水培對全株大麥和小麥苗氨基酸組成的影響及對比分析

楊金鈺,王西和,孫九勝

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】水培谷物幼苗蛋白質(zhì)高、氨基酸組成豐富,且富含礦物質(zhì)、維生素和代謝活性酶,莖葉柔嫩多汁,適口性好,易消化,是優(yōu)質(zhì)青飼料[1]。目前大多采用大麥(HordeumvulgareL.)、小麥(Triticumaestivum)、玉米(ZeamaysL.)等禾谷科種子水培幼苗做飼草飼喂羊、牛、馬、豬等。我國水培飼草技術(shù)在山東、河南、福建、安徽、江浙、甘肅、西藏等省(區(qū))均有分布,新疆近幾年在烏魯木齊、喀什、和田等地區(qū)均有發(fā)展,一般用于飼喂羊、牛、駱駝等。研究水培對大麥、小麥苗氨基酸組成的影響,對解決集約化養(yǎng)殖中青綠飼料供應(yīng)不足、冷季飼草短缺有實際意義。【前人研究進展】水培草的飼喂效果優(yōu)于生長周期長、消化率低的干燥儲存牧草。與僅飼喂傳統(tǒng)谷物日糧的綿羊和山羊等小型反芻動物相比,補充水培大麥芽后羊的飼料攝入量減少,總增重和最終體重增加[2-3];飼喂牛結(jié)果則顯示體重或產(chǎn)奶量沒有增加[4];飼喂賽馬水培小麥草可以減少干物質(zhì)的攝入量而保持體重不減[5]。不同動物間的飼喂效果差異由多種因素造成,飼料中的營養(yǎng)組分差異是需要考慮的重要因素。前期試驗結(jié)果表明,水培5 d的大麥苗粗蛋白、粗脂肪、酸性洗滌纖維、微量元素錳、鐵,以及總氨基酸、必需氨基酸含量顯著高于水培2、3、4 d的,而且生物量達到最大,草種比為6∶ 1。繼續(xù)水培到第6 d后,葉片開始黃化,飼用營養(yǎng)物質(zhì)含量降低,種子中的能量物質(zhì)逐漸耗竭,莖葉失綠,含水量減少,生物量增加緩慢或不增加。綜合考慮飼養(yǎng)價值、水培能耗、生物量等因素,水培大麥苗第5 d是作為飼草的最佳收獲期。收獲時將大麥苗根系盤結(jié)在一起形成的草毯從水培盤取出,收獲即刻完成。收完鮮草(全株大麥草,包含莖葉和根系)即可飼喂牛羊。氨基酸是構(gòu)成機體蛋白質(zhì)和與生命活動有關(guān)的重要成分,飼糧中氨基酸的含量及組成對動物生長有重要影響。谷氨酸、纈氨酸和異亮氨酸可緩解仔豬斷奶應(yīng)激,改善生產(chǎn)性能,改善妊娠環(huán)江香豬的氮代謝和脂肪代謝,提高哺乳幼崽的生長性能[6]。脯氨酸是哺乳動物的功能性氨基酸,可以促進胎兒與幼崽的生長發(fā)育[7]。甲硫氨酸是奶牛生長和泌乳過程中的重要營養(yǎng)物質(zhì),在飼料中加入可有效促進泌乳[8]?！颈狙芯壳腥朦c】目前關(guān)于水培飼草的研究以大麥居多,主要分析了生物量,飼料常規(guī)營養(yǎng)成分、飼喂效果等。水培飼草應(yīng)選擇大麥還是小麥進行水培還存在爭議,而不同禾谷類幼苗的飼用營養(yǎng)價值差異較大,現(xiàn)有關(guān)發(fā)芽大麥、小麥氨基酸成分的研究主要為食品工業(yè)制麥芽產(chǎn)品的結(jié)果,關(guān)于水培大麥、小麥不同部位功效氨基酸營養(yǎng)成分的對比尚少見,針對水培谷物物種間基礎(chǔ)營養(yǎng)資源差異的分析還需要深入。需研究水培對全株大麥、小麥苗氨基酸組成的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】分析比較大麥、小麥莖葉、根部的氨基酸含量、以及其中的味覺氨基酸和藥用氨基酸組分,為水培青飼料開發(fā)利用及作物篩選提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

選用新疆地區(qū)生產(chǎn)常用的大麥品種甘啤8號、小麥品種新冬18號。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

