低氧通气对发芽粟谷中γ-氨基丁酸含量的影响

白青云，曾 波，顾振新,*

(1.淮阴工学院生命科学与化学工程学院，江苏 淮安 223003；2.南京农业大学食品科技学院，江苏 南京 210095)

低氧通气对发芽粟谷中γ-氨基丁酸含量的影响

白青云1,2，曾 波2，顾振新2,*

(1.淮阴工学院生命科学与化学工程学院，江苏 淮安 223003；2.南京农业大学食品科技学院，江苏 南京 210095)

通过分析粟谷发芽期间主要营养物质和γ-氨基丁酸(GABA)含量变化，探讨粟谷中GABA富集情况。采用低氧通气的方法对发芽粟谷中游离氨基酸、可溶性蛋白、谷氨酸、GABA含量和谷氨酸脱羧酶(GAD)活性的动态变化进行研究。结果表明：低氧通气条件下，发芽粟谷芽长增长，但低于对照；游离氨基酸含量急剧增长并高于对照；可溶性蛋白含量先升高后下降但低于对照；谷氨酸含量在处理24h内升高，随后下降；GAD活性呈先升高后下降趋势，并显著高于对照；GABA含量随处理时间显著增加，处理48h时，GABA含量达到24.32mg/100g，是未处理的4.78倍，比同期对照提高87.51%。由此表明，低氧通气显著提高了发芽粟谷中GABA含量，且与游离氨基酸含量和GAD活性显著正相关。

发芽粟谷； 低氧通气；γ-氨基丁酸； 主要物质

粟谷胚乳具有较高的粉质特性并且不易脱皮，故经常以全粒(带种皮)的形式消费，因此，粟谷中不但含有对人体具有营养作用的淀粉、蛋白质和脂肪，而且还含有大量维生素、矿物质和膳食纤维[1]。长期以来，以白米和面粉为主食的人群因过分考虑口感而忽视营养价值，导致亚健康人群不断增多，粟谷等杂粮由于其丰富的营养价值重新受到消费者的关注。发芽是改善谷物营养成分和降低抗营养因子的方法之一。尤为突出的是，发芽能提高谷物功能成分的含量，如糙米发芽后γ-氨基丁酸(GABA）等功能成分明显提高[2]。GABA是一种非蛋白质氨基酸，是哺乳动物大脑抑制性神经传递物质，具有降血压、利尿、镇定神经等生理功能[3]。植物组织中GABA含量很低(每克鲜植物组织中GABA含量为0.03～2.00 μ mol)，因此提高食物GABA含量的方法受到广泛关注。GABA由谷氨酸经谷氨酸脱羧酶(GAD)催化脱羧而成。植物在热激、冷激、机械损伤、低氧等逆境条件下，均能显著地促进GABA的合成[4]。体内或体外实验证明，胞质pH值的降低刺激GAD活性，导致GABA积累[5]。目前，关于食物富集GABA的方法屡见报道，如厌氧处理富集茶叶中GABA[6]等。植物在浸泡条件下通以适量的空气形成了低氧环境，由于所需的O2浓度低于正常值，影响了正常的生理代谢和生长发育，刺激植物产生特殊的代谢途径。低氧胁迫下，植物细胞发酵，产生乳酸、丁酸、丙酸等游离酸，细胞中H+浓度提高，导致细胞质酸化[7]，促进了GABA的合成。目前，对粟谷的研究主要集中在发芽过程中植酸和矿物质的变化，有关粟谷发芽过程中GABA形成机理与富集技术的研究尚未见报道。本实验以粟谷为试材，研究低氧通气条件下发芽粟谷主要物质及GABA等含量的变化，旨在探索低氧通气条件下粟谷发芽期间主要物质及GABA含量的变化规律，为富含功能成分的发芽粟谷工业化生产提供参考。

表1 粟谷主要营养成分分析Table 1 Analysis of major nutritional components in foxtail millet g/100g

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

粟谷为晋谷34号，由山西省农业科学院作物遗传研究所提供，原料于2006年秋季收获后贮藏于0～4℃密封环境中，备用。

GABA标准品和PITC(分析纯) 美国Sigma 公司；其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

