王明輝,邵家威,張桂香,丁金國,魯佩杰,張炳文*
1(濟(jì)南大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 濟(jì)南,250002)2(諸城外貿(mào)有限責(zé)任公司,山東 諸城,262200)
谷物泛指各種禾本科植物的果實(shí)和種子,主要包括稻米、小麥、玉米、小米、糙米、藜麥等。谷物雖品種多樣,但結(jié)構(gòu)相似,均由谷皮、胚乳、胚芽組成。谷物中的營養(yǎng)物質(zhì)主要以淀粉為主,是人體主要能量來源。豆類是指所有能產(chǎn)生豆莢的豆科植物,常見的有黃豆、黑豆、綠豆、紅豆等。豆類為雙子葉無胚乳種子。種子由種皮和胚組成,胚包括胚根、胚軸、胚芽和子葉4部分。豆類中蛋白質(zhì)是主要組成物質(zhì),也是人體重要的蛋白質(zhì)來源[1]。
《中國居民膳食指南》指出:成人每天谷薯類食物攝入量應(yīng)當(dāng)在250~400 g,其中全谷物和雜豆類50~150 g。另外,為保證人體內(nèi)碳水化合物平衡,成人平均每天至少要吃夠150 g谷薯類食物。食物多樣、谷類為主是平衡膳食模式的重要特征。
生物萌育是以具有生命活力的種子為原料,給予適合的溫度、水分、光照和養(yǎng)分,使種子萌發(fā)的過程。萌發(fā)是生命的最初階段,也是植物生長過程中生命力最旺盛的階段[2]。在萌育過程中,種子吸水膨脹,機(jī)體新陳代謝能力增強(qiáng),機(jī)體相酶活力增強(qiáng),種子中的營養(yǎng)物質(zhì)被消耗,種胚萌發(fā)突破種皮,然后萌發(fā)[3]。在此過程中,種子中的酶活力增強(qiáng),其中,蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等大分子營養(yǎng)物質(zhì)在酶的催化作用下分解成小分子物質(zhì);維生素和礦物質(zhì)含量逐漸增多;功能性物質(zhì)如多酚、黃酮等含量發(fā)生變化,其延緩衰老、預(yù)防癌癥、降低膽固醇等的功能活性功效也隨之增加[4]。
生物萌育是一種提高食物利用率和改善營養(yǎng)成分的天然方法[5]。近年來,許多學(xué)者將萌育培養(yǎng)方法用于谷物和豆類的研究上,引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。谷豆萌芽后的功能活性研究也成為了熱點(diǎn)。這些研究使得人們對種子萌育有了新的認(rèn)識,為未來谷豆類食物的加工方法提供了一定的參考。
谷物和豆類都是我國重要的糧食資源,其含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)。種子萌發(fā)過程中,在多種酶的催化作用下,機(jī)體的生理代謝發(fā)生變化,大分子的營養(yǎng)物質(zhì)被酶解,種子中的營養(yǎng)物質(zhì)發(fā)生變化。
碳水化合物是谷物、豆類(大豆除外)中主要的營養(yǎng)物質(zhì),大多以淀粉的形式存在。鮑會梅[6]在研究中發(fā)現(xiàn),糙米在萌芽過程中淀粉含量呈下降趨勢,是萌發(fā)前的1/3,而還原糖含量相比萌發(fā)前提高6倍。糙米在萌發(fā)過程中,赤霉素誘導(dǎo)α-淀粉酶活力升高,淀粉在酶的作用下被分解為小分子糖,從而導(dǎo)致種子中還原糖含量增加[7]。
