Hạt là nguồn dự trữ các chất dinh dưỡng bao gồm: carbohydrate hòa tan, tinh bột, polymer, protein dự trữ, enzym, lipid, viatmin, khoáng chất... Hạt là nguồn dự trữ này chiếm 70% lượng calo tiêu thụ trên thế giới dưới dạng thực phẩm và thức ăn chăn nuôi được sản xuất thông qua nền nông nghiệp bền vững, góp phần đảm bảo an ninh lương thực và dinh dưỡng.
Một hạt đang phát triển bao gồm: nội nhũ, phôi, lớp cám và vỏ. Ở thực vật hai lá mầm, phôi bao phủ hầu hết không gian trong hạt cùng với các chất dự trữ lipid và protein chính (Borisjuk và cộng sự, 2013). Ở ngũ cốc, nội nhũ chứa chất dự trữ chính bao gồm tinh bột và protein dự trữ (Olsen, 2001).
    |
 |
| Hình 1. Cấu tạo hạt thóc và đậu tương |
1.Cơ chế nảy mầm của hạt
Quá trình nảy mầm của hạt là một quá trình phức tạp và được một số tác giả định nghĩa theo những cách khác nhau (Higashiyama và cộng sự, 2003). Trong quá trình nảy mầm, lá mầm được nâng lên khỏi mặt đất nơi chúng tiếp tục cung cấp chất dinh dưỡng cho quá trình phát triển lá. Trong quá trình hình thành rễ, lá mầm bắt đầu kéo dài thành một hình cung xuyên qua đất, kéo lá mầm và chồi mầm bao quanh xuống đất và nhô lên không trung. Sau đó, lá mầm mở ra, chồi mầm tiếp tục phát triển và lá mầm héo và rơi xuống đất. (Larry và Mille, 1995).
Quá trình nảy mầm của hạt có thể được chia thành một số bước bao gồm kích hoạt các enzyme bằng cách hấp thụ nước, phát triển rễ mầm thành rễ để hấp thụ nước từ đất và phát triển chồi mầm thành chồi để quang hợp. Khi bắt đầu nảy mầm, hạt hấp thụ nước và sản xuất nhiều loại enzyme giúp phân hủy thức ăn dự trữ thành các phân tử đơn giản hơn. Những sản phẩm này được vận chuyển đến cây con mới mọc để phát triển. (Millerd và Thomson, 1975) Nhiều loại khoáng chất, protein và enzyme đóng vai trò quan trọng theo nhiều cách ở các bước khác nhau trong quá trình nảy mầm của hạt. Người ta đã lưu ý rằng khi hạt bắt đầu nảy mầm, nó làm tăng khoáng chất, protein, vitamin và enzyme từ 25 đến 4.000 phần trăm (Azulay, 1997).
Hạt có thức ăn dự trữ dưới dạng protein, carbohydrate, phosphate và lipid được lưu trữ đóng vai trò là bộ khung carbon và nguồn năng lượng. Sự hấp thụ của hạt kích hoạt nhiều quá trình sinh hóa khác nhau như kích hoạt quá trình tổng hợp enzyme thủy phân. Các enzyme thủy phân này đóng vai trò quan trọng trong việc xúc tác thức ăn dự trữ như protein, carbohydrate, lipid, hemicellulose, polyphosphate và các nguyên liệu thực phẩm khác thành thức ăn đơn giản có sẵn để phôi hấp thụ. Một số enzyme cũng được sản xuất sau khi hấp thụ oxy như kích hoạt các enzyme ty thể tham gia vào chuỗi vận chuyển điện tử và chu trình Krebs (Bewley và cs. 1985).
2. Vai trò của các enzyme thủy phân trong quá trình nảy mầm hạt
2.1.Thủy phân tinh bột bằng enzym Amylase
Hầu hết các loại hạt của thực vật chứa khoảng 70–80% tinh bột. Trong số nhiều nghiên cứu liên quan đến việc nghiên cứu tầm quan trọng của chức năng α-amylase trong quá trình nảy mầm của hạt trong các điều kiện căng thẳng môi trường khác nhau như căng thẳng hạn hán, căng thẳng nhiệt độ, v.v., một số nghiên cứu quan trọng được tóm tắt như sau. Việc thúc đẩy hạt nảy mầm trong điều kiện căng thẳng nước là kết quả trực tiếp của hoạt động α-amylase cao nhưng có thể liên quan đến chiến lược thích nghi với tình trạng thiếu nước vì hoạt động của nó là cần thiết để tích tụ chất tan và giảm thế thẩm thấu. Ngoài ra, sự ức chế tổng hợp α-amylase có thể không phải là cơ chế mà hạn hán ngăn cản sự nảy mầm của hạt Agropyron desertorum (Barendse, 1986)
· Với sự có mặt của H 2 O , Gibberellin hoặc axit gibberellic (GA) kích thích sản xuất Amylase .
