不同处理方式对芡实中游离氨基酸和碳水化合物的含量及淀粉消化率的影响

王忠合，王军，张菁，黄榕芳

(韩山师范学院 食品工程与生物科技学院，广东 潮州，521041)

芡实(EuryaleferoxSalisb)，又称为鸡米头，睡莲科芡属植物的种仁，为1年生大型水生草本植物，药食同源，在我国分布广泛，其中以苏芡最为出名[1-2]。芡米中含有丰富的碳水化合物、蛋白质以及多种维生素等，不仅营养价值高，而且具有养血安神、益肾固精、去湿健脾、止泻止带等食疗功效[3]。研究表明[4]，潮州芡实含蛋白质9.68%，比北方芡实高20.4%，脂肪含量较低，矿物质元素和维生素含量较丰富。陈蓉等[5]研究不同产地芡实中游离氨基酸的含量，得出芡实中总游离氨基酸含量约为0.98 mg/g。张丽等[6]研究不同产地芡实的品质特性，得出不同芡实种类的营养指标存在显著差异。

随着科技的进步，干燥处理的方式越来越多，最初的芡实大多数利用太阳晒干或自然风干的方式来干燥，目前许多其他干燥方法也逐渐用于芡实干燥。本文以游离氨基酸、还原糖、总糖和淀粉的含量以及淀粉体外消化率为指标，比较不同干燥处理对芡实中主要营养成分和色泽的影响，以期为芡实的干制提供相关的理论依据。

1 材料与设备

1.1 材料与试剂

芡实：购买新鲜收获的芡实，于冷藏条件下运送到实验室。α-淀粉酶、谷氨酸(Glu)、异亮氨酸(Ile)、精氨酸(Arg)、天冬氨酸(Asp)、天冬酰胺(Asn)、谷氨酰胺(Gln)、蛋氨酸(Met)、酪氨酸(Tyr)、亮氨酸(Leu)、苯丙氨酸(Phe)、赖氨酸(Lys)、色氨酸(Trp)、丙氨酸(Ala)、甘氨酸(Gly)、苏氨酸(Thr)、脯氨酸(Pro)、组氨酸(His)、丝氨酸(Ser)、半胱氨酸(Cys)、缬氨酸(Val)、反式-4-羟基-脯氨酸(Hpro)等，Sigma-Aldrich公司。茶氨酸(The)，生工生物工程(上海)有限公司；3,5-二硝基水杨酸、NaOH、丙三醇、葡萄糖、蒽酮、硫脲、浓H2SO4、冰乙酸、无水乙酸钠、茚三酮、氯化亚锡、活性炭等均为分析纯。

1.2 仪器与设备

1260 Infinity液相色谱仪，安捷伦有限公司；Xevo G2-XS QTOF高分辨质谱仪，沃特世有限公司；BSA3202S-CW分析天平和PB-10型pH计，北京赛多利斯仪器系统有限公司；JZ-350色差计，深圳市金准仪器设备有限公司；3212012恒温水浴锅，苏州珀西瓦实验设备有限公司；BL22-600A超声波清洗仪，成都比郎实验设备有限公司；FD-1D-5D真空冷冻干燥机，北京博医康实验仪器有限公司；UNIC 7200紫外可见分光光度计，济南博鑫生物技术有限公司；H1850R离心机，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；DK-98-II电子调温万用电炉，天津市泰斯特仪器有限公司；A-1000S水流抽气机，上海爱朗仪器有限公司；GZX-9146MBE电热鼓风干燥箱，上海博讯实业有限公司医疗设备厂。

1.3 实验方法

1.3.1 芡实粉的加工

将新鲜芡实采用真空冷冻干燥25 h(真空度10 Pa)、80 ℃热风干燥9.5 h、太阳晒制17.5 h，粉碎后过40目筛，分别记为：冷冻干燥、热风干燥、太阳晒干；将新鲜芡实置于沸水中煮3 min充分钝化酶后，冷却至常温，分别采用冷冻干燥25 h(真空度10 Pa)和80 ℃热风干燥9.5 h，粉碎后过40目筛，分别记为：水煮+冷冻干燥和水煮+热风干燥；冷冻干燥和热风干燥参数为前期优化结果，保持2种产品中水分含量无差异。

