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        馬鈴薯淀粉包埋脫除大蒜臭味

        2018-03-20 03:29:56張黎明郝利民張智涵李夢楠
        食品科學 2018年5期
        關鍵詞:研磨大蒜產物

        管 蘋,張黎明,*,郝利民,2,張智涵,李夢楠

        (1.天津科技大學生物工程學院,工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點實驗室,天津 300457;2.軍事科學院軍需裝備研究所,北京 100027)

        大蒜(Allium sativum L.)屬百合科的鱗莖,原產地歐洲和亞洲西部,是深受國人喜歡的香辛類調味品,其主要活性物質大蒜素賦予大蒜獨有的蒜臭味,主要的呈味物質為含硫的有機化合物(organosulfur compositions,OSCs),如二烯丙基二硫醚、二烯丙基三硫醚、甲基烯丙基二硫醚、二烯丙基一硫醚等,其中以大蒜素為主[1-2]。完好的大蒜并無蒜臭味,當其受到機械力破壞時,蒜氨酸經內源酶蒜氨酸酶催化,同時在磷酸吡多醛的參與下,生成強烈的揮發(fā)性物質——大蒜素[3-5]。大蒜素是一種天然的廣譜抗生素,能殺滅大多細菌和真菌,還可顯著提高免疫力,具有抗癌、防癌等功效。

        為了改善不良蒜臭味,國內外學者研究了多種大蒜脫臭的方法,依據大蒜脫臭機理的不同,主要包括:1)抑制和鈍化蒜氨酸酶的活性[6-7],如經超臨界CO2處理、酸性試劑處理、微波加熱法處理等,但這些方法不同程度地破壞了大蒜的營養(yǎng)物質和活性成分。2)溶解和吸附大蒜中有機硫化合物,如植物油脫臭法、活性硅膠吸附法、冷凍法等,此類方法利用天然產物吸附不良氣味,因引入的添加劑影響大蒜的風味,不利于生產推廣[8-9]。3)微囊化包埋蒜氨酸酶,如微波真空干燥法。Li Yu等[10]采用流化床技術二次包埋大蒜粉,此法雖然提高了大蒜的生物利用度,但操作條件要求苛刻。4)保護大蒜素,如β-環(huán)糊精包埋法。齊美玲等[11]利用β-環(huán)糊精包埋大蒜素制備成包合物,但β-環(huán)糊精成本高,影響其在生產上推廣。淀粉的包埋特性與β-環(huán)糊精的性質類似,但對客體的粒徑范圍要求寬泛,能將客體分子包埋于淀粉的螺旋空腔內形成相應的絡合物。經過淀粉的包埋可抑制客體風味分子的揮發(fā),改善客體風味分子的溶解性、釋放速率及提高其生物利用度和穩(wěn)定性等,綜合考慮,本研究采用馬鈴薯淀粉包埋脫除大蒜的臭味。

        馬鈴薯淀粉是一種產量僅次于玉米淀粉的植物性食用淀粉,被廣泛應用于食品工業(yè)領域[12-13]。本研究以馬鈴薯淀粉和新鮮大蒜為原料,采用研磨法將新鮮大蒜中大蒜素導入淀粉的螺旋空腔內,形成研磨后的產物,以包埋率和脫臭效果為考核指標,結合結構分析數據確定最佳絡合比例。采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)、X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)、傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)、熱重(thermogravimetry,TG)法、氣相色譜-質譜(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)聯(lián)用等現代分析技術對研磨后產物進行結構表征,以期為馬鈴薯淀粉包埋脫除大蒜的臭味提供理論依據,同時為新鮮大蒜的深加工及大蒜制品的開發(fā)提供技術支撐。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        大蒜購于天津市農貿市場,天津科技大學天然產物教研室鑒定為百合科蔥屬植物(Allium sativum L.)的鱗莖,新鮮大蒜的水分質量分數約53.6%。

        馬鈴薯淀粉(直鏈淀粉質量分數為22%,水分質量分數為16%) 寧夏固原六盤山淀粉有限公司;大蒜素標準品(批號:100384-201403) 中國藥品生物制品鑒定所;甲醇(色譜純) 德國默克公司。

        1.2 儀器與設備

        PhilipsXL-30型SEM 荷蘭飛利浦公司;1260高效液相色譜儀、1200GC-MS儀 安捷倫科技(中國)有限公司;Rigaku D/max 2500XRD儀 日本理學株式會社;TGA-50TG分析儀 日本Kyoto公司。

