擠壓對果蔬谷物早餐組分的變化研究

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(江南大學食品學院,江蘇無錫 214122)

擠壓對果蔬谷物早餐組分的變化研究

劉文華,張暉*,錢海峰,王立,齊希光,羅潔

(江南大學食品學院,江蘇無錫 214122)

將大米粉、棗粉和胡蘿卜粉按照80%∶12%∶8%的比例混合,用雙螺桿擠壓機進行擠壓。研究擠壓對維生素C、β-胡蘿卜素和膳食纖維含量的影響,同時研究擠壓前后淀粉、蛋白質性質的變化。結果表明,擠壓以后維生素C和β-胡蘿卜素的含量減少,但是可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維的含量均增加；通過掃描電鏡發現,擠壓會破壞淀粉顆粒,同時擠壓會增加淀粉的糊化度、溶解度和消化率；擠壓后水溶性、鹽溶性、醇溶性和堿溶性蛋白質的含量分別減少了31.10%、38.88%、14.62%和64.64%,但是擠壓提高了蛋白質的消化率。

擠壓,維生素C,β-胡蘿卜素,淀粉,蛋白質

擠壓膨化技術是集混合、攪拌、破碎、加熱、殺菌、成型為一體的高新技術[1],具有成本低、短時、高效[2]等特點。在擠壓過程中,由于高溫、高壓和高剪切作用,原料成分會發生一系列的物理和化學變化,比如淀粉糊化、蛋白質變性,維生素、色素的降解[2]等等。大米蛋白的營養價值很高,其生物效價為77,此外,大米還具有低過敏性、易消化、味道溫和[2]等特點。紅棗和胡蘿卜中分別含有豐富的維生素C和β-胡蘿卜素,每100g鮮棗中含VC380～600mg[3]。β-胡蘿卜素是維生素A的前體,其具有抗氧化、解毒、抗癌等作用。在大米中添加棗粉和胡蘿卜粉能夠提高谷物早餐的營養價值,改善風味和口感。國外對于果蔬谷物早餐的研究比較多,Valentina Stojceska等人研究發現擠壓能夠增加總膳食纖維的含量[4],Charles Brennan等人研究發現擠壓后β-胡蘿卜素、花青素和維生素的含量都很大程度的降低而生物活性成分如阿魏酸的含量提高[5]。然而在國內,擠壓對谷物早餐成分的變化研究比較單一片面,所以本文比較全面的研究了在擠壓過程中多種組分的變化情況,包括維生素、色素的降解；可溶性膳食纖維及不溶性膳食纖維的變化；淀粉的糊化度、溶解度、消化率及微觀結構的變化；蛋白質的溶解度、消化率及分子量的變化。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

大米 購于無錫大潤發超市；胡蘿卜粉 自制；棗粉 購于河南好想你公司；濃硫酸、氫氧化鈉、鹽酸、石油醚、草酸、碘、硫代硫酸鈉等 均為分析純；中溫α-淀粉酶,胰蛋白酶,胃蛋白酶 購于無錫杰能科酶制劑公司。

紫外分光光度計 無錫科達智能儀器廠；雙螺桿擠壓機 型號PTW-24/25D,Thermo Electron Corportion生產；離心機 長沙湘儀離心機有限公司；電熱鼓風干燥箱 上海市實驗儀器總廠；消化爐 上海洪紀儀器設備有限公司；掃描電子顯微鏡 日本日立株式會社；電泳儀 北京市六一儀器廠。

1.2實驗方法

1.2.1 樣品的擠壓制備 將大米粉、棗粉、胡蘿卜粉按照80%∶12%∶8%的比例混合均勻,將水分調節至所需要求,采用雙螺桿擠壓機進行擠壓,擠壓條件為：喂料速度為0.8kg/h,擠壓溫度為120℃,螺桿轉速為100r/min,水分含量為19%。擠壓樣品置于50℃烘箱里2h后常溫冷卻,粉碎過80目篩,室溫下密封儲藏。

1.2.2 基本成分的分析 水分的測定：GB5009.3-85；總淀粉的測定：GB/T5514-2008；蛋白質的測定：GB/T14489.2-2008；可溶性還原糖的測定：3,5-二硝基水楊酸比色法；膳食纖維的測定：GB/T5009.88-2008。

1.2.3 維生素C含量的測定 取5g樣品于100mL錐形瓶中,加入2%的草酸溶液,磨成勻漿,用2%草酸溶液定容至100mL,靜置20min,抽濾,濾液中加入1%的淀粉指示劑,用0.01mol/L的碘液進行滴定,當樣液變藍且保持15s不褪色時,記錄所消耗的碘的體積,計算維生素C的含量[6]。

