藜麥萌發過程中營養物質變化規律及藜麥芽乳制漿工藝研究

胡 潔,陳樹俊,龐震鵬,劉曉娟,徐曉霞,儀 鑫,石 玥,李 樂

(山西大學生命科學學院,山西太原 030006)

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藜麥萌發過程中營養物質變化規律及藜麥芽乳制漿工藝研究

胡 潔,陳樹俊*,龐震鵬,劉曉娟,徐曉霞,儀 鑫,石 玥,李 樂

(山西大學生命科學學院,山西太原 030006)

為進一步開發利用藜麥芽類產品,以藜麥為原料,經一定條件萌發,分別測定藜麥萌發后蛋白質、粗脂肪、淀粉、還原糖含量、α-淀粉酶、β-淀粉酶活性、維生素B1、B2含量、多酚、黃酮以及γ-氨基丁酸(GABA)含量的變化規律,并確定最佳萌發時間。在單因素的基礎上采用正交實驗優化,以原料利用率和多酚提取率的綜合水平值作為評價指標,探尋藜麥芽乳最佳磨漿工藝。結果表明,最佳萌發時間為第3 d,磨漿溫度為60 ℃,磨漿時間為3 min,磨漿液料比為6∶1 mL/g,磨漿pH為6.5時工藝最佳。此條件下原料利用率達到70.91%,多酚提取率為79.79%,綜合水平值為77.13%。

藜麥,萌發,營養物質,變化規律,磨漿工藝

藜麥(ChenopodiumquinoaWilld.)是一種原產于印第安地區的植物,藜屬藜科,因其性質作用與常見谷物小麥、水稻等相似而被稱作“假谷物”[1-2]。藜麥的歷史可以追溯到5000年前,印第安人稱之為“糧食之母”[3]。我國于上世紀80年代引入藜麥,直到近幾年才引起關注[4],雖然藜麥不被人們所熟知,但由于其營養價值極其豐富,受到越來越多人的關注。據報道,藜麥蛋白質含量高達12%～23%,且富含人體生長所需的必需氨基酸[5],特別是賴氨酸,含量達到5.1%～6.4%,高于水稻、小麥和玉米等一般谷物[6]。藜麥還含有豐富的維生素和礦物質(30.0 g/kg),其中鈣、鐵、鉀、錳等遠高于傳統谷物[7]。另外,藜麥富含多種植物化學物質,如多酚(3.75±0.05 mg/g)、花青素(120.4±7.2 mg/100 g)[8]、黃酮(3.861 mg/g)[9]和皂苷(20%～30%)[10]等,這些物質具有抗氧化、抗衰老的功能,同時能夠預防治療多種疾病。因而藜麥被稱為是“超級谷物”、“營養黃金”,聯合國糧農組織(FAO)認為,藜麥是唯一一種單體植物即可滿足人體基本營養需求的食物,并正式推薦藜麥為最適宜人類的完美的全營養食品[11]。

種子發芽是高等植物生命活動最強烈的一個時期,谷物種子在發芽過程中,會產生一系列生理生化變化,一些營養成分如蛋白質、淀粉會被分解從而減少[12],γ-氨基丁酸、酚類物質的含量將會提高[13],營養物質的變化會使得谷物的原料利用率及消化率得到提高。因此,研究發芽藜麥的一些性質特征將有重大實際意義。目前,國內外對于藜麥的研究僅僅集中在對其種子生物特性及功能特性的研究上,關于藜麥萌發的研究甚少,本實驗通過探索藜麥萌發過程中營養物質變化規律,為進一步研究藜麥芽類產品提供理論依據及數據支持。據報道[14],藜麥在食品中的應用相對較少,主要是藜麥研磨成粉做成各種主食及糕點,小吃、飲料如藜麥南瓜八寶粥、藜麥蘋果汁等,藜麥芽類產品仍然是一個空缺。因此,通過本實驗的初步研究,旨在為研制一種營養豐富、口感俱佳的藜麥芽乳提供前期理論基礎,為藜麥芽產品的進一步發展做出貢獻。

