芡實精深加工研究進展

薛　峰,孫錦楊,劉　琪,潘蘇華,吳啟南,2，*

(1.南京中醫藥大學藥學院,江蘇南京 210023;2.江蘇省中藥資源產業化過程協同創新中心,江蘇南京 210023)

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芡實精深加工研究進展

薛峰1,孫錦楊1,劉琪1,潘蘇華1,吳啟南1,2，*

(1.南京中醫藥大學藥學院,江蘇南京 210023;2.江蘇省中藥資源產業化過程協同創新中心,江蘇南京 210023)

芡實是我國重要的水生植物之一,既有豐富的營養價值,又有藥用價值。芡實的種仁富含多種營養素,可作為食品加工的原輔料。此外,芡實的種皮、殼、葉柄和花梗富含多種活性成分,可作為活性成分制備的原材料。本文對近年來關于芡實脫殼技術、保鮮技術、干燥技術、大分子物質研究、副產物綜合利用以及芡實食品的開發與研究進行了綜述,為充分利用芡實資源提供理論依據。

芡實,加工,進展

芡實(EuryaleferoxSalisb)俗稱“雞頭米”,始載于《神農本草經》,是睡蓮科水生草本植物,多生長于湖泊、池塘、灘地及溝溪中。芡實原產于我國和東南亞,目前廣泛分布于中國、俄羅斯、朝鮮、日本以及印度等國家。在我國其主產區為江蘇、山東、湖南、安徽、廣東等省。芡實是芡屬下唯一的一個物種,主要有兩個變種,即北方的“刺芡”與南方的“蘇芡”。作為一種珍貴的藥食兼用的植物,芡實已有幾千年的藥用歷史。據《中國藥典》記載,芡的成熟種仁,具有益腎固精、補脾止瀉、祛濕止帶的功效,主治夢遺、滑精,遺尿、尿頻,脾虛久瀉,白濁、帶下[1-2]。芡實中的主要生物活性成分包括多酚、有機酸、新木脂素、生育酚、核苷、腦苷脂和環二肽。目前的研究顯示,芡實具有抗氧化、清除自由基、降血糖、抗心肌缺血、抗黑素合成、降低尿蛋白、抗高血脂、抑菌、防治胃黏膜損傷、保護神經細胞、治療糖尿病和慢性腎炎等生物活性[3-10]。

作為藥食兩用的水生補品,芡實除了含有多種功效成分外,還含有豐富的營養成分。芡實的主要營養成分為碳水化合物,另含有蛋白質、礦物質及維生素等,其豐富的基本營養成分含量與黃花菜、銀耳、木耳等相當,可作為食品加工的原輔料。因此以芡實為原料,開發和綜合利用芡實有效成分成為近年來學者們關注的重點內容。本文結合筆者研究團隊在芡實質量控制、加工、功效成分研究等方面開展的工作,以及近年來國內外關于芡實利用現狀對芡實的精深加工研究進行了綜述,為深度開發利用芡實資源提供依據。

