半脫脂花生加工過(guò)程中品質(zhì)特性變化規(guī)律的研究

陳奕穎， 焦 博， 胡 暉， 伏威銘， 李 薇， 任廣躍， 王 強(qiáng)

(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院1，洛陽(yáng) 471000) (中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，北京 100193)

花生(ArachishypogaeaLinn.)是我國(guó)主要的經(jīng)濟(jì)作物和油料作物之一[1,2]。花生中脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%～60%，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為30%，含有8種必需氨基酸[3-5]，富含VE、白藜蘆醇等生物活性成分，民間稱“長(zhǎng)生果”[6-9]。由花生制成的休閑食品如油炸花生、烘烤花生等因其風(fēng)味獨(dú)特、營(yíng)養(yǎng)豐富，深受消費(fèi)者喜愛[8,9]，然而此類休閑食品存在高脂肪、高熱量等缺陷，長(zhǎng)期食用會(huì)導(dǎo)致肥胖和誘發(fā)多種慢性疾病[10-16]，不能滿足當(dāng)代消費(fèi)者對(duì)于營(yíng)養(yǎng)健康飲食的需求。在降低花生食品中脂肪含量的同時(shí)，兼顧最終花生產(chǎn)品的外觀、質(zhì)構(gòu)、口感和營(yíng)養(yǎng)健康，是相關(guān)食品科技工作者長(zhǎng)期以來(lái)致力解決的難題。

當(dāng)前，對(duì)于部分脫脂的花生休閑食品加工工藝主要有兩大類，即有機(jī)溶劑浸出法和物理壓榨-復(fù)形法。其中有機(jī)溶劑浸出法提取花生中的油脂后，得到的花生仁顆粒完整、無(wú)破碎，但是此方法操作復(fù)雜、成本高，提油后花生蛋白質(zhì)變性、且萃取液不能完全脫除，食用殘留有機(jī)試劑的花生對(duì)人體健康有潛在危害[17]；而物理壓榨是一種應(yīng)用廣泛的脫脂方法，即通過(guò)外界壓力將脂肪從物料中分離出來(lái)，花生脫脂后形狀呈不規(guī)則扁平狀，經(jīng)泡發(fā)、蒸煮可制得半脫脂花生，此方法具有工藝簡(jiǎn)單、無(wú)殘留、營(yíng)養(yǎng)成分不受破壞等優(yōu)點(diǎn)[18-20]，更符合綠色、環(huán)保、健康的食品加工理念。然而脫脂復(fù)形后的花生由于脂肪、蛋白質(zhì)和水分含量較高，易在加工、儲(chǔ)運(yùn)期間被微生物污染，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的感官品質(zhì)和衛(wèi)生安全。而干燥可降低花生水分含量和水分活度，有效抑制酶活及微生物生長(zhǎng)，且干燥后產(chǎn)品具有品質(zhì)穩(wěn)定性高、保質(zhì)期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。目前花生制品常見的干燥方法有自然風(fēng)干、熱風(fēng)干燥、微波干燥等。其中微波干燥是一種依靠電磁波，通過(guò)分子振動(dòng)從物料內(nèi)部加熱的干燥方法，具有干燥速率快、能耗低和產(chǎn)品品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)[21]。在干燥過(guò)程中，隨著花生內(nèi)部水分的遷移及散失、脂肪和蛋白氧化、變性，各成分所占比例、組織結(jié)構(gòu)等逐漸發(fā)生變化，這些變化相互影響并最終決定加工產(chǎn)品的品質(zhì)。

目前有關(guān)半脫脂花生的研究大都集中在制備工藝的探索和優(yōu)化上[18-20,22,23]，然而不同加工手段的選擇、不同工段的工藝參數(shù)都會(huì)對(duì)半脫脂花生的最終品質(zhì)產(chǎn)生影響。有研究報(bào)道物理半脫脂花生加工工藝，制得的半脫脂花生產(chǎn)品顆粒完整、口感酥脆[22]。因此本實(shí)驗(yàn)針對(duì)半脫脂花生加工過(guò)程中脫脂、復(fù)形、干燥主要工藝對(duì)半脫脂花生品質(zhì)特性的影響開展了系列研究，并采用激光共聚焦顯微鏡(CLSM)和低場(chǎng)核磁共振(LF-NMR)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和干燥過(guò)程水分遷移規(guī)律進(jìn)行了深入探索，擬為半脫脂花生生產(chǎn)中品質(zhì)的精準(zhǔn)調(diào)控提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

