擠壓、發酵對燕麥營養及抗氧化性影響的研究

何靜瑞, 張宜碩, 馬利華, 徐詠銘, 劉昇霖

(徐州工程學院食品與生物工程學院,徐州 221111)

燕麥富含蛋白質、膳食纖維、淀粉、脂質等為人體代謝所必需的基本營養成分[1],還含有諸多對人體具有健康功效的生物活性物質,如β-葡聚糖等[2],此外,還含有一些干擾營養物質消化吸收的抗營養因子。目前國內外通常采用物理法(高溫流化、超高壓、輻照、超微粉碎等)[3],生物法(萌芽、添加外源酶、生物發酵法等)[4],或者物理和生物結合的方法等[5],對食品原料進行處理,可以提高食品的品質及營養價值。發酵不僅可以改善產品風味、增加色澤、減少刺激性物質,還可以產生黃酮類、有機酸等新的活性成分,從而極大改善產品的營養品質[6]。如葉彥均[7]篩選出最佳固態發酵糙米的菌種,對糙米進行固態發酵,顯著改善了糙米的加工、營養及感官品質。曾甄等[8]利用幾種益生菌發酵牡蠣制備活性肽,總抗氧化性能顯著提升。擠壓技術因原料適應性廣、對營養成分破壞程度小、破壞抗營養因子等優勢被廣泛應用于谷物食品的加工生產。在擠壓的過程中,高溫、高壓和高剪切力會引起高分子聚合物在分子水平上發生物理以及化學反應,這些反應可以使食品的性狀發生改變,更有利于產品的開發[9,10]。如繆小蘭等[11]采用擠壓膨化技術,研究利用碎米和胡蘿卜制作速溶米糊,為碎米綜合利用提供了一條新的途徑。Sun等[12]研究表明,在經過雙螺桿擠壓后,稻米和小麥的體外消化率大大提高,更有益于消化和吸收。鄧珂等[13]研究發現擠壓膨化處理的豆芋總黃酮質量分數增加了19.68%,是保留總黃酮的最佳加工方法。

研究采用擠壓膨化耦合微生物發酵技術,處理燕麥,研究擠壓技術復合微生物發酵對燕麥中β-葡聚糖含量、生物利用率、淀粉的消化性及體外抗氧化性的影響,為開發燕麥新產品提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

燕麥,酵素菌,植物乳桿菌N13、保加利亞乳桿菌、瑞士乳桿菌、腸膜明串珠菌腸膜亞種、嗜熱鏈球菌。

剛果紅、葡萄糖、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鈉,過硫酸鉀,碘、碘化鉀、磷酸、考馬斯亮藍G250:均為分析純;直鏈淀粉標準物、支鏈淀粉標準物;α-淀粉酶(100 U/mg);福林酚、 2,2′-聯氨-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(ABTS)、1.1-二苯基-2-苦肼基(DPPH)。

1.2 儀器與設備

723C可見分光光度計,SLG32-Ⅱ雙螺桿擠壓實驗機,RHJ-202-2電熱恒溫培養箱,DHG-101鼓風干燥箱,TG-16W-I高速離心機,JJ-2高速組織搗碎機,NDJ79旋轉表觀黏度儀。

1.3 方法

1.3.1 燕麥樣品的擠壓膨化處理

選取300 g燕麥,干燥,磨粉,添加45 mL水,主軸傳送速度為30,調整膨化機前三區溫度為70、90、120 ℃,第四區溫度分別設置為160 ℃,擠壓膨化后,干燥,磨粉,待用。

1.3.2 燕麥發酵處理

取燕麥粉100 g,加入1 000 mL的水,混合均勻后加入1 g發酵菌粉,30 ℃恒溫培養箱中進行發酵72 h,發酵結束后過濾,取濾渣,干燥,磨粉,備用。樣品1:未做處理的燕麥粉; 樣品2:擠壓膨化處理的燕麥粉;樣品3:發酵處理的燕麥粉 ;樣品4:擠壓+發酵處理的燕麥粉。

