王运亭,张爱霞,赵 巍,刘敬科,*
(1.河北省农林科学院生物技术与食品科学研究所,河北 石家庄 050050;2.中国海洋大学食品科学与工程学院,山东 青岛 266003)
谷子作为我国传统的特色农作物之一,喜温耐旱、适应性强,广泛栽培于我国华北、西北和东北地区。谷子脱壳后得到小米和小米糠。小米营养价值较高,不仅含有丰富的维生素、矿物质和膳食纤维,且各营养成分间配比合理,易于吸收,具有食疗保健作用[1-2]。小米常用于煮粥、制作煎饼、锅巴、膨化食品等。近年来,小米面条、小米馒头、小米酒、小米醋等多元化产品也受到消费者的喜爱。然而,副产物小米糠则主要用作动物饲料或直接被当作废料处理,造成了巨大的资源浪费。小米糠主要由种皮、糊粉层、果皮、胚和淀粉质胚乳组成,富含木质素、纤维素、半纤维素、谷维素、黄酮、多酚等成分,是膳食纤维的潜在优质来源[3]。
随着可持续发展和环保意识的增强,小米糠作为一种食品和工业原料受到关注,常用于提取米糠油、米糠多糖、米糠膳食纤维、米糠蛋白等高附加值产品,研究报道适量添加米糠粉可以改善面团及馒头的品质[4]。加工过程中得到的不同米糠组分由于化学成分存在差异,理化性质也不同。杨菲雨等[5]研究不同碾减率(2%~16%)处理得到的大米糠,发现碾减率为2%~6%的大米糠含有粗脂肪、不可溶性膳食纤维以及多酚、黄酮、谷维素、矿物质等活性成分;碾减率为10%时,粗蛋白含量较高;碾减率大于12%时大米糠中淀粉、可溶性膳食纤维等成分含量相对较高,而粗脂肪、黄酮、多酚和谷维素的含量明显下降。孙宇等[6]考察不同碾减率(0%~10%)吉粳804稻米,发现随着碾减率的增加,水分、灰分、脂肪、蛋白质和粗纤维含量降低,这是由于营养成分在加工过程中脱落进入米糠中。李红等[7]研究不同部位谷子的营养成分,结果表明谷壳中基本不含脂肪和蛋白质,油糠中蛋白质含量丰富,油糠和谷糙灰分和粗脂肪含量显著高于小米,而淀粉含量低于小米。为了提高大米糠利用水平,有学者开展了米糠中关键组分的精准化分离研究,结果表明,糙米中各组分电镜表征呈现层级交替分布的特点,从外到里依次为蜡酯层、纤维层、脂肪-蛋白层和淀粉层,其中蜡酯层和纤维层厚度分别约为10 μm,脂肪层和蛋白层交联分布,厚度大约30 μm[8]。在加工过程中,随着碾减率的增加,蜡酯层、纤维层、脂肪-蛋白层和淀粉层依次脱落,因此,不同碾减率米糠的营养成分种类及含量存在差异。长期以来,为了提升谷物产品的感官品质而对其过度加工,造成大量营养成分和生物活性成分流向米糠等副产物中。为了充分利用米糠副产品,本实验探究不同米糠组分的营养成分和理化性质差异,以期完善精准化分离工艺并对米糠进行选择性使用,实现资源利用的最大化。
不同米糠组分于石家庄藁城小米加工厂采用多机轻碾工艺获得:砻谷机(S1,产量1 500 kg/h,产率8%)→砻谷机(S2,产量1 500 kg/h,产率10%)→碾米机(S3,产量10~150 kg/h,产率4%~5%)→碾米机(S4,产量10~150 kg/h,产率10%),将4 道碾白过程中得到的4 种小米糠组分(S1、S2、S3、S4)作为原料,S1和S2经粉碎机磨粉后,4 种小米糠粉过60 目筛,备用。
牛血清白蛋白 上海源叶生物科技有限公司;庚酸甲酯标准品 德国默克集团股份公司;正己烷、无水乙醇等(均为分析纯)国药集团化学试剂有限公司。
LM-24胶辊砻谷机 山东精良海纬机械有限公司;MNMS30砂辊碾米机 鱼台金利粮油机械有限公司;LM3100锤式实验粉碎磨、RVA-4500型快速黏度分析仪瑞典波通仪器公司;WSC-S测色仪 上海仪电物理光学仪器有限公司;MesoMR23-060H-I型低场核磁共振成像仪 苏州纽迈分析仪器股份有限公司;ISQ 7000气相色谱-质谱(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)系统 美国赛默飞世尔科技公司。