· Amylase phân hủy tinh bột thành maltose , cho phép hình thành ATP (thông qua glucose).
· Năng lượng được tạo ra trong phôi được sử dụng để thúc đẩy quá trình nảy mầm.
· Glucose được tạo ra cũng có thể được sử dụng để tổng hợp xenlulozơ - để hình thành thành tế bào.
2.2.Thủy phân protein bằng enzym Protease
Quá trình chuyển hóa protein hạt là bước cần thiết trong quá trình nảy mầm hạt, đây là một quá trình gồm nhiều bước và diễn ra với sự hỗ trợ của các enzyme phân giải protein. Gepstin và Han, (1980) đã báo cáo rằng hoạt động của các enzyme phân giải protein tăng lên trong hạt trong bảy ngày đầu tiên của quá trình nảy mầm hạt. Người ta cũng quan sát thấy rằng các chất ức chế protease có bản chất là protein đang biến mất. Quá trình thủy phân hoặc xúc tác protein được lưu trữ trong hạt giải phóng axit amin tự do. Các axit amin tự do này hỗ trợ quá trình tổng hợp protein trong nội nhũ và phôi, cuối cùng diễn ra trước quá trình nảy mầm. Dunaevsky và Belozersky, (1990) báo cáo rằng hạt kiều mạch chủ yếu có globulin 13S bao gồm các tiểu đơn vị axit và bazơ và có khối lượng phân tử khoảng 57,5 đến 23,5 kDa. Các enzyme phân giải protein thủy phân globulin 13S từng bước và các sản phẩm của phản ứng này được cây con đang phát triển sử dụng. Bước đầu tiên của quá trình phân hủy globulin 13S được thực hiện với sự trợ giúp của metalloproteinase với sự cắt khoảng 1,5% liên kết peptide. Bước này mất ba ngày đầu tiên của quá trình nảy mầm hạt. Trong khi ở giai đoạn thứ hai bước phân hủy globulin 13S carboxypeptidase và cysteine proteinase (xuất hiện trong hạt nảy mầm) thủy phân các sản phẩm của metalloproteinase thành các peptide nhỏ và các axit amin. Carboxypeptidase tạo điều kiện cho quá trình thủy phân protein dự trữ và hoạt động hỗ trợ cysteine proteinase. Trong bước cuối cùng, aspartic proteinase thủy phân các protein có trong hạt (Belozersky và Dunaevsky, 1990).
2.3.Thủy phân lipid hạt dự trữ bằng enzym Lipase
Thông thường, hạt có dầu bao gồm hai phần, hạt (phần chính) và lớp vỏ hạt (bao bọc hạt và còn được gọi là lớp vỏ hoặc vỏ trấu). Hạt chứa hai phần là nội nhũ và phôi. Hoạt động của các enzyme Lipase được nghiên cứu trong quá trình nảy mầm của hạt, khi hàm lượng dầu đạt giá trị tối đa (Paques và Macedo 2006). Khi quá trình nảy mầm tiếp tục, triacylglycerol bị phân hủy hoặc thủy phân để cung cấp năng lượng bắt buộc cho quá trình tổng hợp đường, axit amin (như aspartate, asparagine, glutamate và glutamine) và chuỗi carbon bắt buộc cho sự phát triển và tăng trưởng của phôi (Quettier và Eastmond, 2009). Các enzyme thủy phân quan trọng nhất liên quan đến xúc tác lipid trong quá trình nảy mầm của hạt là các lipase xúc tác thủy phân các liên kết este cacboxylate và giải phóng các rượu hữu cơ và axit béo và cũng tham gia vào phản ứng este hóa (phản ứng ngược) hoặc thậm chí một số phản ứng chuyển este hóa (Barros và cộng sự, 2010)
2.4. Vai trò của Beta-1, 3-glucanase trong quá trình nảy mầm của hạt
β-1, 3-Glucanase là một loại enzyme xúc tác β-1, 3-Glucan. Lớp dày β-1, 3-Glucan được tìm thấy như lớp phủ trên hạt sau đó bị phân hủy trong quá trình nảy mầm bởi các hoạt động của β-1,3-Glucanase. β-1,3-Glucanase đóng vai trò rất quan trọng trong trạng thái ngủ, điều hòa và nảy mầm của hạt. β-1, 3-Glucanase được phiên mã trong nội nhũ micropylar của hạt cà chua, thuốc lá và các loại hạt khác thuộc họ Cà trước khi xuất hiện rễ mầm. Việc cảm ứng β-1, 3-Glucanase và nảy mầm hạt có liên quan chặt chẽ với phản ứng với các hoocmon thực vật và các khía cạnh môi trường, ví dụ như cả hai đều bị ức chế bởi axit abscisic và được tăng cường bởi gibberellin. Callose có mặt với số lượng lớn trong một số loài thực vật hai lá mầm chủ yếu được tìm thấy trong các lớp vỏ hạt (Nguyen et al., 2002).
