乳清醋營養成分分析及功能性評價研究

瑪麗娜,劉揚,烏蘭塔娜,陳玉萍*

(1.內蒙古農業大學 生命科學學院,呼和浩特 010020;2.內蒙古農業大學食品科學與工程學院,呼和浩特 010020)

谷物制曲釀醋是中華民族對世界飲食文明的貢獻之一,各具風味特色的米醋在我國已有上千年的歷史。關于米醋從工藝、風味、營養、保健等方面的研究報道很多[1-3]。本文報道的乳清醋是近年出現于釀造王國的新兵。它是以乳清為原料釀制的醋,而乳清則是現代乳品工業的副產品,其干物質含量相對較低,滲透壓較高,導致加工處理技術復雜,設備昂貴,處理成本高,往往被企業當作廢水排棄。然而乳清液中仍然含有乳糖、乳清蛋白等多種有機物質和礦物質等可利用物質[4-6]。研制和開發乳清醋則是變廢為寶,既可減少對環境的污染又能獲得經濟效益。國外有乳清粉、乳清飲料、制取乙醇的研究報道[7-9],也有很多釀制果醋的報道[10-13],但沒有查閱到乳清醋的報道。如同米醋和果醋,乳清醋也涉及到工藝、風味、營養、功能等方面的研究和探討。研究分析乳清醋的主要營養成分及其保健特點,找出與米醋營養成分的不同之處,可以全面地認識乳清醋這一新生食物,有利于實現加工增值和綜合提高乳業資源的利用率,并為產業化開發乳清醋提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料

乳清液樣本由內蒙古伊利股份公司提供。在內蒙古農業大學乳品實驗室對乳清樣品分別進行了馬克斯克魯維酵母酒精發酵和巴斯德醋酸桿菌醋酸發酵工藝而制得乳清醋(總酸為5.52 mg/dL)作為測試樣本。

1.1.2 主要試劑

5-磺基水楊酸、鹽酸、硝酸、高氯酸、氧化鑭(均為優級純);純鎂、純鋅、鐵粉、金屬錳(均為光譜純)。

1.1.3 主要儀器設備

6890N/5975B氣相色譜-質譜聯用儀 美國安捷倫公司;L-8900氨基酸自動分析儀 日立高新技術公司;WFX-210原子吸收分光光度計 北京科瑞海科學儀器有限公司;固相微萃取手動進樣器 美國Supelco公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 乳清醋中游離氨基酸含量的測定

使用L-8900氨基酸自動分析儀測定。取1 mL樣品,加入3 mL 10%的5-磺基水楊酸,振蕩混勻,4 ℃靜置30 min;高速離心機在12 000×g、4 ℃下離心15 min,上清液經0.22 μm膜過濾上機。根據質量濃度與峰面積的關系,使用外標法定量確定氨基酸組分,單位ng/μL。條件:855-350型色譜柱(4.6 mm×60 mm);柱溫134 ℃;雙通道紫外檢測波長440 nm 和570 nm;進樣量20 μL,時間148 min。

1.2.2 乳清醋中揮發性風味物質的測定

采樣前將固相微萃取器插在氣相色譜-質譜聯用儀的進樣口處,在250 ℃下進行老化,同時做空白試驗,直至無色譜峰出現。量取5 mL乳清醋樣于150 mL頂空瓶中,加入2 g氯化鈉,密封后置于水浴鍋中30 ℃平衡30 min,取出老化好的萃取頭,插在樣品瓶中,50 ℃下萃取40 min,將萃取頭取出,插入氣相色譜-質譜聯用儀的進樣口,250 ℃下解吸5 min。色譜條件 Agilent 6890N氣相色譜儀,HP-SMS毛細管色譜柱(30 m×250 μm,0.25 μm)。柱溫按程序升溫,初溫35 ℃保持6 min,然后以5 ℃/min升至150 ℃,再以10 ℃/min升至250 ℃。采用不分流進樣,進樣口溫度270 ℃,載氣為He,流量1.0 mL/min。 質譜條件:Agilent 5975 MSD質譜儀,電子轟擊離子源(EI),離子源溫度230 ℃,接口溫度280 ℃,掃描質量范圍(m/z)10～450。環境條件:室溫25 ℃。