1.3.3 淀粉含量測定

測定方法參考GB 5514—2008《糧油檢驗 糧食、油料中淀粉含量測定》[14]。

1.3.4 可溶性蛋白質含量測定

參考考馬斯亮藍G-250法[15]。

1.3.5 β-葡聚糖含量測定

取1.2.2處理的樣品適量,參考剛果紅顯色法[16],測樣品中β-葡聚糖的含量,得標準曲線:Y=0.003 6X+0.129,R2=0.993 5。

式中:C為標準曲線中β-葡聚糖的質量濃度/mg/mL;N為樣品稀釋的倍數;V為樣品定容總體積/mL;m為樣品的質量/g。

1.3.6 燕麥粉溶液表觀表觀黏度測定

根據黃婧琦等[17]方法取不同處理的燕麥粉,配制質量濃度1 mg/100 mL溶液,煮沸后冷卻,過濾,取上清液,采用NDJ79旋轉表觀黏度儀測定,測試條件:室溫,第Ⅱ單元轉子,轉速30 r/min。

1.3.7 多酚含量的測定

采用福林酚比色法[18]測燕麥酵素中多酚的含量,得標準曲線:Y=0.960 8X+0.012 41,R2=0.994 9。

式中:C為標準曲線中多酚的質量濃度/mg/mL;N為樣品稀釋的倍數;V為樣品定容的總體積/mL;m為樣品的質量/g。

1.3.8 黃酮含量的測定

采用硝酸鋁顯色法[19]測燕麥酵素中黃酮含量,蘆丁為標準品得標準曲線:Y=0.198X+0.005,R2=0.991 2。

式中:C為標準曲線中黃酮的質量濃度/mg/mL;N為樣品稀釋的倍數;V為樣品定容的總體積/mL;m為樣品的質量/g。

1.3.9 淀粉體外消化能力的測定

淀粉的體外消化率根據參考文獻的方法[20]。

Y=0.787X-0.065R2=0.999

式中:Y為吸光度;X為樣品的還原糖質量濃度/mg/mL。

式中:C為標準曲線中β-葡聚糖的質量濃度/mg/mL;N為樣品稀釋的倍數;V為樣品定容的總體積/mL;m為樣品的質量/g。

根據實驗結果求出RDS、SDS和RS的質量分數,計算公式為:

式中:RDS為快速消化淀粉;SDS為慢速消化淀粉;RS為抗性淀粉;Gp為酶解前游離的葡萄糖質量/mg;G20為水解20 min后的葡萄糖質量/mg;G120為水解120 min后的葡萄糖質量/mg;TS為樣品中總淀粉的質量/mg。

1.3.10 直鏈淀粉與支鏈淀粉的測定

根據劉襄河等[21]的方法測定。

式中:m為樣品質量/g ;m1為直鏈淀粉質量/g;m2為支鏈淀粉質量/g。

1.3.11 生物可給率測定

參考王軍等[22]方法,采用2個階段體外模擬胃-腸液法[23]測定燕麥酵素粉中β-葡聚糖的生物可給率,收集透析袋中的消化產物測定β-葡聚糖總量:

1.3.12 體外抗氧化性能測定

清除ABTS+·活性的測定:取1 g燕麥粉樣品加入10 mL蒸餾水,搖勻后靜置1 h,過濾,取上清液備用。用7 mmol/L ABTS(用 5 mmol/L PBS,pH 7.4 ),加入過硫酸鉀最終濃度為 2.45 mmol/L,在室溫下黑暗放置 12～16 h。使用前把 ABTS溶液用 PBS 稀釋。取 8 μL 樣品,用磷酸緩沖液(5 mmol/L,pH 7.4)補至 12 μL,加入 200 μL ABTS 溶液, 30 ℃反應1 h。以去離子水為對照,在 734 nm下測定吸光度,計算樣品的ABTS+·清除能力[24]。

式中:A0為空白對照液的吸光度;A1為樣品測定管的吸光度;A2為樣品本底管的吸光度。

DPPH自由基活性的測定:稱取0.012 8 g DPPH加水溶解,定容,利用DPPH的溶液特征紫紅色團的吸收峰,用分光光度法測定加抗氧化劑提取液后,在波長517 nm處吸收的下降表示其對有自由基清除能力。樣品對DPPH自由基的清除能力SA為:

式中:A0為DPPH +體積分數80%乙醇溶液;Ai為DPPH+樣品溶液;Aj為樣品溶液+ 體積分數80%乙醇溶液。

取DPPH母液5 mL,加入樣品及參照液,定容,20 ℃恒溫30 min,于517 nm波長下測定吸光度[25]。半數清除率IC50:清除率達到50%時樣品質量濃度/mg/mL。