1　芡實加工技術

1.1芡實脫殼技術

由于芡實顆粒小、外殼堅硬,外殼與種仁之間間隙小等特點,芡實自動化脫殼技術發展緩慢,成為制約芡實加工業發展的瓶頸。目前,芡實脫殼技術的研究主要包括芡實物料特性與芡實破殼性能研究及其相關機械設備的研發。Jha和宋率展等[11-12]通過對芡實可脫殼性的理論分析,在歸納現有堅果的脫殼工藝技術的基礎上,提出了芡實脫殼工藝流程,即分選-干燥-預破殼-柔性揉搓的組合脫殼方式,并根據脫殼方案分別完成了分選裝置、預切割裝置和柔性揉搓裝置主體設計,結果顯示該設備可顯著提高芡實脫殼率和內仁完整率,并且對芡實大小的適應性也比較強。鄧麗君[13]對芡實的基本物料特性,例如物理特性、力學特性、摩擦特性、懸浮特性、光學特性以及電學特性進行了實驗研究,并分析了成熟度、含水率、載荷類型、載荷方向、接觸材料、粒徑大小等因素對芡實各種物料特性的影響。研究結果顯示:可依據光學特性對不同成熟度的芡實進行分選;可以通過向垂直于整芡臍眼方向施加剪切力進行剪切破殼加工;可以利用無紡布或橡膠板這兩種接觸材料的斜面對芡實的殼仁進行分離,該結果對研究實用高效的芡實加工機械具有重要的現實意義。張琴等[14]對芡實機械脫殼中的摩擦特性進行了研究,結果顯示芡實顆粒大小和成熟度均會影響摩擦特性,粒徑越小,成熟度越低,芡實內摩擦系數越大,且采用橡膠板斜面可以對芡殼、芡仁進行有效分離,該結果可為芡實脫殼、分離等相關機械的研發提供參考。此外,葉盛[15]還開展了芡實切口長度與破殼性能之間的相關性分析,結果顯示當芡實切口長度為3 mm左右,芡實破殼特性較好,該成果對芡實自動化加工設備的研發具有重要的指導意義。綜上所述,研究芡實脫殼技術及其配套機具將有助于突破種植容易加工難的瓶頸,帶動芡實產業發展,擴大種植面積,加快發展綠色農業,給芡實產區帶來巨大的經濟和社會效益。

1.2芡米保鮮技術

隨著人們對芡實功能特性的認識,如今芡實已成為國內外消費者喜愛的保健食品。然而,目前市面上芡實產品多為干芡米,其風味和口感均與鮮芡米有較大差異,因此研究芡米速凍保鮮技術具有重要意義。李海林等[16]對芡米的速凍保鮮工藝進行了研究,結果顯示燙漂處理能顯著抑制多酚氧化酶的活性,從而較好地保存鮮芡實米的感官品質,同時采用注水包裝后再進行凍結工藝處理,芡米可貯藏保鮮一年以上,且口感如初。夏紅等[17]對芡米速凍保鮮工藝進行了研究,并對各項工藝中的操作要點進行了詮釋,芡米預冷溫度為5～10 ℃,護色可采用1.5%食鹽或0.1%檸檬酸浸泡,芡米的熱燙溫度和時間分別為放90～95 ℃和1～2 min,凍結溫度和時間分別為-30 ℃和10～15 min,凍藏保存溫度為-18 ℃。

1.3芡實干燥技術

干燥作為保證食品品質的重要措施,是食品加工中一個必不可少的工藝過程。傳統的芡實干燥技術主要包括差壓干燥、減壓干燥和真空冷凍干燥[18]。目前關于芡實干燥技術的研究大多以脫水率為評價指標,缺少干燥工藝對芡實感官品質和營養品質影響的研究。本研究團隊以芡實中總多糖、總酚、總黃酮、VE含量及抗氧化活性為指標,考察了6種不同干燥方法(陰干、曬干、烘干、真空冷凍干燥、紅外干燥、微波干燥)對芡實品質的影響。結果顯示,采用微波干燥能夠最大程度地保留樣品中總多糖、總酚和總黃酮類物質;采用真空冷凍干燥能夠在最大程度上積累VE各類構型成分,且其產品表現出最佳的抗氧化活性[19]。此外,傳統的干燥方法具有設備簡單、操作簡便、費用低等優點,但存在干燥周期長,干燥不均勻,熱效率低等問題。因此,將來芡實的干燥工藝需要將傳統干燥技術與現代干燥技術(沖擊干燥、滲透干燥、鹵素干燥、流化床干燥、紅外干燥、微波干燥)相結合,實現高效節能的同時,最大程度保留芡實的營養品質和感官特性。

