未熟粒糙米低氧脅迫發(fā)芽期間生理生化變化研究

錢 行，楊潤強，尹永琪，顧振新*

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，江蘇 南京 210095）

未熟粒糙米低氧脅迫發(fā)芽期間生理生化變化研究

錢 行，楊潤強，尹永琪，顧振新*

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，江蘇 南京 210095）

以未熟粒糙米為試材，研究其低氧脅迫發(fā)芽期間主要生理生化變化。結(jié)果表明：經(jīng)低氧脅迫發(fā)芽48 h，未熟粒糙米的發(fā)芽率達79.3%，芽長為1.92 mm，呼吸強度提高5.6 倍，容重達0.79 g/mL；發(fā)芽期間其含水量快速增加后趨于平緩，淀粉含量持續(xù)下降，還原糖和游離氨基酸含量則逐漸增加，均與完熟粒糙米變化趨勢一致且無顯著性差異；未熟粒糙米中γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）含量隨發(fā)芽時間延長呈逐漸增加趨勢，發(fā)芽48 h時GABA含量增加1.08倍，且谷氨酸脫羧酶（glutamate decarboxylase，GAD）活力和谷氨酸（glutamic acid，Glu）含量與對照組無顯著差異。低氧脅迫下未熟粒發(fā)芽糙米中GABA含量與芽長、呼吸強度、游離氨基酸和GAD活力均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與淀粉和谷氨酸含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。低氧脅迫發(fā)芽改善了未熟粒糙米營養(yǎng)品質(zhì)，是富集GABA的良好原料。

未熟粒糙米；發(fā)芽；低氧脅迫；生理生化

未熟粒糙米，又稱白片或青頭，是未成熟、不飽滿的稻米粒，外觀全部為粉質(zhì)，但仍有食用價值。由于未熟粒粉質(zhì)含量高、淀粉顆粒排列疏松、相對密度較低，其在碾米過程中易折斷和粉碎，因而增加碎米率，并降低糙米出米率和整精米率[1-3]；同時由于未熟粒中堊白度高，導(dǎo)致糙米外觀品質(zhì)較差。糙米品質(zhì)直接影響大米的食用和營養(yǎng)價值，進而影響其經(jīng)濟價值和糧食安全。因此，美國、中國和泰國均將未熟粒作為糙米標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)定指標(biāo)[4-6]。目前，稻米加工過程中，通過色選機剔除未熟粒，以提高稻米品質(zhì)。然而，由于未熟粒糙米仍存在一定的生物活性并富含淀粉等營養(yǎng)物質(zhì)[2]，具有食用價值，將其直接作為飼料不僅降低糧食的利用率，而且造成巨大的經(jīng)濟損失。

糙米經(jīng)逆境脅迫發(fā)芽不僅能提升營養(yǎng)品質(zhì)，降低抗?fàn)I養(yǎng)因子水平、改善口感、優(yōu)化食用加工性能，還能顯著富集功能性成分γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）[7-8]。GABA是哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，其具有改善大腦血液循環(huán)、降低血壓、治療癲癇和痛風(fēng)等多種功效[9-11]，已于2009年被國家衛(wèi)生部批準(zhǔn)為新資源食品。目前，國內(nèi)外已對GABA在發(fā)芽糙米中的富集技術(shù)及其產(chǎn)品開發(fā)進行了大量研究[12-13]，但是以未熟粒糙米為原料發(fā)芽富集GABA的相關(guān)研究還未見報道。

本實驗以未熟粒糙米為原料，在低氧脅迫的逆境下進行發(fā)芽，研究其發(fā)芽率、芽長、GABA含量等主要生理生化變化，為食用化地利用糙米加工過程中的未熟粒糙米提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

糙米，武運粳32號，由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，于-20 ℃保藏備用。

GABA標(biāo)準(zhǔn)品 美國Sigma公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

PYX-DHS-BS型隔水電熱恒溫培養(yǎng)箱 上海躍進醫(yī)療器械廠；DHG-9030A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海恒科技有限公司；冷凍離心機 上海安亭科學(xué)儀器廠；Orion818型pH測試儀 美國Orion科學(xué)儀器公司；UV-2802型紫外可見分光光度計 尤尼柯（上海）儀器有限公司。