大麥、小麥種子的水培過程分兩個階段:萌發(fā)期(3 d)和水培期(5 d)。

萌發(fā)期為3 d,在試驗室自然環(huán)境下進行。萌發(fā)期:每盤稱取優(yōu)質(zhì)種子0.4 kg,用0.5%的次氯酸鈉溶液清洗消毒后,用50℃溫水浸種6 h,撈出種子盛入器皿靜置。器皿表面覆蓋干凈濕毛巾,防止種子干燥。12 h后,將種子均勻鋪設(shè)于長44 cm、寬34 cm的育芽苗盤中,覆蓋濕潤的發(fā)芽紙。該試驗分別種植3個育苗盤作為重復(fù)。實驗室溫度為28 ℃,每6 h向種子表面噴少許水保持濕潤,共計避光萌發(fā)時長3 d。

水培期在可控環(huán)境培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)5 d。培養(yǎng)箱內(nèi)環(huán)境條件控制為光照期溫度26℃,暗期22℃。光照周期為每16 h內(nèi)光照10 h,光強為300 μmol/(m2·s)[9]。每4 h通過智能控制系統(tǒng)噴自來水60 s(折合8 L/m2),育苗盤一邊設(shè)有排水孔,放置育苗盤的支撐架結(jié)構(gòu)設(shè) 5°坡度,盤內(nèi)飼草未吸收的多余水分通過重力經(jīng)排水孔流入排水槽。在水培期的第5 d,分別在3個育苗盤的正中間采集20 cm×20 cm的樣品。將樣品從莖基部分剪為莖葉、根系(包含發(fā)芽籽實)兩部分,分別測定氨基酸含量,以未進行萌發(fā)、水培的大麥、小麥籽實為對照,測定氨基酸含量,3次平行測定。

1.2.2 測定指標

采用GB/T18246-2019國標方法測定17種氨基酸。由于實驗中采用酸水解,色氨酸在水解中被破壞,故未獲得色氨酸含量數(shù)據(jù)。測定的7種必需氨基酸(essential amino acids, EAA),包括蘇氨酸、纈氨酸、賴氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸。10種非必需氨基酸(non-essential amino acids, NEAA),包括天冬氨酸、絲氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、胱氨酸、酪氨酸、組氨酸、精氨酸、脯氨酸。按功效氨基酸分類方法計算得出鮮味氨基酸、甜味氨基酸、芳香氨基酸、藥效氨基酸含量[10]。其中鮮味氨基酸為谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸、精氨酸和丙氨酸含量之和;甜味氨基酸為蘇氨酸、絲氨酸、甘氨酸、丙氨酸、組氨酸、脯氨酸含量之和;芳香氨基酸為酪氨酸、苯丙氨酸含量之和;藥效氨基酸指胱氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸和精氨酸含量之和。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel軟件進行處理和繪圖,運用SPSS統(tǒng)計分析軟件進行相關(guān)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水培對大麥、小麥氨基酸含量組成的影響(表1)

表1 水培前后大麥與小麥的氨基酸含量及對比

2.1.1 水培前后大麥氨基酸含量組成的變化

研究表明,水培前,大麥籽實的必需氨基酸含量為3.4%,亮氨酸、苯丙氨酸和纈氨酸的含量較高。非必需氨基酸中,含量最高的是谷氨酸、脯氨酸和天冬氨酸。氨基酸總量為10.54%,必需氨基酸占比為32.3%。

水培生長5 d后,莖葉部分的必需氨基酸大幅增加,相比籽實增加了132%,其中賴氨酸含量增加較多,相比籽實增加了232%,纈氨酸增加了142%。莖葉中的非必需氨基酸含量相比大麥籽實增加了129%,其中天冬氨酸變化最大,相比籽實增加了713%,其次為丙氨酸,相比籽實增加204%,谷氨酸含量相比籽實減少6%。莖葉中的氨基酸總量相比籽實增加了129%,必需氨基酸在總氨基酸中的含量占比基本無變化,為32.63%。

根系部分的必需氨基酸含量為4.08%,相比籽實也有增加,為20%。增加的必需氨基酸與莖葉部分的含量變化趨勢一致,其中含量最高的是亮氨酸、纈氨酸和異亮氨酸。根系中的甲硫氨酸含量無變化,苯丙氨酸含量減少了15%。非必需氨基酸含量相比籽實減少了9.7%,其中谷氨酸減少53%,胱氨酸含量減少53%,脯氨酸含量減少57%。精氨酸含量無變化,其他成分均有增加。

2.1.2 水培前后小麥氨基酸含量組成的變化

研究表明,水培前,小麥籽實必需氨基酸含量為3.81%,含量最高的是亮氨酸、苯丙氨酸和纈氨酸,非必需氨基酸含量為9.31%,氨基酸總含量為13.13,其中必需氨基酸的占比為29.05%。

