奇亞籽營養(yǎng)成分分析及其飲料工藝優(yōu)化

韓 凱,李欣陽,趙相宇,羊鎮(zhèn)濤,馬 躍,馬 婕,劉 悅,回 晶,*

(1.遼寧大學(xué)生命科學(xué)院,遼寧沈陽 110036; 2.秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站,河北秦皇島 066000)

奇亞籽(Salviahispanica)屬于唇形科,是一種表面光滑呈橢圓形狀的薄荷類植物芡歐鼠尾草的種子[1-2]。奇亞籽最早種植于危地馬拉和墨西哥等地區(qū),作為人類食用的食物已有幾千年的歷史[3-4]。2014年,奇亞籽正式作為一種新的食品原料進入中國市場。奇亞籽含有豐富的營養(yǎng)成分,主要包括蛋白質(zhì)、脂肪、膳食纖維、omega-3不飽和脂肪酸、礦物質(zhì)等。此外,還包括很多種天然抗氧化活性成分,如VC、VE、黃酮類、多酚類物質(zhì)等[4-6]。

已有研究表明,奇亞籽具有緩解便秘、抗氧化、抗肥胖、改善血脂代謝、預(yù)防心腦血管疾病等功能[7-8]。相啟森等[9]對奇亞籽提取物體外抗氧化活性進行了研究,發(fā)現(xiàn)黑、白兩種奇亞籽提取物均具有清除DPPH·和ABTS+·自由基的能力,并對脂質(zhì)過氧化和蛋白質(zhì)氧化降解具有抑制作用。Rafaela等[8]發(fā)現(xiàn)膳食奇亞籽及其油均能夠使肥胖大鼠體重減輕,具有一定的減肥功能。然而,奇亞籽作為一種新型超級食物,目前在食品方面主要應(yīng)用于谷物棒、餅干、面包、面條和酸奶等[10-11],尚缺少在飲料工業(yè)中的應(yīng)用。

因此,為更好地利用奇亞籽的營養(yǎng)價值,本文分別對不同種類奇亞籽的基本營養(yǎng)成分進行測定,并通過單因素實驗和響應(yīng)面試驗優(yōu)化飲料制作工藝,為奇亞籽在飲料深加工領(lǐng)域提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黑、白奇亞籽 購買于美國;濃縮檸檬水果飲料 購買于可羅食品有限公司;所有試劑 均為分析純;麥芽糖醇、結(jié)冷膠、甜蜜素均為食品級 河北格貝達。

KJELTEC 2300自動定氮儀 瑞典特卡托公司;S-433D型氨基酸自動分析儀 德國塞卡姆公司;6890-5973N氣相色譜-質(zhì)譜儀 美國Agilent公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 奇亞籽預(yù)處理 取適量奇亞籽在105 ℃干燥箱中烘2 h左右,除去多余水分,粉碎過40目篩得到奇亞籽粉末,貯藏于干燥密閉容器中備用。

1.2.2 基本成分含量的測定 水分測定:參照GB 5009.3-2010[12];灰分測定:參照GB 5009.4-2010[13];粗蛋白測定:參照GB 5009.5-2010[14];粗脂肪測定:參照GB/T 5009.6-2003[15];膳食纖維測定:參照GB 5009.88-2014[16];碳水化合物測定:參照GB/Z 21922-2008[17]。

1.2.3 氨基酸含量的測定 參照GB 5009.124-2016[18]。

1.2.4 營養(yǎng)價值評價 黑、白奇亞籽營養(yǎng)價值通過氨基酸評分(amino acid score,AAS)和化學(xué)評分(chemical score,CS)進行評價[10],計算公式如下:

1.2.5 脂肪酸組成的測定 奇亞籽油的提取:稱取過40目篩的奇亞籽粉5 g于索氏抽提器中,加入100 mL石油醚(30～60 ℃),于65 ℃水浴中提取6 h。過濾,于真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上回收溶劑至干,得奇亞籽油。

樣品的甲酯化[19-20]:將0.2 g上述油樣置于10 mL磨口試管中,加入1 mL 0.5 mol/L KOH-CH3OH溶液,并在60～70 ℃水浴中皂化1 h,加熱至油珠完全溶解,并不斷搖晃,冷卻后加入2 mL正己烷,充分搖勻,加入5 mL蒸餾水,振蕩1 min,以4 ℃、4500 r/min離心15 min,取上層液體經(jīng)無水Na2SO4干燥后,通過氣相色譜(GC)分析、質(zhì)譜(MS)定性,面積歸一化法測定。

