未成熟蠶豆中礦物質(zhì)含量、氨基酸組成和微觀結(jié)構(gòu)的研究

陳友霞,劉珍珍,楊文藝,孔 霄,林 琳,高春燕

(大理大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院,云南大理 671000)

蠶豆(ViciafabaL.)又名羅漢豆、胡豆或佛豆,在豆科作物中占有舉足輕重的地位,長(zhǎng)期以來(lái)一直是發(fā)展中國(guó)家(主要是亞洲和非洲)的主要糧食作物[1-3]。我國(guó)是世界蠶豆種植面積最大的國(guó)家,種植地區(qū)主要分布于青海、甘肅和云南等省份,常年播種面積達(dá)到2500 km2,總產(chǎn)量達(dá)35萬(wàn)噸[4]。蠶豆含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分,含有22.4%～36.0%的蛋白質(zhì)、57.8%～61.0%的碳水化合物、12.0%的膳食纖維和1.2%～4.0%的脂質(zhì)[5]。此外,蠶豆是維生素、礦物質(zhì)和生物活性化合物的良好來(lái)源,如酚類化合物,包括生育酚以及三萜酸[6-8]。目前大量的研究關(guān)注于成熟或干燥蠶豆的組成和功能活性,對(duì)未成熟蠶豆?fàn)I養(yǎng)成分的研究較少。然而在一些地區(qū),例如智利[5]和中國(guó)[9]對(duì)新鮮和未成熟蠶豆的食用需求很大。近年來(lái)云南省鮮食蠶豆的生產(chǎn)規(guī)模發(fā)展迅速,年播種面積和總產(chǎn)量均居全國(guó)之首,是全國(guó)最大的鮮食蠶豆主產(chǎn)區(qū)[10]。

表1 火焰原子吸收分光光度計(jì)工作條件參數(shù)Table 1 Working conditions of flame atomic absorption spectrophotometer

礦物質(zhì)和氨基酸是人體維持正常生理功能所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),且礦物質(zhì)和必需氨基酸攝入過量或不足均會(huì)影響人體健康[11-14]。食物中氨基酸的種類、含量及各組分所占的比例是評(píng)價(jià)其蛋白質(zhì)優(yōu)良程度的決定性指標(biāo)[15-17]。已有研究證實(shí),成熟蠶豆種子中礦物質(zhì)和氨基酸含量極為豐富[18-21],然而關(guān)于未成熟蠶豆中的礦物質(zhì)含量、氨基酸組成以及微觀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化還未見報(bào)道。本研究以大理州農(nóng)業(yè)科學(xué)院培育出的高產(chǎn)、抗銹新品種鳳豆15號(hào)和鳳豆18號(hào)為原料,對(duì)其三個(gè)不同食用階段種皮和胚中的礦物質(zhì)含量、整粒蛋白的氨基酸組成和胚的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究,以期為蠶豆新品種的培育、推廣及消費(fèi)者科學(xué)地選購(gòu)蠶豆提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

兩個(gè)蠶豆品種 分別為鳳豆15號(hào)(FD15)和鳳豆18號(hào)(FD18),于2016年10月19日種植于大理農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶豆研究基地(北緯:100°24′,東經(jīng):25°45′,海拔2090 m)。FD15的全生育期為166～170 DAS,FD18的全生育期為172～179 DAS,本實(shí)驗(yàn)分三個(gè)食用階段S1(138 DAS)、S2(156 DAS)和S3(173 DAS)進(jìn)行隨機(jī)采收,其中S3階段已達(dá)到成熟期(DAS:Days after seeding,播種后的天數(shù));鈣、鎂、鉀、鐵、鋅、錳、銅、鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液(1000 μg/mL) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心;硝酸、鹽酸(優(yōu)級(jí)純) 西隴科學(xué)股份有限公司;氫氧化鈉(分析純) 天津市福晨化學(xué)試劑廠;鹽酸、檸檬酸鈉(分析純) 天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。

