一年生双子叶植物,在印加文明中享有“粮食之母”的赞誉。这是一种包含了人体所需多种营养成分的高品质谷物,而且营养素的含量都接近于人体的营养需求摄入量,淀粉含量能够满足人类生理活动所需的能量,脂肪含量适当,且多为不饱和脂肪酸,蛋白质含量丰富、氨基酸组成均衡。除此之外,藜麦籽粒中含有多种生物活性因子,如多酚、黄酮、皂苷等具有抗氧化、增强免疫力、降低血糖血脂以及防治心血管疾病等的生理功效,具有维持人体健康的作用[1]。目前已有的藜麦食品主要是将藜麦与其他原料按一定比例混合,使产品品质得到优化,如藜麦粥、藜麦饼干、藜麦面包等。
发芽是一种简单有效改良谷物特性的方法,一方面可以将谷物中的大分子物质转化为更易于被人体吸收的小分子物质,另一方面可以降低抗营养因子的含量。藜麦发芽后可以有效降低苦味,将其磨粉后制作面包等可以提高消费者的接受程度[2];同时也可以将发芽藜麦作为传统的芽苗菜食品以凉拌、沙拉的形式直接食用[3]。与未发芽藜麦相比,发芽藜麦含有更丰富的功能成分,这对于一些慢性疾病的治疗有着重要的意义[4]。因此,进一步研究藜麦发芽的过程和调控十分必要。
为了进一步开发藜麦产品,提高其营养价值,本试验采用水培的方式培育藜麦芽菜,从发芽开始,在0、12、24、36、48、60、72、84、96 h采样,对其中的淀粉、还原糖、脂肪、蛋白、抗坏血酸、多酚、黄酮、皂苷、γ-氨基丁酸和膳食纤维的含量进行检测,通过观测这些成分的变化,探究发芽时间对藜麦芽菜营养成分和功能成分的影响,确定适宜的采收时间。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
“稼褀505”白藜麦,由山西稼祺农业科技有限公司提供。
可溶性淀粉、福林酚、3,5-二硝基水杨酸、γ-氨基丁酸(均为分析纯),北京索莱宝科技有限公司;香草醛、苯酚、无水氯化铝、人参皂苷(均为分析纯),上海阿拉丁生化科技股份有限公司;原果胶含量测定试剂盒、木质素含量测定试剂盒、纤维素含量测定试剂盒,苏州梦犀生物医药科技有限公司。
1.2 仪器与设备
SH220F石墨消解仪,山东海能科学仪器有限公司;UV-1100紫外分光光度计,上海美谱达仪器有限公司;SHAC-B数显恒温振荡器,常州天瑞仪器有限公司;SBW25-12DTDN超声波清洗机,宁波新芝生物科技股份有限公司;SCIENTZ-30YD/A冷冻干燥机,宁波新芝冻干设备股份有限公司;1000C多功能粉碎机,永康市红太阳机电有限公司;5804R高速冷冻离心机,EPPENDORF股份有限公司;INFINITE E PLEX/CN多功能酶标仪,帝肯(上海)实验器材有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 样品预处理
选择籽粒饱满、没有发霉、没有虫害的完整的藜麦种子,使用2.5%(体积分数)次氯酸钠溶液浸泡10 min消毒后,洗去消毒液,在25 ℃将谷物浸泡在蒸馏水中水化4 h,沥干水分后平铺于育苗盘上,于25 ℃、黑暗条件下进行发芽培养,分别采收0、12、24、36、48、60、72、84、96 h的藜麦芽菜,同时与未萌发的藜麦籽粒(标记为N)进行对照。将收获的藜麦芽菜冷冻干燥后磨粉,于-20 ℃密封保存。
1.3.2 营养成分含量测定
1.3.2.1 淀粉含量测定
参照GB 5009.9—2023 《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》酸水解法进行测定。
1.3.2.2 脂肪含量测定
参照GB 5009.6—2016 《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》索氏提取法进行测定。
1.3.2.3 蛋白质含量测定
参照GB 5009.5—2016 《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》凯氏定氮法进行测定。
1.3.2.4 还原糖含量测定
参考张小贝等[5]采用3,5-二硝基水杨酸法,对不同发芽时间的藜麦芽菜中还原糖含量进行测定。准确称取0.1 g样品于15 mL离心管中,加入10 mL 蒸馏水后于50 ℃恒温水浴振荡30 min以便还原糖浸出,以4 000 r/min的速度离心5 min后取上清液1 mL,后续处理与标准品处理方法相同。根据公式(1)计算藜麦芽菜样品中还原糖含量:
还原糖含量
(1)
式中:A,吸光度值;V,提取液的体积,mL;m,样品的质量,g。
1.3.3 功能成分含量测定
1.3.3.1 抗坏血酸含量测定
参考严苹等[6]采用碘量法,对不同发芽时间的藜麦芽菜中的抗坏血酸含量进行测定。准确称取1 g样品后加入20 mL 2%(质量分数)的草酸溶液,振荡1 min后以8 000 r/min的速度离心5 min,取上清液10 mL于锥形瓶中加入1 mL 1%(质量分数)淀粉溶液进行滴定。根据公式(2)计算藜麦芽菜样品中抗坏血酸含量:
抗坏血酸含量
(2)
式中:V,消耗I2溶液的体积,mL;VT,提取液的体积,mL;m,样品的质量,g。
1.3.3.2 多酚含量测定
参考RAJHA等[7],以没食子酸为标准品,采用福林酚法,对不同发芽时间的藜麦芽菜中多酚的含量进行测定。准确称取0.1 g样品于1.5 mL离心管中,加入1 mL 70%(体积分数)乙醇后于40 ℃下超声提取30 min,以5 000 r/min的速度离心5 min后取上清液0.2 mL,后续处理与标准品处理方法相同。根据公式(3)计算藜麦芽菜样品中多酚含量:
多酚含量
(3)
式中:A,吸光度值;V,提取液的体积,mL;m,样品的质量,g。
1.3.3.3 黄酮含量测定
参考WANG等[8],以芦丁为标准品,采用氯化铝比色法,对不同发芽时间的藜麦芽菜中黄酮的含量进行测定。准确称取0.1 g样品于1.5 mL离心管中,加入1 mL 60%(体积分数)乙醇后40 ℃下超声提取15 min,以5 000 r/min的速度离心5 min后取上清液0.5 mL于10 mL容量瓶加入4.5 mL 60%(体积分数)乙醇,后续处理与标准品处理方法相同。根据公式(4)计算藜麦芽菜样品中黄酮含量:
黄酮含量
(4)
式中:A,吸光度值;V,提取液的体积,mL;m,样品的质量,g。
1.3.3.4 皂苷含量测定
参考TANG等[9],以人参皂苷为标准品,采用香草醛硫酸法,对不同发芽时间的藜麦芽菜中皂苷的含量进行测定。准确称取0.1 g样品于1.5 mL离心管加入1 mL 70%(体积分数)乙醇后40 ℃超声提取10 min,以5 000 r/min的速度离心5 min后取上清液0.1 mL,后续处理与标准品处理方法相同。根据公式(5)计算藜麦芽菜样品中皂苷含量:
皂苷含量
(5)
式中:A,吸光度值;V,提取液的体积,mL;m,样品的质量,g。
1.3.3.5 γ-氨基丁酸含量测定
参考黄思苑等[10],以γ-氨基丁酸为标准品,采用Berthelot比色法并对其进行优化改进,对不同发芽时间的藜麦芽菜中γ-氨基丁酸含量进行测定。准确称取0.1 g样品于10 mL离心管中,加入4 mL甲醇,在50 ℃条件下水浴10 min,以5 000 r/min的速度离心5 min后去除上清液以去除叶绿素,重复4次后烘干至恒重。随后加入2 mL蒸馏水在80 ℃条件下水浴30 min,以5 000 r/min的速度离心25 min;取上清液1 mL于1.5 mL离心管中,加入100 μL 2 mol/L AlCl3溶液,室温振荡15 min后以10 000 r/min速度离心5 min;取500 μL上清液于1.5 mL离心管中,加入300 μL 1 mol/L KOH溶液,室温振荡5 min后,以10 000 r/min的速度离心5 min去除水溶性色素后取0.5 mL,后续处理与标准品处理方法相同。根据公式(6)计算藜麦芽菜样品中γ-氨基丁酸含量:
γ-氨基丁酸含量
(6)
式中:A,吸光度值;V,提取液的体积,mL;m,样品的质量,g。
1.3.3.6 膳食纤维含量测定
采用苏州梦犀生物医药科技有限公司提供的检测试剂盒对藜麦芽菜中原果胶、木质素、纤维素的含量进行检测。
1.4 统计分析
每个样品进行3次平行试验,结果表示为“平均值±标准差”。数据统计分析通过软件IBM SPSS Statistics 26 处理,采用多重比较最小显著差别(least significant difference,LSD)法,显著水平为 P<0.05;采用Origin 2022软件绘制图表。