GC條件:TR-FAME 30 m×250 μm×0.25 μm彈性石英毛細管柱;載氣為He;程序升溫,柱初溫80 ℃,保持1.0 min,以4 ℃/min升溫至220 ℃,保持10 min;運行時間45 min;分流比50∶1;流速0.9 mL/min;進樣口溫度230 ℃;進樣量1.0 μL。

MS條件:EI電離源;四級桿溫度150 ℃;離子源溫度230 ℃;輔助加熱器溫度285 ℃;Scan全掃描方式;質(zhì)量掃描范圍35-520 amu。

1.2.6 奇亞籽檸檬汁飲料的生產(chǎn)工藝

1.2.6.1 工藝流程

1.2.6.2 操作要點 奇亞籽前處理:稱取一定量的奇亞籽于純凈水中,在80～85 ℃下熬煮10 min,冷卻至室溫,制得膨脹奇亞籽粒;配料液制備:向無菌容器中加入適量的純凈水,加熱到約80 ℃左右,向其中加入一定量的麥芽糖醇(甜味劑),攪拌至溶解,待冷卻至室溫,加入一定量的濃縮檸檬汁、0.02%甜蜜素,三者混勻;調(diào)配:將制得的膨脹奇亞籽與配料液充分混勻,繼續(xù)加熱至80 ℃左右,向其中加入一定量的結(jié)冷膠(穩(wěn)定劑)進行調(diào)配、穩(wěn)定;殺菌:采用巴氏殺菌法在63～65 ℃條件下,加熱30 min后快速冷卻,即得產(chǎn)品。

1.2.7 單因素實驗 以奇亞籽檸檬汁飲料的感官評分為標(biāo)準,分別對濃縮檸檬汁(v/v)、麥芽糖醇、結(jié)冷膠和奇亞籽(w/v)添加量進行篩選。

1.2.7.1 濃縮檸檬汁添加量的選擇 在麥芽糖醇添加量13%、結(jié)冷膠添加量0.16%、奇亞籽添加量3%時,以濃縮檸檬汁添加量6%、8%、10%、12%、14%進行實驗。

1.2.7.2 麥芽糖醇添加量的選擇 在濃縮檸檬汁添加量為10%、結(jié)冷膠添加量為0.16%、奇亞籽添加量為3%時,以麥芽糖醇添加量11%、12%、13%、14%、15%進行實驗。

1.2.7.3 結(jié)冷膠添加量的選擇 在濃縮檸檬汁添加量10%、麥芽糖醇添加量13%、奇亞籽添加量3%時,以結(jié)冷膠添加量0.10%、0.12%、0.14%、0.16%、0.18%進行實驗。

1.2.7.4 奇亞籽添加量的選擇 在濃縮檸檬汁添加量10%、麥芽糖醇添加量13%、結(jié)冷膠添加量0.16%時,以奇亞籽添加量1%、2%、3%、4%、5%進行實驗。

1.2.8 響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計 基于單因素實驗,依據(jù)Box-Behnken實驗設(shè)計原理,以感官評分為響應(yīng)值,以濃縮檸檬汁、麥芽糖醇、結(jié)冷膠和奇亞籽添加量為因變量,設(shè)計四因素三水平試驗,優(yōu)化奇亞籽檸檬汁飲料工藝參數(shù),響應(yīng)面試驗因素及水平如表1所示。

表1 響應(yīng)面試驗設(shè)計因素與水平Table 1 Factors and levels used in response surface experiments

1.2.9 飲料感官評定方法 由10名專業(yè)感官評估員(男∶女=1∶1)進行感官評定,采用百分制評定該飲料產(chǎn)品的組織狀態(tài)(20分)、色澤(30分)、滋味(30分)和香氣(20分)等,參照吳德智等[21]感官評分標(biāo)準,制定評分標(biāo)準如表2所示。

表2 奇亞籽檸檬汁飲料感官評分標(biāo)準Table 2 Criteria for sensory evaluation of lemon juice beverage of chia seed

