挤压对果蔬谷物早餐组分的变化研究

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(江南大学食品学院,江苏无锡 214122)

挤压对果蔬谷物早餐组分的变化研究

刘文华,张晖*,钱海峰,王立,齐希光,罗洁

(江南大学食品学院,江苏无锡 214122)

将大米粉、枣粉和胡萝卜粉按照80%∶12%∶8%的比例混合,用双螺杆挤压机进行挤压。研究挤压对维生素C、β-胡萝卜素和膳食纤维含量的影响,同时研究挤压前后淀粉、蛋白质性质的变化。结果表明,挤压以后维生素C和β-胡萝卜素的含量减少,但是可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维的含量均增加；通过扫描电镜发现,挤压会破坏淀粉颗粒,同时挤压会增加淀粉的糊化度、溶解度和消化率；挤压后水溶性、盐溶性、醇溶性和碱溶性蛋白质的含量分别减少了31.10%、38.88%、14.62%和64.64%,但是挤压提高了蛋白质的消化率。

挤压,维生素C,β-胡萝卜素,淀粉,蛋白质

挤压膨化技术是集混合、搅拌、破碎、加热、杀菌、成型为一体的高新技术[1],具有成本低、短时、高效[2]等特点。在挤压过程中,由于高温、高压和高剪切作用,原料成分会发生一系列的物理和化学变化,比如淀粉糊化、蛋白质变性,维生素、色素的降解[2]等等。大米蛋白的营养价值很高,其生物效价为77,此外,大米还具有低过敏性、易消化、味道温和[2]等特点。红枣和胡萝卜中分别含有丰富的维生素C和β-胡萝卜素,每100g鲜枣中含VC380～600mg[3]。β-胡萝卜素是维生素A的前体,其具有抗氧化、解毒、抗癌等作用。在大米中添加枣粉和胡萝卜粉能够提高谷物早餐的营养价值,改善风味和口感。国外对于果蔬谷物早餐的研究比较多,Valentina Stojceska等人研究发现挤压能够增加总膳食纤维的含量[4],Charles Brennan等人研究发现挤压后β-胡萝卜素、花青素和维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]。然而在国内,挤压对谷物早餐成分的变化研究比较单一片面,所以本文比较全面的研究了在挤压过程中多种组分的变化情况,包括维生素、色素的降解；可溶性膳食纤维及不溶性膳食纤维的变化；淀粉的糊化度、溶解度、消化率及微观结构的变化；蛋白质的溶解度、消化率及分子量的变化。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

大米 购于无锡大润发超市；胡萝卜粉 自制；枣粉 购于河南好想你公司；浓硫酸、氢氧化钠、盐酸、石油醚、草酸、碘、硫代硫酸钠等 均为分析纯；中温α-淀粉酶,胰蛋白酶,胃蛋白酶 购于无锡杰能科酶制剂公司。

紫外分光光度计 无锡科达智能仪器厂；双螺杆挤压机 型号PTW-24/25D,Thermo Electron Corportion生产；离心机 长沙湘仪离心机有限公司；电热鼓风干燥箱 上海市实验仪器总厂；消化炉 上海洪纪仪器设备有限公司；扫描电子显微镜 日本日立株式会社；电泳仪 北京市六一仪器厂。

1.2实验方法

1.2.1 样品的挤压制备 将大米粉、枣粉、胡萝卜粉按照80%∶12%∶8%的比例混合均匀,将水分调节至所需要求,采用双螺杆挤压机进行挤压,挤压条件为：喂料速度为0.8kg/h,挤压温度为120℃,螺杆转速为100r/min,水分含量为19%。挤压样品置于50℃烘箱里2h后常温冷却,粉碎过80目筛,室温下密封储藏。

1.2.2 基本成分的分析 水分的测定：GB5009.3-85；总淀粉的测定：GB/T5514-2008；蛋白质的测定：GB/T14489.2-2008；可溶性还原糖的测定：3,5-二硝基水杨酸比色法；膳食纤维的测定：GB/T5009.88-2008。

