發芽對高粱氨基酸及抗營養因子含量的影響

張 俊，張三杉，葉 丹，余夢玲，雷 激,

（1.西華大學食品與生物工程學院, 四川成都 610039；2.四川天味食品集團股份有限公司, 四川成都 610200）

高粱，又稱蜀黍，屬高粱科，一年生草本植物，自古以來就有“五谷之精”、“百谷之長”的盛譽，是世界上產量僅次于稻米、小麥、玉米及大麥的第五大糧食作物[1]，在非洲、亞洲等國家和地區，除用作釀造原料或飼料外，也作為主食。但高粱蛋白質品質較差，缺乏賴氨酸；抗營養因子單寧和植酸含量較高，植酸可與鈣、鋅、鐵、鎂等礦物質結合，形成肌醇六磷酸，導致礦物質無法吸收[2]；單寧與體內消化酶結合，影響蛋白、淀粉的消化吸收[3-4]，不僅降低了高梁的營養價值，也降低了高粱的適口性，使得高粱在食品方面的加工應用受到限制。因此，需要采取適當方法改善其品質。國內外許多研究[5-7]表明，籽粒發芽可以降低谷物中抗營養物質含量，提高谷物中某些氨基酸、γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）和維生素等營養物質的含量，促進人體對蛋白質和淀粉的消化吸收，從而提高其營養價值。

GABA是一種非蛋白質氨基酸，廣泛分布于各種谷物和豆類中。它可以通過調節中樞神經系統，起到降低血壓、舒緩血管的作用，同時具有鎮靜神經、調節心情、改善睡眠的作用[8-9]；在醫學上，GABA還能用于治療癲癇[10]、保護肝臟[11]等。目前，以富含GABA的發芽糙米、大豆和蠶豆等為原料開發的食品已經面市，而國內關于發芽高粱中GABA以及抗營養因子含量變化的研究相對較少。因此，本實驗主要研究高粱發芽期間營養成分與抗營養因子含量的變化規律，為改善高粱營養價值以及促進高粱在食品工業方面的發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

白高粱種子 產自江蘇省沭陽縣新河鎮，市售；鹽酸（濃度≥36%）、檸檬酸鈉 優級純，購于成都科隆化學品有限公司；氫氧化鈉、三氯化鐵、磺基水楊酸、二甲基甲酰胺、谷氨酸（glutamic acid，GA） 分析純，購于成都科隆化學品有限公司；GABA標準品、氨基酸混合溶液標準品、植酸鈉標準品、單寧酸標準品 購于北京世紀奧科生物技術有限公司。

UV-2600型紫外分光光度計 上海譜元儀器有限公司；L-8900型全自動氨基酸分析儀 日本日立公司；TG-5M型臺式離心機 四川蜀科儀器有限公司；TB-214電子天平 北京賽多利斯儀器系統有限公司；BZF型真空干燥箱 上海博迅實業有限公司；MD200-2型氮吹儀 成都世紀方舟科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 發芽高粱的制備 參考易翠平等[12]的高粱發芽實驗：挑選高粱籽粒，確保沒有破損顆粒和其它雜質。將浸泡20 h后的高粱用7.0%的H2O2溶液消毒15 min，再用去離子水反復沖洗。然后將高粱籽粒平鋪于雙層紗布之間，于30 ℃條件下避光發芽0、12、24、36、48、60、72 h，每隔12 h灑水一次，并清洗紗布和高粱籽粒防止發霉。將不同發芽階段的高粱籽粒取出后于40 ℃干燥至水分含量約為13%，粉碎過120目篩，放入4 ℃冰箱冷藏保存、備用。

1.2.2 淀粉含量的測定 按照國標GB 5009.9-2016《食品中淀粉的測定》進行測定。

1.2.3 氨基酸和γ-氨基丁酸（GABA）含量的測定按照國標GB 5009.124-2016《食品中氨基酸的測定》進行測定。

1.2.4 谷氨酸脫羧酶（GAD）活性的測定 在Maha[13]和曹晶晶等[14]的方法基礎上作適當調整，取1g發芽高粱與5 mL磷酸鉀緩沖液（0.05 mol/L，pH7.2）混合，10000 r/min離心20 min，上清液為粗酶提取液。取0.5 mL粗酶液，加入200 μL底物溶液（50 mmol/L GA）和1.8 mL磷酸鉀緩沖液（0.05 mol/L，pH5.8），于37 ℃反應1 h后，90 ℃水浴10 min反應滅酶，離心，取1 mL反應液氮吹干燥。加入5 mL 0.02 mol/L鹽酸溶液溶解干燥物，按照1.2.3方法測定GABA含量。GAD活性定義：在37 ℃下，1 g高粱每分鐘釋放1 μmol GABA作為一個酶活力單位，即GAD活力為1 U。

