不同處理方式對芡實中游離氨基酸和碳水化合物的含量及淀粉消化率的影響

王忠合，王軍，張菁，黃榕芳

(韓山師范學院 食品工程與生物科技學院，廣東 潮州，521041)

芡實(EuryaleferoxSalisb)，又稱為雞米頭，睡蓮科芡屬植物的種仁，為1年生大型水生草本植物，藥食同源，在我國分布廣泛，其中以蘇芡最為出名[1-2]。芡米中含有豐富的碳水化合物、蛋白質以及多種維生素等，不僅營養價值高，而且具有養血安神、益腎固精、去濕健脾、止瀉止帶等食療功效[3]。研究表明[4]，潮州芡實含蛋白質9.68%，比北方芡實高20.4%，脂肪含量較低，礦物質元素和維生素含量較豐富。陳蓉等[5]研究不同產地芡實中游離氨基酸的含量，得出芡實中總游離氨基酸含量約為0.98 mg/g。張麗等[6]研究不同產地芡實的品質特性，得出不同芡實種類的營養指標存在顯著差異。

隨著科技的進步，干燥處理的方式越來越多，最初的芡實大多數利用太陽曬干或自然風干的方式來干燥，目前許多其他干燥方法也逐漸用于芡實干燥。本文以游離氨基酸、還原糖、總糖和淀粉的含量以及淀粉體外消化率為指標，比較不同干燥處理對芡實中主要營養成分和色澤的影響，以期為芡實的干制提供相關的理論依據。

1 材料與設備

1.1 材料與試劑

芡實：購買新鮮收獲的芡實，于冷藏條件下運送到實驗室。α-淀粉酶、谷氨酸(Glu)、異亮氨酸(Ile)、精氨酸(Arg)、天冬氨酸(Asp)、天冬酰胺(Asn)、谷氨酰胺(Gln)、蛋氨酸(Met)、酪氨酸(Tyr)、亮氨酸(Leu)、苯丙氨酸(Phe)、賴氨酸(Lys)、色氨酸(Trp)、丙氨酸(Ala)、甘氨酸(Gly)、蘇氨酸(Thr)、脯氨酸(Pro)、組氨酸(His)、絲氨酸(Ser)、半胱氨酸(Cys)、纈氨酸(Val)、反式-4-羥基-脯氨酸(Hpro)等，Sigma-Aldrich公司。茶氨酸(The)，生工生物工程(上海)有限公司；3,5-二硝基水楊酸、NaOH、丙三醇、葡萄糖、蒽酮、硫脲、濃H2SO4、冰乙酸、無水乙酸鈉、茚三酮、氯化亞錫、活性炭等均為分析純。

1.2 儀器與設備

1260 Infinity液相色譜儀，安捷倫有限公司；Xevo G2-XS QTOF高分辨質譜儀，沃特世有限公司；BSA3202S-CW分析天平和PB-10型pH計，北京賽多利斯儀器系統有限公司；JZ-350色差計，深圳市金準儀器設備有限公司；3212012恒溫水浴鍋，蘇州珀西瓦實驗設備有限公司；BL22-600A超聲波清洗儀，成都比郎實驗設備有限公司；FD-1D-5D真空冷凍干燥機，北京博醫康實驗儀器有限公司；UNIC 7200紫外可見分光光度計，濟南博鑫生物技術有限公司；H1850R離心機，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司；DK-98-II電子調溫萬用電爐，天津市泰斯特儀器有限公司；A-1000S水流抽氣機，上海愛朗儀器有限公司；GZX-9146MBE電熱鼓風干燥箱，上海博訊實業有限公司醫療設備廠。

1.3 實驗方法

1.3.1 芡實粉的加工

將新鮮芡實采用真空冷凍干燥25 h(真空度10 Pa)、80 ℃熱風干燥9.5 h、太陽曬制17.5 h，粉碎后過40目篩，分別記為：冷凍干燥、熱風干燥、太陽曬干；將新鮮芡實置于沸水中煮3 min充分鈍化酶后，冷卻至常溫，分別采用冷凍干燥25 h(真空度10 Pa)和80 ℃熱風干燥9.5 h，粉碎后過40目篩，分別記為：水煮+冷凍干燥和水煮+熱風干燥；冷凍干燥和熱風干燥參數為前期優化結果，保持2種產品中水分含量無差異。

