半脫脂花生加工過程中品質特性變化規律的研究

陳奕穎， 焦 博， 胡 暉， 伏威銘， 李 薇， 任廣躍， 王 強

(河南科技大學食品與生物工程學院1，洛陽 471000) (中國農業科學院農產品加工研究所；農業農村部農產品加工綜合性重點實驗室2，北京 100193)

花生(ArachishypogaeaLinn.)是我國主要的經濟作物和油料作物之一[1,2]。花生中脂肪質量分數為38%～60%，蛋白質質量分數約為30%，含有8種必需氨基酸[3-5]，富含VE、白藜蘆醇等生物活性成分，民間稱“長生果”[6-9]。由花生制成的休閑食品如油炸花生、烘烤花生等因其風味獨特、營養豐富，深受消費者喜愛[8,9]，然而此類休閑食品存在高脂肪、高熱量等缺陷，長期食用會導致肥胖和誘發多種慢性疾病[10-16]，不能滿足當代消費者對于營養健康飲食的需求。在降低花生食品中脂肪含量的同時，兼顧最終花生產品的外觀、質構、口感和營養健康，是相關食品科技工作者長期以來致力解決的難題。

當前，對于部分脫脂的花生休閑食品加工工藝主要有兩大類，即有機溶劑浸出法和物理壓榨-復形法。其中有機溶劑浸出法提取花生中的油脂后，得到的花生仁顆粒完整、無破碎，但是此方法操作復雜、成本高，提油后花生蛋白質變性、且萃取液不能完全脫除，食用殘留有機試劑的花生對人體健康有潛在危害[17]；而物理壓榨是一種應用廣泛的脫脂方法，即通過外界壓力將脂肪從物料中分離出來，花生脫脂后形狀呈不規則扁平狀，經泡發、蒸煮可制得半脫脂花生，此方法具有工藝簡單、無殘留、營養成分不受破壞等優點[18-20]，更符合綠色、環保、健康的食品加工理念。然而脫脂復形后的花生由于脂肪、蛋白質和水分含量較高，易在加工、儲運期間被微生物污染，嚴重影響產品的感官品質和衛生安全。而干燥可降低花生水分含量和水分活度，有效抑制酶活及微生物生長，且干燥后產品具有品質穩定性高、保質期長等優點。目前花生制品常見的干燥方法有自然風干、熱風干燥、微波干燥等。其中微波干燥是一種依靠電磁波，通過分子振動從物料內部加熱的干燥方法，具有干燥速率快、能耗低和產品品質高等優點[21]。在干燥過程中，隨著花生內部水分的遷移及散失、脂肪和蛋白氧化、變性，各成分所占比例、組織結構等逐漸發生變化，這些變化相互影響并最終決定加工產品的品質。

目前有關半脫脂花生的研究大都集中在制備工藝的探索和優化上[18-20,22,23]，然而不同加工手段的選擇、不同工段的工藝參數都會對半脫脂花生的最終品質產生影響。有研究報道物理半脫脂花生加工工藝，制得的半脫脂花生產品顆粒完整、口感酥脆[22]。因此本實驗針對半脫脂花生加工過程中脫脂、復形、干燥主要工藝對半脫脂花生品質特性的影響開展了系列研究，并采用激光共聚焦顯微鏡(CLSM)和低場核磁共振(LF-NMR)對微觀結構和干燥過程水分遷移規律進行了深入探索，擬為半脫脂花生生產中品質的精準調控提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

脫紅衣花生仁，脂肪含量為(51.02±0.23)g/100 g；總糖試劑盒，石油醚、硫酸、硫酸銅、硫酸鉀、鹽酸、硼酸等均為分析純。

1.2 儀器與設備

HE53鹵素水分測定儀，SOX406全自動脂肪測定儀，K1100全自動凱氏定氮儀，CPS-240A紫外分光光度儀，NMR-2011低場核磁共振儀，TCS-SP8激光共聚焦顯微鏡，C21-SX810電磁爐，液壓榨油機和微波干燥箱均為定制。

