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(江南大學(xué)食品學(xué)院,江蘇無(wú)錫 214122)

擠壓對(duì)果蔬谷物早餐組分的變化研究

劉文華,張暉*,錢(qián)海峰,王立,齊希光,羅潔

(江南大學(xué)食品學(xué)院,江蘇無(wú)錫 214122)

將大米粉、棗粉和胡蘿卜粉按照80%∶12%∶8%的比例混合,用雙螺桿擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓。研究擠壓對(duì)維生素C、β-胡蘿卜素和膳食纖維含量的影響,同時(shí)研究擠壓前后淀粉、蛋白質(zhì)性質(zhì)的變化。結(jié)果表明,擠壓以后維生素C和β-胡蘿卜素的含量減少,但是可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維的含量均增加；通過(guò)掃描電鏡發(fā)現(xiàn),擠壓會(huì)破壞淀粉顆粒,同時(shí)擠壓會(huì)增加淀粉的糊化度、溶解度和消化率；擠壓后水溶性、鹽溶性、醇溶性和堿溶性蛋白質(zhì)的含量分別減少了31.10%、38.88%、14.62%和64.64%,但是擠壓提高了蛋白質(zhì)的消化率。

擠壓,維生素C,β-胡蘿卜素,淀粉,蛋白質(zhì)

擠壓膨化技術(shù)是集混合、攪拌、破碎、加熱、殺菌、成型為一體的高新技術(shù)[1],具有成本低、短時(shí)、高效[2]等特點(diǎn)。在擠壓過(guò)程中,由于高溫、高壓和高剪切作用,原料成分會(huì)發(fā)生一系列的物理和化學(xué)變化,比如淀粉糊化、蛋白質(zhì)變性,維生素、色素的降解[2]等等。大米蛋白的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高,其生物效價(jià)為77,此外,大米還具有低過(guò)敏性、易消化、味道溫和[2]等特點(diǎn)。紅棗和胡蘿卜中分別含有豐富的維生素C和β-胡蘿卜素,每100g鮮棗中含VC380～600mg[3]。β-胡蘿卜素是維生素A的前體,其具有抗氧化、解毒、抗癌等作用。在大米中添加棗粉和胡蘿卜粉能夠提高谷物早餐的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,改善風(fēng)味和口感。國(guó)外對(duì)于果蔬谷物早餐的研究比較多,Valentina Stojceska等人研究發(fā)現(xiàn)擠壓能夠增加總膳食纖維的含量[4],Charles Brennan等人研究發(fā)現(xiàn)擠壓后β-胡蘿卜素、花青素和維生素的含量都很大程度的降低而生物活性成分如阿魏酸的含量提高[5]。然而在國(guó)內(nèi),擠壓對(duì)谷物早餐成分的變化研究比較單一片面,所以本文比較全面的研究了在擠壓過(guò)程中多種組分的變化情況,包括維生素、色素的降解；可溶性膳食纖維及不溶性膳食纖維的變化；淀粉的糊化度、溶解度、消化率及微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化；蛋白質(zhì)的溶解度、消化率及分子量的變化。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

大米 購(gòu)于無(wú)錫大潤(rùn)發(fā)超市；胡蘿卜粉 自制；棗粉 購(gòu)于河南好想你公司；濃硫酸、氫氧化鈉、鹽酸、石油醚、草酸、碘、硫代硫酸鈉等 均為分析純；中溫α-淀粉酶,胰蛋白酶,胃蛋白酶 購(gòu)于無(wú)錫杰能科酶制劑公司。

紫外分光光度計(jì) 無(wú)錫科達(dá)智能儀器廠(chǎng)；雙螺桿擠壓機(jī) 型號(hào)PTW-24/25D,Thermo Electron Corportion生產(chǎn)；離心機(jī) 長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海市實(shí)驗(yàn)儀器總廠(chǎng)；消化爐 上海洪紀(jì)儀器設(shè)備有限公司；掃描電子顯微鏡 日本日立株式會(huì)社；電泳儀 北京市六一儀器廠(chǎng)。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品的擠壓制備 將大米粉、棗粉、胡蘿卜粉按照80%∶12%∶8%的比例混合均勻,將水分調(diào)節(jié)至所需要求,采用雙螺桿擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓,擠壓條件為：喂料速度為0.8kg/h,擠壓溫度為120℃,螺桿轉(zhuǎn)速為100r/min,水分含量為19%。擠壓樣品置于50℃烘箱里2h后常溫冷卻,粉碎過(guò)80目篩,室溫下密封儲(chǔ)藏。