1.3.2 水分含量的測定

采用直接烘干法[5]，在105 ℃恒溫鼓風干燥箱中干燥至恒重。按公式(1)計算水分含量：

(1)

式中：m1,干燥前樣品與稱量皿質量之和，g；m2,干燥后樣品和稱量皿質量之和，g；m3,稱量皿質量，g。

1.3.3 色澤的測定

將樣品平鋪放置于鏡頭前，讀取色差值，記錄L*、a*、b*，按照公式(2)計算ΔE值：

(2)

式中：ΔE,冷凍干燥處理樣品和其他加工處理樣品間的色差值，“0”為冷凍干燥樣品測定值，“s”為其他加工處理樣品測定值。

1.3.4 還原糖的測定

采用3,5-二硝基水楊酸比色法[5]，以零號管做參比，在540nm處測定其吸收度值(A)。根據標準曲線方程y=0.118 1x+0.001 7,R2=0.993，求得相應的還原糖的質量濃度(ρ)，按照公式(3)計算出芡實粉中還原糖的含量。

(3)

式中：V,測定樣液體積，mL；F,樣液總體積，mL；m,樣品質量，g；ρ,還原糖質量濃度，mg/L。

1.3.5 總糖的測定

采用蒽酮比色法[5]，以零號管作參比，于620 nm波長處測定吸光度(A)。根據標準曲線方程y=0.005 3x-0.015,R2=0.990 7，求得總糖的質量濃度，按照公式(4)計算出芡實粉中總糖的含量。

(4)

式中：ρ,從標準曲線上查得的質量濃度，μg/mL；m,測定樣品的質量，g。

1.3.6 淀粉總量的測定

采用酸水解法[7]測定芡實中的淀粉含量，樣品經乙醚除去脂肪，乙醇除去可溶性糖后，用酸水解淀粉為葡萄糖，按3,5-二硝基水楊酸法測定還原糖的含量，葡萄糖折算為淀粉含量的系數為0.9。

1.3.7 氨基酸的測定

稱取0.1 g樣品置于離心管中，加入1.5 mL水，12 000 r/min離心25 mim(4 ℃)，離心后取上清液得氨基酸樣品[6]。采用茚三酮比色法[5]，以空白試劑為參比液測定其余各溶液的吸光度值。根據標準曲線方程y=0.005 1x-0.012 6,R2=0.992 4，求得氨基酸的質量濃度，按照下式計算出芡實粉中游離氨基酸總量。

(5)

式中：ρ,從標準曲線上查得的氨基酸質量濃度，μg/mL;V,樣液體積，mL；m,測定的樣品溶液相當于樣品的質量，g。

取氨基酸標準液(1～10 mg/L)和樣品上清液分別過0.22 μm濾膜后,采用液相色譜串聯高分辨飛行時間質譜檢測，根據氨基酸標準曲線，如表1所示，計算出芡實中各游離氨基酸的含量。色譜條件[8-9]：HILIC-Z色譜柱(100 mm×2.1 mm，2.7 μm)；流速0.4 mL/min；柱溫30.0 ℃；進樣量2 μL；洗針進樣，流動相A：0.1%甲酸+20 mmol/L甲酸銨水溶液、流動相B：0.1%甲酸乙腈，梯度洗脫程序如表2所示。質譜條件：正離子模式檢測，掃描范圍m/z50～600：源內電壓：2.0 kV；離子源溫度：130、400 ℃；氮氣流速：60、800 L/h。

表1 氨基酸標準品的出峰時間及標準曲線方程

表2 梯度洗脫程序表

1.3.8 淀粉體外水解動力學

每個樣品取2 g(含500 mg還原糖)于燒杯中，各添加50 mL磷酸鹽緩沖液(pH 6.9)，置于37 ℃水浴中消化處理5 min后，取0.2 mL消化上清液(記為0)，1 min后再加入1 mL α-淀粉酶溶液，置于37 ℃水浴中繼續消化處理，在第15、30、45、60、75、90 min時分別取消化液0.2 mL于25 mL試管中，添加0.8 mL蒸餾水和1 mL DNS溶液，置沸水浴中煮沸10 min后取出迅速用水冷卻，定容至25 mL，搖勻，采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定還原糖，根據標準曲線求得還原糖的含量以表示淀粉的消化率[10]。

