速熟黑豆理化性质的研究

李晓蒙,于　雷,王伟旭,李帅斐,王彩娇,杨　末

(吉林农业大学食品科学与工程学院,吉林长春 130118)



速熟黑豆理化性质的研究

李晓蒙,于雷*,王伟旭,李帅斐,王彩娇,杨末

(吉林农业大学食品科学与工程学院,吉林长春 130118)

为研究速熟黑豆的理化性质,考察其与原料黑豆之间的差异,分析了黑豆的营养成分、氨基酸组成及体外消化性,同时利用扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱扫描及差示扫描量热分析方法研究了黑豆的理化性质。结果表明,速熟黑豆与原料黑豆相比,淀粉含量增加9.13%,粗蛋白、粗脂肪含量稍有减少,氨基酸总量略有减少,蛋白溶解性变差,而消化性明显提高;速熟黑豆粉微颗粒间聚集成块状,尺寸变大;与原料黑豆相比成分变化不大,但速熟黑豆蛋白分子聚集,其蛋白溶解性变差;热分析过程中,速熟黑豆的蛋白没有吸热峰出现,表明速熟黑豆蛋白热变性完全。

速熟,黑豆,理化性质,体外消化性

黑豆(GlyeineSojaSieb.etZucc)是大豆豆科类的黑色种子,子叶肥厚,呈黄绿色或者淡黄色,因其种皮呈黑色而得名[1]。黑豆营养丰富,必需氨基酸占氨基酸总量的 40%以上,同时具有一定的药用价值,有活血、利水、祛风、清热解毒、滋养健血、补虚乌发的功能,是一种重要的药食两用食材[2]。《本草纲目》中记载:“黑豆入肾功多,故能治水、消胀、下气、制风热而活血解毒”。

迄今为止,许多研究是以黑豆为原料,将其功能成分提取出来,发现长期食用黑豆功能成分能够抗肥胖、降血脂,提高学习能力和记忆力[3-4],还能够预防动脉粥样硬化、胃肠溃疡、肠炎、预防和治疗心血管病、高血压病以及癌症等疾病。目前生产和研制的黑豆食品主要有黑豆粉、豆豉、黑豆醋、黑豆酱油、黑豆奶等,但是,由于黑豆种皮厚,外层有腊质,蛋白质含量高,难于熟化,适口性不佳,因此全籽粒黑豆在食品中的应用很少[5]。

生黑豆经过适当加热处理后,部分抗营养因子消除,增加浓香味,去除豆腥味[6-7],同时还能改善产品外观和适口性[8],利用率显著提高,因此,采取适当、合理的热加工方式是提高黑豆附加值的一个很好的途径。A Vargas-Torres等人[9]发现蒸煮时间在很大程度上影响黑豆的消化性质。本文对采用高压蒸煮结合微波膨化技术得到的速熟黑豆进行理化性质研究,该速熟黑豆保持了黑豆籽粒的完整性,为全籽粒黑豆在食品中的应用以及工业化生产中提供理论和技术依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

黑豆、大米洮南市远望杂粮杂豆专业合作社。

正己烷、HCl、NaOH、乙醇、三氯乙酸、考马斯亮蓝G-250、磷酸、溴化钾等试剂均为分析纯。

P6016胃蛋白酶sigma-aldrich(上海)贸易有限公司。

FD-1A-50冷冻干燥机上海精密仪器仪表有限公司;K1100全自动凯氏定氮仪郑州海能仪器有限公司;RHP-600型高速多功能粉碎机浙江荣浩工贸有限公司;TU-1901型双光束紫外可见分光光度计北京普析通用仪器有限责任公司;XL-30扫描电子显微镜FEI 公司;IRPrestige-21傅里叶红外光谱仪、DSC-60A差示扫描量热分析仪日本岛津公司;EM-L530TB型微波炉合肥荣事达三洋电器股份有限公司。

1.2实验方法

1.2.1样品处理精确称取100 g除杂的黑豆,放入500 mL烧杯中,用量筒量取250 mL蒸馏水,倒入黑豆,用玻璃棒搅拌,使黑豆与蒸馏水充分接触。将烧杯放入40 ℃水浴锅中,浸泡1.5 h。将浸泡后的黑豆倒在金属网上,滤干浸泡的蒸馏水。将滤干的黑豆平铺在盘中,放入高压锅中,121 ℃蒸煮20 min后取出。在烘箱中90 ℃烘干1 h。将烘干后的黑豆1000 W微波间歇膨化4 min。得到干燥的速熟黑豆样品。根据C.-H.Tang[10]的方法提取黑豆蛋白。

