干燥方式對青麥仁營養成分及理化特性的影響

房戰祥, 孫陽陽, 秦仁炳, 曾 潔, 劉本國, 李光磊

(河南科技學院食品學院,新鄉 453003)

青麥仁是處于乳熟期,距完全成熟收割15 d左右的小麥粒,其具有顆粒飽滿,色澤碧綠,口感清新爽口以及富含α、β 2種淀粉酶、膳食纖維和蛋白質,且富含多種游離氨基酸和維生素等多種營養物質的特點,其自身的營養物質易被人體吸收利用,同時具有助消化、降血糖和抗氧化等功能特性,是一種深受消費者青睞,且營養價值較高的全谷物食品[1,2]。青麥仁中的膠原蛋白具有延緩人體衰老的功效,且葉綠素中所含有的微量鐵是一種天然的造血原料[3]。葉綠素及其衍生物對人體益處很多,有許多臨床及試管實驗已經證實了葉綠素具有抗菌、抗氧化、抗貧血等作用[4]。

鮮食青麥仁含有的蛋白質營養價值明顯優于大多數的植物蛋白,是優質價廉的天然氮源,且含有人體所需的豐富的氨基酸,具有廣闊的開發前景[5]。我國小麥資源豐富,2021年產量為13 695萬t。當前的小麥研究主要在小麥粉的開發利用和面制品品質的改良方面[6-8],但對鮮食青麥仁的相關研究報道較少。青麥仁通常會出現在餐廳和家庭的餐桌上,作為時令菜肴被人們所食用,對其綜合性開發及利用相對較少,主要集中在青麥仁的加工工藝開發方面,如康志敏等[9]研究了青麥仁粽子的加工工藝及品質,何夢影等[10]利用響應面法探究了對青麥仁的護色工藝以及張康逸等[11]對青麥糕的加工工藝做了研究。賀國亞[1]對青麥仁面包的制備以品質做了較為深入的研究。李建立等[12]探究了不同的干燥方式對青麥仁的多酚及其抗氧化活性的影響。

研究以青麥仁為原料,采用真空冷凍干燥、熱風干燥和真空干燥3種不同干燥處理方式制備青麥仁粉,對其基本營養成分進行了分析測定,探究了不同干燥方式對青麥仁的表觀色澤、熱機械性能、酶活性及淀粉消化特性等理化指標的影響,以期為青麥仁在食品中的加工利用和生產開發提供一定的借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

青麥仁;小麥粉;高溫 α-淀粉酶(≥50 U/mg)、葡萄糖淀粉酶(≥80 U/mg);醋酸、醋酸鈉、無水乙醇等均為分析純。

1.2 儀器與設備

Free zone 6plus真空冷凍干燥機,DHG-9140A電熱恒溫鼓風干燥箱,DZF-6050真空干燥箱,FW-100高速萬能粉碎機,CR-400色差儀,MIXOLAB 2混合實驗儀,RVA4500快速黏度分析儀,7200可見光光度計,SHA-B恒溫振蕩器水浴鍋。

1.3 方法

1.3.1 青麥仁粉的制備

1.3.1.1 真空冷凍干燥

將冷凍的青麥仁解凍后經真空冷凍干燥機進行凍干處理,干燥過后用高速萬能粉碎機磨成粉,過80目篩,得到青麥仁粉,儲存于-10～-20 ℃的冰箱中冷藏備用。

1.3.1.2 熱風干燥

室溫下將速凍青麥仁解凍,去除雜質后用清水洗凈,均勻放在烘盤上,40 ℃烘干15 h。將干燥好的青麥仁用粉碎機粉碎,過80目篩,得到青麥仁粉,置于自封袋中保存冷藏備用。

1.3.1.3 真空干燥

室溫下將速凍青麥仁解凍,去除雜質后用清水洗凈,瀝干水分后將青麥仁均勻鋪開置于烘箱烘盤上,在真空干燥箱內,使物料厚度約為5 mm,真空度0.09 MPa、溫度40 ℃干燥15 h。將干燥好的青麥仁用高速萬能粉碎機粉碎,過80目篩網,得到青麥仁粉[12],將其置于自封袋中冷藏儲存備用。

