去凝集素蕓豆粉理化與功能特性的研究

王　穎,李林峰,王欣卉,張桂芳,任嬌艷,張東杰

(1.黑龍江八一農墾大學食品學院,黑龍江大慶 163319;2.黑龍江八一農墾大學國家雜糧工程研究中心,黑龍江大慶 163319;3.華南理工大學輕工與食品學院,廣東廣州 510641)

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去凝集素蕓豆粉理化與功能特性的研究

王穎1,2,李林峰1,王欣卉1,張桂芳2,任嬌艷3,張東杰1

(1.黑龍江八一農墾大學食品學院,黑龍江大慶 163319;2.黑龍江八一農墾大學國家雜糧工程研究中心,黑龍江大慶 163319;3.華南理工大學輕工與食品學院,廣東廣州 510641)

研究去凝集素蕓豆粉理化與功能特性。溶劑浸提法制備去凝集素蕓豆粉,測定其基本營養成分、堆積密度、吸水性指數、水溶性指數、吸水性、吸油性、乳化性、乳化穩定性、起泡性和泡沫穩定性等理化及功能性質。實驗表明,去凝集素處理能夠顯著降低蕓豆粉中蛋白質、總糖含量、吸水性指數、水溶性指數、吸水性、乳化性與起泡性(p<0.05),但對蕓豆粉吸油能力、乳化穩定性及泡沫穩定性具有顯著提高作用(p<0.05)。結果表明,去凝集素蕓豆粉相對于普通蕓豆粉仍保留了較好的營養成分組成及理化、功能特性,營養、理化及功能特性,可能更適用于復配雜糧膨化食品開發。

凝集素,蕓豆粉,理化,功能,特性

蕓豆(PhaseolusvulgarisL.),別名四季豆,屬豆科,菜豆族菜豆屬[1]。研究表明[2,3],蕓豆富含淀粉、蛋白質、膳食纖維、維生素、微量元素、多酚、皂苷及尿毒酶等,具有提供能量、提高免疫力及抗氧化等功能活性。蕓豆的食用必須采用徹底加熱處理,否則具有食物中毒的危險[4],這主要是由于蕓豆中具有一種非免疫球蛋白—凝集素(Phytohemagglutinin,PHA),凝集素可以結合細胞膜糖分子[5],促使紅細胞凝集,腸道表面絨毛細胞病變,影響消化和吸收,危害機體免疫系統,通常被認為是一類抗營養因子,因此對于蕓豆的食用,人們多提前采用各種理化因素對其所含凝集素滅活[6-7]。然而,由于凝集素具有糖專一性,已被廣泛應用于防御昆蟲危害,殺滅有害微生物、血型鑒定及惡性腫瘤的檢測與治療等,具有重要的應用及經濟價值。

我國對于蕓豆的利用主要以普通食用及部分初加工為主,初加工產品主要為蕓豆淀粉、蕓豆全粉及雜糧掛面、雜糧方便粥等[8-9],在此過程中多忽略凝集素的價值,采用熱處理或高壓處理直接破壞凝集素活性。另一方面,雖然國內已有部分豆類凝集素提取工藝的研究及產業化生產,但為提高豆類凝集素收率,多采用極性手段,從而導致剩余去凝集素豆粉只能廢棄或用于飼料,這使得蕓豆加工產業鏈較短,產品附加值較低。本課題組前提已獲得具有自主知識產權的蕓豆粉凝集素分離技術(蕓豆凝集素去除率92%)[10],在分離出蕓豆中大部分凝集素的基礎上,本文進一步研究了去凝集素蕓豆粉的部分功能性質,旨在延長蕓豆產業鏈,為蕓豆精深加工及其后續產品的開發提供理論參考及數據支持。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