Scientz-ND型系列真空冷凍干燥機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司;AA-6200火焰原子吸收分光光度計(jì) 日本島津公司;RJM-28-10馬弗爐 湖南長(zhǎng)沙市華光電爐廠;DK-98-II電爐 天津市泰斯特儀器有限公司;DFY-600搖擺式高速萬(wàn)能粉碎機(jī) 溫嶺市林大機(jī)械有限公司;RE-3000旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠;L-8900自動(dòng)氨基酸分析儀 日本日立公司;掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy,SEM) 荷蘭皇家飛利浦電子公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 蠶豆樣品的制備 將三個(gè)食用階段的未成熟蠶豆手工去除豆莢并冷凍干燥(-51 ℃,12 h),手工分為整粒種子、種皮和胚三部分,粉碎過60目篩,儲(chǔ)存至-20 ℃?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 礦物質(zhì)含量的測(cè)定 參照Lu等[22]的方法,采用干灰化法消化樣品(稱取0.5 g蠶豆種皮和胚的凍干粉末,首先在電爐上碳化,然后置于馬弗爐中在(500±25) ℃下灰化4 h),然后溶解在10 mL 10%硝酸(V/V)中。最后,采用火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定K、Mg、Ca、Zn、Fe、Cu、Mn和Cr的含量,結(jié)果表示為mg/100 g干重?；鹧嬖游辗止夤舛扔?jì)工作參數(shù)見表1。

1.2.3 氨基酸組成分析 根據(jù)Gao等[23]的方法,取整粒干燥的蠶豆整粒種子粉末溶解于NaOH(pH10.0)溶液中,室溫下振蕩提取3 h,12000 r/min離心10 min,取上清液滴加鹽酸將其酸化至pH=4沉淀蛋白質(zhì),再以12000 r/min離心10 min回收沉淀的蛋白質(zhì),并冷凍干燥(-51 ℃,12 h)。隨后,精密稱取100 mg冷凍干燥所得的蛋白提取物在氮?dú)庀掠?10 ℃用10 mL 6 mol/L HCl水解22 h,然后用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(50 ℃,200 r/min)濃縮水解產(chǎn)物,再用檸檬酸鈉緩沖液(0.02 mol/L,pH2.2)溶解并定容至5 mL。最后,將所得樣品通過0.22 μm聚四氟乙烯微孔濾膜(PTFE)過濾,并采用氨基酸分析儀測(cè)定除色氨酸外的17種氨基酸含量,即天冬氨酸(Asp)、蘇氨酸(Thr)、絲氨酸(Ser)、谷氨酸(Glu)、甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)、半胱氨酸(Cys)、纈氨酸(Val)、蛋氨酸(Met)、異亮氨酸(Ile)、亮氨酸(Leu)、酪氨酸(Tyr)、苯丙氨酸(Phe)、賴氨酸(Lys)、組氨酸(His)、精氨酸(Arg)和脯氨酸(Pro)。

1.2.4 電子顯微鏡掃描 將干燥的蠶豆胚顆粒均勻分布在粘有導(dǎo)電雙面膠的銅柱上,然后固定在載物臺(tái)上,在低真空模式,20.0 kV、50 Pa的條件下對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描電鏡(1000×)觀察。

1.3 數(shù)據(jù)處理

表2 不同食用階段蠶豆種皮、胚中的礦物質(zhì)含量(mg/100 g DW)Table 2 Mineral content in seed coat and embryo of broad bean in different edible stages(mg/100 g DW)

注:ND代表沒有檢測(cè)到;同列不同小寫字母表示相同蠶豆品種不同食用階段差異顯著(P<0.05);同列不同大寫字母表示相同食用階段不同蠶豆品種間差異顯著(P<0.05);表3同。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同食用階段蠶豆的礦物質(zhì)含量

兩個(gè)品種三個(gè)食用階段的未成熟蠶豆種皮和胚中礦物質(zhì)含量的測(cè)定結(jié)果見表2。結(jié)果表明,種皮中含量最高的礦物質(zhì)是K(490.23～873.01 mg/100 g DW),其次是Mg(45.43～58.21 mg/100 g DW)、Ca(16.11～81.09 mg/100 g DW)、Zn(3.83～7.59 mg/100 g DW)、Cu(0.76～2.91 mg/100 g DW)、Mn(0.73～1.24 mg/100 g DW)和Fe(0.00～1.58 mg/100 g DW);胚中含量最高的是K(525.86～760.84 mg/100 g DW),其次是Mg(34.71～43.88 mg/100 g DW)、Ca(2.39～26.12 mg/100 g DW)、Zn(4.26～5.45 mg/100 g DW)、Fe(1.87～3.78 mg/100 g DW)、Cu(0.84～1.46 mg/100 g DW)和Mn(0.47～0.87 mg/100 g DW);且Cr在所有蠶豆樣品中均未檢出。由此可見,兩個(gè)品種三個(gè)食用階段的未成熟蠶豆種皮和胚中的主要礦物質(zhì)均為K、Mg、Ca、Zn,且大部分能檢測(cè)到少量的Fe、Cu和Mn。

