黑菊芋加工過程中成分變化研究

楊慶麗,張 旭,魏連會,張正海,高 媛,姬妍茹

(黑龍江省科學院大慶分院,黑龍江大慶 163319)

菊芋(HelianthustuberousL.)俗稱洋姜、鬼子姜,是一種向日葵屬多年生宿根性草本植物[1]。菊糖是菊芋的主要功能成分,占其鮮重的15%～20%,具有調節(jié)血糖、促進腸有益菌生長、降脂減肥及抗氧化等多種功能[2]，相關食品的研發(fā)得到了越來越多的重視。美拉德反應是食品加工、貯存及烹飪中最常見的反應之一[3]。反應過程中還原糖等碳水化合物與帶自由氨基的氨基酸、肽等含氮化合物之間發(fā)生縮合，生成一種棕褐色甚至黑色的物質即類黑精[4]。近年的研究表明,類黑精具有抗氧化、抗癌、降糖、降血壓、防齲齒,結合風味物質等功能,其抗氧化強度甚至與目前食品中常用的抗氧化劑維生素C相媲美[5]。因此,利用美拉德反應對果蔬進行深加工,從而對其營養(yǎng)、口感及功效進行優(yōu)化成為食品加工行業(yè)的又一個新熱點。黑菊芋正是以此反應為基礎,由黑龍江省科學院大慶分院自行研發(fā)的一種新型健康食品。黑菊芋成品色澤黑亮,口感香甜富彈性,接受度較高。其顏色、口感及功效變化與反應中各成分的生成轉化密切相關。顏色變化主要是產生了大量的類黑精。還原糖和氨基酸是類黑精的生成底物，5-HMF為其中間產物。因此,本文對菊芋加工中還原糖、總糖、氨基酸、5-HMF含量變化進行研究。另外本研究對功效成分抗氧化多酚進行了跟蹤分析,以期為新型食品的開發(fā)及生產工藝優(yōu)化提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

白皮菊芋 購自黑龍江省林甸縣;甲醇 色譜純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;5-HMF標準品 北京中科儀友化工技術研究院;鐵氰化鉀 分析純,沈陽市華東試劑廠;5%苯酚水溶液 上海遠慕生物科技有限公司;福林酚 生化試劑,南京奧多福尼生物科技有限公司;DNS試劑 自配,配制方法參照文獻[6]。

Master-D UF實驗室超純水機 上海和泰儀器有限公司;UV765紫外可見光分光光度計 上海精密科學儀器有限公司;Epoch酶標儀 美國BioTek公司;LC-15C高效液相色譜 日本島津;L-8900全自動氨基酸分析儀 日本日立公司;黑菊芋加工設備 黑龍江省科學院大慶分院自制。

表1 黑菊芋加工溫度設定及含水量的變化Table 1 Change of moisture and temperatrue of black Jerusalem artichoke during processing time

1.2 實驗方法

1.2.1 黑菊芋的加工及采樣 新鮮菊芋洗凈，切成厚度約1.5 cm左右的片,瀝干水分后,裝入耐高溫塑料袋中，每袋500 g,放入黑菊芋加工儀中設定溫度，啟動程序開始加工,加工溫度從25 ℃開始，以10 ℃/min上升至95 ℃,維持10 h,之后85 ℃保持15 h,75 ℃保持48 h,70 ℃保持72 h,65 ℃保持72 h,55 ℃保持72 h,45 ℃持續(xù)至加工結束。分別于程序開始的0、4、8、12、24、72、120、168、216、264、312、360 h取樣。每次2袋,每袋3塊共6個重復測定含水量。水分測定采用GB 5009.3-2010中的直接干燥法。