1.3.2 水分含量的测定

采用直接烘干法[5]，在105 ℃恒温鼓风干燥箱中干燥至恒重。按公式(1)计算水分含量：

(1)

式中：m1,干燥前样品与称量皿质量之和，g；m2,干燥后样品和称量皿质量之和，g；m3,称量皿质量，g。

1.3.3 色泽的测定

将样品平铺放置于镜头前，读取色差值，记录L*、a*、b*，按照公式(2)计算ΔE值：

(2)

式中：ΔE,冷冻干燥处理样品和其他加工处理样品间的色差值，“0”为冷冻干燥样品测定值，“s”为其他加工处理样品测定值。

1.3.4 还原糖的测定

采用3,5-二硝基水杨酸比色法[5]，以零号管做参比，在540nm处测定其吸收度值(A)。根据标准曲线方程y=0.118 1x+0.001 7,R2=0.993，求得相应的还原糖的质量浓度(ρ)，按照公式(3)计算出芡实粉中还原糖的含量。

(3)

式中：V,测定样液体积，mL；F,样液总体积，mL；m,样品质量，g；ρ,还原糖质量浓度，mg/L。

1.3.5 总糖的测定

采用蒽酮比色法[5]，以零号管作参比，于620 nm波长处测定吸光度(A)。根据标准曲线方程y=0.005 3x-0.015,R2=0.990 7，求得总糖的质量浓度，按照公式(4)计算出芡实粉中总糖的含量。

(4)

式中：ρ,从标准曲线上查得的质量浓度，μg/mL；m,测定样品的质量，g。

1.3.6 淀粉总量的测定

采用酸水解法[7]测定芡实中的淀粉含量，样品经乙醚除去脂肪，乙醇除去可溶性糖后，用酸水解淀粉为葡萄糖，按3,5-二硝基水杨酸法测定还原糖的含量，葡萄糖折算为淀粉含量的系数为0.9。

1.3.7 氨基酸的测定

称取0.1 g样品置于离心管中，加入1.5 mL水，12 000 r/min离心25 mim(4 ℃)，离心后取上清液得氨基酸样品[6]。采用茚三酮比色法[5]，以空白试剂为参比液测定其余各溶液的吸光度值。根据标准曲线方程y=0.005 1x-0.012 6,R2=0.992 4，求得氨基酸的质量浓度，按照下式计算出芡实粉中游离氨基酸总量。

(5)

式中：ρ,从标准曲线上查得的氨基酸质量浓度，μg/mL;V,样液体积，mL；m,测定的样品溶液相当于样品的质量，g。

取氨基酸标准液(1～10 mg/L)和样品上清液分别过0.22 μm滤膜后,采用液相色谱串联高分辨飞行时间质谱检测，根据氨基酸标准曲线，如表1所示，计算出芡实中各游离氨基酸的含量。色谱条件[8-9]：HILIC-Z色谱柱(100 mm×2.1 mm，2.7 μm)；流速0.4 mL/min；柱温30.0 ℃；进样量2 μL；洗针进样，流动相A：0.1%甲酸+20 mmol/L甲酸铵水溶液、流动相B：0.1%甲酸乙腈，梯度洗脱程序如表2所示。质谱条件：正离子模式检测，扫描范围m/z50～600：源内电压：2.0 kV；离子源温度：130、400 ℃；氮气流速：60、800 L/h。

表1 氨基酸标准品的出峰时间及标准曲线方程

表2 梯度洗脱程序表

1.3.8 淀粉体外水解动力学

每个样品取2 g(含500 mg还原糖)于烧杯中，各添加50 mL磷酸盐缓冲液(pH 6.9)，置于37 ℃水浴中消化处理5 min后，取0.2 mL消化上清液(记为0)，1 min后再加入1 mL α-淀粉酶溶液，置于37 ℃水浴中继续消化处理，在第15、30、45、60、75、90 min时分别取消化液0.2 mL于25 mL试管中，添加0.8 mL蒸馏水和1 mL DNS溶液，置沸水浴中煮沸10 min后取出迅速用水冷却，定容至25 mL，摇匀，采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定还原糖，根据标准曲线求得还原糖的含量以表示淀粉的消化率[10]。

