基于低場核磁共振技術監測谷子萌發過程中內部水分變化

楊 鵬1,2,陸蘭芳1,2,王 展2,沈汪洋2,于 博

(1.湖北文理學院食品科學技術學院,湖北襄陽 441053;2.武漢輕工大學食品科學與工程學院,湖北武漢 430023)

谷子是原產于我國北方黃河流域的傳統作物[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物,含有豐富的營養及保健成分[3],其中淀粉為小米的主要成分(占籽粒質量的63%～79%)[4]。淀粉本身特性(孔洞、分子量、結晶度等)[5-6]以及淀粉基發芽谷物食品中含有的脂類成分[7]、蛋白質[8]、多酚和纖維[9-10]等成分均會影響谷物及其制品中淀粉的消化,從而影響包括小米在內的谷物中營養的吸收。發芽是一種綠色(靠內源酶改變產品特性)、低損失且可以提高營養的加工技術,備受國內外學者的青睞。該技術不僅可以改變包括小米在內的谷物的營養成分及加工特性,還可以降低脂類物質和抗營養物質[11],提高其制品的消化率進而促進營養的吸收。

水分是種子生理代謝活動中必需的反應底物和介質,種子萌發整個過程都與其內部水分的含量及分布密切相關,水分過多或過少都會對種子萌發及生長產生不利影響[12],因此,萌發期間種子的吸水及水分變化規律對其發芽具有重要的指導作用。目前,測定種子中的水分主要是通過烘干或者解剖種子觀察其結構來對水分的變化進行分析[13],二者均是破壞性的,不能對同一批種子水分變化進行連續準確的測定,且前者也只能獲得含水量的信息并不能得到內部水分變化的信息[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(磁場強度B<0.5 T)的共同作用下發生能量交換并發生能級躍遷,從而產生共振信號[16]。該技術能夠靈敏、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律。目前,低場核磁技術的研究主要集中在食品貯藏及加工過程水分的監測[17-21]、食品成分分析[22-25]等方面,在農作物育種方面有關于冬小麥[12]、玉米[12-13]、糙米[26-27]、水稻[28]及糯米[29]等谷物萌發的報道,但沒有關于谷子萌發方面的報道。

本文以谷子為研究對象,利用低場核磁共振技術對其浸泡12 h及發芽120 h過程進行監測。通過分析T2弛豫反演圖譜,得出浸泡和發芽過程谷子內部水分分布及變化規律,為谷子發芽和發芽小米產業化提供一定的科學依據。

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型電熱恒溫培養箱 上海一恒科學儀器有限公司;BSG-250型光照培養箱 上海博訊實業有限公司醫療設備廠;HH-4型數顯恒溫水浴鍋 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儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 谷子浸泡和發芽方法 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 ℃恒溫水浴鍋中進行浸泡。將浸泡后的谷子用質量分數為0.1%的NaClO溶液消毒30 min后用去離子水沖洗干凈[30],平鋪于培養皿內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皿口,置于25 ℃光照培養箱中無光照連續發芽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 ℃的培養箱中5 min后取出進行低場核磁檢測[29]。將經過數據采集后的樣品補充水后繼續進行浸泡處理。

1.2.3 谷子發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后進行發芽處理,每24 h取出一次,按照1.2.2中方法進行低場核磁檢測。將經過數據采集后的樣品補充水后繼續進行發芽處理。

1.2.4 低場核磁共振檢測方法 將分別盛有適量標準油樣及測試樣品的核磁管先后置于低場核磁磁體中心位置,采用FID模式進行核磁中心頻率及脈沖射頻寬度的標定,確定實驗部分參數為: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。

樣品測定參數:采用CPMG模式測定樣品T2弛豫參數,樣品采集頻率SW=100 kHz,信號采樣數TD=120004,重復采樣時間間隔TW=4000 ms,重復采樣次數NS=16,回波時間TE=0.3 ms,回波個數NECH=4000。

反演參數:分組類型為多組分,選取數據數量為200,數據選取方式為抽樣,刪除數據量為0,濾波檔位為3,弛豫時間最小值為0.01 ms,最大值為10000 ms,弛豫時間點數量為100,顯示值極限為0,反演方法為SIRT,迭代次數為1000000。