2 结果与分析
2.1 藜麦芽菜生长过程中营养成分含量变化
2.1.1 藜麦芽菜生长过程中脂肪含量变化
在种子发芽过程中,脂类被认为是一种重要的能量来源。当种子内的能量供应不足时,脂肪被分解成甘油和游离脂肪酸,通过糖异生作用产生葡萄糖,以补充种子发芽所需的能量[11]。
由图1可知,藜麦芽菜的脂肪含量总体上呈现先增加后下降的趋势。经过浸泡,藜麦籽粒中的脂肪含量无显著变化,此时为5.19 g/100 g;在发芽12 h时,脂肪含量显著增加(P<0.05),达到6.79 g/100 g,这可能是由于藜麦发芽过程中淀粉分解后部分转化为还原糖用于幼苗的生长,另外还有一部分用于储能物质的合成,当合成量大于消耗量,脂肪含量所占比重上升[12]。发芽12～24 h,藜麦芽菜长势迅猛,淀粉不足以提供藜麦芽菜生长所需的能量,此时需要大量消耗脂肪,消耗量大于合成量,脂肪含量下降。发芽24 h之后长势变缓,合成量大于消耗量,脂肪含量上升,发芽36 h后脂肪含量达到7.08 g/100 g,显著增加(P<0.05);发芽时间为48～72 h时,脂肪含量无明显变化,发芽84～96 h,脂肪含量显著降低(P<0.05)为4.09 g/100 g;此时处于发芽后期,藜麦芽菜生成出现能量供应不足的情况,部分脂肪又会分解以满足后续胚根的伸长及其他发育活动的能量需求,导致脂肪含量降低。
图1 藜麦芽菜不同发芽时间的脂肪含量
Fig.1 Fat contents of quinoa sprouts at different germination time
注:不同小写字母代表差异显著(P<0.05,下同)。
2.1.2 藜麦芽菜生长过程中淀粉含量变化
淀粉是藜麦中最主要的碳水化合物,研究发现,与小麦淀粉相比,藜麦淀粉的糊化温度范围更广,溶胀能力更强,并且有更好的增稠性。由图2可知,与藜麦籽粒相比,随着发芽时间的延长,藜麦芽菜中的淀粉含量逐渐减少,96 h发芽结束后淀粉含量从最初的58.76 g/100 g降为17.80 g/100 g,差异显著(P<0.05),这与QUEK等[13]的研究结果一致。在发芽过程中,充足的水分条件打破了种子的休眠,激发了淀粉水解酶(α-淀粉酶和β-淀粉酶)的活性,并且藜麦胚乳中不溶的总淀粉、直链淀粉和支链淀粉逐渐分散,它们被活化的水解酶分解,进行种子呼吸和合成代谢,导致总淀粉含量显著下降[14]。
图2 藜麦芽菜不同发芽时间的淀粉含量
Fig.2 Starch contents of quinoa sprouts at different germination time
2.1.3 藜麦芽菜生长过程中还原糖含量变化
由图3可知,随着发芽时间的延长,藜麦芽菜中还原糖的含量呈现增加-降低-增加趋势,发芽初期还原糖含量为21.07 mg/g,在发芽36 h后还原糖含量达到峰值为187.61 mg/g,之后逐步降低至72 h的137.88 mg/g后又缓慢升高。整体来说,发芽后的藜麦芽菜与藜麦籽粒相比,还原糖含量显著增加(P<0.05),这与NIEVES-HERN
NDEZ等[15]的研究一致。这是由于在种子发芽过程中,淀粉酶、葡萄糖苷酶等相关酶逐步被激活,淀粉酶将淀粉分解成小分子质量糊精,而后糊精在α-葡萄糖苷酶的作用下进一步水解为麦芽糖,转化为葡萄糖,从而促进还原糖含量的增加[16]。
图3 藜麦芽菜不同发芽时间的还原糖含量
Fig.3 Reducing sugar contents of quinoa sprouts at different germination time
2.1.4 藜麦芽菜生长过程中蛋白质含量变化
藜麦蛋白主要由球蛋白和白蛋白构成,几乎不含醇溶蛋白;并且藜麦蛋白的氨基酸组成均衡,含有18种氨基酸其中蛋氨酸、苏氨酸、赖氨酸等必需氨基酸含量较高,补充了人体每日必需氨基酸的摄入量,另外还富含非蛋白色氨酸,容易被吸收和利用[17]。
由图4可知,与藜麦籽粒中11.91 g/100 g的蛋白含量相比,萌发96 h后藜麦芽菜蛋白质含量显著提高(P<0.05)至16.38 g/100 g,大体上呈现不断增加的趋势。在发芽过程中,会同时发生蛋白质水解和合成2个过程,这导致了藜麦的蛋白质含量的波动;蛋白含量增加的原因可能是发芽后期藜麦中游离氨基酸增加促使其合成更多新的蛋白质[18]。总的来说,发芽有利于提高藜麦蛋白质的含量。