黑菊芋含糖量較高,烘干困難,以下研究中樣品重量為根據含水量折合后的干重。

1.2.2 顏色和口感評價方法 隨機選擇不同專業(yè)、不同年齡男女各10人,對研究中各時間段樣品進行口感、口味和顏色的評價。菊芋加工中顏色變化明顯，肉眼可見,因此將顏色分別以白色、奶白色、淺黃色、黃色、淺褐色、深褐色、黑色為標準,成員目測選擇顏色,以大于等于60%為標準答案記錄。口感以硬脆、軟糯、軟彈，口味以無味、酸、酸甜、甜幾個方面為標準由成員選擇,以大于等于60%為標準答案記錄。

1.2.3 黑菊芋糖提取液及多酚提取液的制備 取1 g樣品加入2 mL滅菌蒸餾水浸泡3 h后充分研磨,加入滅菌蒸餾水8 mL沸水煮20 min,80 ℃,150 W超聲提取30 min,定容至10 mL,10000 r/min離心15 min后上清即為菊芋糖提取液。

取1 g樣品加入70%乙醇8 mL,浸泡3 h后充分研磨,70 ℃超聲提取30 min,10000 r/min離心15 min取上清,50 ℃揮干乙醇,滅菌蒸餾水溶解定容至10 mL得菊芋多酚提取液。

1.2.4 黑菊芋還原糖、總糖及菊糖的測定 采用DNS法及苯酚-硫酸法[7]測定菊芋[8]總糖及還原糖含量,以果糖計。以菊芋糖提取液不加顯色劑直接定容至刻度為本底色,酶標儀測定前所有樣品反應液需9000 r/min離心15 min取上清,菊糖含量按以下公式[8-9]計算。

菊糖含量(mg/g)=總糖含量-還原糖含量

1.2.5 氨基酸組成及含量的測定 參考董愛榮等[10]的方法測定黑菊芋總氨基酸,100 mg樣品研磨后加入15 mL滅菌蒸餾水,50 ℃超聲30 min,加入15 mL濃HCl,氮吹儀30 min,105 ℃水解24 h。14000 r/min離心10 min,取上清3 mL于蒸發(fā)皿中,水浴蒸干后以0.02 mol/L鹽酸溶解定容至10 mL。0.22 μm水膜過濾后氨基酸分析儀上樣測定總氨基酸中各氨基酸含量及氨基酸總量。

1.2.6 5-羥甲基糠醛(5-HMF)分析 根據NY/T 1332-2007中樣品處理及液相條件測定[11]。以5-HMF標準品濃度為橫坐標,以峰面積為縱坐標繪制標準曲線。色譜柱為C18(250 mm×4.6 mm,5 μm),流動相為甲醇+水(15%+85%),流速為1.0 mL/min,檢測波長280 nm,柱溫室溫,進樣量10 μL。標準曲線方程為y=7583x+4701,R2=0.997。

1.2.7 多酚的測定 采用Folin-Ciocalteu法[12],分析中以黑菊芋多酚提取液不加顯色劑直接定容至刻度為本底色,酶標儀測定前所有樣品反應液需9000 r/min離心15 min取上清。

1.3 數據處理

利用Excel2007做圖,采用Graphpad Prism 5進行差異顯著性分析。p≤0.05為顯著性差異,p>0.05為差異不顯著。

2 結果與分析

2.1 黑菊芋顏色、口感及含水量變化

由圖1及表1可見,整個加工過程中菊芋顏色、口感、口味及含水量都發(fā)生了較大變化。黑菊芋加工前呈奶白色,口感脆硬,口味較淡幾乎無味。隨加工深入顏色加深,逐漸變?yōu)辄S色、淺褐色及深褐色,第120 h已接近黑色;隨含水量降低,216 h黑菊芋口感從軟糯變?yōu)檐洀??？谖渡?2 h開始酸味加重,312 h酸味消失以甜味為主。

圖1 加工中黑菊芋顏色變化Fig.1 Change of colour of black Jerusalem artichoke during processing time