1.3 方法

選取大小均勻一致的未熟粒，用0.5%的次氯酸鈉溶液浸泡消毒30 min，去離子水沖洗至pH值中性后置于培養(yǎng)箱中30 ℃浸泡6 h。浸泡結(jié)束后，以去離子水為培養(yǎng)液，通入空氣（通氣量1.2 L/min），于（32±1）℃、黑暗條件下發(fā)芽48 h，每隔8 h取樣測定指標(biāo)。發(fā)芽期間，每隔12 h更換培養(yǎng)液，直至培養(yǎng)結(jié)束；以完熟粒糙米發(fā)芽為對照組。

1.4 測定指標(biāo)及方法

發(fā)芽率：隨機抽取兩組糙米，每組50粒，測發(fā)芽率，取平均值；芽長：隨機抽取兩組糙米，每組30粒，采用游標(biāo)卡尺測其芽長，取平均值，以毫米為長度單位；呼吸強度：參照鄭永華等[14]方法測定；吸水曲線：兩種糙米各取10 g在28 ℃下浸泡，前8 h每隔1 h取出稱量，后40 h每隔8 h取出稱量，并作出吸水曲線；容重：分別稱取發(fā)芽前后10 g完熟粒與未熟粒于50 mL量筒中，用排水法測定其體積；淀粉和還原糖含量：采用DNS比色法[15]測定；游離氨基酸含量：采用茚三酮顯色法[15]測定；GABA和谷氨酸（glutamic acid，Glu）含量：參照Bai Qingyun等[16]的方法測定；谷氨酸脫羧酶（glutamate decarboxylase，GAD）活力：參照Li Yan等[17]的方法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸水速率

圖1 兩種糙米浸泡發(fā)芽期間吸水速率比較Fig.1 Comparison of water absorption rate between immature and mature brown rice during soaking germination

由圖1可知，低氧脅迫發(fā)芽0～48 h期間，兩種糙米的吸水變化均包括兩個階段。在0～8 h內(nèi)，糙米迅速吸水，90%的水分在這一階段吸收，發(fā)芽8 h時未熟粒和完熟粒糙米的質(zhì)量分別達12.42 g和12.30 g；糙米發(fā)芽8 h后吸水速度明顯減緩，其質(zhì)量無顯著性變化，發(fā)芽48 h時兩種糙米的質(zhì)量無顯著差異（P＞0.05）。

2.2 發(fā)芽率

圖2 兩種糙米浸泡發(fā)芽期間發(fā)芽率比較Fig.2 Comparisons of germination rate between immature and mature brown rice during soaking germination

由圖2可知，低氧脅迫發(fā)芽8 h后未熟粒與完熟粒糙米發(fā)芽率均達70%以上，其后隨著發(fā)芽時間的延長其發(fā)芽率趨于穩(wěn)定；發(fā)芽48 h時，未熟粒糙米的發(fā)芽率達79.3%，比完熟粒低14%。

2.3 芽長與呼吸強度

由圖3可知，低氧脅迫發(fā)芽48 h期間，未熟粒與完熟粒糙米的芽長均隨發(fā)芽時間的延長呈增長趨勢。未熟粒糙米的芽長在0～16 h內(nèi)無顯著性變化，其后顯著增加，發(fā)芽48 h其芽長達1.93 mm。

圖3 兩種糙米浸泡發(fā)芽期間芽長比較Fig.3 Comparison of shoot length between immature and mature brown rice during soaking germination

圖4 兩種糙米浸泡發(fā)芽期間呼吸強度比較Fig.4 Comparisons of respiration rate between of immature and mature brown rice during soaking germination

由圖4可知，低氧脅迫發(fā)芽0～48 h范圍內(nèi)，兩種糙米呼吸強度變化趨勢一致，其均隨發(fā)芽時間的延長呈增加趨勢。發(fā)芽48 h時，未熟粒糙米呼吸強度比發(fā)芽前升高5.6倍，與完熟粒糙米無顯著性差異，呼吸強度變化與其芽長變化趨勢一致，呈極顯著正相關(guān)（r=0.95，P＜0.05）。

2.4 容重

圖5 兩種糙米發(fā)芽前后容重比較Fig.5 Comparisons of density between immature and mature brown rice before and after germination

由圖5可知，未熟粒與完熟粒糙米經(jīng)低氧脅迫發(fā)芽后容重均無顯著性變化（P＞0.05），發(fā)芽48 h后未熟粒糙米容重為0.79 g/mL。

2.5 淀粉含量

由圖6可知，低氧脅迫發(fā)芽48 h期間，未熟粒與完熟粒糙米中淀粉含量均隨發(fā)芽時間的延長呈下降趨勢。發(fā)芽0 h，未熟粒糙米中淀粉含量為706.4 mg/g，經(jīng)低氧脅迫發(fā)芽48 h其淀粉含量下降13.3%，為619.9 mg/g。發(fā)芽48 h時，未熟粒與完熟粒糙米中淀粉含量無顯著性差異（P＞0.05）。