蕓豆干種子(含水量11%),奶白花蕓豆當年新種,黑龍江省建三江農墾種業公司提供;市售蕓豆粉(含水量12%),英國紅蕓豆市售;一級花生油山東魯花集團有限公司。

DGG-9070A型電熱鼓風干燥機上海森信實驗儀器有限公司;FW100型高速萬能粉碎機天津市泰斯特儀器有限公司;JD1003B-3B型電子分析天平沈陽龍騰電子有限公司;TDL80-2B型離心機上海安亭科學儀器廠;2102PCS型紫外-可見分光光度計尤尼科(上海)儀器有限公司;JJ-2組織搗碎勻漿機常州賽普實驗儀器廠;HWS-26型恒溫水浴鍋上海西箭儀器設備有限公司;R1005型旋轉蒸發儀鄭州長城科工貿有限公司;UVminiGL-22MS型低溫高速離心機匡貝實業(上海)有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1去凝集素蕓豆粉的制備考慮到本文所制備去凝集素蕓豆粉在后續食品開發中的應用,現針對前期研究工藝中溶劑及工藝時間加以適當改進。取一定量的成熟蕓豆種子(飽滿,無蟲蛀),按1∶10(質量∶體積)的比例加入PB溶液(pH 7.6),浸泡4 h后勻漿,將勻漿液于4 ℃攪拌浸提24 h,浸提結束后勻漿液離心30 min(4 ℃,9000 r/min),沉淀與上清液分離,將沉淀45 ℃烘干(含水量12%),即為去凝集素蕓豆粉,蕓豆粉經進一步80目過篩。上清液為凝集素粗提液,4 ℃保存,后期進一步純化研究。稱取一定質量蕓豆于按1∶10(質量∶體積)的比例加入普通去離子水,浸泡浸泡4 h后勻漿,將勻漿液45 ℃烘干(含水量12%),即為蕓豆漿粉,蕓豆粉經進一步80目過篩。另取一定質量干蕓豆種子,碎機粉碎制粉,過80目篩,即為普通蕓豆粉,從市場購買英國紅蕓豆粉過80目篩,即為市售蕓豆粉。

1.2.2蕓豆粉基本營養成分分別按中華人民共和國國家標準GB/T 5009.5-2010、GB/T 5009.6-2003及GB/T 18738-2006中規定的方法測定蕓豆粉中蛋白質、脂肪及總糖含量,另采用試劑盒法檢測蕓豆粉中淀粉含量。

1.2.3去凝集素蕓豆粉理化特性

1.2.3.1蕓豆粉堆積密度分別取四種蕓豆粉輕緩的填入10 mL量筒中,輕輕敲打量筒低端,到樣品高度至10 mL刻度處不再下降結束,稱重。蕓豆粉堆積密度采用單位體積樣品質量表示(g/mL)。

1.2.3.2蕓豆粉吸水性指數和水溶性指數參考文獻方法[11],分別稱取四種蕓豆粉2.5 g于試管中,加入30 mL去離子水,振蕩混勻,轉入已稱重離心管中,用玻璃棒攪拌均勻,制成蕓豆粉懸浮液。將蕓豆粉懸浮液分別置于不同溫度條件下水浴振蕩30 min,隨后自然冷卻至室溫,隨后3800 r/min下離心20 min,分離上清液,將裝有沉淀物的離心管于50 ℃下干燥至恒重,稱重,上清液倒入恒重的蒸發皿中,105 ℃下干燥至恒重,稱重。溶出物質量為m1,沉淀物質量為m2,蕓豆粉吸水性指數(WAI)和水溶性指數(WSI)按以下公式計算:

1.2.4去凝集素蕓豆粉功能特性

1.2.4.1蕓豆粉吸水性和吸油性參考文獻方法[12],常溫下,分別取四種蕓豆粉0.1 g于離心管中,離心管稱重m3,向離心管中加入去離子水2 mL,25 ℃連續震蕩20 min,將離心管室溫靜置10 min后,3800 r/min離心30 min,分離上清液,將裝有沉淀物的離心管于50 ℃下干燥至恒重,稱重m4。蕓豆粉吸水能力(WAC)按以下公式計算:

另取四種蕓豆粉0.1 g于離心管中,離心管稱重m5,向離心管中加入1.4 g花生油,室溫下連續震蕩1 min,將離心管靜置30 min后,3800 r/min下離心30 min,分離上清液后,將離心管緩慢倒置,吸除油脂,稱重沉淀物與離心管m6。蕓豆粉吸油能力(OAC)按以下公式計算:

1.2.4.2蕓豆粉乳化性和乳化穩定性常溫下,分別稱取四種蕓豆粉3.5 g于燒杯中,向其加入50 mL蒸餾水,10000 r/min高速勻漿30 s,向燒杯中加入25 mL花生油,10000 r/min高速勻漿30 s,繼續向燒杯中加入25 mL花生油,以相同轉速高速勻漿至液體呈均勻乳濁狀(約70 s),測定液體乳濁液體積V1。1000 r/min離心10 min后,測定溶液上層乳化層體積V2。將燒杯置于85 ℃水浴鍋中水浴15 min,冷卻后1000 r/min離心10 min,測定溶液上層乳化層體積V3。蕓豆粉乳化性(EA)和乳化穩定性(ES)按以下公式計算:

表1　蕓豆粉基本營養成分含量

注:a～c代表同一指標不同樣品差異顯著性,字母不同表示差異有統計學意義(p<0.05),字母相同表示差異無統計學意義(p>0.05),表2同。

1.2.4.3蕓豆粉起泡性和泡沫穩定性參考文獻方法[13],常溫下,分別取四種3%(w/v)5 mL蕓豆粉懸浮液,記錄體積V4,10000 r/min高速攪拌2 min,記錄體積V5,將攪拌后的懸浮液靜置30 min,記錄泡沫體積V6。蕓豆粉起泡能力(FC)和泡沫穩定性(FS)按以下公式計算:

2　結果與分析

2.1蕓豆粉基本營養成分

表1為四種蕓豆粉基本營養成分含量,從表中可以看出,采用奶白花蕓豆制備的三種蕓豆粉雖然在工藝及處理方面有所不同,但蛋白質、脂肪、總糖及淀粉含量均顯著高于市售蕓豆粉(去凝集素蕓豆粉蛋白質含量除外)。通常蕓豆中主要營養成分含量因品種、成長地域及天氣等因素不同而存在差異,而本課題組前期已對該品種蕓豆種子及其發芽過程中基本營養成分含量進行了定時與定量分析,結果均顯著高于黑龍江省常見蕓豆品種(未發表)。普通蕓豆粉與蕓豆漿粉在蛋白質含量及總糖含量方面差異無統計學意義(p>0.05),均顯著高于去凝集素蕓豆粉(p<0.05),但普通蕓豆粉和去凝集素蕓豆粉的脂肪含量顯著低于蕓豆漿粉(p<0.05),三種蕓豆粉淀粉含量差異無統計學意義(p>0.05)。

2.2去凝集素蕓豆粉理化特性

2.2.1蕓豆粉堆積密度圖1為四種蕓豆粉的堆積密度,從圖中可以看出,普通蕓豆粉、市售蕓豆粉及蕓豆漿粉堆積密度之間差異性無統計學意義(p>0.05),去凝集素蕓豆粉堆積密度顯著高于普通蕓豆粉和市售蕓豆粉(p<0.05)。結果表明,去凝集素處理能夠顯著提高蕓豆粉堆積密度(p<0.05)。

圖1　蕓豆粉堆積密度Fig.1　The bulk density of kidney beans flours注:a～b代表不同樣品指標差異顯著性,字母不同表示差異有統計學意義(p<0.05),字母相同表示差異無統計學意義(p>0.05),圖2同。

2.2.2蕓豆粉吸水性指數和水溶性指數蕓豆粉WAI與WSI通常與蕓豆粉中可溶性物質種類及含量有關。不同溫度下蕓豆粉WAI和WSI如圖2所示。隨著加熱溫度的升高,蕓豆粉WAI整體呈上升趨勢,而WSI整體呈下降趨勢,但蕓豆漿粉WAI受溫度影響較大,并未嚴格符合上升規律。蕓豆粉經加熱處理后(25～85 ℃),普通蕓豆粉及市售蕓豆粉WAI及WSI整體高于去凝集素蕓豆粉(55 ℃除外)。結果表明,去凝集素處理能夠降低蕓豆粉WAI與WSI,主要是由于去凝集素工藝中的浸提過程減少了蕓豆粉中可溶性蛋白質等可溶性物質。

