發(fā)芽青稞的營養(yǎng)加工特性及電子鼻快速識別

李偉麗，伍小宇，王慶慧，袁旭，車振明，張萍，吳韜*

1(西華大學(xué),食品與生物工程學(xué)院 食品生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都，610039) 2(四川環(huán)太生物科技有限責(zé)任公司，四川 成都，610225)

青稞(HordeumvulgareL. var. nudum Hook. f)屬于禾本科大麥屬，因其內(nèi)外穎殼分離，籽粒裸露，故又稱裸大麥。其主要分布在我國西藏、青海、四川、云南等高原地區(qū)。該作物具有耐旱、耐貧瘠、耐高寒等抗逆特性，是唯一能夠在海拔4 200～4 500米的高原地區(qū)生長的作物[1]。據(jù)《本草拾遺》記載：青稞，下氣寬中、壯精益力、除濕發(fā)汗、止瀉。從現(xiàn)代營養(yǎng)學(xué)觀點(diǎn)來看，青稞因?yàn)楹胸S富的β-葡聚糖，能夠顯著增加人體小腸液黏度，有助于控制餐后血糖與血脂的升高，從而達(dá)到預(yù)防糖尿病等慢性疾病的目的[2]。據(jù)流行病學(xué)統(tǒng)計(jì)，西藏地區(qū)每百萬人中的百歲老人人數(shù)是內(nèi)地的7倍，這與當(dāng)?shù)鼐用耖L期食用青稞有一定的相關(guān)性。目前中國高血壓、高血脂、高血糖患者總數(shù)約3.5億，已經(jīng)成為全球第一“三高”國。因此，以青稞為主原料的功能食品市場開發(fā)潛力巨大。

隨著食品工業(yè)的發(fā)展，對食品及其原料品質(zhì)的評價(jià)，不再僅僅局限于營養(yǎng)成分和衛(wèi)生的要求，而對其加工性質(zhì)的研究和調(diào)控日顯重要。例如食品口感中的“酥”、“脆”、“可溶性”等感官特性已經(jīng)成了消費(fèi)者選擇食品的重要影響因素。目前，市場上的青稞產(chǎn)品多以未處理的青稞為原料，口感單一。如果能對青稞原料進(jìn)行改性，加工成具有不同物理特性的原料，必將拓展青稞在食品工業(yè)的應(yīng)用范圍。在諸多改性方法中，發(fā)芽是一種快捷、簡便和安全有效的手段，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于大豆、綠豆和花生等作物的食品原料改性[3-7]。電子鼻是一種由電化學(xué)傳感器構(gòu)成的嗅覺儀器，可得到與人的嗅覺評價(jià)相一致的結(jié)果。它與氣相色譜不同，不需要預(yù)處理與長時(shí)間分離，可用于在線快速無損檢測。文獻(xiàn)調(diào)研表明，國內(nèi)外對青稞改性研究極少[8-9]。本試驗(yàn)旨在研究發(fā)芽技術(shù)對青稞的持水性、持油性、質(zhì)構(gòu)等加工特性的影響與調(diào)控，為研發(fā)不同特性的青稞創(chuàng)新食品提供科學(xué)數(shù)據(jù)。此外，采用電子鼻技術(shù)對青稞發(fā)芽前后的風(fēng)味成分進(jìn)行建模與快速識別，為發(fā)芽青稞與未發(fā)芽青稞的自動(dòng)篩選奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

青稞,產(chǎn)自四川馬爾康納足村；TA.XTPlus質(zhì)構(gòu)分析儀，英國Stable Micro Systems公司；XFB-200萬能粉碎機(jī)，上海比朗儀器制造有限公司；PEN3型電子鼻，德國AIRSENSE公司；FDU-1100真空冷凍干燥機(jī)，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；K-1100全自動(dòng)凱氏定氮儀、SOX406脂肪測定儀，山東海能科學(xué)儀器有限公司；TD-5M高速離心機(jī)，四川蜀科儀器有限公司；所有化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 方法