2.2 黑菊芋加工中還原糖及總糖的變化

糖是美拉德反應中的重要成分,糖含量變化與呈色及呈味物質形成及口感變化密切相關。由圖2可見,黑菊芋加工中,總糖含量各相鄰時間點無顯著變化(p>0.05)?？傮w看,總糖含量穩(wěn)中有降,從加工24 h起,菊芋總糖含量顯著低于0 h菊芋(p≤0.05)?？偺呛拷档涂赡芘c美拉德反應中糖的消耗有關。如周志磊等的研究表明,美拉德反應中果糖及葡萄糖等可以與氨基酸等反應生成焦糖香物質[13]。在加工的0～24 h,0、12、24、168、360 h還原糖含量分別為16.70、21.10、27.01、94.35,97.22 mg/g。新鮮菊芋的菊糖含量為408.5 mg/g。加工360 h為236.12 mg/g。菊糖是菊芋中最主要的碳水化合物及功能成分,具有調節(jié)血糖的功效。黑菊芋成品中能夠保留大部分菊糖是非常重要的。

表2 不同加工時間總氨基酸含量分析(干重計)Table 2 Content of amino acidal during processing time(in dry weight)

注:同一行上標字母不同表示差異顯著(p≤0.05)。還原糖含量較穩(wěn)定,無顯著變化(p>0.05);在24～168 h之間時,還原糖含量顯著升高(p≤0.05),之后含量保持穩(wěn)定(p>0.005)。

圖2 不同加工時間還原糖及總糖含量(干重計)Fig.2 Content of reducing sugar and total sugar during processing time(in dry weight)

2.3 黑菊芋總氨基酸組成及含量的變化

由表2可見,美拉德反應前后,氨基酸種類由11種變?yōu)?2種,除谷氨酸及甲硫氨酸外其他氨基酸均有不同程度的降低,其中降幅最大的為天冬氨酸、賴氨酸和精氨酸(p≤0.05)，整個加工過程中均呈逐漸降低趨勢。這幾種氨基酸為參與美拉德反應的主要氨基酸。秦禮康[14]的研究表明,形成類黑精的主要氨基酸殘基是天冬氨酸、谷氨酸、精氨酸、賴氨酸和脯氨酸。主要參與美拉德反應的氨基酸包括賴氨酸、精氨酸、甘氨酸、谷氨酸和半胱氨酸。因此,這幾種氨基酸為美拉德反應模型建立的常用氨基酸[15-16]。吳慧倫等的研究表明,賴氨酸能夠與菊糖發(fā)生美拉德反應生成糠醛類物質[17]。以上研究表明,參與美拉德反應可能是大多氨基酸含量降低的主要原因。甲硫氨酸和谷氨酸的變化趨勢較為特殊,谷氨酸是參與反應的主要氨基酸之一,能夠與糖發(fā)生美拉德反應產生風味物質[18]。但是,本研究中谷氨酸含量卻顯著增加(p≤0.05)。甲硫氨酸有一個從無到有的過程(p≤0.05),此種氨基酸與美拉德反應的關系及在反應中的變化機理未見相關報道。因此,這兩種氨基酸的變化原因及機理仍需進一步探討和研究。氨基酸總量方面,0～24 h保持穩(wěn)定(p>0.05),之后整體呈顯著降低趨勢(p≤0.05),這與氨基酸參與美拉德反應有關。本研究結果表明對于大多數氨基酸來說,美拉德反應是一個逐漸消耗從而生成呈香、呈色物質的過程。