藜麥?zhǔn)悄壳拔ㄒ灰环N單體植物即可滿足人體基本營養(yǎng)需求的食物,其淀粉含量豐富[8]。研究發(fā)現(xiàn),藜麥萌發(fā)過程中淀粉及還原糖含量變化趨勢與其他谷物相似,并且萌發(fā)藜麥中的還原糖含量與淀粉酶活力呈正相關(guān)關(guān)系。在不同的溫度下萌育培養(yǎng),其還原糖含量變化會有所不同[9-11]。付榮霞等[12]在探究萌發(fā)溫度和時間對藜麥營養(yǎng)成分的影響時發(fā)現(xiàn),在20 ℃條件下萌發(fā)60 h,還原糖含量出現(xiàn)峰值;在15 ℃條件下,萌發(fā)72 h亦出現(xiàn)峰值。隨著溫度降低,碳水化合物分解速率逐漸降低,這是因?yàn)榈蜏匾种屏说矸勖富钚?,?dǎo)致淀粉轉(zhuǎn)化為還原糖的速率減慢。
花生萌芽又稱“長生芽”,因其獨(dú)特的風(fēng)味和脆嫩的口感而備受人們喜愛。研究發(fā)現(xiàn),花生在萌發(fā)過程中可食用部位重量增加,可溶性糖含量在萌發(fā)前期顯著升高。這是因?yàn)榛ㄉ诿妊窟^程中需要分解淀粉產(chǎn)生還原糖,釋放能量,以滿足自身生長發(fā)育,從而導(dǎo)致可溶性糖含量增加[13-14]。李先翠等[15]利用不同波長的光線照射萌發(fā)過程中的花生,研究發(fā)現(xiàn),紫色光照可以減緩花生中淀粉的分解速率,而黃、藍(lán)色光照可以促進(jìn)花生淀粉分解,提高種子中還原糖含量。
蛋白質(zhì)是生物機(jī)體的重要組成部分,也是植物籽粒的重要組分。大豆是我國主要的糧食作物之一,其蛋白質(zhì)含量高達(dá)30%~40%,并含有多種人體必需氨基酸,是重要的植物蛋白來源[16]。孫冰[17]研究發(fā)現(xiàn),大豆在萌育過程中蛋白質(zhì)含量呈下降趨勢,萌發(fā)120 h后減少約12.8%。謝皓等[18]研究發(fā)現(xiàn),大豆芽中蛋白質(zhì)含量隨萌發(fā)時間延長而逐漸升高,萌發(fā)8 d 后提升5.77%;氨基酸含量在萌發(fā)前3 d內(nèi)大幅升高,隨后開始下降。李新華等[19]發(fā)現(xiàn),大豆萌發(fā)過程中,內(nèi)源蛋白酶活力逐漸升高,游離氨基酸含量隨蛋白酶活力升高而增加。分析認(rèn)為,大豆萌發(fā)初期,子葉中的蛋白質(zhì)被內(nèi)源性蛋白酶分解生成游離氨基酸,為大豆萌發(fā)提供能量,從而導(dǎo)致大豆蛋白質(zhì)含量降低,氨基酸含量升高。
蛋白質(zhì)也是花生籽粒中重要營養(yǎng)物質(zhì)。張浩等[20]研究發(fā)現(xiàn),花生在萌發(fā)過程中,可溶性蛋白質(zhì)含量先降低后升高,在萌發(fā)48 h時達(dá)到最低點(diǎn);多肽和游離氨基酸含量均呈上升趨勢,相比萌發(fā)前增加了1.18倍和6.63倍。茹萬飛[21]研究發(fā)現(xiàn),花生萌發(fā)過程中蛋白質(zhì)和氨基酸變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。萌育過程中,氨基酸含量隨萌發(fā)天數(shù)增加而增加,含量由高到低依次為谷氨酸、天冬氨酸和精氨酸。由此可見,花生在萌發(fā)過程中大分子的蛋白質(zhì)被酶解成小分子的肽和游離氨基酸,合成其他氨基酸。
