亚麻籽(Linum usitatissimum L.),又称胡麻籽,主要用作油料作物[1]。在我国,亚麻籽主要分布在华北和西北地区,甘肃、内蒙、山西和宁夏种植面积较大[2]。亚麻籽油中不饱和脂肪酸含量高达90%,主要为α-亚麻酸(54.93%)、油酸(19.92%)以及亚油酸(16.26%),这些不饱和脂肪酸在参与代谢、维持机体正常生理功能等方面均发挥着重要作用[3]。
常用的油脂提取方法有压榨法和浸出法,其中压榨法分为冷榨法和热榨法。饼粕是从油籽中提取油后的副产物,其中含丰富的蛋白质、纤维等成分。我国目前研究和应用较为广泛的植物类饼粕有大豆饼粕[4]、花生饼粕[5]、棉籽饼粕[6]等,但大豆饼粕价格昂贵,其中所含的蛋白质具有致敏性,限制了部分人群的食用,而花生饼粕、棉籽饼粕在贮存时极易感染黄曲霉毒素。亚麻籽饼粕中蛋白质的潜在致敏性远远低于大豆蛋白,且含木酚素、亚麻籽胶和膳食纤维等功能成分[7],具有极高的利用价值,长期以来多作为动物饲料或者肥料中的低价值蛋白质补充剂,造成了资源的极大浪费[8]。
近年来,国内外对于亚麻籽饼粕的研究多集中于冷榨亚麻籽饼粕。HIJAZI等[9]从冷榨亚麻籽饼粕中提取亚麻籽胶,将其与向日葵混合油、卵磷脂按比例混合后均质化3 min制得低脂素食蛋黄酱。ZARZYCKI等[10]在意大利面中加入冷榨亚麻籽饼粕,研究发现尽管添加亚麻籽饼粕的意大利面在感官上与消费者习惯的传统意面不同,但它提高了产品的营养品质,且不影响质量特性,有可能被视为意大利面生产的重要营养成分来源。许光映[11]从冷榨亚麻籽饼粕中提取蛋白质及木酚素,为冷榨亚麻籽饼粕的综合加工利用探索出了一条新的工艺路线。赵胜男等[12]研究了脱毒冷榨亚麻籽饼粕对挂面品质的影响,结果表明,添加合适比例亚麻籽饼粕后的挂面,其蒸煮损失率明显降低且营养更均衡。然而,至今对于冷榨和热榨亚麻籽饼粕的营养成分及结构的对比分析还未见报道。因此,本研究以冷榨、热榨亚麻籽饼粕为原料,对其常规营养成分、氨基酸、蛋白质营养价值及结构进行分析,以期为亚麻籽饼粕的综合利用、提高其经济价值寻找到新的可能性。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
冷榨、热榨亚麻籽饼粕,由君星坊食品科技有限公司提供,经高速粉碎机粉碎后过80目筛后避光常温保存备用。
溴化钾,天津市科密欧化学试剂有限公司;石油醚(沸点30～60 ℃),分析纯,天津市大茂化学试剂厂。
1.2 仪器与设备
SE-750高速粉碎机,圣象电器有限公司;MFLC-7/12D马弗炉,天津市泰斯特仪器有限公司;GZX-9246MBE 电热鼓风干燥箱,上海博迅实业有限公司;SZF-06A脂肪测定仪,上海洪纪仪器设备有限公司;Foos2300全自动凯氏定氮仪,丹麦福斯分析仪器有限公司;L-8900全自动氨基酸分析仪,日本Hitachi公司;Zeiss Sigma300场发射扫描电子显微镜,卡尔蔡司管理有限公司;Smart Lab0303050201型智能转靶X-射线衍射仪,日本理学公司;TENSOR Ⅱ傅里叶变换红外光谱仪,德国布鲁克公司。
1.3 实验与方法
1.3.1 常规营养成分的测定
水分采用GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》中“第一法 直接干燥法”进行测定;灰分采用GB 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》中“第一法 食品中总灰分的测定”进行测定;粗脂肪采用GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》中“第一法 索氏提取法”进行测定;粗蛋白采用GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》中“第一法 凯氏定氮法”进行测定;粗纤维采用GB 5009.10—2003《食品安全国家标准 植物类食品中粗纤维的测定》进行测定。
