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γ-氨基丁酸(Gamma Aminobutyric Acid,GABA)是人体内重要的抑制性神经递质,具有活化脑部神经细胞、延缓记忆力衰退和痴呆症、稳定血压、缓解焦虑等生理功效。卫生部推荐成人每日摄入500 mg GABA,然而现有食品中GABA含量普遍较低,无法满足大众尤其是中老年人每日需求。稻米及米制品是亚洲人民的重要主食。糙米发芽后游离氨基酸、维生素以及GABA等小分子营养物质含量显著增加,抗营养因子植酸被降解,产品风味和适口性大幅提升。有研究报道,低氧胁迫或超声场激发可显著提高粟谷、大豆、花生等发芽种子中GABA、多酚等代谢产物,但未研究低氧胁迫的胁迫时段、胁迫时长以及高场强超声波处理时机对发芽糙米中GABA含量和谷氨酸脱羧酶(Gl utamate decarboxylase,GAD)活力的影响及其机制。本研究拟在筛选出高GABA含量和GAD活性的发芽糙米专用稻品种的基础上,研究低温和低氧储藏环境、氮气/二氧化碳低氧胁迫处理、高声场强度超声波对发芽糙米中GABA积累量的影响,采用植物代谢组学研究方法探究发芽糙米在低氧胁迫和超声场环境下的GABA代谢机制。具体研究内容和结果如下:1.高GABA含量和GAD活力稻谷品种的筛选测定了 2010-2011年间收获的3批共114份水稻杂交组合稻谷的出糙率、色泽以及糙米发芽前和发芽72 h时GABA含量和GAD酶活。结果表明,不同水稻杂交组合稻谷的出糙率、色泽以及糙米发芽前和发芽72 h时GABA含量和GAD酶活存在较明显差异,筛选出的棕黄、棕红、紫黑糙米品种在发芽72 h后GABA含量和GAD活力皆高于常规品种。以发芽72 h时GABA含量和GAD活力为指标,从114个水稻杂交组合中筛选出了高GABA棕红糙米品种,其发芽72 h后GABA含量(HPLC法测定)为111.0 mg/100g,是发芽前GABA含量(16.1 mg/100g)的 6.89 倍。2.储藏温度和气体环境对糙米发芽前后GABA含量的影响研究了糙米在真空环境下不同温度(-18℃、4℃、10℃、室温)和10℃低温环境下不同气体环境(C02、N2、空气、真空)下储藏270天过程中其发芽前后GABA含量、GAD和蛋白酶活性以及储藏360天后糙米的发芽率、细胞膜透性、脂肪酸值、丙二醛值和淀粉粒微观形态的变化。低温低氧贮藏糙米对其发芽72 h的GABA含量和GAD酶活有显著影响。低温低氧储藏可延缓糙米储藏过程中其发芽糙米中GABA积累能力和GAD酶活的下降、脂肪酸值升高,保持糙米胚芽结构和细胞膜完整性,有效减少脂质过氧化反应、抑制丙二醛值升高。糙米在10℃低温和充CO2(或N2)低氧环境下储藏90天,发芽72 h后的GABA含量分别比室温和空气环境储藏的糙米(CK)高出33.77%和22.77%,其GAD酶活分别高出对照35.11%和22.47%。3.低氧胁迫对糙米发芽过程中GABA积累量的影响采用充入CO2和N2在糙米萌发不同阶段制造低氧环境,研究了不同气体种类的低氧胁迫及处理时段、时长对发芽糙米中GABA含量和及GAD活力的影响。低氧胁迫气体种类、胁迫处理时段(发芽时间)和胁迫处理时长对发芽糙米中的GABA含量及GAD活力存在显著影响。在发芽前期(C02:0-24 h;N2:0-48 h)进行低氧胁迫处理,则会将降低发芽糙米中的GABA含量,而在发芽后期(C02:24-72 h;N2:48-72 h)进行低氧胁迫处理则可显著提高发芽糙米中GABA含量。采用充CO2营造的低氧胁迫对发芽糙米中GABA的富集效果显著优于采用充N2营造的低氧胁迫的。糙米在发芽66-72 h期间充入CO2进行低氧胁迫处理6 h,发芽糙米中GABA含量显著高于其它时段处理的,且比未进行低氧胁迫处理的发芽糙米高91.06%。4.超声场激发对发芽糙米GABA积累与营养品质的影响研究了高场强超声波(25 kHz)处理及处理时段对发芽糙米品质及GABA等营养代谢物积累量的影响。结果表明,高场强超声波处理对糙米发芽过程中GABA、VB2、淀粉、葡萄糖含量及其米粉糊化粘度特性、降落值等特性有显著影响。高场强超声波可穿透发芽糙米的表皮,在其内部形成裂缝和空洞,对胚芽内部蛋白质、淀粉粒等大分子及生物膜的结构形态产生一定影响;高场强超声波处理可显著增加发芽糙米的GABA和VB2的含量,促进发芽过程中淀粉的水解和葡萄糖的积累,加快发芽糙米粉降落值和RVA黏度的下降。在浸泡后采用超声场处理5 min或在发芽66 h时采用超声场处理5 min,再分别发芽至72h,均可显著提高处理后发芽糙米的GABA和VB2含量。5.低氧胁迫与超声场激发富集发芽糙米中GABA的代谢机制采用GC/MS植物代谢组学分析平台,测定了经低氧胁迫或高场强超声激发的发芽糙米中的糖类、氨基酸及其他有机酸、磷酸等代谢产物,结合多元统计分析方法分析差异代谢物,阐明了低氧胁迫与超声场激发富集发芽糙米中GABA的代谢机制。在低氧胁迫下,发芽糙米中有机酸大量积累、组织酸化,提高了 GAD活性并同时抑制了 GABA-T活性,促进GABA通路中谷氨酸脱羧反应并抑制了 GABA的转氨反应,从而增加GABA积累量。在发芽后期进行高场强超声波处理,提高了发芽糙米中淀粉酶、蛋白酶、GAD等内源酶活性,增强了发芽糙米的能量代谢,增加了谷氨酸、丙氨酸、琥珀酸的合成,促进了多胺类物质降解,抑制了谷氨酸和GABA的转氨消耗反应,从而促进了 GABA的积累。