粉碎粒度對苜蓿不同部位莖葉營養物質及功能性質的影響

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(1.山西農業大學工學院,山西太谷 030801; 2.山西農業大學文理學院,山西太谷 030801)

紫花苜蓿是豆科草本植物,品種豐富,種植范圍廣且產量高,資源十分豐富[1]。苜蓿中含有蛋白質、膳食纖維、多糖、多酚、總黃酮等營養物質,其氨基酸種類豐富且數量均衡,可補充人們日常谷物中缺少的賴氨酸;多糖、多酚、總黃酮具有延緩衰老的功能;大量存在的膳食纖維具有預防便秘、調節血糖、降血壓、吸附有害物質等功能[2-4]。苜蓿具有很高的食用價值,但目前在我國苜蓿主要用做動物飼料[5],苜蓿功能食品有待進一步開發。

國內外許多學者對苜蓿中的營養物質及其功能性質進行了研究。Wang等[6]和Xie等[7]對苜蓿葉蛋白進行了研究,得知苜蓿葉蛋白氨基酸比例均衡且泡沫膨脹率高于卵清蛋白。劉華偉等[8]、許英一等[9]、施偉梅等[10]對苜蓿中多糖、多酚、總黃酮進行提取并對其抗氧化性進行了研究,得知苜蓿多糖、多酚、總黃酮清除DPPH自由基的半數抑制濃度分別為0.573、0.011、0.608 mg/mL,具有良好的抗氧化性。Wang等[11]對苜蓿膳食纖維進行了研究,得知食用添有5%苜蓿粉的飼料時,便對豬腸道中的微生物和丁酸鹽有顯著影響,有益于維持腸道環境的健康。但關于不同粉碎粒度苜蓿莖葉的基本成分、活性成分、功能性質研究卻鮮見報道。

對苜蓿中營養物質含量進行測定,是開發苜蓿功能食品的前提,粉碎又是開發苜蓿功能食品的重要工序。因此,本文比較了苜蓿不同部位基本成分、活性成分、功能性質,并對不同粒度苜蓿粉營養物質的溶出量和功能性質進行分析,以期提高苜蓿的利用價值,為苜蓿功能食品開發提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫花苜蓿 山西農業大學牧草實踐教學基地初花期的金皇后;葡萄糖、蘆丁、沒食子酸、膽固醇 標準品,合肥博美生物科技有限公司;亞硝酸鈉 標準品,北京海岸鴻蒙標準物質技術責任有限公司;耐高溫α-淀粉酶液(≥20000 U/mL)、蛋白酶(≥100 U/mg)、淀粉葡萄糖苷酶(≥100000 U/mL) 上海金穗生物科技有限公司;氫氧化鈉、氯化鈉、醋酸鉀 分析純,天津市致遠化學試劑有限公司。

分級篩邊長為0.25、0.2、0.16、0.125、0.08、0.063 mm的編織方孔篩 浙江上虞市華豐五金有限公司;SKD-800凱氏定氮儀 上海沛歐分析儀器有限公司;721N分光光度計 上海重逢科學儀器有限公司;SC-2542低速離心機 安徽中科中佳科學儀器有限公司;PHS-3C型精密pH計 上海精密科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品的制備

1.2.1.1 不同部位的苜蓿粉 采樣后,以苜蓿底端為起點進行測量,在植株30、60、90 cm處進行分段,將植株分為下(0～30 cm)、中(30～60 cm)、上(大于60 cm)三段;分別對每段進行莖葉分離,將植株分為上部葉片、上部莖稈、中部葉片、中部莖稈、下部葉片、下部莖稈6個部分;分別對6部分進行沖洗、干燥(55 ℃恒溫干燥箱中完全干燥)、粉碎、過篩(80目)得6個樣品,自封袋內避光保存。

1.2.1.2 不同粒度的苜蓿粉 苜蓿粉碎后用邊長分別為0.25、0.20、0.16、0.125、0.08、0.063 mm的編織方孔篩分級,得G1(粒度在0.2～0.25 mm)、G2(粒度在0.16～0.2 mm)、G3(粒度在0.125～0.16 mm)、G4(粒度在0.08～0.125 mm)、G5(粒度在0.063～0.08 mm)5個樣品,自封袋內避光保存。

