擠壓、發(fā)酵對燕麥營養(yǎng)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(zhì)、膳食纖維、淀粉、脂質(zhì)等為人體代謝所必需的基本營養(yǎng)成分[1],還含有諸多對人體具有健康功效的生物活性物質(zhì),如β-葡聚糖等[2],此外,還含有一些干擾營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收的抗營養(yǎng)因子。目前國內(nèi)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(fā)酵法等)[4],或者物理和生物結(jié)合的方法等[5],對食品原料進行處理,可以提高食品的品質(zhì)及營養(yǎng)價值。發(fā)酵不僅可以改善產(chǎn)品風味、增加色澤、減少刺激性物質(zhì),還可以產(chǎn)生黃酮類、有機酸等新的活性成分,從而極大改善產(chǎn)品的營養(yǎng)品質(zhì)[6]。如葉彥均[7]篩選出最佳固態(tài)發(fā)酵糙米的菌種,對糙米進行固態(tài)發(fā)酵,顯著改善了糙米的加工、營養(yǎng)及感官品質(zhì)。曾甄等[8]利用幾種益生菌發(fā)酵牡蠣制備活性肽,總抗氧化性能顯著提升。擠壓技術(shù)因原料適應(yīng)性廣、對營養(yǎng)成分破壞程度小、破壞抗營養(yǎng)因子等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于谷物食品的加工生產(chǎn)。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(fā)生物理以及化學反應(yīng),這些反應(yīng)可以使食品的性狀發(fā)生改變,更有利于產(chǎn)品的開發(fā)[9,10]。如繆小蘭等[11]采用擠壓膨化技術(shù),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(jīng)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(fā)現(xiàn)擠壓膨化處理的豆芋總黃酮質(zhì)量分數(shù)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(fā)酵技術(shù),處理燕麥,研究擠壓技術(shù)復(fù)合微生物發(fā)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(fā)燕麥新產(chǎn)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(lián)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(shè)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(yǎng)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(zhuǎn)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(diào)整膨化機前三區(qū)溫度為70、90、120 ℃,第四區(qū)溫度分別設(shè)置為160 ℃,擠壓膨化后,干燥,磨粉,待用。

1.3.2 燕麥發(fā)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(fā)酵菌粉,30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中進行發(fā)酵72 h,發(fā)酵結(jié)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(fā)酵處理的燕麥粉 ;樣品4:擠壓+發(fā)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(zhì)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(zhì)量濃度/mg/mL;N為樣品稀釋的倍數(shù);V為樣品定容總體積/mL;m為樣品的質(zhì)量/g。

1.3.6 燕麥粉溶液表觀表觀黏度測定

根據(jù)黃婧琦等[17]方法取不同處理的燕麥粉,配制質(zhì)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(zhuǎn)表觀黏度儀測定,測試條件:室溫,第Ⅱ單元轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)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(zhì)量濃度/mg/mL;N為樣品稀釋的倍數(shù);V為樣品定容的總體積/mL;m為樣品的質(zhì)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(zhì)量濃度/mg/mL;N為樣品稀釋的倍數(shù);V為樣品定容的總體積/mL;m為樣品的質(zhì)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(jù)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(zhì)量濃度/mg/mL。

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

根據(jù)實驗結(jié)果求出RDS、SDS和RS的質(zhì)量分數(shù),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(zhì)量/mg;G20為水解20 min后的葡萄糖質(zhì)量/mg;G120為水解120 min后的葡萄糖質(zhì)量/mg;TS為樣品中總淀粉的質(zhì)量/mg。

1.3.10 直鏈淀粉與支鏈淀粉的測定

根據(jù)劉襄河等[21]的方法測定。

式中:m為樣品質(zhì)量/g ;m1為直鏈淀粉質(zhì)量/g;m2為支鏈淀粉質(zhì)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(chǎn)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(yīng)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(shù)80%乙醇溶液;Ai為DPPH+樣品溶液;Aj為樣品溶液+ 體積分數(shù)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(shù)清除率IC50:清除率達到50%時樣品質(zhì)量濃度/mg/mL。

