焙烤工藝對小米中維生素E含量及自由基清除活性的影響

王岸娜，Bushra Siddque，吳立根

河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001

小米是谷子經(jīng)脫殼碾磨而成，谷子是我國傳統(tǒng)的主要糧食作物之一，含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、膳食纖維、維生素和礦物質(zhì)。由于地域的不同，小米中蛋白質(zhì)含量為9.28%～15.80%，脂肪含量為3.1%～5.2%，碳水化合物含量為70%左右。每100 g小米中，含有胡蘿卜素0.11～1.96 mg，維生素E 3.97～9.58 mg，維生素B10.57 mg和維生素B20.12 mg，高于其他谷類作物[1]。小米具有一定的滋補和藥用價值[2]。小米中豐富的膳食纖維通過加快消化腺的分泌，減少腸黏膜與糞便接觸的時間，降低某些致癌物質(zhì)的產(chǎn)生，可以有效預(yù)防消化道疾病[3-4]；含有的亞油酸、維生素E、谷維素、角鯊烯等天然植物營養(yǎng)成分具有軟化血管[5]、降低血壓[6]、抑制膽固醇在腸道吸收的功效[7]；此外，小米還具有抗?jié)?、抗炎、降血糖[8]、提高免疫力等功效[9-10]。

維生素E是維持人體多種正常生理活動的重要營養(yǎng)物質(zhì)，為定位于膜的脂溶性天然抗氧化劑，可阻斷自由基鏈式反應(yīng)，能抑制自由基導(dǎo)致的生物膜脂質(zhì)過氧化[11]、預(yù)防體內(nèi)細胞膜脂質(zhì)破壞、保持組織完整性，具有防癌[12]、抗衰老[13]、防治心血管疾病[14]、維持生殖健康[15]、干預(yù)腦神經(jīng)DNA損傷[16]等功能。維生素E經(jīng)透皮吸收后，可抑制紫外線照射導(dǎo)致的活性氧與自由基參與的化學(xué)反應(yīng)，具有減少光老化的作用[17]。

目前，對于小米中維生素E的研究多集中于不同來源谷子/小米中維生素E含量的測定[18]、小米米糠油中維生素E的含量及活性的研究[9,19]。對于小米經(jīng)焙烤前后，維生素E含量和清除自由基活性的變化，還未見報道。由于維生素E主要由光合生物合成，人類需通過日常飲食攝取，因而研究焙烤對小米中維生素E含量及其清除自由基活性的影響，可為以小米為原料的健康產(chǎn)品的開發(fā)提供一定的技術(shù)支持，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

小米粉：小米樣品除雜后水分調(diào)整至適當?shù)暮?10%、12%、14%、16%、18%、20%)，稱取100 g置于烤盤中，150 ℃分別焙烤適當時間(5、10、15 min)，冷卻后，以小型磨粉機粉碎，通過0.25 mm(60目)孔徑樣品篩，保藏備用。

2，6-二叔丁基對甲酚：濟南鑫凱新材料有限公司；無水乙醇：鄭州派尼化學(xué)試劑廠；抗壞血酸：天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；氫氧化鉀：濟南創(chuàng)世化工有限公司；氯化鈉：西安天茂化工有限公司；正己烷：格里斯(天津)醫(yī)藥化學(xué)技術(shù)有限公司；乙酸乙酯：山東玉科化工有限公司；無水硫酸鈉：中昊晨光化工研究院有限公司；1，1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)、2，2-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)：北京索萊寶有限公司。所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

RRH-100高速多功能粉碎機磨粉機：上海緣沃工貿(mào)有限公司；超聲波清洗機：廣州邦潔電子產(chǎn)品有限公司；氮吹儀：河北慧采科技有限公司；752N紫外可見分光光度計：上海佑科儀器儀表有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱：上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；XW-80A漩渦振蕩器：上海巴玖實業(yè)有限公司；HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋：常州國華電器有限公司;高效液相色譜儀：安捷倫科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 維生素E的提取