1.3.1 堆积密度和休止角测定
堆积密度:将10 mL量筒于110 ℃烘箱中烘1 h后放入干燥器中冷却并称质量,记为m1,直至质量恒定;向量筒中加入5 mL(V)小米糠粉,称质量,记为m2。小米糠粉的堆积密度(ρt)计算如式(1)所示:
休止角:将小米糠粉样品经玻璃漏斗垂直流至坐标纸上,漏斗尾端距玻璃平板垂直距离h=2.00 cm,流下的小米糠粉在坐标纸上形成圆锥体,记录圆锥体的直径2r,用反正切函数计算圆锥表面和水平面的夹角即为该样品的休止角α,计算如式(2)所示:
1.3.2 营养成分测定
水分、灰分、淀粉、蛋白质和粗脂肪含量分别按照GB 5009.3—2016《食品中水分的测定》中的直接干燥法、GB 5009.4—2016《食品中灰分的测定》中的第一法食品中总灰分的测定方法、GB 5009.9—2016《食品中淀粉的测定》中的酶水解法、考马斯亮蓝法、GB 5009.6—2016《食品中脂肪的测定》中的索式抽提法进行测定。
1.3.3 水合特性测定
参照牛潇潇[9]的方法并略作修改,测定小米粉的持水力、水溶性指数和膨润力:取0.5 g小米糠粉样品,加蒸馏水20 mL混匀,40 ℃水浴振荡加热15 min。然后3 000 r/min离心10 min。取上清液,105 ℃烘干至质量恒定,同时称量沉淀物质量。每个实验均进行3 次重复。持水力、水溶性指数和膨润力分别按式(3)~(5)计算:
1.3.4 起泡性及泡沫稳定性测定
参考程赞等[10]方法进行起泡性及泡沫稳定性的测定,将0.500 g小米糠粉分散于50 mL去离子水中,使用高速均质机1 000 r/min均质2 min,将均质后溶液移入量筒中,比较均质前后小米糠粉溶液的体积,通过式(6)计算起泡性;将均质后的小米糠粉溶液静置30 min,比较静置前后泡沫体积变化,通过式(7)计算泡沫稳定性:
1.3.5 色度测定
用WSC-S色差仪测定小米糠粉的颜色,获得L*、a*、b*值。L*值反映颜色的明亮程度,0表示黑色,100表示白色;a*值反映红色或绿色物质的浓度,a*>0表示颜色偏红,a*<0表示颜色偏绿;b*值反映橙色或蓝色物质的浓度,b*>0表示颜色偏黄,b*<0表示颜色偏蓝。通过L*、a*、b*值,根据式(8)计算色差ΔE:
1.3.6 糊化特性的测定
参照豁银强等[11]的方法稍作修改。利用快速黏度分析仪测定小米糠粉的糊化特性,选取standard 程序。测试程序如下:样品首先在50 ℃保持1 min,经过90 s升温至95 ℃,并恒温150 s。然后在225 s内匀速降温至50 ℃,在50 ℃保持90 s。记录小米糠粉在糊化过程中的峰值黏度、最低黏度、崩解值、回生值等参数,每个实验均进行3 次重复。
1.3.7 低场核磁共振测定水分分布
取适量小米糠粉分成3 份,将未处理的小米糠记为S-0,经110 ℃烘干5 h的样品记为S-D,经脱脂、烘干样品记为S-DD。称取3.00 g小米糠粉于样品管,放入磁场中心位置的射频线圈中心,利用CPMG脉冲序列测量样品的弛豫时间T2,然后进入T2反演程序得出样品T2弛豫时间反演谱图;CPMG实验参数:采样点数400 020、采样频率250 kHz、采样等待时间2 500 ms、回波个数8 000、回波时间0.2 s。
1.3.8 挥发性成分测定