1.4 數據處理

實驗結果以平均值±標準偏差表示，采用SPSS 17.0進行單因素方差分析，并采用鄧肯檢驗進行差異顯著性分析，以P<0.01或P<0.05為檢驗標準。

2 結果與分析

2.1 水分含量變化分析

不同加工處理對芡實粉中水分含量的影響如表3所示，各樣品中水分含量均小于10%，太陽曬干的樣品中水分含量最高，與水煮+冷凍干燥和水煮+熱風干燥的樣品間無顯著差異(P>0.05)，而與熱風干燥和冷凍干燥的樣品間水分含量差異顯著(P<0.05)，因太陽曬干的樣品后期水分含量變化非常緩慢，無法達到與冷凍干燥或熱風干燥樣品一樣低水分含量，故水分含量小于10%后停止曬制。水煮處理對樣品中水分含量有顯著影響(P<0.05)，而熱風干燥和冷凍干燥的樣品間水分含量無顯著差異(P>0.05)。

表3 處理后芡實樣品中的水分含量

注：表中同一列標注不同的小寫字母表示差異顯著，P<0.05(下同)

不同加工處理達到的最低水分含量各不相同，所需的干燥時間也不同，熱風干燥所需要的時間最少。

2.2 色澤變化分析

不同加工處理對芡實粉L*、a*、b*值的影響見表4。L*表示物料的明亮度，新鮮芡實的L*值較小，這與新鮮芡實的色澤非常白及含有一定量的水分有關，而不同加工處理對芡實粉的明亮度有顯著影響(P<0.05)，其中冷凍干燥、水煮+冷凍干燥、水煮+熱風干燥和熱風干燥之間有顯著差異(P<0.05)，而太陽曬干與熱風干燥和冷凍干燥之間無顯著差異(P>0.05)，且水煮處理后芡實粉的明亮度顯著降低(P<0.05)，色澤變暗。a*表示紅(+a*)/綠(-a*)[11]，不同加工處理后的芡實粉的a*值均為正值，表示加工處理后的芡實粉偏紅，除水煮+熱風干燥外，其他加工處理方式間的差異不顯著(P>0.05)。b*表示黃(+b*)/藍(-b*)，新鮮芡實與冷凍干燥芡實的b*值無顯著差異(P>0.05)，冷凍干燥處理對芡實黃藍值的影響不大，而其他不同加工處理對黃藍值的影響差異顯著(P<0.05)，不同加工處理后的芡實粉的b*值均為正值，表示芡實粉偏黃，不同干燥處理后b*值顯著增大，最高的為水煮+熱風干燥，這表明干燥和水煮處理均顯著增加b*值(P<0.05)。ΔE是指以冷凍干燥的樣品為基準，其他樣品與冷凍干燥樣品間的色差值，熱風干燥和太陽曬干樣品的色差值差異不顯著(P>0.05)，而水煮加工處理顯著增加了芡實樣品的色差值(P<0.05)。由圖1可知，冷凍干燥的樣品整體色澤較白，而熱風干燥和太陽曬干的樣品色澤較黃。在真空冷凍條件下干燥的芡實，其色澤較白，原因是在低氧和低溫條件下避免了顏色的改變。而熱風干燥和太陽曬干等處理在較高的溫度下進行，易發生美拉德反應，加深了其色澤的變化。