1.3.2 氨基酸组成及含量的测定
参照GB/T 18246—2019《饲料中氨基酸的测定》,采用全自动分析仪对冷、热榨亚麻籽饼粕中的氨基酸进行测定。
1.3.3 蛋白质营养价值评定
食物中蛋白质营养价值的好坏主要取决于所含必需氨基酸的种类、含量及组成比例。根据世界卫生组织(World Health Organization,WHO)和联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization,FAO)修订的理想蛋白质人体必需氨基酸模式谱(1973年版本),参照陈守一等[13]方法,主要采用以下指数和公式(1)～公式(4)进行计算,评估冷、热榨亚麻饼粕中蛋白质的营养价值。
必需氨基酸(essential amino acid,EAA)/氨基酸总量(total amino acid,TAA)=待评蛋白质中EAA含量/TAA
(1)
必需氨基酸比值(ratio of essential amino acid,RAA)=待评蛋白质中某种必需氨基酸含量(mg/g)/(WHO/FAO)模式中相应必需氨基酸的含量(mg/g蛋白)
(2)
氨基酸比值系数(ratio coefficient of amino acid,RC)=必需氨基酸比值/必需氨基酸比值的均值氨基酸
(3)
式中:RC最小值对应的氨基酸为第一限制氨基酸,RC大于或小于1,说明该种必需氨基酸相对过剩或相对不足,RC=1表明其组成比例与模式谱一致。
氨基酸比值系数分(score of ratio coefficient of amino acid,SRC)=100-CV×100
(4)
式中:CV为RC的变异系数,CV=标准差/均数,SRC越小说明营养价值越低,SRC接近100则营养价值越高。
表1 FAO/WHO模式中氨基酸组成
Table 1 Amino acid composition in FAO/WHO pattern
氨基酸异亮氨酸Ile亮氨酸Leu赖氨酸Lys蛋氨酸+胱氨酸Met+Cys苯丙氨酸+酪氨酸Phe+Tyr苏氨酸Thr缬氨酸ValFAO/WHO模式/(mg/g pro)40705535604050
1.3.4 结构测定
1.3.4.1 扫描电镜分析
将样品用导电胶固定在样品台上,真空喷金处理,然后将样品置于扫描电子显微镜下,分别在×500和×10 000观察其显微结构。
1.3.4.2 傅里叶变换红外光谱分析
参考孔慧广[14]方法并略作修改。分别称取1 mg冷榨、热榨亚麻籽饼粕与干燥后的溴化钾按照1∶100的质量比混匀压片,在分辨率4 cm-1、扫描次数16次的条件下,在4 000～500 cm-1内进行红外光谱扫描。采用Peakfit v4.12软件进行分析,计算蛋白质二级结构相对含量。
1.3.4.3 结晶特性
采用日本理学公司Smart Lab0303050201型智能转靶X-射线衍射仪,衍射条件为铜靶,电压:40 kV,电流40 mA,衍射角扫描区域2θ=0～80°,扫描速度4(°)/min。
1.4 数据处理
采用Excel 2016软件进行表格绘制;Origin 2021b用于作图;SPSS 17.0软件对试验数据进行方差分析。每个试验进行3次重复,结果以平均值±标准差[mean±standard deviation(SD)]来表示,P<0.05表示为差异显著。
2 结果与分析
2.1 冷榨、热榨亚麻籽饼粕常规营养成分分析