1.2.2营养成分与氨基酸的测定淀粉测定方法:GB/T 5009.9-2008,采用酸水解法;

粗蛋白质测定方法:GB 5009.5-2010;粗脂肪测定方法:GB 5512-2008;粗纤维测定方法:GB/T 5515-2008;氨基酸测定方法:GB/T 5009.124-2003。

1.2.3水溶性蛋白质含量的测定全自动凯氏定氮仪法[11-12]。取原料黑豆与速熟黑豆,用粉碎机粉碎过100目筛。准确称取干粉5 g于250 mL锥形瓶中,加入100 mL蒸馏水浸泡,同时用磁力搅拌器充分搅拌,于35 ℃水浴锅中提取60 min,然后于4000 r/min离心30 min取上清液,沉淀再重复提取一次,最后合并上清液并定容至250 mL,即为定氮待测液。采用全自动凯氏定氮仪进行定氮。

1.2.4氮溶指数的计算氮溶指数即氮溶解指数,是一项衡量食物蛋白质功能性能的指标,为该蛋白质中能溶解于水的蛋白质氮量占该蛋白质氮总量的百分比,或水溶性蛋白质占总蛋白的百分比。

氮溶指数(NSI)(%)=水溶性氮含量/样品中总氮含量×100

1.2.5醇溶性蛋白质含量的测定以70%的乙醇代替蒸馏水,于80 ℃水浴提取10 min,其余步骤同水溶性蛋白质含量测定。

1.2.6非蛋白氮含量测定取原料黑豆与处理后的黑豆,用粉碎机粉碎过100目筛。准确称取干粉2 g于50 mL烧杯中,加入10%(m/v)冷的三氯乙酸溶液30 mL,充分混匀,将该混合物放在4 ℃冰箱中放置20 h,取出后于4000 r/min离心30 min,取上清液,定容至50 mL,即为定氮待测液。非蛋白氮成分存在于上清液中,沉淀中为蛋白氮。采用全自动凯氏定氮仪进行定氮[11]。

1.2.7蛋白质体外消化率考马斯亮蓝法测蛋白含量[13]:考马斯亮蓝G-250是一种蛋白质染料,与蛋白质通过范德华引力结合,使蛋白质染色,在595 nm处有最大吸收值,可用于蛋白质的定量测定。取2 mL样品溶液于试管中,加入5 mL染色液,将试管摇匀,放置20 min,测定吸光值A595 nm,对照标准曲线求得蛋白含量。

参考E Elkhalil的方法[14]进行蛋白体外消化实验:蛋白酶液的制备:取1 mg胃蛋白酶,加入到15 mL,0.1 mol/L的盐酸溶液中,即得所需的胃蛋白酶液。

样液的制备:准确称取粉碎混匀的干样20 g,在4 ℃,10 mL蒸馏水中浸泡1 h,快速均质5 min,加蒸馏水定容至200 mL,即得样液。

测定:取样液1 mL加入到已制备好的胃蛋白酶液中,37 ℃消化2 h,加入15 mL,10%(m/v)的三氯乙酸溶液使反应终止,其混合液进行离心,所得上清液定容到50 mL,取2 mL溶液,用考马斯亮蓝法求得蛋白含量。最后利用以下公式计算蛋白质的体外生物利用率。

式中:D:蛋白质的体外消化率,%;Ns:上清液的蛋白含量,mg N/mL;Nd:胃蛋白酶液的蛋白含量,mg N/mL;No:样液中的蛋白含量,mg N/mL。

1.2.8扫描电子显微镜将样品粉末均匀地撒在滤纸上,用双面胶粘取并轻压样品,使之与胶面贴实,用洗耳球从不同方向吹拂样品,使样品牢固、均匀地粘在双面胶上,喷金,使样品与样品台形成导电通路,将样品放入样品室,抽真空,5 kV加速电压,在不同倍数下进行拍照。

1.2.9傅里叶红外光谱扫描先取少量样品(约2 g)放入干燥箱中,于105 ℃下干燥2 h。然后准确称取2 mg干燥好的样品置于玛瑙研钵中,同时加入200 mg溴化钾,充分混合、研磨、压片后置于傅里叶转换红外光谱仪上测试。扫描波数范围为4000～400 cm-1,分辨率为4 cm-1,以空气为空白,测得到样品的红外光谱图。

1.2.10差示扫描量热分析称取大约3 mg的蛋白粉放入铝盒中,加入15 μL 0.05 mol/L磷酸缓冲液(pH7.0),室温下平衡6 h。升温速度5 ℃/min,升温范围30～110 ℃。

表1　原料黑豆与速熟黑豆主要营养成分干基含量(g/100 g)Table 1　Nutrients changes of raw black beans and quick-cooking black beans(g/100 g)