1.3 實驗方法

1.3.1 半脫脂花生的制備

半脫脂花生：將花生壓榨50 min，得脫脂率為(54.87±0.29)%的脫脂花生；之后利用飲用純凈水水煮復形脫脂花生10 min，得復形半脫脂花生；然后使用微波干燥箱將復形半脫脂花生在功率3 kW下進行干燥處理，得干燥半脫脂花生；干燥過程中每隔1 min停機取樣進行稱重，當含水量降至2%以下即為干燥終點。對照組：脫脂步驟中以未脫脂原料花生樣品為對照，復形和干燥步驟中以未脫脂花生做相同處理后的樣品為對照。

1.3.2 品質特性的測定1.3.2.1 脂肪含量的測定

參照GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》[24]第一法，采用全自動脂肪測定儀測定樣品的脂肪含量。

1.3.2.2 蛋白含量的測定

參照GB 5009.5—2016《食品中蛋白質的測定》[25]第一法，采用全自動凱氏定氮儀測定樣品的蛋白質含量。

1.3.2.3 總糖含量的測定

采用3,5-二硝基水楊酸比色法[26]，使用總糖試劑盒測定花生樣品中的總糖含量。

1.3.2.4 脂肪含量、蛋白含量、總糖含量變化率的計算

脂肪含量、蛋白含量、總糖含量變化率的計算公式見式(1)。

(1)

式中：X為脂肪含量、蛋白質含量、總糖含量變化率/%；x1、x2分別為處理前和處理后樣品的脂肪含量、蛋白含量、總糖含量/g/100 g。

1.3.2.5 樣品微觀結構的觀察

參照曹曉雨[27]花生微觀結構的觀察方法，將花生樣品預切片至2 mm×3 mm，用戊二醛固定液固定，在4 ℃冰箱保存48 h后二次切片至1 mm×2 mm；然后用0.02%異硫氰酸熒光染色劑(FITC，激發波長488 nm)避光染色15 min后，用pH 7.4的磷酸鹽緩沖溶液(PBS)沖洗，再用0.01%尼羅紅溶液(Nile red，激發波長530 nm)避光染色15 min，PBS沖洗后蓋上蓋玻片，上鏡觀察。

1.3.3 干燥特性的測定

花生含水量的測定參考GB 5009.3—2016《食品中水分的測定》方法[28]，采用鹵素水分測定儀測定。干燥速率計算公式見式(2)。

(2)

式中：DR為干燥速率/g/(g·min)；M1、M2分別為t1、t2時刻樣品的含水量/g/100 g；t1、t2為取樣時間/min。

1.3.4 LF-NMR實驗

參照渠琛玲等[29]低場核磁共振測定花生仁含水率的方法，將花生樣品裝入50 mL離心管中，放置在低場核磁共振分析儀永磁場中心位置的射頻線圈中心，利用Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脈沖序列進行掃描，測定樣品的自旋-自旋弛豫時間T2。參數設置：主頻SF1=23 MHz，偏移頻率O1=299.721 41 kHz，采樣點數TD=350 028，采樣頻率SW=250 kHz，采樣間隔時間TW=2 500 ms，回波時間Echo Time=280 μs，累加次數NS=4。

1.4 數據分析

本實驗數據采用Excel軟件進行數據整理，采用Minitab18.0軟件對數據進行顯著性差異分析，采用Prism和Origin 2021軟件繪圖。所有實驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 半脫脂花生加工過程中營養成分的變化

半脫脂花生加工過程中營養成分的變化結果見圖1。半脫脂花生脂肪含量在整個加工過程中呈逐漸降低的趨勢。花生經脫脂處理脂肪含量降低了(28.48±1.34)%、蛋白含量增加了(53.69±0.28)%、總糖含量增加了(59.49±2.03)%(P<0.05)，這是因為脂肪含量的減少導致半脫脂花生中蛋白含量和總糖含量相對增加。經復形處理后花生脂肪含量、蛋白含量少量降低，但與脫脂處理相比此變化無顯著性差異(P>0.05)，因為在水煮復形過程中少量蛋白、糖類等物質分散在水中造成了損失；但是復形過程中半脫脂花生蛋白含量和總糖含量的損失率大于對照組(表1)，這可能由于壓榨脫脂導致半脫脂花生內部孔隙增多，經復形處理細胞內物質更易溶于水中而損失。而干燥處理后半脫脂花生和對照組花生總糖含量均有明顯升高(P<0.05)，因為在微波干燥過程中部分非還原糖轉化為還原糖，這與姚隆洋[30]、Hymavathi等[31]的研究結果一致。