各礦物質(zhì)元素在種皮和胚中的分布呈現(xiàn)多樣性。例如,Mg的含量在兩個(gè)品種的S1～S3階段均表現(xiàn)為種皮高于胚,而Fe正好相反;K和Cu的含量在兩個(gè)品種的S1～S2階段均表現(xiàn)為種皮高于胚,而在S3階段的含量表現(xiàn)為種皮低于胚。Ca、Zn和Mn的含量在FD18中的S1～S3階段均表現(xiàn)為種皮高于胚;而在FD15中Ca含量在其S1階段表現(xiàn)為種皮低于胚,在S2～S3階段種皮含量高于胚;Zn和Mn在FD15中S1～S2階段為種皮含量高于胚,而在S3階段相反。

不同礦物質(zhì)元素在整個(gè)食用過程中的變化不同。例如,隨著食用階段的延后,K含量在兩個(gè)品種的種皮和胚中均呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì);Ca在兩個(gè)品種的種皮中含量均逐漸增加,而在胚中的含量均逐漸降低;與Ca相反,Cu在兩個(gè)品種的種皮中含量逐漸降低,而在胚中的含量逐漸升高;Mn在兩個(gè)品種的種皮中含量無(wú)顯著變化(P>0.05),而在胚中的含量均逐漸升高。隨著食用階段的延后,不同品種的礦物質(zhì)含量也存在差異,Mg在FD15種皮中的含量隨食用階段的延后逐漸降低,在胚中的含量呈先降低后升高的顯著變化趨勢(shì)(P<0.05),然而在FD18種皮和胚中的含量均無(wú)顯著變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,蠶豆種皮和胚中的礦物質(zhì)含量均十分豐富,各礦物質(zhì)的含量與未成熟蠶豆的品種、部位和食用階段有關(guān),這與柏方敏、劉建明、申小云等[24-26]的研究結(jié)果一致,即植物體內(nèi)的礦物質(zhì)含量受土壤中各化學(xué)元素的組成、含量水平及植物富集能力、植物品種等因素的影響。因此,蠶豆種皮中也含有豐富的礦物質(zhì),在食用過程中不要輕易舍棄種皮;此外,隨食用階段的延后礦物質(zhì)含量變化較大,消費(fèi)者應(yīng)根據(jù)食用需求合理地選購(gòu)蠶豆。

2.2 不同食用階段蠶豆的氨基酸組成

不同食用階段蠶豆蛋白氨基酸組成見表3。由表3可知,除Cys未檢測(cè)到外,其余16種氨基酸均檢測(cè)到?？偘被?TAA)含量范圍為20.71～85.44 g/100 g蛋白質(zhì),總的必需氨基酸(EAA)含量范圍為2.65～27.86 g/100 g蛋白質(zhì),非必需氨基酸(NEAA)含量范圍為18.06～57.58 g/100 g蛋白質(zhì)。含量最為豐富的氨基酸是Glu、Asp、Arg和Leu,必需氨基酸除了Leu外,Lys、Ile、Phe和Val含量也較為豐富,這與Vioque等[1]的發(fā)現(xiàn)一致。

表3 不同食用階段蠶豆蛋白的氨基酸組成(g/100 g蛋白質(zhì))Table 3 Amino acid composition of broad bean protein in different edible stages(g/100 g protein)

注:a代表必需氨基酸;TAA代表總氨基酸。

TAA含量在兩個(gè)品種的S1～S3階段均顯著增加(P<0.05),EAA和大部分單個(gè)氨基酸含量與TAA含量變化趨勢(shì)一致。TAA和部分EAA(Leu、Ile、Val和Met)含量在三個(gè)食用階段中均表現(xiàn)為FD18>FD15。此外,兩個(gè)品種三個(gè)食用階段的EAA/TAA范圍為12.80%～37.35%,且兩個(gè)品種的EAA占比均為S2階段最高。氨基酸評(píng)分結(jié)果顯示,Met在兩個(gè)品種的各食用階段中氨基酸評(píng)分(AAS)均最低(8.9～18.6),且Cys在所有蠶豆樣品中均未檢出,這與先前的相關(guān)報(bào)道[27-28]一致,即大多數(shù)豆科種子缺乏含硫氨基酸。不同品種及各食用階段蠶豆蛋白氨基酸含量的差異及變化可歸因于氨基酸通透酶家族(AAP)、植物根際微生物、土壤質(zhì)地和外界環(huán)境等因素的影響所致[29-30]。