1.2.2 基本成分的測定 水分參照GB 5009.3-2016直接干燥法[12]進行測定;蛋白質參照GB 5009.5-2016凱氏定氮法[13]進行測定;灰分參照GB 5009.4-2016灼燒法[14]進行測定;脂肪參照GB 5009.6-2016索氏抽提法[15]進行測定;維生素C參照GB 5009.86-2016滴定法[16]進行測定。

1.2.3 活性成分的測定 膳食纖維參照GB 5009.88-2014酶重量法[17]進行測定;多糖參照SN 4260-2015苯酚-硫酸法[18]進行測定;總黃酮參照DB 43/T476-2009進行測定[19];總酚參照Blagoj的方法[20]進行測定。

1.2.4 功能性質指標的測定

1.2.4.1 持水力的測定 稱取苜蓿粉0.5 g于15 mL離心管,加10 mL去離子水,漩渦振蕩5 min,37 ℃恒溫靜置4 h,4000 r/min離心15 min,棄其上清液,稱重[21]。持水力的公式如式(1)所示:

式(1)

式中:m-稱取苜蓿粉的質量,g;m1-離心管的質量,g;m2-離心后的總質量,g。

1.2.4.2 持油力的測定 稱取苜蓿粉0.5 g于15 mL離心管,加4 g植物油,渦旋振蕩5 min,37 ℃恒溫靜置4 h,4000 r/min離心15 min,棄其上層油液,稱重[22]。持油力的公式如式(2)所示:

式(2)

式中:m-稱取苜蓿粉的質量,g;m1-離心管的質量,g;m2-離心后的總質量,g。

1.2.4.3 膨脹力的測定 稱取0.5 g苜蓿粉于10 mL量筒,記錄自然堆積時的體積,加水攪拌使粉末完全濕潤,沖洗玻璃棒加水至10 mL刻度線,室溫環境中密封保存18 h,記錄膨脹后體積[23-24]。膨脹力的公式如式(3)所示:

表1 苜蓿不同部位莖葉的基本成分Table 1 Basic compositions of stems and leaves in different parts of alfalfa

注:同一行數字肩上的小寫字母不同表示不同部位苜蓿粉的同一指標比較差異顯著(P<0.05)。

式(3)

式中:m-稱取苜蓿粉的質量,g;v0-自然堆積時的體積,mL;v1-樣品膨脹后的體積,mL。

1.2.4.4 對亞硝酸鈉的吸附能力的測定 亞硝酸鈉用分光光度法繪制標準曲線、進行測定[25]。稱取0.1 g苜蓿粉于離心管,加10 mL 5.0 μg/mL亞硝酸鈉標準溶液,調節溶液pH至7,于37 ℃恒溫振蕩器中振蕩2 h,4000 r/min離心20 min,取1 mL上清液,按上述方法測其含量[26]。改變溶液pH至2,其他條件不變,重復實驗。對亞硝酸鈉吸附能力的公式如式(4)所示:

式(4)

式中:c0-吸附前亞硝酸鈉的濃度,(μg/mL);c1-吸附后亞硝酸鈉的濃度,(μg/mL);v-所加亞硝酸鈉的體積,mL;m-稱取苜蓿粉的質量,g。

1.2.4.5 對膽固醇的吸附能力的測定 參照陸紅佳等[27]的方法,繪制標準曲線。蛋黃液的制備:取新鮮雞蛋一個,蛋清分離后,蛋黃中加500 mL去離子水充分打成乳液,取1 mL樣液,按上述方法測其膽固醇含量。

吸附能力的測定:稱取0.2 g苜蓿粉于15 mL離心管,加10 mL上述蛋黃液,調節溶液pH至7,充分振蕩,于37 ℃恒溫振蕩器中振蕩2 h,4000 r/min離心20 min,取1 mL上清液,按上述方法測其含量。改變溶液pH至2,其他條件不變,重復實驗。對膽固醇吸附能力的公式如式(5)所示:

式(5)