冷榨与热榨亚麻籽饼粕常规营养成分见表2。由表2可知,不同压榨方式对亚麻籽饼粕的常规营养成分均有显著性差异(P<0.05)。冷榨亚麻籽饼粕中的水分、粗脂肪含量分别较热榨亚麻籽饼粕高出了3.46%和0.95%,这是由于冷榨过程中,压榨温度较热榨低,水分散失少且出油率低,使得冷榨亚麻籽饼粕水分和粗脂肪的质量分数更高[15],但冷榨亚麻籽饼粕的灰分、粗蛋白及粗纤维含量低于热榨亚麻籽饼粕。冷榨、热榨亚麻籽饼粕中蛋白质含量虽较大豆饼粕、芝麻饼粕低,但其蛋白质均达到了35%以上。有研究表明亚麻蛋白具有良好的功能特性,如持水性、起泡性、凝胶特性等[16],在食品加工领域有着广泛的应用,其衍生肽具有抗氧化能力、抗菌活性和抗糖尿病作用[17]。因此,亚麻籽饼粕是一种优质的植物蛋白来源,可以满足提取蛋白或蛋白产品开发的需求或者将其加工成功能性食品。
表2 冷榨与热榨亚麻籽饼粕中的常规营养成分 单位:%
Table 2 Conventional nutrients in cold-pressed and hot-pressed flaxseed meal
成分冷榨亚麻籽饼粕热榨亚麻籽饼粕水分 8.68±0.19a5.22±0.21b灰分 5.39±0.05b5.79±0.04a粗脂肪8.45±0.15a7.50±0.18b粗蛋白38.54±0.07b41.09±0.07a粗纤维8.22±0.24b11.65±0.25a
注:表中字母表示数据间差异显著性,同一行标注不同字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
2.2 冷榨、热榨亚麻籽饼粕中氨基酸组成及含量分析
冷榨与热榨亚麻籽饼粕氨基酸组成及含量见表3。色氨酸在酸水解的过程中被破坏,因此未检测到色氨酸,但中国饲料成分及营养价值表(第31版)中数据表明[18],亚麻籽饼粕中色氨酸含量约为4.8 mg/g。由表3可知,亚麻籽饼粕中氨基酸含量丰富、种类齐全。冷榨与热榨亚麻籽饼粕中均检测出17种氨基酸,包括7种必需氨基酸(其中组氨酸为儿童必需氨基酸)和10种非必需氨基酸。除赖氨酸、丙氨酸、脯氨酸外,其他氨基酸含量不存在显著性差异。冷榨亚麻籽饼粕中各氨基酸含量均比热榨亚麻籽饼粕中各氨基酸含量低(赖氨酸除外)。
冷、热榨亚麻籽饼粕均以谷氨酸[(63.06±2.71)、(68.17±1.86) mg/g]为主要氨基酸,其次为精氨酸[(28.51±0.45)、(28.97±0.97) mg/g]。最新研究表明,谷氨酸不仅是大脑中主要的兴奋性神经递质和关键的神经调节剂,还是正常调节胰岛素分泌所必需的物质[19]。热榨亚麻籽饼粕中赖氨酸与精氨酸比例为0.29,低于冷榨亚麻籽饼粕。马得坤等[20]研究发现较低的赖氨酸与精氨酸比例有助于降低血液胆固醇水平,增强心血管健康。亮氨酸、缬氨酸、异亮氨酸统称为支链氨基酸(branched-chain amino acids,BCAAs),冷榨和热榨亚麻籽饼粕中支链氨基酸含量分别达45.59%、48.54%。WHITE等[21]研究表明支链氨基酸可作为在运动训练、肌肉萎缩综合征和衰老过程中增强肌肉蛋白质合成和质量的药物。
表3 冷榨与热榨亚麻籽饼粕中氨基酸组成及含量
Table 3 Amino acid composition and content in cold-pressed and hot-pressed flaxseed meal
类别氨基酸种类冷榨亚麻籽饼粕/(mg/g)热榨亚麻籽饼粕/(mg/g)EAA苯丙氨酸Phe14.08±0.51a14.75±0.81a缬氨酸Val14.69±0.45a15.48±0.63a蛋氨酸Met4.07±0.27a4.86±0.73a异亮氨酸Ile12.77±0.39a14.07±1.00a亮氨酸Leu18.13±0.92a18.99±0.92a苏氨酸Thr11.48±0.94a11.80±0.40a赖氨酸Lys12.55±0.45a8.48±0.06b色氨酸TrpNDND合计87.76±3.53a88.43±4.01a非必需氨基酸(non-essentialamino