2.5. Thủy phân axit phytic trong quá trình nảy mầm hạt
Hạt lưu trữ phốt pho dưới dạng axit phytic còn được gọi là inositol hexophosphate trong ngũ cốc và các loại đậu. Axit phytic còn được gọi là chất chống dinh dưỡng vì nó có khả năng liên kết với các cation như Ca, Mg, Fe, Mn, K, Zn thông qua liên kết ion để tạo thành muối hỗn hợp thường được gọi là phytin hoặc phytate và nó cũng tạo thành phức hợp với protein. Phytate hoặc phytin làm giảm khả năng tiêu hóa của hạt (Lott, 1995).
Theo Shi và cộng sự, (2005), một lượng lớn phytate được lưu trữ không cần thiết cho khả năng sống và nảy mầm của hạt hoặc sự phát triển của cây con. Phytin trong hạt nảy mầm bị phân hủy bởi một loại enzyme phosphatase axit được gọi là phytase với việc giải phóng các cation, phosphate và inositol được cây con hoặc cây non tiêu thụ.
Kết luận
Từ những suy luận trên, có thể kết luận rằng sự nảy mầm của hạt là hiện tượng thiết yếu cho sự sống còn của các loài thực vật.
Các điều kiện môi trường khác nhau như nhiệt độ, độ ẩm và đất, v.v. ảnh hưởng đến quá trình nảy mầm của hạt. Các enzyme cũng đóng một vai trò rất quan trọng trong quá trình nảy mầm, sinh trưởng và phát triển của hạt. Nếu không có enzyme, quá trình nảy mầm không thể tiếp tục.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.Azulay, S. (1997). About Sprouts and Enzymes. Earth Times. 1-5.
Barros, M., Fleuri, L. F., & Macedo, G. A.. (2010). Seed lipases: sources, applications and properties - a review. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 27(1), 15-29.
Bewley J.D, M Black, JD Bewley, M Black - Seeds: Physiology of …, 1985 – Springer
2.Barros, M., Fleuri, L. F., & Macedo, G. A.. (2010). Seed lipases: sources, applications and properties - a review. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 27(1), 15-29.
3.Belozersky MA, Dunaevsky YE, Voskoboynikova NE, (1990). Isolation and properties of a metalloproteinase from buckwheat seeds. The Biochemical Journal. 1990;272:677-682
4.Borisjuk L. Nguyen T.H. Neuberger T. Rutten T. Tschiersch H. Claus B. Feussner I. Webb A.G. Jakob P. Weber H. Wobus U. Rolletschek H. (2005). Gradients of lipid storage, photosynthesis and plastid differentiation in developing soybean seeds. New Phytol. 167: 761–776.
5.Dunaevsky YE, Belozersky MA, (1989). Proteolysis of the main storage protein of buckwheat seeds at the early stage of germination. Physiologia Plantarum., 75:424-428
6.Gepstin S, Han I, (1980). Evidence for the involvement of cytokinin in the regulation of proteolytic activity in cotyledons of germinating beans. Plant and Cell Physiology., 21(1):57-63.
7.Higashiyama, T., H. Kuroiwa and T. Kuroiwa, (2003). Pollen-tube guid- ance: beacons from the female gametophyte. Curr. Opin. Plant Biol. 6: 36–41.
8. Barendse G. W. M., J. Kepczynski, C. M. Karssen, M. Koornneef, 1986.
The role of endogenous gibberellins during fruit and seed development: Studies on gibberellin-deficient genotypes of Arabidopsis thaliana. Wiley Online Library
9.Larry O. Copeland And Miller B. McDonald (1995). Principles of Seed Science and Technology. Springer Science & Business Media, 409, 60
10.Lott J.N.A, Greenwood JS, Batten GD., (1995). Mechanisms and regulation of mineral nutrient storage during seed development.
11.Nguyen, H., Brown, R.C. and Lemmon, B.E. (2002). Cytoskeletal organization of the micropylar endosperm in Coronopus didymus L. (Brassicaceae). Protoplasma 219, 210–220. Olson, M., 2001. Common buckwheat. Agri-Facts, Agriculture, Food and Rural Management Alberta, Canada.
12.Paques FW, Macedo GA., (2006). Lipases de Látex Vegetais: Propriedades e Aplicações Industriais: A Review. Química Nova. 29(1):93.
13.Shi H, Bressan R, Hasegawa PM, Zhu J-K. (2005). In: Broadlay M, White P, editors. Sodium in Plant Nutritional Genomics. London: Blackwell Publishing; p. 127-149.
14.Quettier AL, Eastmond PJ, (2009). Storage oil hydrolysis during early seedling growth. Plant Physiology and Biochemistry.47:485.