1.2.2 基本成分的分析 水分的測(cè)定：GB5009.3-85；總淀粉的測(cè)定：GB/T5514-2008；蛋白質(zhì)的測(cè)定：GB/T14489.2-2008；可溶性還原糖的測(cè)定：3,5-二硝基水楊酸比色法；膳食纖維的測(cè)定：GB/T5009.88-2008。

1.2.3 維生素C含量的測(cè)定 取5g樣品于100mL錐形瓶中,加入2%的草酸溶液,磨成勻漿,用2%草酸溶液定容至100mL,靜置20min,抽濾,濾液中加入1%的淀粉指示劑,用0.01mol/L的碘液進(jìn)行滴定,當(dāng)樣液變藍(lán)且保持15s不褪色時(shí),記錄所消耗的碘的體積,計(jì)算維生素C的含量[6]。

計(jì)算公式：

式中：C：碘液的濃度(mol/L)；V：所消耗的碘液的體積(mL)；M：樣品的質(zhì)量(g)。

1.2.4 β-胡蘿卜素含量的測(cè)定 取3g樣品于干凈的圓底燒瓶中,加入30mL沸程為60～90℃的石油醚,60℃冷凝回流40min,過(guò)濾,將濾液用石油醚定容至25mL,450nm條件下測(cè)定吸光值[7]。通過(guò)線(xiàn)性回歸方程測(cè)定樣品中β-胡蘿卜素的含量。

1.2.5 掃描電鏡(SEM) 通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)擠壓前后的淀粉顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。處理后的樣品用電子顯微鏡進(jìn)行觀(guān)察,觀(guān)察條件為：加速電壓為1.0kV,距離為10.6mm,放大倍數(shù)為2.00k[8]。

1.2.6 糊化度的測(cè)定 酶水解法[9]。

1.2.7 淀粉的溶解性測(cè)定 準(zhǔn)確稱(chēng)取1.0g樣品置于50mL離心管中,加40mL的蒸餾水混合。將其分散液在60℃下攪拌30min。將樣品冷卻到室溫,在3000r/min下離心20min,上清液倒入恒重的鋁鍋中,于105℃下烘干至恒重,稱(chēng)量烘干后的質(zhì)量[8]。

式中：m1:樣品的質(zhì)量(g)；m2:鋁鍋的質(zhì)量(g)；m3：恒重后鋁鍋和樣品的質(zhì)量(g)。

1.2.8 淀粉的消化率 采用體外模擬酶水解法測(cè)定淀粉的消化率。稱(chēng)取200mg樣品于100mL錐形瓶中,加入15mL pH6.9的醋酸鈉緩沖溶液,混勻后沸水浴20min,冷卻至室溫后加入2mL中溫淀粉酶和0.05g糖化酶,在37℃下水解2h后沸水裕滅酶,用DNS法測(cè)定產(chǎn)生的葡萄糖含量[10]。

式中：G120：淀粉酶水解120min后產(chǎn)生的葡萄糖含量(mg)；FG：酶水解處理前淀粉中葡萄糖的含量(mg)；TS：樣品中的總淀粉含量(mg)。

1.2.9 蛋白質(zhì)的消化率 取1g樣品于150mL錐形瓶中,加入80mL0.05mol/LpH1.5的鹽酸溶液中,設(shè)置空白,加入0.01g的胃蛋白酶,39℃下酶解3h,用1mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)上述酶解液的PH為6.8,加入0.5g的胰蛋白酶,消化2h后,抽濾,濾液通過(guò)凱氏定氮測(cè)定蛋白含量[11]。

式中：m1:經(jīng)過(guò)胃蛋白酶和胰蛋白酶消化后濾液中的粗蛋白含量(g)；m2:樣品中的粗蛋白含量(g)。

1.2.10 蛋白質(zhì)的溶解性 取3g樣品于50mL離心管中,邊攪拌邊加入30mL去離子水,使樣品充分分散于去離子水中,將離心管放入搖床中室溫振蕩6h,4000r/min離心20min,取上清液,濃縮。分別加入30mL5%的氯化鈉溶液、78%乙醇、0.1N氫氧化鈉溶液、1%的SDS溶液于沉淀中,重復(fù)上述振蕩和離心步驟,依次提取出鹽溶蛋白、醇溶蛋白、堿溶蛋白和SDS溶蛋白。將濃縮后的上清液凱氏定氮,測(cè)出各組分的蛋白含量[12]。

