脫脂前熱處理對芝麻粕活性物質(zhì)及體外抗氧化能力的影響

權化麗,李文輝,梁欣梅,付桂明,萬茵

(南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室,食品學院,江西 南昌,330047)

芝麻(SesamumindicumL.)是重要的油料作物,含有不飽和脂肪酸、蛋白質(zhì)、維生素、微量元素和抗氧化劑等多種營養(yǎng)成分,對預防心血管疾病有著積極作用且具有潛在的抗氧化作用[1-2]。芝麻粕是芝麻制油的副產(chǎn)物,富含蛋白質(zhì)、木脂素、酚類化合物等[3]。國內(nèi)芝麻餅粕的年產(chǎn)量在50萬t以上,主要用于飼料或肥料,甚至被丟棄,造成很大的浪費[3-4]。芝麻粕的深加工和綜合利用研究對于提高芝麻資源利用率,延長相關產(chǎn)業(yè)鏈均具有重要意義。

熱處理作為芝麻制品加工中的重要一步,會對芝麻的風味、生物活性物質(zhì)和抗氧化能力等造成影響[2],制油過程中主要采用電加熱轉(zhuǎn)筒焙炒方式,油浴及微波熱處理方式也逐漸受到關注,具有良好的應用前景[5-6]。油浴加熱方式具有熱傳導性好的優(yōu)勢；烤箱烘焙[7]是食品加工中常用的熱處理方式之一,主要利用電元件的輻射熱來加熱食品；微波加熱是相對較新的加熱方式,因其高效快速的特點深受消費者喜愛[8]。研究表明,熱處理方式的不同可能會帶來不同的影響[9-10]。羅凡等[11]研究榨前微波處理對油茶粕中多種活性成分含量及抗氧化能力的影響,發(fā)現(xiàn)微波功率的增大會提高總酚含量,且不同功率的DPPH自由基清除率存在差異。CHEN等[2]發(fā)現(xiàn)芝麻中木脂素的含量和抗氧化活性受溫度和時間的影響很大,芝麻酚含量隨熱處理溫度的升高不斷增加,240 ℃熱處理20 min時顯示出最強的抗氧化綜合能力。

目前對芝麻的熱處理研究主要集中在芝麻油的品質(zhì)上[12-13],也有部分對芝麻粕進行研究[14-15],但當前關于油浴加熱、烤箱烘焙和微波加熱等3種熱處理方式對芝麻中芝麻粕木脂素含量及體外抗氧化活性影響的研究較少。因此,本文針對油浴加熱、烤箱烘焙和微波加熱等3種熱處理方式,設定不同的溫度梯度,研究木脂素、總酚、總黃酮含量和體外抗氧化活性的變化及它們之間的相關性,以期為改善芝麻熱處理加工方法,獲取高質(zhì)量的芝麻副產(chǎn)物提供理論研究基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料與試劑

黑芝麻(贛芝2號),購自當?shù)爻校恢ヂ榉印⒅ヂ樗亍⒅ヂ榱炙亍]食子酸、奎諾二甲基丙烯酸酯(Trolox)、蘆丁,均為分析標準品(純度≥98.0%),1,1-二苯基-2-苦肼基自由基(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)、2,4,6-三吡啶基三嗪(2,4,6-tripyridin-2-yl-1,3,5-triazine,TPTZ)、2,2-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(2,2′-azinobis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid ammonium salt),ABTS)(純度≥97.0%),上海阿拉丁生化科技股份有限公司；正己烷、冰乙酸、無水乙酸鈉、鹽酸、FeCl3、K2S2O8均為分析純,西隴化工股份有限公司。

1.1.2 儀器與設備

DFY-500粉碎機,天津市泰斯特儀器有限公司；CKF-25B長帝電烤箱,佛山市偉仕達電器實業(yè)有限公司；DF-101Z集熱式恒溫加熱磁力攪拌器,鄭州市亞榮儀器有限公司；M1-L213C美的多功能微波爐,廣東美的廚房電器制造有限公司；FA1604分析電子天平,上海精密科學有限公司；RE-2000A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器,上海亞榮生化儀器廠；DHG-9053電熱恒溫鼓風干燥箱,上海三發(fā)科學儀器有限公司；KQ-400KDE超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司；Waters e2695高效液相色譜儀,美國Waters公司；TU-1900雙光束紫外可見分光光度計,北京普析通用儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 芝麻預處理

油浴加熱處理：取80 g黑芝麻放入500 mL預熱燒瓶中,分別在130、150、170、190、210 ℃下攪拌加熱30 min；烤箱烘焙處理：取80 g黑芝麻均勻平鋪在烤盤上,分別在130、150、170、190、210 ℃下熱處理30 min；微波加熱處理：取80 g黑芝麻均勻平鋪在瓷盤中,分別在210、350、560、700 W下微波處理16 min。