水培生長后,與小麥籽實相比,莖葉部分的必需氨基酸含量增加116%,其中增加最多的是賴氨酸,相比籽實增加300%,其次為蘇氨酸,相比籽實含量增加了163%。莖葉的非必需氨基酸相比籽實增加了96%,其中天冬氨酸增加735%,丙氨酸增加186%,絲氨酸和甘氨酸均增加110%左右。谷氨酸含量減少21%,脯氨酸變化相對小,相比籽實增加24%。其余非必需氨基酸成分均有增加。莖葉的氨基酸總含量比小麥籽實增加了102%,必需氨基酸在總氨基酸中的占比增加了7%。

根系部分的必需氨基酸含量為3.62%,相比小麥籽實減少了5%。其中纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸含量均減少,甲硫氨酸含量無變化,賴氨酸含量增加。根系的非必需氨基酸總含量與籽實含量相當,變化不大。其中天冬氨酸、丙氨酸含量分別增加77%、18%,其余非必需氨基酸成分含量均比籽實減少。大麥根系的氨基酸總量相比籽實減少了16%,必需氨基酸在總氨基酸中的占比提高了13%。

2.1.3 水培前后大麥和小麥的氨基酸組成差異比較

研究表明,2種作物的籽實必需氨基酸組成中均是亮氨酸、苯丙氨酸、纈氨酸含量較高,甲硫氨酸和蘇氨酸較低,賴氨酸含量相同。非必需氨基酸中均是谷氨酸、脯氨酸、天冬氨酸含量最高,胱氨酸含量最低。小麥籽實的必需、非必需氨基酸含量、氨基酸總和分別為3.81%、9.31%、13.13%,比大麥分別高12%、31%、25%。小麥籽實的必需氨基酸含量占比低于大麥籽實。小麥籽實的氨基酸含量高于大麥。

經(jīng)水培生長后,兩者的氨基酸含量在莖葉和根系的分配發(fā)生變化。在莖葉必需氨基酸中,大麥的亮氨酸含量最高,小麥的賴氨酸含量較高。非必需氨基酸中,兩者均是天冬氨酸、谷氨酸含量較高,胱氨酸含量最低,小麥莖葉的必需、非必需氨基酸含量、氨基酸總量分別比大麥高4%、12%、9%。小麥莖葉的必需氨基酸含量占比低于大麥籽實。小麥莖葉的氨基酸含量高于大麥。

根系部分大麥的必需氨基酸含量比小麥高13%,亮氨酸、纈氨酸,以及天冬氨酸含量較高,必需氨基酸占比高于小麥。小麥的非必需氨基酸、氨基酸總含量分別比大麥高46%、5%,亮氨酸、苯丙氨酸以及谷氨酸含量較高。

小麥莖葉的必需氨基酸、非必需氨基酸及氨基酸總量顯著高于其他部分(P<0.05),其次為大麥莖葉,大麥籽實和根系的氨基酸總量最低(P<0.05)。

必需氨基酸中,小麥莖葉中的蘇氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸含量較高,分別為0.95%、0.4%、1.38%、1.76%,顯著高于大麥籽實、大麥苗各部分以及小麥籽實等其它部分含量(P<0.05)。大麥莖葉的纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸含量顯著高于小麥莖葉等各部分、大麥籽實和根系的含量(P<0.05)。大麥莖葉的蘇氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸含量水平僅次于小麥莖葉,顯著高于大麥、小麥的籽實和根系部分含量(P<0.05)。

2.2 水培對大麥、小麥特殊功效氨基酸含量的影響(表2)

表2 特殊功效氨基酸含量比較

2.2.1 水培前后大麥、小麥特殊功效氨基酸變化

研究表明,與籽實相比,水培生長后,大麥莖葉的鮮味、甜味、芳香、藥效氨基酸分別增加了142%、126%、93%、115%,根系部分的藥效氨基酸略有增加(11%),甜味、芳香氨基酸變化不大,鮮味氨基酸含量降低5.2%。小麥莖葉的鮮味、甜味、芳香、藥效氨基酸分別增加了112%、93%、83%、105%,根系部分的功效氨基酸含量均降低,其中鮮味氨基酸含量降低20%。

2.2.2 水培前后大麥和小麥的特殊功效氨基酸差異比較

研究表明,小麥莖葉的鮮味、甜味、芳香及藥效氨基酸含量最高,其次為大麥莖葉,二者的含量均顯著高于籽實和根系部分的含量。小麥根系的鮮味、甜味、芳香氨基酸高于大麥根系,大麥根系的藥效氨基酸含量高于小麥根系。大麥籽實的鮮味、甜味、藥效氨基酸含量最低,分別為4.93%、3.01%、3.41%,顯著低于根系、莖葉及小麥籽實部分的含量。小麥的風味及氨基酸功效優(yōu)于大麥。

