基于低场核磁共振技术监测谷子萌发过程中内部水分变化

杨 鹏1,2,陆兰芳1,2,王 展2,沈汪洋2,于 博

(1.湖北文理学院食品科学技术学院,湖北襄阳 441053;2.武汉轻工大学食品科学与工程学院,湖北武汉 430023)

谷子是原产于我国北方黄河流域的传统作物[1],有糜子(proso millet)、珍珠粟(pearl millet)、黄小米(foxtail millet)、龙爪粟(finger millet)等品种[2]。小米为谷子脱壳后的产物,含有丰富的营养及保健成分[3],其中淀粉为小米的主要成分(占籽粒质量的63%～79%)[4]。淀粉本身特性(孔洞、分子量、结晶度等)[5-6]以及淀粉基发芽谷物食品中含有的脂类成分[7]、蛋白质[8]、多酚和纤维[9-10]等成分均会影响谷物及其制品中淀粉的消化,从而影响包括小米在内的谷物中营养的吸收。发芽是一种绿色(靠内源酶改变产品特性)、低损失且可以提高营养的加工技术,备受国内外学者的青睐。该技术不仅可以改变包括小米在内的谷物的营养成分及加工特性,还可以降低脂类物质和抗营养物质[11],提高其制品的消化率进而促进营养的吸收。

水分是种子生理代谢活动中必需的反应底物和介质,种子萌发整个过程都与其内部水分的含量及分布密切相关,水分过多或过少都会对种子萌发及生长产生不利影响[12],因此,萌发期间种子的吸水及水分变化规律对其发芽具有重要的指导作用。目前,测定种子中的水分主要是通过烘干或者解剖种子观察其结构来对水分的变化进行分析[13],二者均是破坏性的,不能对同一批种子水分变化进行连续准确的测定,且前者也只能获得含水量的信息并不能得到内部水分变化的信息[14-15]。低场核磁共振(LF-NMR)指具有特定核磁矩的原子核(常用的为1H)在恒定的磁场和变化的磁场(磁场强度B<0.5 T)的共同作用下发生能量交换并发生能级跃迁,从而产生共振信号[16]。该技术能够灵敏、无损、快速的获取样品中1H的密度及分布情况,揭示水分含量及分布的变化规律。目前,低场核磁技术的研究主要集中在食品贮藏及加工过程水分的监测[17-21]、食品成分分析[22-25]等方面,在农作物育种方面有关于冬小麦[12]、玉米[12-13]、糙米[26-27]、水稻[28]及糯米[29]等谷物萌发的报道,但没有关于谷子萌发方面的报道。

本文以谷子为研究对象,利用低场核磁共振技术对其浸泡12 h及发芽120 h过程进行监测。通过分析T2弛豫反演图谱,得出浸泡和发芽过程谷子内部水分分布及变化规律,为谷子发芽和发芽小米产业化提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

谷子(璐通金香玉) 购于河北省永年县璐通种业有限公司。

NMI20-025V-I型核磁共振成像分析仪 上海纽迈电子科技有限公司;DHP-9032型电热恒温培养箱 上海一恒科学仪器有限公司;BSG-250型光照培养箱 上海博讯实业有限公司医疗设备厂;HH-4型数显恒温水浴锅 江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司;ME204E型分析天平 瑞士梅特勒托利多科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 谷子浸泡和发芽方法 取适量颗粒饱满、外形完好的谷子分成3份,每份各2.5 g,去杂后用去离子水冲洗,用纱布包裹后置于烧杯中，分别加入适量等量的去离子水后，于25 ℃恒温水浴锅中进行浸泡。将浸泡后的谷子用质量分数为0.1%的NaClO溶液消毒30 min后用去离子水冲洗干净[30],平铺于培养皿内润湿且扎有均匀孔洞的双层滤纸上,用扎有均匀孔洞的保鲜膜覆盖培养皿口,置于25 ℃光照培养箱中无光照连续发芽120 h,期间每隔6、12 h分别更换一次水和滤纸。