圖6 兩種糙米浸泡發(fā)芽期間淀粉含量比較Fig.6 Comparison of starch content between immature and mature brown rice during germination

2.6 還原糖與游離氨基酸含量

圖7 兩種糙米浸泡發(fā)芽期間還原糖含量比較Fig.7 Comparison of reducing sugar content between immature and mature brown rice during germination

由圖7可知，低氧脅迫發(fā)芽48 h期間，未熟粒糙米中還原糖含量高于完熟粒糙米，且二者均隨發(fā)芽時間的延長呈增加趨勢。發(fā)芽48 h后，未熟粒糙米中還原糖含量是發(fā)芽0 h的2.7倍，高達48.9 mg/g，且其與完熟粒糙米無顯著性差異（P＞0.05）。

圖8 兩種糙米浸泡發(fā)芽期間游離氨基酸含量比較Fig.8 Comparison of free amino acid content between immature and mature brown rice during soaking germination

由圖8可知，低氧脅迫發(fā)芽48 h期間，未熟粒與完熟粒糙米中游離氨基酸含量與還原糖含量變化趨勢一致，亦隨發(fā)芽時間的延長呈增加趨勢。發(fā)芽48 h后，未熟粒糙米中游離氨基酸含量增加3.19倍，達390.7 μg/g，其含量與完熟粒糙米無顯著性差異（P＞0.05）。

2.7 GABA含量

圖9 兩種糙米浸泡發(fā)芽期間GABA含量比較Fig.9 Comparison of GABA content between immature and mature brown rice during soaking germination

由圖9可知，低氧脅迫發(fā)芽0～48 h范圍內(nèi)，未熟粒糙米中GABA含量與完熟粒糙米無顯著差異，且均隨發(fā)芽時間的延長呈增加趨勢。發(fā)芽48 h時，未熟粒糙米中GABA含量是發(fā)芽0 h的2.08倍，達227.7 μg/g。

2.8 Glu含量與GAD活力

圖10 兩種糙米浸泡發(fā)芽期間Glu含量比較Fig.10 Comparison of Glu content between immature and mature brown rice during soaking germination

由圖10可知，低氧脅迫發(fā)芽48 h期間，未熟粒和完熟粒糙米中Glu含量均呈下降趨勢，且未熟粒糙米中Glu含量持續(xù)高于完熟粒。發(fā)芽0 h，未熟粒糙米中Glu含量為259.9 μg/g，脅迫發(fā)芽48 h后其含量顯著下降，僅為141.8 μg/g，是發(fā)芽0 h的54.6%，但未熟粒糙米中Glu含量與完熟粒無顯著性差異（P＞0.05）。

圖11 兩種糙米浸泡發(fā)芽期間GAD活力比較Fig.11 Comparison of GAD activity between immature and mature brown rice during soaking germination

由圖11可知，低氧脅迫發(fā)芽48 h期間，未熟粒和完熟粒糙米中GAD活力與Glu含量變化趨勢相反，其隨發(fā)芽時

間的延長逐漸增加，且未熟粒糙米中GAD活力低于完熟粒糙米。發(fā)芽0 h，未熟粒糙米中GAD活力為18.5 U/g，為完熟粒糙米的82.6%，發(fā)芽48 h后，其含量增加50.8%，與完熟粒糙米無顯著性差異（P＞0.05）。

2.9 主要生理生化指標(biāo)和GABA含量的相關(guān)性分析

表1 未熟粒發(fā)芽糙米主要生理生化指標(biāo)和GABA含量的相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis between physiological indexes and GABA content in germinated immature brown rice

由表1可知，未熟粒糙米低氧脅迫發(fā)芽期間，GABA含量增加，芽長增長，呼吸強度增加，游離氨基酸含量和GAD活力增加，而Glu含量下降，這些指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果見表1。結(jié)果表明，GABA含量與芽長、呼吸強度、游離氨基酸和GAD活力的相關(guān)系數(shù)均高于0.96，呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），而與淀粉和Glu含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。