图4 藜麦芽菜不同发芽时间的蛋白质含量
Fig.4 Protein contents of quinoa sprouts at different germination time
2.1.5 藜麦芽菜生长过程中膳食纤维含量变化
常见的膳食纤维包括原果胶、纤维素和木质素。原果胶是蔬菜中保持组织硬脆性能的关键物质,原果胶含量与蔬菜的硬脆性呈现正相关性[19]。由图5可知,随着发芽时间的延长,藜麦芽菜中原果胶的含量呈现增加-降低-增加的趋势。在发芽96 h后,藜麦芽菜中原果胶的含量达到最大,为23.95 mg/g;此时藜麦芽菜中原果胶含量是藜麦籽粒中原果胶含量的1.72倍,原果胶含量显著提高(P<0.05)。木质素主要存在于植物增厚的细胞壁中, 对于细胞壁结构的完整性以及茎的刚性和强度起着至关重要的作用[20]。由图6可知,随着发芽时间的延长,藜麦芽菜中木质素含量逐渐降低,这与潘紫霄[21]的研究结果一致,这可能归因于细胞壁水解酶的积累。木质素含量的降低导致了细胞壁结构松弛,水分容易进入使得胚乳机械强度降低,促进了藜麦籽粒的发芽。纤维素是植物细胞初生细胞壁和次生细胞壁基本骨架的主要成分[22],纤维素含量升高表示种子开始生长并且逐渐形成植物体的组织,是植物体生长的正常表现。然而,纤维素含量过高则会导致芽苗菜的口感变差。由图7可知,纤维素的含量在整个发芽过程中首先呈现上升的趋势,直到72 h发芽结束后纤维素含量短暂出现下降而后又开始升高,纤维素降低可能是转化为了可溶性膳食纤维[23]。
图5 藜麦芽菜不同发芽时间的原果胶含量
Fig.5 Protopectin contents of quinoa sprouts at different germination time
图6 藜麦芽菜不同发芽时间的木质素含量
Fig.6 Lignin contents of quinoa sprouts at different germination time
图7 藜麦芽菜不同发芽时间的纤维素含量
Fig.7 Cellulose contents of quinoa sprouts at different germination time
2.2 藜麦芽菜生长过程中功能成分含量变化
2.2.1 藜麦芽菜生长过程中抗坏血酸含量变化
抗坏血酸是葡萄糖经过强氧化的衍生产物,是维持人体正常生命活动所必不可少的营养物质之一。然而人体无法合成抗坏血酸,只能从食物中获得,如果品蔬菜等。李晓红等[24]研究发现,芽苗菜是很好的维生素来源,其抗坏血酸含量均明显高于常见蔬菜。
由图8可知,随着发芽的进行,抗坏血酸的含量也随之增加。藜麦籽粒几乎不含有抗坏血酸,经过发芽处理的藜麦芽菜的抗坏血酸含量有了显著提高(P<0.05),发芽96 h后藜麦芽菜中抗坏血酸含量达到0.161 mg/g,这与韦俊宇[25]的研究一致。L-半乳糖合成途径是植物体内被广泛认可的抗坏血酸的生物合成途径[26]。随着发芽时间的延长,一方面,D-葡糖糖作为L-半乳糖途径合成抗坏血酸的底物含量增加;另一方面,L-半乳糖内酯脱氢酶作为生物合成途径中最后一步的关键酶,其活性逐渐增强[27],这使得反应向着抗坏血酸生成的方向进行,导致了藜麦芽菜中抗坏血酸含量的增加。
图8 藜麦芽菜不同发芽时间的抗坏血酸含量
Fig.8 Ascorbic acid contents of quinoa sprouts at different germination time
2.2.2 藜麦芽菜生长过程中多酚含量变化
多酚是一类具有多种生理活性的物质,具有抗氧化、抗炎、抗肿瘤等多种生理功能,是藜麦中主要的抗氧化活性成分之一,以结合态和游离态2种形式存在。由图9可知,在种子发芽过程中,多酚含量大体上呈现持续增加的趋势。藜麦籽粒中多酚含量为0.72 mg/g,随着萌发时间的延长,藜麦芽菜中多酚的含量有了显著增加(P<0.05),发芽96 h后藜麦芽菜中多酚含量达到2.92 mg/g,与王雨等[28]的研究结果一致。发芽过程中总多酚含量的增加一方面与结合多酚的酶解有关,这增加了游离或可提取多酚的数量;另一方面,发芽造成淀粉分解,葡萄糖含量增加,在细胞内质网中以葡萄糖为起始前体,通过多种重要的分子信号途径,如磷酸戊糖氧化途径等合成了新的多酚化合物[29]。