1.2.3 维生素C含量的测定 取5g样品于100mL锥形瓶中,加入2%的草酸溶液,磨成匀浆,用2%草酸溶液定容至100mL,静置20min,抽滤,滤液中加入1%的淀粉指示剂,用0.01mol/L的碘液进行滴定,当样液变蓝且保持15s不褪色时,记录所消耗的碘的体积,计算维生素C的含量[6]。

计算公式：

式中：C：碘液的浓度(mol/L)；V：所消耗的碘液的体积(mL)；M：样品的质量(g)。

1.2.4 β-胡萝卜素含量的测定 取3g样品于干净的圆底烧瓶中,加入30mL沸程为60～90℃的石油醚,60℃冷凝回流40min,过滤,将滤液用石油醚定容至25mL,450nm条件下测定吸光值[7]。通过线性回归方程测定样品中β-胡萝卜素的含量。

1.2.5 扫描电镜(SEM) 通过扫描电子显微镜对挤压前后的淀粉颗粒形态结构进行检测。处理后的样品用电子显微镜进行观察,观察条件为：加速电压为1.0kV,距离为10.6mm,放大倍数为2.00k[8]。

1.2.6 糊化度的测定 酶水解法[9]。

1.2.7 淀粉的溶解性测定 准确称取1.0g样品置于50mL离心管中,加40mL的蒸馏水混合。将其分散液在60℃下搅拌30min。将样品冷却到室温,在3000r/min下离心20min,上清液倒入恒重的铝锅中,于105℃下烘干至恒重,称量烘干后的质量[8]。

式中：m1:样品的质量(g)；m2:铝锅的质量(g)；m3：恒重后铝锅和样品的质量(g)。

1.2.8 淀粉的消化率 采用体外模拟酶水解法测定淀粉的消化率。称取200mg样品于100mL锥形瓶中,加入15mL pH6.9的醋酸钠缓冲溶液,混匀后沸水浴20min,冷却至室温后加入2mL中温淀粉酶和0.05g糖化酶,在37℃下水解2h后沸水裕灭酶,用DNS法测定产生的葡萄糖含量[10]。

式中：G120：淀粉酶水解120min后产生的葡萄糖含量(mg)；FG：酶水解处理前淀粉中葡萄糖的含量(mg)；TS：样品中的总淀粉含量(mg)。

1.2.9 蛋白质的消化率 取1g样品于150mL锥形瓶中,加入80mL0.05mol/LpH1.5的盐酸溶液中,设置空白,加入0.01g的胃蛋白酶,39℃下酶解3h,用1mol/L的氢氧化钠溶液调节上述酶解液的PH为6.8,加入0.5g的胰蛋白酶,消化2h后,抽滤,滤液通过凯氏定氮测定蛋白含量[11]。

式中：m1:经过胃蛋白酶和胰蛋白酶消化后滤液中的粗蛋白含量(g)；m2:样品中的粗蛋白含量(g)。

1.2.10 蛋白质的溶解性 取3g样品于50mL离心管中,边搅拌边加入30mL去离子水,使样品充分分散于去离子水中,将离心管放入摇床中室温振荡6h,4000r/min离心20min,取上清液,浓缩。分别加入30mL5%的氯化钠溶液、78%乙醇、0.1N氢氧化钠溶液、1%的SDS溶液于沉淀中,重复上述振荡和离心步骤,依次提取出盐溶蛋白、醇溶蛋白、碱溶蛋白和SDS溶蛋白。将浓缩后的上清液凯氏定氮,测出各组分的蛋白含量[12]。

1.2.11 蛋白质电泳 取50mg样品于1mL提取液中,提取液为1mol/LpH6.8的Tris-HCl处理液,含有5%(v/v)β-巯基乙醇,2%(w/v)SDS,0.1%溴酚蓝(w/v),10%(v/v)甘油。水浴加热5min,12000r/min离心5min,取20μL上清液进样。电泳分离胶浓度为12%,浓缩胶浓度为3%,恒压处理,两块胶的电泳电压分别为：80V浓缩,120V分离。用时大概6.5h,电泳结束后,立即在摇床上染色1h,再用脱色液脱色一天。其中染色液中含有0.08%考马斯亮蓝,36%甲醇-8%冰醋酸溶液；脱色液中含有7.5%冰醋酸-5%甲醇溶液[12]。

