楊 鵬1,2,陸蘭芳1,2,王 展2,沈汪洋2,于 博

(1.湖北文理學(xué)院食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖北襄陽 441053;2.武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢 430023)

谷子是原產(chǎn)于我國北方黃河流域的傳統(tǒng)作物[1],有糜子(proso millet)、珍珠粟(pearl millet)、黃小米(foxtail millet)、龍爪粟(finger millet)等品種[2]。小米為谷子脫殼后的產(chǎn)物,含有豐富的營養(yǎng)及保健成分[3],其中淀粉為小米的主要成分(占籽粒質(zhì)量的63%～79%)[4]。淀粉本身特性(孔洞、分子量、結(jié)晶度等)[5-6]以及淀粉基發(fā)芽谷物食品中含有的脂類成分[7]、蛋白質(zhì)[8]、多酚和纖維[9-10]等成分均會(huì)影響谷物及其制品中淀粉的消化,從而影響包括小米在內(nèi)的谷物中營養(yǎng)的吸收。發(fā)芽是一種綠色(靠內(nèi)源酶改變產(chǎn)品特性)、低損失且可以提高營養(yǎng)的加工技術(shù),備受國內(nèi)外學(xué)者的青睞。該技術(shù)不僅可以改變包括小米在內(nèi)的谷物的營養(yǎng)成分及加工特性,還可以降低脂類物質(zhì)和抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)[11],提高其制品的消化率進(jìn)而促進(jìn)營養(yǎng)的吸收。

水分是種子生理代謝活動(dòng)中必需的反應(yīng)底物和介質(zhì),種子萌發(fā)整個(gè)過程都與其內(nèi)部水分的含量及分布密切相關(guān),水分過多或過少都會(huì)對(duì)種子萌發(fā)及生長產(chǎn)生不利影響[12],因此,萌發(fā)期間種子的吸水及水分變化規(guī)律對(duì)其發(fā)芽具有重要的指導(dǎo)作用。目前,測(cè)定種子中的水分主要是通過烘干或者解剖種子觀察其結(jié)構(gòu)來對(duì)水分的變化進(jìn)行分析[13],二者均是破壞性的,不能對(duì)同一批種子水分變化進(jìn)行連續(xù)準(zhǔn)確的測(cè)定,且前者也只能獲得含水量的信息并不能得到內(nèi)部水分變化的信息[14-15]。低場核磁共振(LF-NMR)指具有特定核磁矩的原子核(常用的為1H)在恒定的磁場和變化的磁場(磁場強(qiáng)度B<0.5 T)的共同作用下發(fā)生能量交換并發(fā)生能級(jí)躍遷,從而產(chǎn)生共振信號(hào)[16]。該技術(shù)能夠靈敏、無損、快速的獲取樣品中1H的密度及分布情況,揭示水分含量及分布的變化規(guī)律。目前,低場核磁技術(shù)的研究主要集中在食品貯藏及加工過程水分的監(jiān)測(cè)[17-21]、食品成分分析[22-25]等方面,在農(nóng)作物育種方面有關(guān)于冬小麥[12]、玉米[12-13]、糙米[26-27]、水稻[28]及糯米[29]等谷物萌發(fā)的報(bào)道,但沒有關(guān)于谷子萌發(fā)方面的報(bào)道。

本文以谷子為研究對(duì)象,利用低場核磁共振技術(shù)對(duì)其浸泡12 h及發(fā)芽120 h過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過分析T2弛豫反演圖譜,得出浸泡和發(fā)芽過程谷子內(nèi)部水分分布及變化規(guī)律,為谷子發(fā)芽和發(fā)芽小米產(chǎn)業(yè)化提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

谷子(璐通金香玉) 購于河北省永年縣璐通種業(yè)有限公司。

NMI20-025V-I型核磁共振成像分析儀 上海紐邁電子科技有限公司;DHP-9032型電熱恒溫培養(yǎng)箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;BSG-250型光照培養(yǎng)箱 上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;ME204E型分析天平 瑞士梅特勒托利多科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 谷子浸泡和發(fā)芽方法 取適量顆粒飽滿、外形完好的谷子分成3份,每份各2.5 g,去雜后用去離子水沖洗,用紗布包裹后置于燒杯中，分別加入適量等量的去離子水后，于25 ℃恒溫水浴鍋中進(jìn)行浸泡。將浸泡后的谷子用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的NaClO溶液消毒30 min后用去離子水沖洗干凈[30],平鋪于培養(yǎng)皿內(nèi)潤濕且扎有均勻孔洞的雙層濾紙上,用扎有均勻孔洞的保鮮膜覆蓋培養(yǎng)皿口,置于25 ℃光照培養(yǎng)箱中無光照連續(xù)發(fā)芽120 h,期間每隔6、12 h分別更換一次水和濾紙。

1.2.2 谷子浸泡過程中水分分布情況 將谷子按照1.2.1中方法連續(xù)浸泡12 h,每1.0 h取出一次,用濾紙吸干表面水分,將放有樣品且用木塞塞住管口的核磁管置于32 ℃的培養(yǎng)箱中5 min后取出進(jìn)行低場核磁檢測(cè)[29]。將經(jīng)過數(shù)據(jù)采集后的樣品補(bǔ)充水后繼續(xù)進(jìn)行浸泡處理。