表2　原料黑豆与速熟黑豆游离氨基酸干基含量(g/100 g)的变化Table 2　Free amino acid changes(g/100 g)of raw black beans and quick-cooking black beans

表3　原料黑豆与速熟黑豆不同蛋白质含量的变化Table 3　Different types of proteins changes of raw black beans and quick-cooking black beans

1.3数据统计分析

实验数据采用Microsoft Excel2003 软件进行处理分析,以三次测量的平均值为结果。

2　结果与讨论

2.1营养成分与氨基酸

由表1可知,速熟黑豆的淀粉含量增加9.13%,粗蛋白、粗脂肪含量稍有减少。由表 2可知,速熟黑豆与原料黑豆相比较,游离氨基酸总量略有减少。淀粉增加可能是由于黑豆经微波膨化处理后淀粉与蛋白、纤维等结合被部分破坏,致密结构变得疏松,使得淀粉溶出较多,测试过程中淀粉水解更彻底。在黑豆浸泡处理和高压蒸煮过程中,会使得黑豆中部分水溶性蛋白溶出,蛋白总量有所减少。同时,高压蒸煮过程造成了脂肪的流失,微波加热也会使得不饱和脂肪酸含量减少[15-16]。速熟黑豆粗纤维较原料黑豆略有减少,这可能是由于浸泡处理和高压蒸煮过程中水溶性纤维素含量提高,水不溶性纤维含量减少[17],在后续处理过程中水溶性纤维素溶解流失,使得粗纤维含量减少。

2.2不同蛋白含量的变化

由表3可知,速熟黑豆中水溶蛋白、醇溶蛋白、非蛋白氮都减少,氮溶解指数减小,说明速熟处理使得黑豆中蛋白质变性,溶解性变差,这与毕万里[18]等人的研究结果相符。随着温度升高,蛋白质分子发生聚集,使得能够溶于水的蛋白分子减少。这可能是由于大部分7S-β亚基和11S-β亚基在热处理过程中结合成不溶性高聚物[19]。

2.3蛋白质体外消化性

绘制的蛋白标准曲线如图1。

图1　蛋白标准曲线Fig.1　Protein standard curve

由图2可知,随着消化时间增加,消化率先增加后趋于平稳。与速熟黑豆相比,原料黑豆的消化率增加较缓慢,消化80 min后趋于稳定,而速熟黑豆消化60 min后趋于稳定。此外,速熟黑豆较原料黑豆的消化率提高了15%。由图 3可知,经过与大米共煮后,原料黑豆消化80 min后趋于稳定,而速熟黑豆消化70 min后趋于稳定,速熟黑豆的最终消化率较原料黑豆的高20%。可见,速熟黑豆与原料黑豆相比具有更好的消化性,与大米共煮后原料黑豆和速熟黑豆的消化性都提高,但是原料黑豆没有熟化,掰开后有硬芯,而速熟黑豆已经完全熟化,具有更好的消化性。

图2　原料黑豆与速熟黑豆的体外消化性Fig.2　Digestibility of raw black beans and quick-cooked black beans in vitro

图3　原料黑豆与速熟黑豆分别 与大米共煮以后的体外消化性Fig.3　Digestibility of raw black beans and quick-cooked black beans cooked with rice in vitro

2.4扫描电子显微镜观察

由图4可知,原料黑豆粉颗粒较小,数量较多,分散均匀,且表面有微孔。经过高压蒸煮及微波膨化等一系列处理后,黑豆粉颗粒表面变得略显光滑,部分微孔消失,颗粒之间相互聚集结合成团块,尺寸变大,数量大大减少。这可能是由于高压蒸煮使得蛋白热变性,蛋白分子结构发生变化,相互交联。这在一定程度上解释了热处理后蛋白溶解性降低的原因。此外,微波膨化使得蛋白链间紧密的微观结构变得松散[20],颗粒体积增大,从而使速熟黑豆与原料豆相比在蒸煮时熟得更快,达到速熟的效果,同时消化速率更高。

图4　原料黑豆粉与速熟黑豆粉不同倍数的 扫描电子显微镜图Fig.4　SEM photographs of raw black beans and quick-cooked black beans注：A1、A2、A3分别为原料黑豆粉500、1000和2000倍的扫描电子显微镜图;B1、B2、B3分别为处理后黑豆粉500、1000和2000倍的扫描电子显微镜图。

2.5傅里叶红外光谱扫描

图5　原料黑豆粉与速熟黑豆粉的傅里叶红外光谱图Fig.5　Fourier infrared spectras of raw black beans and quick-cooked black beans A:原料黑豆粉;B:速熟黑豆粉。