1.2.11 数据分析 数据统计采用SPSS进行单因素方差分析及LSD多重检验(p<0.05),数值以均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1挤压对维生素C和β-胡萝卜素含量的影响

从表1中可以看出,经过高温挤压后,维生素C和β-胡萝卜素的含量都显著降低,这两者成分的降低率分别为42.15%和67.09%,这表明在相同的挤压条件下维生素C比β-胡萝卜素稳定。维生素C是热敏性物质,温度越高,维生素C的降解速率就越大,维生素C的损失主要是由于还原型维生素C氧化造成的[13]；β-胡萝卜素是极其容易被分解的物质,对氧气、热、光都十分敏感,所以在挤压过程中由于高温氧化作用,维生素C和β-胡萝卜素的含量显著减少。综上,由于维生素C和β-胡萝卜素的热敏性,所以控制挤压温度是控制维生素C和β-胡萝卜素损失的主要措施。

表1 挤压前后样品中维生素C和β-胡萝卜素含量的对比Table 1 The comparison of vitamin C andβ-carotene before and after extrusion

2.2挤压对膳食纤维的影响

从图1中可以看出,挤压后可溶性膳食纤维(SDF)、不可溶性膳食纤维(IDF)、总膳食纤维(TDF)的含量都增加。挤压工艺对膳食纤维的理化性质有积极的作用,在挤压过程中由于高压和高剪切的作用,IDF等大分子物质裂解成低分量的可溶性物质,从而导致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,所以在人体内不能被消化,类似于IDF,挤压蒸煮过程中淀粉的糊化和老化能够诱导抗性淀粉的形成。在挤压过程中,由于剪切力的作用,多糖的糖苷键断裂从而释放出寡糖,这可能是导致TDF增加的另一个原因[15]。SDF和IDF都增加,所以TDF增加。

图1 挤压前后膳食纤维含量的对比

2.3挤压对淀粉性质的影响

2.3.1 挤压对淀粉颗粒的影响 采用扫描电子显微镜对挤压前后的淀粉颗粒进行观察,放大倍数为5.00k时的图谱如图2所示。从图中可以看出,挤压前的淀粉颗粒表面较为光滑平整,而挤压后的淀粉颗粒表面较为粗糙,表面分散着很多小孔。挤压过程中,由于高温、高剪切及高压作用,会导致淀粉分子间的氢键断裂,淀粉分子结构遭到破坏；在高温条件下,淀粉分子内部的水分吸收热量迅速蒸发,因而形成大量的气孔。

图2 挤压前后淀粉颗粒对比

2.3.2 挤压对淀粉的糊化度、溶解度及消化率的影响 如图3所示,挤压以后大米淀粉的糊化度高达95%,是挤压前的9.26倍。挤压过程中的高温、高压及高剪切力的综合作用更容易破坏淀粉结晶胶束区弱的氢键,从而使淀粉颗粒更易水合和吸水膨胀,结晶区消失,淀粉颗粒破裂,发生糊化[16]。

挤压后淀粉的溶解度远大于挤压前淀粉的溶解度,是原来的3.76倍(图3)。原因之一可能是：从扫描电镜图中可以看出,挤压后的淀粉颗粒表面有很多气孔,因而水分子易进入淀粉分子内部,使溶解度增大；原因之二可能是：在挤压的过程中,由于剪切作用,淀粉会发生降解,产生麦芽糊精等小分子物质,这些小分子物质在较低的温度下有较强的吸水性和水溶性,所以使淀粉有较强的溶解性[16]。

从图3中同样可以看出,挤压后淀粉的消化率大于挤压前淀粉的消化率,是挤压前的1.43倍。有研究表明,淀粉的结晶区比无定型区有更大的抗酶解作用[16]。挤压过程中的高温、高剪切作用能够使淀粉糊化,当淀粉被糊化时,淀粉天然的半结晶结构会转变成无定型结构,从而提高淀粉的酶解性能,增加淀粉的消化率。