1.3.13 數(shù)據(jù)分析

依據(jù)公式進行計算,用Origin軟件處理,并采用SPSS統(tǒng)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(jié)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(zhì)含量的影響

淀粉和蛋白質(zhì)是燕麥中主要的干物質(zhì),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(zhì)酶水解程度加大,食物中組成、結(jié)構(gòu)各異的蛋白質(zhì)在受到壓力的作用時,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)會受到破壞,誘導(dǎo)其展開重新聚集[22],發(fā)生十分復(fù)雜的化學變化,使蛋白質(zhì)降解[5],導(dǎo)致蛋白質(zhì)含量下降;微生物生長繁殖分解蛋白質(zhì)成為氨基酸,從而導(dǎo)可溶性致蛋白質(zhì)含量有所降低。實驗結(jié)果顯示(圖1):擠壓膨化耦合發(fā)酵后燕麥中可溶性蛋白質(zhì)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(fā)酵降低了10.45%。

圖1 幾種處理對淀粉及蛋白質(zhì)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(fā)揮保健作用主要功效物質(zhì)[26]。實驗結(jié)果顯示(圖2),擠壓膨化處理與發(fā)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(fā)酵過程中細胞壁基質(zhì)被微生物代謝產(chǎn)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(nèi)的β-葡聚糖,而且微生物在發(fā)酵過程中產(chǎn)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(nèi)發(fā)酵,因此擠壓膨化耦合發(fā)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(fā)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(fā)酵的復(fù)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(fā)酵降低了15.16%。可能是與β-葡聚糖分子量有關(guān),流變學行為可能與擠壓過程中淀粉聚合物的降解有關(guān),從而導(dǎo)致動態(tài)模量發(fā)生改變[9]。經(jīng)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(dǎo)致復(fù)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(zhì)量的大小與其溶液的表觀黏度呈正相關(guān)關(guān)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(zhì)量減小[22],燕麥粉物料物性發(fā)生了變化,由粉狀變成糊狀,淀粉發(fā)生糊化、裂解[28],有利于微生物的利用,燕麥部分組織經(jīng)發(fā)酵過程中微生物的有效降解,從而提高了燕麥營養(yǎng)物質(zhì)的生物利用率。復(fù)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(fā)酵提高了15.94%,提高了燕麥的營養(yǎng)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(jù)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(xù)釋放能量,維持血糖穩(wěn)態(tài),預(yù)防和治療各種疾病的作用[29]。圖4表明,擠壓膨化、微生物發(fā)酵對三類淀粉均有所影響,擠壓膨化耦合發(fā)酵處理是物理處理結(jié)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(fù)合處理后燕麥的RDS比對照、單純擠壓處理和單純微生物發(fā)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(fā)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(fā)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(fù)合處理擠壓處理使得燕麥種皮更加破碎,對淀粉顆粒內(nèi)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(jié)構(gòu)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(fù)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(fā)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(fā)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(fā)酵降低9.84%,說明通過擠壓膨化耦合發(fā)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(zhì),其中絕大部分為酚類物質(zhì),如總酚和黃酮。多酚類化合物的結(jié)構(gòu)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(yīng)后,多酚會產(chǎn)生游離基,這些游離基中間體性質(zhì)穩(wěn)定,相互作用會產(chǎn)生新的仍具有抗氧化性的酚類物質(zhì),如此可不斷循環(huán)下去[32]。全谷物中的多酚有游離態(tài)、可溶結(jié)合態(tài)和不溶結(jié)合態(tài)3種形式,結(jié)合態(tài)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(jié)合[33],實驗結(jié)果顯示(圖6),擠壓膨化處理與發(fā)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(jié)合態(tài)的多酚被降解為游離態(tài)多酚,從而提高了多酚含量。其中以擠壓膨化耦合發(fā)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(fā)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(fā)酵的復(fù)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(fā)酵降低了23.21%、17.07%。說明這種復(fù)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(jié)論

通過擠壓膨化耦合發(fā)酵的處理,燕麥中淀粉總量沒有明顯變化,蛋白質(zhì)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。