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

1.3 數據處理

根據核磁共振的原理,可以用T2弛豫反演數據中各峰面積來表示谷子在浸泡及發芽過程中的各種水分的含量[28]。采用EXCEL 2016及SPSS 22軟件對數據進行處理、分析,結果均用平均值(標準差表示。采用Origin 2018進行圖形的繪制。

2 結果與分析

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,在谷子連續浸泡12 h的過程中,各階段反演譜圖均先后出現4個弛豫峰,T2b(0.1～1 ms)、T21(1～10 ms)代表活性較弱的結合水;T22(10～100 ms)代表活性較強的自由水[27];T23(100～400 ms)經驗證為脂類成分(小米種子經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]的報道一致。T2弛豫峰中,T2b信號幅值基本沒有明顯的變化;T21信號幅值明顯大于T22信號幅值,信號幅值均呈現幅度由大到小的增大趨勢;T21、T22峰位置逐漸右移。表明谷子在浸泡過程中內的水以結合水為主,自由水、結合水含量呈現速率由快到慢的增加趨勢,部分結合水向自由水轉化。

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變化圖,谷子在浸泡過程中,總水、結合水、自由水含量均呈現先快速增大后逐漸穩定的趨勢,自由水含量比結合水含量增加幅度更大(前者5.10倍,后者0.83倍),結合水含量始終大于自由水含量,這與圖1中T21、T22峰信號幅值變化趨勢一致。在浸泡10 h后自由水、結合水以及總含水量均基本達到平衡,據此確定對谷子進行發芽處理前的浸泡最佳時間為10 h。

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

浸泡主要是吸漲吸水過程,結合水、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致T2b弛豫峰出現[27];外界的水快速進入細胞內成為自由流動的水導致自由水含量迅速增加[32];細胞因吸水間隙增大,水分子所受束縛作用減小,自由水部分向結合水轉化,導致T21、T22峰頂點位置逐漸右移[27]。Ikemefuna等[33]的研究發現浸泡后谷子中蛋白質、淀粉以及還原糖含量均有所增加,這可能導致浸泡過程中結合水含量始終大于自由水含量的原因。

2.2 谷子發芽過程中水分分布的變化

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

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

圖4為谷子發芽過程中信號變化圖,在發芽過程中結合水、半結合水、自由水信號含量分別呈現減小-增大-減小、增大-減小、不斷增大的趨勢,結合水含量變化不大、半結合水和自由水含量變化較大,這與圖3中各信號峰幅值變化趨勢一致;結合水與半結合水總含量大于自由水含量,表明發芽過程中谷子中水主要以結合水和半結合水為主。圖5、圖6分別為谷子發芽過程中外觀形態變化圖和谷子發芽過程中根、芽長度變化圖,結合兩圖可知,谷子的根和芽都在發芽0～72 h快速生長,72～120 h緩慢生長,整個過程芽較根生長速率快?？偤?、自由水變化趨勢與根生長趨勢相近,這可能是根的生長更加有利于谷子吸水,從而導致總含水量和自由水增加。

圖4 谷子發芽過程中各信號變化Fig.4 Change in each signal of millet during germination

圖5 谷子發芽過程中外觀形態變化Fig.5 Changes in appearance of millet during germination

圖6 谷子發芽過程中根、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,發芽過程中培養環境中的氧氣和水更易進入谷子內部,呼吸作用、代謝活動逐漸增強以及根的生長可能是導致自由水和總含水量增多的原因。谷子內部儲存的營養物質在發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胞[34],導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),這可能是導致結合水含量逐漸減小的原因。自由水、結合水均向半結合水轉化,導致半結合水含量逐漸增大。

3 結論

在浸泡的0～12 h過程中,谷子內部存在結合水、自由水2種水分且以結合水為主,部分結合水逐漸向自由水轉化;總水、自由水及結合水含量均先增大后波動變化趨于穩定,自由水含量比結合水含量變化幅度更大;根據水分變化趨勢確定谷子發芽前的浸泡最佳時間為10 h。在發芽的0～120 h過程中,谷子內部存在結合水、半結合水及自由水3種水分且以結合水和半結合水為主,部分結合水和自由水逐漸向半結合水轉化;結合水含量小幅度減小,總水、半結合水、自由水含量均明顯增大。低場核磁共振技術可以動態監測谷子浸泡和發芽過程水分變化的規律,為谷子發芽及發芽小米產業化提供新的參考依據。