1.3.13 數據分析

依據公式進行計算,用Origin軟件處理,并采用SPSS統計分析方法進行單因素方差分析,Excel作圖,不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2 結果與討論

2.1 幾種處理對燕麥中淀粉含量及可溶性蛋白質含量的影響

淀粉和蛋白質是燕麥中主要的干物質,幾種處理對燕麥中的淀粉含量無明顯影響;擠壓膨化的高溫高壓激活了酶活性,使蛋白質酶水解程度加大,食物中組成、結構各異的蛋白質在受到壓力的作用時,蛋白質結構會受到破壞,誘導其展開重新聚集[22],發生十分復雜的化學變化,使蛋白質降解[5],導致蛋白質含量下降;微生物生長繁殖分解蛋白質成為氨基酸,從而導可溶性致蛋白質含量有所降低。實驗結果顯示(圖1):擠壓膨化耦合發酵后燕麥中可溶性蛋白質含量比對照顯著(P<0.05)降低了20.34%,比單純擠壓處理降低了15.95%,比單純微生物發酵降低了10.45%。

圖1 幾種處理對淀粉及蛋白質含量的影響

2.2 幾種處理對燕麥中β-葡聚糖含量及表觀黏度的影響

β-葡聚糖是由葡萄糖單位組成的多聚糖,廣泛存在于香菇、靈芝和燕麥等各種真菌與植物中,是它們發揮保健作用主要功效物質[26]。實驗結果顯示(圖2),擠壓膨化處理與發酵處理均可以提高燕麥中的β-葡聚糖含量,擠壓膨化可以通過高溫、高壓破壞細胞壁組織,而發酵過程中細胞壁基質被微生物代謝產生的酶所降解[7],分解、破壞燕麥細胞壁組織,從而使可溶性釋放組織內的β-葡聚糖,而且微生物在發酵過程中產生多糖,從而提高燕麥β-葡聚糖含量。擠壓膨化處理后,燕麥細胞壁組織被大量破壞,更容易微生物進入細胞內發酵,因此擠壓膨化耦合發酵后燕麥中β-葡聚糖含量比對照顯著(P<0.05)提高了30.86%,比單純擠壓處理提高了11.83%,比單純微生物發酵提高了15.67%。

圖2 幾種處理對β-葡聚糖含量、表觀黏度的影響

各種處理對燕麥粉的流變性也有所影響,其中擠壓膨化耦合發酵的復合處理的表觀表觀黏度值最低,比對照顯著(P<0.05)降低37.86%,比單純擠壓處理降低了24.68%,比單純微生物發酵降低了15.16%。可能是與β-葡聚糖分子量有關,流變學行為可能與擠壓過程中淀粉聚合物的降解有關,從而導致動態模量發生改變[9]。經過擠壓膨化的高溫高壓,再耦合微生物的分解作用,降低了淀粉的聚合度和β-葡聚糖分子量,從而導致復合處理后的燕麥粉的表觀表觀黏度的下降,說明了β-葡聚糖分子質量的大小與其溶液的表觀黏度呈正相關關系,這與龔玉圓等[27]研究一致。

2.3 幾種處理對燕麥中β-葡聚糖的生物可給率的影響

由圖3可見,擠壓過程包含高溫、高壓和剪切力的作用,在這些作用條件下,燕麥制品中 β-葡聚糖裂解斷裂,造成 β-葡聚糖裂解分子質量減小[22],燕麥粉物料物性發生了變化,由粉狀變成糊狀,淀粉發生糊化、裂解[28],有利于微生物的利用,燕麥部分組織經發酵過程中微生物的有效降解,從而提高了燕麥營養物質的生物利用率。復合處理后燕麥β-葡聚糖生物可給率比對照顯著(P<0.05)提高36.38%,比單純擠壓處理提高了12.15%,比單純微生物發酵提高了15.94%,提高了燕麥的營養價值。