精確稱取1.000 g粉碎后小米樣品于試管中，分別添加2,6-二叔丁基對甲酚10 mg、乙醇10 mL、10%抗壞血酸溶液1 mL，超聲波清洗機中提取10 min后，加入50%氫氧化鉀溶液2 mL，充入氮氣封口，70 ℃水浴中反應(yīng)30 min，冷卻至室溫后轉(zhuǎn)移到分液漏斗中，添加2%氯化鈉溶液20 mL,用10 mL正己烷-乙酸乙酯(85∶15,V/V)溶液萃取2次。有機相中加入無水硫酸鈉，提取有機相并于氮吹儀上吹至近干。復(fù)溶于1 mL甲醇,過0.45 μm濾膜后進行HPLC測定。

1.3.2 維生素E含量的測定

維生素E含量的測定參考劉敏軒等[18]的方法。

1.3.3 DPPH自由基清除率的測定

DPPH自由基清除率的測定參考王岸娜等[19]的測定方法。

1.3.4 ABTS自由基清除率的測定

ABTS自由基清除率的測定參考王岸娜等[20]的測定方法。

1.3.5 單因素試驗

將水分含量為16%的小米樣品除雜后粉碎，于150 ℃分別加熱0、5、10、15 min，然后，測定樣品中維生素E的含量，以及維生素E的DPPH、ABTS自由基清除率。

依次將水分含量為10%、12%、14%、16%、18%、20%的小米樣品于150 ℃加熱10 min，然后測定樣品中維生素E的含量，以及維生素E的DPPH、ABTS自由基清除率。

將水分含量為16%的小米樣品分別于80、120、150、180 ℃條件下加熱10 min，然后測定樣品中維生素E的含量，以及維生素E的DPPH、ABTS自由基清除率。

1.3.6 響應(yīng)面優(yōu)化試驗

采用Box-Behnken Design中心組合試驗，以加熱溫度、加熱時間、水分含量這3個因素作為自變量，以小米樣品中維生素E含量,維生素E的DPPH、ABTS自由基清除率為響應(yīng)量。設(shè)計3個因素3個水平的響應(yīng)面分析試驗，進行優(yōu)化試驗。建立焙烤對小米中維生素E含量和自由基清除率的二次模型。

1.3.7 最優(yōu)組合驗證試驗

根據(jù)響應(yīng)面結(jié)果，得到最優(yōu)工藝條件，并進行驗證試驗。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

所有試驗均平行測定3次，結(jié)果表示為平均值±標準偏差。單因素顯著性分析采用SPSS Statistics 24.0，P<0.05 表示差異顯著；采用Origin 9.0繪圖；Design-Expert 10.0 軟件設(shè)計響應(yīng)面優(yōu)化試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 焙烤時間對維生素E含量及自由基清除率的影響

加熱時間對小米維生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率的影響如圖1所示。與未加熱小米樣品中維生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率對比發(fā)現(xiàn)，加熱對這3項指標均有較大影響，加熱時間為15 min時，小米中維生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率最低。

圖1 加熱時間對小米維生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率的影響Fig.1 Effect of heating time on the content of vitamin E, DPPH radical scavenging rate and ABTS radical scavenging rate

2.1.2 焙烤對不同水分含量小米的維生素E含量及自由基清除率的影響

焙烤對不同水分含量小米的維生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率的影響如圖2所示。由圖2可知，不同水分含量對小米中維生素E含量影響較大。當水分含量低于18%時，隨著小米樣品中水分含量的提高，樣品中維生素E含量,DPPH、ABTS自由基清除率會逐漸降低，且當水分含量為10%時，該小米中維生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率高于其他小米樣品。小米水分含量為16%時維生素E含量最低，為45.71 μg/g。水分含量為18%、20%時，小米樣品中維生素E含量分別為78.09、78.78 μg/g，與未經(jīng)熱處理的小米樣品中維生素E含量相差不大。DPPH和ABTS自由基清除率均在小米水分含量18%時最高。

圖2 焙烤對不同水分含量小米的維生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率的影響Fig.2 Effect of baking process on the content of vitamin E, DPPH radical scavenging rate and ABTS radical scavenging rate of millet with different moisture content

2.1.3 焙烤溫度對小米維生素E含量及自由基清除率的影響

溫度對小米維生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率的影響如圖3所示。隨加熱溫度的升高，維生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率均出現(xiàn)先增加后減小趨勢。

圖3 溫度對小米維生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率的影響Fig.3 Effect of temperature on the content of vitamin E, DPPH radical scavenging rate and ABTS radical scavenging rate of millet

2.2 響應(yīng)面試驗及數(shù)據(jù)分析

響應(yīng)面試驗的因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗的因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface experiments