芝麻是我國重要的油料作物,而其豐富的蛋白質(zhì)資源往往被人們忽視。張麗霞等[5]研究發(fā)現(xiàn),芝麻在萌育過程中,隨萌發(fā)時間延長,蛋白質(zhì)含量先降低后升高,然后再降低。在芝麻萌芽后期,蛋白酶活性提高,蛋白質(zhì)分子被大量分解,從而導(dǎo)致其含量降低。張瑞等[22]研究發(fā)現(xiàn),芝麻萌發(fā)后氨基酸含量發(fā)生顯著變化,其中,谷氨酸下降11.51%,精氨酸下降11.71%,甘氨酸下降22.60%,蘇氨酸和賴氨酸分別上升24.62%和19.26%。隨著萌發(fā)時間延長,必需氨基酸含量占比逐漸上升。氨基酸含量的變化主要是因?yàn)橹ヂ樵诿劝l(fā)過程中蛋白酶被激活,芝麻中貯存的蛋白質(zhì)在酶的作用下被分解為小分子肽和氨基酸,這些氨基酸又參與分解代謝產(chǎn)生代謝物,代謝物又重新組合,組成新的氨基酸,從而導(dǎo)致萌芽芝麻中的氨基酸種類和數(shù)量發(fā)生改變。
脂肪是種子的重要儲能物質(zhì),在植物生長發(fā)育過程中起著重要作用。植物的油脂中含有豐富的脂肪酸,包括亞油酸、亞麻酸等人體必需脂肪酸,這是動物油脂無法替代的。芝麻是重要油料作物,在我國種植面積廣泛,有“油料皇后”的美稱[23]。在芝麻萌育過程中,粗脂肪含量隨萌芽時間的延長而降低,游離脂肪酸含量呈上升趨勢[24]。張麗霞等[5]研究發(fā)現(xiàn),芝麻萌發(fā)過程中脂肪酶活性不斷提高,從而導(dǎo)致脂肪含量不斷下降,下降率為53.5%。同時,脂肪酸含量也在不斷變化,亞油酸和亞麻酸含量隨萌發(fā)時間延長先升高后降低,在萌發(fā)6 h時達(dá)到最高,分別為45.3%和0.79%。在芝麻芽中同樣含有豐富的多不飽和脂肪酸,其中大多是油酸和亞油酸[25]。
大豆脂肪主要是由油酸和甘油組成,脂肪酸含量占脂肪總量的90%以上,主要包括油酸、亞油酸、亞麻酸、硬脂酸和棕櫚酸。大豆萌發(fā)過程中,脂肪逐漸被分解利用,脂肪酸含量逐漸減少[26]。謝皓等[18]研究發(fā)現(xiàn),大豆萌發(fā)過程中,棕櫚酸、硬脂酸和油酸含量呈下降趨勢,而亞油酸和亞麻酸含量逐漸增加。
鮑會梅[6]研究發(fā)現(xiàn),糙米萌發(fā)后維生素B6含量升高,萌發(fā)72 h時達(dá)到0.96 μg/g,維生素C含量相比萌發(fā)前也有顯著提升。彭立偉等[27]研究發(fā)現(xiàn),大豆發(fā)芽72 h后維生素C含量高達(dá)0.021 7%,維生素A和維生素E含量均成倍增長,分別增加了14.7 倍和6.4倍。藜麥中微量營養(yǎng)元素種類豐富,維生素E含量遠(yuǎn)高于其他谷物。萌發(fā)后,每100 g萌芽中維生素E含量高達(dá)21.64 mg[28]。芝麻中的生育酚是重要的抗氧化物質(zhì),芝麻在萌育過程中,生育酚含量先降低后升高再降低,萌發(fā)8 h時生育酚含量達(dá)最高值,為546.3 mg/kg[29]。
除維生素外,豆類和谷物中還含有豐富的礦物質(zhì)。在萌育過程中,種子中的礦物質(zhì)含量隨萌育時間的變化而變化。大豆在萌發(fā)過程中鈣、鐵、磷含量呈下降趨勢,游離鐵和游離鈣含量不變[17]。糙米萌發(fā)后,其鈣、鐵、鉀、鎂、鈉、鋅的含量均呈上升趨勢,并隨萌發(fā)時間延長而增加[30]。
豆類和谷物中除主要的營養(yǎng)物質(zhì)外,還含有微量的功能性成分,如花生中的白藜蘆醇、芝麻中的木脂素、大豆中的異黃酮等。在谷物和豆類萌發(fā)過程中,種子內(nèi)的功能性物質(zhì)含量也隨之變化。
萌育提高了谷豆中主要功能活性物質(zhì)含量,同時也顯著提高了谷豆的營養(yǎng)保健價(jià)值。多酚和黃酮類物質(zhì)是植物體內(nèi)重要的生物活性物質(zhì),具有廣泛的生理功能?;ㄉ械陌邹继J醇是重要的天然多酚類物質(zhì),具有抗氧化、抑制癌癥、降血壓、保護(hù)心血管等功效。徐世杰等[4]研究發(fā)現(xiàn),花生經(jīng)萌育處理后,白藜蘆醇含量上升54.5%,總酚和黃酮含量分別上升53.6%和42.5%。