脫紅衣花生仁，脂肪含量為(51.02±0.23)g/100 g；總糖試劑盒，石油醚、硫酸、硫酸銅、硫酸鉀、鹽酸、硼酸等均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

HE53鹵素水分測(cè)定儀，SOX406全自動(dòng)脂肪測(cè)定儀，K1100全自動(dòng)凱氏定氮儀，CPS-240A紫外分光光度儀，NMR-2011低場(chǎng)核磁共振儀，TCS-SP8激光共聚焦顯微鏡，C21-SX810電磁爐，液壓榨油機(jī)和微波干燥箱均為定制。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 半脫脂花生的制備

半脫脂花生：將花生壓榨50 min，得脫脂率為(54.87±0.29)%的脫脂花生；之后利用飲用純凈水水煮復(fù)形脫脂花生10 min，得復(fù)形半脫脂花生；然后使用微波干燥箱將復(fù)形半脫脂花生在功率3 kW下進(jìn)行干燥處理，得干燥半脫脂花生；干燥過(guò)程中每隔1 min停機(jī)取樣進(jìn)行稱重，當(dāng)含水量降至2%以下即為干燥終點(diǎn)。對(duì)照組：脫脂步驟中以未脫脂原料花生樣品為對(duì)照，復(fù)形和干燥步驟中以未脫脂花生做相同處理后的樣品為對(duì)照。

1.3.2 品質(zhì)特性的測(cè)定1.3.2.1 脂肪含量的測(cè)定

參照GB 5009.6—2016《食品中脂肪的測(cè)定》[24]第一法，采用全自動(dòng)脂肪測(cè)定儀測(cè)定樣品的脂肪含量。

1.3.2.2 蛋白含量的測(cè)定

參照GB 5009.5—2016《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》[25]第一法，采用全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定樣品的蛋白質(zhì)含量。

1.3.2.3 總糖含量的測(cè)定

采用3,5-二硝基水楊酸比色法[26]，使用總糖試劑盒測(cè)定花生樣品中的總糖含量。

1.3.2.4 脂肪含量、蛋白含量、總糖含量變化率的計(jì)算

脂肪含量、蛋白含量、總糖含量變化率的計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：X為脂肪含量、蛋白質(zhì)含量、總糖含量變化率/%；x1、x2分別為處理前和處理后樣品的脂肪含量、蛋白含量、總糖含量/g/100 g。

1.3.2.5 樣品微觀結(jié)構(gòu)的觀察

參照曹曉雨[27]花生微觀結(jié)構(gòu)的觀察方法，將花生樣品預(yù)切片至2 mm×3 mm，用戊二醛固定液固定，在4 ℃冰箱保存48 h后二次切片至1 mm×2 mm；然后用0.02%異硫氰酸熒光染色劑(FITC，激發(fā)波長(zhǎng)488 nm)避光染色15 min后，用pH 7.4的磷酸鹽緩沖溶液(PBS)沖洗，再用0.01%尼羅紅溶液(Nile red，激發(fā)波長(zhǎng)530 nm)避光染色15 min，PBS沖洗后蓋上蓋玻片，上鏡觀察。

1.3.3 干燥特性的測(cè)定

花生含水量的測(cè)定參考GB 5009.3—2016《食品中水分的測(cè)定》方法[28]，采用鹵素水分測(cè)定儀測(cè)定。干燥速率計(jì)算公式見式(2)。

(2)