1.2.1 發(fā)芽青稞粉準(zhǔn)備

參考VALE等[10]的發(fā)芽方法，挑選大小一致、籽粒飽滿的白青稞500 g置于20℃，黑暗條件，恒溫水浴箱中浸泡，浸泡時(shí)間為24 h，浸泡后的青稞去除表面浮水，置于恒溫暗箱中(20 ℃)發(fā)芽96 h。取青稞芽體于-70 ℃超低溫冰箱中預(yù)冷4 h，進(jìn)行冷凍干燥24 h。干燥后的發(fā)芽青稞經(jīng)高速粉碎機(jī)粉碎，過75目篩，得到發(fā)芽青稞粉備用。另取未發(fā)芽青稞，同法制粉作為對照組。

1.2.2 發(fā)芽青稞營養(yǎng)成分測定

蛋白質(zhì)采用GB/T 5009.5—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測定》的凱氏定氮法[11]；脂肪采用GB/T5009.6—2003《食品中脂肪的測定》中的索氏抽提法[12]；還原糖采用GB/T5009.7—2008《食品中還原糖的測定》[13]。

1.2.3 發(fā)芽青稞粉的理化特性測定

1.2.3.1 發(fā)芽青稞粉的物性學(xué)參數(shù)

稱取50 g青稞粉，加入30 mL的蒸餾水，用小型和面機(jī)攪拌制成面團(tuán)，將面團(tuán)裝盤，置于探頭下測定后取平均值。參數(shù)設(shè)定：探頭型號為P/0.5，測試前速率1.0 mm/s，測試速率3.0 mm/s，測試后速率3.0 mm/s，壓縮程度50%，感應(yīng)力5 g，2次壓縮間隔時(shí)間1 s，每項(xiàng)測試重復(fù)3次。以未發(fā)芽面團(tuán)為對照組。

1.2.3.2 持水性測定

參考ROBERTSON等[14]方法略作修改，取3 g青稞粉置于離心管中，稱量離心管和樣品的質(zhì)量。加入30 mL蒸餾水，在常溫下放置18 h。得到的青稞溶液用冷凍離心機(jī)離心，其轉(zhuǎn)速3 400×g，離心20 min。將上清液移除，得到新鮮殘?jiān)?，?0 ℃下真空干燥22 h得到干燥殘?jiān)?。持水性按公?1)計(jì)算：

(1)

1.2.3.3 水溶指數(shù)

參考ADERSON等[15]的方法稱取2.5 g青稞粉末，加入30 mL蒸餾水后用玻璃棒攪拌，在90 ℃水浴鍋中加熱15 min后，將其冷卻到室溫，用離心機(jī)離心(2 980×g，時(shí)間10 min)。為確定水中溶解的固體質(zhì)量，將離心后的上清液倒入涂了焦油的蒸發(fā)皿中，在110 ℃下蒸發(fā)上清液來回收溶解的固體物質(zhì)，則水溶指數(shù)按公式(2)計(jì)算：

(2)

1.2.3.4 持油性測定

參考ABDUL-HAMIND等[14]的方法，略有修改。稱取0.5 g青稞粉放入離心管中稱重，加入10 mL大豆油，所得溶液用渦旋混合器混合30 min(每隔5 min混合30 s)，混勻后的溶液用4 500 r/min的冷凍離心機(jī)機(jī)中離心20 min，用移液管移除分離的油脂，將離心管放在濾紙上排干30 min，再重新稱重離心管和粉末的質(zhì)量，則面粉的持油性用如下公式計(jì)算：

(3)