1.2.3 谷子發(fā)芽過程中水分分布情況 將谷子按照1.2.1中的方法浸泡10 h后進(jìn)行發(fā)芽處理,每24 h取出一次,按照1.2.2中方法進(jìn)行低場核磁檢測(cè)。將經(jīng)過數(shù)據(jù)采集后的樣品補(bǔ)充水后繼續(xù)進(jìn)行發(fā)芽處理。

1.2.4 低場核磁共振檢測(cè)方法 將分別盛有適量標(biāo)準(zhǔn)油樣及測(cè)試樣品的核磁管先后置于低場核磁磁體中心位置,采用FID模式進(jìn)行核磁中心頻率及脈沖射頻寬度的標(biāo)定,確定實(shí)驗(yàn)部分參數(shù)為:中心頻率SF=20 MHz,90°脈沖射頻寬度P1=4.48 μs,180°脈沖射頻寬度P2=10.48 μs。

樣品測(cè)定參數(shù):采用CPMG模式測(cè)定樣品T2弛豫參數(shù),樣品采集頻率SW=100 kHz,信號(hào)采樣數(shù)TD=120004,重復(fù)采樣時(shí)間間隔TW=4000 ms,重復(fù)采樣次數(shù)NS=16,回波時(shí)間TE=0.3 ms,回波個(gè)數(shù)NECH=4000。

反演參數(shù):分組類型為多組分,選取數(shù)據(jù)數(shù)量為200,數(shù)據(jù)選取方式為抽樣,刪除數(shù)據(jù)量為0,濾波檔位為3,弛豫時(shí)間最小值為0.01 ms,最大值為10000 ms,弛豫時(shí)間點(diǎn)數(shù)量為100,顯示值極限為0,反演方法為SIRT,迭代次數(shù)為1000000。

1.2.5 谷子發(fā)芽過程外觀變化 在按照1.2.4方法測(cè)定樣品前,對(duì)樣品中具有代表性的籽粒進(jìn)行拍照,將每顆籽粒的芽和根小心展直后用米尺測(cè)量其長度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)核磁共振的原理,可以用T2弛豫反演數(shù)據(jù)中各峰面積來表示谷子在浸泡及發(fā)芽過程中的各種水分的含量[28]。采用EXCEL 2016及SPSS 22軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析,結(jié)果均用平均值(標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用Origin 2018進(jìn)行圖形的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 谷子浸泡過程中水分分布的變化

圖1為谷子浸泡過程中反演譜圖,在谷子連續(xù)浸泡12 h的過程中,各階段反演譜圖均先后出現(xiàn)4個(gè)弛豫峰,T2b(0.1～1 ms)、T21(1～10 ms)代表活性較弱的結(jié)合水;T22(10～100 ms)代表活性較強(qiáng)的自由水[27];T23(100～400 ms)經(jīng)驗(yàn)證為脂類成分(小米種子經(jīng)105 ℃、2 h干燥處理后,反演圖譜中其他峰幅值明顯減小,該峰幅值基本不變,由此推斷該部分為脂類成分),這與宋偉等[31]的報(bào)道一致。T2弛豫峰中,T2b信號(hào)幅值基本沒有明顯的變化;T21信號(hào)幅值明顯大于T22信號(hào)幅值,信號(hào)幅值均呈現(xiàn)幅度由大到小的增大趨勢(shì);T21、T22峰位置逐漸右移。表明谷子在浸泡過程中內(nèi)的水以結(jié)合水為主,自由水、結(jié)合水含量呈現(xiàn)速率由快到慢的增加趨勢(shì),部分結(jié)合水向自由水轉(zhuǎn)化。

圖1 谷子浸泡過程反演譜圖Fig.1 Inversion spectrum of millet during soaking

圖2為谷子浸泡過程中信號(hào)變化圖,谷子在浸泡過程中,總水、結(jié)合水、自由水含量均呈現(xiàn)先快速增大后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì),自由水含量比結(jié)合水含量增加幅度更大(前者5.10倍,后者0.83倍),結(jié)合水含量始終大于自由水含量,這與圖1中T21、T22峰信號(hào)幅值變化趨勢(shì)一致。在浸泡10 h后自由水、結(jié)合水以及總含水量均基本達(dá)到平衡,據(jù)此確定對(duì)谷子進(jìn)行發(fā)芽處理前的浸泡最佳時(shí)間為10 h。