式中:m0-所加蛋黃液中膽固醇的總質量,mg;m1-離心后上清液中膽固醇的總質量,mg;m-稱取苜蓿粉的質量,g。

1.3 數據處理

所有的結果平行測定3次,Excel 2010進行數據整理,SAS 9.1進行Duncan’s差異性分析(P<0.05),Origin 9.0繪制柱狀圖。

2 結果與分析

2.1 粉碎粒度對苜蓿莖葉中基本成分溶出量的影響

2.1.1 苜蓿不同部位莖葉基本成分的測定結果 按照1.2.2的方法測定苜蓿不同部位莖葉中水分、灰分、脂肪、蛋白質、維生素C的含量,結果見表1。

苜蓿葉片中蛋白質、灰分、脂肪、維生素C的含量均高于莖稈,且下部、中部、上部的含量依次升高。苜蓿上部葉片的蛋白質含量是28.62%,比下部莖稈高16.33%。苜蓿上部葉片的脂肪含量是6.23%,具有相對較好的口感。苜蓿上部葉片的水分(鮮樣)、灰分、維生素C含量分別為81.03%、11.35%、0.949 mg/g。這是由于上部葉片光合作用強、生命活動活躍、代謝旺盛[28]。相比較而言,苜蓿上部葉片具有更高的營養價值。

2.1.2 粉碎粒度對苜蓿葉中蛋白質溶出量的影響 蛋白質是苜蓿的主要營養物質之一,通過2.1.1測定結果可知,上部葉片的含量最高。因此,對不同粉碎粒度的上部葉片中蛋白質的溶出量進行測定與分析,結果見圖1。

圖1 不同粉碎粒度苜蓿葉蛋白質的溶出量Fig.1 Dissolution of protein from alfalfa leaves with different crushing particle size注：不同小寫字母表示同一指標各組間 數據差異顯著(P<0.05),圖2～圖6同。

隨著粉碎粒度的減小,苜蓿上部葉片中蛋白質的溶出量逐漸增加。當苜蓿葉粉碎粒度由0.2～0.25 mm(G1)減小到0.063～0.08 mm(G5)時,蛋白質的溶出量由27.98%增加到32.87%。苜蓿葉蛋白質的溶出量增加,這是因為苜蓿葉粉碎粒度減小,組織結構和細胞壁表面結構破壞程度增加,營養物質更容易溶出[29]。因此,推測減小苜蓿葉的粉碎粒度,或可提高苜蓿葉蛋白的消化率。

2.2 粉碎粒度對苜蓿莖葉中活性成分溶出量的影響

2.2.1 苜蓿不同部位莖葉活性成分的測定結果 按照1.2.3的方法測定苜蓿不同部位莖葉中膳食纖維、多糖、多酚、總黃酮的含量,結果見表2。

表2 苜蓿不同部位莖葉的活性成分Table 2 Active constituents from stems and leaves of different parts of alfalfa

注:同一行數字肩上的小寫字母不同表示不同部位苜蓿粉的同一指標比較差異顯著(P<0.05)。

苜蓿葉中多糖、多酚、總黃酮的含量均高于莖稈,且下部、中部、上部的含量依次升高。上部葉片中多糖、多酚、總黃酮的含量為20.94、12.45、6.47 mg/g,分別是下部莖稈含量的1.95倍、4.00倍、3.99倍。苜蓿葉片的可溶性膳食纖維含量顯著高于莖稈,且下部、中部、上部的含量依次升高。上部葉片中可溶性膳食纖維含量高達12.25%,可提供優質的膳食纖維。莖稈中總膳食纖維的含量顯著(P<0.05)高于葉片,與豆渣微粉的膳食纖維含量相近[30]。

2.2.2 粉碎粒度對苜蓿葉中活性成分溶出量的影響 通過2.2.1的測定結果可知,上部葉片中多糖、多酚、總黃酮的含量最高。對不同粉碎粒度的上部葉片中多糖、多酚、總黃酮的溶出量進行測定與分析,結果見圖2。

表3 苜蓿不同部位莖葉的功能性質Table 3 Functional properties of stem and leaf in different parts of alfalfa

注:同一行數字肩上的小寫字母不同表示不同部位苜蓿粉的同一指標比較差異顯著(P<0.05)。

圖2 不同粉碎粒度苜蓿葉活性成分的溶出量Fig.2 Dissolution of active ingredientfrom from alfalfa leaves with different crushing particle size