1.2.4 發(fā)芽青稞粉的電子鼻分析

采用PEN3的便攜式電子鼻系統(tǒng)進(jìn)行識別分析建模，PEN3型號的電子鼻含有10個(gè)不同的傳感器。實(shí)驗(yàn)時(shí)，稱取2.00 g樣品于25 mL頂空瓶中，在50 ℃水浴鍋中加熱20 min后進(jìn)行測定。測定時(shí)，電子鼻的信號采集時(shí)間定為80 s，清洗時(shí)間為60 s，每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次。數(shù)據(jù)處理的方法采用主成分分析法(PCA)和負(fù)荷加載分析法(Loading)。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)芽時(shí)間對青稞營養(yǎng)成分影響

發(fā)芽過程中，蛋白質(zhì)含量隨發(fā)芽時(shí)間的增加呈先增大后減小，且在發(fā)芽第4天時(shí)達(dá)到最大值，是發(fā)芽前的1.1倍。這是因?yàn)榉N子在萌發(fā)時(shí)，一些蛋白被轉(zhuǎn)化消耗，同時(shí)又有新的蛋白合成。蛋白質(zhì)含量是這些蛋白動(dòng)態(tài)變化的綜合反映。還原糖在發(fā)芽第5天達(dá)到最大值，但是與第4天比較無顯著差異，是發(fā)芽前的2.9倍。其可能原因是伴隨發(fā)芽過程的進(jìn)行，青稞淀粉酶被激活，種子淀粉會被水解成葡萄糖等小分子糖類。然而，脂肪含量與發(fā)芽時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，發(fā)芽結(jié)束時(shí)脂肪降低44%。這是因?yàn)榉N子萌發(fā)過程中，會消耗大量能量，引起脂肪含量顯著下降。由于蛋白質(zhì)含量在人體營養(yǎng)物質(zhì)中起著重要作用，因此根據(jù)蛋白質(zhì)含量及其他營養(yǎng)成分綜合考慮，選擇第4天發(fā)芽青稞粉作為后續(xù)研究。

表2 青稞發(fā)芽過程中營養(yǎng)成分的變化Table 2 Changes in nutrient composition during the germination of barley

注：同一行中字母不同表示差異顯著(p<0.05)。

2.2 發(fā)芽青稞的加工特性變化

在食品體系中，持水性是評價(jià)谷物淀粉穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，它能反映淀粉與水分子結(jié)合的能力[17]。與未發(fā)芽青稞相比(表 3)，發(fā)芽青稞的持水力略有降低，但無顯著差異(p<0.05)。淀粉持水能力的差異主要與淀粉有關(guān)，由淀粉分子內(nèi)部羥基與水形成氫鍵和共價(jià)結(jié)合所致。淀粉羥基與水的結(jié)合作用大于淀粉分子的結(jié)合作用，則具有較高持水力，反之則具有較低持水力[18]。持油性是谷物類物質(zhì)的重要特性，它反映蛋白質(zhì)乳化的能力[19]。持油性不僅與物質(zhì)的化學(xué)組成相關(guān)，還與谷物纖維的多孔性、以及纖維分子對油的親和力緊密相關(guān)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，發(fā)芽青稞的持油性要顯著高于未發(fā)芽青稞(p>0.05)，因而發(fā)芽青稞可以用于酥性餅干的加工。此外，發(fā)芽青稞粉水溶指數(shù)顯著高于未發(fā)芽青稞，達(dá)到69.4%，約為未發(fā)芽青稞粉的9.5倍。說明發(fā)芽處理可顯著提升青稞粉的水溶能力，可用于青稞速溶系列產(chǎn)品的開發(fā)。

表3 發(fā)芽前后青稞粉物理特性比較Table 3 Comparison of the physical characteristics of barley before and after germination

注：同一行中字母不同表示差異顯著(p<0.05)。

2.3 質(zhì)構(gòu)分析

質(zhì)構(gòu)分析主要是對食品與人們口腔等感官感覺相關(guān)的機(jī)械特性進(jìn)行測量評估，通過曲線來分析食品的硬度、延展性、黏性、凝聚性和彈性等特性。質(zhì)構(gòu)分析表明(表5)，發(fā)芽后的青稞硬度增加了1.35倍，而黏性、延展性、凝聚性、咀嚼性、彈性等均顯著降低(p<0.05)，說明發(fā)芽處理能對青稞的質(zhì)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，可用于脆性食品加工。