1.2.11 蛋白質(zhì)電泳 取50mg樣品于1mL提取液中,提取液為1mol/LpH6.8的Tris-HCl處理液,含有5%(v/v)β-巰基乙醇,2%(w/v)SDS,0.1%溴酚藍(lán)(w/v),10%(v/v)甘油。水浴加熱5min,12000r/min離心5min,取20μL上清液進(jìn)樣。電泳分離膠濃度為12%,濃縮膠濃度為3%,恒壓處理,兩塊膠的電泳電壓分別為：80V濃縮,120V分離。用時(shí)大概6.5h,電泳結(jié)束后,立即在搖床上染色1h,再用脫色液脫色一天。其中染色液中含有0.08%考馬斯亮藍(lán),36%甲醇-8%冰醋酸溶液；脫色液中含有7.5%冰醋酸-5%甲醇溶液[12]。

1.2.11 數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用SPSS進(jìn)行單因素方差分析及LSD多重檢驗(yàn)(p<0.05),數(shù)值以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1擠壓對(duì)維生素C和β-胡蘿卜素含量的影響

從表1中可以看出,經(jīng)過(guò)高溫?cái)D壓后,維生素C和β-胡蘿卜素的含量都顯著降低,這兩者成分的降低率分別為42.15%和67.09%,這表明在相同的擠壓條件下維生素C比β-胡蘿卜素穩(wěn)定。維生素C是熱敏性物質(zhì),溫度越高,維生素C的降解速率就越大,維生素C的損失主要是由于還原型維生素C氧化造成的[13]；β-胡蘿卜素是極其容易被分解的物質(zhì),對(duì)氧氣、熱、光都十分敏感,所以在擠壓過(guò)程中由于高溫氧化作用,維生素C和β-胡蘿卜素的含量顯著減少。綜上,由于維生素C和β-胡蘿卜素的熱敏性,所以控制擠壓溫度是控制維生素C和β-胡蘿卜素?fù)p失的主要措施。

表1 擠壓前后樣品中維生素C和β-胡蘿卜素含量的對(duì)比Table 1 The comparison of vitamin C andβ-carotene before and after extrusion

2.2擠壓對(duì)膳食纖維的影響

從圖1中可以看出,擠壓后可溶性膳食纖維(SDF)、不可溶性膳食纖維(IDF)、總膳食纖維(TDF)的含量都增加。擠壓工藝對(duì)膳食纖維的理化性質(zhì)有積極的作用,在擠壓過(guò)程中由于高壓和高剪切的作用,IDF等大分子物質(zhì)裂解成低分量的可溶性物質(zhì),從而導(dǎo)致SDF增加[14]；IDF的增加可能是由于抗性淀粉的形成,抗性淀粉耐淀粉酶的酶解,所以在人體內(nèi)不能被消化,類(lèi)似于IDF,擠壓蒸煮過(guò)程中淀粉的糊化和老化能夠誘導(dǎo)抗性淀粉的形成。在擠壓過(guò)程中,由于剪切力的作用,多糖的糖苷鍵斷裂從而釋放出寡糖,這可能是導(dǎo)致TDF增加的另一個(gè)原因[15]。SDF和IDF都增加,所以TDF增加。

圖1 擠壓前后膳食纖維含量的對(duì)比

2.3擠壓對(duì)淀粉性質(zhì)的影響

2.3.1 擠壓對(duì)淀粉顆粒的影響 采用掃描電子顯微鏡對(duì)擠壓前后的淀粉顆粒進(jìn)行觀(guān)察,放大倍數(shù)為5.00k時(shí)的圖譜如圖2所示。從圖中可以看出,擠壓前的淀粉顆粒表面較為光滑平整,而擠壓后的淀粉顆粒表面較為粗糙,表面分散著很多小孔。擠壓過(guò)程中,由于高溫、高剪切及高壓作用,會(huì)導(dǎo)致淀粉分子間的氫鍵斷裂,淀粉分子結(jié)構(gòu)遭到破壞；在高溫條件下,淀粉分子內(nèi)部的水分吸收熱量迅速蒸發(fā),因而形成大量的氣孔。