根据He Junhua等[12]的方法,采用顶空-固相微萃取法测定小米糠中的挥发性化合物。称取5.0 g样品于15 mL顶空瓶中,加入20 μL庚酸甲酯(10 μg/mL)作为内标。之后插入老化好的萃取头,于40 ℃水浴中萃取45 min。萃取结束后将萃取头插入气相色谱的进样口,250 ℃解吸3 min,待检测。采用配备DB-WAX色谱柱的GC-MS分析样品的挥发性化合物。色谱升温程序:初始温度为40 ℃(保持3 min),然后以5 ℃/min升至180 ℃(保持5 min),最后以10 ℃/min升至200 ℃(保持2 min)。载气为氦气,流速为1.0 mL/min。质谱条件:离子源温度为230 ℃,四极杆温度为150 ℃,电子电离源,电子能量为70 eV,质谱扫描m/z30~450,溶剂延迟为4 min。通过NIST 11质谱库筛选出匹配度较高的化合物,然后通过比较化合物的计算保留指数与参考保留指数确定最终的化合物。参考保留指数来自NIST标准库,根据C7~C30正构烷烃的标准品在样品相同GC-MS条件下的出峰保留时间计算每种化合物的保留指数。采用内标法,根据化合物的峰面积、内标物的峰面积和内标物的浓度进行定量分析。
采用SIMCA 14.1软件进行主成分分析(principal component analysis,PCA),采用Origin 2021软件绘制图表,采用SPSS Statistics 22软件进行相关性分析。
如表1所示,4 种小米糠的脂肪、蛋白质、灰分、淀粉和水分质量分数均存在显著差异(P<0.05)。其中S3脂肪质量分数最高(26.05%),是S1脂肪质量分数的3~4 倍,说明S3米糠中脂肪含量丰富,是小米糠油提取的优质原料。这与之前报道的脂肪主要集中在谷壳和小米之间的油糠部分的结果[7]一致。S1中蛋白质量分数最低为1.40%,S3中蛋白质量分数最高为10.96%,这与文献报道的油糠中的蛋白质量分数为11.0%,谷壳中基本不含蛋白质的结论[7]基本一致。脂肪和蛋白质丰富的S3米糠可能来源于糊粉层和亚糊粉层,糊粉层含有丰富的脂肪蛋白质,亚糊粉层细胞作为一种过渡细胞类型在发育早期既累积淀粉也累积蛋白质,在胚乳发育后期分化为淀粉胚乳[13]。因此,S3米糠是米糠油和米糠蛋白提取的优质原料,最具商业价值。S1的灰分质量分数(31.47%)是其他3 种小米糠粉的4~7 倍,这是由于S1作为最外层和最先脱落的谷壳,掺杂了砂石、尘土等杂质。S1和S2米糠中淀粉质量分数为3.49%和6.88%,S1和S2主要由谷壳和部分糙米外层颗粒粉组成,淀粉可能来源于糙米外层或清理过程中掺杂的其他米糠。而小米糠S3和S4淀粉质量分数较高,这是碾米过程中淀粉层逐渐脱落所致。小米糠S2、S3、S4水分质量分数是S1的2~3 倍,且随着皮层逐渐靠近内部,小米糠含水量逐渐增加。原料粉的耐贮藏性与含水量相关,一般含水量越低,原料粉贮藏时间越长,由此可知S1米糠贮藏性较好。
表1 不同小米糠组分的基本成分(干基)Table 1 Basic components of different foxtail millet bran fractions(on a dry basis)
原料含水量是影响贮存的主要因素,除了含水量,耐贮藏性也与水分的存在状态有关。低场核磁共振是目前表征聚合物体系中水分形态、分布的常用方法,它利用氢质子在磁场中的自旋-驰豫特性,通过横向弛豫时间T2的变化揭示样品中水分存在状态及其迁移规律[14]。根据T2可以将水分状态分为3 种,T21(0.01~10 ms)表示深层结合水;T22(10~100 ms)表示弱结合水,流动性介于深层结合水和自由水之间;T23(100~1 000 ms)表示自由水[15],T2越短,说明样品中水分的自由度越小,与非水组分结合更紧密;T2越长,水分自由度越大。A21、A22、A23分别代表不同状态水分的峰面积(信号幅度)[16]。