式中：DR為干燥速率/g/(g·min)；M1、M2分別為t1、t2時(shí)刻樣品的含水量/g/100 g；t1、t2為取樣時(shí)間/min。

1.3.4 LF-NMR實(shí)驗(yàn)

參照渠琛玲等[29]低場(chǎng)核磁共振測(cè)定花生仁含水率的方法，將花生樣品裝入50 mL離心管中，放置在低場(chǎng)核磁共振分析儀永磁場(chǎng)中心位置的射頻線圈中心，利用Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脈沖序列進(jìn)行掃描，測(cè)定樣品的自旋-自旋弛豫時(shí)間T2。參數(shù)設(shè)置：主頻SF1=23 MHz，偏移頻率O1=299.721 41 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)TD=350 028，采樣頻率SW=250 kHz，采樣間隔時(shí)間TW=2 500 ms，回波時(shí)間Echo Time=280 μs，累加次數(shù)NS=4。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用Minitab18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析，采用Prism和Origin 2021軟件繪圖。所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 半脫脂花生加工過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)成分的變化

半脫脂花生加工過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)成分的變化結(jié)果見圖1。半脫脂花生脂肪含量在整個(gè)加工過(guò)程中呈逐漸降低的趨勢(shì)?；ㄉ?jīng)脫脂處理脂肪含量降低了(28.48±1.34)%、蛋白含量增加了(53.69±0.28)%、總糖含量增加了(59.49±2.03)%(P<0.05)，這是因?yàn)橹竞康臏p少導(dǎo)致半脫脂花生中蛋白含量和總糖含量相對(duì)增加。經(jīng)復(fù)形處理后花生脂肪含量、蛋白含量少量降低，但與脫脂處理相比此變化無(wú)顯著性差異(P>0.05)，因?yàn)樵谒髲?fù)形過(guò)程中少量蛋白、糖類等物質(zhì)分散在水中造成了損失；但是復(fù)形過(guò)程中半脫脂花生蛋白含量和總糖含量的損失率大于對(duì)照組(表1)，這可能由于壓榨脫脂導(dǎo)致半脫脂花生內(nèi)部孔隙增多，經(jīng)復(fù)形處理細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)更易溶于水中而損失。而干燥處理后半脫脂花生和對(duì)照組花生總糖含量均有明顯升高(P<0.05)，因?yàn)樵谖⒉ǜ稍镞^(guò)程中部分非還原糖轉(zhuǎn)化為還原糖，這與姚隆洋[30]、Hymavathi等[31]的研究結(jié)果一致。

注：圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05)，相同字母表示差異不顯著(P<0.05)。圖1 半脫脂花生加工過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)成分含量的變化

表1 半脫脂花生加工過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)成分變化率

2.2 半脫脂花生加工過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的變化

半脫脂花生加工過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的變化如圖2所示。如圖2A、圖2a，花生原料細(xì)胞呈圓形、橢圓形或類似圓形的多邊形緊密的排列在一起，細(xì)胞內(nèi)以油脂體(紅色)為主，蛋白體(綠色)零星分散在細(xì)胞中[32,33]。經(jīng)脫脂處理半脫脂花生細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)了不規(guī)則孔洞，蛋白體聚集在一起，并有少量細(xì)胞壁被擠壓破裂的現(xiàn)象(圖2B、2b)。

注：A、B表示放大倍數(shù)為原始尺寸20倍的細(xì)胞視野，a、b表示放大倍數(shù)為原始尺寸40倍的細(xì)胞視野。圖2 半脫脂花生加工過(guò)程中CLSM微觀結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)復(fù)形處理，半脫脂花生和對(duì)照組花生細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)了明顯的孔洞，孔洞均呈圓形或橢圓形(圖2A1、圖2a1、圖2B1、圖2b1)，這是由于脫脂和復(fù)形處理，細(xì)胞發(fā)生變形或出現(xiàn)破裂，使得水分進(jìn)入細(xì)胞占據(jù)了油脂被擠出后留下的孔隙，因?yàn)樗谋砻鎻埩λ猿尸F(xiàn)類似圓形狀；同時(shí)半脫脂花生胞內(nèi)孔洞相對(duì)于脫脂后明顯變大、細(xì)胞壁破損加劇，這也是導(dǎo)致復(fù)形過(guò)程中蛋白、脂肪和糖類等物質(zhì)更易溶出的原因。而且半脫脂花生細(xì)胞內(nèi)蛋白體聚集現(xiàn)象也更明顯，并緊貼在細(xì)胞壁周圍(圖2B1、圖2b1)，這是因?yàn)閺?fù)形后的細(xì)胞中含有大量水分，糖類蛋白等物質(zhì)交織在一起吸水膨脹聚合并將油脂體包裹在中心。同時(shí)可以觀察到細(xì)胞內(nèi)蛋白體和油脂體分布不均勻的現(xiàn)象，這是因?yàn)榛ㄉ鷶D壓脫脂過(guò)程中，每個(gè)細(xì)胞中的油脂不是被均一的擠出，這可能會(huì)導(dǎo)致后期干燥過(guò)程中干燥不均勻等現(xiàn)象。