1.2.5 單寧含量的測定 按照GB/T15686-2008《高粱：單寧含量的測定》進行測定。

1.2.6 植酸含量及植酸酶活性的測定 植酸含量按照GB5009.153-2016《食品中植酸的測定》進行測定；植酸酶活性按照GB/T 18634-2009《飼用植酸酶活性的測定-分光光度法》進行測定。

1.3 統計分析

每個處理組進行3次重復，所有實驗數據用Excel 2010分析處理，利用Origin 8.5作圖，通過SPSS 19.0進行顯著性檢驗（P＜0.05），結果以均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 高粱發芽過程中淀粉含量的變化

如圖1所示，與未發芽高粱相比，浸泡處理（0 h）對淀粉含量無顯著影響（P＞0.05）。隨著發芽時間的延長，高粱淀粉含量顯著下降（P＜0.05）。發芽72 h后，從72.74%下降到54.44%，這與Li等[15]的研究結果相似。這是因為隨著發芽時間的延長，高粱中淀粉酶活性增加，這些酶的作用使淀粉降解成還原糖，以滿足種子萌發和生長的物質和能量的需要[16]。

圖1 高粱發芽過程中淀粉含量的變化Fig.1 Changes in starch content of sorghum during germination

2.2 高粱發芽過程中氨基酸含量的變化

由表1可知，不同發芽時間處理后高粱的氨基酸含量發生了很大的變化。與未發芽高粱相比，發芽處理后氨基酸總量顯著（P＜0.05）增加，在發芽60 h達到最大值為5.694 g/100 g，比未發芽上升28.50%，各種氨基酸含量也都有不同程度的增加，這與易翠平等[12]的研究結果相似。必需氨基酸的類型和數量可以評估食物蛋白的營養價值，隨著發芽時間的延長，必需氨基酸總量顯著（P＜0.05）增加，在發芽60 h達到最大值為2.056 g/100 g，比未發芽上升28.42%；每一種必需氨基酸含量增長情況有所不同，在發芽48 h，苯丙氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸含量達到最大值，與未發芽相比分別增加了32.84%、65.12%、33.33%、29.19%；亮氨酸和纈氨酸分別在發芽60、72 h達到最大值，與未發芽相比分別增加了40.42%、26.00%；第一限制氨基酸賴氨酸含量也在發芽72 h達到最大值，由未發芽的0.129 g/100 g增加到0.157 g/100 g，增加了21.71%；而必需氨基酸在氨基酸總量中所占比重在48 h最大，占比37.24%。另外，谷氨酸是合成GABA的底物，對GABA含量有重要影響，隨著發芽時間的延長，谷氨酸含量顯著增加，在發芽60 h達到最大值1.423 g/100 g，增加了37.62%，之后有所下降，發芽至72 h含量降至1.311 g/100 g，這可能是限制 GABA 合成的因素之一[17]。其下降原因可能是發芽后期高粱呼吸強度增大，干物質消耗量加劇，各種氨基酸消耗量增加[14]，這也是后期氨基酸總量下降的原因。綜上所述，發芽處理對改善高粱營養價值以及在食品中的應用具有積極的意義。

2.3 高粱發芽過程中GABA含量和GAD活性的變化

GABA是一種非蛋白氨基酸，具有許多生理功效，主要是由谷氨酸脫羧反應形成的[5]。由圖2可知，隨著發芽時間的延長，高粱中GABA 含量呈先升高后降低的趨勢，60 h時GABA含量最高，從未發芽的4.005 mg/100 g增加到19.026 mg/100 g，增加到近5倍，與Yang等[18]的研究結果基本一致。高等植物 GABA 的合成主要由 GAD 和GABA轉氨酶（GABA transaminase，GABA-T）調控[19]。GAD是GABA合成的限速酶，對GABA的含量有直接影響。在發芽開始時，稻谷體內的 GAD被激活，隨著時間的延長，GAD 活性開始增強，發芽至60 h時GAD活性最高，為8.139 U/100 g，在這個過程中GABA 開始大量生成、積累；GABA增加的另一個原因可能是發芽過程中由于高粱籽粒中的營養素溶于水后通過生化反應發生降解，導致可溶性含氮化合物（如GABA）的積累[20]。發芽60 h后，GAD活性和GABA含量都有所下降，這是因為GAD活性受谷氨酸的調節。GAD 定位于細胞質中，其活性受細胞環境中Ca2+調節[21]， 而谷氨酸可以通過改變細胞質中Ca2+濃度來影響GAD活性[22]，因此谷氨酸含量的變化會對GAD活性產生一定影響。結合表1可知，隨著發芽時間延長，谷氨酸含量不斷增加，GAD活性增加；60 h后谷氨酸含量有所下降，GAD活性降低。谷氨酸含量的下降使得以其為底物形成的GABA含量也有所下降。另外，60 h后GABA含量下降也可能是因為GABA被GABA-T催化轉換為琥珀酸半醛進入三羧酸循環[23]。