3 討論

3.1 水培對大麥和小麥氨基酸組成的影響

釀酒等食品工業(yè)生產(chǎn)中,發(fā)芽72 h可使大麥、小麥的營養(yǎng)價值提高、氨基酸含量發(fā)生變化,如顯著提高賴氨酸含量,形成獨特風味和口感,實現(xiàn)藥用價值和保健作用[11]。試驗研究的作物生長期比釀酒工業(yè)制麥芽過程多了5 d,但是大麥和小麥的氨基酸含量變化趨勢相似,即發(fā)芽生長增加了植株體中總氨基酸、賴氨酸、脯氨酸、精氨酸等含量。因為發(fā)芽生長初期,麥胚部吸水后誘導(dǎo)淀粉酶和蛋白酶的活性增加,使胚乳中的蛋白質(zhì)和淀粉分解,蛋白質(zhì)降解為小分子肽,進一步水解為多種豐富的游離態(tài)氨基酸物質(zhì)等。

研究中,短期的水培生長使大麥、小麥的賴氨酸等特殊功效氨基酸含量提高,提高了必需氨基酸營養(yǎng)成分含量的占比。通過水培方式快速生產(chǎn)大麥、小麥幼苗做飼料,相比大麥、小麥籽實,提高了飼草的氨基酸營養(yǎng)價值。

3.2 水培大麥、小麥的氨基酸營養(yǎng)成分對比

大麥、小麥兩種谷物籽實之間的氨基酸成分含量相比,均呈谷氨酸、脯氨酸、亮氨酸最多,酪氨酸、組氨酸、胱氨酸、甲硫氨酸最少的順序,與以往的研究結(jié)果一致[12],所選大麥、小麥的氨基酸成分的占比與前人相似,可能與物種的遺傳基因有關(guān)。但在氨基酸含量上有差異,小麥籽實的必需、非必需及總氨基酸含量顯著高于大麥。可能與品種資源本身的特性、生長環(huán)境條件有關(guān)。

研究表明,小麥莖葉和大麥莖葉的鮮味、甜味氨基酸含量較高,大麥、小麥的莖葉風味優(yōu)于籽實和根系,且以小麥莖葉的適口性更佳。甘氨酸等含量與發(fā)芽時間、生長環(huán)境中的水分條件等有關(guān)[13],研究雖然采用相同的環(huán)境控制條件,而大麥和小麥莖葉呈味氨基酸產(chǎn)生了差異,可能與籽實種質(zhì)本身的蛋白質(zhì)組成、氨基酸成分含量有關(guān)。酪氨酸、苯丙氨酸是具有特殊芳香氣味的氨基酸;按是否有藥用價值,將甘氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、天冬氨酸、谷氨酸歸為藥用氨基酸,可調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)和氨基酸代謝,促進胰島素和生長激素釋放,具有一定的抗疲勞作用,對減少運動引起的肌肉損傷和促進肌肉蛋白質(zhì)合成十分有益。研究中,小麥莖葉的芳香及藥效氨基酸含量較高,大麥莖葉含量次之,顯著高于籽實的含量。大麥、小麥之間的差異可能是種質(zhì)間遺傳基因物質(zhì)不同所致,還可能與水培過程中環(huán)境綜合因素有關(guān),小麥和大麥雖然同屬麥類作物,但對光溫水熱等環(huán)境的響應(yīng)機制也存在差異,籽實中初始蛋白質(zhì)、礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量均對酶活性、氨基酸合成與轉(zhuǎn)運過程產(chǎn)生深遠影響。短期水培生長后的大麥和小麥,適口性和風味得到改善,并提高了保健營養(yǎng)物質(zhì)含量,具體還需結(jié)合飼喂試驗來證實。

4 結(jié) 論

4.1水培5 d籽實成苗后,顯著增加了大麥和小麥莖葉部分的16種氨基酸含量,相比籽實,莖葉的必需氨基酸、總氨基酸、味覺氨基酸及藥效氨基酸含量增加了2～3倍,改善了適口性和風味。大麥和小麥根系部分營養(yǎng)物質(zhì)變化弱于莖葉,其中大部分氨基酸含量減少,只有大麥根系的甜味和藥效氨基酸含量略有增加。

4.22種作物相比,小麥莖葉的氨基酸營養(yǎng)成分比大麥莖葉豐富,賴氨酸、天冬氨酸等12種氨基酸含量較高,呈味氨基酸和藥效氨基酸明顯高于大麥。作為新型飼草在生產(chǎn)應(yīng)用,基于營養(yǎng)價值首選小麥。