發芽青稞的營養加工特性及電子鼻快速識別

李偉麗，伍小宇，王慶慧，袁旭，車振明，張萍，吳韜*

1(西華大學,食品與生物工程學院 食品生物技術重點實驗室，四川 成都，610039) 2(四川環太生物科技有限責任公司，四川 成都，610225)

青稞(HordeumvulgareL. var. nudum Hook. f)屬于禾本科大麥屬，因其內外穎殼分離，籽粒裸露，故又稱裸大麥。其主要分布在我國西藏、青海、四川、云南等高原地區。該作物具有耐旱、耐貧瘠、耐高寒等抗逆特性，是唯一能夠在海拔4 200～4 500米的高原地區生長的作物[1]。據《本草拾遺》記載：青稞，下氣寬中、壯精益力、除濕發汗、止瀉。從現代營養學觀點來看，青稞因為含有豐富的β-葡聚糖，能夠顯著增加人體小腸液黏度，有助于控制餐后血糖與血脂的升高，從而達到預防糖尿病等慢性疾病的目的[2]。據流行病學統計，西藏地區每百萬人中的百歲老人人數是內地的7倍，這與當地居民長期食用青稞有一定的相關性。目前中國高血壓、高血脂、高血糖患者總數約3.5億，已經成為全球第一“三高”國。因此，以青稞為主原料的功能食品市場開發潛力巨大。

隨著食品工業的發展，對食品及其原料品質的評價，不再僅僅局限于營養成分和衛生的要求，而對其加工性質的研究和調控日顯重要。例如食品口感中的“酥”、“脆”、“可溶性”等感官特性已經成了消費者選擇食品的重要影響因素。目前，市場上的青稞產品多以未處理的青稞為原料，口感單一。如果能對青稞原料進行改性，加工成具有不同物理特性的原料，必將拓展青稞在食品工業的應用范圍。在諸多改性方法中，發芽是一種快捷、簡便和安全有效的手段，已經被廣泛應用于大豆、綠豆和花生等作物的食品原料改性[3-7]。電子鼻是一種由電化學傳感器構成的嗅覺儀器，可得到與人的嗅覺評價相一致的結果。它與氣相色譜不同，不需要預處理與長時間分離，可用于在線快速無損檢測。文獻調研表明，國內外對青稞改性研究極少[8-9]。本試驗旨在研究發芽技術對青稞的持水性、持油性、質構等加工特性的影響與調控，為研發不同特性的青稞創新食品提供科學數據。此外，采用電子鼻技術對青稞發芽前后的風味成分進行建模與快速識別，為發芽青稞與未發芽青稞的自動篩選奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

青稞,產自四川馬爾康納足村；TA.XTPlus質構分析儀，英國Stable Micro Systems公司；XFB-200萬能粉碎機，上海比朗儀器制造有限公司；PEN3型電子鼻，德國AIRSENSE公司；FDU-1100真空冷凍干燥機，北京博醫康實驗儀器有限公司；K-1100全自動凱氏定氮儀、SOX406脂肪測定儀，山東海能科學儀器有限公司；TD-5M高速離心機，四川蜀科儀器有限公司；所有化學試劑均為分析純。

1.2 方法

1.2.1 發芽青稞粉準備

參考VALE等[10]的發芽方法，挑選大小一致、籽粒飽滿的白青稞500 g置于20℃，黑暗條件，恒溫水浴箱中浸泡，浸泡時間為24 h，浸泡后的青稞去除表面浮水，置于恒溫暗箱中(20 ℃)發芽96 h。取青稞芽體于-70 ℃超低溫冰箱中預冷4 h，進行冷凍干燥24 h。干燥后的發芽青稞經高速粉碎機粉碎，過75目篩，得到發芽青稞粉備用。另取未發芽青稞，同法制粉作為對照組。

1.2.2 發芽青稞營養成分測定

蛋白質采用GB/T 5009.5—2010《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》的凱氏定氮法[11]；脂肪采用GB/T5009.6—2003《食品中脂肪的測定》中的索氏抽提法[12]；還原糖采用GB/T5009.7—2008《食品中還原糖的測定》[13]。