分別將上述加熱處理后的黑芝麻樣品冷卻、粉碎,4 ℃儲藏備用。

1.2.2 出油率和芝麻粕得率的測定

參考LIN等[16]的方法并略作修改,將15 g芝麻粉和400 mL正己烷混合,在黑暗條件下磁力攪拌浸提12 h。抽濾,濾液經(jīng)減壓蒸發(fā),干燥稱質(zhì)量后得芝麻油[17]。取殘渣置于40 ℃鼓風干燥箱中干燥14 h,得到脫脂芝麻粕,干燥器內(nèi)儲藏備用。出油率和芝麻粕得率分別按公式(1)(2)計算：

(1)

(2)

1.2.3 活性物質(zhì)的提取

活性物質(zhì)的提取參考AHMED等[18]的方法,0.3 g脫脂芝麻粕和10 mL體積分數(shù)80%的甲醇混合,400 W超聲提取30 min,4 000 r/min離心20 min,上清液過0.45 μm濾膜后,置于4 ℃?zhèn)溆谩?/p>

1.2.4 木脂素含量的測定

將1.2.3提取液過0.22 μm濾膜后進行高效液相色譜檢測。色譜條件：色譜柱為Waters Symmetry C18(4.6 mm×250 mm×5 μm),流動相A為水,B為甲醇；洗脫梯度：0～8 min,55% A；8～10 min,55%～25% A；10～24 min,25%～30% A；24～27 min,30%～55% A；27～32 min,55% A；進樣量5 μL,柱溫35 ℃,流速0.8 mL/min。在295 nm波長下檢測芝麻酚,287 nm波長下檢測芝麻素和芝麻林素。

1.2.5 總酚含量的測定

總酚含量通過福林酚法進行測定[19],100 μL提取液、400 μL蒸餾水和100 μL福林酚溶液混合放置6 min；加入1 mL 70 g/L的Na2CO3和800 μL蒸餾水后反應90 min,于波長760 nm檢測；以沒食子酸為對照品繪制標準曲線,總酚含量以每克樣品相當于沒食子酸的質(zhì)量(mg)表示(mg/g)。

1.2.6 黃酮含量的測定

黃酮含量測定參考CHEN等[20]的方法并略做修改,200 μL提取液、400 μL蒸餾水和100 μL 5%的NaNO2混勻放置6 min；再加入200 μL的10% AlCl3溶液反應6 min；加入500 μL的1 mol/L NaOH溶液和200 μL蒸餾水后于510 nm進行檢測。以蘆丁為對照品,根據(jù)標準曲線計算每克樣品相當于蘆丁的質(zhì)量(mg),單位為mg/g。

1.2.7 體外抗氧化能力的測定

1.2.7.1 DPPH自由基清除能力的測定

將提取液稀釋至合適濃度,取200 μL和800 μL的0.1 mmol/L DPPH溶液混合,避光反應30 min后,于波長517 nm進行檢測[21]。以Trolox為對照品繪制標準曲線,濃度適用范圍為4～100 μmol/L,DPPH自由基清除能力結果表示為對應的Trolox當量(μmol/g)。

1.2.7.2 ABTS陽離子自由基清除能力的測定[22]

將192 mg的ABTS和33 mg的K2S2O8溶于水中并定容至50 mL,避光放置12 h得到ABTS母液,將母液用PBS稀釋至在波長734 nm處吸光度為(0.70±0.02),即為ABTS工作液。取稀釋后的10 μL樣品溶液和140 μL的ABTS工作液混勻放置6 min,于波長734 nm處檢測。以Trolox為對照品繪制標準曲線,濃度適用范圍為10～400 μmol/L,ABTS陽離子自由基清除能力結果表示為對應的Trolox當量(μmol/g)。

1.2.7.3 FRAP鐵離子還原能力的測定[23]

將0.3 mol/L的乙酸鈉緩沖溶液(pH 3.6)、10 mmol/L的TPTZ溶液(溶于40 mmol/L HCl溶液)和20 mmol/L的FeCl3溶液以10∶1∶1的體積比例混合制備FRAP工作液,現(xiàn)用現(xiàn)配。100 μL樣液和1.8 mL FRAP工作液充分混合后于37 ℃孵育10 min,并于波長593 nm處檢測。以Trolox為對照品繪制標準曲線,濃度適用范圍為20～1 200 μmol/L,FRAP鐵離子還原能力結果表示為對應的Trolox當量(μmol/g)。

1.2.7.4 抗氧化綜合能力[2]

抗氧化綜合能力根據(jù)公式(3)計算：

抗氧化綜合能力/%=

(3)