acid,NEAA)天冬氨酸Asp27.91±1.04a29.75±0.80a丝氨酸Ser12.63±0.60a13.16±0.38a谷氨酸Glu63.06±2.71a68.17±1.86a甘氨酸Gly17.60±0.57a18.39±0.39a丙氨酸Ala13.60±0.14a14.37±0.38b胱氨酸Cys1.07±0.11a0.90±0.41a组氨酸His5.84±0.23a6.00±0.08a精氨酸Arg28.51±0.45a28.97±0.97a脯氨酸Pro14.43±0.49a15.66±0.31b酪氨酸Tyr5.47±0.39a6.21±0.54a合计190.12±6.28a201.59±5.30aTAA277.89±7.83a 290.02±9.31a
注:ND表示未检出。
2.3 冷榨、热榨亚麻籽饼粕蛋白质的营养价值评价
冷榨与热榨亚麻籽饼粕蛋白质营养评价各指标见表4。根据1973年FAO/WHO提出的理想模式,EAA/TAA值越接近40%,表明其蛋白质质量越优。冷榨、热榨亚麻籽饼粕中EAA/TAA分别为31.02%、30.42%,可见冷榨亚麻籽饼粕中的蛋白质比热榨亚麻籽饼粕更为接近理想值。RAA是指食物中的氨基酸含量相当于模式氨基酸的倍数[22]。由表4可知,冷榨、热榨亚麻籽饼粕中必需氨基酸比值均低于模式氨基酸,氨基酸含量较为不均衡。
RC可以反映食物中氨基酸含量与模式氨基酸的偏离程度,而SRC表示必需氨基酸偏离氨基酸模式的离散程度[23]。通过比较冷榨与热榨亚麻籽饼粕中RC值数据可知,冷、热榨亚麻籽饼粕中的第一限制性氨基酸均为蛋氨酸和胱氨酸,且冷、热榨亚麻籽饼粕中相对过剩的必需氨基酸一致,均为异亮氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸,热榨亚麻籽饼粕中亮氨酸与模式谱基本一致,而冷榨亚麻籽饼粕中亮氨酸含量相对不足。通过计算得到冷榨亚麻籽饼粕中的SRC为76.91,而热榨亚麻籽饼粕中的SRC为70.98,进一步表明冷榨亚麻籽饼粕中蛋白质的营养价值优于热榨亚麻籽饼粕。
表4 冷榨和热榨亚麻籽饼粕中EAA/TAA、RAA、RC及 SRC比较
Table 4 Comparison of EAA/TAA, RAA, RC, and SRC in cold pressed and hot pressed flaxseed meal
压榨方式评价指标IleLeuLysMet+CysPhe+TyrThrVal冷榨EAA/TAA31.02%RAA0.320.250.230.140.330.280.29RC1.230.960.880.541.271.081.12SRC76.91热榨EAA/TAA30.52%RAA0.350.270.160.150.360.290.31RC1.301.000.590.561.331.081.15SRC70.98
2.4 电镜显微观察
冷榨、热榨亚麻籽饼粕在2种不同放大倍数的电镜扫描图如图1所示。低倍(×500)下,冷榨亚麻籽饼粕多呈现大小不一的不规则块状结构,热榨亚麻籽饼粕的块状结构大小较为一致。高倍(×10 000)下,2种样品表面均有孔洞结构,可能是由于油脂被压榨提取后造成的[24],且热榨亚麻籽饼粕呈现出高孔隙率和大孔径,说明热榨工艺出油率高,亚麻籽饼粕中残留脂肪含量少,这与2.1节营养成分中粗脂肪的测定结果相一致。冷榨与热榨亚麻籽饼粕表面均附着块状物质,这种块状物质可能是亚麻籽饼粕中的蛋白质[25]。
2.5 红外光谱分析
傅里叶变换红外光谱法是研究蛋白质二级结构最常用的方法[26]。蛋白质的二级结构在红外光谱区有9个特征性吸收带[27],其中酰胺Ⅰ带(1 600和1 700 cm-1,C
O带识别为伸长振动)被认为是研究蛋白质二级结构最有价值的波段[28],其中1 600～1 640 cm-1为β-折叠、1 641～1 650 cm-1为无规则卷曲、1 651～1 660 cm-1为α-螺旋、1 661～1 700 cm-1为β-转角[29]。