图3 挤压前后淀粉的糊化度、溶解度及消化率

2.4挤压对蛋白质性质的影响

2.4.1 挤压对蛋白质消化率的影响 从表2中可以看出,挤压后样品的蛋白质消化率大于挤压前样品的蛋白质消化率。蛋白质在挤压机中受到高温、高剪切力的作用后,蛋白质的分子结构会遭到破坏,分子间的氢键及二硫键部分断裂,同时蛋白质分子内部的氨基酸残基会暴露出来,提高了对蛋白酶的敏感性,从而提高了蛋白质的消化率。

表2 挤压前后蛋白质的消化率

2.4.2 挤压对蛋白质溶解性的影响 从表3中可以看出,挤压后的水溶蛋白、盐溶蛋白、醇溶蛋白和碱溶蛋白都明显降低,降低率分别为31.10%、38.88%、14.62%和64.64%,用强提取剂1%的SDS提取后,挤压前样品蛋白的总提取率为74.35%,而挤压后样品蛋白的总提取率仅有41.72%,需要更强的提取剂才能提取出来。

在挤压过程中,蛋白质由于受到高压、高温和高剪切的作用会发生变性,变性的蛋白质在二级、三级和四级结构上会发生重大的变化,蛋白质的有序结构会遭到破坏,蛋白质内部的疏水性基团暴露,变性的蛋白质会通过疏水相互作用聚集在一起,形成更大分子量的蛋白质[12,16],而大分子量的蛋白质溶解度低,所以挤压后蛋白质的溶解性降低。

SDS是通过破坏蛋白质的疏水相互作用而提取蛋白质的,使用SDS提取挤压后的蛋白质,仍然有58.28%的蛋白未被提取出来,原因可能是挤压导致分子间通过其他的共价键进行交联,比如二硫键,也可能是挤压使蛋白质和淀粉或脂肪结合形成十分难溶的聚集体[12]。

表3 挤压前后各蛋白组分占总蛋白的百分比

注：a,b表示挤压前后变化差异的显著性,同行字母不同者差异显著(p<0.05)。

2.4.3 蛋白质电泳分析 从图4中可以看出,挤压前蛋白质分子的分布区域主要有14.4、22、33、35、54、81.5ku,而挤压后蛋白质的高分子量亚基含量明显减少,挤压后蛋白质的分子量主要集中在14.4～33ku范围内,54ku和81.5ku的谱带在挤压后基本消失。

图4 挤压前后的蛋白质聚丙烯酰胺凝胶电泳图

挤压后蛋白质的三级和四级结构的结合力变弱,蛋白质分子结构伸展,重组,表面电荷重新分布,蛋白质分子间原有的氢键和二硫键遭到破坏,导致蛋白质变性,变性蛋白质的分子间会通过其他的共价键交联形成更大的分子,这部分蛋白质不易被提取出来,进而也不能进入电泳胶内,所以在电泳图中未能显示出来。这与上述蛋白质溶解性的研究相似。同时,在挤压过程中,蛋白质除了会发生变性和组织化外,还会发生降解,所以这部分蛋白质也可能由于降解而消失[16-17]。

3 结论

挤压对果蔬谷物早餐各个组分的变化具有重要的影响,挤压以后维生素C和β-胡萝卜素的含量都明显降低,维生素C和β-胡萝卜素都是热敏性物质,所以应选择合适的挤压温度；挤压以后可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维均增加；在挤压过程中,淀粉颗粒会遭到破坏,淀粉颗粒表面产生很多的气孔,淀粉的溶解度和消化率都明显升高；挤压会破坏蛋白质的三级和四级结构,使蛋白质变性,挤压后水溶性蛋白质、盐溶性蛋白质、醇溶性蛋白质和碱溶性蛋白质都降低,采用强提取剂SDS提取后仍有大部分蛋白质未能被提取出来。从电泳图中可以看出,挤压后高分子量的蛋白质分子消失,这部分蛋白质可能变性后通过二硫键或其他的共价键交联成更大分子量的蛋白质,同时这部分蛋白质也可能在挤压过程中因降解而消失。

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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 *通讯联系人

刘文华(1989-),女,在读硕士研究生,研究方向：食品工程。

国家“十二五”科技支撑计划课题(2012BAD37B08)。

TS213.3

：A

：1002-0306(2014)01-0066-05