Agilent 1200 Series 高效液相色谱仪 Agilent公司；DZF-6020型真空干燥器 上海一恒科技有限公司；UV-2802型紫外-可见分光光度计 尤尼柯(上海)仪器有限公司；H1650-W 台式高速离心机 湖南湘仪公司。

1.3 粟谷培养与处理

称取20g粟谷种子，用去离子水清洗后，除去杂质和悬浮的瘪粒；用1%的次氯酸钠消毒30min，再用去离子水洗净后，于去离子水中25℃浸泡8h。种子浸泡后置于带盖的培养瓶中，加入100mL 10mmol/L柠檬酸缓冲液(pH5.8)于33℃黑暗条件下培养。培养液中通入1.9L/min空气，通气量由空气流量计控制。粟谷培养期间，每隔24h更换1次培养液，直至培养结束。以浸泡后的种子在培养皿中用去离子水浸渍培养作为对照。培养结束后取出发芽粟谷，用液氮速冻后于－20℃储藏，直至测定。

1.4 测定指标与方法

芽长：随机选取20粒发芽粟谷种子，用游标卡尺测定其芽长；总糖：采用蒽酮比色法[8]；粗蛋白：采用凯氏定氮法测定，计算系数为5.83[8]；粗脂肪：采用索氏抽提法测定[8]；还原糖：采用3,5-二硝基水杨酸法测定[8]；游离氨基酸：采用水合茚三酮显色法测定[8]；可溶性蛋白质：采用考马斯亮蓝G-250染色法测定[8]；GABA含量(以发芽粟谷鲜质量计)、谷氨酸含量和GAD活性：参照Bai等[9]的方法测定。

1.5 数据统计与分析

2 结果与分析

2.1 粟谷主要营养成分

粟谷的主要化学成分见表1。粟谷中主要成分是总糖，其次是粗蛋白、水分和粗脂肪含量，其余成分含量较低。粟谷中粗蛋白含量明显高于大米(8.4%)[10]，与小麦粉(11.89%)相差不大[11]，粗脂肪含量分别比大米、小麦高1倍左右；总糖含量与玉米相当，但低于大米和小麦粉含量[10]。粟谷中含有5.21mg/100g GABA，与糙米中的含量相当[12]，提示粟谷可以作为富集GABA的食品原料。

表 2 粟谷中氨基酸组成及含量Table 2 Amino acid compositions and contents in foxtail millet

粟谷中氨基酸组成及含量见表2。粟谷含有17种氨基酸，其中谷氢酸含量最高，为2.871%，赖氨酸和胱氨酸含量较低，分别为0.250%和0.206%。由此表明，粟谷是一种对人体具有较高营养价值的食物。

2.2 发芽粟谷芽长的变化

图 1 通气处理条件下粟谷发芽期间芽长的变化Fig.1 Change in sprout length of millet during germination under hypoxic ventilation

如图1所示，通气处理期间，粟谷芽呈不断增长趋势，处理60h时，粟谷芽长为2.43mm，通气处理条件下粟谷芽的生长显著低于浸渍培养，培养60h，通气处理条件下粟谷的芽长仅为浸渍培养下芽长的16.77%。由此说明，通气处理显著抑制了粟谷芽的生长，减缓了粟谷芽生长速度。

2.3 发芽粟谷中游离氨基酸和可溶性蛋白含量的变化

图 2 通气处理条件下粟谷发芽期间游离氨基酸和可溶性蛋白含量的变化Fig.2 Change in free amino acids and soluble proteins of millet during germination under hypoxic ventilation

由图2可知，随着通气处理时间的延长，发芽粟谷中游离氨基酸含量呈增加趋势，而可溶性蛋白含量呈先增长后下降的趋势。处理48h时，通气处理条件下发芽粟谷中游离氨基酸含量达到最大(207.91μg/g)，是处理前的2.94倍，比浸渍培养提高28.90%；处理12h内发芽粟谷中可溶性蛋白含量增长，随后下降，通气处理条件下发芽粟谷中可溶性蛋白含量低于对照。可见，发芽改善了粟谷蛋白质品质，增加了游离氨基酸含量。2.4 发芽粟谷中谷氨酸含量的变化