        1.3 方法

        1.3.1 大蒜脫臭處理

        新鮮大蒜去皮、洗凈,擠壓成蒜泥待用。精密稱取適量馬鈴薯淀粉,同時加入一定質量的大蒜(干基)于研缽中,將上述混合物以90 r/min平均速率手動研磨至所需時間,用無水乙醇洗脫馬鈴薯淀粉表面未被包埋的大蒜素,直到洗凈,25 ℃條件下真空干燥至恒質量,過100目篩,得研磨后的產物。

        大蒜粉的制備:精密稱取上述新鮮大蒜適量,研磨成蒜泥,25 ℃條件下真空干燥至恒質量,研磨成細粉,過200 目篩即得。

        物理混合物的制備:精密稱取大蒜粉(干基)1.0 g,馬鈴薯淀粉3.0 g,分別將其研磨2.5 h,振蕩15 min后,混合均勻,過100 目篩即得。

        1.3.2 研磨后產物中大蒜素含量的測定和包埋率的計算

        精密稱取研磨后產物500 mg于25 mL離心管中,加入6 mL水,密封,于25 ℃、1 000 r/min條件下離心45 min。收集上清液1 200 r/min離心15 min,冷卻至室溫,加入6 mL甲醇后在25 ℃條件下超聲30 min,然后在4 ℃、8 000 r/min條件下離心10 min,將上述上清液過0.22 μm濾膜待用[14]。

        根據大蒜素的化學性質,選擇填充劑為十八烷基硅烷鍵合硅膠的色譜柱。色譜條件如下:流動相為V(甲醇)∶V(水)=85∶15,檢測波長為254 nm,進樣量為10 μL,流速為1 mL/min,色譜柱為welch XB-C18柱(250 mm×4.6 mm,5 μm)。

        研磨后產物中大蒜素的含量測定依據大蒜素標準品的校正曲線方程計算,Y=1.476 6X-12.842 0(R2=0.9995),標準大蒜素的質量濃度范圍為40~640 μg/mL。產物的包埋率按下式計算。

        式中:ma為產物中大蒜素的含量/(mg/g);mb為新鮮大蒜中大蒜素的含量/(mg/g)。

        1.3.3 大蒜脫臭處理的感官鑒評標準

        感官鑒評法由10名實驗室的同學組成,按照男女比例1∶1組建評價小組,經過培訓后,對實驗結果進行品評打分[15],鑒評標準見表1。

        表1 研磨后產物感官鑒評標準Table1 Criteria for sensory evaluation of milled products

        1.3.4 研磨后產物的結構表征

        1.3.4.1 SEM分析

        于紅外燈下用雙面膠將干燥后的待測樣品固定在銅板臺上,用吸耳球吹走表面多余的淀粉樣品顆粒。然后將銅板置于涂膜機上進行噴金,并將處理后的樣品保存于干燥器中。測試時將淀粉樣品置于XL-30 SEM內倉中,觀察并拍攝具有代表性的淀粉顆粒形貌,加速電壓設置為5.00 kV[16]。

        1.3.4.2 XRD分析

        待測樣品于D/max 2500型廣角XRD儀進行測試,樣品應保持平衡水分含量并過120目篩。實驗條件:Cu-Kα1(λ=0.154 1 nm)、電壓40 kV、電流25 mA、2θ起始角5°、終止角60°、掃描速率12°/min[17-18]。

        1.3.4.3 FT-IR分析

        采用Vector22型FT-IR儀對樣品鑒定分析。樣品采用KBr壓片法制樣:稱量樣品90 mg左右,并與120 mg干燥的KBr混合,在紅外燈下研磨細致并混勻二者,然后用氣動壓片機將其壓成近半透明的薄片,將薄片放入樣品室內,最后在相同條件下測定每個樣品的FT-IR圖。實驗條件:掃描范圍為400~4 000 cm-1,光譜分辨率為4 cm-1,信號掃描累加16 次。

        1.3.4.4 TG分析

        采用銦標定儀器,依次分別取10 mg左右樣品置于小坩堝中,升溫速率為10 ℃/min,升溫區(qū)間為25~600 ℃,氮氣為保護氣,氮氣流速60.0 mL/min。分別記錄樣品的差熱分析(differential thermal analysis,DTA)、TG分析、溫度和質量的數據[19]。