1 材料與儀器

1.1 材料與試劑

藜麥 山西稼祺農業科技有限公司;維生素B1、維生素B2標準品、GABA標準品 北京索萊寶科技有限公司;Folin-Ciocalteu試劑、沒食子酸、乙醇等均為分析純。

磨粉機 永康市小寶電器有限公司;DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司;JA1203N型精密電子天平 上海良平儀器儀表有限公司;UV-2800型紫外分光光度計 美國尤尼柯儀器有限公司;TDL-5型臺式離心機 上海安亭科學儀器廠;HRHS24 Haier電熱恒溫水浴鍋 青島海爾醫用低溫科技有限公司;JYL-c010料理機 九陽股份有限公司;FA25高剪切分散乳化機 上海弗魯克流體機械制造有限公司;雷磁PHS25型pH計 上海儀電科學儀器股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 藜麥萌發及芽粉制備 在前期預實驗的基礎上,確定藜麥萌發條件。將新鮮藜麥挑揀、除雜后,清洗浸泡2 h,用蒸餾水反復沖洗干凈后平鋪于濾紙上,置于22 ℃培養箱中發芽,發芽過程中每8 h用蒸餾水淋洗一次,每隔24 h取樣,連續發芽5 d,所有樣品取樣后于-20 ℃下冷凍干燥保存直至分析。分析時將藜麥芽置于恒溫干燥箱中40～50 ℃下干燥12 h,用粉碎機粉碎得到藜麥芽粉,干燥條件下保存備用。

1.2.2 常規成分測定 蛋白質測定方法:GB/T5009.5-2010《食品中蛋白質的測定-凱氏定氮法》(N系數為6.25,以干基計);粗脂肪測定方法:GB/T5512-2008《糧食中粗脂肪含量測定-索氏抽提法》;淀粉測定方法:GB/T5009.9-2008《食品中淀粉的測定-酸水解法》,還原糖測定方法:GB/T5009.7-2008《食品中還原糖的測定-直接滴定法》。

1.2.3 其他成分測定α-淀粉酶活性、β-淀粉酶活性測定:參見文獻[15-16];維生素B1、B2含量測定:參見文獻[17];多酚含量測定:參見文獻[18];黃酮含量測定:參見文獻[19];γ-氨基丁酸(GABA)含量測定:參見文獻[20]。

1.2.4 藜麥芽的磨漿工藝 將萌發好的藜麥芽揉搓去皮并用蒸餾水洗凈,在一定磨漿溫度、磨漿時間、磨漿液料比、磨漿pH下用攪拌機磨碎,過30目篩網后再用紗布過濾去除殘渣,得到黎麥芽汁。

1.2.5 單因素實驗 選擇磨漿初始條件為磨漿溫度60 ℃、時間2 min、液料比6∶1 mL/g和pH6,固定其中三個因素條件,考慮剩下因素的變化情況,即分別選取磨漿溫度(40、50、60、70、80、90 ℃)、磨漿時間(1、2、3、4、5、6 min)、磨漿液料比(4∶1、6∶1、8∶1、10∶1、12∶1、14∶1 mL/g)、磨漿pH(5、5.5、6、6.5、7、7.5)四個因素進行單因素實驗,考察其原料利用率和多酚提取率的影響,其中二者計算公式為:

原料利用率(%)=(原料質量-殘渣質量)/原料質量×100

多酚提取率(%)=P1/P2×100

式中:P1為藜麥芽汁中多酚含量(mg/g);P2為藜麥芽原料中多酚含量(mg/g)。

1.2.6 正交實驗 在單因素實驗的基礎上,以磨漿溫度、磨漿時間、磨漿液料比、磨漿pH為考察因素,設計四因素三水平正交實驗,根據每個因素變化范圍及每個因素所取水平設置因素水平表見表1,以原料利用率和多酚提取率的綜合水平值作為指標,確定最佳磨漿工藝條件。其中:

綜合水平數值=原料利用率值×30%+多酚提取率值×70%

表1 正交實驗因素水平表

Table 1 Orthogonal factor level table

水平因素A磨漿溫度(℃)B磨漿時間(min)C磨漿料液比(mL/g)D磨漿pH16024∶1627036∶16538048∶17

1.3 數據分析處理

本實驗采用Excel、Origin 6.0與mintab 3軟件分析數據作圖,每組數據均采用3次重復實驗,數據用平均值±SD值來表示。

2 結果與分析

2.1 藜麥種子主要營養物質

由表2可知,藜麥營養物質含量豐富,其中以淀粉為主,含量63.01 g/100 g,蛋白質、多酚等含量也很高,尤其蛋白質,達到17.09 g/100 g,多酚含量達到3.31 mg/g,研究表明,藜麥多酚具有抗氧化、抗衰老、抗癌等多種功效,是一種天然抗氧化物質[21]。所以研究藜麥上述物質在萌發過程中的含量變化,尤其多酚含量,根據其變化規律選擇最佳取材時間,為后續實驗提供良好數據支持,研制出一款營養豐富的功能飲品。

表2 藜麥種子的主要營養物質

Table 2 Major nutrients of quinoa seed

蛋白質(g/100g)粗脂肪(g/100g)淀粉(g/100g)還原糖(g/100g)水分(g/100g)多酚(mg/g)黃酮(mg/g)1709±005654±0046301±017744±008930±015331±004099±001

2.2 藜麥芽中營養物質變化規律

2.2.1 蛋白質含量變化 由圖1可知,藜麥萌發過程中,蛋白質含量呈現先增加后減少的趨勢,均比種子中高,在第4 d達到峰值,含量為20.97 g/100 g。在萌發過程中,含氮量相對增加、生長發育需要消耗供能物質導致總干基質量的減少,都會使蛋白質含量增加,另外分解的氨基酸等物質運送到新芽中也會合成新的蛋白質,從而增加蛋白質的含量[22],從未萌發時的17.09 g/100 g增長至第4 d的20.97 g/100 g。第4 d之后開始下降至19.84 g/100 g,可能是由于萌發過程中種子吸水后一些結合的蛋白質從結合體上脫落下來,同時細胞進行分化也需要大量消耗蛋白質,所以導致蛋白質含量下降[23-24]。

圖1 藜麥萌發過程中蛋白質含量Fig.1 Protein contents during germination of quinoa

2.2.2 粗脂肪含量變化 如圖2所示,藜麥萌發期間粗脂肪含量總體呈下降的趨勢,未萌發的藜麥中粗脂肪含量為6.54 g/100 g,而在萌發5 d后,減少至5.30 g/100 g。原因是藜麥萌發過程中存在于細胞質脂質體中的脂肪被脂肪酶水解、利用,一部分作為能源供給生長需要,一部分參與萌發過程中物質的生成。許多研究也表明,在種子萌發中脂肪逐漸減少,碳水化合物增加,從代謝途徑來講這是由于脂肪首先被脂肪水解酶水解成甘油和脂肪酸,脂肪酸進行β-氧化,再通過糖酵解的逆轉轉化為蔗糖,輸送到生長部位,甘油迅速磷酸化轉化成丙酮酸,進入三羧酸循環[25]。

圖2 藜麥萌發過程中粗脂肪含量Fig.2 Crude fat contents during germination of quinoa

2.2.3 淀粉和還原糖含量變化 由圖3可知,隨著萌發時間的延長,淀粉含量呈現逐漸下降的趨勢,經 5 d 發芽后其含量從63.01 g/100 g減少至46.78 g/100 g,出現這種變化的原因可解釋為:在藜麥發芽過程中藜麥胚乳中貯藏的淀粉從不溶解狀態轉變為溶解狀態,并在各種水解酶的作用下被分解、利用,以及其旺盛的呼吸代謝,消耗了部分糖類從而使淀粉下降。另外由于種子吸水導致干物質減少也是淀粉含量下降的原因之一。

圖3 藜麥萌發過程中淀粉和還原糖含量Fig.3 Starch and reducing sugar contents during germination of quinoa