1.3.2 青麥仁主要成分測定

按照GB/T 5009.3—2016、GB/T 5009.5—2016、GB/T 5009.9—2008測定青麥仁粉的水分、蛋白質、淀粉;按照GB/T 5009.4—2016、GB/T 5009.88—2014、GB/T 5009.6—2016測定青麥仁的灰分、膳食纖維、脂肪;葉綠素測定:采用GB/T 22182—2008;VC含量測定:參考姜成君等[13]保健食品中VC的熒光法測定。

1.3.3 青麥仁理化特性測定

1.3.3.1 表觀色澤測定

利用色差儀測定青麥仁粉的色差值。具體測試方法是將制備好的青麥仁粉混合均勻并將青麥仁粉平鋪于潔凈的空白紙上,同時確保待測青麥仁粉表面平整均勻[12]。進行色澤測定并記錄測試結果L*(亮度[14])、a*(紅綠值)、b*值(黃藍值)。

1.3.3.2 熱機械性能分析

利用混合實驗儀測試青麥仁粉面團的熱機械性能,測試方法依據 Chopin+協議操作[15]。將稱量好的待測青麥仁粉置于Mixolab和面缽中,根據設置程序開始測試,攪拌速率為80 r/min條件下形成的面團扭矩在(1.10±0.05)N·m時的加水量為最適加水量。每個樣品重復測試至少3次。測試結果包括吸水率,面團形成時間為面團在30 ℃達到最大扭矩即C1/N·m的時間,最小扭矩為面團由于熱和機械力作用產生的最小扭矩C2/N·m,峰值扭矩為面團加熱過程產生的最大扭矩C3/N·m,回生值為面團50 ℃冷卻時的扭矩(C5)與90 ℃保持結束后的扭矩(C4)之差,蒸煮穩定,90 ℃保持結束后的扭矩(C4)與面團加熱過程產生的最大扭矩(C3)的比值,見圖1。

注:階段1: 面團形成;階段2: 蛋白質弱化;階段3: 淀粉糊化;階段4: 淀粉酶活性預測;階段5:淀粉凝膠化。

1.3.3.3 酶活性測定

RVA攪拌值測定法:用稱量紙準確稱取已粉碎好的青麥仁粉樣品(3.50±0.01)g(濕基14%),并將其轉移到準備好的樣品筒內。量取(25.0±0.1) mL蒸餾水(按14%濕基根據試樣水分補償)移入樣品筒中。將攪拌器置于樣品筒中并用攪拌器槳葉在試樣中上下攪動1 min。若水面上仍有團塊或粘附攪拌器槳葉上,可重復此操作步驟。將攪拌器插入到樣品筒中并將樣品筒插接到儀器上,按下塔帽,啟動測試程序。測試結束后取下樣品,并將其丟棄即可。記錄3 min時的黏度,此即為攪拌值(SN)。SN較高表明淀粉酶活性較低[17]。

1.3.3.4 淀粉消化特性測定

1.3.3.4.1 淀粉消化性能測定

準確稱取 200 mg 樣品于試管中,添加 15mL pH 為 5.2 的 0.2 mol/L 醋酸鈉緩沖液,沸水浴糊化 10 min。當樣品冷卻至室溫后,分別加入10 mL的豬胰α-淀粉酶(290 U/mL)和糖化酶(15 U/mL),并置于 37 ℃恒溫水浴中振蕩消化(150 r/min)[18]。當水解 20 min 和120 min 后分別取出 0.5 mL 水解液放入離心管并加入 4 mL 無水乙醇滅酶,并進行離心處理(10 min、6 000 r/min)后取上清液用 DNS 法在 540 nm 下進行吸光度值測定[19]。樣品中快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)、抗消化淀粉(RS)的質量分數計算公式為:

(1)

(2)

(3)

式中:G20為淀粉酶水解 20 min 后產生的葡萄糖含量/mg;FG為酶水解處理前淀粉中游離葡萄糖含量/mg;G120為淀粉酶水解 120 min 后產生的葡萄糖含量/mg;TS為樣品中總淀粉含量/mg。