        1.3.4.5 GC-MS分析

        精密稱取新鮮大蒜10 g,洗凈、粉碎,35 ℃酶解1 h,依據《中華人民共和國藥典一部(2015版)》的方法水蒸氣蒸餾提取大蒜揮發(fā)油[20]。精密稱取研磨后的產物30 g,水蒸氣蒸餾5 h萃取其揮發(fā)油,餾出液用二氯甲烷萃取,干燥后旋轉蒸發(fā)除去二氯甲烷,即得大蒜揮發(fā)油。然后將其裝于棕色瓶中密封,在0 ℃保存?zhèn)溆肹21]。

        色譜條件:色譜柱為HB-5彈性石英毛細管柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);載氣為高純氦氣(99.999%),載氣流量1.0 mL/min,柱溫50 ℃時,保留時間10 min,以3℃/min升溫至300 ℃,持續(xù)10 min,汽化室溫度270 ℃,柱前壓50.00 kPa,進樣量1 μL,分流比20∶1。

        質譜條件:電子轟擊離子源,溫度230 ℃,四極桿溫度為150 ℃,電子能量70 eV,發(fā)射電流36.7 μA,倍增器電壓1 120 V,接口溫度280 ℃,質量范圍20~450 amu[22]。

        1.4 數據分析

        實驗數據以平均值±標準差表示。采用Origin 8.5軟件對實驗數據進行方差分析(analysis of variance,ANOVA),采用Duncan’s多重比較,差異性顯著限定P<0.05。

        2 結果與分析

        2.1 研磨條件對大蒜素包埋率和產物感官評價的影響

        2.1.1 馬鈴薯淀粉與大蒜(干基)質量比的影響

        圖1 馬鈴薯淀粉/大蒜(干基)質量比對大蒜素包埋率和產物感官評價的影響Fig.1 Effect of potato starch-to-garlic (dry basis) ratio on encapsulation eff i ciency of allicin and sensory evaluation of products

        由圖1可知,在馬鈴薯淀粉與大蒜(干基)質量比為1∶1~3∶1時,大蒜素包埋率和產物的感官評價得分顯著上升(P<0.05),當馬鈴薯淀粉與大蒜(干基)質量比從3∶1增大至5∶1時,大蒜素包埋率和產物的感官評價得分顯著下降(P<0.05),這是因為馬鈴薯淀粉與大蒜的質量比是決定研磨后產物形成的主要因素[22]。馬鈴薯淀粉與大蒜(干基)質量比最低和最高時,大蒜素包埋率和感官評價得分與其他產物相比較低。這是因為當產物中大蒜素含量過低時,馬鈴薯淀粉呈雙螺旋構象,未包埋的大蒜素受限于馬鈴薯淀粉的螺旋空腔之間;當產物中大蒜素的含量過高時,大蒜素與馬鈴薯淀粉絡合時會受限于淀粉螺旋空腔外[23]。因此,馬鈴薯淀粉與大蒜(干基)的最佳質量比為3∶1。

        2.1.2 研磨時間的影響

        圖2 研磨時間對大蒜素包埋率和產物感官評價的影響Fig.2 Effect of milling time on encapsulation eff i ciency of allicin and sensory evaluation of products

        由圖2可知,當研磨時間由1.0 h延長至2.5 h時,大蒜素包埋率和產物的感官評價得分顯著上升(P<0.05)。大蒜素包埋率由45.22%提高到90.63%,感官評價得分由55 分增加到95 分,這是由于隨著研磨時間的延長,受研磨活化的淀粉顆粒越多,大蒜中的大蒜素已經完全充分地占據淀粉螺旋空腔內,促進淀粉的雙螺旋構象轉化為單螺旋構象,形成淀粉與大蒜的復合物[24]。當研磨時間大于2.5 h時,大蒜素包埋率和感官評價得分呈平穩(wěn)趨勢,因為在2.5 h時淀粉與大蒜已經形成了復合物,所以選擇最佳研磨時間為2.5 h。

        2.2 研磨后產物的結構表征

        2.2.1 研磨后產物的顆粒形貌

        圖3 馬鈴薯淀粉(A)與研磨后產物(B)的SEM圖(2 000×)Fig.3 SEM photos of intact (A) and milled (B) potato starch granules (2 000 ×)

        由圖3可知,馬鈴薯淀粉呈卵形或球形,表面光滑、顆粒完整;研磨后產物球形結構的表面有深淺不一的凹陷,說明在機械力的作用下,馬鈴薯淀粉顆粒被打破,形成不規(guī)則形狀,研磨后產物的顆粒形貌與馬鈴薯淀粉有明顯區(qū)別。

