黑菊芋加工过程中成分变化研究

杨庆丽,张 旭,魏连会,张正海,高 媛,姬妍茹

(黑龙江省科学院大庆分院,黑龙江大庆 163319)

菊芋(HelianthustuberousL.)俗称洋姜、鬼子姜,是一种向日葵属多年生宿根性草本植物[1]。菊糖是菊芋的主要功能成分,占其鲜重的15%～20%,具有调节血糖、促进肠有益菌生长、降脂减肥及抗氧化等多种功能[2]，相关食品的研发得到了越来越多的重视。美拉德反应是食品加工、贮存及烹饪中最常见的反应之一[3]。反应过程中还原糖等碳水化合物与带自由氨基的氨基酸、肽等含氮化合物之间发生缩合，生成一种棕褐色甚至黑色的物质即类黑精[4]。近年的研究表明,类黑精具有抗氧化、抗癌、降糖、降血压、防龋齿,结合风味物质等功能,其抗氧化强度甚至与目前食品中常用的抗氧化剂维生素C相媲美[5]。因此,利用美拉德反应对果蔬进行深加工,从而对其营养、口感及功效进行优化成为食品加工行业的又一个新热点。黑菊芋正是以此反应为基础,由黑龙江省科学院大庆分院自行研发的一种新型健康食品。黑菊芋成品色泽黑亮,口感香甜富弹性,接受度较高。其颜色、口感及功效变化与反应中各成分的生成转化密切相关。颜色变化主要是产生了大量的类黑精。还原糖和氨基酸是类黑精的生成底物，5-HMF为其中间产物。因此,本文对菊芋加工中还原糖、总糖、氨基酸、5-HMF含量变化进行研究。另外本研究对功效成分抗氧化多酚进行了跟踪分析,以期为新型食品的开发及生产工艺优化提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

白皮菊芋 购自黑龙江省林甸县;甲醇 色谱纯,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;5-HMF标准品 北京中科仪友化工技术研究院;铁氰化钾 分析纯,沈阳市华东试剂厂;5%苯酚水溶液 上海远慕生物科技有限公司;福林酚 生化试剂,南京奥多福尼生物科技有限公司;DNS试剂 自配,配制方法参照文献[6]。

Master-D UF实验室超纯水机 上海和泰仪器有限公司;UV765紫外可见光分光光度计 上海精密科学仪器有限公司;Epoch酶标仪 美国BioTek公司;LC-15C高效液相色谱 日本岛津;L-8900全自动氨基酸分析仪 日本日立公司;黑菊芋加工设备 黑龙江省科学院大庆分院自制。

表1 黑菊芋加工温度设定及含水量的变化Table 1 Change of moisture and temperatrue of black Jerusalem artichoke during processing time

1.2 实验方法

1.2.1 黑菊芋的加工及采样 新鲜菊芋洗净，切成厚度约1.5 cm左右的片,沥干水分后,装入耐高温塑料袋中，每袋500 g,放入黑菊芋加工仪中设定温度，启动程序开始加工,加工温度从25 ℃开始，以10 ℃/min上升至95 ℃,维持10 h,之后85 ℃保持15 h,75 ℃保持48 h,70 ℃保持72 h,65 ℃保持72 h,55 ℃保持72 h,45 ℃持续至加工结束。分别于程序开始的0、4、8、12、24、72、120、168、216、264、312、360 h取样。每次2袋,每袋3块共6个重复测定含水量。水分测定采用GB 5009.3-2010中的直接干燥法。

黑菊芋含糖量较高,烘干困难,以下研究中样品重量为根据含水量折合后的干重。

1.2.2 颜色和口感评价方法 随机选择不同专业、不同年龄男女各10人,对研究中各时间段样品进行口感、口味和颜色的评价。菊芋加工中颜色变化明显，肉眼可见,因此将颜色分别以白色、奶白色、浅黄色、黄色、浅褐色、深褐色、黑色为标准,成员目测选择颜色,以大于等于60%为标准答案记录。口感以硬脆、软糯、软弹，口味以无味、酸、酸甜、甜几个方面为标准由成员选择,以大于等于60%为标准答案记录。

1.2.3 黑菊芋糖提取液及多酚提取液的制备 取1 g样品加入2 mL灭菌蒸馏水浸泡3 h后充分研磨,加入灭菌蒸馏水8 mL沸水煮20 min,80 ℃,150 W超声提取30 min,定容至10 mL,10000 r/min离心15 min后上清即为菊芋糖提取液。

取1 g样品加入70%乙醇8 mL,浸泡3 h后充分研磨,70 ℃超声提取30 min,10000 r/min离心15 min取上清,50 ℃挥干乙醇,灭菌蒸馏水溶解定容至10 mL得菊芋多酚提取液。