a-冷榨亚麻籽饼粕(×500);b-热榨亚麻籽饼粕(×500); c-冷榨亚麻籽饼粕(×10 000);d-热榨亚麻籽饼粕(×10 000)
图1 冷榨和热榨亚麻籽饼粕的扫描电子显微镜 (×500、×10 000)图
Fig.1 The scanning electron microscope (×500, ×10 000) photograph of cold pressed and hot pressed flaxseed meal
将冷、热榨亚麻籽饼粕FT-IR图谱的酰胺Ⅰ带进行分峰去卷积二阶求导,统计拟合峰面积计算百分比得到各类二级结构的含量(表5)。2种样品的二级结构中β-折叠含量高于其他二级结构,说明亚麻籽饼粕中二级结构以β-折叠为主[30]。相较于冷榨亚麻籽饼粕,热榨亚麻籽饼粕的α-螺旋、β-转角和无规则卷曲含量较低,β-折叠含量较高,说明高温使其他结构β-折叠转化,导致蛋白质的二级结构发生改变[31]。
表5 冷榨、热榨亚麻籽饼粕二级结构
Table 5 Secondary structure of cold-pressed and hot-pressed flaxseed meal
二级结构压榨方式冷榨/%热榨/%α-螺旋23.1222.47β-折叠29.4632.35β-转角23.8022.31无规则卷曲23.6222.87
2.6 结晶结构分析
X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)是一种用于分辨样品性质的技术,可以预测它是结晶态还是非晶态,其特点是对晶体产生尖锐的峰[32]。图2为冷榨、热榨亚麻籽饼粕的XRD图谱。由图可知,2种亚麻籽饼粕均有一个特征X射线衍射峰。冷榨亚麻籽饼粕的特征X射线衍射峰为20.19°,热榨亚麻籽饼粕的特征X射线衍射峰为19.96°,2种亚麻籽饼粕出峰度数无太大差异,但热榨亚麻籽饼粕的衍射峰强度降低,且峰形较为平缓,说明经热榨制得的亚麻籽饼粕的结构缺乏结晶度,可能是由于高温破坏了其晶体结构[33]。
图2 冷榨和热榨亚麻籽饼粕的XRD图谱
Fig.2 XRD patterns of cold pressed and hot pressed flaxseed cake
3 结论
通过对比冷榨和热榨亚麻籽饼粕中的水分、灰分、粗蛋白、粗脂肪、粗纤维等营养成分可知,热榨亚麻籽饼粕中的灰分、粗蛋白、粗纤维含量比冷榨亚麻籽饼粕分别高出了3.12%、6.90%、3.43%,而水分和粗脂肪含量低于冷榨亚麻籽饼粕。冷榨和热榨亚麻籽饼粕中氨基酸种类齐全、含量丰富。冷榨亚麻籽饼粕中除赖氨酸外,其他氨基酸含量均比热榨亚麻籽饼粕低,因此,冷榨亚麻籽饼粕可以作为赖氨酸补充剂,与缺乏赖氨酸的食物搭配食用,提高其营养价值。
综合EAA、RAA、RC、SRC等指标来看,冷榨亚麻籽饼粕中必需氨基酸占总氨基酸比例为31.02%,高于热榨亚麻籽饼粕,表明冷榨亚麻籽饼粕中的蛋白质比热榨亚麻籽饼粕更为接近理想值。由RAA值可知,亚麻籽饼粕中氨基酸含量较为不均衡,通过RC值的计算得到2种亚麻籽饼粕中第一限制性氨基酸均为Met+Cys。冷榨亚麻籽饼粕中SRC为76.91,高于热榨亚麻籽饼粕,进一步说明冷榨亚麻籽饼粕中蛋白质营养价值更高。此外,通过扫描电镜、红外光谱及X-射线衍射分析,结果表明,热榨亚麻籽饼粕块状结构更小,表面孔洞结构更大,孔隙率更高。然而,对亚麻籽饼粕的二级结构影响无太大差异,但对结晶度有一定影响,其中冷榨比热榨亚麻籽饼粕的结晶度更好。综上,冷榨亚麻籽饼粕品质和结构较好,本实验可为不同压榨方式制得的亚麻籽饼粕的精深加工和综合利用提供一定的理论依据。
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