圖2　蕓豆粉吸水性指數和水溶性指數Fig.2　The water absorption index and water solubility index of kidney beans flours

表2　蕓豆粉功能特性

2.3去凝集素蕓豆粉功能特性

2.3.1蕓豆粉吸水性和吸油性WAC與OAC與蕓豆粉蒸煮特性及相關產品風味、口感及制式直接相關。由表2可以看出,四種蕓豆粉WAC大小關系為:去凝集素蕓豆粉<蕓豆漿粉<普通蕓豆粉<市售蕓豆粉(p<0.05),OAC大小關系為:市售蕓豆粉<普通蕓豆粉<去凝集素蕓豆粉<蕓豆漿粉(p<0.05)。結果表明,去凝集素處理能夠顯著降低蕓豆粉吸水性(p<0.05),但同時顯著提高了蕓豆粉吸油性(p<0.05),這主要是由于去凝集素處理能夠破壞蕓豆粉中部分淀粉結構,減少親水性蛋白含量,從而降低蕓豆粉吸水性,但處理后的蕓豆淀粉結構、顆粒大小及蕓豆粉中親油性蛋白比例的改變對蕓豆粉吸油性具有一定的提高作用。

2.3.2蕓豆粉乳化性和乳化穩定性EA及ES對蕓豆粉在相關產品的制式、體系穩定性及貨架期等具有顯著影響,四種蕓豆粉EA與ES如表2所示。四種蕓豆粉EA大小關系為:去凝集素蕓豆粉<普通蕓豆粉≈市售蕓豆粉<蕓豆漿粉,ES大小關系為:蕓豆漿粉<普通蕓豆粉≈市售蕓豆粉<去凝集素蕓豆粉。結果表明,去凝集素處理雖然顯著降低了蕓豆粉的乳化性(p<0.05),但是蕓豆粉乳化穩定性卻顯著提高(p<0.05),該原因與蕓豆粉吸水性指數和水溶性指數變化原因相類似。

2.3.3蕓豆粉起泡性和泡沫穩定性FC與FS作為雜糧粉重要功能性質之一,是雜糧粉產品開發過程中,制式及工藝確立的主要因素之一,四種蕓豆粉FC與FS測定結果見表2。去凝集素蕓豆粉FC顯著低于普通蕓豆粉(p<0.05),但FS顯著高于普通蕓豆粉(p<0.05),同樣經過溶劑浸提過程的蕓豆漿粉FC最高,但是FS最低。結果表明,去凝集素處理能夠顯著降低蕓豆粉起泡性,但對泡沫穩定性具有顯著提高效果,這主要與去凝集素處理對蕓豆粉中蛋白質含量及類型的改變有關,浸提過程導致的蕓豆粉蛋白質損失直接表現為起泡性降低,但蕓豆粉中疏水性蛋白比例增高,有利于泡沫穩定性。

3　結論與討論

蕓豆凝集素作為蕓豆中高含量蛋白質的一種,其抗營養性與糖專一性作為一對矛盾特性長期以來阻礙其在蕓豆精深加工領域的應用。本課題組前期獲得的具有自主知識產權蕓豆凝集素分離技術,能夠同時制備較高純度的蕓豆凝集素及高安全性去凝集素蕓豆粉,工藝簡單,成本低廉,利于工業化生產和推廣應用。本文在制備去凝集素蕓豆粉的基礎上,進一步研究了去凝集素蕓豆粉基本營養成分、理化及功能性質,探討其在后續產品開發方面的應用可能性。