1.2.4 黑菊芋还原糖、总糖及菊糖的测定 采用DNS法及苯酚-硫酸法[7]测定菊芋[8]总糖及还原糖含量,以果糖计。以菊芋糖提取液不加显色剂直接定容至刻度为本底色,酶标仪测定前所有样品反应液需9000 r/min离心15 min取上清,菊糖含量按以下公式[8-9]计算。

菊糖含量(mg/g)=总糖含量-还原糖含量

1.2.5 氨基酸组成及含量的测定 参考董爱荣等[10]的方法测定黑菊芋总氨基酸,100 mg样品研磨后加入15 mL灭菌蒸馏水,50 ℃超声30 min,加入15 mL浓HCl,氮吹仪30 min,105 ℃水解24 h。14000 r/min离心10 min,取上清3 mL于蒸发皿中,水浴蒸干后以0.02 mol/L盐酸溶解定容至10 mL。0.22 μm水膜过滤后氨基酸分析仪上样测定总氨基酸中各氨基酸含量及氨基酸总量。

1.2.6 5-羟甲基糠醛(5-HMF)分析 根据NY/T 1332-2007中样品处理及液相条件测定[11]。以5-HMF标准品浓度为横坐标,以峰面积为纵坐标绘制标准曲线。色谱柱为C18(250 mm×4.6 mm,5 μm),流动相为甲醇+水(15%+85%),流速为1.0 mL/min,检测波长280 nm,柱温室温,进样量10 μL。标准曲线方程为y=7583x+4701,R2=0.997。

1.2.7 多酚的测定 采用Folin-Ciocalteu法[12],分析中以黑菊芋多酚提取液不加显色剂直接定容至刻度为本底色,酶标仪测定前所有样品反应液需9000 r/min离心15 min取上清。

1.3 数据处理

利用Excel2007做图,采用Graphpad Prism 5进行差异显著性分析。p≤0.05为显著性差异,p>0.05为差异不显著。

2 结果与分析

2.1 黑菊芋颜色、口感及含水量变化

由图1及表1可见,整个加工过程中菊芋颜色、口感、口味及含水量都发生了较大变化。黑菊芋加工前呈奶白色,口感脆硬,口味较淡几乎无味。随加工深入颜色加深,逐渐变为黄色、浅褐色及深褐色,第120 h已接近黑色;随含水量降低,216 h黑菊芋口感从软糯变为软弹。口味上72 h开始酸味加重,312 h酸味消失以甜味为主。

图1 加工中黑菊芋颜色变化Fig.1 Change of colour of black Jerusalem artichoke during processing time

2.2 黑菊芋加工中还原糖及总糖的变化

糖是美拉德反应中的重要成分,糖含量变化与呈色及呈味物质形成及口感变化密切相关。由图2可见,黑菊芋加工中,总糖含量各相邻时间点无显著变化(p>0.05)。总体看,总糖含量稳中有降,从加工24 h起,菊芋总糖含量显著低于0 h菊芋(p≤0.05)。总糖含量降低可能与美拉德反应中糖的消耗有关。如周志磊等的研究表明,美拉德反应中果糖及葡萄糖等可以与氨基酸等反应生成焦糖香物质[13]。在加工的0～24 h,0、12、24、168、360 h还原糖含量分别为16.70、21.10、27.01、94.35,97.22 mg/g。新鲜菊芋的菊糖含量为408.5 mg/g。加工360 h为236.12 mg/g。菊糖是菊芋中最主要的碳水化合物及功能成分,具有调节血糖的功效。黑菊芋成品中能够保留大部分菊糖是非常重要的。

表2 不同加工时间总氨基酸含量分析(干重计)Table 2 Content of amino acidal during processing time(in dry weight)

注:同一行上标字母不同表示差异显著(p≤0.05)。还原糖含量较稳定,无显著变化(p>0.05);在24～168 h之间时,还原糖含量显著升高(p≤0.05),之后含量保持稳定(p>0.005)。

图2 不同加工时间还原糖及总糖含量(干重计)Fig.2 Content of reducing sugar and total sugar during processing time(in dry weight)

2.3 黑菊芋总氨基酸组成及含量的变化

由表2可见,美拉德反应前后,氨基酸种类由11种变为12种,除谷氨酸及甲硫氨酸外其他氨基酸均有不同程度的降低,其中降幅最大的为天冬氨酸、赖氨酸和精氨酸(p≤0.05)，整个加工过程中均呈逐渐降低趋势。这几种氨基酸为参与美拉德反应的主要氨基酸。秦礼康[14]的研究表明,形成类黑精的主要氨基酸残基是天冬氨酸、谷氨酸、精氨酸、赖氨酸和脯氨酸。主要参与美拉德反应的氨基酸包括赖氨酸、精氨酸、甘氨酸、谷氨酸和半胱氨酸。因此,这几种氨基酸为美拉德反应模型建立的常用氨基酸[15-16]。吴慧伦等的研究表明,赖氨酸能够与菊糖发生美拉德反应生成糠醛类物质[17]。以上研究表明,参与美拉德反应可能是大多氨基酸含量降低的主要原因。甲硫氨酸和谷氨酸的变化趋势较为特殊,谷氨酸是参与反应的主要氨基酸之一,能够与糖发生美拉德反应产生风味物质[18]。但是,本研究中谷氨酸含量却显著增加(p≤0.05)。甲硫氨酸有一个从无到有的过程(p≤0.05),此种氨基酸与美拉德反应的关系及在反应中的变化机理未见相关报道。因此,这两种氨基酸的变化原因及机理仍需进一步探讨和研究。氨基酸总量方面,0～24 h保持稳定(p>0.05),之后整体呈显著降低趋势(p≤0.05),这与氨基酸参与美拉德反应有关。本研究结果表明对于大多数氨基酸来说,美拉德反应是一个逐渐消耗从而生成呈香、呈色物质的过程。