2　芡實大分子功能特性研究

2.1芡實淀粉的制備與研究

淀粉是芡實中含量最高的生物大分子,其結構和性質對芡實的加工和應用至關重要。芡實淀粉分子結構中,直鏈淀粉和支鏈淀粉質量分數分別為18.37%～23.06%和37.66%～48.30%,支鏈與直鏈比值為1.63～2.55,其組分差異主要受產地影響顯著,在掃描電子顯微鏡下,芡實淀粉顆粒呈不規則多面體,平均粒徑為1.2～6.5 μm,屬于小顆粒淀粉,在α-淀粉酶作用下較易水解[20-22]。目前,芡實淀粉的研究主要包括淀粉制備工藝、理化性質及其功能特性研究。陳曉明等采用浸泡法制備芡實淀粉,并對其理化性質進行了研究。結果顯示,芡實淀粉凍融穩定性較差,不適合應用于冷凍食品,而芡實淀粉的熱糊穩定性較好,適用于高溫食品的生產[23]。熊柳等[24]對芡實淀粉理化性質和消化性進行了研究。結果顯示,芡實淀粉的糊化溫度為77.70 ℃,芡實淀粉中快速消化性淀粉、慢速消化性淀粉、抗性淀粉的含量分別為79.63%、10.68%、9.69%。Zhao等[25]對不同地區的芡實淀粉的理化性質進行了類比研究,結果顯示,地區差異對芡實中淀粉含量,淀粉的分子量分布、結晶度、短程有序結構、溶脹度和消化特性影響不大,地區差異對芡實淀粉糊化特性、溶解性、抗性淀粉含量影響顯著。王晶[26-27]對芡實淀粉的制備工藝進行了優化,并對芡實淀粉的理化性質、糊化特性、質構性質、流變學特性進行了系統性研究。結果顯示與馬鈴薯和玉米淀粉相比,芡實淀粉的溶解度、膨脹度、透明度以及峰值粘度的值較低,糊化溫度的值和直鏈淀粉的含量較高,凍融穩定性與玉米淀粉相近。綜上所述,通過對芡實淀粉的各項理化指標和功能特性的研究,可為芡實在食品加工中的精深加工與開發利用提供重要的理論和實驗依據。

2.2芡實蛋白的制備與研究

芡實的蛋白質含量可達9.95%,其氨基酸種類齊全,配比合理,必需氨基酸占氨基酸總量的47.05%,可作為人體優質蛋白的理想來源[28-30]。芡實種仁蛋白質主要由清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白構成[21]。陳蓉等[31]對不同產地芡實中的水溶性蛋白質含量進行了分析。結果顯示芡實水溶性蛋白質的含量平均值為0.4577 mg/g,長江流域的芡實水溶性蛋白質含量較高,南方芡實次之,而北方芡實的水溶性蛋白質含量最少。陳蓉等[32]還對不同產地芡實氨基酸組成進行了分析與營養價值評價。結果顯示,芡實中總氨基酸平均值為103.33 mg/g,必需氨基酸平均值為38.22 mg/g,游離氨基酸為0.98 mg/g,其中Lys、Thr 占總氨基酸的比例略低于模式譜標準,其他各種必需氨基酸均接近甚至高于模式譜標準。這表明芡實中人體必需氨基酸配比合理,是一種優質的膳食蛋白,與各類食品氨基酸模式相比,芡實蛋白與大米蛋白相似。目前,關于芡實蛋白的制備已經形成了成熟的工藝。張曉云等[33]建立了超聲波輔助堿法提取芡實蛋白的最優工藝,結果顯示堿法提取芡實蛋白的最優工藝為料液比1∶25(g/mL),浸泡時間為12 h,pH11,提取溫度50 ℃,提取時間2 h;超聲波輔助提取的最優工藝為超聲功率800 W,工作時間2 s,間歇時間4 s,提取時間20 min。黎衛等[34]建立了芡實谷蛋白提取的最優工藝并對其亞基組成進行了分析,結果顯示芡實谷蛋白的最佳提取工藝條件為液料比10.3(V/m),提取溫度51 ℃,時間2.2 h,堿濃度4.5 g/L,凝膠電泳分析顯示芡實谷蛋白中分子量為15 ku的亞基含量最高。譚五豐等[35]采用響應面法優化酶法提取芡實蛋白工藝,結果顯示酶法提取芡實蛋白的最優工藝為料液比1∶20(g/mL),酶解(復合植物水解酶)時間2 h,pH5.0,酶添加量0.35%,酶解溫度49 ℃。在芡實蛋白理化性質和功能性質研究方面,周香云等[36]對芡實分離蛋白的理化性質、凝膠特性以及流變學特性進行了系統性研究,結果顯示,芡實分離蛋白主要有四個等電點組分,芡實分離蛋白中二硫鍵含量比較高,其主要由三種亞基組成,芡實分離蛋白的二級結構中β-折疊占50%左右,β-轉角和無規則卷曲結構的含量各占20%左右,α-螺旋的含量占10%左右,且芡實分離蛋白具有較好的凝膠特性,所形成的凝膠外觀堅固,成形性非常好。綜上所述,目前關于芡實蛋白的研究主要集中在其制備技術以及簡單的理化性質分析,對于其加工特性研究較少。因此,將來的研究可以集中在芡實蛋白乳化特性、成膜特性、酶解特性,致敏性、芡實多肽制備及構效關系研究等,為芡實蛋白在食品醫藥領域的應用提供理論依據。