1.3.3.4.2 體外淀粉消化速率的測定

稱取 200 mg 淀粉樣品置于測試管中,添加15 mL pH 5.2 的醋酸鈉緩沖液,沸水浴糊化10 min,冷卻后加入10 mL 的豬胰α-淀粉酶(290 U/mL)和糖化酶(15 U/mL),置于37 ℃恒溫水浴下振蕩(轉速 150 r/min)并準確計時水解不同時間(0、30、60、90、120、150、180 min)后分別取0.5 mL 水解液放入離心管并加 4 mL 無水乙醇滅酶,并進行離心處理(10 min、6 000 r/min)。稀釋至一定濃度后取上清液1 mL,加入1 mL DNS試劑,沸水浴反應10 min后取出,待冷卻至室溫后加入適量蒸餾水定容,然后采用3,5-二硝基水楊酸(DNS)法測定540 nm下的還原糖含量[20,21]并計算淀粉的水解率(%)。

(4)

式中:Gt為淀粉酶水解t時間后產生的葡萄糖質量/mg。

1.4 數據處理

利用Excel 進行數據整理,在SPSS軟件中采用比較平均值法(M)中的單因素ANOVA進行顯著性分析,各數據進行3次平行實驗,結果以平均值表示,運用軟件Origin2018進行作圖分析。

2 結果與分析

2.1 青麥仁主要成分分析

真空冷凍干燥處理后的青麥仁粉除了水分含量顯著低于熱風干燥和真空干燥的水分含量外,灰分、蛋白質、脂肪、淀粉和膳食纖維等基本營養成分含量均高于其他2種處理方式;熱風干燥和真空干燥2種處理方式得到的青麥仁粉基本營養成分含量相差不大。這說明真空冷凍干燥脫水較完全[22],使得青麥仁粉的水分含量較低。由于青麥仁是未成熟的小麥,在處于乳熟期的青麥仁,其他的營養物質還未能完全轉化為淀粉,由表1可知真空冷凍干燥得到的青麥仁粉淀粉質量分數為51%,且顯著高于真空干燥處理后青麥仁粉的淀粉含量,故可知不同干燥處理后的青麥仁粉的淀粉含量低于成熟小麥粉的淀粉質量分數(60%左右)。

表1 青麥仁粉(干基)基本營養成分表

經真空冷凍干燥處理后的青麥仁的VC含量顯著高于熱風干燥和真空干燥的青麥仁VC含量,而熱風干燥和真空干燥處理后的VC含量之間相差不大。在真空冷凍干燥凍干過程中,由于真空度較低,使得樣品與外界空氣中的氧氣隔絕,同時加上-40 ℃左右的低溫起到了抑制VC氧化分解的作用,故VC含量保留較多[23]。熱風干燥過程中樣品與外界空氣相流通,且在真空干燥和熱風干燥過程中,樣品處在40 ℃ 較高的溫度下,干燥時間較長,進而使VC發生分解從而導致VC含量損失較大。由于葉綠素穩定性較差,光、酸、堿、氧等都會使其發生分解。在真空干燥和熱風干燥過程中,溫度較高,樣品受熱干燥時間較長,葉綠素易發生分解,造成了一定量的破壞和損失。而真空冷凍干燥溫度較低,處于低真空度環境下且樣品與外界隔絕氧氣,葉綠素幾乎不會發生氧化分解反應,對其呈色物質成分破壞程度較小,因而經真空冷凍干燥處理后青麥仁的葉綠素含量顯著高于熱風干燥和真空干燥的葉綠素含量。