1.3 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類奇亞籽基本營養(yǎng)成分分析

不同種類奇亞籽的營養(yǎng)成分含量不同。由表3可知,白奇亞籽粗蛋白質(zhì)含量遠高于黑奇亞籽,但均低于大豆蛋白質(zhì)含量(40.00%)[22],高于玉米(9.42%)、小麥(13.68%)[4]等蛋白含量。奇亞籽中粗脂肪含量較高,可用于提取奇亞籽油,其中白奇亞籽粗脂肪含量高達30.48 g/100 g,略高于黑奇亞籽粗脂肪含量(28.32 g/100 g)。研究表明奇亞籽油具有抑制肥胖、預(yù)防心腦血管疾病等功能,是一種值得開發(fā)的植物油脂[23]。奇亞籽中含有大量膳食纖維,且黑奇亞籽膳食纖維含量(34.67 g/100 g)高于白奇亞籽,食用約100 g奇亞籽就能達到成人的每日膳食推薦量。Capitani等[24]證實了奇亞籽膳食纖維具有增強飽腹感、促進腸道蠕動、改善便秘等功效。黑、白奇亞籽水分及灰分含量均低于10%。通過上述分析可得出,奇亞籽是一種優(yōu)質(zhì)食品原料,富含高蛋白、高脂肪、高膳食纖維,具有良好的開發(fā)利用價值。

表3 不同種類奇亞籽基本營養(yǎng)成分分析(g/100 g)Table 3 Analysis of nutritional composition of different kinds of chia seeds(g/100 g)

2.2 不同種類奇亞籽蛋白質(zhì)的氨基酸成分含量及其評分

氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位,是生命代謝的物質(zhì)基礎(chǔ),只有氨基酸種類齊全,才能滿足機體自身需要。氨基酸組成分析結(jié)果如表4所示,共檢出16種氨基酸,包括9種非必需氨基酸(non-essential amino acids,NEAA)和7種必需氨基酸(essential amino acid,EAA)。黑、白奇亞籽EAA含量分別為7.37和7.77 g/100 g?？偘被?total amino acids,TAA)含量為20.24～22.39 g/100 g,其中黑奇亞籽以谷氨酸含量最高,達到4.66 g/100 g;白奇亞籽精氨酸含量豐富,達到3.34 g/100 g,這與Olivos-Lugo等[25]研究結(jié)果一致。白奇亞籽EAA/TAA為38.39%,EAA/NEAA為62.31%。根據(jù)FAO/WHO推薦的理想模式,蛋白質(zhì)氨基酸組成EAA/TAA在40%左右,EAA/NEAA在60%以上時蛋白質(zhì)質(zhì)量較好[26]。白奇亞籽氨基酸組成接近FAO/WHO的理想模式,即氨基酸組成及比例較為合理,屬于優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)源。

表4 不同種類奇亞籽的氨基酸組成及含量(g/100 g)Table 4 Amino acid composition of different kinds of chia seeds(g/100 g)

不同種類奇亞籽EAA組成評價如表5所示,奇亞籽EAA總量均超過FAO/WHO和大豆,但低于雞蛋EAA總量。以AAS為標(biāo)準,兩種奇亞籽中最高的AAS是纈氨酸,其次是異亮氨酸;以CS為標(biāo)準,兩種奇亞籽中最高的CS是苯丙氨酸+酪氨酸,其次是纈氨酸;第一限制性氨基酸均為蛋氨酸+半胱氨酸。根據(jù)AAS可得出,兩種奇亞籽EAA組成中除蛋氨酸+半胱氨酸含量為40%左右,其余EAA含量均超過90%,白奇亞籽尤為顯著,說明白奇亞籽蛋白質(zhì)質(zhì)量優(yōu)于黑奇亞籽。根據(jù)AAS分析,奇亞籽中氨基酸種類齊全,比例均衡,可作為優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)來源。

表5 不同種類奇亞籽中EAA組成評價Table 5 Evaluation of essential amino acids in different kinds of chia seeds

2.3 不同種類奇亞籽油主要脂肪酸組成分析

不同產(chǎn)地、不同種類的奇亞籽是引起脂肪酸種類差異性的主要原因。結(jié)果如表6所示,本研究就奇亞籽油中7種主要的脂肪酸進行分析,包括飽和脂肪酸(saturated fatty acids,SFA)3種,不飽和脂肪酸(unsaturated fatty acids,UFA)4種,其中單不飽和脂肪酸(monounsaturated fatty acids,MUFA)1種,多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFA)3種。黑奇亞籽油中SFA占脂肪酸總量的11.37%,略高于白奇亞籽油中的含量10.72%;UFA占脂肪酸總量的88.63%,略低于白奇亞籽油中的含量89.28%,其中MUFA含量(4.39%～5.81%)均低于PUFA含量(82.82%～84.89%)。