通过测定3 种处理方式(S1-0、S1-D、S1-DD)的弛豫时间与质子信号强度分析小米糠粉中水分和脂肪的分布情况,如图1和表2所示,S1-D和S1-DD的两个信号峰在T21(0.01~10 ms),S1-0的两个信号峰分别在T21(0.01~1 ms)和T22(10~100 ms),说明烘干S1米糠粉可以除去弱结合水和部分深层结合水。S2-0与S2-D在T22(10~100 ms)有强质子信号峰,峰面积分别为144.95和148.49,峰面积相近。S2-0与S2-D在T21有强质子信号峰,峰面积分别为125.58和89.22,说明烘干S2米糠粉时主要除去深层结合水。由于S1和S2主要是由木质素、纤维素等构成谷壳,吸水能力差,因此,自由水和弱结合水含量少,烘干过程中主要除去的是深层结合水。与脱脂样品S2-DD相比,S2-0与S2-D在T22有强质子信号峰,S3和S4米糠也呈现相似规律,说明T22(10~100 ms)可能是米糠粉的油脂峰。S3-D是S4-D峰面积的1.52 倍,S3粗脂肪质量分数是S4的1.40 倍,两者比例接近,进一步证实T22是米糠粉的油脂峰,同时也说明S1和S2粗脂肪质量分数可能偏高。T21是米糠中深层结合水,S4米糠经烘干处理后深层结合水A21从125.77大幅下降至42.03,S3米糠烘干前后A21面积差为12.21。由此可见烘干处理可以显著降低S4米糠的深层结合水,提升贮藏性。营养价值较高的S3米糠的含水、含油量高,水分不易除去,油脂容易氧化酸败不利于贮藏,因此需要严格控制贮藏条件。
图1 不同T2质子信号幅度Fig.1 Proton signal amplitudes at different T2
表2 小米糠组分中水油分布信号峰面积Table 2 Peak areas of water and oil distribution in foxtail millet bran fractions
堆积密度会直接影响贮藏、包装及运输成本,堆积密度越大包装运输成本越小。同时,堆积密度反映了粉末的流动性[17]。如表3所示,4 种小米糠堆积密度由小到大依次为S1<S2<S3<S4,S4米糠的堆积密度是S1的2 倍,说明S1米糠粉间空隙较大,流动性较差,反之,S4米糠不仅占地面积小,流动性也较好;S3米糠堆积密度较大,为326.07 g/L。休止角是表征原料流动性的另外一个重要指标,原料的休止角越小,表明内摩擦力越小,流动性越好[18],4 种小米糠的休止角存在显著差异(P<0.05),S4米糠的休止角最大,为42.72°,S3米糠休止角最小,为36.75°,说明S3米糠流动性好。S3米糠具有较大的堆积密度和较小的休止角,流动性强,有利于节省粮仓贮存及包装运输成本[18]。S1和S2米糠的持水力和膨润力显著大于S3和S4米糠(P<0.05),这可能由于S1和S2米糠谷壳中膳食纤维的吸水膨胀,因此S1和S2米糠表现出较强的持水力和膨润力。亲水性强的物质对水有较大的亲和能力,可以吸引水分子,或溶于水。这类分子形成的固体材料表面易被水所润湿。大分子亲水性排序依次为蛋白质>淀粉>纤维素,脂肪不溶于水[19]。S3米糠含有10.96%蛋白质和20.54%淀粉,S4米糠含有8.93%蛋白质和35.80%淀粉,而S1和S2米糠富含纤维素,因此,亲水性较强的S3米糠更易溶于水,水溶性指数最大,S4次之,S1和S2溶解性较差。
如图2所示,S1~S4米糠粉的峰值黏度分别为33、39、79.67、182.33 cP,S1基本无黏度峰值,也证实了S1米糠主要是谷壳,由大量的纤维和结合矿物质组成,不含淀粉。S2有较小的糊化峰,这与S2米糠含有少量淀粉的结果一致。碾减率较大的S4米糠粉黏度大于S3,这是由于碾减率较大的米糠粉淀粉尤其是直链淀粉含量较高,淀粉糊化黏度与淀粉尤其是直链淀粉含量呈正相关[6]。
图2 不同小米糠组分的黏度曲线Fig.2 Viscosity curves of different foxtail millet bran fractions