芝麻中的木脂素是重要抗氧化物質(zhì),具有抑制癌細(xì)胞生長、保護(hù)肝臟作用。研究表明,在芝麻萌發(fā)過程中,芝麻素和芝麻林素含量呈下降趨勢,木脂素被分解,萌育培養(yǎng)4 d后木脂素含量約為475 mg/100g[3,31]。
大豆中異黃酮是大豆生長過程中的次級代謝產(chǎn)物,具有抗衰老、抑制癌癥的功效。李笑梅[32]在大豆萌育研究中發(fā)現(xiàn),隨著萌發(fā)時間的延長,大豆異黃酮含量逐漸增加,萌發(fā)96 h時達(dá)到最高,為3.35 mg/g,相比萌發(fā)前提高了2.9倍。畢偉偉等[33]的研究表明,光照有利于大豆異黃酮的合成和積累,在光照條件下異黃酮增加速率明顯高于對照組。
申海進(jìn)等[34]研究發(fā)現(xiàn),大豆在萌育過程中,苷元含量不斷升高。在96 h時達(dá)到最大,相比未萌發(fā)大豆提高512.9%,糖苷型含量下降31.7%,由此看來大豆在萌發(fā)過程中糖苷發(fā)生代謝轉(zhuǎn)化,從而導(dǎo)致苷元含量增加。
GABA是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì),具有促進(jìn)生長素分泌、鎮(zhèn)靜神經(jīng)等功效[35]。研究表明,植物種子萌發(fā)過程中會產(chǎn)生CABA,在受到低溫、低氧、機(jī)械損傷、鹽脅迫等脅迫壓力時,會導(dǎo)致GABA迅速積累。
李先翠等[15]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),花生在萌發(fā)48 h后GABA含量相比萌發(fā)前提高7倍。糙米在萌發(fā)后其GABA含量是萌發(fā)前的3倍多,最高達(dá)到105.21 mg/100g[36]。糙米萌育過程中添加蔗糖,會使GABA含量相比無蔗糖條件萌發(fā)時明顯提高[37]。
胡秀娟等[38]采用氯化鈣鹽脅條件萌育糙米,發(fā)現(xiàn)糙米中GABA含量可達(dá)到131.91 mg/100g。尹永祺等[39]采用低氧冷激的方法萌發(fā)玉米籽粒,在低氧條件下萌育72 h后,于-18 ℃冷凍6 h,然后25 ℃回溫4 h,結(jié)果表明玉米籽粒中GABA含量提高29.9倍,達(dá)到1.52 mg/g。小麥在萌發(fā)過程中GABA含量同樣發(fā)生變化,小麥籽粒在低溫脅迫環(huán)境下,萌育培養(yǎng)24 h,GABA含量相比萌發(fā)前提高98.7%[40]。在芝麻萌育研究中同樣發(fā)現(xiàn),隨著萌發(fā)時間延長,芝麻中的GABA含量升高,萌芽5 d種子中的GABA含量由24.13 μg/g提高到95.28 μg/g,約是萌育前的3倍[25]。
谷豆在萌育過程中谷氨酸脫羧酶被激活,機(jī)體中的谷氨酸被轉(zhuǎn)化為GABA,從而導(dǎo)致GABA含量升高,在提高種子功能活性物質(zhì)含量的同時,大大提高了谷豆類食物的營養(yǎng)保健價(jià)值。
谷物和豆類是人們?nèi)粘I钪斜夭豢扇钡氖澄?,傳統(tǒng)的谷豆類食物大都以原始狀態(tài)的種子為原料,經(jīng)過一系列工藝加工成成品。受食物原料限制,產(chǎn)品的營養(yǎng)成分很難得到改善。在萌育過程中,谷豆自身的營養(yǎng)成分發(fā)生改變,一些功能性因子的增加大大提高了谷豆的營養(yǎng)保健功效。李時珍在《本草綱目》中記載:唯此豆芽白美獨(dú)異,食后清心養(yǎng)身,具有“解酒毒、熱毒,利三焦”之功。由此可見,谷豆萌芽有著極高的生物活性。