圖3 幾種處理對β-葡聚糖生物可給率的影響

2.4 幾種處理對燕麥淀粉消化性的影響

根據淀粉的消化率,可分為快速消化淀粉(RDS)、慢速消化淀粉(SDS)以及抗性淀粉(RS),其中SDS和RS是低升糖食品,具有緩慢吸收,持續釋放能量,維持血糖穩態,預防和治療各種疾病的作用[29]。圖4表明,擠壓膨化、微生物發酵對三類淀粉均有所影響,擠壓膨化耦合發酵處理是物理處理結合生物處理,處理后的效果明顯(P<0.05)好于單純物理或生物處理,復合處理后燕麥的RDS比對照、單純擠壓處理和單純微生物發酵分別提高了13.58%、10.82%和12.73%; SDS比對照、單純擠壓處理和單純微生物發酵分別提高了22.42%、6.56%和10.87%;RS比對照、單純擠壓處理和單純微生物發酵分別降低了24.23%、17.16%和19.18%,且RS降低幅度大大高于RDS升高幅度,也高于SDS的升高幅度,說明復合處理擠壓處理使得燕麥種皮更加破碎,對淀粉顆粒內部的氫鍵破壞程度較大,糊粉層細胞破裂[22],大幅降低了RS含量,使淀粉更易被酶水解,消化速率加快[30]。

圖4 幾種處理對淀粉消化性的影響

2.5 幾種處理對燕麥中直鏈淀粉與支鏈淀粉比例的影響

直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例及其結構組成對淀粉消化性也有一定的影響。一般來說,直鏈淀粉含量越高,淀粉的消化性越好[31]。圖5顯示,復合處理燕麥中直鏈淀粉含量比對照顯著(P<0.05)降低了21.11%,比單純擠壓處理降低了11.07%,比單純微生物發酵降低了15.58%;支鏈淀粉含量比對照顯著(P<0.05)降低了34.17%,比單純擠壓處理降低了14.89%,比單純微生物發酵降低了23.37%,支鏈淀粉:直鏈淀粉比對照顯著(P<0.05)降低了16.67%,比單純擠壓處理降低了5.17%,比單純微生物發酵降低9.84%,說明通過擠壓膨化耦合發酵處理,燕麥中支鏈淀粉的含量大大降低,淀粉的消化性得到較大提升。

圖5 幾種處理對直鏈淀粉、支鏈淀粉的影響

2.6 幾種處理對燕麥中多酚含量、黃酮含量的影響

燕麥含有豐富的抗氧化物質,其中絕大部分為酚類物質,如總酚和黃酮。多酚類化合物的結構中含有羥酚基,而酚羥基是良好的電子供體,具有很好的抗氧化性;同時,在參與抗氧化反應后,多酚會產生游離基,這些游離基中間體性質穩定,相互作用會產生新的仍具有抗氧化性的酚類物質,如此可不斷循環下去[32]。全谷物中的多酚有游離態、可溶結合態和不溶結合態3種形式,結合態的多酚主要與細胞壁中的纖維素、果膠和多糖等組分以酯鍵結合[33],實驗結果顯示(圖6),擠壓膨化處理與發酵處理均可以提高燕麥中的多酚及黃酮含量,可能是由于熱處理和微生物的生長繁殖能將結合態的多酚被降解為游離態多酚,從而提高了多酚含量。其中以擠壓膨化耦合發酵處理有雙重作用疊加,效果最佳,比對照分別顯著(P<0.05)提高了28.98%和37.83%,比單純擠壓處理分別提高了17.88%、17.69%,比單純微生物發酵分別提高了17.69%、8.50%。

圖6 幾種處理對多酚含量、黃酮含量的影響

2.7 幾種處理對燕麥體外抗氧化性能的影響

由圖7可見,實驗采用的幾種處理均可以一定程度提高燕麥的體外抗氧化能力,其中擠壓膨化耦合發酵的復合處理DPPH自由基和ABTS自由基的IC50值均最低, DPPH自由基和ABTS自由基的IC50值分別比對照顯著(P<0.05)降低38.68%、31.67%,比單純擠壓處理降低了19.06%、11.95%,比單純微生物發酵降低了23.21%、17.07%。說明這種復合處理可以更好地釋放燕麥中的抗氧化物,從而提高燕麥的抗氧化能力。

圖7 幾種處理對抗氧化性能的影響

3 結論

通過擠壓膨化耦合發酵的處理,燕麥中淀粉總量沒有明顯變化,蛋白質由于被分解成氨基酸而降低,β-葡聚糖含量和生物利用率均有顯著提升(P<0.05),表觀表觀黏度降低,顯著增強(P<0.05)了淀粉的消化性,顯著提高(P<0.05)了燕麥中的多酚及黃酮的含量,有效提升了燕麥的抗氧化能力。