氨基酸與礦物質(zhì)之間的相關(guān)性分析結(jié)果顯示,FD15中Mg和Ile、Leu、Tyr、Lys具有顯著的負(fù)相關(guān)性(r=-0.999,P<0.05;r=-0.998,P<0.05;r=-0.999,P<0.05;r=-1.000,P<0.05),Fe與Glu也具有顯著的負(fù)相關(guān)性(r=-0.999,P<0.05)。FD18中Zn和Gly、Val之間具有顯著的正相關(guān)性(r=0.999,P<0.05;r=0.999,P<0.05),K和Pro具有顯著的負(fù)相關(guān)性(r=-1.000,P<0.05),其他礦物質(zhì)與氨基酸之間均無(wú)相關(guān)性。這說(shuō)明蠶豆在成熟過程中對(duì)礦物質(zhì)的吸收、富集與氨基酸的合成之間沒有明顯的相互作用。

2.3 不同食用階段蠶豆的顯微結(jié)構(gòu)

為了研究不同食用階蠶豆胚的微觀結(jié)構(gòu)變化,采用掃描電子顯微鏡對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察,結(jié)果見圖1。圖1中觀察到的從卵形到球形不同形狀的顆粒是淀粉顆粒。附著在淀粉顆粒上的非均勻不規(guī)則的顆粒,它們代表蛋白質(zhì)體或蛋白質(zhì)基質(zhì)、礦物質(zhì)和纖維成分的碎片,這與Ma等[31-32]在不同豆科植物中所報(bào)道的一致。眾所周知,豆科植物種子在成熟過程中淀粉含量不斷增加[33]。從圖1中可以看出,蠶豆淀粉顆粒的大小隨食用階段的延后逐漸增加,這表明蠶豆胚中淀粉含量的增加可能是由于淀粉顆粒大小的增加。此外,淀粉顆粒的形狀和密度在不同品種之間是不同的,FD15中多角形占多數(shù),而FD18中橢圓形或圓形占多數(shù),且鳳豆18號(hào)中淀粉顆粒的密度大于鳳豆15號(hào)。這可能與遺傳因素、胚乳的充實(shí)程度、蛋白質(zhì)含量及外界環(huán)境有關(guān)[34-35]。

圖1 不同食用階段蠶豆的掃描電子顯微照片(1000×)Fig.1 Scanning electron micrograph of broad bean in different edible stages(1000×)注:A1～A3表示鳳豆15號(hào)的S1～S3階段;B1～B3表示鳳豆18號(hào)的S1～S3階段。

3 結(jié)論

兩個(gè)未成熟蠶豆品種中含量最高的礦物質(zhì)均為K、Mg、Ca、Zn,并均能檢測(cè)到少量的Fe、Cu和Mn,均未檢測(cè)到Cr,且大部分礦物質(zhì)在種皮中的含量高于胚中;大體而言,礦物質(zhì)含量在兩個(gè)未成熟蠶豆品種的種皮和胚中均隨食用階段的延后逐漸降低;蠶豆蛋白中氨基酸種類及含量豐富,其中總EAA含量范圍為2.65～27.86 g/100 g蛋白質(zhì),占TAA含量的12.80%～37.35%;大部分單個(gè)氨基酸和TAA含量隨著食用階段的延后不斷增加,且FD18中TAA含量和大部分EAA(Leu、Ile、Val和Met)的含量高于FD15,Met和Cys為限制性氨基酸;由相關(guān)性分析結(jié)果表明,未成熟蠶豆中氨基酸與礦物質(zhì)之間沒有明顯的相互作用;微觀結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果顯示了蠶豆淀粉粒在不同食用階段過程中的變化,蠶豆淀粉顆粒的大小隨食用階段的延后逐漸增加,這表明蠶豆胚中淀粉含量的增加可能是由于淀粉顆粒大小的增加。此外,淀粉顆粒的形狀和密度在不同品種之間是不同的,FD15中多角形占多數(shù),而FD18中橢圓形或圓形占多數(shù),且鳳豆18號(hào)中淀粉顆粒的密度大于鳳豆15號(hào)。