脱脂前热处理对芝麻粕活性物质及体外抗氧化能力的影响

权化丽,李文辉,梁欣梅,付桂明,万茵

(南昌大学 食品科学与技术国家重点实验室,食品学院,江西 南昌,330047)

芝麻(SesamumindicumL.)是重要的油料作物,含有不饱和脂肪酸、蛋白质、维生素、微量元素和抗氧化剂等多种营养成分,对预防心血管疾病有着积极作用且具有潜在的抗氧化作用[1-2]。芝麻粕是芝麻制油的副产物,富含蛋白质、木脂素、酚类化合物等[3]。国内芝麻饼粕的年产量在50万t以上,主要用于饲料或肥料,甚至被丢弃,造成很大的浪费[3-4]。芝麻粕的深加工和综合利用研究对于提高芝麻资源利用率,延长相关产业链均具有重要意义。

热处理作为芝麻制品加工中的重要一步,会对芝麻的风味、生物活性物质和抗氧化能力等造成影响[2],制油过程中主要采用电加热转筒焙炒方式,油浴及微波热处理方式也逐渐受到关注,具有良好的应用前景[5-6]。油浴加热方式具有热传导性好的优势；烤箱烘焙[7]是食品加工中常用的热处理方式之一,主要利用电元件的辐射热来加热食品；微波加热是相对较新的加热方式,因其高效快速的特点深受消费者喜爱[8]。研究表明,热处理方式的不同可能会带来不同的影响[9-10]。罗凡等[11]研究榨前微波处理对油茶粕中多种活性成分含量及抗氧化能力的影响,发现微波功率的增大会提高总酚含量,且不同功率的DPPH自由基清除率存在差异。CHEN等[2]发现芝麻中木脂素的含量和抗氧化活性受温度和时间的影响很大,芝麻酚含量随热处理温度的升高不断增加,240 ℃热处理20 min时显示出最强的抗氧化综合能力。

目前对芝麻的热处理研究主要集中在芝麻油的品质上[12-13],也有部分对芝麻粕进行研究[14-15],但当前关于油浴加热、烤箱烘焙和微波加热等3种热处理方式对芝麻中芝麻粕木脂素含量及体外抗氧化活性影响的研究较少。因此,本文针对油浴加热、烤箱烘焙和微波加热等3种热处理方式,设定不同的温度梯度,研究木脂素、总酚、总黄酮含量和体外抗氧化活性的变化及它们之间的相关性,以期为改善芝麻热处理加工方法,获取高质量的芝麻副产物提供理论研究基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 原料与试剂

黑芝麻(赣芝2号),购自当地超市；芝麻酚、芝麻素、芝麻林素、没食子酸、奎诺二甲基丙烯酸酯(Trolox)、芦丁,均为分析标准品(纯度≥98.0%),1,1-二苯基-2-苦肼基自由基(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)、2,4,6-三吡啶基三嗪(2,4,6-tripyridin-2-yl-1,3,5-triazine,TPTZ)、2,2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐(2,2′-azinobis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid ammonium salt),ABTS)(纯度≥97.0%),上海阿拉丁生化科技股份有限公司；正己烷、冰乙酸、无水乙酸钠、盐酸、FeCl3、K2S2O8均为分析纯,西陇化工股份有限公司。

1.1.2 仪器与设备

DFY-500粉碎机,天津市泰斯特仪器有限公司；CKF-25B长帝电烤箱,佛山市伟仕达电器实业有限公司；DF-101Z集热式恒温加热磁力搅拌器,郑州市亚荣仪器有限公司；M1-L213C美的多功能微波炉,广东美的厨房电器制造有限公司；FA1604分析电子天平,上海精密科学有限公司；RE-2000A旋转蒸发器,上海亚荣生化仪器厂；DHG-9053电热恒温鼓风干燥箱,上海三发科学仪器有限公司；KQ-400KDE超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司；Waters e2695高效液相色谱仪,美国Waters公司；TU-1900双光束紫外可见分光光度计,北京普析通用仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 芝麻预处理

油浴加热处理：取80 g黑芝麻放入500 mL预热烧瓶中,分别在130、150、170、190、210 ℃下搅拌加热30 min；烤箱烘焙处理：取80 g黑芝麻均匀平铺在烤盘上,分别在130、150、170、190、210 ℃下热处理30 min；微波加热处理：取80 g黑芝麻均匀平铺在瓷盘中,分别在210、350、560、700 W下微波处理16 min。