1.2.3 乳清醋中礦物質及維生素含量的測定

鉀、鈉、鈣、鐵、鎂、錳、鋅的測定采用GB 5413.21—2010的方法;氯的測定采用GB/T 12457-2008的方法;磷的測定采用GB/T 5009.87-2003的方法;硒的測定采用GB 5009.93-2010的方法;碘的測定采用GB/T 13882-2010的方法;維生素B1的測定采用GB/T 5009.84-2003的方法;維生素B2的測定采用GB/T 5009.85-2003的方法;維生素C的測定采用 GB/T 5009.86-2003的方法;維生素A和維生素E的測定采用GB/T 5009.82-2003的方法。

2 試驗結果與分析

2.1 乳清醋中游離氨基酸含量的測定結果與分析

乳清醋中游離氨基酸含量的測定結果見表1。發現25種氨基酸,包含9種人體必需的氨基酸(Thr、Val、Met、Leu、Ile、Phe、Trp、Lys、His),占氨基酸總量的33.35%。

表1 乳清醋游離氨基酸含量測定結果Table 1 Determination results of free amino acid content in whey vinegar

此外,有16種具有增強人和動物免疫功能作用的蛋白和非蛋白氨基酸,其中含量最高的是精氨酸(27.531 8 ng/μL),對于人體排尿解毒、調節人體酸堿平衡有重要作用。值得注意的是,乳清醋中含有非蛋白氨基酸氨基丁酸及其3種異構體:α-氨基丁酸、β-氨基異丁酸和γ-氨基丁酸(GABA)。后者GABA的濃度為8.493 8 ng/μL,占氨基酸總含量的3.3%,具有重要的生理活性功能。

2.2 乳清醋中揮發性風味物質含量的測定結果與分析

乳清醋中揮發性風味物質在GC-MS圖中的出峰情況見圖1,測定結果見表2。

圖 1 乳清醋中揮發性風味物質GC-MS圖Fig.1 GC-MS spectra of volatile flavor substances in whey vinegar

表2 乳清醋揮發性風味物質的測定結果Table 2 Determination results of volatile flavor substances in whey vinegar

由表2可知,通過頂空固相微萃取-氣質聯用測得乳清醋中揮發性風味物質有36種,包括7大類化合物,其中酸類5種、酯類5種、酮類4種、醇類10種、醛類6種、酚類2種、烷烴類4種。在酸類物質中作為主要功能成分的乙酸的相對百分含量為34.85%。 酯類物質包括乙酸乙酯(10.435%)、乳酸乙酯(0.161%)、乙酸異戊酯(0.046%)、乙酸甘油酯(0.086%)、2-羥基己酸乙酯(0.359%)。其中乙酸乙酯具有水果香氣,它是所測得5種酯類化合物中含量最豐富的,并且乙酸乙酯的相對百分含量僅次于乙酸,在36種化合物中位于第二位,因此對乳清醋的香氣起著重要的呈味作用。 此外,乙酸異戊酯在乳清醋中含量雖然不高,但由于它具有較強的新鮮果香,有類似熟香蕉、生梨和蘋果的氣味,因此是釀造制品中所希望得到的香味物質之一。而乳酸乙酯的存在增加了乳清醋的濃厚感,改善了液態發酵醋的口味單調感。

除了酯類物質,其他幾類化合物對乳清醋香氣的形成同樣是不可缺少的。其中 2-庚酮具有梨的香氣,糠醛和苯甲醛具有苦杏仁的香氣,己醇具有水果香氣,庚醇、苯甲醇都有特殊的芳香氣味,2-壬酮具有奶油的香氣,苯乙醇具有柔和、愉快而持久的玫瑰香氣。三癸醛具有甜橘香氣,4-乙基苯酚具有木酚香氣。