表6 不同種類奇亞籽油主要脂肪酸組成及含量分析Table 6 Analysis of main fatty acid composition and antent of different kinds of oil of chia seed

實驗結(jié)果與榮旭等[10]所研究的奇亞籽油中PUFA含量大于80%一致。亞油酸和亞麻酸是奇亞籽油中主要的不飽和脂肪酸,二者是人體生長發(fā)育所必需的脂肪酸,適量補充可預(yù)防心血管、高血壓、哮喘等疾病,同時還可抑制腫瘤生長[27]。研究表明,食物中n-3/n-6比值越高,對人體越有利[28]。此外,FAO/WHO建議食物中n-3/n-6 PUFA比值應(yīng)大于0.2[26]。黑奇亞籽油的n-3/n-6值為3.22,低于白奇亞籽油(4.12),亞麻籽油(4.00)介于二者之間[29]。因此,奇亞籽油是一種值得開發(fā)的植物油脂。

2.4 奇亞籽檸檬汁飲料單因素試驗結(jié)果

2.4.1 濃縮檸檬汁添加量對奇亞籽檸檬汁飲料感官評分的影響 由圖1可知,隨著濃縮檸檬汁添加量的增加,感官評分呈先上升后下降趨勢。這可能與糖酸比有關(guān)。當(dāng)濃縮檸檬汁添加量為10%,感官評分達到最大值,此條件下奇亞籽檸檬汁飲料的口感和穩(wěn)定效果較好。因此,選擇濃縮檸檬汁添加量為10%進行后續(xù)優(yōu)化試驗。

圖1 濃縮檸檬汁添加量對奇亞籽檸檬汁飲料感官評分的影響Fig.1 Effects of concentrated lemon juice addition on the sensory score of lemon juice beverage of chia seed

2.4.2 麥芽糖醇添加量對奇亞籽檸檬汁飲料感官評分的影響 由圖2可知,當(dāng)麥芽糖醇含量小于14%時,隨著麥芽糖醇含量的增大,感官評分呈線性增加。當(dāng)麥芽糖醇含量增加到14%,感官評分隨麥芽糖醇含量的增加而減小。這可能與糖酸比、結(jié)冷膠添加量有關(guān),飲料中的麥芽糖醇直接影響著飲料的酸甜風(fēng)味[30]。因此,選擇麥芽糖醇添加量為14%進行后續(xù)優(yōu)化試驗。

圖2 麥芽糖醇添加量對奇亞籽檸檬汁飲料感官評分的影響Fig.2 Effect of maltitol addition on the sensory score of lemon juice beverage of chia seed

2.4.3 結(jié)冷膠添加量對奇亞籽檸檬汁飲料感官評分的影響 由圖3可知,當(dāng)結(jié)冷膠添加量在0.10%～0.18%范圍內(nèi),隨著結(jié)冷膠含量的增加,感官評分也逐漸增加,但當(dāng)結(jié)冷膠添加量達到0.16%后,繼續(xù)增加結(jié)冷膠的量,感官評分趨于平穩(wěn)。這可能是因為麥芽糖醇的添加量在小范圍內(nèi)改變了整個體系的黏度,間接影響結(jié)冷膠的添加量,加膠越多,口感越差。因此,選擇結(jié)冷膠添加量為0.16%進行后續(xù)優(yōu)化試驗。

圖3 結(jié)冷膠添加量對奇亞籽檸檬汁飲料感官評分的影響Fig.3 Effects of gellan gum addition on the sensory score of lemon juice beverage of chia seed

2.4.4 奇亞籽添加量對奇亞籽檸檬汁飲料感官評分的影響 由圖4可知,當(dāng)奇亞籽添加量為3%時,感官評分達到最大值,此條件下飲料的口感和穩(wěn)定效果較好。隨著奇亞籽添加量(3%～5%)的增加,感官評分反而降低,這可能與奇亞籽自身吸水膨脹形成類似青蛙卵狀的結(jié)構(gòu)有關(guān)。此外,奇亞籽是進口原料,考慮到其成本,宜選擇奇亞籽添加量為3%進行后續(xù)優(yōu)化試驗。

圖4 奇亞籽添加量對奇亞籽檸檬汁飲料感官評分的影響Fig.4 Effects of chia seed addition on the sensory score of lemon juice beverage of chia seed