1.2.2 谷子浸泡过程中水分分布情况 将谷子按照1.2.1中方法连续浸泡12 h,每1.0 h取出一次,用滤纸吸干表面水分,将放有样品且用木塞塞住管口的核磁管置于32 ℃的培养箱中5 min后取出进行低场核磁检测[29]。将经过数据采集后的样品补充水后继续进行浸泡处理。

1.2.3 谷子发芽过程中水分分布情况 将谷子按照1.2.1中的方法浸泡10 h后进行发芽处理,每24 h取出一次,按照1.2.2中方法进行低场核磁检测。将经过数据采集后的样品补充水后继续进行发芽处理。

1.2.4 低场核磁共振检测方法 将分别盛有适量标准油样及测试样品的核磁管先后置于低场核磁磁体中心位置,采用FID模式进行核磁中心频率及脉冲射频宽度的标定,确定实验部分参数为:中心频率SF=20 MHz,90°脉冲射频宽度P1=4.48 μs,180°脉冲射频宽度P2=10.48 μs。

样品测定参数:采用CPMG模式测定样品T2弛豫参数,样品采集频率SW=100 kHz,信号采样数TD=120004,重复采样时间间隔TW=4000 ms,重复采样次数NS=16,回波时间TE=0.3 ms,回波个数NECH=4000。

反演参数:分组类型为多组分,选取数据数量为200,数据选取方式为抽样,删除数据量为0,滤波档位为3,弛豫时间最小值为0.01 ms,最大值为10000 ms,弛豫时间点数量为100,显示值极限为0,反演方法为SIRT,迭代次数为1000000。

1.2.5 谷子发芽过程外观变化 在按照1.2.4方法测定样品前,对样品中具有代表性的籽粒进行拍照,将每颗籽粒的芽和根小心展直后用米尺测量其长度。

1.3 数据处理

根据核磁共振的原理,可以用T2弛豫反演数据中各峰面积来表示谷子在浸泡及发芽过程中的各种水分的含量[28]。采用EXCEL 2016及SPSS 22软件对数据进行处理、分析,结果均用平均值(标准差表示。采用Origin 2018进行图形的绘制。

2 结果与分析

2.1 谷子浸泡过程中水分分布的变化

图1为谷子浸泡过程中反演谱图,在谷子连续浸泡12 h的过程中,各阶段反演谱图均先后出现4个弛豫峰,T2b(0.1～1 ms)、T21(1～10 ms)代表活性较弱的结合水;T22(10～100 ms)代表活性较强的自由水[27];T23(100～400 ms)经验证为脂类成分(小米种子经105 ℃、2 h干燥处理后,反演图谱中其他峰幅值明显减小,该峰幅值基本不变,由此推断该部分为脂类成分),这与宋伟等[31]的报道一致。T2弛豫峰中,T2b信号幅值基本没有明显的变化;T21信号幅值明显大于T22信号幅值,信号幅值均呈现幅度由大到小的增大趋势;T21、T22峰位置逐渐右移。表明谷子在浸泡过程中内的水以结合水为主,自由水、结合水含量呈现速率由快到慢的增加趋势,部分结合水向自由水转化。

图1 谷子浸泡过程反演谱图Fig.1 Inversion spectrum of millet during soaking

图2为谷子浸泡过程中信号变化图,谷子在浸泡过程中,总水、结合水、自由水含量均呈现先快速增大后逐渐稳定的趋势,自由水含量比结合水含量增加幅度更大(前者5.10倍,后者0.83倍),结合水含量始终大于自由水含量,这与图1中T21、T22峰信号幅值变化趋势一致。在浸泡10 h后自由水、结合水以及总含水量均基本达到平衡,据此确定对谷子进行发芽处理前的浸泡最佳时间为10 h。