        2.2.2 研磨后產物的XRD分析結果

        圖4 馬鈴薯淀粉(A)、研磨后馬鈴薯淀粉(B)、大蒜粉(干基)(C)、物理混合物(D)、研磨后產物(E)的XRD圖Fig.4 X-ray diffraction patterns of intact potato starch (A), milled potato starch (B), garlic powder (dry basis) (C), physical mixtures (D)and milled products (E)

        由圖4可知,馬鈴薯淀粉顆粒屬于多晶體系,由結晶區(qū)和非結晶區(qū)2 部分組成,在2θ為5.0°、17.0°、20.0°、22.8°、24.2°處呈明顯的尖峰衍射,屬于B型和V型的混合型結晶[17-18]。淀粉研磨2.5 h后,2θ為17.0°衍射峰的強度減弱,2θ為5.0°、20.0°、22.8°、24.2°的衍射峰消失,說明在機械力作用下,淀粉的內部結晶結構被打破,研磨后淀粉呈B型結晶結構[25],與馬鈴薯淀粉結晶結構區(qū)別明顯。大蒜粉及物理混合物是非結晶結構,而與大蒜粉和物理混合物相比,研磨后產物則呈明顯的B型結晶結構。據相關文獻報道,B型和V型的混合型結晶與產物中大蒜素的溶解度有關[26-28],產物中大蒜素的溶解度太低或太高,都不能形成結晶結構,為了讓所有大蒜中的大蒜素進入淀粉的空腔內部,大蒜素需要與適量的直鏈淀粉單螺旋鏈分子相互作用。這說明研磨后產物能促進馬鈴薯淀粉與大蒜中的大蒜素形成結晶結構,有效地提高產物中大蒜素的穩(wěn)定性。

        2.2.3 研磨后產物的FT-IR分析

        圖5 馬鈴薯淀粉(A)、大蒜粉(干基)(B)、物理混合物(C)、研磨后產物(D)的傅里葉變換紅外光譜圖Fig.5 FT-IR spectra of intact potato starch (A), milled potato starch (B),garlic powder (dry basis) (C), physical mixtures (D) and milled products (E)

        由圖5可知,馬鈴薯淀粉、研磨后馬鈴薯淀粉、大蒜粉、物理混合物及研磨后產物在3 400~3 600 cm-1區(qū)域均有一個強且寬的吸收峰,反映了O-H的伸縮振動;在2 929 cm-1附近出現中等強度的吸收峰是由于-CH2的不對稱振動。如圖5A曲線a所示,馬鈴薯淀粉在1 676.86 cm-1處的吸收峰與淀粉的COO-伸縮振動有關,位于1 080.06、1 020.25 cm-1處的吸收峰反映了淀粉C-O鍵的伸縮振動及C-OH鍵的彎曲振動,在977.54 cm-1處的吸收峰與α-1,4糖苷鍵及C-O-C等基團的骨架振動有關。如圖5A曲線b所示,研磨后馬鈴薯淀粉由于受到機械力的作用,淀粉顆粒被打破,淀粉特征吸收峰(3 452.10、2 928.10、1 676.86、977.54 cm-1)均向高頻方向遷移(3 435.87、2 926.66、1 646.38、926.8 cm-1)。由圖5B可知,大蒜粉在1 746.0 cm-1處的吸收峰是由C=O基團伸縮振動引起的,在1 677.27 cm-1處的吸收峰是由烯丙基的C=C伸縮振動引起的,在1 073.07 cm-1處的吸收峰與S=O基團振動有關,位于927.61 cm-1和724.18 cm-1的吸收峰分別是由于C-S-C和C-S的伸縮振動。由圖5C可知,物理混合物的吸收特征峰分別是研磨后的馬鈴薯淀粉與大蒜粉各自吸收峰的重疊。由圖5D可知,與大蒜粉相比,位于1 746.0 cm-1和1 073.07cm-1處的吸收峰在研磨后產物中完全消失,且研磨后淀粉的吸收峰(2 926.66、1 646.38、1 080.0、1 020.11 cm-1)在研磨后產物中均向低頻方向遷移(2 928.32、1 646.59、1 080.19、1 020.99 cm-1)。結合SEM、XRD的結果說明,通過研磨馬鈴薯淀粉的螺旋結構可以包埋大蒜中的大蒜素。