2.3芡實多糖制備與研究

植物多糖在提高人體免疫力、抗腫瘤活性、防治動脈硬化、抗病毒、抗氧化、抗輻射等方面均有作用。近年來,芡實多糖受到廣泛關注,陳蓉等[37]對芡實多糖理化性質進行了相關研究,結果顯示芡實多糖分子量為15367 u,其單糖組成為葡萄糖∶鼠李糖(0.0142∶0.0026)。芡實多糖的提取工藝研究主要包括水提醇沉法、超聲波輔助提取、纖維素酶超聲輔助法、微波輔助酶法和雙水相萃取法[38-41]。芡實多糖的純化方法主要采用大孔樹脂吸附法、纖維素柱和葡聚糖凝膠柱分離純化,常用的大孔樹脂型號為AB-8,洗脫溶劑為40%乙醇,纖維素柱的型號為DEAE-52,洗脫溶劑為氯化鈉,葡聚糖凝膠柱的型號為Sephadex G-100,洗脫溶劑為去離子水[42]。在體外研究中,芡實多糖對1,1-二苯基-2-三硝基苯肼、羥基自由基、超氧陰離子自由基及過氧化氫均有一定的清除效果,對抑制脫氧核糖核酸損傷具有顯著作用,對豬油和芝麻油有一定的抗氧化效果,對金黃色葡萄球菌、釀酒酵母、枯草桿菌和大腸桿菌有抑制作用[39,43]。體內抗氧化實驗顯示,芡實多糖能夠顯著提高D-半乳糖所致衰老小鼠的SOD、CAT、GSH-Px水平,降低MDA水平[37]。此外,芡實多糖能顯著提高小鼠的運動能力、心肌的抗氧化能力以及具有明顯的抗運動性疲勞作用[44-45]。綜上所述,目前芡實多糖的研究主要集中在提取、分離純化以及活性評價,尚缺乏對多糖高級結構的解析以及構效關系研究。

3　芡實副產物加工利用及芡實食品研究與開發

3.1芡實副產物的加工利用

芡實種皮來源豐富,但利用很少,往往作為秋季芡實采收加工后的廢物被丟棄。然而其富含的多酚具有一定的生物活性,可作為天然植物栲膠的來源。Liu等從芡實種皮中提取得到芡實多酚類物質,利用高效液相色譜法與標準物質對比,鑒定出4種化合物,分別為焦性沒食子酸、沒食子酸、綠原酸和蘆丁[46]。本研究團隊在芡實種皮多酚提取條件優化、結構鑒定、抗氧化和抗疲勞活性方面開展了相關研究,并證實芡實種皮符合栲膠原料標準,由芡實種皮純化的多酚可用于工業生產[47-48]。除種皮外,芡實殼通常被用作飼料或廢棄,不僅浪費資源,而且還污染環境。因此,開展芡實殼的加工研究,對提高芡實附加價值,具有重要意義。芡實殼中含有大量的棕色色素,其主要成分為多元酚類物質,可作為天然染料的來源。紀俊玲等對芡實殼天然染料的提取工藝進行了優化并將其用于真絲織物的染色[49]。芡實殼多酚提取物因具有很好的抗氧化性能還被用于肉腸制品中防止脂質氧化[50]。芡實殼中還含有三萜系化合物,可作為這類化合物提取的原料[51]。芡實殼還可作用生產活性炭的原料[52]。芡實的葉柄和花梗還可作為制備活性多糖的原料[53]。綜上所述,大力開展芡實加工副產物綜合利用,不僅可以變廢為寶,減少環境污染,更能大幅度提高芡實加工附加值。