1.4 数据处理

实验结果以平均值±标准偏差表示，采用SPSS 17.0进行单因素方差分析，并采用邓肯检验进行差异显著性分析，以P<0.01或P<0.05为检验标准。

2 结果与分析

2.1 水分含量变化分析

不同加工处理对芡实粉中水分含量的影响如表3所示，各样品中水分含量均小于10%，太阳晒干的样品中水分含量最高，与水煮+冷冻干燥和水煮+热风干燥的样品间无显著差异(P>0.05)，而与热风干燥和冷冻干燥的样品间水分含量差异显著(P<0.05)，因太阳晒干的样品后期水分含量变化非常缓慢，无法达到与冷冻干燥或热风干燥样品一样低水分含量，故水分含量小于10%后停止晒制。水煮处理对样品中水分含量有显著影响(P<0.05)，而热风干燥和冷冻干燥的样品间水分含量无显著差异(P>0.05)。

表3 处理后芡实样品中的水分含量

注：表中同一列标注不同的小写字母表示差异显著，P<0.05(下同)

不同加工处理达到的最低水分含量各不相同，所需的干燥时间也不同，热风干燥所需要的时间最少。

2.2 色泽变化分析

不同加工处理对芡实粉L*、a*、b*值的影响见表4。L*表示物料的明亮度，新鲜芡实的L*值较小，这与新鲜芡实的色泽非常白及含有一定量的水分有关，而不同加工处理对芡实粉的明亮度有显著影响(P<0.05)，其中冷冻干燥、水煮+冷冻干燥、水煮+热风干燥和热风干燥之间有显著差异(P<0.05)，而太阳晒干与热风干燥和冷冻干燥之间无显著差异(P>0.05)，且水煮处理后芡实粉的明亮度显著降低(P<0.05)，色泽变暗。a*表示红(+a*)/绿(-a*)[11]，不同加工处理后的芡实粉的a*值均为正值，表示加工处理后的芡实粉偏红，除水煮+热风干燥外，其他加工处理方式间的差异不显著(P>0.05)。b*表示黄(+b*)/蓝(-b*)，新鲜芡实与冷冻干燥芡实的b*值无显著差异(P>0.05)，冷冻干燥处理对芡实黄蓝值的影响不大，而其他不同加工处理对黄蓝值的影响差异显著(P<0.05)，不同加工处理后的芡实粉的b*值均为正值，表示芡实粉偏黄，不同干燥处理后b*值显著增大，最高的为水煮+热风干燥，这表明干燥和水煮处理均显著增加b*值(P<0.05)。ΔE是指以冷冻干燥的样品为基准，其他样品与冷冻干燥样品间的色差值，热风干燥和太阳晒干样品的色差值差异不显著(P>0.05)，而水煮加工处理显著增加了芡实样品的色差值(P<0.05)。由图1可知，冷冻干燥的样品整体色泽较白，而热风干燥和太阳晒干的样品色泽较黄。在真空冷冻条件下干燥的芡实，其色泽较白，原因是在低氧和低温条件下避免了颜色的改变。而热风干燥和太阳晒干等处理在较高的温度下进行，易发生美拉德反应，加深了其色泽的变化。