隨著苜蓿葉粉碎粒度由0.2～0.25 mm(G1)減小到0.063～0.08 mm(G5)時,多糖的溶出量由20.72 mg/g增加到22.97 mg/g;多酚的溶出量由12.31 mg/g增加到13.86 mg/g;總黃酮的溶出量由6.42 mg/g增加到7.17 mg/g。粉碎粒度影響了苜蓿葉中活性成分的溶出量,減小粉碎粒度,可提高苜蓿葉中活性成分的溶出量。這是由于苜蓿葉粉碎粒度減小,比表面積增大,表面結構破壞程度增加,接觸面積增大,提高了營養物質的溶出量[29]。

2.3 粉碎粒度對苜蓿莖葉功能性質的影響

苜蓿中大量存在的膳食纖維,難以被人體消化吸收。人體食用膳食纖維主要是因為其具有特殊的功能性質。因此,對苜蓿莖葉的功能性質進行研究。

2.3.1 苜蓿不同部位莖葉功能性質指標的測定 按照1.2.4的方法測定苜蓿不同部位莖葉以下功能特性指標,結果如下表3。

苜蓿莖稈的持油力、持水力高于葉片,這是由于莖稈中含有大量的膳食纖維,對水和油脂有較好的吸附作用。苜蓿莖稈下部、中部、上部的持水力依次增加,持油力依次降低。苜蓿葉的膨脹力高于莖稈,上部葉片的膨脹力最高為3.85 mL/g。苜蓿葉對亞硝酸鈉和膽固醇的吸附能力高于莖稈,且下部、中部、上部的吸附能力依次增強,這是由于葉片中可溶性膳食纖維含量依次增加[31]。苜蓿葉對亞硝酸鈉和膽固醇的吸附能力跟其所在環境的酸堿度有關。苜蓿葉對亞硝酸鈉在pH=2環境中的吸附能力是在pH=7環境中的4～5倍,這是由于酸性條件中,含羧基化合物會解離,提高了吸附能力[32]。苜蓿葉對膽固醇在pH=7環境中的吸附能力是在pH=2環境中的3～4倍。苜蓿對有害物質進行吸附,這可能是由于具有粘性的膳食纖維對有害物質進行吸附,內容物體積增加,減少了與腸道的接觸,有利于腸道健康[33]。

2.3.2 粉碎粒度對苜蓿葉功能性質的影響 通過2.3.1的測定結果可知,苜蓿葉有較好的膨脹力、對亞硝酸鈉和膽固醇的吸附能力,且上部葉片的功能性質最佳。因此,對不同粉碎粒度的上部葉片的膨脹力、對亞硝酸鈉的吸附能力、對膽固醇的吸附能力進行測定與分析,結果見圖3～圖5。

2.3.2.1 膨脹力 隨著粉碎粒度由0.2～0.25 mm(G1)減小到0.063～0.08 mm(G5)時,苜蓿葉的膨脹力先增大后減小,當粉碎粒度為0.125～0.16 mm(G3)時達到最大,為4.40 mL/g。這是由于隨著苜蓿葉粉碎粒度減小,表面親水基團數量增加,使得膨脹力增大。但粉碎粒度過小時,苜蓿葉粉表面的空間結構被破壞,對水分子的束縛力下降,導致膨脹力下降[34]。

圖3 不同粉碎粒度苜蓿葉的膨脹力Fig.3 Swelling capacity of alfalfa leaves with different crushing particle size

2.3.2.2 對亞硝酸鈉的吸附能力 隨著粉碎粒度由0.2～0.25 mm(G1)減小到0.063～0.08 mm(G5)時,在pH=2環境中,苜蓿葉對亞硝酸鈉的吸附能力由437.91 μg/g逐漸增加到501.51 μg/g。在pH=7環境中,苜蓿葉對膽固醇的吸附能力由106.43 μg/g逐漸增加到108.02 μg/g,差異顯著(P<0.05)。這是由于隨著粉碎粒度的減小,一方面比表面積增大,更多有效基團暴露出來[35];另一方面粉碎破壞了膳食纖維原有的結構,部分不溶性膳食纖維鏈狀結構斷裂轉化為可溶性膳食纖維,最終使得吸附能力增加[36]。