表4 發(fā)芽前后青稞的質(zhì)構(gòu)測定Table 4 Texture measured before and after the germination of barley

注：同一行中字母不同表示顯著差異，小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，大寫字母表示差異極其顯著(p<0.01)。

2.4 電子鼻對發(fā)芽青稞的主成分分析(principal component analysis，PCA)識別研究

電子鼻檢測技術(shù)是一種分析、識別食品“風(fēng)味”物質(zhì)的快速檢測技術(shù)，它能夠模擬人類的鼻子檢測風(fēng)味物質(zhì)，具有高度穩(wěn)定性與客觀性[20]。本研究擬建立發(fā)芽青稞的“嗅覺”模型，探索電子鼻對發(fā)芽前后的青稞進(jìn)行快速識別，為自動(dòng)篩選發(fā)芽青稞與未發(fā)芽青稞的奠定基礎(chǔ)。本研究采用PCA數(shù)學(xué)模型把電子鼻的10個(gè)傳感器響應(yīng)指標(biāo)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化、降維處理，將降維后的特征向量進(jìn)行線性分類。由圖1-A可以看出，主成分1(PC1，X軸)和主成分2(PC2，Y軸)的方差總貢獻(xiàn)率達(dá)到了99.89%，表明該模型能夠很好的反映傳感信息。此外，發(fā)芽前、后的青稞聚類的距離差異顯著，說明電子鼻的PCA模型能夠顯著區(qū)分和識別發(fā)芽前后的青稞。

圖1-B為電子鼻的傳感器載荷貢獻(xiàn)率分析圖，從圖中可以看出10個(gè)傳感器對區(qū)分發(fā)芽前后的青稞的貢獻(xiàn)率，例如W2S和W1W傳感器對第一主成分(第一主軸)貢獻(xiàn)率最大，占到所有變量99.89%，這說明氮氧化物或乙醇類含量的變化可能是區(qū)分發(fā)芽青稞與未發(fā)芽青稞的主要因素。

圖1 青稞發(fā)芽前后的PCA模型(A)及載荷貢獻(xiàn)率分析圖(B)Fig.1 PCA(A) and Loadings analysis(B) of highland barley before and after germination

3 結(jié)論

綜上所述，本研究成功地將發(fā)芽技術(shù)應(yīng)用于青稞改性處理，發(fā)芽能夠顯著改善青稞的營養(yǎng)成分與加工特性。發(fā)芽以后，青稞的蛋白質(zhì)和還原糖含量分別增加了1.1和2.9倍，而脂肪減少了44%。青稞發(fā)芽后的保油性、水溶指數(shù)分別提高了1.06和9.5倍，而持水性略微降低了2.78%。提示發(fā)芽青稞可用于青稞系列速溶系產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造。質(zhì)構(gòu)研究表明，發(fā)芽青稞的硬度顯著增加，而黏性、延展性、凝聚性、咀嚼性、彈性等均顯著降低(p<0.05)，提示發(fā)芽青稞可用于青稞脆性食品的設(shè)計(jì)。此外，對電子鼻響應(yīng)信號進(jìn)行PCA建模分析，證明電子鼻能夠快速識別發(fā)芽前后的青稞，氮氧化物或硫化物含量的變化可能是區(qū)分發(fā)芽青稞與未發(fā)芽青稞的主要因素，而揮發(fā)性甲烷類物質(zhì)和乙醇類物質(zhì)可能是區(qū)分發(fā)芽青稞與未發(fā)芽青稞的輔助因素。本研究為青稞加工特性優(yōu)化與開發(fā)青稞新食品提供了科學(xué)依據(jù)。