分别将上述加热处理后的黑芝麻样品冷却、粉碎,4 ℃储藏备用。

1.2.2 出油率和芝麻粕得率的测定

参考LIN等[16]的方法并略作修改,将15 g芝麻粉和400 mL正己烷混合,在黑暗条件下磁力搅拌浸提12 h。抽滤,滤液经减压蒸发,干燥称质量后得芝麻油[17]。取残渣置于40 ℃鼓风干燥箱中干燥14 h,得到脱脂芝麻粕,干燥器内储藏备用。出油率和芝麻粕得率分别按公式(1)(2)计算：

(1)

(2)

1.2.3 活性物质的提取

活性物质的提取参考AHMED等[18]的方法,0.3 g脱脂芝麻粕和10 mL体积分数80%的甲醇混合,400 W超声提取30 min,4 000 r/min离心20 min,上清液过0.45 μm滤膜后,置于4 ℃备用。

1.2.4 木脂素含量的测定

将1.2.3提取液过0.22 μm滤膜后进行高效液相色谱检测。色谱条件：色谱柱为Waters Symmetry C18(4.6 mm×250 mm×5 μm),流动相A为水,B为甲醇；洗脱梯度：0～8 min,55% A；8～10 min,55%～25% A；10～24 min,25%～30% A；24～27 min,30%～55% A；27～32 min,55% A；进样量5 μL,柱温35 ℃,流速0.8 mL/min。在295 nm波长下检测芝麻酚,287 nm波长下检测芝麻素和芝麻林素。

1.2.5 总酚含量的测定

总酚含量通过福林酚法进行测定[19],100 μL提取液、400 μL蒸馏水和100 μL福林酚溶液混合放置6 min；加入1 mL 70 g/L的Na2CO3和800 μL蒸馏水后反应90 min,于波长760 nm检测；以没食子酸为对照品绘制标准曲线,总酚含量以每克样品相当于没食子酸的质量(mg)表示(mg/g)。

1.2.6 黄酮含量的测定

黄酮含量测定参考CHEN等[20]的方法并略做修改,200 μL提取液、400 μL蒸馏水和100 μL 5%的NaNO2混匀放置6 min；再加入200 μL的10% AlCl3溶液反应6 min；加入500 μL的1 mol/L NaOH溶液和200 μL蒸馏水后于510 nm进行检测。以芦丁为对照品,根据标准曲线计算每克样品相当于芦丁的质量(mg),单位为mg/g。

1.2.7 体外抗氧化能力的测定

1.2.7.1 DPPH自由基清除能力的测定

将提取液稀释至合适浓度,取200 μL和800 μL的0.1 mmol/L DPPH溶液混合,避光反应30 min后,于波长517 nm进行检测[21]。以Trolox为对照品绘制标准曲线,浓度适用范围为4～100 μmol/L,DPPH自由基清除能力结果表示为对应的Trolox当量(μmol/g)。

1.2.7.2 ABTS阳离子自由基清除能力的测定[22]

将192 mg的ABTS和33 mg的K2S2O8溶于水中并定容至50 mL,避光放置12 h得到ABTS母液,将母液用PBS稀释至在波长734 nm处吸光度为(0.70±0.02),即为ABTS工作液。取稀释后的10 μL样品溶液和140 μL的ABTS工作液混匀放置6 min,于波长734 nm处检测。以Trolox为对照品绘制标准曲线,浓度适用范围为10～400 μmol/L,ABTS阳离子自由基清除能力结果表示为对应的Trolox当量(μmol/g)。

1.2.7.3 FRAP铁离子还原能力的测定[23]

将0.3 mol/L的乙酸钠缓冲溶液(pH 3.6)、10 mmol/L的TPTZ溶液(溶于40 mmol/L HCl溶液)和20 mmol/L的FeCl3溶液以10∶1∶1的体积比例混合制备FRAP工作液,现用现配。100 μL样液和1.8 mL FRAP工作液充分混合后于37 ℃孵育10 min,并于波长593 nm处检测。以Trolox为对照品绘制标准曲线,浓度适用范围为20～1 200 μmol/L,FRAP铁离子还原能力结果表示为对应的Trolox当量(μmol/g)。

1.2.7.4 抗氧化综合能力[2]

抗氧化综合能力根据公式(3)计算：

抗氧化综合能力/%=

(3)