圖4 不同粉碎粒度苜蓿葉對亞硝酸鈉的吸附能力Fig.4 Adsorption of alfalfa leaves on sodium nitrite with different crushing particle size

2.3.2.3 對膽固醇的吸附能力 隨著粉碎粒度由0.2～0.25 mm(G1)減小到0.063～0.08 mm(G5)時,在pH=2環境中,苜蓿葉對膽固醇的吸附能力由2.45 mg/g逐漸增加到6.01 mg/g。在pH=7環境中,苜蓿葉對膽固醇的吸附能力由7.65 mg/g逐漸增加到9.66 mg/g。這可能是由于粉碎粒度減小,表面有效基團數量增加,苜蓿粉的粘性增加,使得對膽固醇的吸附能力增強[33]。

圖5 不同粉碎粒度苜蓿葉對膽固醇的吸附能力Fig.5 Adsorption capacity of alfalfa leaves on cholesterol granularity with different crushing particle size

2.3.3 粉碎粒度對苜蓿莖稈功能性質的影響 通過2.3.1的測定結果可知,苜蓿莖稈具有較好的持油力、持水力,且上部莖稈有較好的持水力,下部莖稈有較好的持油力。綜合莖葉分離能耗的問題,對不同粉碎粒度上部莖稈的持水力、持油力進行測定與分析,結果見圖6。

圖6 不同粉碎粒度苜蓿莖稈的功能性質Fig.6 Functional properties of alfalfa stems with different crushing particle size

隨著粉碎粒度由0.2～0.25 mm(G1)減小到0.063～0.08 mm(G5)時,苜蓿莖稈的持油力由4.86 g/g減小到3.44 g/g;持水力先增大后減小,當粉碎粒度為0.125～0.16 mm(G3)時達到最大,為6.56 mL/g。這是由于粉碎粒度減小,表面細胞組織破壞嚴重,表面親水基團數量增加,導致持水力增大,但粉碎粒度過小時,苜蓿粉空間結構被破壞,對水分子的束縛力下降,使得持水力下降[35]。隨著粉碎粒度減小,苜蓿粉表面的微孔直徑在逐漸減小,進入微孔的油脂分子數量減小,使得持油力下降。

3 結論

苜蓿的基本成分、活性成分含量和功能性質客觀上反映其營養價值。通過對苜蓿不同部位基本成分、活性成分、功能性質的比較,客觀反映苜蓿不同部位的營養價值。結果表明,苜蓿上部葉片的蛋白質、多糖、多酚、總黃酮等成分含量高,具有較好的膨脹力和吸附特性;上部莖稈具有較好的持水力和持油力。因此,苜蓿的莖葉可分別用于開發不同的功能食品,苜蓿莖稈可用于開發促進腸道蠕動、預防肥胖的食品。苜蓿葉可用于來開發強化營養、預防癌癥、吸附有害物質的食品,達到充分利用苜蓿資源的目的。

不同粉碎粒度苜蓿莖葉營養物質的溶出量及功能性質,客觀上反映粉碎工藝對苜蓿營養價值的影響。針對苜蓿莖葉營養成分和功能性質的不同,對苜蓿莖葉進行不同程度地粉碎,測定與分析其主要營養成分溶出量及功能性質指標。結果表明,減小苜蓿葉的粉碎粒度可提高蛋白質、多糖、多酚、總黃酮的溶出量,也可提高苜蓿葉對膽固醇、亞硝酸鈉的吸附能力。當粉碎粒度為0.125～0.16 mm(G3)時,苜蓿葉的膨脹力,苜蓿莖稈的持水力、持油力達到最佳。將苜蓿莖葉開發成不同功能食品的原料,針對不同的功能食品進行不同程度地粉碎,使其具有更高的營養價值。

通過對測定結果進行分析可推測,對膽固醇、亞硝酸鈉的吸附機理與持水力、持油力、膨脹力的機理不同。對膽固醇和亞硝酸鈉的吸附能力可能是與苜蓿粉表面的基團數量相關,持水力、持油力、膨脹力可能跟苜蓿粉的空間結構和表面的基團數量相關,具體原因需要進一步驗證。本文僅對多糖、多酚、總黃酮的含量進行了測定,未對其抗氧化指標進行測定,日后可對這方面進一步研究。