2.4 黑菊芋5-HMF含量分析

5-HMF是一種呋喃類化合物,是黑菊芋類黑精形成的中間產物。其形成途徑有兩種:一種是美拉德反應;另一種是在酸性條件下糖的直接水解,即焦糖化反應[19]。近年來的藥理研究表明:5-HMF具有增強大鼠紅細胞變形活性、抗氧化、改變血液流變,保護神經遠等對人體有益的作用[20]。5-HMF在醫(yī)藥領域作為有效成分制備抗心肌缺血的心血管病藥品,已被中國藥科大學作為專利進行申請[21]。食物經美拉德反應后功效增強可能與5-HMF含量增加有一定的關系。菊芋中含有的大量菊糖能夠為5-HMF的生成提供物質基礎。由圖3可見,黑菊芋加工過程中,5-HMF含量整體呈上升趨勢。其中0～72 h含量穩(wěn)定無顯著變化(p>0.05);72～216 h含量顯著升高(p≤0.05)。這是因為菊芋中菊糖、果糖發(fā)生焦糖化反應或與氨基酸發(fā)生美拉德反應生成了糠醛類物質[17,19]。目前對于5-HMF的安全性仍存在爭議,有研究表明,5-HMF是一種能誘導細胞和基因突變的毒素,具有潛在的致癌性[22];有些人則認為5-HMF并不存在嚴重的健康危險,Abraham等[23]通過各種動物實驗證明了5-HMF每天攝入量在80～100 mg/kg體重范圍內無不利影響,也就是說5-HMF有足夠大的安全限度。Janzowski等[24]的研究表明,5-HMF雖然能夠使正常細胞內谷胱甘肽活性受到一定影響,但遠遠達不到給人體帶來嚴重損害的程度。

圖3 5-HMF含量變化(干重計)Fig.3 Change of 5-HMF in processing time(in dry weight)

2.5 多酚含量分析

植物體中的多酚豐富多樣，主要有酚酸類、類黃酮類、多酚酰胺類及其他,其中以類黃酮類多酚最為廣泛,不同類植物中所含的多酚種類及含量也不相同[25]。目前,菊芋中多酚組成研究未見報道,其多酚含量仍沒有確定的測定方法。鞏慧玲等借鑒了牡丹花中多酚的測定方法,以鄰苯二酚為標準品,測得幾種菊芋的多酚含量在0.66～1.55 mg/g之間。本研究同時借鑒了GB/T 8313-2008茶葉中茶多酚和兒茶素類含量的檢測方法中的Folin-Ciocalteu法。由圖4可見,黑菊芋加工中多酚含量呈上升趨勢,0～24 h含量較穩(wěn)定無顯著差異(p>0.05);24～216 h顯著升高(p≤0.05);加工后期含量較穩(wěn)定(p>0.05)。目前,已有研究表明美拉德反應后多酚顯著增加,孫月娥等的研究表明,經28 d加工大蒜中多酚含量顯著增加,主要原因是在受熱過程中,大分子多酚類化合物發(fā)生分解,釋放出更多含有酚羥基的化合物,因此使其相對含量得到提高[26]。美拉德反應后菊芋中多酚含量增加能夠為后續(xù)黑菊芋抗氧化功能研究提供有力依據。

圖4 多酚含量變化(干重計)Fig.4 Change of polyphenol in processing time(in dry weight)

3 結論與討論

隨加工深入總糖稍降低、還原糖升高、氨基酸總量總體減少、5-HMF先升高后穩(wěn)定,多酚含量先升高后穩(wěn)定。各成分在加工24～216 h之間為快速變化期,之后趨于穩(wěn)定?？梢?16 h時以上各成分生成轉化已基本完成,此時黑菊芋顏色黑亮,品味變甜,已經達到食用要求。但是,由于菊芋此時含水量較高,口感稍差,因此仍不能做為加工的終點。加工達到360 h時黑菊芋口感軟彈且多酚等未被破壞,因此將此時定為黑菊芋的加工終點。從營養(yǎng)和口感兩方面分析,以美拉德反應為基礎進行食品深加工是可行的。但其加工工藝的確定需以其營養(yǎng)成分變化為基礎,這樣才能在保證最佳口感的同時最大限度的保持營養(yǎng)成分的含量。相信隨著研究的深入越來越多可以應用此反應進行深加工的食品會被發(fā)現(xiàn),這必將創(chuàng)造更大的經濟和社會效益。

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