2.2 青麥仁理化特性分析

2.2.1 表觀色澤分析

產品外在的色澤是能夠引起消費者購買產品欲望的原因之一,不同的處理方式對產品的色澤產生的影響有所不同。由表2可知,經真空冷凍干燥處理后的青麥仁粉的亮度L*值為86.50,均顯著高于熱風干燥后的L*值82.02和真空干燥后的L*值83.42。其a*、b*值也分別與熱風干燥和真空干燥呈顯著性差異。原因是在真空冷凍干燥過程中溫度較低,在一定的壓強和較低的真空度環境下使物料基本與外界空氣隔絕,幾乎不發生褐變反應。而在熱風干燥過程中,在烘箱里的青麥仁與外界空氣相通并充分接觸進一步發生了氧化褐變反應,導致亮度L*值降低[24]、綠色值a*降低和黃色值b*偏高。因此也說明了在真空冷凍干燥過程中發生氧化褐變[20]反應的程度較弱,呈色的色澤物質得到了較好的保存,相較于其他2種干燥方式,真空冷凍干燥對青麥仁呈色物質破壞較小,能夠較好的保存青麥仁原有的感官品質和營養成分。由表2可知,真空干燥的綠色比熱風干燥更差些,一方面由于葉綠素穩定性較差,光、酸、堿、氧等都會使其發生分解。在真空干燥過程中,溫度較高,樣品受熱干燥時間較長,葉綠素易發生分解,另一方面由于真空干燥是在密閉環境下進行的,樣品內部被干燥出來的液態水繼續吸熱易發生汽化,液態水變成汽態水的過程中壓力升高,密閉環境下則壓強隨之增大,由理想氣體狀態方程可知溫度隨著壓強的增大而升高,故而與熱風干燥相比之下,真空干燥處理后對葉綠素的破壞和損失更大一些。

表2 不同制備方式對青麥仁粉色澤的影響

2.2.2 熱機械性能分析

影響面團吸水率的因素有很多,面粉的蛋白質含量以及膳食纖維含量都與吸水率有關,蛋白質含量越高,面團的吸水率則就越大。由于青麥仁粉的蛋白質含量高于小麥粉[25],粗纖維的吸水性遠高于淀粉且青麥仁粉的纖維含量高于小麥粉的纖維含量,從而使得面團的吸水率明顯偏高(小麥粉的吸水率一般為60%左右)。由表3可知:真空冷凍干燥處理過的青麥仁粉的吸水率為134.5%顯著高于熱風干燥處理的青麥仁粉吸水率122.1%和真空干燥處理的青麥仁粉吸水率117.5%。原因可能是真空冷凍干燥脫水比較徹底,導致自身的含水量比較少,同時由于其蛋白含量較高于其他2種干燥方式,從而使其吸水率高于其他2種干燥方式。另一方面可能是因為真空冷凍干燥處理對青麥仁營養成分保留比較完整,由表1中可知真空冷凍干燥處理的青麥仁粉的蛋白質和淀粉含量高于熱風干燥和真空干燥處理的蛋白質和淀粉含量,從而增強了面團的吸水能力。

表3 不同制備方式青麥仁粉熱機械性能分析

真空冷凍干燥,熱風干燥和真空干燥的形成時間分別為2.48、2.12、1.83 min,3種干燥方式的形成時間呈現差異不顯著。面團的韌性與面團的穩定時間成正比,穩定時間越長則韌性越好,同時面筋的強度就越高;穩定時間越長,面團的弱化度也就越低,面團的加工性能也會變得更好。由表3可知真空冷凍干燥處理的青麥仁粉的穩定時間為8.87 min,顯著高于熱風干燥的穩定時間3.67 min和真空干燥的穩定時間3.47 min。可見同其他2種干燥方式相比較而言,真空冷凍干燥處理的青麥仁粉面團的韌性更好,面筋的強度更高,面團的弱化度更低,面團的加工性能更好。

蛋白質的弱化度[14]可以用扭矩C2來表示,當面團以4 ℃/min的速率從30 ℃加熱到90 ℃形成時,蛋白質發生變性,扭矩迅速下降直到淀粉開始糊化為止,在該期間形成的最小扭矩為C2。蛋白質弱化度可定義為8 min時形成的扭矩C1與最小扭矩C2之差,差值越大說明蛋白質弱化程度越大,面團的加工性能也就越差。3種干燥方式的最小扭矩C2之間呈現差異性顯著,真空冷凍干燥處理的青麥仁粉的扭矩C2顯著高于其他2種處理方式的扭矩C2值,這可能是與真空冷凍干燥處理的青麥仁粉保留了較多的有效成分膳食纖維可以作為屏障延遲蛋白質的弱化有關,相關研究也曾經報道豌豆纖維有延遲蛋白質弱化的現象[26]。