图3 通气处理条件下粟谷发芽期间谷氨酸含量的变化Fig.3 Change in glutamic acid of millet during germination under hypoxic ventilation

由图3可见，通气处理条件下发芽粟谷中谷氨酸含量显著高于对照，通气处理24h时发芽粟谷中谷氨酸含量最大，比处理前增加97.24%，是同期对照处理的1.6倍。由此表明，通气处理显著提高了发芽粟谷中谷氨酸含量。2.5 发芽粟谷中GAD活性和GABA含量的变化

图4 通气处理条件下粟谷发芽期间GAD活性、GABA含量的变化Fig.4 Change in GAD activity and GABA content of millet during germination under hypoxic ventilation

由图4可知，通气处理条件下粟谷发芽期间GAD活性随处理时间的延长而增加，处理36h时，GAD活性达最高值，为7.74U/g，分别比处理前和对照提高94.96%和42.54%，随后活力下降，但仍比处理前活性高；发芽粟谷中GABA含量随处理时间延长而增加，通气处理48h时，发芽粟谷中GABA含量达到24.32mg/100g，是发芽前的4.78倍，比同期对照提高87.51%，随后GABA含量无显著变化。通气处理条件下，谷氨酸含量最大值出现时间比GABA含量最大值提前(图3、4)，这为GABA的合成提供了充足的底物。进一步推出，通气处理条件下发芽粟谷中GAD活性和游离谷氨酸含量增加促进了GABA的合成，正是由于GABA的合成导致了谷氨酸含量的下降，而谷氨酸含量的下降限制了GABA的继续合成。

2.6 发芽粟谷GABA含量与其他指标相关性分析

对通气处理下粟谷发芽期间GABA含量与芽长、游离氨基酸、可溶性蛋白质、谷氨酸和GAD活性之间进行相关性分析，结果见表3。

表3 通气处理条件下发芽粟谷中GABA含量与其他指标相关性分析Table 3 Correlation analysis of GABA content and other parameters in germinated millet under hypoxic ventilation

由表3可见，发芽粟谷中GABA含量与芽长呈显著正相关(P＜0.05)，与游离氨基酸和GAD活性呈极显著正相关(P＜0.01)，与可溶性蛋白和谷氨酸含量呈正相关性但不显著(P＞0.05)。由此说明，粟谷发芽期间GABA的富集与粟谷生长状况有关，游离氨基酸和谷氨酸含量的增加及GAD活性的提高均有利于GABA的富集。

3 讨 论

植物受到低氧、冷激、热激、干旱、盐胁迫和机械伤害等逆境胁迫时，体内GABA含量显著增加，其中以低氧逆境胁迫诱导植物积累GABA量最大[13]。低氧胁迫引起植物细胞质酸化[7]，Kurkdjian等[14]报道证实，低氧可使细胞质pH值下降0.4～0.8个单位，胞质pH值的降低刺激GAD活性，导致GABA积累[5]。低氧胁迫下，植物通过磷酸戊糖途径减少有毒物质的积累，生成谷氨酸和GABA以抵御逆境胁迫，调节细胞酸度[15]。逆境条件下，由于谷氨酸浓度的增加使GABA富集量增多。Snedden等[16]通过14C标记的谷氨酸处理芦笋叶肉细胞，发现植物组织中存在着H+与谷氨酸协同运输的通道，这个通道依赖于GAD活力，谷氨酸由此通道自由穿过细胞质膜，以维持细胞内外的动态平衡。本研究结果显示，低氧通气处理下，粟谷中的谷氨酸含量显著增加，这为GABA合成提供了底物，低氧通气刺激了粟谷GAD活性，从而促进GABA的合成。