1.2.3 發芽青稞粉的理化特性測定

1.2.3.1 發芽青稞粉的物性學參數

稱取50 g青稞粉，加入30 mL的蒸餾水，用小型和面機攪拌制成面團，將面團裝盤，置于探頭下測定后取平均值。參數設定：探頭型號為P/0.5，測試前速率1.0 mm/s，測試速率3.0 mm/s，測試后速率3.0 mm/s，壓縮程度50%，感應力5 g，2次壓縮間隔時間1 s，每項測試重復3次。以未發芽面團為對照組。

1.2.3.2 持水性測定

參考ROBERTSON等[14]方法略作修改，取3 g青稞粉置于離心管中，稱量離心管和樣品的質量。加入30 mL蒸餾水，在常溫下放置18 h。得到的青稞溶液用冷凍離心機離心，其轉速3 400×g，離心20 min。將上清液移除，得到新鮮殘渣，在70 ℃下真空干燥22 h得到干燥殘渣。持水性按公式(1)計算：

(1)

1.2.3.3 水溶指數

參考ADERSON等[15]的方法稱取2.5 g青稞粉末，加入30 mL蒸餾水后用玻璃棒攪拌，在90 ℃水浴鍋中加熱15 min后，將其冷卻到室溫，用離心機離心(2 980×g，時間10 min)。為確定水中溶解的固體質量，將離心后的上清液倒入涂了焦油的蒸發皿中，在110 ℃下蒸發上清液來回收溶解的固體物質，則水溶指數按公式(2)計算：

(2)

1.2.3.4 持油性測定

參考ABDUL-HAMIND等[14]的方法，略有修改。稱取0.5 g青稞粉放入離心管中稱重，加入10 mL大豆油，所得溶液用渦旋混合器混合30 min(每隔5 min混合30 s)，混勻后的溶液用4 500 r/min的冷凍離心機機中離心20 min，用移液管移除分離的油脂，將離心管放在濾紙上排干30 min，再重新稱重離心管和粉末的質量，則面粉的持油性用如下公式計算：

(3)

1.2.4 發芽青稞粉的電子鼻分析

采用PEN3的便攜式電子鼻系統進行識別分析建模，PEN3型號的電子鼻含有10個不同的傳感器。實驗時，稱取2.00 g樣品于25 mL頂空瓶中，在50 ℃水浴鍋中加熱20 min后進行測定。測定時，電子鼻的信號采集時間定為80 s，清洗時間為60 s，每個實驗重復5次。數據處理的方法采用主成分分析法(PCA)和負荷加載分析法(Loading)。

2 結果與討論

2.1 發芽時間對青稞營養成分影響

發芽過程中，蛋白質含量隨發芽時間的增加呈先增大后減小，且在發芽第4天時達到最大值，是發芽前的1.1倍。這是因為種子在萌發時，一些蛋白被轉化消耗，同時又有新的蛋白合成。蛋白質含量是這些蛋白動態變化的綜合反映。還原糖在發芽第5天達到最大值，但是與第4天比較無顯著差異，是發芽前的2.9倍。其可能原因是伴隨發芽過程的進行，青稞淀粉酶被激活，種子淀粉會被水解成葡萄糖等小分子糖類。然而，脂肪含量與發芽時間呈負相關，發芽結束時脂肪降低44%。這是因為種子萌發過程中，會消耗大量能量，引起脂肪含量顯著下降。由于蛋白質含量在人體營養物質中起著重要作用，因此根據蛋白質含量及其他營養成分綜合考慮，選擇第4天發芽青稞粉作為后續研究。

表2 青稞發芽過程中營養成分的變化Table 2 Changes in nutrient composition during the germination of barley