表4 不同加工處理對芡實粉色澤的影響

注：“-”表示未計算

圖1 不同加工處理對芡實粉色澤的影響

2.3 還原糖及總糖含量變化分析

不同加工處理的芡實中的還原糖和總糖含量差異極顯著(P<0.01)，結果如表5所示。冷凍干燥處理的芡實中還原糖含量最高，而水煮+熱風干燥處理的芡實中還原糖含量最低，水煮后的芡實中還原糖含量比未水煮的芡實中還原糖含量顯著降低(P<0.01)，可能是由于水煮加工處理后芡實中的部分可溶性還原糖溶解于水中流失。冷凍干燥、熱風干燥、太陽曬干的芡實中還原糖含量依次減少，這可能是由于熱風干燥和太陽曬干的過程中還原糖參與了褐變反應[12]，因而還原糖的含量降低。熱風干燥溫度高，芡實粉的色澤變化大，發生褐變的程度更高。太陽曬干的方式干制芡實時所處的溫度、濕度等可能使得還原糖酶活性較高，從而使得芡實還原糖含量受到影響，此外曬干時芡實的溫濕度也適合細菌増殖，從而細菌可以利用芡實中部分還原糖，這也是曬干方式芡實中還原糖含量降低的另一個可能原因。而采用烘干方式，芡實還原糖酶活性及時受到抑制，同時微生物繁殖受到抑制，從而烘干干制方式對芡實還原糖含量影響較小。

從表5可以看出，不同處理后的芡實中總糖含量差異極顯著(P<0.01)，冷凍干燥處理后的芡實粉中總糖含量最高，而自然曬干和熱風干燥后的總糖含量顯著減少，可能是因為自然曬干和熱風干燥處理時的高溫引起的非酶褐變[13]導致總糖含量減少。水煮芡實中的總糖含量顯著減少(P<0.01)，經水煮加工的芡實其可溶性糖溶于水中流失，故其總糖含量較低。

表5 不同加工處理對芡實還原糖和總糖的影響

注：表中同一列標注不同的大寫字母表示差異極顯著，P<0.01(下同)

從圖1可知，水煮+熱風干燥的芡實粉顏色最深，其發生非酶褐變程度最大，故其總糖含量最低；冷凍干燥的芡實粉色澤最淺，其發生非酶褐變的程度最低，故其總糖含量最高。

2.4 游離氨基酸的變化分析

5種加工處理的芡實粉中游離氨基酸總量之間存在極顯著差異(P<0.01)，結果如表6所示。其中，熱風干燥所得到的芡實粉中游離氨基酸總量最高，而采用水煮加冷凍干燥得到的芡實粉中游離氨基酸含量最低。陳蓉等[5]研究不同產地芡實的游離氨基酸含量，得出芡實中總游離氨基酸平均值98 mg/100 g，最高可達到160 mg/100 g。張名位等[4]研究潮州芡實營養價值，得出潮州芡實的氨基酸總量比北方芡實高25.98%，這與試驗測定的芡實中游離氨基酸總量較高的結果一致。水煮處理顯著降低了芡實中游離氨基酸的含量(P<0.01)，這是因為經水煮加工的芡實中游離氨基酸部分溶解于水中且后續的干制過程過程中易發生美拉德反應而影響其含量[14]。熱風干燥、冷凍干燥、太陽曬干的芡實粉中游離氨基酸含量顯著下降(P<0.01)，其原因有待進一步探究。

表6 不同加工處理對芡實中游離氨基酸總量的影響

各游離氨基酸的標準色譜和樣品色譜分別如圖2所示。

采用液相色譜串聯高分辨質譜法可以同時測定常見的20種氨基酸，芡實中共測出19種氨基酸，其含量各不相同，Asp、Asn、Glu、Ala等含量較高，而His、Tyr、Trp等含量較低，其中Glu、Asp等氨基酸能使食物呈現出特殊的鮮味，Ala是主要的甜味氨基酸，這與潮州芡實味道鮮美相符。芡實中含有8種人體必需的氨基酸(Lys、Ile、Leu、Phe、Trp、Thr、Val、Met)，其含量占總氨基酸的比值為22%～29%，與非必需氨基酸的比值為28%～38%，這與WHO/FAO規定的必需氨基酸與總氨基酸比值40%、必需氨基酸與非必需氨基酸比值60%相差較大[5]。加工處理對芡實中每種氨基酸的影響如表7所示，不同加工處理顯著影響芡實粉中游離氨基酸的含量(P<0.05)，水煮處理的芡實中各游離氨基酸含量比未水煮的游離氨基酸含量少，特別是一些水溶性較好的氨基酸，其損失率更大。熱風干燥、冷凍干燥和太陽曬干3種干制處理顯著影響Asp、Asn、Glu、Gln、Phe等氨基酸的含量(P<0.05)，而對Lys、Arg、His、Tyr、Ile、Leu、Trp等氨基酸的含量沒有顯著的影響(P>0.05)，不同干燥方式對氨基酸的作用不同，這可能與氨基酸的溶解性、反應活性、含量等因素有關，具體機制有待進一步探討。