1.2.8 数据统计分析

所有的实验均设置3个平行,结果表示为平均值±标准差。实验数据用Origin 2017作图,用SPSS 17.0的Duncan法进行差异显著性分析(P<0.05),Pearson相关性分析活性物质成分与体外抗氧化能力间的相关性。

2 结果与分析

2.1 热处理方式对芝麻出油率和芝麻粕得率的影响

表1列出了不同热处理方式下芝麻的出油率和芝麻粕得率。与生芝麻相比,热处理能够增加芝麻的出油率和芝麻粕的得率,这归因于水分的蒸发,但不同热处理方式间的得率无显著性差异(P>0.05)。

表1 不同热处理方式对芝麻出油率和芝麻粕得率的影响

2.2 热处理方式对芝麻粕中木脂素含量的影响

图1-a为芝麻酚、芝麻素和芝麻林素标准品的高效液相色谱图,芝麻酚的标准曲线为y=25 494x+83.814,R2=0.999 8；芝麻素的标准曲线为y=15 649x+2 484.4,R2=0.999；芝麻林素的标准曲线为y=16 146x-4 329.4,R2=0.999 8,三者的线性范围分别为0～40 μg/mL、1～40 μg/mL和1～40 μg/mL。图1-b为样品对应的液相色谱图。

a-木脂素标准品；b-样品

木脂素是芝麻粕中抗氧化剂的丰富来源之一[2],热处理后芝麻粕中木脂素含量变化见表2。3种热处理方式下芝麻酚含量均随着处理温度或功率的增加而显著升高,且油浴处理相较于烤箱和微波处理有更显著的效果,油浴210 ℃时芝麻酚达最高含量517.25 μg/g。这是由于在温度较高时,芝麻林素及木脂素糖苷等会转化生成芝麻酚[24]；另外,油浴处理效果比另外2种方式更显著,可能与其良好的热传导效果有关。与芝麻酚相同,芝麻素的含量随着油浴温度升高亦不断增加,微波处理也在一定程度上增加了芝麻素的含量,而烤箱处理对芝麻素含量影响较小。这可能是由于芝麻素本身热稳定性较好,油浴和微波热处理方式对细胞结构损坏程度较大,使得芝麻素的提取率更高，同时芝麻素与表芝麻素之间的异构体转化也会影响芝麻素含量的检测结果[25]。不同于芝麻酚和芝麻素的含量变化,芝麻林素的含量随油浴温度升高呈明显的先上升后下降趋势,此变化趋势在烤箱和微波热处理中也得到呈现。推测芝麻林素含量的升高与细胞破损导致的高提取率有关,但随温度继续升高,芝麻林素含量下降,可能是受热转化为其他物质所致[20]。

表2 不同热处理方式对芝麻酚、芝麻素及芝麻林素含量的影响 单位：μg/g

2.3 热处理方式对芝麻粕中总酚含量的影响

酚类是芝麻粕的内源性抗氧化剂之一,热处理对芝麻粕的总酚含量影响结果如图2所示。3种热处理方式均在一定程度上提高了芝麻粕中总酚的含量,每种方式中总酚含量的最大值均出现在温度或功率最高时,三者的影响效果：油浴加热>微波加热>烤箱烘焙。油浴150 ℃以下及烤箱190 ℃以下热处理对总酚含量影响不大,随温度进一步升高,总酚含量出现显著性升高。总酚含量随微波功率的不断增大呈现出明显的升高趋势。AHMED等[18]对比了烘焙温度和时间对不同地区的芝麻理化特性的影响时发现,芝麻种子的总酚含量随烘焙程度增加,并且在220 ℃烘焙的样品中总酚含量达最大值,与本研究结果一致。热处理造成的细胞破损、细胞基质的降解、结合酚的转化和游离酚的释放在一定程度上可以解释热处理后酚类含量增加的现象[18,26]。