計算公式：

式中：C：碘液的濃度(mol/L)；V：所消耗的碘液的體積(mL)；M：樣品的質量(g)。

1.2.4 β-胡蘿卜素含量的測定 取3g樣品于干凈的圓底燒瓶中,加入30mL沸程為60～90℃的石油醚,60℃冷凝回流40min,過濾,將濾液用石油醚定容至25mL,450nm條件下測定吸光值[7]。通過線性回歸方程測定樣品中β-胡蘿卜素的含量。

1.2.5 掃描電鏡(SEM) 通過掃描電子顯微鏡對擠壓前后的淀粉顆粒形態結構進行檢測。處理后的樣品用電子顯微鏡進行觀察,觀察條件為：加速電壓為1.0kV,距離為10.6mm,放大倍數為2.00k[8]。

1.2.6 糊化度的測定 酶水解法[9]。

1.2.7 淀粉的溶解性測定 準確稱取1.0g樣品置于50mL離心管中,加40mL的蒸餾水混合。將其分散液在60℃下攪拌30min。將樣品冷卻到室溫,在3000r/min下離心20min,上清液倒入恒重的鋁鍋中,于105℃下烘干至恒重,稱量烘干后的質量[8]。

式中：m1:樣品的質量(g)；m2:鋁鍋的質量(g)；m3：恒重后鋁鍋和樣品的質量(g)。

1.2.8 淀粉的消化率 采用體外模擬酶水解法測定淀粉的消化率。稱取200mg樣品于100mL錐形瓶中,加入15mL pH6.9的醋酸鈉緩沖溶液,混勻后沸水浴20min,冷卻至室溫后加入2mL中溫淀粉酶和0.05g糖化酶,在37℃下水解2h后沸水裕滅酶,用DNS法測定產生的葡萄糖含量[10]。

式中：G120：淀粉酶水解120min后產生的葡萄糖含量(mg)；FG：酶水解處理前淀粉中葡萄糖的含量(mg)；TS：樣品中的總淀粉含量(mg)。

1.2.9 蛋白質的消化率 取1g樣品于150mL錐形瓶中,加入80mL0.05mol/LpH1.5的鹽酸溶液中,設置空白,加入0.01g的胃蛋白酶,39℃下酶解3h,用1mol/L的氫氧化鈉溶液調節上述酶解液的PH為6.8,加入0.5g的胰蛋白酶,消化2h后,抽濾,濾液通過凱氏定氮測定蛋白含量[11]。

式中：m1:經過胃蛋白酶和胰蛋白酶消化后濾液中的粗蛋白含量(g)；m2:樣品中的粗蛋白含量(g)。

1.2.10 蛋白質的溶解性 取3g樣品于50mL離心管中,邊攪拌邊加入30mL去離子水,使樣品充分分散于去離子水中,將離心管放入搖床中室溫振蕩6h,4000r/min離心20min,取上清液,濃縮。分別加入30mL5%的氯化鈉溶液、78%乙醇、0.1N氫氧化鈉溶液、1%的SDS溶液于沉淀中,重復上述振蕩和離心步驟,依次提取出鹽溶蛋白、醇溶蛋白、堿溶蛋白和SDS溶蛋白。將濃縮后的上清液凱氏定氮,測出各組分的蛋白含量[12]。

1.2.11 蛋白質電泳 取50mg樣品于1mL提取液中,提取液為1mol/LpH6.8的Tris-HCl處理液,含有5%(v/v)β-巰基乙醇,2%(w/v)SDS,0.1%溴酚藍(w/v),10%(v/v)甘油。水浴加熱5min,12000r/min離心5min,取20μL上清液進樣。電泳分離膠濃度為12%,濃縮膠濃度為3%,恒壓處理,兩塊膠的電泳電壓分別為：80V濃縮,120V分離。用時大概6.5h,電泳結束后,立即在搖床上染色1h,再用脫色液脫色一天。其中染色液中含有0.08%考馬斯亮藍,36%甲醇-8%冰醋酸溶液；脫色液中含有7.5%冰醋酸-5%甲醇溶液[12]。

1.2.11 數據分析 數據統計采用SPSS進行單因素方差分析及LSD多重檢驗(p<0.05),數值以均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1擠壓對維生素C和β-胡蘿卜素含量的影響