圖2 高粱發芽過程中GABA含量和GAD活性的變化Fig.2 Changes in GABA content and GAD activity of sorghum during germination

表1 發芽高粱氨基酸含量變化Table 1 Changes in amino acid content of germinated sorghum

2.4 高粱發芽過程中單寧含量的變化

單寧，可與蛋白質作用生成難消化的高分子沉淀物質，具有較強的苦澀味[24]；過量攝入單寧會使消化酶活力降低，從而影響人體對蛋白質的消化率和生物價[25]；同時會影響脂肪酶、胰蛋白酶以及α-糖化酶等的功能作用[26]。如圖2所示，發芽處理后高粱中單寧含量顯著（P＜0.05）下降，發芽至72 h，單寧含量從1.07%降到0.14%，下降了86.92%。這與Claver等[27]的研究結果一致。高粱單寧可溶于水，浸泡（0 h）處理使單寧部分擴散到水中，含量有所下降；發芽過程中，單寧含量繼續下降，這可能與高粱中醇溶蛋白的結構變化有關，發芽處理后，醇溶蛋白表面可能已經暴露出新位點，可促進單寧與醇溶蛋白單體之間的相互作用[28]；除此之外，單寧屬于多酚類化合物，其含量降低可能是發芽過程中多酚氧化酶活性增加所致[29]。

2.5 高粱發芽過程中植酸含量和植酸酶活性的變化

植酸，化學名為肌醇六磷酸酯，是谷類、豆類中磷的主要存在形式，可與Zn2+、Ca2+、Fe2+等多種礦物質元素結合形成難溶性的植酸鹽絡合物，從而很難被人體吸收[2]；還可與蛋白質生成復合物，影響蛋白質的生理功能，或與酶結合，抑制其活性[30]。因此被看作是一種抗營養因子。由圖3可知，浸泡（發芽0 h）處理后，植酸含量下降幅度較大，這可能是因為浸泡過程中植酸擴散到浸泡介質中[29]；隨著發芽時間的延長，植酸含量持續下降，從94.85 mg/100 g下降到52.44 mg/100 g，下降了44.71%。這是因為當種子吸水開始發芽后，植酸酶活性被激發，植酸鹽水解并釋放出無機磷以供作物生長；隨著發芽時間延長，植酸酶活性不斷增加，由未發芽的28.88 U/g增加到36.52 U/g，這與丁俊胄等[31]對發芽糙米的研究結果相似。

圖3 高粱發芽過程中單寧含量的變化Fig.3 Changes in tannin content of sorghum during germination

3 結論

圖4 高粱發芽過程中植酸含量和植酸酶活性的變化Fig.4 Changes of phytic acid content and phytase activity of sorghum during germination

本研究探討了發芽過程中高粱營養成分以及抗營養因子的變化規律，結果表明：隨著發芽時間的延長，氨基酸總量顯著增加，60 h達到最大值，各種氨基酸含量均有不同程度的增加（P＜0.05），其中第一限制氨基酸賴氨酸含量增加了21.71%；GAD酶活性和GABA含量均比未發芽時顯著增加（P＜0.05），發芽至60 h GAD酶活性最強，GABA含量最高；植酸酶活性增強，單寧和植酸含量在發芽過程中始終呈下降趨勢（P＜0.05）。綜上所述，發芽在一定程度上能夠提高高粱的營養價值，可為今后高粱在食品中的應用提供參考。

目前我們國家對于發芽高粱的研究并不多見，且發芽后高粱中GABA含量盡管有很大程度的增長，但總量依然不高。因此，后續的研究可在發芽基礎上進一步探討其他富集工藝對高粱GABA含量的影響，以進一步提高高粱中GABA含量，為開發富含GABA的發芽高粱食品提供理論基礎。