圖2 谷子浸泡過程中各信號(hào)變化Fig.2 Changes in each signal of millet during soaking

浸泡主要是吸漲吸水過程,結(jié)合水、自由水含量及總含水量均增加。在該過程中種皮因吸水后變軟且通透性增加導(dǎo)致T2b弛豫峰出現(xiàn)[27];外界的水快速進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)成為自由流動(dòng)的水導(dǎo)致自由水含量迅速增加[32];細(xì)胞因吸水間隙增大,水分子所受束縛作用減小,自由水部分向結(jié)合水轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致T21、T22峰頂點(diǎn)位置逐漸右移[27]。Ikemefuna等[33]的研究發(fā)現(xiàn)浸泡后谷子中蛋白質(zhì)、淀粉以及還原糖含量均有所增加,這可能導(dǎo)致浸泡過程中結(jié)合水含量始終大于自由水含量的原因。

2.2 谷子發(fā)芽過程中水分分布的變化

圖3為谷子發(fā)芽過程反演譜圖,谷子發(fā)芽過程中均先后出現(xiàn)3個(gè)弛豫峰,即T21(0.1～10 ms)代表的結(jié)合水、T22(10～100 ms)代表的半結(jié)合水以及T23(100～1000 ms)代表的自由水[13]。隨著發(fā)芽的進(jìn)行,T21、T22、T23峰信號(hào)幅值分別呈現(xiàn)減小-增大-減小、增大-減小、不斷增大的趨勢(shì),T21信號(hào)幅值變化不大,T22、T23信號(hào)幅值變化較大。T21信號(hào)峰位置逐漸右移,T22信號(hào)峰位置發(fā)芽0～48 h明顯右移之后基本不變,T23信號(hào)峰位置逐漸向左小幅度移動(dòng),表明發(fā)芽過程中,自由水和半結(jié)合水變化較大,部分自由水和結(jié)合水均向半結(jié)合水轉(zhuǎn)化。

圖3 谷子發(fā)芽過程反演譜圖Fig.3 Inversion spectrum of millet during germination

圖4為谷子發(fā)芽過程中信號(hào)變化圖,在發(fā)芽過程中結(jié)合水、半結(jié)合水、自由水信號(hào)含量分別呈現(xiàn)減小-增大-減小、增大-減小、不斷增大的趨勢(shì),結(jié)合水含量變化不大、半結(jié)合水和自由水含量變化較大,這與圖3中各信號(hào)峰幅值變化趨勢(shì)一致;結(jié)合水與半結(jié)合水總含量大于自由水含量,表明發(fā)芽過程中谷子中水主要以結(jié)合水和半結(jié)合水為主。圖5、圖6分別為谷子發(fā)芽過程中外觀形態(tài)變化圖和谷子發(fā)芽過程中根、芽長度變化圖,結(jié)合兩圖可知,谷子的根和芽都在發(fā)芽0～72 h快速生長,72～120 h緩慢生長,整個(gè)過程芽較根生長速率快?？偤俊⒆杂伤兓厔?shì)與根生長趨勢(shì)相近,這可能是根的生長更加有利于谷子吸水,從而導(dǎo)致總含水量和自由水增加。

圖4 谷子發(fā)芽過程中各信號(hào)變化Fig.4 Change in each signal of millet during germination

圖5 谷子發(fā)芽過程中外觀形態(tài)變化Fig.5 Changes in appearance of millet during germination

圖6 谷子發(fā)芽過程中根、芽長度變化Fig.6 Changes in bud and root length of millet during germination

前期的浸泡使得種皮通透性增加,發(fā)芽過程中培養(yǎng)環(huán)境中的氧氣和水更易進(jìn)入谷子內(nèi)部,呼吸作用、代謝活動(dòng)逐漸增強(qiáng)以及根的生長可能是導(dǎo)致自由水和總含水量增多的原因。谷子內(nèi)部儲(chǔ)存的營養(yǎng)物質(zhì)在發(fā)芽過程中一部分通過呼吸作用為生長功能,一部分通過代謝合成新的細(xì)胞[34],導(dǎo)致主要成分淀粉含量逐漸減小[33]及芽和根的生長(如圖5、圖6所示),這可能是導(dǎo)致結(jié)合水含量逐漸減小的原因。自由水、結(jié)合水均向半結(jié)合水轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致半結(jié)合水含量逐漸增大。

3 結(jié)論

在浸泡的0～12 h過程中,谷子內(nèi)部存在結(jié)合水、自由水2種水分且以結(jié)合水為主,部分結(jié)合水逐漸向自由水轉(zhuǎn)化;總水、自由水及結(jié)合水含量均先增大后波動(dòng)變化趨于穩(wěn)定,自由水含量比結(jié)合水含量變化幅度更大;根據(jù)水分變化趨勢(shì)確定谷子發(fā)芽前的浸泡最佳時(shí)間為10 h。在發(fā)芽的0～120 h過程中,谷子內(nèi)部存在結(jié)合水、半結(jié)合水及自由水3種水分且以結(jié)合水和半結(jié)合水為主,部分結(jié)合水和自由水逐漸向半結(jié)合水轉(zhuǎn)化;結(jié)合水含量小幅度減小,總水、半結(jié)合水、自由水含量均明顯增大。低場核磁共振技術(shù)可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)谷子浸泡和發(fā)芽過程水分變化的規(guī)律,為谷子發(fā)芽及發(fā)芽小米產(chǎn)業(yè)化提供新的參考依據(jù)。