經(jīng)干燥處理的半脫脂花生相較于復(fù)形后胞內(nèi)孔洞明顯變大，蛋白聚集現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，并可以更明顯觀察到細(xì)胞壁的破損(圖2B2、圖2b2)，這是因?yàn)槲⒉ǜ稍镞^(guò)程中，分子振動(dòng)會(huì)造成物料崩裂等情況，隨著水分的流失、蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)收縮，從而造成蛋白體聚集、細(xì)胞壁破損加劇的現(xiàn)象。盧映潔等[34]在帶殼鮮花生的熱風(fēng)干燥過(guò)程中同樣發(fā)現(xiàn)了干燥后的花生結(jié)構(gòu)變形和孔隙率增多的現(xiàn)象。

2.3 半脫脂花生的微波干燥特性與水分遷移規(guī)律

半脫脂花生在微波功率3 kW下的干燥曲線和干燥速率曲線如圖3所示。半脫脂花生復(fù)形后的水分含量明顯高于對(duì)照組花生，半脫脂花生和對(duì)照組花生的水分含量均隨著微波干燥時(shí)間的增加逐漸降低，半脫脂花生達(dá)到干燥終點(diǎn)用時(shí)10 min，對(duì)照組花生用時(shí)8 min。半脫脂花生的微波干燥過(guò)程分為升速干燥階段和降速干燥階段(圖3b)，在干燥初期，由于物料的水分含量較高，需要吸收較多的微波能才能達(dá)到質(zhì)熱傳遞的臨界點(diǎn)[35,36]，因此半脫脂花生和對(duì)照組花生干燥速率較慢；隨著干燥時(shí)間的增加，樣品內(nèi)部分子振動(dòng)加快，微波干燥箱內(nèi)溫度逐漸升高，水分遷移速度也逐漸加快，樣品失水量迅速增多，干燥速率達(dá)到最大值，馬錦等[37]對(duì)山核桃的微波干燥特性進(jìn)行研究也得到了相同的結(jié)論。

圖3 半脫脂花生的干燥曲線和干燥速率曲線

干燥速率達(dá)到最大值后，干燥進(jìn)入降速階段，這是因?yàn)榘朊撝ㄉ稍镫A段是一個(gè)不斷失水的過(guò)程，通過(guò)營(yíng)養(yǎng)成分變化和CLSM微觀結(jié)果發(fā)現(xiàn)，半脫脂花生營(yíng)養(yǎng)成分的相對(duì)含量、孔隙率及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)排布等均與對(duì)照組花生不同。隨著失水量的增加，花生發(fā)生不同程度的收縮，水分?jǐn)U散阻力變大，從而影響了半脫脂花生干燥過(guò)程中的水分遷移，使得失水速率逐漸降低，這與楊慧等[38]對(duì)花生干燥特性與水分遷移的影響研究結(jié)果相符。