注：圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05)，相同字母表示差異不顯著(P<0.05)。圖1 半脫脂花生加工過程中營養成分含量的變化

表1 半脫脂花生加工過程中營養成分變化率

2.2 半脫脂花生加工過程中微觀結構的變化

半脫脂花生加工過程中微觀結構的變化如圖2所示。如圖2A、圖2a，花生原料細胞呈圓形、橢圓形或類似圓形的多邊形緊密的排列在一起，細胞內以油脂體(紅色)為主，蛋白體(綠色)零星分散在細胞中[32,33]。經脫脂處理半脫脂花生細胞內出現了不規則孔洞，蛋白體聚集在一起，并有少量細胞壁被擠壓破裂的現象(圖2B、2b)。

注：A、B表示放大倍數為原始尺寸20倍的細胞視野，a、b表示放大倍數為原始尺寸40倍的細胞視野。圖2 半脫脂花生加工過程中CLSM微觀結構圖

經復形處理，半脫脂花生和對照組花生細胞內出現了明顯的孔洞，孔洞均呈圓形或橢圓形(圖2A1、圖2a1、圖2B1、圖2b1)，這是由于脫脂和復形處理，細胞發生變形或出現破裂，使得水分進入細胞占據了油脂被擠出后留下的孔隙，因為水的表面張力所以呈現類似圓形狀；同時半脫脂花生胞內孔洞相對于脫脂后明顯變大、細胞壁破損加劇，這也是導致復形過程中蛋白、脂肪和糖類等物質更易溶出的原因。而且半脫脂花生細胞內蛋白體聚集現象也更明顯，并緊貼在細胞壁周圍(圖2B1、圖2b1)，這是因為復形后的細胞中含有大量水分，糖類蛋白等物質交織在一起吸水膨脹聚合并將油脂體包裹在中心。同時可以觀察到細胞內蛋白體和油脂體分布不均勻的現象，這是因為花生擠壓脫脂過程中，每個細胞中的油脂不是被均一的擠出，這可能會導致后期干燥過程中干燥不均勻等現象。

經干燥處理的半脫脂花生相較于復形后胞內孔洞明顯變大，蛋白聚集現象進一步加劇，并可以更明顯觀察到細胞壁的破損(圖2B2、圖2b2)，這是因為微波干燥過程中，分子振動會造成物料崩裂等情況，隨著水分的流失、蛋白網絡結構收縮，從而造成蛋白體聚集、細胞壁破損加劇的現象。盧映潔等[34]在帶殼鮮花生的熱風干燥過程中同樣發現了干燥后的花生結構變形和孔隙率增多的現象。

2.3 半脫脂花生的微波干燥特性與水分遷移規律

半脫脂花生在微波功率3 kW下的干燥曲線和干燥速率曲線如圖3所示。半脫脂花生復形后的水分含量明顯高于對照組花生，半脫脂花生和對照組花生的水分含量均隨著微波干燥時間的增加逐漸降低，半脫脂花生達到干燥終點用時10 min，對照組花生用時8 min。半脫脂花生的微波干燥過程分為升速干燥階段和降速干燥階段(圖3b)，在干燥初期，由于物料的水分含量較高，需要吸收較多的微波能才能達到質熱傳遞的臨界點[35,36]，因此半脫脂花生和對照組花生干燥速率較慢；隨著干燥時間的增加，樣品內部分子振動加快，微波干燥箱內溫度逐漸升高，水分遷移速度也逐漸加快，樣品失水量迅速增多，干燥速率達到最大值，馬錦等[37]對山核桃的微波干燥特性進行研究也得到了相同的結論。