淀粉的糊化程度[27]可以用面團加熱過程中形成的峰值扭矩C3表示。蛋白質的變性和淀粉的糊化與峰值扭矩C3密切相關,峰值扭矩C3值越高,表明淀粉糊化越完全[16]。3種干燥方式之間的峰值扭矩C3之間雖呈現出差異性顯著,但是三者之間的C3扭矩數值大小相差不大,說明淀粉糊化程度相差不大。淀粉回生是淀粉糊化后重結晶的過程,本研究發現真空冷凍干燥處理的青麥仁粉的淀粉回生值0.07與熱風干燥和真空干燥處理的青麥仁粉淀粉回生值分別為0.10和0.10呈現差異性顯著,真空冷凍干燥的淀粉回生值顯著低于其他2種干燥方式,可能與其保留較多具有抗氧化作用的多酚類等物質可以延緩淀粉老化有關[28]。C4代表淀粉糊化后形成的最小扭矩,蒸煮穩定性用C4與C3的比值表示,真空冷凍干燥處理的青麥仁粉的蒸煮穩定性顯著高于其他的2種干燥方式下的蒸煮穩定性,可能是真空冷凍干燥的青麥仁粉中保留較多的膳食纖維破壞了淀粉與蛋白質之間的作用,說明其具有較好的蒸煮穩定特性。

2.2.3 酶活性分析

Hagberg降落值法自1960年以來即被用于測定淀粉酶活性,但該法實際上僅是實驗室測試方法,不適用于田間現場。Brabender黏度儀法一直是谷物化學家用于分析發芽損傷的標準方法,但是它是一種精致的昂貴的儀器,測試需要大量的試樣并且耗費很長的時間。澳大利亞小麥局用10臺RVA-3和4臺降落值儀進行了一項全面的比較研究,得出的結論認為RVA更便于使用,而且攪拌值法的精度優于降落值法。而開發RVA恰恰是為了方便在收糧點進行質量評價,它提供了一種簡單、快速和客觀的檢驗糧食是否正常的方法。

由于剛收獲的青麥仁中酶活性較高,其極易分解自身的淀粉等營養物質,導致產品品質下降。而酶活性的高低是決定其品質的重要影響因素之一,故對其酶活性的測定是十分必要的。而RVA本身也可用于分析面粉中的淀粉酶活性。本法與降落值法高度相關,且僅需3 min即可完成對樣品的檢測。記錄3 min時的黏度,即為攪拌值SN。(SN值較高表明淀粉酶活性較低,且SN值低于100表明淀粉酶活性相當的高)

在3種不同的干燥處理方式下,分別設置青麥仁粉添加質量分數為0%(小麥粉為空白對照)、10%、20%、50%、100% 5個不同梯度下對青麥仁的酶活性進行檢測。

由圖2可知:真空冷凍干燥處理的青麥仁粉,隨著青麥仁粉添加質量分數的增加,5個不同梯度的攪拌值SN值分別為225、199、191、180、98呈現明顯的遞減趨勢,則說明了酶活性隨著青麥仁粉添加量的增加而不斷增強,也表明青麥仁粉中具有相當高的淀粉酶活性。由圖3和圖4可以看出不同添加量下熱風干燥的青麥仁粉對應的攪拌值SN分別為231、213、164、137、63以及真空干燥的青麥仁粉的攪拌值SN分別為228、191、185、147、88,熱風干燥和真空干燥的攪拌值同樣也呈現出了明顯的遞減趨勢,同樣也表明了青麥仁粉中的酶活性相當的高。將3種不同干燥方式下得到的酶活性放在一起進行對比分析,由圖5可知:熱風干燥的青麥仁粉SN值為63,真空干燥的SN值為88,真空冷凍干燥的SN值為98,由于攪拌值越低對應的酶活性越高,則可知熱風干燥處理下獲得的青麥仁粉的淀粉酶活性最高,真空干燥的酶活性次之,真空冷凍干燥的淀粉酶活性三者中最低。這可能是由于熱風干燥和真空干燥都是在40 ℃較高的適宜溫度下對樣品進行干燥處理的,酶活受溫度影響不大,有利于淀粉酶[29]的存在;也可能是因為α-淀粉酶自身結構穩定,耐熱性強。并且熱風干燥處理過程中與外界空氣相通,發生了氧化褐變等化學反應,進一步提高了淀粉酶的活性。真空冷凍干燥處理過程中,較低的真空度且與外界空氣隔絕,基本上不發生氧化褐變反應,同時在-40 ℃的低溫下進一步達到了抑制酶活性的效果,從而降低了樣品的酶活性。