萌發是酶促反應的啟動過程,在萌發過程中,藜麥中還原糖含量呈上升趨勢,未萌發藜麥中,還原糖含量為7.44 g/100 g,在萌發后,各時期還原糖含量與未萌發時相比均顯著增加,最高達10.91 g/100 g。藜麥萌發時淀粉酶被激活,會不同程度地作用于淀粉骨架結構,將淀粉轉化成分子量由大到小的各種糊精,最后形成麥芽糖,再由α-葡萄糖苷酶將麥芽糖轉化為葡萄糖[26],因此導致還原糖含量增加。

2.2.4α-淀粉酶活性、β-淀粉酶活性變化 藜麥淀粉酶活力主要在發芽階段形成,主要是α-淀粉酶和β-淀粉酶。α-淀粉酶隨機水解淀粉的α-1,4-糖苷鍵,作為淀粉分解的起始酶而起主要作用,其水解產物為麥芽糖、麥芽三糖、糊精等還原糖,β-淀粉酶水解非還原端的第二個α-1,4-糖苷鍵,水解產物為麥芽糖,并能使一部分糊精糖化,這也是還原糖增加的原因之一。藜麥發芽過程中α-淀粉酶與β-淀粉酶均發生變化,由圖4可以看出藜麥萌發的第0～2 d,β-淀粉酶活力逐漸增加,從2.451 mg/(g·min)增加至5.877 mg/(g·min),而α-淀粉酶活力相對下降,從4.680 mg/(g·min)減少至3.637 mg/(g·min),是由于二者作用點不同,合成速度有明顯區別。隨著萌發時間的延長,種子內的淀粉消耗,β-淀粉酶活力呈現下降趨勢,從第2 d的5.877 mg/(g·min)減少至0.189 mg/(g·min),而α-淀粉酶活力從第3 d到第5 d變化進入一個相對穩定的狀態,這說明在這段時間α-淀粉酶起主要作用,并且在第3 d達到最大值為5.240 mg/(g·min)。

圖4 藜麥萌發過程中α-淀粉酶活性和β-淀粉酶活性Fig.4 α-amylase activity and β-amylase activity during germination of quinoa

2.2.5 維生素B1、B2含量變化 由圖5可以看出,藜麥萌發過程中維生素B1、B2含量均有所增加,但變化不同,其中維生素B1含量呈現上升的趨勢,由0.43 mg/100 g增長至0.95 mg/100 g,而維生素B2含量先稍微減少而后增加,第3 d達到最低值0.61 mg/100 g。由于藜麥在發芽過程中為了維持正常的代謝過程而需要微量的維生素,所以二者作為輔酶均會增加,其中維生素B2稍有下降可能是由于營養需要的消耗而導致。

圖5 藜麥萌發過程中維生素B1和維生素B2含量Fig.5 Vitamin B1and vitamin B2 contents during germination of quinoa

2.2.6 多酚含量變化 由圖6可知,在藜麥萌發過程中,第0～1 d多酚含量稍微增加,第1 d之后呈現先增加后逐漸減少的趨勢,第3 d達到峰值4.94 mg/g。這與多酚類物質經過苯丙烷代謝有關,藜麥萌發時,隨著種子濕度的增加,種皮受到氧化或微生物的浸入而破壞,誘導糖酶分解淀粉,苯丙烷代謝途徑酶被激活,逐步將代謝中間產物(羥基苯乙烯蔗糖酯等)分解轉化,進而不斷修飾和釋放酚類物質,從而提高多酚含量[27]。由于隨著發芽的進行,淀粉含量下降,控制酚類代謝途徑的酶類活性下降,另外多酚氧化酶活性的增強使多酚氧化分解這些原因均會導致多酚含量的減少。

圖6 藜麥萌發過程中多酚含量Fig.6 Polyphenol contents during germination of quinoa

2.2.7 黃酮含量變化 由圖7可知,藜麥萌發后黃酮的含量逐漸增加而后減少,第4 d達到最高值1.29 mg/g。這是因為黎麥的萌發過程使藜麥呼吸作用增強,同時也激活了不同的酶類,合成異黃酮的重要酶即苯丙氨酸解氨酶也隨之激活,從而増加了藜麥黃酮含量,第4 d之后開始減少,是由于萌發時間增長,旺盛的呼吸作用消耗使黃酮含量下降[28]。