图9 藜麦芽菜不同发芽时间的多酚含量
Fig.9 Polyphenol contents of quinoa sprouts at different germination time
2.2.3 藜麦芽菜生长过程中黄酮含量变化
黄酮类化合物也是重要的抗氧化活性因子,具有抗菌、抗病毒、抗癌、抗炎等多种生理功能。由图10可知,发芽过程中,黄酮含量总体呈现出先增加后降低的趋势,在发芽72 h时,黄酮含量达到峰值4.66 mg/g。与藜麦籽粒相比,发芽24 h后,黄酮含量开始显著增加(P<0.05)。这是由于藜麦在发芽过程中呼吸作用逐步增强,作为黄酮类物质合成代谢的关键酶苯丙氨酸解氨酶的活性逐步增强、数量逐渐增多,使黄酮类物质的含量增加;而在发芽72 h 后,黄酮含量降低,是由于纤维化导致了藜麦芽菜黄酮类物质的含量降低[30]。
图10 藜麦芽菜不同发芽时间的黄酮含量
Fig.10 Flavonoid contents of quinoa sprouts at different germination time
2.2.4 藜麦芽菜生长过程中皂苷含量变化
藜麦皂苷具有抗菌活性,藜麦皂苷主要以三萜皂苷的形式存在于种皮中。由图11可知,清洗浸泡后的藜麦籽粒皂苷含量显著降低(P<0.05),这可以归因于清洗和浸泡过程中皂苷的损失;随着发芽时间的延长,呈现出先显著增加后降低的趋势,在发芽84 h后达最大值31.99 mg/g,可能是不同种类的酶的合成和激活过程互相影响,促进了皂苷的生成,也可能发芽过程中种子结构的弱化提高了溶剂的萃取效率[31]。
图11 藜麦芽菜不同发芽时间的皂苷含量
Fig.11 Saponin contents of quinoa sprouts at different germination time
2.2.5 藜麦芽菜生长过程中γ-氨基丁酸含量变化
γ-氨基丁酸是一种非蛋白氨基酸,是动物体内不可缺少的抑制性神经递质,是影响人脑发育的重要因素。谷氨酸经谷氨酸脱羧酶催化谷氨酸脱羧后可合成γ-氨基丁酸;γ-氨基丁酸会在γ-氨基丁酸转氨酶的作用下分解代谢为琥珀酸半醛,并经脱氢合成琥珀酸进入三羧酸循环[32]。由图12可知,在发芽过程中γ-氨基丁酸含量呈现波动趋势,这可能与γ-氨基丁酸的合成与代谢速率相关。当谷氨酸脱羧酶活性大于γ-氨基丁酸转氨酶活性时,合成速率大于代谢速率,γ-氨基丁酸含量呈增加趋势,反之则呈现降低趋势。而在12～36 h,γ-氨基丁酸含量没有显著变化,而在48 h时,可能是随着发芽时间的延长,蛋白酶被充分激活,蛋白质被水解产生谷氨酸,正反馈作用提高了谷氨酸脱羧酶的活性,使γ-氨基丁酸含量增加,在84 h时达到峰值0.896 mg/g。
图12 藜麦芽菜不同发芽时间的γ-氨基丁酸含量
Fig.12 γ-aminobutyric acid contents of quinoa sprouts at different germination time
3 结论与讨论
食物的营养价值一方面取决于食物中所含能量和营养素能满足人体需要的程度,另一方面取决于食物对促进人体健康的贡献。藜麦作为一种营养成分全面的食物,受到人们的青睐,但却缺乏具有特殊生理活性的功能成分。在多项研究中发现通过发芽可以提高谷物中的功能成分,因此,本研究探讨了不同发芽时间对于藜麦芽菜的营养成分和功能成分的影响。结果表明,与藜麦籽粒相比,发芽后的藜麦芽菜营养和功能成分的含量都发生了改变。除脂质和淀粉作为能量供应被消耗降低以外,其余成分在整个发芽过程中尽管变化趋势各不相同,但其含量较未发芽的藜麦籽粒均有一定程度升高。通过观察总结整个发芽过程,发现藜麦芽菜在发芽36 h后,可以积累含量较高的营养成分;发芽84 h后,则可以积累含量较高的功能成分。在实际生产中,可以根据需求来控制发芽时间,得到符合预期品质的藜麦芽菜。
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