2.2.1 響應(yīng)面試驗結(jié)果及回歸模型的建立

通過響應(yīng)面分析多元回歸擬合因素與響應(yīng)值間的函數(shù)關(guān)系，由回歸方程尋找最佳的工藝參數(shù)。在單因素試驗基礎(chǔ)上，使用Design-Expert 10.0軟件， 應(yīng)用Box-Behnken 進行了三因素三水平的試驗設(shè)計，共17組試驗。焙烤加工后小米維生素E含量及DPPH、ABTS自由基清除率的響應(yīng)面試驗結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗方案與結(jié)果Table 2 Response surface experiment design and results

對試驗結(jié)果擬合得到多元二次回歸方程。

維生素E含量=71.60+4.74A+14.02B+2.02C-4.52AB-1.91AC-6.52BC-19.64A2+3.75B2-15.86C2-7.82A2B-3.27A2C+16.24AB2。

DPPH自由基清除率=29.20+6.81A-13.08B+4.97C-0.75AB-2.72AC-4.52BC+2.63A2+4.92B2-15.70C2+9.32A2B-7.26A2C。

ABTS自由基清除率=18.88+2.79A-6.41B+3.18C-3.50AB-1.07AC-6.67BC+1.41A2+7.21B2-10.21C2。

2.2.2 響應(yīng)面試驗方差分析

表3、表4和表5表明：基于維生素E含量的回歸方程P值小于0.000 1，為極顯著，且F值為616.97，表明此回歸模型顯著，僅有0.01%的可能性是由于噪聲導(dǎo)致此F值；DPPH自由基清除率的回歸方程P值為0.022 8，小于0.05，且F值為6.86，回歸模型顯著，僅有2.28%的可能性是由于噪聲導(dǎo)致這一F值，失擬項P值為0.140 2，表明該模型在0.05水平上失擬不顯著，因而,DPPH自由基清除率的回歸方程顯著；ABTS自由基清除率的回歸方程P值為0.048 8，小于0.05，失擬項P值為0.312 7，表明相對于純誤差，該模型在0.05水平上失擬不顯著，因而，ABTS自由基清除率的回歸方程顯著。3個回歸方程的相關(guān)系數(shù)依次為0.999 5、0.966 3和 0.826 9，均高于0.800，回歸模型與實測值能較好地擬合，并且3個響應(yīng)值的變化依次有99.95%、96.63%和82.69%來源于所選3個變量。此外，3個模型的精密度依次為69.503、9.732和7.661，均高于4.0，表明3個回歸模型與實測值能較好地擬合。

表3 基于維生素E含量的方差分析Table 3 Variance analysis on vitamin E content

表4 基于維生素E的DPPH自由基清除率的方差分析Table 4 Variance analysis on the DPPH radical scavenging rate of vitamin E

表5 基于維生素E的ABTS自由基清除率的方差分析Table 5 Variance analysis on the ABTS radical scavenging rate of vitamin E

基于維生素E含量的模型中焙烤溫度、焙烤時間均為極顯著因素，小米水分含量為顯著因素；回歸方程中的AB、BC、A2、C2、A2B、AB2對模型有極顯著影響，B2對模型有高度顯著影響，AC對模型有顯著影響?；贒PPH自由基清除率的模型中，焙烤溫度、焙烤時間均為顯著因素，小米水分含量的平方、焙烤溫度的平方與焙烤時間的乘積均對模型有顯著影響?；谇宄鼳BTS自由基清除率的模型中焙烤時間為顯著因素，小米水分含量的平方對模型有顯著影響。

F值反映各因素對響應(yīng)值的重要性，F(xiàn)值越大則對響應(yīng)值的影響越大。表3中F(A)=112.47，F(xiàn)(B)=982.19，F(xiàn)(C)=20.31；表4中F(A)=11.33，F(xiàn)(B)=20.89，F(xiàn)(C)=3.02；表5中F(A)=1.55，F(xiàn)(B)=8.22，F(xiàn)(C)=2.02。由表3、表4和表5中的F值可知，各因素對維生素E含量和DPPH自由基清除率的影響顯著性大?。罕嚎緯r間>焙烤溫度>小米水分含量，對ABTS自由基清除率的影響顯著性大小：焙烤時間>小米水分含量>焙烤溫度。