目前雜糧粉的精加工產品主要為功能食品及膨化類速食食品,因此雜糧粉營養成分、理化及功能形式是其在上述兩類食品中應用可能性的直觀表征。蕓豆粉基本營養成分測定實驗結果表明,去凝集素處理能夠顯著降低蕓豆粉中蛋白質及總糖含量(p<0.05),但對脂肪和淀粉無顯著影響(p>0.05),這主要可能是由于去凝集素蕓豆粉制備工藝中的pH環境相對于蕓豆漿粉制備工藝中的去離子水環境,更容易提取出部分蛋白質、脂肪、總糖及淀粉,雖然去凝集素粉制備工藝中減少了蕓豆粉中部分脂肪,但該工藝卻避免了高速磨碎制粉過程引起的脂肪損失[14]。蕓豆粉理化性質測定結果表明,去凝集素處理能夠顯著提高蕓豆粉堆積密度,降低WAI與WSI(p<0.05),這主要是由于蕓豆粉在去凝集素過程中部分不規則小分子蛋白或肽溶解于溶劑中,隨溶劑棄除,同時蕓豆粉中部分淀粉及大分子蛋白質吸水膨脹后斷裂[15]。蕓豆粉功能特性測定結果表明,去凝集素處理能夠顯著降低蕓豆粉WAC、EA及FC(p<0.05),但同時對蕓豆粉OAC、ES及FS具有顯著提高作用(p<0.05),這進一步證明了去凝集素處理對蕓豆粉的主要影響為減少蕓豆粉中部分可溶性蛋白質等成分,破壞部分蛋白質及淀粉結構,改變親水性與疏水性、親油性與疏油性成分比例[16]。

隨著人們對蕓豆營養功能及蕓豆凝集素在醫療方面應用認識的逐漸深入,按需分離蕓豆中活性分別應用于食品、醫療及功能食品逐漸成為蕓豆為代表的雜糧精深加工新思路。綜合本實驗所述,本課題組獲得的具有自主知識產權的蕓豆粉凝集素分離技術雖然對蕓豆粉基本營養成分、理化及功能性質具有一定的影響,主要影響作用為改變蕓豆粉中蛋白及淀粉等基礎成分的含量及結構,但其制備的去凝集素蕓豆粉仍具有較好的營養、理化及功能性質,可能更適用于復配雜糧膨化食品的開發[17-18],同時該技術制備的蕓豆去凝集素具有較高的經濟及應用價值。因此,該技術在雜糧精深加工領域將有廣闊的工業化生產和推廣應用前景。

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Study on physicochemical and functional properties of kidney bean flour by phytohaemagglutinin-free

WANG Ying1,2,LI Lin-feng1,WANG Xin-hui1,ZHANG Gui-fang2,REN Jiao-yan3,ZHANG Dong-jie1

(1.College of Food,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319,China;2.National Coarse Cereals Engineering Research Center,Daqing 163319,China;3.College of Light Industry and Food Sciences,South China University of Technology College of Food,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China)

To investigate the physicochemical and functional properties of kidney bean flour by phytohaemagglutinin-free. The kidney bean flours by phytohaemagglutinin-free were prepared by organic solvent extraction,and then the basic nutrient components,bulk density,water absorption index,water solubility index,hydrophilia,oil absorption,emulsibility,emulsion stability,foaming property and foam stability were measured. The experiment showed that the phytohaemagglutinin-free technology could reduce the protein,total sugar,water absorption index,water solubility index,hydrophilia,emulsibility and foaming property of kidney bean flour significantly(p<0.05),and it also could improve the oil absorption,emulsion stability and foam stability of kidney bean flour significantly(p<0.05). The results indicated that the kidney bean flour by phytohaemagglutinin-free had better nutritionl,physicochemical and functional properties,which may be more suitable for the development of puffed foods.

phytohaemagglutinin;kidney bean flour;physicochemical;functional;properties

2016-03-01

王穎(1979-)，女，博士，副教授，研究方向：農產品加工與貯藏工程及食品質量安全，E-mail:xubz19@163.com。

國家星火計劃項目(2013GA670001)；國家星火計劃項目(2015GA670008)；大慶科技局創新項目(sjh-2013-65)；大慶指導項目(sdfy-2015-55)。

TS214.9

A

1002-0306(2016)17-0064-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.004