表4 不同加工处理对芡实粉色泽的影响

注：“-”表示未计算

图1 不同加工处理对芡实粉色泽的影响

2.3 还原糖及总糖含量变化分析

不同加工处理的芡实中的还原糖和总糖含量差异极显著(P<0.01)，结果如表5所示。冷冻干燥处理的芡实中还原糖含量最高，而水煮+热风干燥处理的芡实中还原糖含量最低，水煮后的芡实中还原糖含量比未水煮的芡实中还原糖含量显著降低(P<0.01)，可能是由于水煮加工处理后芡实中的部分可溶性还原糖溶解于水中流失。冷冻干燥、热风干燥、太阳晒干的芡实中还原糖含量依次减少，这可能是由于热风干燥和太阳晒干的过程中还原糖参与了褐变反应[12]，因而还原糖的含量降低。热风干燥温度高，芡实粉的色泽变化大，发生褐变的程度更高。太阳晒干的方式干制芡实时所处的温度、湿度等可能使得还原糖酶活性较高，从而使得芡实还原糖含量受到影响，此外晒干时芡实的温湿度也适合细菌増殖，从而细菌可以利用芡实中部分还原糖，这也是晒干方式芡实中还原糖含量降低的另一个可能原因。而采用烘干方式，芡实还原糖酶活性及时受到抑制，同时微生物繁殖受到抑制，从而烘干干制方式对芡实还原糖含量影响较小。

从表5可以看出，不同处理后的芡实中总糖含量差异极显著(P<0.01)，冷冻干燥处理后的芡实粉中总糖含量最高，而自然晒干和热风干燥后的总糖含量显著减少，可能是因为自然晒干和热风干燥处理时的高温引起的非酶褐变[13]导致总糖含量减少。水煮芡实中的总糖含量显著减少(P<0.01)，经水煮加工的芡实其可溶性糖溶于水中流失，故其总糖含量较低。

表5 不同加工处理对芡实还原糖和总糖的影响

注：表中同一列标注不同的大写字母表示差异极显著，P<0.01(下同)

从图1可知，水煮+热风干燥的芡实粉颜色最深，其发生非酶褐变程度最大，故其总糖含量最低；冷冻干燥的芡实粉色泽最浅，其发生非酶褐变的程度最低，故其总糖含量最高。

2.4 游离氨基酸的变化分析

5种加工处理的芡实粉中游离氨基酸总量之间存在极显著差异(P<0.01)，结果如表6所示。其中，热风干燥所得到的芡实粉中游离氨基酸总量最高，而采用水煮加冷冻干燥得到的芡实粉中游离氨基酸含量最低。陈蓉等[5]研究不同产地芡实的游离氨基酸含量，得出芡实中总游离氨基酸平均值98 mg/100 g，最高可达到160 mg/100 g。张名位等[4]研究潮州芡实营养价值，得出潮州芡实的氨基酸总量比北方芡实高25.98%，这与试验测定的芡实中游离氨基酸总量较高的结果一致。水煮处理显著降低了芡实中游离氨基酸的含量(P<0.01)，这是因为经水煮加工的芡实中游离氨基酸部分溶解于水中且后续的干制过程过程中易发生美拉德反应而影响其含量[14]。热风干燥、冷冻干燥、太阳晒干的芡实粉中游离氨基酸含量显著下降(P<0.01)，其原因有待进一步探究。

表6 不同加工处理对芡实中游离氨基酸总量的影响

各游离氨基酸的标准色谱和样品色谱分别如图2所示。

采用液相色谱串联高分辨质谱法可以同时测定常见的20种氨基酸，芡实中共测出19种氨基酸，其含量各不相同，Asp、Asn、Glu、Ala等含量较高，而His、Tyr、Trp等含量较低，其中Glu、Asp等氨基酸能使食物呈现出特殊的鲜味，Ala是主要的甜味氨基酸，这与潮州芡实味道鲜美相符。芡实中含有8种人体必需的氨基酸(Lys、Ile、Leu、Phe、Trp、Thr、Val、Met)，其含量占总氨基酸的比值为22%～29%，与非必需氨基酸的比值为28%～38%，这与WHO/FAO规定的必需氨基酸与总氨基酸比值40%、必需氨基酸与非必需氨基酸比值60%相差较大[5]。加工处理对芡实中每种氨基酸的影响如表7所示，不同加工处理显著影响芡实粉中游离氨基酸的含量(P<0.05)，水煮处理的芡实中各游离氨基酸含量比未水煮的游离氨基酸含量少，特别是一些水溶性较好的氨基酸，其损失率更大。热风干燥、冷冻干燥和太阳晒干3种干制处理显著影响Asp、Asn、Glu、Gln、Phe等氨基酸的含量(P<0.05)，而对Lys、Arg、His、Tyr、Ile、Leu、Trp等氨基酸的含量没有显著的影响(P>0.05)，不同干燥方式对氨基酸的作用不同，这可能与氨基酸的溶解性、反应活性、含量等因素有关，具体机制有待进一步探讨。