3.2芡實食品研究與開發

劉靜等[54]對2011年以前傳統芡實食品的研究開發現狀進行了論述,傳統芡實食品主要包括芡實固液飲料、芡實香腸、芡實罐頭、芡實糕、芡實保健粥、芡實藥膳。表1中列出了目前芡實食品的主要種類及其制備工藝。然而,目前關于芡實食品加工的研究主要以其制備工藝研究為主,尚未見到芡實粉體特性、物化性質與其加工品質之間的相關性研究。因此,將來關于芡實食品的研究重點應集中在特殊用途芡實食品加工專用粉的生產及其性質研究。此外,近年來隨著發酵食品保健功能的研究,芡實食品的研究與開發也集中在傳統發酵食品中。目前,學者們已經研發出一些列具有保健功效的芡實發酵食品,例如:芡實酒、芡實醋、芡實發酵乳制品等[61-63]。這些產品不僅風味獨特,且具有特殊功效,例如,芡實酒中富含具有抗氧化活性的多酚類物質。此外,這些產品的出現也為芡實精深加工提供了更為廣闊的渠道。

表1　芡實食品及其制備工藝

4　結論與展望

綜上所述,為了解決芡實加工品種單一、利潤偏低等問題,學者們開展了一系列芡實精深加工技術研究。這些技術的出現促進了新產品的研發,對提高芡實的附加值,增加芡實產地農民收入,帶動產地經濟發展具有重要意義。然而,目前芡實的加工仍存在加工水平低,綜合利用度低等問題,這些問題的存在使得芡實的大規模生產加工受到限制。未來仍需要進一步開展芡實精深加工技術研究,例如,采用機電一體化的手段改善芡實脫殼設備的自動化水平;采用新型干燥技術改善芡實干制品的感官品質和貯藏品質;利用分子修飾手段提升芡實淀粉的加工品質;利用芡實蛋白資源為原料制備生物活性多肽等。從而為芡實產業化發展提供技術支持和理論依據。

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Research progress in deep processing ofEuryaleferox

XUE Feng1,SUN Jin-yang1,LIU Qi1,PAN Su-hua1,WU Qi-nan1,2,*

(1.College of Pharmacy,Nanjing University of Chinese Medicine,Nanjing 210023,China;2.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Chinese Medicinal Resources Industrialization,Nanjing 210023,China)

Euryaleferoxis one of the important aquatic plants in China and is of edible and medical values. Due to abundant nourishment composition in the seed ofEuryaleferox,it could be used as raw materials for food processing. Furthermore,the coat,shell,petiole and peduncle ofEuryaleferoxarecould also be used as raw materials for preparation of bioactive compounds. The study on processing ofEuryaleferoxarein recent years,such as dehulling,preservation,drying,macromolecules reseraches,byproducts utilization andEuryaleferoxarefood researches,was summarized in this review to provide a theoretical basis for the full use ofEuryaleferoxresources.

Euryaleferox;processing;review

2015-11-05

薛峰(1985-)，男，博士，講師，研究方向：食品化學， E-mail：xfnjucm@126.com。

吳啟南(1963-)，男，博士，教授，研究方向：中藥資源生產與品質評價，E-mail：qnwyjs@163.com。

科技部“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAI04B06)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目。

TS202.1

A

1002-0306(2016)11-0390-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.11.071