1.2.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有的實驗均設置3個平行,結果表示為平均值±標準差。實驗數(shù)據(jù)用Origin 2017作圖,用SPSS 17.0的Duncan法進行差異顯著性分析(P<0.05),Pearson相關性分析活性物質(zhì)成分與體外抗氧化能力間的相關性。

2 結果與分析

2.1 熱處理方式對芝麻出油率和芝麻粕得率的影響

表1列出了不同熱處理方式下芝麻的出油率和芝麻粕得率。與生芝麻相比,熱處理能夠增加芝麻的出油率和芝麻粕的得率,這歸因于水分的蒸發(fā),但不同熱處理方式間的得率無顯著性差異(P>0.05)。

表1 不同熱處理方式對芝麻出油率和芝麻粕得率的影響

2.2 熱處理方式對芝麻粕中木脂素含量的影響

圖1-a為芝麻酚、芝麻素和芝麻林素標準品的高效液相色譜圖,芝麻酚的標準曲線為y=25 494x+83.814,R2=0.999 8；芝麻素的標準曲線為y=15 649x+2 484.4,R2=0.999；芝麻林素的標準曲線為y=16 146x-4 329.4,R2=0.999 8,三者的線性范圍分別為0～40 μg/mL、1～40 μg/mL和1～40 μg/mL。圖1-b為樣品對應的液相色譜圖。

a-木脂素標準品；b-樣品

木脂素是芝麻粕中抗氧化劑的豐富來源之一[2],熱處理后芝麻粕中木脂素含量變化見表2。3種熱處理方式下芝麻酚含量均隨著處理溫度或功率的增加而顯著升高,且油浴處理相較于烤箱和微波處理有更顯著的效果,油浴210 ℃時芝麻酚達最高含量517.25 μg/g。這是由于在溫度較高時,芝麻林素及木脂素糖苷等會轉(zhuǎn)化生成芝麻酚[24]；另外,油浴處理效果比另外2種方式更顯著,可能與其良好的熱傳導效果有關。與芝麻酚相同,芝麻素的含量隨著油浴溫度升高亦不斷增加,微波處理也在一定程度上增加了芝麻素的含量,而烤箱處理對芝麻素含量影響較小。這可能是由于芝麻素本身熱穩(wěn)定性較好,油浴和微波熱處理方式對細胞結構損壞程度較大,使得芝麻素的提取率更高，同時芝麻素與表芝麻素之間的異構體轉(zhuǎn)化也會影響芝麻素含量的檢測結果[25]。不同于芝麻酚和芝麻素的含量變化,芝麻林素的含量隨油浴溫度升高呈明顯的先上升后下降趨勢,此變化趨勢在烤箱和微波熱處理中也得到呈現(xiàn)。推測芝麻林素含量的升高與細胞破損導致的高提取率有關,但隨溫度繼續(xù)升高,芝麻林素含量下降,可能是受熱轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)所致[20]。

表2 不同熱處理方式對芝麻酚、芝麻素及芝麻林素含量的影響 單位：μg/g

2.3 熱處理方式對芝麻粕中總酚含量的影響

酚類是芝麻粕的內(nèi)源性抗氧化劑之一,熱處理對芝麻粕的總酚含量影響結果如圖2所示。3種熱處理方式均在一定程度上提高了芝麻粕中總酚的含量,每種方式中總酚含量的最大值均出現(xiàn)在溫度或功率最高時,三者的影響效果：油浴加熱>微波加熱>烤箱烘焙。油浴150 ℃以下及烤箱190 ℃以下熱處理對總酚含量影響不大,隨溫度進一步升高,總酚含量出現(xiàn)顯著性升高。總酚含量隨微波功率的不斷增大呈現(xiàn)出明顯的升高趨勢。AHMED等[18]對比了烘焙溫度和時間對不同地區(qū)的芝麻理化特性的影響時發(fā)現(xiàn),芝麻種子的總酚含量隨烘焙程度增加,并且在220 ℃烘焙的樣品中總酚含量達最大值,與本研究結果一致。熱處理造成的細胞破損、細胞基質(zhì)的降解、結合酚的轉(zhuǎn)化和游離酚的釋放在一定程度上可以解釋熱處理后酚類含量增加的現(xiàn)象[18,26]。

圖2 不同熱處理方式對脫脂芝麻粕總酚含量的影響

2.4 熱處理方式對芝麻粕中總黃酮含量的影響

黃酮類化合物是植物中重要的活性物質(zhì),其含量隨熱處理的變化情況見圖3。3種熱處理方式對芝麻粕中黃酮含量的影響結果并不一致。其中,油浴溫度170 ℃以下處理、微波加熱處理時,總黃酮含量基本保持不變；總黃酮含量隨烤箱烘焙溫度的不斷升高呈顯著下降趨勢,與CHEN等[20]的研究結果一致,可能與熱敏性物質(zhì)的損失相關。而油浴溫度高于170 ℃時,總黃酮含量出現(xiàn)上調(diào)趨勢,并且210 ℃油浴加熱處理時達到最大值6.01 mg/g,推測與細胞結構破損導致的高提取率有關[27]。與該結果類似的是,LIN等[16]發(fā)現(xiàn)在150、180或200 ℃烘焙5 min的脫脂杏仁中黃酮含量顯著下降,之后隨烘焙溫度和時間的持續(xù)增加,黃酮含量也相應增加。