圖2 擠壓前后淀粉顆粒對(duì)比

2.3.2 擠壓對(duì)淀粉的糊化度、溶解度及消化率的影響 如圖3所示,擠壓以后大米淀粉的糊化度高達(dá)95%,是擠壓前的9.26倍。擠壓過(guò)程中的高溫、高壓及高剪切力的綜合作用更容易破壞淀粉結(jié)晶膠束區(qū)弱的氫鍵,從而使淀粉顆粒更易水合和吸水膨脹,結(jié)晶區(qū)消失,淀粉顆粒破裂,發(fā)生糊化[16]。

擠壓后淀粉的溶解度遠(yuǎn)大于擠壓前淀粉的溶解度,是原來(lái)的3.76倍(圖3)。原因之一可能是：從掃描電鏡圖中可以看出,擠壓后的淀粉顆粒表面有很多氣孔,因而水分子易進(jìn)入淀粉分子內(nèi)部,使溶解度增大；原因之二可能是：在擠壓的過(guò)程中,由于剪切作用,淀粉會(huì)發(fā)生降解,產(chǎn)生麥芽糊精等小分子物質(zhì),這些小分子物質(zhì)在較低的溫度下有較強(qiáng)的吸水性和水溶性,所以使淀粉有較強(qiáng)的溶解性[16]。

從圖3中同樣可以看出,擠壓后淀粉的消化率大于擠壓前淀粉的消化率,是擠壓前的1.43倍。有研究表明,淀粉的結(jié)晶區(qū)比無(wú)定型區(qū)有更大的抗酶解作用[16]。擠壓過(guò)程中的高溫、高剪切作用能夠使淀粉糊化,當(dāng)?shù)矸郾缓瘯r(shí),淀粉天然的半結(jié)晶結(jié)構(gòu)會(huì)轉(zhuǎn)變成無(wú)定型結(jié)構(gòu),從而提高淀粉的酶解性能,增加淀粉的消化率。

圖3 擠壓前后淀粉的糊化度、溶解度及消化率

2.4擠壓對(duì)蛋白質(zhì)性質(zhì)的影響

2.4.1 擠壓對(duì)蛋白質(zhì)消化率的影響 從表2中可以看出,擠壓后樣品的蛋白質(zhì)消化率大于擠壓前樣品的蛋白質(zhì)消化率。蛋白質(zhì)在擠壓機(jī)中受到高溫、高剪切力的作用后,蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞,分子間的氫鍵及二硫鍵部分?jǐn)嗔?同時(shí)蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的氨基酸殘基會(huì)暴露出來(lái),提高了對(duì)蛋白酶的敏感性,從而提高了蛋白質(zhì)的消化率。

表2 擠壓前后蛋白質(zhì)的消化率

2.4.2 擠壓對(duì)蛋白質(zhì)溶解性的影響 從表3中可以看出,擠壓后的水溶蛋白、鹽溶蛋白、醇溶蛋白和堿溶蛋白都明顯降低,降低率分別為31.10%、38.88%、14.62%和64.64%,用強(qiáng)提取劑1%的SDS提取后,擠壓前樣品蛋白的總提取率為74.35%,而擠壓后樣品蛋白的總提取率僅有41.72%,需要更強(qiáng)的提取劑才能提取出來(lái)。

在擠壓過(guò)程中,蛋白質(zhì)由于受到高壓、高溫和高剪切的作用會(huì)發(fā)生變性,變性的蛋白質(zhì)在二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)上會(huì)發(fā)生重大的變化,蛋白質(zhì)的有序結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞,蛋白質(zhì)內(nèi)部的疏水性基團(tuán)暴露,變性的蛋白質(zhì)會(huì)通過(guò)疏水相互作用聚集在一起,形成更大分子量的蛋白質(zhì)[12,16],而大分子量的蛋白質(zhì)溶解度低,所以擠壓后蛋白質(zhì)的溶解性降低。

SDS是通過(guò)破壞蛋白質(zhì)的疏水相互作用而提取蛋白質(zhì)的,使用SDS提取擠壓后的蛋白質(zhì),仍然有58.28%的蛋白未被提取出來(lái),原因可能是擠壓導(dǎo)致分子間通過(guò)其他的共價(jià)鍵進(jìn)行交聯(lián),比如二硫鍵,也可能是擠壓使蛋白質(zhì)和淀粉或脂肪結(jié)合形成十分難溶的聚集體[12]。