花生樣品T2馳豫圖譜中共有4個(gè)馳豫峰T21、T22、T23和T24分別對(duì)應(yīng)著弛豫時(shí)間0.1、1、10、100 ms。T2反演譜的不同波峰代表不同狀態(tài)的氫質(zhì)子，T2值越小，則對(duì)應(yīng)水分子的結(jié)合度越高，自由度越低，在加工過(guò)程中越難被排除[39,40]。如圖4a可知，脫脂后花生的核磁共振弛豫峰主要有3個(gè)波峰(T21、T22、T24)，水分以強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水的方式存在，同時(shí)可以觀察到半脫脂花生T24油脂峰峰面積明顯小于對(duì)照組，這與化學(xué)法測(cè)定花生脂肪含量的結(jié)果一致。這是因?yàn)榛ㄉ蕛?nèi)部氫質(zhì)子來(lái)源除了水分子外，還有油脂分子，當(dāng)花生處于完全脫水(恒重)狀態(tài)時(shí)，弛豫譜主要反映花生脂肪中氫質(zhì)子的貢獻(xiàn)[39]。

圖4 脫脂后、復(fù)形后、干燥后半脫脂花生橫向弛豫時(shí)間反演圖

由圖4b可見，經(jīng)復(fù)形處理的半脫脂花生弛豫峰主要有3個(gè)波峰(T21、T22、T23)，半脫脂花生的水分以大量自由水和少量結(jié)合水的方式存在。這是由于花生復(fù)形過(guò)程中，大量自由水進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，占據(jù)被擠出脂肪的位置，這部分水分可在細(xì)胞間流動(dòng)，因此表現(xiàn)為半脫脂花生自由水含量明顯增加。復(fù)形后半脫脂花生的T23和T24峰有重疊，半脫脂花生在弛豫時(shí)間10-100 ms處有明顯的T23峰，而對(duì)照組花生在弛豫時(shí)間100 ms處有明顯的T24峰，這是因?yàn)楫?dāng)自由水與油脂弛豫時(shí)間很接近(或甚至重疊)，且二者含量都很高，無(wú)法同步獨(dú)立地測(cè)量水和脂肪共振弛豫響應(yīng)[29,40]，因此復(fù)形后半脫脂花生T2譜無(wú)明顯的油脂峰，李潮銳等[40]在對(duì)鮮花生T2圖譜的分析中也證實(shí)了此論點(diǎn)。

干燥后半脫脂花生的橫向弛豫圖譜如圖4c所示。經(jīng)干燥處理花生中的弱結(jié)合水和強(qiáng)結(jié)合水峰面積均減少，無(wú)明顯自由水弛豫峰。這是由于花生在干燥過(guò)程中散失的水分主要是自由水和部分弱結(jié)合水，隨著水分的散失，花生內(nèi)部水分自由度降低，流動(dòng)性減弱[39-42]，這可能是導(dǎo)致干燥后期速率降低的原因。同時(shí)干燥后半脫脂花生的T24油脂峰峰面積也明顯小于對(duì)照組，同樣與化學(xué)法測(cè)定花生脂肪含量的結(jié)果一致。

3 結(jié)論

本研究從微觀層面解釋了半脫脂花生加工過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)成分含量變化的原因，并明晰了半脫脂花生微波干燥速率及水分遷移與微觀結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系。結(jié)果表明，脫脂后花生的脂肪含量顯著減少、蛋白和總糖含量顯著增加；無(wú)論花生脫脂與否，復(fù)形處理均會(huì)降低其總糖含量而干燥處理會(huì)增加其總糖含量。通過(guò)觀察半脫脂花生微觀結(jié)構(gòu)在加工過(guò)程中的變化，發(fā)現(xiàn)其細(xì)胞內(nèi)脂肪體減少、蛋白體聚集、孔洞明顯增多，復(fù)形和干燥后的半脫脂花生胞內(nèi)孔洞進(jìn)一步增大、細(xì)胞壁破裂加劇、蛋白體聚集更緊密。同時(shí)由于孔洞較多，復(fù)形后半脫脂花生的水分含量顯著高于未脫脂花生?；ㄉ奈⒉ǜ稍镞^(guò)程分為升速階段和降速階段，且半脫脂花生的干燥速率顯著高于未脫脂花生，推測(cè)與半脫脂花生孔洞較多有關(guān)。