从图5中可以看出,处理前后图谱形状未变,说明经过一系列速熟黑豆的主要成分未变,这与营养成分分析结果相一致。结合吸收峰波段对应的蛋白质结构信息可知,2600～3100 cm-1处吸收峰强度代表游离氨基酸含量[21],速熟黑豆粉吸收峰减弱,说明速熟黑豆游离氨基酸略有减少,此结果与氨基酸含量测定结果相符。同时1683 cm-1迁移-5 cm-1,说明速熟黑豆蛋白中更多有序结构转变成β转角,黑豆蛋白分子间聚集程度增强[22]。与扫描电子显微镜结果相对应,速熟黑豆颗粒相互聚集,从而导致速熟黑豆蛋白溶解性变差。

此外,1760 cm-1处吸收峰强度代表饱和脂肪酸单体含量,处理后黑豆粉红外光谱吸收峰较原料黑豆粉强,表明处理后饱和脂肪酸单体含量增加,这可能是由于高温加热破坏了黑豆油脂,而黑豆油脂中超过80%为不饱和脂肪酸,高温可能促使部分不饱和脂肪酸氧化为饱和脂肪酸。

2.6差示扫描量热分析

由图6可知,随着温度的上升,原料黑豆蛋白有一个明显的吸热峰,其热变性温度大约为65.5 ℃;而图7显示,速熟黑豆蛋白随着温度的上升其热流曲线几乎与升温曲线平行,没有吸热或者放热峰出现,说明在整个热分析过程中速熟黑豆的蛋白质没有再发生热变性,这表明了速熟黑豆的蛋白已经完全变性。因此,速熟黑豆与原料黑豆相比在蒸煮时更易熟化,达到速熟的效果。

图6　原料黑豆蛋白的差示扫描量热分析图Fig.6　Differential scanning calorimetric analysis diagram of raw black beans protein

图7　速熟黑豆蛋白的差示扫描量热分析图Fig.7　Differential scanning calorimetric analysis diagram of quick-cooked black beans protein

3　结论

本文对速熟黑豆和原料黑豆进行了营养成分、氨基酸组成及消化性分析,利用扫描电子显微镜观察了黑豆的微观结构,运用傅里叶红外光谱扫描对其成分进行分析,此外进行了热特性分析。结果表明,速熟黑豆的营养成分和氨基酸组成与原料黑豆相比变化不大;速熟黑豆消化性较原料黑豆相比明显提高,表明经过热处理的黑豆更容易被人体消化;速熟黑豆粉颗粒聚合成块状;蛋白质变性,溶解性变差;热分析过程中没有吸热峰出现,结果表明速熟黑豆蛋白热变性完全。通过对速熟黑豆理化性质的研究可为速熟黑豆工业化生产提供理论基础与技术支持,促进黑豆资源的开发和利用。

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Research of the physicochemical property of the quick-cooking black bean

LI Xiao-meng,YU Lei*,WANG Wei-xu,LI Shuai-fei,WANG Cai-jiao,YANG Mo

(College of Food Science and Engineering,Jilin Agricultural University,Changchun 130118,China)

In order to study the physical and chemical properties of quick-cooking black beans and compare the difference with the raw material,the nutritional content,amino acid composition andinvitrodigestibility of black beans were analyzed,while the physicochemical properties of black beans were investigated by the methods of scanning electron microscopy, fourier transform infrared spectroscopy and differential scanning calorimetry .The results showed that compared to the raw black beans,the starch content of quick-cooking black beans was increased by 9.13%,and contents of crude protein,crude fat and total amino acid were slightly reduced,while the protein solubility was decreased andinvitrodigestion was increased,based on the analysis results of the nutrition,amino acid composition andinvitrodigestion.The microstructures of raw black bean and quick-cooking black bean powder were observed by using scanning electron microscope.The particles of the quick-cooking black soya bean were aggregated and blocked and its protein solubility was deteriorated.The result of fourier infrared spectrum scanning showed that composition of quick-cooking black bean changed little and the protein aggregated to decrease its solubility.Through DSC analysis,it showed that the protein of quick-cooking black bean denatured completely after processed since there was no endothermic peak appeared in the thermal analysis.

quick-cooking;black soya beans;physicochemical property;invitrodigestion

2015-09-25

李晓蒙(1990-)，女，硕士研究生，研究方向：发酵工程与食品科学，E-mail：1078348398@qq.com。

于雷(1973-)，男，博士，教授，研究方向：食品科学与粮油加工，E-mail：354038827@qq.com。

吉林省科技支撑计划(20130204046NY)。

TS214.2

A

1002-0306(2016)09-0053-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.09.002