從表1中可以看出,經過高溫擠壓后,維生素C和β-胡蘿卜素的含量都顯著降低,這兩者成分的降低率分別為42.15%和67.09%,這表明在相同的擠壓條件下維生素C比β-胡蘿卜素穩定。維生素C是熱敏性物質,溫度越高,維生素C的降解速率就越大,維生素C的損失主要是由于還原型維生素C氧化造成的[13]；β-胡蘿卜素是極其容易被分解的物質,對氧氣、熱、光都十分敏感,所以在擠壓過程中由于高溫氧化作用,維生素C和β-胡蘿卜素的含量顯著減少。綜上,由于維生素C和β-胡蘿卜素的熱敏性,所以控制擠壓溫度是控制維生素C和β-胡蘿卜素損失的主要措施。

表1 擠壓前后樣品中維生素C和β-胡蘿卜素含量的對比Table 1 The comparison of vitamin C andβ-carotene before and after extrusion

2.2擠壓對膳食纖維的影響

從圖1中可以看出,擠壓后可溶性膳食纖維(SDF)、不可溶性膳食纖維(IDF)、總膳食纖維(TDF)的含量都增加。擠壓工藝對膳食纖維的理化性質有積極的作用,在擠壓過程中由于高壓和高剪切的作用,IDF等大分子物質裂解成低分量的可溶性物質,從而導致SDF增加[14]；IDF的增加可能是由于抗性淀粉的形成,抗性淀粉耐淀粉酶的酶解,所以在人體內不能被消化,類似于IDF,擠壓蒸煮過程中淀粉的糊化和老化能夠誘導抗性淀粉的形成。在擠壓過程中,由于剪切力的作用,多糖的糖苷鍵斷裂從而釋放出寡糖,這可能是導致TDF增加的另一個原因[15]。SDF和IDF都增加,所以TDF增加。

圖1 擠壓前后膳食纖維含量的對比

2.3擠壓對淀粉性質的影響

2.3.1 擠壓對淀粉顆粒的影響 采用掃描電子顯微鏡對擠壓前后的淀粉顆粒進行觀察,放大倍數為5.00k時的圖譜如圖2所示。從圖中可以看出,擠壓前的淀粉顆粒表面較為光滑平整,而擠壓后的淀粉顆粒表面較為粗糙,表面分散著很多小孔。擠壓過程中,由于高溫、高剪切及高壓作用,會導致淀粉分子間的氫鍵斷裂,淀粉分子結構遭到破壞；在高溫條件下,淀粉分子內部的水分吸收熱量迅速蒸發,因而形成大量的氣孔。

圖2 擠壓前后淀粉顆粒對比

2.3.2 擠壓對淀粉的糊化度、溶解度及消化率的影響 如圖3所示,擠壓以后大米淀粉的糊化度高達95%,是擠壓前的9.26倍。擠壓過程中的高溫、高壓及高剪切力的綜合作用更容易破壞淀粉結晶膠束區弱的氫鍵,從而使淀粉顆粒更易水合和吸水膨脹,結晶區消失,淀粉顆粒破裂,發生糊化[16]。

擠壓后淀粉的溶解度遠大于擠壓前淀粉的溶解度,是原來的3.76倍(圖3)。原因之一可能是：從掃描電鏡圖中可以看出,擠壓后的淀粉顆粒表面有很多氣孔,因而水分子易進入淀粉分子內部,使溶解度增大；原因之二可能是：在擠壓的過程中,由于剪切作用,淀粉會發生降解,產生麥芽糊精等小分子物質,這些小分子物質在較低的溫度下有較強的吸水性和水溶性,所以使淀粉有較強的溶解性[16]。

從圖3中同樣可以看出,擠壓后淀粉的消化率大于擠壓前淀粉的消化率,是擠壓前的1.43倍。有研究表明,淀粉的結晶區比無定型區有更大的抗酶解作用[16]。擠壓過程中的高溫、高剪切作用能夠使淀粉糊化,當淀粉被糊化時,淀粉天然的半結晶結構會轉變成無定型結構,從而提高淀粉的酶解性能,增加淀粉的消化率。

圖3 擠壓前后淀粉的糊化度、溶解度及消化率

2.4擠壓對蛋白質性質的影響

2.4.1 擠壓對蛋白質消化率的影響 從表2中可以看出,擠壓后樣品的蛋白質消化率大于擠壓前樣品的蛋白質消化率。蛋白質在擠壓機中受到高溫、高剪切力的作用后,蛋白質的分子結構會遭到破壞,分子間的氫鍵及二硫鍵部分斷裂,同時蛋白質分子內部的氨基酸殘基會暴露出來,提高了對蛋白酶的敏感性,從而提高了蛋白質的消化率。

表2 擠壓前后蛋白質的消化率

2.4.2 擠壓對蛋白質溶解性的影響 從表3中可以看出,擠壓后的水溶蛋白、鹽溶蛋白、醇溶蛋白和堿溶蛋白都明顯降低,降低率分別為31.10%、38.88%、14.62%和64.64%,用強提取劑1%的SDS提取后,擠壓前樣品蛋白的總提取率為74.35%,而擠壓后樣品蛋白的總提取率僅有41.72%,需要更強的提取劑才能提取出來。