图2 不同热处理方式对脱脂芝麻粕总酚含量的影响

2.4 热处理方式对芝麻粕中总黄酮含量的影响

黄酮类化合物是植物中重要的活性物质,其含量随热处理的变化情况见图3。3种热处理方式对芝麻粕中黄酮含量的影响结果并不一致。其中,油浴温度170 ℃以下处理、微波加热处理时,总黄酮含量基本保持不变；总黄酮含量随烤箱烘焙温度的不断升高呈显著下降趋势,与CHEN等[20]的研究结果一致,可能与热敏性物质的损失相关。而油浴温度高于170 ℃时,总黄酮含量出现上调趋势,并且210 ℃油浴加热处理时达到最大值6.01 mg/g,推测与细胞结构破损导致的高提取率有关[27]。与该结果类似的是,LIN等[16]发现在150、180或200 ℃烘焙5 min的脱脂杏仁中黄酮含量显著下降,之后随烘焙温度和时间的持续增加,黄酮含量也相应增加。

图3 不同热处理方式对脱脂芝麻粕总黄酮含量的影响

2.5 热处理方式对芝麻粕体外抗氧化能力的影响

3种热处理方式对抗氧化能力的影响存在差异。其中,抗氧化能力随加热温度或微波功率的增大而增强,并且油浴处理较其他2种方式对抗氧化能力的影响更为显著。由图4-a可知,随油浴温度的升高,DPPH清除自由基能力不断提高；190 ℃以下烤箱烘焙处理对DPPH自由基清除能力的影响较小,210 ℃时清除能力有了显著的提高；微波处理的影响与烤箱处理类似,在700 W时DPPH清除能力表现出大幅度提升。ABTS阳离子自由基清除能力的趋势与DPPH自由基清除能力一致(图4-b)。图4-c中显示,FRAP铁离子还原能力的趋势与上述自由基清除能力略有不同,FRAP铁离子还原能力随烤箱烘焙温度升高呈略下降后上升趋势。但DPPH、ABTS阳离子自由基清除能力和FRAP铁离子还原能力3者的最大值都出现在210 ℃油浴处理时,分别为31.31、204.00 和35.15 μmol/g。抗氧化综合能力最高值95.45%也同样出现在210 ℃油浴处理时,表明高温能显著提升脱脂芝麻粕的抗氧化综合能力(图4-d)。据报道,木脂素、多酚、黄酮等生物活性物质是功能食品的可能抗氧化剂来源[28],热处理过程中生物活性物质的变化会引起抗氧化能力的变化。同时本研究观察到温度升高引起了褐变程度的加深,而热处理过程中生成的美拉德产物也能增强抗氧化能力[18]。

图4 不同热处理方式对脱脂芝麻粕体外抗氧化能力的影响

2.6 活性物质含量与体外抗氧化能力之间的相关性

酚类和木脂素是芝麻粕中的重要活性物质,并与抗氧化能力相关[27-28]。对活性物质含量与体外抗氧化能力间进行Pearson相关性分析,结果如表3所示。总酚、总黄酮与体外抗氧化能力之间的相关系数r>0.66,且总酚与抗氧化能力的相关性相对较高(r>0.95)；芝麻酚、芝麻素与体外抗氧化能力之间的相关性系数r>0.90,呈现出显著的正相关；而芝麻林素与ABTS阳离子自由基清除能力间无显著相关性(P>0.05),与其他体外抗氧化能力的相关系数在-0.63～-0.58,表现为负相关。

表3 活性物质含量与体外抗氧化能力之间的相关性

有研究发现总酚和总黄酮与抗氧化能力呈显著的正相关[29],芝麻酚与抗氧化能力同样也呈现正相关[20],而芝麻林素与抗氧化能力之间无明显相关性[30],与本文的研究结果一致。

3 结论与讨论

研究发现不同热处理方式对芝麻粕中木脂素、总酚、总黄酮及抗氧化活性的影响不同,并且物质与抗氧化活性间呈现出一定的相关性。一方面,热处理的温度提高了芝麻酚的含量,其中油浴处理对芝麻酚含量的影响比烤箱和微波处理更突出；其次,油浴及微波处理在一定程度上增加芝麻素的含量,但烤箱处理对芝麻素含量影响较小；特别强调的是,3种热处理方式中的芝麻林素含量随温度、功率的增加呈现先上升后下降的趋势。另一方面,在温度较高时,油浴处理对总酚含量的影响高于烤箱处理和微波处理。然而,黄酮含量却随着油浴温度的增加呈现出先下降后上升的趋势。另外,油浴处理的抗氧化综合能力显著高于其他2种方式,并且在210 ℃油浴处理时达到最高值(95.45%)。本研究为芝麻副产物的应用提供参考,后期将深入研究活性物质及抗氧化能力的变化机制,为芝麻粕的综合利用提供更为详尽的理论依据。