植物体内蛋白质等含氮化合物的变化是反映环境胁迫下植物代谢变化较为敏感的生理指标之一。植物体内的可溶性蛋白大部分是参与各种代谢的酶类，其含量是了解植物体代谢水平的一个重要指标。低氧胁迫下，植物根系蛋白质合成被抑制。本研究表明，低氧条件下粟谷中可溶性蛋白质含量随胁迫时间的延长降低，这与高洪波等[17]研究结果一致。研究表明，低氧逆境下植物体内氮代谢途径发生改变，硝态氮、铵态氮含量的提高对增强其抗性起重要的作用。薛崧等[18]研究表明，水分胁迫下山黧豆种子总游离氨基酸含量随着萌发逐渐增加，根芽脯氨酸、谷氨酸和丝氨酸含量最高，这些氨基酸通过蛋白水解后在子叶中以游离态存在，为根芽生长提供了含氮化合物。本研究中通气处理下，发芽粟谷游离氨基酸含量随处理时间的延长增加，这与前人的研究结果一致。

姚森等[19]证实，发芽糙米中GABA含量与其芽长和GAD活性有显著正相关性。康彬彬等[20]实验表明，发芽糙米中GABA含量与原料中氨基酸、必需氨基酸和谷氨酸含量正相关。本研究表明，粟谷发芽期间GABA含量与芽长、游离氨基酸含量和GAD活性呈显著正相关。氨基酸含量的增加为粟谷富集GABA提供了充足的底物，因而促进GABA积累。由此推测，粟谷发芽期间激活了与GABA合成相关的酶和底物，从而促进了GABA富集。

4 结 论

粟谷中粗蛋白质含量高，氨基酸种类齐全，其中以谷氨酸含量最多，并且含有一定量的GABA。采用通气处理后，粟谷在发芽期间芽长增长，可溶性蛋白含量先升高后下降，游离氨基酸含量迅速增加，谷氨酸含量先上升后下降，GAD活性显著提高，GABA含量显著增加。相关性分析表明，通气处理下发芽粟谷中GABA含量与芽长呈显著正相关、游离氨基酸含量和GAD活性呈极显著正相关，与可溶性蛋白和谷氨酸含量呈正相关性。

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Effect of Hypoxic Ventilation onγ-Aminobutyric Acid Content in Germinated Foxtail Millet

BAI Qing-yun1,2，ZENG Bo2，GU Zhen-xin2,*
(1. School of Life Science and Chemical Engineering, Huaiyin Institute of Technology, Huai’an 223003, China；2. College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

In order to provide theoretical references for the deep development of millet, γ-Aminobutyric acid (GABA)accumulation in foxtail millet was explored through analyzing the change of major nutritional components and GABA content during the germination of millet. Dynamic changes of free amino acids, soluble proteins, glutamic acid, GABA content and glutamate decarboxylase (GAD) activity in germinated millet were investigated by the treatment of hypoxic ventilation. Results showed that sprout length of germinated millet were increased under hypoxic ventilation, however, the sprout length was still lower than that of the control; the content of free amino acids exhibited a rapid increase and higher than that of the control; the content of soluble proteins exhibited an initial increase and then a decrease, and lower than that of the control; an increase in glutamic acid content during first 24 h treatment of hypoxic ventilation and a following decrease were observed; GAD activity revealed a trend of initial increase and following reduction, and markedly higher than that of the control; GABA content revealed an increase during 48 h treatment of hypoxic ventilation and following decline. The maximal content of GABA was 24.32 mg/100g FW, which were 4.78 folds compared with pre-treatment, and higher 87.51% than the control at the same treatment time. These investigations indicated that hypoxic ventilation significantly improved GABA content of germinated millet, and GABA content exhibited a significantly positive correlation with free amino acids and GAD activity.

germinated foxtail millet；hypoxic ventilation；γ-aminobutyric acid；essential substance

TS210.2

A

1002-6630(2010)09-0049-05

2009-09-21

江苏省高新技术项目(BG2004323)

白青云(1973—)，女，讲师，博士，研究方向为农产品贮藏与加工。E-mail：baiqy@hyit.edu.cn

顾振新(1956—)，男，教授，博士，研究方向为农产品贮藏与加工。E-mail：guzx@njau.edu.cn