2.5 奇亞籽檸檬汁飲料的響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果

2.5.1 響應(yīng)模型的建立與分析 利用軟件Design-Expert 8.0.6中的Box-Behnken進行試驗設(shè)計,以濃縮檸檬汁、麥芽糖醇、結(jié)冷膠和奇亞籽添加量為響應(yīng)變量,感官評分為響應(yīng)值,進行試驗,結(jié)果如表7所示,對表7試驗數(shù)據(jù)進行二次多項式回歸擬合,得到回歸方程為:

表7 Box-Behnken試驗方案及結(jié)果Table 7 Box-Behnken design and experimental results

Y=89.20+2.58A+3.50B-3.08C+0.33D-2.25AB-0.25AC+0.75AD+1.75BC+0.50BD-0.25CD-13.18A2-11.06B2-3.43C2-2.81D2

表8 回歸方程方差分析Table 8 Regression equation analysis of variance

2.5.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗 通過Box-Behnken試驗設(shè)計得到響應(yīng)面圖,響應(yīng)面圖可用于分析各因素對飲料感官評分影響的兩兩交互作用,如圖5所示。響應(yīng)面曲線越陡,說明該因素對飲料感官評分影響越大。從等高線的稀疏程度也能看出交互作用大小,當(dāng)兩因素之間交互作用顯著時,等高線呈橢圓形或馬鞍形;反之,等高線呈圓形[31]。

圖5 各因素交互作用對飲料感官評分影響的響應(yīng)面和等高線圖Table 5 Response surface and contour plots of the interactive effects of various factors on the sensory score of lemon juice beverage of chia seed

由圖5可知,在交互項對奇亞籽檸檬汁飲料感官評分的影響中,濃縮檸檬汁添加量與麥芽糖醇添加量和麥芽糖醇添加量與結(jié)冷膠添加量之間交互作用極顯著(p<0.01),其他因素之間交互作用不顯著,這與ANOVA分析的結(jié)果相符。

2.5.3 最佳工藝條件的確定和驗證實驗 通過響應(yīng)面優(yōu)化得出奇亞籽檸檬汁飲料最佳工藝條件分別為濃縮檸檬汁添加量10.19%、麥芽糖醇添加量14.12%、結(jié)冷膠添加量0.15%、奇亞籽添加量3.11%,在此條件下得到的感官評分為90.20分。考慮到實際生產(chǎn)中遇到問題,將此工藝條件修改為:濃縮檸檬汁添加量10%、麥芽糖醇添加量14%、結(jié)冷膠添加量0.15%、奇亞籽添加量3%,進行多次驗證實驗后,得到的感官評分為(88.5±0.71)分,與理論值基本吻合,說明該模型試驗設(shè)計可靠。

3 結(jié)論

本研究分別對黑、白兩種奇亞籽營養(yǎng)成分含量及飲料工藝優(yōu)化進行了探討,結(jié)果表明,奇亞籽營養(yǎng)成分呈現(xiàn)明顯的種類差異性。黑、白奇亞籽粗蛋白質(zhì)、粗脂肪和膳食纖維含量分別為16.40%、28.32%、34.67%和29.10%、30.48%、26.65%,說明黑、白奇亞籽均具有高蛋白、高脂肪、高膳食纖維的特點。共檢出16種氨基酸,其中黑奇亞籽EAA/TAA為32.92%,EAA/NEAA為49.07%;白奇亞籽EAA/TAA為38.39%,EAA/NEAA為62.31%,根據(jù)FAO/WHO推薦的理想模式,得出白奇亞籽更符合此標(biāo)準,屬于優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)源。脂肪酸組成分析表明,黑、白奇亞籽油中PUFA分別占脂肪酸總量的82.82%和84.89%,其中omega-3含量最為豐富,分別占脂肪酸總量的63.18%和68.37%,具有較高的營養(yǎng)價值。

以濃縮檸檬汁、奇亞籽等為原料,在單因素試驗的基礎(chǔ)上,使用Design-Expert 8.0.6軟件進行Box-Behnken試驗設(shè)計,確定了飲料最佳工藝條件:濃縮檸檬汁添加量10%、麥芽糖醇添加量14%、結(jié)冷膠添加量0.15%、奇亞籽添加量3%，采用此配比生產(chǎn)的奇亞籽檸檬汁飲料口感好、色澤明亮、體系穩(wěn)定均一,可應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。