注：同一行中字母不同表示差異顯著(p<0.05)。

2.2 發芽青稞的加工特性變化

在食品體系中，持水性是評價谷物淀粉穩定性的一個重要指標，它能反映淀粉與水分子結合的能力[17]。與未發芽青稞相比(表 3)，發芽青稞的持水力略有降低，但無顯著差異(p<0.05)。淀粉持水能力的差異主要與淀粉有關，由淀粉分子內部羥基與水形成氫鍵和共價結合所致。淀粉羥基與水的結合作用大于淀粉分子的結合作用，則具有較高持水力，反之則具有較低持水力[18]。持油性是谷物類物質的重要特性，它反映蛋白質乳化的能力[19]。持油性不僅與物質的化學組成相關，還與谷物纖維的多孔性、以及纖維分子對油的親和力緊密相關。由試驗結果可知，發芽青稞的持油性要顯著高于未發芽青稞(p>0.05)，因而發芽青稞可以用于酥性餅干的加工。此外，發芽青稞粉水溶指數顯著高于未發芽青稞，達到69.4%，約為未發芽青稞粉的9.5倍。說明發芽處理可顯著提升青稞粉的水溶能力，可用于青稞速溶系列產品的開發。

表3 發芽前后青稞粉物理特性比較Table 3 Comparison of the physical characteristics of barley before and after germination

注：同一行中字母不同表示差異顯著(p<0.05)。

2.3 質構分析

質構分析主要是對食品與人們口腔等感官感覺相關的機械特性進行測量評估，通過曲線來分析食品的硬度、延展性、黏性、凝聚性和彈性等特性。質構分析表明(表5)，發芽后的青稞硬度增加了1.35倍，而黏性、延展性、凝聚性、咀嚼性、彈性等均顯著降低(p<0.05)，說明發芽處理能對青稞的質構產生顯著影響，可用于脆性食品加工。

表4 發芽前后青稞的質構測定Table 4 Texture measured before and after the germination of barley

注：同一行中字母不同表示顯著差異，小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，大寫字母表示差異極其顯著(p<0.01)。

2.4 電子鼻對發芽青稞的主成分分析(principal component analysis，PCA)識別研究

電子鼻檢測技術是一種分析、識別食品“風味”物質的快速檢測技術，它能夠模擬人類的鼻子檢測風味物質，具有高度穩定性與客觀性[20]。本研究擬建立發芽青稞的“嗅覺”模型，探索電子鼻對發芽前后的青稞進行快速識別，為自動篩選發芽青稞與未發芽青稞的奠定基礎。本研究采用PCA數學模型把電子鼻的10個傳感器響應指標信息進行轉化、降維處理，將降維后的特征向量進行線性分類。由圖1-A可以看出，主成分1(PC1，X軸)和主成分2(PC2，Y軸)的方差總貢獻率達到了99.89%，表明該模型能夠很好的反映傳感信息。此外，發芽前、后的青稞聚類的距離差異顯著，說明電子鼻的PCA模型能夠顯著區分和識別發芽前后的青稞。

圖1-B為電子鼻的傳感器載荷貢獻率分析圖，從圖中可以看出10個傳感器對區分發芽前后的青稞的貢獻率，例如W2S和W1W傳感器對第一主成分(第一主軸)貢獻率最大，占到所有變量99.89%，這說明氮氧化物或乙醇類含量的變化可能是區分發芽青稞與未發芽青稞的主要因素。

圖1 青稞發芽前后的PCA模型(A)及載荷貢獻率分析圖(B)Fig.1 PCA(A) and Loadings analysis(B) of highland barley before and after germination

3 結論

綜上所述，本研究成功地將發芽技術應用于青稞改性處理，發芽能夠顯著改善青稞的營養成分與加工特性。發芽以后，青稞的蛋白質和還原糖含量分別增加了1.1和2.9倍，而脂肪減少了44%。青稞發芽后的保油性、水溶指數分別提高了1.06和9.5倍，而持水性略微降低了2.78%。提示發芽青稞可用于青稞系列速溶系產品的設計與制造。質構研究表明，發芽青稞的硬度顯著增加，而黏性、延展性、凝聚性、咀嚼性、彈性等均顯著降低(p<0.05)，提示發芽青稞可用于青稞脆性食品的設計。此外，對電子鼻響應信號進行PCA建模分析，證明電子鼻能夠快速識別發芽前后的青稞，氮氧化物或硫化物含量的變化可能是區分發芽青稞與未發芽青稞的主要因素，而揮發性甲烷類物質和乙醇類物質可能是區分發芽青稞與未發芽青稞的輔助因素。本研究為青稞加工特性優化與開發青稞新食品提供了科學依據。