2.2.3 各因素交互作用分析

響應(yīng)面三維曲線圖中曲面的傾斜度高，坡度陡，則對響應(yīng)值的影響程度大，兩者的交互作用顯著。為了考察交互項對維生素E含量,DPPH、ABTS自由基清除率的影響，對模型降維分析。經(jīng)Design-Expert 10.0軟件分析，所得的響應(yīng)面和等高線見圖4—圖6。

圖4表明3個交互項對維生素E含量的影響均顯著。由圖4a可知，隨焙烤時間延長，維生素E含量增加，隨焙烤溫度升高，維生素E含量先升高后下降。由圖4b可知，焙烤溫度和小米水分含量(AC)對維生素E含量的影響均隨每個因素增大，維生素E含量先增大到極值后再逐漸減少。由圖4c可知，隨焙烤時間延長，維生素E含量增加，隨水分含量增加，維生素E含量先升高后再降低。

圖4 各因素交互作用對維生素E含量影響的響應(yīng)面和等高線Fig.4 Response surface and contour of the effects of various factors interactions on vitamin E content

由圖5a可知，焙烤溫度和焙烤時間(AB)交互項對DPPH自由基清除率具有一定影響，溫度的影響較大，在80～180 ℃ 范圍內(nèi)，隨焙烤溫度的升高，DPPH自由基清除率升高，5～15 min范圍內(nèi)，隨焙烤時間延長，DPPH自由基清除率降低。由圖5b可知，隨焙烤溫度的升高，DPPH自由基清除率升高，隨小米水分含量升高，DPPH自由基清除率先升高后下降，在小米水分含量18%達到極值。由圖5c可知，小米水分含量的影響與AC交互項的影響一致，焙烤時間對DPPH自由基清除率的影響較大，隨焙烤時間延長，DPPH自由基清除率降低。

圖5 各因素交互作用對DPPH自由基清除率影響的響應(yīng)面和等高線Fig.5 Response surface and contour of the effects of various factors interactions on DPPH free radical scavenging rate

由圖6a可知，AB交互項影響下，80～180 ℃時，焙烤時間8 min之內(nèi)，隨焙烤溫度升高ABTS自由基清除率升高，焙烤時間5～8 min，隨焙烤時間延長，ABTS自由基清除率降低；由圖6b可知，AC交互項影響下，焙烤溫度的影響與AB交互項影響相近，隨小米水分含量增加，ABTS自由基清除率先增加再降低；由圖6c可知，BC交互項中，焙烤時間對ABTS自由基清除率的影響高于小米水分含量的影響，隨焙烤時間延長，ABTS自由基清除率降低，小米水分含量的影響與AC交互項中的相近。

圖6 各因素交互作用對ABTS自由基清除率影響的響應(yīng)面和等高線Fig.6 Response surface and contour of the effects of various factors interactions on ABTS free radical scavenging rate

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化及驗證試驗

使用Design-Expert 10.0軟件，設(shè)置維生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率達到極大值，得到維生素E含量的理論最優(yōu)條件為焙烤溫度180 ℃、焙烤時間 5.00 min、小米水分含量19.07%，在此條件下的維生素E含量的理論值為75.10 μg/g；DPPH自由基清除率和ABTS自由基清除率的理論最優(yōu)條件為焙烤溫度173 ℃、焙烤時間5.00 min、小米水分含量19.34%，在此條件下，自由基清除率依次為45.57%、40.56%。結(jié)合3個模型的總體分析，結(jié)合實際，取工藝條件為焙烤溫度175 ℃、焙烤時間5.00 min、小米水分含量20%。采用上述條件進行驗證試驗，最終維生素E含量平均值為74.50 μg/g，DPPH、ABTS自由基清除率平均值分別為44.58%、44.45%，預(yù)測值與實際值吻合良好。

3 結(jié)論

將響應(yīng)面分析法引入到小米焙烤工藝的優(yōu)化試驗中，以小米維生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率為響應(yīng)值，建立了3個回歸模型，在最佳工藝參數(shù)焙烤溫度175 ℃、焙烤時間5.00 min、小米水分含量20%時，維生素E含量平均值為74.50 μg/g，DPPH、ABTS自由基清除率平均值分別為44.58%、44.45%，預(yù)測值與實際值吻合良好。該研究對小米制品的開發(fā)利用具有重要意義，且該工藝參數(shù)可為工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)。