大豆異黃酮是大豆生長過程中的次級代謝產(chǎn)物,是一種重要的活性物質(zhì)。巫波等[41]研究發(fā)現(xiàn),大豆異黃酮對乳腺癌、前列腺炎、消化道腫瘤、肺癌都有較好的預(yù)防和治療效果。其作用機(jī)制主要包括:異黃酮利用自身的抗氧化作用,清除體內(nèi)自由基,誘導(dǎo)抗氧化酶活性從而抑制癌細(xì)胞生長;異黃酮具有抗雌激素特性,能夠抑制雌性受體結(jié)合,從而降低與雌激素相關(guān)的腫瘤發(fā)病率;異黃酮還能夠阻止細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)復(fù)合物形成,導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯,使細(xì)胞不再增殖,進(jìn)而抑制癌細(xì)胞生長。朱春燕等[42]采用超聲-微波聯(lián)用提取豆芽中的異黃酮,發(fā)現(xiàn)異黃酮提取物可有效抑制金黃色葡萄球菌生長。由此證明大豆芽中的異黃酮存在較強(qiáng)的抗癌抑菌活性。
滕文靜[43]采用萌發(fā)大豆作原料,加工制作萌發(fā)大豆豆腐。研究發(fā)現(xiàn),萌發(fā)大豆豆腐中的抗?fàn)I養(yǎng)因子含量明顯低于傳統(tǒng)豆腐,使得豆腐中的營養(yǎng)物質(zhì)能夠更好地被人體吸收利用。大豆酸奶是一種谷物酸奶,在充分利用大豆蛋白的同時又可彌補(bǔ)牛奶酸奶高脂肪、高膽固醇的缺點(diǎn)。劉愛潔等[44]采用萌發(fā)大豆為原料制作大豆酸奶,大豆在萌發(fā)過程中,自身營養(yǎng)物質(zhì)被水解為更易被人體吸收的小分子物質(zhì),異黃酮、維生素和膳食纖維的含量也有所提高,全方位改善了大豆酸奶的營養(yǎng)成分。項(xiàng)聿蘭[45]根據(jù)不同品種大豆?fàn)I養(yǎng)成分含量特點(diǎn),結(jié)合大豆萌育過程中功能因子變化規(guī)律,研究制備了適合不同人群的豆?jié){產(chǎn)品,該系列產(chǎn)品分別具有預(yù)防老年癡呆、抗衰老、促進(jìn)消化吸收、補(bǔ)充蛋白質(zhì)和降血脂等功效,充分利用了大豆資源,提高大豆的保健功效。
谷豆在萌發(fā)過程中會產(chǎn)生豐富的抗氧化物質(zhì),如谷維素、維生素E、植酸等。糙米被稱為“可以吃的化妝品”。王嘉怡等[46]研究發(fā)現(xiàn),發(fā)芽糙米中的抗氧化物質(zhì)植酸、阿魏酸可有效抑制黑色素產(chǎn)生,并且促進(jìn)皮膚新陳代謝,減緩皮膚氧化衰老。且在探究發(fā)芽糙米米糠對高血脂大鼠血脂代謝的影響中發(fā)現(xiàn),食用發(fā)芽糙米米糠的大鼠膽固醇和甘油三酯顯著低于對照組,原因是發(fā)芽糙米提取物能夠調(diào)節(jié)體內(nèi)過氧化物酶激活受體γ和增強(qiáng)子結(jié)合蛋白α的表達(dá),抑制脂肪細(xì)胞中脂肪的積累,從而達(dá)到降血脂的目的。
劉晨等[47]將發(fā)芽糙米應(yīng)用于糖尿病功能食品中,發(fā)現(xiàn)糙米在萌芽過程中產(chǎn)生的GABA、谷維素、膳食纖維等活性成分具有降低Ⅱ型糖尿病患者血糖濃度和膽固醇含量、預(yù)防肥胖的功效。