圖7 藜麥萌發過程中黃酮含量Fig.7 Flavonoids contents during germination of quinoa

2.2.8 GABA含量變化 由圖8可知,藜麥萌發期間GABA含量逐漸增加,從0 μg/g增加至546.53 μg/g,其原因主要有以下,首先由于發芽期間蛋白質在蛋白酶的作用下開始分解,增加了游離谷氨酸的含量,而谷氨酸是合成GABA的底物,谷氨酸在谷氨酸脫羧酶(GAD)的作用下發生脫羧的不可逆反應,使反應平衡向合成GABA的方向移動,從而提高了GABA的含量。另外多胺也是合成GABA的底物,二胺氧化酶(DAO)是GABA合成的一個關鍵酶,在藜麥種子萌發過程中,二胺氧化酶活性顯著增加,在合適的溫度、濕度條件下,GABA合成加速,提高了GABA的含量[29-30]。

圖8 藜麥萌發過程中GABA含量Fig.8 GABA contents during germination of quinoa

2.3 藜麥芽磨漿工藝單因素實驗結果分析

圖9 藜麥芽磨漿溫度(a)、時間(b)、液料比(c)和pH(d)的影響Fig.9 Effect of temperature(a),time(b),liquid-solid ratio(c)and pH(d)of quinoa malt

通過對藜麥萌發過程中營養物質變化規律分析發現,藜麥中營養物質會呈現不同程度變化,萌發初期還原糖、多酚、黃酮和GABA等生物活性物質均不斷增加,隨著萌發時間繼續增加,部分營養物質出現減少的趨勢,而且伴隨藜麥芽顏色變深并出現根部,不利于后續實驗。所以綜合考慮,藜麥在第3 d營養物質含量相對較高,營養價值較為豐富,其中尤其多酚含量達到4.94 mg/g,最終選擇發芽第3 d為磨漿實驗發芽時間。

經過對磨漿溫度、磨漿時間、磨漿液料比和磨漿pH的單因素實驗進行探索,最終結果見圖9。

表3 正交實驗結果

Table 3 Orthogonal experimental results

實驗號因素A磨漿溫度B磨漿時間C磨漿液料比D磨漿pH原料利用率(%)多酚提取率(%)綜合水平值(%)111116657589161212122270887976770931333585467416475421236339631663235223158095891586662312672960536256731326748680267868321378655729637093321676746965318K120305192301874717305K218445199451935020751K318474180491912719168k16768641062495768k26148664864506917k36158601663766389R6206322011149

由圖可以看出,在其他條件一定的情況下,藜麥芽原料利用率隨著磨漿時間、溫度、液料比的增加而增加,而磨漿pH呈現先增加后減少的趨勢,在pH為6.5時達到最大為76.16%。由此可見,長時間、溫度高、液料比大的條件下都有利于原料的溶出從而提高原料利用率。相同情況下,多酚提取率的變化與原料利用率不同,其中磨漿溫度、時間和pH均是先增加后減少,分別在60 ℃、2 min、pH7時達到最大,多酚提取率增加是由于該條件下有利于多酚的溶出,提高多酚提取率,相反減小是因為溫度增加、時間加長、pH增大會導致多酚內部結構破壞,使多酚含量減少,從而使多酚提取率減小。而磨漿液料比對原料利用率的影響則是使其一直減少,原因是由于水比例增加,使得藜麥芽汁濃度降低,多酚溶出少含量減少。但綜合考慮各因素,由于是制作一款口感適中、營養平衡的藜麥芽產品,所以選擇以下條件作為正交實驗的最佳水平值范圍:磨漿溫度60～80 ℃;磨漿時間2～4 min;磨漿液料比4∶1～8∶1 mL/g;磨漿pH6～7。

2.4 藜麥芽磨漿工藝正交實驗結果分析

在單因素實驗的基礎上,選取磨漿溫度、磨漿時間、磨漿液料比和磨漿pH進行四因素三水平正交實驗,根據下一步研制藜麥芽乳的實驗要求及實際需要,同時考慮原料利用率和多酚提取率的影響,分析綜合水平值。正交設計及實驗結果如表3。