在表2中列出的序號27的α-萜烯醇和序號34的叔丁基對甲酚(BHT),相對百分含量依次為0.418%和0.104%。它們不僅是風味成分,而且具有重要的生物活性功能。

2.3 乳清醋礦物質與維生素含量的測定結果與分析

乳清醋礦物質與維生素含量的測定結果見表3和表4。同國產白米醋和蘋果醋相應含量做了對比,結果見表3。

表3 乳清醋、白米醋、蘋果醋中礦物質含量的測定結果Table 3 Determination results of mineral content in whey vinegar, white rice vinegar and apple vinegar

由表3可知,在11種礦物質成分中,乳清醋中除氯和鈉的含量遠低于白米醋和蘋果醋,鐵含量略低于白米醋和蘋果醋,其他8種成分的含量均高于白米醋和蘋果醋。乳清醋的鉀、鈣、鎂、鋅、硒的含量遠高于白米醋和蘋果醋。以鉀的含量為例,乳清醋71.80 mg/dL,相應的山西白米醋、廣東白米醋、蘋果醋的鉀含量依次為0.028,0.825,22.10 mg/dL。又以硒的含量為例,乳清醋硒含量為1.026 1 μg/L,而山西白米醋、廣東白米醋和蘋果醋依次為 <0.05 μg/L,0.069 3 μg/L和 0.214 3 μg/L。乳清醋高鉀低鈉的特點正符合健康攝食的要求,鉀、鈣、鎂、鋅、硒等元素在調節人類免疫功能方面有著非常重要的作用,鈣是補體的激活劑,其對免疫系統有多方面的作用。鋅可直接刺激胸腺細胞的增殖,使胸腺素分泌增加,維持細胞免疫的完整性。硒能增強抗體對抗原的應答反應,促進淋巴細胞增殖,提高機體抗感染能力,還可提高NK細胞對腫瘤的殺傷力[14]。

由表4可知, 乳清醋的維生素A、B1、B2、C、E均高于山西白米醋幾倍乃至幾十倍,廣東白米醋和蘋果醋的相應含量,以維生素A為例, 乳清醋為20.2 μg/L,而山西白米醋為0.594 μg/L,廣東白米醋為3.57 μg/L,蘋果醋為0.446 μg/L。又如維生素B1,乳清醋含量為43.6 μg/L,而后3種依次為1.28,0.18,0.69 μg/L。這些維生素在人類和動物機體免疫系統的正常功能中發揮著重要作用,維生素E能維持機體生物膜的完整性和穩定性,可調節免疫細胞的信號轉導和基因表達,從而改善免疫狀況,提高抗感染能力。而維生素A是T細胞生長分化、激活過程中不可缺少的因子,可促進B細胞產生抗體,和NK細胞增殖。Friedman和Sklan認為對動物而言,維生素A在擴大和增強免疫能力方面顯示的作用遠比飼料效價和最佳生長大得多。維生素B1與B2可提高粒細胞的數量及其吞噬能力[14]。