圖3 不同熱處理方式對脫脂芝麻粕總黃酮含量的影響

2.5 熱處理方式對芝麻粕體外抗氧化能力的影響

3種熱處理方式對抗氧化能力的影響存在差異。其中,抗氧化能力隨加熱溫度或微波功率的增大而增強,并且油浴處理較其他2種方式對抗氧化能力的影響更為顯著。由圖4-a可知,隨油浴溫度的升高,DPPH清除自由基能力不斷提高；190 ℃以下烤箱烘焙處理對DPPH自由基清除能力的影響較小,210 ℃時清除能力有了顯著的提高；微波處理的影響與烤箱處理類似,在700 W時DPPH清除能力表現(xiàn)出大幅度提升。ABTS陽離子自由基清除能力的趨勢與DPPH自由基清除能力一致(圖4-b)。圖4-c中顯示,FRAP鐵離子還原能力的趨勢與上述自由基清除能力略有不同,FRAP鐵離子還原能力隨烤箱烘焙溫度升高呈略下降后上升趨勢。但DPPH、ABTS陽離子自由基清除能力和FRAP鐵離子還原能力3者的最大值都出現(xiàn)在210 ℃油浴處理時,分別為31.31、204.00 和35.15 μmol/g。抗氧化綜合能力最高值95.45%也同樣出現(xiàn)在210 ℃油浴處理時,表明高溫能顯著提升脫脂芝麻粕的抗氧化綜合能力(圖4-d)。據(jù)報道,木脂素、多酚、黃酮等生物活性物質(zhì)是功能食品的可能抗氧化劑來源[28],熱處理過程中生物活性物質(zhì)的變化會引起抗氧化能力的變化。同時本研究觀察到溫度升高引起了褐變程度的加深,而熱處理過程中生成的美拉德產(chǎn)物也能增強抗氧化能力[18]。

圖4 不同熱處理方式對脫脂芝麻粕體外抗氧化能力的影響

2.6 活性物質(zhì)含量與體外抗氧化能力之間的相關性

酚類和木脂素是芝麻粕中的重要活性物質(zhì),并與抗氧化能力相關[27-28]。對活性物質(zhì)含量與體外抗氧化能力間進行Pearson相關性分析,結果如表3所示。總酚、總黃酮與體外抗氧化能力之間的相關系數(shù)r>0.66,且總酚與抗氧化能力的相關性相對較高(r>0.95)；芝麻酚、芝麻素與體外抗氧化能力之間的相關性系數(shù)r>0.90,呈現(xiàn)出顯著的正相關；而芝麻林素與ABTS陽離子自由基清除能力間無顯著相關性(P>0.05),與其他體外抗氧化能力的相關系數(shù)在-0.63～-0.58,表現(xiàn)為負相關。

表3 活性物質(zhì)含量與體外抗氧化能力之間的相關性

有研究發(fā)現(xiàn)總酚和總黃酮與抗氧化能力呈顯著的正相關[29],芝麻酚與抗氧化能力同樣也呈現(xiàn)正相關[20],而芝麻林素與抗氧化能力之間無明顯相關性[30],與本文的研究結果一致。

3 結論與討論

研究發(fā)現(xiàn)不同熱處理方式對芝麻粕中木脂素、總酚、總黃酮及抗氧化活性的影響不同,并且物質(zhì)與抗氧化活性間呈現(xiàn)出一定的相關性。一方面,熱處理的溫度提高了芝麻酚的含量,其中油浴處理對芝麻酚含量的影響比烤箱和微波處理更突出；其次,油浴及微波處理在一定程度上增加芝麻素的含量,但烤箱處理對芝麻素含量影響較小；特別強調(diào)的是,3種熱處理方式中的芝麻林素含量隨溫度、功率的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。另一方面,在溫度較高時,油浴處理對總酚含量的影響高于烤箱處理和微波處理。然而,黃酮含量卻隨著油浴溫度的增加呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢。另外,油浴處理的抗氧化綜合能力顯著高于其他2種方式,并且在210 ℃油浴處理時達到最高值(95.45%)。本研究為芝麻副產(chǎn)物的應用提供參考,后期將深入研究活性物質(zhì)及抗氧化能力的變化機制,為芝麻粕的綜合利用提供更為詳盡的理論依據(jù)。