根據表3可知,影響藜麥芽磨漿工藝的主要因素順序為:磨漿pH>磨漿時間>磨漿溫度>磨漿液料比,最佳實驗條件為A1B2C2D2,即磨漿溫度60 ℃,磨漿時間3 min,磨漿液料比6∶1 mL/g,磨漿pH6.5,以優化所得組合進行3次驗證實驗,取平均值,結果表明在最優條件下,原料利用率為70.91%,多酚提取率為79.79%,綜合水平值為77.13%。

3 結論

本實驗測定藜麥萌發過程中多種營養物質的變化規律,并分析出這些物質的基本分布趨勢,蛋白質、多酚、黃酮含量以及β-淀粉酶活性均呈現先增加后減少的趨勢,達到最大值分別為20.97 g/100 g、4.94 mg/g、1.29 mg/g、5.877 mg/(g·min);粗脂肪和淀粉含量逐漸減少,分別由開始的6.54 g/100 g減少至5.30 g/100和63.01 g/100 g減少至46.78 g/100 g;還原糖、維生素B1和GABA含量反而一直增加,分別由7.44 g/100 g增長至10.91 g/100 g、0.43 mg/100 g增長至0.95 mg/100 g和0 μg/g增長至546.53 μg/g,在測定指標中,只有α-淀粉酶活性和維生素B2含量呈現先略微減少后又增加的趨勢,但是符合萌發作用趨勢的。通過對上述營養物質進行綜合分析,最終得出最佳萌發時間為第3 d,適合進行后續磨漿實驗。

通過單因素實驗,篩選出了藜麥芽磨漿溫度、磨漿時間、磨漿液料比和磨漿pH四個因素的最佳水平范圍,在此基礎上進行正交實驗,確定最佳磨漿工藝為磨漿溫度60 ℃,磨漿時間3 min,磨漿液料比6∶1 mL/g,磨漿pH6.5,此條件下原料利用率為70.91%,多酚提取率為79.79%,綜合水平值為77.13%。得到的藜麥芽汁色澤、細膩度俱佳,為后期藜麥芽乳研制提供很好的理論基礎及數據支持。

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Study on the nutrients change rules during germination of quinoa and quinoa malted milk pulping process

HU Jie,CHEN Shu-jun*,PANG Zhen-peng,LIU Xiao-juan,XU Xiao-xia,YI Xin,SHI Yue,LI Le

(College of Science,Shanxi University,Taiyuan 030006,China)

Forfurtherdevelopmentandutilizationofquinoamaltproducts,quinoawastakenasrawmaterialtogerminateincertainconditions,changerulesofprotein,crudefat,starch,reducingsugarcontent,α-amylaseactivity,β-amylaseactivity,vitaminB1,B2,polyphenol,flavonoidsandγ-aminobutyricacid(GABA)contentweremeasuredafterquinoagermination,respectively.Theoptimalgerminationtimewasdetermined.Usingcomprehensivelevelvalueofrawmaterialsutilizationrateandpolyphenolextractionrateastheevaluationindex,orthogonalexperimentdesignwasadoptedonthebasisofsinglefactortoexplorequinoamaltedmilkoptimumpulpingprocess.Resultsshowedthatthebestgerminationtimewas3d,andtheoptimumpulpingprocesswastemperatureof60 ℃,pulpingtimeof3min,pulpingliquid-solidratioof6∶1mL/gandpH6.5.Undertheseconditions,therawmaterialsutilizationratereached70.91%,polyphenolextractionratewas79.79%,thecomprehensivelevelvaluewas77.13%.

quinoa;germination;nutrients;changerules;pulpingprocess

2016-04-25

胡潔(1991-)，女，碩士，研究方向：食品新工藝，E-mail：hujie01010215@163.com。

*通訊作者:陳樹俊(1964-)，男，大學本科，副教授，研究方向：食品新工藝及功能食品，E-mail：chenshujun515@163.com。

TS210.4

A

1002-0306(2016)19-0136-07

10.13386/j.issn1002-0306.2016.19.018