        2.2.4 研磨后產物的TG分析

        圖6 馬鈴薯淀粉(A)、研磨后馬鈴薯淀粉(B)、大蒜粉(干基)(C)、物理混合物(D)、研磨后產物(E)的熱重曲線Fig.6 TG curves of intact potato starch (A), milled potato starch (B),garlic powder (dry basis) (C), physical mixtures (D) and milled products (E)

        由圖6可知,馬鈴薯淀粉(圖6A)和研磨后產物(圖6E)有2 個熱分解階段,分別為50~90 ℃和150~400 ℃。第1階段主要由失水引起,第2階段為質量損失,主要是淀粉分子鏈之間的破壞和研磨后產物中有機硫化合物成分發(fā)生碳化[19]。研磨后馬鈴薯淀粉(圖6B)也有2 個熱分解階段分別是50~100℃和150~500 ℃,研磨后淀粉的最大熱分解速率相應的溫度范圍比馬鈴薯淀粉延遲。大蒜粉(圖6C)為3 個熱分解階段,第1階段熱分解速率在50~100 ℃,是水分蒸發(fā)階段。另外2 個階段的熱分解速率在100~280 ℃范圍內,這與大蒜素自身分解有關。物理混合物(圖6D)也有3 個熱分解階段,前2 個階段熱分解速率的相應溫度范圍與大蒜粉重合,第3個階段最大質量損失率的相應溫度范圍與研磨后馬鈴薯淀粉重合,說明物理混合物熱力學特征為馬鈴薯淀粉與大蒜粉各自的熱分解行為,二者只是簡單的物理混合,未發(fā)生相互作用。研磨后產物(圖6E)的最大質量損失率發(fā)生在300~450℃,最大熱分解速率相對應的溫度比大蒜粉(100~280℃)延遲,此階段的質量損失率比研磨后馬鈴薯淀粉的最大熱分解速率相對應的溫度范圍(150~400 ℃)提前。結合FT-IR分析說明,研磨后產物的穩(wěn)定性高于大蒜粉,研磨大蒜與馬鈴薯淀粉可以形成穩(wěn)定的產物。

        2.2.5 研磨后產物的GC-MS分析

        經GC-MS聯(lián)用儀分析,從新鮮的大蒜粉和研磨后產物中均檢測出11 種OSCs揮發(fā)性成分,所檢定的研磨后產物中各種化學成分及其相對含量見表2和圖7。相關標準色譜峰來自美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)和Wiley數據庫,由此判斷,圖7A大蒜粉中OSCs主要有二烯丙基二硫醚(36.131%)、二烯丙基三硫醚(26.190%)、甲基烯丙基三硫醚(9.153%)、甲基丙基二硫醚(6.538%),結果與Martín-Lagos等[22]報道類似。由圖7可知,與新鮮大蒜相比,研磨后產物中OSCs的成分種類是不變的,大蒜中OSCs的活性成分經過馬鈴薯淀粉包埋后得到完整的保護,結果表明通過研磨法制備產物,既不損失新鮮大蒜中OSCs成分,又顯著提高了大蒜中OSCs成分的穩(wěn)定性。

        圖7 新鮮大蒜粉(A)、研磨后產物(B)的有機硫化物成分分析Fig.7 Organosulfur composition analysis of fresh garlic (A) and milled products (B)

        表2 新鮮大蒜粉和研磨后產物的有機硫化合物成分分析及相對含量(n=3)Table2 Volatile compounds identified by GC-MS and relative contents of organosulfur compounds (n= 3)

        3 結 論

        以馬鈴薯淀粉為包埋材料,采用研磨法解決最復雜的大蒜脫臭工藝。在常溫下進行研磨,不需添加其他物質,利用淀粉疏水性的螺旋空腔包埋脫除大蒜的臭味,當淀粉與大蒜(干基)質量比為3∶1、研磨時間為2.5 h時,得到大蒜素的包埋率為(90.63±1.11)%,研磨后產物的脫臭效果為95 分。運用SEM、XRD、FT-IR、TG、GC-MS聯(lián)用等現代分析技術表征樣品結構,SEM分析發(fā)現研磨后產物呈現團聚結構,淀粉顆粒被破壞,XRD說明研磨后產物中淀粉的結晶度降低,FT-IR和TG分析進一步確認研磨后產物與大蒜粉相比,熱穩(wěn)定性顯著提高,GC-MS結果表明新鮮大蒜粉中的11 種OSCs成分在研磨后產物中被全部檢出,說明通過研磨法,馬鈴薯淀粉既能有效包埋脫除大蒜的臭味,又不損失大蒜的活性成分。

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