表3 擠壓前后各蛋白組分占總蛋白的百分比

注：a,b表示擠壓前后變化差異的顯著性,同行字母不同者差異顯著(p<0.05)。

2.4.3 蛋白質(zhì)電泳分析 從圖4中可以看出,擠壓前蛋白質(zhì)分子的分布區(qū)域主要有14.4、22、33、35、54、81.5ku,而擠壓后蛋白質(zhì)的高分子量亞基含量明顯減少,擠壓后蛋白質(zhì)的分子量主要集中在14.4～33ku范圍內(nèi),54ku和81.5ku的譜帶在擠壓后基本消失。

圖4 擠壓前后的蛋白質(zhì)聚丙烯酰胺凝膠電泳圖

擠壓后蛋白質(zhì)的三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)的結(jié)合力變?nèi)?蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)伸展,重組,表面電荷重新分布,蛋白質(zhì)分子間原有的氫鍵和二硫鍵遭到破壞,導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性,變性蛋白質(zhì)的分子間會(huì)通過(guò)其他的共價(jià)鍵交聯(lián)形成更大的分子,這部分蛋白質(zhì)不易被提取出來(lái),進(jìn)而也不能進(jìn)入電泳膠內(nèi),所以在電泳圖中未能顯示出來(lái)。這與上述蛋白質(zhì)溶解性的研究相似。同時(shí),在擠壓過(guò)程中,蛋白質(zhì)除了會(huì)發(fā)生變性和組織化外,還會(huì)發(fā)生降解,所以這部分蛋白質(zhì)也可能由于降解而消失[16-17]。

3 結(jié)論

擠壓對(duì)果蔬谷物早餐各個(gè)組分的變化具有重要的影響,擠壓以后維生素C和β-胡蘿卜素的含量都明顯降低,維生素C和β-胡蘿卜素都是熱敏性物質(zhì),所以應(yīng)選擇合適的擠壓溫度；擠壓以后可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維均增加；在擠壓過(guò)程中,淀粉顆粒會(huì)遭到破壞,淀粉顆粒表面產(chǎn)生很多的氣孔,淀粉的溶解度和消化率都明顯升高；擠壓會(huì)破壞蛋白質(zhì)的三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu),使蛋白質(zhì)變性,擠壓后水溶性蛋白質(zhì)、鹽溶性蛋白質(zhì)、醇溶性蛋白質(zhì)和堿溶性蛋白質(zhì)都降低,采用強(qiáng)提取劑SDS提取后仍有大部分蛋白質(zhì)未能被提取出來(lái)。從電泳圖中可以看出,擠壓后高分子量的蛋白質(zhì)分子消失,這部分蛋白質(zhì)可能變性后通過(guò)二硫鍵或其他的共價(jià)鍵交聯(lián)成更大分子量的蛋白質(zhì),同時(shí)這部分蛋白質(zhì)也可能在擠壓過(guò)程中因降解而消失。

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Research of the extrusion on the component changes of the fruit and vegetable breakfast cereal

LIUWen-hua,ZHANGHui*,QIANHai-feng,WANGLi,QIXi-guang,LUOJie

(School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

Rice flour,jujube powder,carrot powder were mixed in 80%∶12%∶8% proportions,then extruded in a twin-screw extruder. The influence of extrusion on vitamin C,β-carotene and dietary fiber was studied,as well as the properties of starch and protein. The results showed that the contents of vitamin C and β-carotene were reduced,otherwise the contents of soluble dietary fiber and insoluble dietary fiber after the extrusion processing. Using scanning electron microscopy,the destruction of starch granules was observed. At the same time,extrusion increased the solubility and digestibility of the starch. After the extrusion processing,water-soluble,salt-soluble,alcohol-soluble,alkali-soluble protein content decreased by 31.10%,38.88%,14.62%,64.64% respectively,otherwise the digestibility of protein.

extrude;vitamin C;β-carotene;starch;protein

2013-06-03 *通訊聯(lián)系人

劉文華(1989-),女,在讀碩士研究生,研究方向：食品工程。

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題(2012BAD37B08)。

TS213.3

：A

：1002-0306(2014)01-0066-05