圖3 半脫脂花生的干燥曲線和干燥速率曲線

干燥速率達到最大值后，干燥進入降速階段，這是因為半脫脂花生干燥階段是一個不斷失水的過程，通過營養成分變化和CLSM微觀結果發現，半脫脂花生營養成分的相對含量、孔隙率及內部組織結構排布等均與對照組花生不同。隨著失水量的增加，花生發生不同程度的收縮，水分擴散阻力變大，從而影響了半脫脂花生干燥過程中的水分遷移，使得失水速率逐漸降低，這與楊慧等[38]對花生干燥特性與水分遷移的影響研究結果相符。

花生樣品T2馳豫圖譜中共有4個馳豫峰T21、T22、T23和T24分別對應著弛豫時間0.1、1、10、100 ms。T2反演譜的不同波峰代表不同狀態的氫質子，T2值越小，則對應水分子的結合度越高，自由度越低，在加工過程中越難被排除[39,40]。如圖4a可知，脫脂后花生的核磁共振弛豫峰主要有3個波峰(T21、T22、T24)，水分以強結合水和弱結合水的方式存在，同時可以觀察到半脫脂花生T24油脂峰峰面積明顯小于對照組，這與化學法測定花生脂肪含量的結果一致。這是因為花生仁內部氫質子來源除了水分子外，還有油脂分子，當花生處于完全脫水(恒重)狀態時，弛豫譜主要反映花生脂肪中氫質子的貢獻[39]。

圖4 脫脂后、復形后、干燥后半脫脂花生橫向弛豫時間反演圖

由圖4b可見，經復形處理的半脫脂花生弛豫峰主要有3個波峰(T21、T22、T23)，半脫脂花生的水分以大量自由水和少量結合水的方式存在。這是由于花生復形過程中，大量自由水進入細胞內，占據被擠出脂肪的位置，這部分水分可在細胞間流動，因此表現為半脫脂花生自由水含量明顯增加。復形后半脫脂花生的T23和T24峰有重疊，半脫脂花生在弛豫時間10-100 ms處有明顯的T23峰，而對照組花生在弛豫時間100 ms處有明顯的T24峰，這是因為當自由水與油脂弛豫時間很接近(或甚至重疊)，且二者含量都很高，無法同步獨立地測量水和脂肪共振弛豫響應[29,40]，因此復形后半脫脂花生T2譜無明顯的油脂峰，李潮銳等[40]在對鮮花生T2圖譜的分析中也證實了此論點。

干燥后半脫脂花生的橫向弛豫圖譜如圖4c所示。經干燥處理花生中的弱結合水和強結合水峰面積均減少，無明顯自由水弛豫峰。這是由于花生在干燥過程中散失的水分主要是自由水和部分弱結合水，隨著水分的散失，花生內部水分自由度降低，流動性減弱[39-42]，這可能是導致干燥后期速率降低的原因。同時干燥后半脫脂花生的T24油脂峰峰面積也明顯小于對照組，同樣與化學法測定花生脂肪含量的結果一致。

3 結論

本研究從微觀層面解釋了半脫脂花生加工過程中營養成分含量變化的原因，并明晰了半脫脂花生微波干燥速率及水分遷移與微觀結構變化的關系。結果表明，脫脂后花生的脂肪含量顯著減少、蛋白和總糖含量顯著增加；無論花生脫脂與否，復形處理均會降低其總糖含量而干燥處理會增加其總糖含量。通過觀察半脫脂花生微觀結構在加工過程中的變化，發現其細胞內脂肪體減少、蛋白體聚集、孔洞明顯增多，復形和干燥后的半脫脂花生胞內孔洞進一步增大、細胞壁破裂加劇、蛋白體聚集更緊密。同時由于孔洞較多，復形后半脫脂花生的水分含量顯著高于未脫脂花生。花生的微波干燥過程分為升速階段和降速階段，且半脫脂花生的干燥速率顯著高于未脫脂花生，推測與半脫脂花生孔洞較多有關。