3 討論

我們在乳清醋營養分析中發現了幾點值得研究討論之處。第一,在乳清醋的氨基酸分析中檢測到了色氨酸(Tryptophan,Trp)和γ-氨基丁酸(GABA)成分。通過謝曉材[2]、李利軍等[3]、Xia等[15]對米醋產品氨基酸成分的分析研究可知,國內諸多品牌的米醋(如山西老陳醋、鎮江香醋、四川保寧麩醋、天津獨流老醋等)中均未發現色氨酸和γ-氨基丁酸。色氨酸是必需氨基酸之一,雖然其含量在必需氨基酸中排位靠后,但它有很多重要生理功能,它是人體血清素,也稱5-羥基色胺的前體物質,廣泛存在于大腦、血管、神經系統、胃腸道系統,是抑制性神經遞質,具有調控血管收縮、平滑肌肉收縮、調節人體循環等作用,有抗高血壓、抗抑郁、抗失眠、抗胃腸道紊亂等功能,人體缺失色氨酸會引發很多疾病[16-18]。γ-氨基丁酸(GABA)的生理活性近年來得到了許多學者的關注,這方面的研究報道很多。作為非蛋白質氨基酸,GABA具有生物活性功能,參與很多生理活動[19-20],在大腦神經傳導和T細胞抗炎反應中起著關鍵作用。Xia等[21]發現GABA轉運蛋白能維持巨噬細胞產生白細胞介素-1β。GABA是人體抑制神經傳導質,褪黑素組成成分之一,對于生長激素和催乳激素有增強作用。對失眠、高血壓等病癥有治療作用,大腦缺乏GABA時易患上阿爾茨海默癥、抑郁癥、精神分裂癥等疾病[22-23]。乳清醋的色氨酸來源于乳清蛋白的水解產物,而GABA則來源于乳酸菌代謝過程中產生的脫羧酶,使得谷氨酸脫去羧基產生GABA。許多米醋中檢測不到色氨酸的原因與原料來源有關。谷物中的蛋白屬于非完全蛋白,不含色氨酸或含量較低,且加工過程也會造成營養損失。此外,在米醋的谷物性原料中雖含有谷氨酸,但由于缺乏脫羧酶,不能降解產生GABA,因此在最終的米醋產品中難以檢測到這一氨基酸(除非另行添加)。第二,乳清醋風味物質中含有α-萜烯醇和叔丁基對甲酚(見表2中序號27和34)。在米醋風味物質研究中,則未見到含有這兩項風味物質的報道。它們不僅是芳香性風味成分,而且具有生物活性功能。α-萜烯醇具有抗炎作用,Suza等[24]報道了α-萜烯醇對胃潰瘍有保護性治療效果,叔丁基對甲酚(BHT)是公認的具有抗氧化作用和阻斷體內自由基鏈反應從而保護細胞膜的功能。此外,Abrew等[25]研究報道,BHT對于內分泌(甲狀腺激素、雄激素、雌激素)紊亂具有調節作用。在米醋中缺少該兩種成分的原因尚不清楚。第三,乳清醋具有高鉀富硒的特點。高鉀低鈉是健康攝食的方向。硒是微量元素,從20世紀50年代開始,人們認識到了硒在人體生理活動中的重要作用,認同了第21位蛋白氨基酸就是硒代半胱氨酸(Se-Cys)[26]。人體許多酶類的活性離不開硒的參與,Romagne等[27]報道,人體內有54 種蛋白質含有Se-Cys。Bermano等[28]報道,補充富硒食物可以有效地抵抗COVID-19疫病。Chen等[29]進行了用強化硒的食物飼喂小白鼠試驗,發現硒對于動物免疫調節和免疫抑制有明顯影響。Kang等[30]報道,缺少磷酸化硒合成酶會加重骨關節炎病情。乳清醋的高鉀富硒特點源于其乳清原料,而米醋礦物質檢測中缺少硒,我們認為這是由于原料中缺少硒。

本研究對乳清醋中的有機酸組分研究不足,對于乳清醋中水溶性短肽類沒有涉及。短肽類水解物可能具有更多生物活性功能值得研究。乳清醋在成熟陳釀期,也會發生各種螯合、絡合、酯化和內酯化等反應,產生新的風味物質或其他功能性成分,這些都有待于進一步研究。

4 結論

乳清醋營養成分中必需氨基酸種類齊全,具有全價蛋白質特點,而且含有γ-氨基丁酸,α-萜烯醇和叔丁基對甲酚等生物活性成分,高鉀富硒,除餐桌調味外,還具有營養增補和保健功能。