如表4所示,4 种小米糠起泡能力和稳定性存在显著差异,其中S3米糠的起泡能力最强,为5.54%,且稳定性最高(82.86%),可以形成大量紧密而均匀的泡沫。研究显示,榛子粉的蛋白质量分数越高,起泡能力就越强[20],这与小米糠蛋白质量分数与起泡性呈正相关(r=0.869)的结果一致。S4米糠淀粉质量分数高,泡沫稳定性差,这可能是由于淀粉对泡沫稳定性会产生不利影响有关[19]。从色度上看,a*<0,说明小米糠粉偏绿,b*>0,说明小米糠粉偏黄。米糠中的色素主要为胡萝卜素、类胡萝卜素、叶绿素等,S3米糠b*值最大,说明其所含萝卜素和类胡萝卜素含量也较高。S4米糠b*值较小,这是由于S4米糠包含部分小米白色胚乳部分,使黄色变浅。4 种米糠的白度L*值在96.57~97.60,颜色偏白。ΔE越大,色差越大,由此可见,S3和S4米糠的色差值最大,而S2和S1米糠的色差值较小,颜色较为接近。
表4 小米糠粉起泡能力和色度Table 4 Foaming capacity and color parameters of different foxtail millet bran fractions
通过上述分析发现小米糠的理化性质与营养成分密切相关。如表5所示,持水力和膨润力与粗脂肪、蛋白质、淀粉和水分呈负相关。食品中的碳水化合物含量=100-(水分含量+脂肪含量+蛋白质含量+水分含量+灰分含量),小米糠中碳水化合物主要是淀粉和膳食纤维,因此,随着粗脂肪、蛋白质、淀粉和水分含量增加,膳食纤维含量降低,持水力和膨润力下降。这是由于膳食纤维能吸收相当于自身质量数倍的水分,具有远高于淀粉、蛋白质的持水力和膨润力[21]。这与S1和S2主要成分为膳食纤维的结论一致。水溶性指数与淀粉、脂肪和蛋白质含量呈正比,脂肪不溶于水,所以水溶性指数高是随着淀粉和蛋白质增加,可溶性淀粉和蛋白质含量也增加造成的。起泡性与粗脂肪、蛋白质、淀粉和水分含量呈正相关,泡沫稳定性与脂肪含量呈正相关。起泡性与物料中蛋白质和脂肪含量有关,一般蛋白质含量越高,起泡能力越强[22-23]。此外,起泡能力随着乳脂肪含量的增加而增加,达到最大值后,脂肪含量再增加,起泡性能下降。这是由于脂肪中含有磷脂酸等表面活性分子会提高起泡性[23-26]。堆积密度与粗脂肪、蛋白质、淀粉和水分含量呈正相关。湿度是影响堆积密度是一个重要因素,随着湿度增加,小米粉的堆积密度呈线性增加,这符合堆积密度与小米糠水分含量成正比的结论[27]。淀粉含量与L*值呈正相关,由于小米糠层脱落,色素含量降低,白色淀粉含量增加,L*值增大。由此可见,不同小米糠中营养成分含量的差异不仅会影响其营养品质,还会影响加工特性。
表5 营养成分与理化性质的相关性分析Table 5 Correlations between nutritional composition and physicochemical properties
通过测定4 种小米糠中挥发性成分的种类和含量,结果显示S1~S4米糠中分别检测出总挥发性物质72、47、70、51 种。4 种米糠具有共同的挥发性成分,也有独有的挥发性成分。其中S1米糠独有的挥发性成分最多,共21 种,包含酯类5 种、酸类4 种、醛类4 种、酮类3 种、烷烃类2 种、醇类2 种和呋喃类1 种。S2米糠独有的挥发性成分共6 种,包含烷烃类2 种、烯烃类2 种、酮类1 种和醛类1 种。S3米糠独有的挥发性成分共14 种,包含酯类7 种、烷烃类5 种、卤代烃类1 种和醚类1 种。S4米糠独有的挥发性成分为1 种醇类。由此可见,S1和S3米糠含有丰富的挥发性成分,这可能是由于S1皮层的米糠长期暴露,受周围环境、农药化肥等物质的影响。S3皮层中含有丰富的脂肪,脂质氧化及脂肪酸酶促反应等可以生成多种挥发性物质[28]。
4 种小米糠含23 种共同的挥发性成分(表6),其中包括酯类9 种、醛类4 种、烷烃类5 种、醇类3 种、酮类1 种和呋喃类1 种。以23 种共有香气组分作为因变量,不同米糠样品作为自变量,进行偏最小二乘判别分析(partial least squares discriminant analysis,PLS-DA)。