2.4 黑菊芋5-HMF含量分析

5-HMF是一种呋喃类化合物,是黑菊芋类黑精形成的中间产物。其形成途径有两种:一种是美拉德反应;另一种是在酸性条件下糖的直接水解,即焦糖化反应[19]。近年来的药理研究表明:5-HMF具有增强大鼠红细胞变形活性、抗氧化、改变血液流变,保护神经远等对人体有益的作用[20]。5-HMF在医药领域作为有效成分制备抗心肌缺血的心血管病药品,已被中国药科大学作为专利进行申请[21]。食物经美拉德反应后功效增强可能与5-HMF含量增加有一定的关系。菊芋中含有的大量菊糖能够为5-HMF的生成提供物质基础。由图3可见,黑菊芋加工过程中,5-HMF含量整体呈上升趋势。其中0～72 h含量稳定无显著变化(p>0.05);72～216 h含量显著升高(p≤0.05)。这是因为菊芋中菊糖、果糖发生焦糖化反应或与氨基酸发生美拉德反应生成了糠醛类物质[17,19]。目前对于5-HMF的安全性仍存在争议,有研究表明,5-HMF是一种能诱导细胞和基因突变的毒素,具有潜在的致癌性[22];有些人则认为5-HMF并不存在严重的健康危险,Abraham等[23]通过各种动物实验证明了5-HMF每天摄入量在80～100 mg/kg体重范围内无不利影响,也就是说5-HMF有足够大的安全限度。Janzowski等[24]的研究表明,5-HMF虽然能够使正常细胞内谷胱甘肽活性受到一定影响,但远远达不到给人体带来严重损害的程度。

图3 5-HMF含量变化(干重计)Fig.3 Change of 5-HMF in processing time(in dry weight)

2.5 多酚含量分析

植物体中的多酚丰富多样，主要有酚酸类、类黄酮类、多酚酰胺类及其他,其中以类黄酮类多酚最为广泛,不同类植物中所含的多酚种类及含量也不相同[25]。目前,菊芋中多酚组成研究未见报道,其多酚含量仍没有确定的测定方法。巩慧玲等借鉴了牡丹花中多酚的测定方法,以邻苯二酚为标准品,测得几种菊芋的多酚含量在0.66～1.55 mg/g之间。本研究同时借鉴了GB/T 8313-2008茶叶中茶多酚和儿茶素类含量的检测方法中的Folin-Ciocalteu法。由图4可见,黑菊芋加工中多酚含量呈上升趋势,0～24 h含量较稳定无显著差异(p>0.05);24～216 h显著升高(p≤0.05);加工后期含量较稳定(p>0.05)。目前,已有研究表明美拉德反应后多酚显著增加,孙月娥等的研究表明,经28 d加工大蒜中多酚含量显著增加,主要原因是在受热过程中,大分子多酚类化合物发生分解,释放出更多含有酚羟基的化合物,因此使其相对含量得到提高[26]。美拉德反应后菊芋中多酚含量增加能够为后续黑菊芋抗氧化功能研究提供有力依据。

图4 多酚含量变化(干重计)Fig.4 Change of polyphenol in processing time(in dry weight)

3 结论与讨论

随加工深入总糖稍降低、还原糖升高、氨基酸总量总体减少、5-HMF先升高后稳定,多酚含量先升高后稳定。各成分在加工24～216 h之间为快速变化期,之后趋于稳定。可见216 h时以上各成分生成转化已基本完成,此时黑菊芋颜色黑亮,品味变甜,已经达到食用要求。但是,由于菊芋此时含水量较高,口感稍差,因此仍不能做为加工的终点。加工达到360 h时黑菊芋口感软弹且多酚等未被破坏,因此将此时定为黑菊芋的加工终点。从营养和口感两方面分析,以美拉德反应为基础进行食品深加工是可行的。但其加工工艺的确定需以其营养成分变化为基础,这样才能在保证最佳口感的同时最大限度的保持营养成分的含量。相信随着研究的深入越来越多可以应用此反应进行深加工的食品会被发现,这必将创造更大的经济和社会效益。

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