3 討 論

本實驗將未熟粒糙米置于30 ℃、以酸性檸檬酸緩沖液為培養(yǎng)液，并通以1.2 L/min空氣進行發(fā)芽，這是一種低氧脅迫發(fā)芽方式。糙米脅迫發(fā)芽期間的生理生化變化包括酶系統(tǒng)的形成活化，呼吸作用增強和根芽的生長等方面，淀粉酶、蛋白酶等水解酶類的形成和活性增強，降解種子內(nèi)淀粉和蛋白質(zhì)等貯藏物質(zhì)，從而為呼吸等生理活動提供基質(zhì)，產(chǎn)生能量供種子萌發(fā)與生長利用[18]。有研究指出，不同粳稻品種的糙米發(fā)芽勢、發(fā)芽率等生理指標(biāo)和呼吸速率、淀粉酶活力及主要成分存在著差異[19]。實驗結(jié)果顯示，未熟粒糙米中淀粉含量低于完熟粒糙米，但其在低氧脅迫發(fā)芽期間仍能降解產(chǎn)生充足的能量用于種子的萌發(fā)與生長，盡管未熟粒糙米在發(fā)芽16 h內(nèi)芽長無顯著變化。即未熟粒糙米在發(fā)芽初期生長相對遲滯，但發(fā)芽48 h后，未熟粒糙米的芽長和呼吸強度較完熟粒無顯著性差異。脅迫發(fā)芽期間，未熟粒糙米中游離氨基酸含量顯著增加，這是由于發(fā)芽過程中蛋白酶被激活，貯藏蛋白分解從而使游離氨基酸含量增加，這與王玉萍等[20]研究結(jié)果一致。同時，未熟粒糙米發(fā)芽過程淀粉含量減少而還原糖和游離氨基酸含量增加，這說明未熟粒糙米經(jīng)發(fā)芽其營養(yǎng)組成得以改善，有利于人體吸收利用。

與玉米[21]和粟谷[22]等其他禾谷類原料在低氧脅迫條件下發(fā)芽變化一致，未熟粒糙米在低氧脅迫發(fā)芽48 h期間，GABA含量得以富集，且其與GAD活力呈顯著正相關(guān)，而與Glu含量呈顯著負(fù)相關(guān)，這是因為未熟粒糙米在低氧環(huán)境中其電子傳遞鏈?zhǔn)艿揭种?，糖類?jīng)糖酵解途徑轉(zhuǎn)化為丙酮酸后生成乳酸和乙醇導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)酸化，致使存在于細(xì)胞質(zhì)中的GAD在酸性條件下被激活，而Glu作為底物不斷被催化脫羧生成GABA[23]，最 終未熟粒糙米中GABA含量達227.7 μg/g。因此，未熟粒糙米可作為良好原料用于低氧脅迫發(fā)芽生產(chǎn)高GABA 功能性發(fā)芽糙米。

[1] 周顯青, 鄭超杰, 張玉榮, 等. 糙米中不完善粒對其加工品質(zhì)的影響[J].河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2012, 33( 6): 22-26.

[2] 白國偉. 糙米品質(zhì)指標(biāo)及其評價方法研究[D]. 鄭州: 河南工業(yè)大學(xué), 2011: 35-38.

[3] 高楊, 范必威. 大米品質(zhì)的評價及其主要影響因素[J]. 廣東微量元素科學(xué), 2005, 12(12): 12-16.

[4] 肖學(xué)彬, 陳戈, 符云勇, 等. 稻谷不完善粒檢測方法探討[J]. 糧油倉儲科技通訊, 2013, 29(3): 51-52.

[5] 賈文博. 糙米質(zhì)量評價主要指標(biāo)的研究[D]. 鄭州: 河南工業(yè)大學(xué), 2012: 18-30.

[6] 謝健. 中外大米標(biāo)準(zhǔn)的特點比較[J]. 糧食與飼料工業(yè), 2006(10): 3-6.

[7] 楊慧萍, 李常鈺, 唐培安, 等. 發(fā)芽對糙米理化特性的影響[J]. 中國糧油學(xué)報, 2012, 27(4): 38-43.

[8] 劉紅梅, 魏淘濤, 劉行丹, 等. 發(fā)芽糙米γ-氨基丁酸的檢測及研究進展[J]. 作物研究, 2012, 26(1): 88-92.

[9] 冀林立, 孟和畢力格. γ-氨基丁酸的生理功能和研究進展[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工: 學(xué)刊, 2007, 121(12): 11-14.

[10] AB DOU A M, HIGASHIGUCHI S, HORIE K, et al. Relaxation and immunity enhancement effects of γ-aminobutyric ac id (GABA) administration in humans[J]. Biofactors, 2006, 26(3): 201- 208.

[11] NEJATI F, RIZZELLO C G, CAGNO R, et al. Manufacture of a functional fermented milk enriched of angiotensin-I converting enzyme (ACE)-inhibitory peptides and gamma-amino butyric acid (GABA)[J]. LWT-Food Science Technology, 2013, 51(1): 183-189.