图2 氨基酸标准品的色谱图

表7 加工处理对芡实中各游离氨基酸含量的影响 单位：mg/100 g

2.5 淀粉含量的变化

芡实中淀粉含量较高，是芡实粒中主要的贮藏物质，约占干重的72%～77%，不同加工处理的芡实粉中淀粉含量变化如图3所示。

图3 芡实中淀粉含量的变化

不同加工处理对芡实中淀粉的含量影响不显著(P>0.05)，高温干制和太阳干燥的芡实中淀粉含量明显略低于真空冷冻干燥的芡实中淀粉含量，这可能是因为高温使芡实中的部分淀粉发生凝胶反应而导致含量降低[15]。太阳晒干的芡实中淀粉含量低，主要是由于加工初期的呼吸作用导致淀粉分解而消耗。

2.6 淀粉体外消化性分析

淀粉等碳水化合物进入人体在α-淀粉酶的催化作用下转化为麦芽糖和糊精，进一步水解为葡萄糖，被小肠吸收进入血液，不同加工处理的芡实中淀粉模拟体外消化性结果如表8所示。

从表8可知，不同加工处理的芡实的淀粉体外消化率皆随消化时间的增加而呈不断上升的趋势，不同的样品消化率的变化情况差异显著(P<0.05)。

表8 淀粉体外消化率的变化 单位：mg/mL

注：表中同一行标记不同小写字母的表示差异显著，P<0.05；同一列标注不同的大写字母表示差异显著，P<0.05。

在整个体外消化过程中，所有芡实样品在初始45 min内淀粉的水解速率大幅度迅速升高，在60～90 min内，呈现缓慢上升的变化趋势。消化初期各样品的淀粉消化率差异较大，而消化后期差异较小，消化1 h后，各样品的消化率比较接近，其中，水煮+冷冻干燥、水煮+热风干燥、太阳晒干的芡实中淀粉消化效果相对于其他样品较好。消化60 min后，其趋势减缓，其中水煮处理的芡实中淀粉消化效果较好，原因可能是冷冻和热风干燥后的芡实比较干硬，芡实粉中富含多糖和多酚等植物活性物质，这些物质可与淀粉分子结合，从而影响其水解，阻碍葡萄糖的释放，影响淀粉消化率[7,10,16]，而水煮时干芡实吸饱水分，容易煮烂，并破坏与淀粉结合的酚类等物质。

3 结论

冷冻干燥的芡实样品整体色泽较白，而热风干燥和太阳晒干的样品色泽较黄，其他不同处理显著影响芡实粉的色值和水分含量(P<0.05)，但热风干燥和冷冻干燥的样品间水分含量无显著差异(P>0.05)。加工处理显著影响芡实中还原糖、总糖和游离氨基酸的含量(P<0.01)，其中，水煮处理后的芡实中还原糖、总糖和游离氨基酸的含量明显低于未水煮的芡实，而水煮和干制处理对芡实中淀粉的含量影响不显著(P>0.05)。游离氨基酸的总量则是采用热风干燥的芡实中含量最高，冷冻干燥、热风干燥及太阳晒干的处理方法对Lys、Arg、His、Tyr、Ile、Leu、Trp等游离氨基酸的含量影响不大。各芡实样品的淀粉体外消化率均随着消化时间的增加而呈现上升的趋势，不同加工处理对芡实中淀粉体外消化率有显著的影响(P<0.05)，冷冻和热风干燥的芡实样品的淀粉体外消化率较低，而水煮后芡实样品中淀粉的体外消化率增加，其中太阳晒干的样品与水煮后冷冻干燥或热风干燥处理的芡实的淀粉体外消化率无显著差异(P>0.05)。因此，生产中可采用冷冻干燥法直接加工新鲜的芡实以保持其色泽和主要营养成分。