图2 谷子浸泡过程中各信号变化Fig.2 Changes in each signal of millet during soaking

浸泡主要是吸涨吸水过程,结合水、自由水含量及总含水量均增加。在该过程中种皮因吸水后变软且通透性增加导致T2b弛豫峰出现[27];外界的水快速进入细胞内成为自由流动的水导致自由水含量迅速增加[32];细胞因吸水间隙增大,水分子所受束缚作用减小,自由水部分向结合水转化,导致T21、T22峰顶点位置逐渐右移[27]。Ikemefuna等[33]的研究发现浸泡后谷子中蛋白质、淀粉以及还原糖含量均有所增加,这可能导致浸泡过程中结合水含量始终大于自由水含量的原因。

2.2 谷子发芽过程中水分分布的变化

图3为谷子发芽过程反演谱图,谷子发芽过程中均先后出现3个弛豫峰,即T21(0.1～10 ms)代表的结合水、T22(10～100 ms)代表的半结合水以及T23(100～1000 ms)代表的自由水[13]。随着发芽的进行,T21、T22、T23峰信号幅值分别呈现减小-增大-减小、增大-减小、不断增大的趋势,T21信号幅值变化不大,T22、T23信号幅值变化较大。T21信号峰位置逐渐右移,T22信号峰位置发芽0～48 h明显右移之后基本不变,T23信号峰位置逐渐向左小幅度移动,表明发芽过程中,自由水和半结合水变化较大,部分自由水和结合水均向半结合水转化。

图3 谷子发芽过程反演谱图Fig.3 Inversion spectrum of millet during germination

图4为谷子发芽过程中信号变化图,在发芽过程中结合水、半结合水、自由水信号含量分别呈现减小-增大-减小、增大-减小、不断增大的趋势,结合水含量变化不大、半结合水和自由水含量变化较大,这与图3中各信号峰幅值变化趋势一致;结合水与半结合水总含量大于自由水含量,表明发芽过程中谷子中水主要以结合水和半结合水为主。图5、图6分别为谷子发芽过程中外观形态变化图和谷子发芽过程中根、芽长度变化图,结合两图可知,谷子的根和芽都在发芽0～72 h快速生长,72～120 h缓慢生长,整个过程芽较根生长速率快。总含水量、自由水变化趋势与根生长趋势相近,这可能是根的生长更加有利于谷子吸水,从而导致总含水量和自由水增加。

图4 谷子发芽过程中各信号变化Fig.4 Change in each signal of millet during germination

图5 谷子发芽过程中外观形态变化Fig.5 Changes in appearance of millet during germination

图6 谷子发芽过程中根、芽长度变化Fig.6 Changes in bud and root length of millet during germination

前期的浸泡使得种皮通透性增加,发芽过程中培养环境中的氧气和水更易进入谷子内部,呼吸作用、代谢活动逐渐增强以及根的生长可能是导致自由水和总含水量增多的原因。谷子内部储存的营养物质在发芽过程中一部分通过呼吸作用为生长功能,一部分通过代谢合成新的细胞[34],导致主要成分淀粉含量逐渐减小[33]及芽和根的生长(如图5、图6所示),这可能是导致结合水含量逐渐减小的原因。自由水、结合水均向半结合水转化,导致半结合水含量逐渐增大。

3 结论

在浸泡的0～12 h过程中,谷子内部存在结合水、自由水2种水分且以结合水为主,部分结合水逐渐向自由水转化;总水、自由水及结合水含量均先增大后波动变化趋于稳定,自由水含量比结合水含量变化幅度更大;根据水分变化趋势确定谷子发芽前的浸泡最佳时间为10 h。在发芽的0～120 h过程中,谷子内部存在结合水、半结合水及自由水3种水分且以结合水和半结合水为主,部分结合水和自由水逐渐向半结合水转化;结合水含量小幅度减小,总水、半结合水、自由水含量均明显增大。低场核磁共振技术可以动态监测谷子浸泡和发芽过程水分变化的规律,为谷子发芽及发芽小米产业化提供新的参考依据。