芝麻芽中的芝麻酚具有較強(qiáng)的抗氧化和清除自由基能力,通過清除體內(nèi)自由基減緩細(xì)胞的衰老死亡。張瑞[48]在探究芝麻萌發(fā)過程中功能性物質(zhì)作用時發(fā)現(xiàn),芝麻芽中的提取物對小鼠肝臟有較好的保護(hù)作用,可有效緩解CCl4對肝臟的損傷。
GABA是生物腦組織中重要的神經(jīng)遞質(zhì),也是谷豆萌芽中重要的活性物質(zhì)。GABA可以提高葡萄糖磷酸酯酶的活力,刺激腦細(xì)胞活力,促進(jìn)腦組織的新陳代謝,改善神經(jīng)機(jī)能,從而具有緩解情緒緊張,緩解神經(jīng)抑郁的功效。芝麻醬是常見的調(diào)味品之一,也是北方火鍋的主要蘸料。張炳文等[49]利用萌育技術(shù),將芝麻在高鹽脅迫環(huán)境下進(jìn)行萌育培養(yǎng),以發(fā)芽芝麻為原料加工一種高GABA芝麻醬,在保留芝麻醬原始風(fēng)味的同時,提高了芝麻醬的營養(yǎng)保健價(jià)值。
隨著人們對谷豆萌育研究的不斷深入,越來越多的谷豆類產(chǎn)品被開發(fā)出來。胡潔[9]以營養(yǎng)和功能物質(zhì)含量為指標(biāo),探究最佳萌發(fā)時間,采用發(fā)芽3 d的藜麥為原料,加工制作了一款營養(yǎng)豐富、口感潤滑具有濃郁麥香的藜麥芽飲料。
我國豆類資源豐富,一些豆類萌芽通常作為蔬菜被人們直接食用。鄭立軍[50]分別探究7種豆類在萌發(fā)過程中GABA含量變化規(guī)律,以7種發(fā)芽豆類為原料,開發(fā)制作了一種富含GABA的豆芽粉發(fā)糕脆片。
谷物和豆類中含有豐富的營養(yǎng)及功能活性物質(zhì),是重要的食物資源。通過生物萌育技術(shù)可有效改善谷物和豆類的營養(yǎng)成分,提高其保健功效價(jià)值,但目前對萌育技術(shù)的研究不足,為促進(jìn)發(fā)芽谷豆的廣泛應(yīng)用,仍有問題需要研究。
生物萌育是一種可控的技術(shù),谷豆在萌芽過程中營養(yǎng)成分的變化已得到廣泛的研究,但對其變化機(jī)制并未完全了解。應(yīng)針對不同營養(yǎng)需求,探究最佳的萌發(fā)條件,以提高谷豆?fàn)I養(yǎng)價(jià)值。谷豆萌芽提取物在保健功效方面同樣具有潛在的應(yīng)用價(jià)值,探究谷豆萌芽中生物活性物質(zhì)在人體內(nèi)的作用機(jī)制將是今后研究的熱點(diǎn)。
萌發(fā)谷豆中含有麩皮層和胚芽等結(jié)構(gòu),口感相對精加工谷豆食品差,在當(dāng)前社會大力推廣全谷物食品的背景下,研究萌育技術(shù)提高谷豆?fàn)I養(yǎng)的同時,還應(yīng)探索新型加工技術(shù)來提高萌芽谷豆食品口感,這也將是未來重要的研究方向。
谷豆萌芽目前的應(yīng)用更多在于食品方面,可以針對嬰幼兒及老年人等營養(yǎng)缺乏人群的需求開發(fā)一些特殊食品,以滿足不同人群的營養(yǎng)所需。此外,芝麻萌芽中的功能活性物質(zhì)還可以應(yīng)用在保健品、藥品等領(lǐng)域,如萌芽中產(chǎn)生的GABA具有調(diào)節(jié)睡眠、抗焦慮的功效,可有效改善人體健康,提高人體免疫力。黃酮類和多酚類物質(zhì)也是谷豆萌芽中重要的功能活性物質(zhì),對其保健功效的探究也是極其重要的。萌育培養(yǎng)提高了谷豆類食物的營養(yǎng)和保健價(jià)值,在人們追求健康生活的今天,谷豆生物萌育技術(shù)的利用與拓展有著更為廣闊的研究前景。