[12] 姚森, 鄭理, 趙思明, 等. 發(fā)芽條件對發(fā)芽糙米中γ-氨基丁酸含量的影 響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2006, 22(12): 211-215.

[13] 顧振新, 蔣振暉. 食品原料中γ-氨基丁酸(GABA)形成機理及富集技術(shù)[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2002, 28(10): 65-69.

[14] 鄭永華, 蘇新國, 李欠盛, 等. 高氧對枇杷果實貯藏期間呼吸速率和多酚氧化酶活性及品質(zhì)的影響[J]. 植物生理學(xué)通訊, 2000, 36(4): 318-320.

[15] 王學(xué)奎. 植物生理生化實驗原理和技術(shù)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006: 204-205.

[16] BAI Qingyun, CHAI Meiqing, GU Zhenxin, et al. Effects of components in culture medium on glutamate decarboxylase activity and gammaaminobutyric acid accumulation in foxtail millet (Setaria italica L.) during germination[J]. Food Chemistry, 2009, 116(1): 152-157.

[17] LI Yan, BAI Qingyun, JIN Xinjiang, et al. Effects of cultivar and culture conditions on γ-aminobutyric acid accumulation in ge rminated fava beans (Vicia faba L.)[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2010, 90(1): 52-57.

[18] 顧振新, 陳志剛, 岳建華, 等. 發(fā)芽糙米制備工藝研究[J]. 食品工業(yè)科技, 2004, 25(1): 70-72.

[19] 陳志剛, 顧振新, 王 玉萍, 等. 不同粳稻品種的糙米發(fā)芽力及其發(fā)芽糙米中主要物質(zhì)含量比較[J]. 中國糧油學(xué)報, 2004, 19(5): 1-3.

[20] 王玉萍, 韓永斌, 蔣振輝, 等. 通氣處理對發(fā)芽糙米生理活性及主要物質(zhì)含量影響[J]. 揚州大學(xué)學(xué)報: 農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版, 2006, 26(4): 91-94.

[21] 尹永祺, 吳進賢, 劉春泉, 等. 低氧脅迫下發(fā)芽玉米淀粉特性及高γ-氨基丁酸玉米飲料開發(fā)[J]. 食品科學(xué), 2014, 35(6): 234-239.

[22] 白青云, 曾波, 顧振新. 低氧通氣對發(fā)芽粟谷中γ-氨基丁酸含量的影響[J]. 食品科學(xué), 2010, 31(9): 49-53.

[23] SOUSA C A F, SODEK L. The metabolic response of plants to oxygen deficiency[J]. Brazilian Journal of Plant Physiology, 2002, 14(2): 83-94.

Physiological and Biochemical Changes during Germination of Immature Brown Rice under H ypoxia Stress

QIAN Hang, YANG Run-qiang, YIN Yong-qi, GU Zhen-xin*
(College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

The physiological and biochemical changes during germination of immature brown rice under hypoxia stress were investig ated. The results indicated that the germination rate of immature brown rice was 79.3%, shoot length was 1.92 mm, respiration rate was increased by 6.6 times, and density was 0.79 g/mL, after 48 h of germination under hypoxia stress. During germination, water content was increased firstly and then tended to be stable. Starch con tent showed a continuous decline, while the contents of reducing sugars and free amino acids were increased. T hese changes were consistent with those in mature brown rice and showed no significant difference. In addition, accumulation of γ-aminobutyric acid (GABA) was accelerated with increasing germination time. GABA content was increased by 108% at 48 h. Meanwhile, glutamate decarboxylase (GAD) activity and Glu content showed no significant difference from those of the mature brown rice. GABA content in immature brown rice germinating under hypoxia stress was correlated significantly positively with sprout length, respiration rate, free amino acid content and GAD activity, but significantly negatively with Glu and starch contents. Germination of immature brown rice under hypoxia stress can improve its nutritional quality and provide an excellent GABA-enriched material.

immature brown rice; germination; hypoxia stress; physiology and biochemistry

TS210.2

A

1002-6630（2014）15-0089-05

10.7506/spkx1002-6630-201415018

2014-04-25

江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目

錢行（1989—），男，碩士研究生，研究方向為食品中功能成分的富集技術(shù)。E-mail：2012808116@njau.edu.cn

*通信作者：顧振新（1956—），男，教授，博士，研究方向為生物技術(shù)與功能食品。E-mail：guzx@njau.edu.cn