表6 4 种小米糠的共有挥发性产物Table 6 Common volatile compounds in four foxtail millet bran fractions
PLS-DA评分图(图3A)结果显示S1、S2、S3和S4米糠样本可以被明确识别,总方差为94.2%(PLS1:72.3%;PLS2:21.9%),X变量的plot满意度R2X为0.995,预测精度Q2为0.98。R2越大,预测模型越好[29]。Q2回归线与纵轴的相交点小于零,说明模型不存在过拟合,模型验证有效,认为该结果可用于不同米糠香气的鉴别(图3B)。在PC1轴上,S1和S2样品聚集在轴右侧,而S3和S4样品分布在轴左侧。PCA载荷图(图3C)表明关键性风味化合物导致不同小米糠样在图中的分离。多数挥发性成分在轴的右侧,这些挥发性成分对S1和S2样品贡献较大。乙基苯和甲苯对S3和S4小米糠样品贡献较大,而正己醇、十一烷和十二烷位于PC2轴的上部,对S2样本风味做出了较大贡献。
图3 4 种小米糠的PLS-DA评分图(A),置换检验图(B)和PCA载荷图(C)Fig.3 PLS-DA score plot (A),permutation test plot (B) and PCA loading plot (C) of four foxtail millet bran fractions
利用PLS回归模型计算4 种不同小米糠样本的变量重要性投影(variable importance projection,VIP)值。VIP值越高,该化合物对于样品之间的差异贡献度越大[30]。表7显示VIP值>1的化合物有10 种,其中2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二异丁酸酯、壬醛、2-正戊基呋喃、亚油酸甲酯4 种化合物在任意2 种小米糠中含量均存在显著差异,其中壬醛含量差异最大,可以作为区分小米糠样品的鉴别指标(P<0.05)。一种挥发性化合物是否对风味有贡献不仅由其浓度评判,更取决于其阈值。根据文献中的阈值,计算了10 种化合物的香气活性值(odor activity values,OAV)。一般认为OAV越高的物质对样品的气味贡献度越大。如表7、8所示,己酸甲酯、己醛、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二异丁酸酯、棕榈酸甲酯、壬醛、亚油酸甲酯6 种化合物在S1米糠中含量最高,十二烷、正己醇、十一烷、2-正戊基呋喃4 种化合物在S2米糠中含量最高,OAV最大,气味贡献也较大,这与PCA结果一致。如表8所示,壬醛在4 种米糠中的OAV分别为702、444、110、51,可以有效区别4 种小米糠。
表7 4 种小米糠挥发性成分Table 7 Volatile components in four foxtail millet bran fractions mg/kg
表8 4 种小米糠挥发性成分的OAVTable 8 OAV of volatile components in four foxtail millet bran fractions
4 种小米糠的脂肪、蛋白质、灰分、淀粉和水分含量均存在显著差异(P<0.05)。S3米糠中脂肪、蛋白质及萝卜素和类胡萝卜素等营养成分含量丰富,且香气成分种类繁多,最具商业价值。S3米糠的水溶性指数高,起泡能力较强(5.54%)且稳定性高(82.86%),可以形成大量紧密而均匀的泡沫,具有优良的加工特性。此外,S3米糠具有较大的堆积密度和较小的休止角,流动性强,有利于节省粮仓贮存及包装运输成本。然而S3米糠的含水、含油量高,且水分不易除去,油脂容易氧化酸败,不利于贮藏。4 种小米糠营养成分含量的差异不仅会影响其营养品质,还会影响加工特性。此外,结合PCA和OAV分析,发现壬醛可以作为区别4 种小米糠的关键香气成分。