在擠壓過程中,蛋白質由于受到高壓、高溫和高剪切的作用會發生變性,變性的蛋白質在二級、三級和四級結構上會發生重大的變化,蛋白質的有序結構會遭到破壞,蛋白質內部的疏水性基團暴露,變性的蛋白質會通過疏水相互作用聚集在一起,形成更大分子量的蛋白質[12,16],而大分子量的蛋白質溶解度低,所以擠壓后蛋白質的溶解性降低。

SDS是通過破壞蛋白質的疏水相互作用而提取蛋白質的,使用SDS提取擠壓后的蛋白質,仍然有58.28%的蛋白未被提取出來,原因可能是擠壓導致分子間通過其他的共價鍵進行交聯,比如二硫鍵,也可能是擠壓使蛋白質和淀粉或脂肪結合形成十分難溶的聚集體[12]。

表3 擠壓前后各蛋白組分占總蛋白的百分比

注：a,b表示擠壓前后變化差異的顯著性,同行字母不同者差異顯著(p<0.05)。

2.4.3 蛋白質電泳分析 從圖4中可以看出,擠壓前蛋白質分子的分布區域主要有14.4、22、33、35、54、81.5ku,而擠壓后蛋白質的高分子量亞基含量明顯減少,擠壓后蛋白質的分子量主要集中在14.4～33ku范圍內,54ku和81.5ku的譜帶在擠壓后基本消失。

圖4 擠壓前后的蛋白質聚丙烯酰胺凝膠電泳圖

擠壓后蛋白質的三級和四級結構的結合力變弱,蛋白質分子結構伸展,重組,表面電荷重新分布,蛋白質分子間原有的氫鍵和二硫鍵遭到破壞,導致蛋白質變性,變性蛋白質的分子間會通過其他的共價鍵交聯形成更大的分子,這部分蛋白質不易被提取出來,進而也不能進入電泳膠內,所以在電泳圖中未能顯示出來。這與上述蛋白質溶解性的研究相似。同時,在擠壓過程中,蛋白質除了會發生變性和組織化外,還會發生降解,所以這部分蛋白質也可能由于降解而消失[16-17]。

3 結論

擠壓對果蔬谷物早餐各個組分的變化具有重要的影響,擠壓以后維生素C和β-胡蘿卜素的含量都明顯降低,維生素C和β-胡蘿卜素都是熱敏性物質,所以應選擇合適的擠壓溫度；擠壓以后可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維均增加；在擠壓過程中,淀粉顆粒會遭到破壞,淀粉顆粒表面產生很多的氣孔,淀粉的溶解度和消化率都明顯升高；擠壓會破壞蛋白質的三級和四級結構,使蛋白質變性,擠壓后水溶性蛋白質、鹽溶性蛋白質、醇溶性蛋白質和堿溶性蛋白質都降低,采用強提取劑SDS提取后仍有大部分蛋白質未能被提取出來。從電泳圖中可以看出,擠壓后高分子量的蛋白質分子消失,這部分蛋白質可能變性后通過二硫鍵或其他的共價鍵交聯成更大分子量的蛋白質,同時這部分蛋白質也可能在擠壓過程中因降解而消失。

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Research of the extrusion on the component changes of the fruit and vegetable breakfast cereal

LIUWen-hua,ZHANGHui*,QIANHai-feng,WANGLi,QIXi-guang,LUOJie

(School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

Rice flour,jujube powder,carrot powder were mixed in 80%∶12%∶8% proportions,then extruded in a twin-screw extruder. The influence of extrusion on vitamin C,β-carotene and dietary fiber was studied,as well as the properties of starch and protein. The results showed that the contents of vitamin C and β-carotene were reduced,otherwise the contents of soluble dietary fiber and insoluble dietary fiber after the extrusion processing. Using scanning electron microscopy,the destruction of starch granules was observed. At the same time,extrusion increased the solubility and digestibility of the starch. After the extrusion processing,water-soluble,salt-soluble,alcohol-soluble,alkali-soluble protein content decreased by 31.10%,38.88%,14.62%,64.64% respectively,otherwise the digestibility of protein.

extrude;vitamin C;β-carotene;starch;protein

2013-06-03 *通訊聯系人

劉文華(1989-),女,在讀碩士研究生,研究方向：食品工程。

國家“十二五”科技支撐計劃課題(2012BAD37B08)。

TS213.3

：A

：1002-0306(2014)01-0066-05