圖2 氨基酸標準品的色譜圖

表7 加工處理對芡實中各游離氨基酸含量的影響 單位：mg/100 g

2.5 淀粉含量的變化

芡實中淀粉含量較高，是芡實粒中主要的貯藏物質，約占干重的72%～77%，不同加工處理的芡實粉中淀粉含量變化如圖3所示。

圖3 芡實中淀粉含量的變化

不同加工處理對芡實中淀粉的含量影響不顯著(P>0.05)，高溫干制和太陽干燥的芡實中淀粉含量明顯略低于真空冷凍干燥的芡實中淀粉含量，這可能是因為高溫使芡實中的部分淀粉發生凝膠反應而導致含量降低[15]。太陽曬干的芡實中淀粉含量低，主要是由于加工初期的呼吸作用導致淀粉分解而消耗。

2.6 淀粉體外消化性分析

淀粉等碳水化合物進入人體在α-淀粉酶的催化作用下轉化為麥芽糖和糊精，進一步水解為葡萄糖，被小腸吸收進入血液，不同加工處理的芡實中淀粉模擬體外消化性結果如表8所示。

從表8可知，不同加工處理的芡實的淀粉體外消化率皆隨消化時間的增加而呈不斷上升的趨勢，不同的樣品消化率的變化情況差異顯著(P<0.05)。

表8 淀粉體外消化率的變化 單位：mg/mL

注：表中同一行標記不同小寫字母的表示差異顯著，P<0.05；同一列標注不同的大寫字母表示差異顯著，P<0.05。

在整個體外消化過程中，所有芡實樣品在初始45 min內淀粉的水解速率大幅度迅速升高，在60～90 min內，呈現緩慢上升的變化趨勢。消化初期各樣品的淀粉消化率差異較大，而消化后期差異較小，消化1 h后，各樣品的消化率比較接近，其中，水煮+冷凍干燥、水煮+熱風干燥、太陽曬干的芡實中淀粉消化效果相對于其他樣品較好。消化60 min后，其趨勢減緩，其中水煮處理的芡實中淀粉消化效果較好，原因可能是冷凍和熱風干燥后的芡實比較干硬，芡實粉中富含多糖和多酚等植物活性物質，這些物質可與淀粉分子結合，從而影響其水解，阻礙葡萄糖的釋放，影響淀粉消化率[7,10,16]，而水煮時干芡實吸飽水分，容易煮爛，并破壞與淀粉結合的酚類等物質。

3 結論

冷凍干燥的芡實樣品整體色澤較白，而熱風干燥和太陽曬干的樣品色澤較黃，其他不同處理顯著影響芡實粉的色值和水分含量(P<0.05)，但熱風干燥和冷凍干燥的樣品間水分含量無顯著差異(P>0.05)。加工處理顯著影響芡實中還原糖、總糖和游離氨基酸的含量(P<0.01)，其中，水煮處理后的芡實中還原糖、總糖和游離氨基酸的含量明顯低于未水煮的芡實，而水煮和干制處理對芡實中淀粉的含量影響不顯著(P>0.05)。游離氨基酸的總量則是采用熱風干燥的芡實中含量最高，冷凍干燥、熱風干燥及太陽曬干的處理方法對Lys、Arg、His、Tyr、Ile、Leu、Trp等游離氨基酸的含量影響不大。各芡實樣品的淀粉體外消化率均隨著消化時間的增加而呈現上升的趨勢，不同加工處理對芡實中淀粉體外消化率有顯著的影響(P<0.05)，冷凍和熱風干燥的芡實樣品的淀粉體外消化率較低，而水煮后芡實樣品中淀粉的體外消化率增加，其中太陽曬干的樣品與水煮后冷凍干燥或熱風干燥處理的芡實的淀粉體外消化率無顯著差異(P>0.05)。因此，生產中可采用冷凍干燥法直接加工新鮮的芡實以保持其色澤和主要營養成分。