圖2 真空冷凍干燥酶活性圖

圖3 熱風干燥酶活性圖

圖4 真空干燥酶活性圖

圖5 3種干燥方式酶活性對照圖

2.2.4 淀粉消化特性分析

2.2.4.1 淀粉消化性能測定

根據消化時間不同,淀粉可劃分為RDS、SDS與RS 3種類型,其中RDS食用后可產生高血糖應答,產生胰島素抵抗,易引起一些與飲食相關的慢性疾病或代謝綜合癥,SDS持續消化釋放葡萄糖,具有維持低血糖應答的特性,而RS只在大腸中被微生物發酵并產生短鏈脂肪酸,有利于腸道健康。因此,SDS與RS均可以改善淀粉的營養品質[30]。

熱風干燥、真空干燥以及真空冷凍干燥3種干燥處理方式下的青麥仁淀粉體外消化性能見表4。影響淀粉消化性能的因素有很多,如加工方式、直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例、結晶區與無定形區的大小、脂類與蛋白質的含量等。從表4中可以看出,熱風干燥和真空干燥處理下的青麥仁淀粉RDS、SDS以及RS含量相差均不大,相比較而言,真空冷凍干燥處理的青麥仁淀粉中的快消化淀粉RDS含量有所降低,抗性淀粉RS質量分數有所上升,達到45.28%,可知其具有較好的抗消化性能。抗性淀粉具有調節血糖水平、降低結腸癌發生率、保持體重等功效[31],因此經真空冷凍干燥處理的青麥仁粉更適合用于加工生產相關的抗性淀粉食品。

表4 不同干燥方式青麥仁粉淀粉的體外消化性能

2.2.4.2 淀粉體外消化速率的測定

圖6測定了熱風干燥、真空干燥和真空冷凍干燥3種處理方式下青麥仁淀粉的體外消化速率圖。消化速率表示為不同時間淀粉的水解百分率,斜率的大小表示淀粉水解速度的快慢。熱風干燥處理的青麥仁淀粉在相同時間內淀粉水解率最大,即葡萄糖釋放量最高,其次為真空干燥,整體上二者消化速率相差不大,而真空冷凍干燥處理的淀粉消化速率則最低。由圖6可知,前30 min內,曲線斜率較大,水解速率快速上升,葡萄糖釋放量劇增,其中熱風干燥處理的青麥仁淀粉的水解速率最大,相比之下,真空冷凍干燥處理的青麥仁淀粉水解速率最小;30 min 以后趨于平緩上升,說明30 min內淀粉易被淀粉酶水解產生葡萄糖;120 min 以后淀粉消化速率減緩并趨于穩定,可知葡萄糖釋放量波動較小且逐漸穩定。可知在相同時間內,熱風干燥處理的青麥仁淀粉水解率最大,葡萄糖釋放量最高,真空干燥次之,真空冷凍干燥的青麥仁淀粉水解率最低。可知真空冷凍干燥處理的青麥仁淀粉具有更好的慢消化特性,可將其用于對抗性淀粉制品的生產與研發。

圖6 不同干燥方式青麥仁粉淀粉體外消化速率

3 結論

真空冷凍干燥得到的青麥仁粉除水分含量較低外,灰分、蛋白質、VC等營養成分含量均高于其他2種干燥方式,說明其對樣品原有成分保留較為完整。表觀色澤中真空冷凍干燥的亮度L*值為86.50,綠色值a*為-5.78,均顯著高于其他2種干燥方式,說明其對呈色物質破壞程度較小,樣品原有色澤及感官品質可得到較好保留。熱機械性能分析中,真空冷凍干燥處理的青麥仁粉表現出較好的面團形成時間、回生值、蒸煮穩定性。真空冷凍干燥青麥仁粉的攪拌值SN為98,均高于熱風干燥和真空干燥,表明青麥仁粉的酶活性更低,減緩了淀粉等營養物質被分解的速度。真空冷凍干燥處理的青麥仁淀粉中抗性淀粉RS含量最高,達到45.28%,熱風干燥和真空干燥2種方式相差不大;相同時間內,真空冷凍干燥處理的青麥仁淀粉水解率最低,其他2種干燥方式整體上相差不大,可知其具有更好的抗消化特性。