紫薯为旋花科甘薯属一年生草本植物,薯肉呈紫黑色,除了含有淀粉、粗蛋白、膳食纤维、矿物质等营养物质外,其块茎根中花色苷含量较高[1],花色苷作为一种植物类黄酮物质,广泛分布于植物、水果、蔬菜、花卉和谷物中[2]。大量研究表明,花色苷具有抗氧化、预防心脏病、降血糖、抗癌和抗炎等特性[3-6],还可以使许多植物的根、茎、花和果实等呈现橙色、粉红色、红色、紫色和蓝色等不同色泽。此外,紫薯具有栽培成本低、生长周期短、营养价值高等优点,已成为花色苷产品的重要资源,可以用作食品添加剂或膳食补充剂[7-9]。然而紫薯鲜果含水量约为65%,在运输及贮藏过程中易发生腐烂变质,限制了其在食品加工中的应用,将紫薯加工成粉末能最大限度地保留紫薯原有的色泽、风味及营养成分,具有体积小、保质期长、更稳定等特点[10-11],可以用作汤、肉汁、预制小吃和烘焙产品的增稠剂,也可用作天然着色剂、甜味剂和补充营养素来增强食品感官品质及营养价值。
近年来,随着生活水平的提高,人们对营养膳食的关注度越来越高,健康、营养、方便的食品越来越受到消费市场的青睐。米粉作为中国南方的传统美食,是大米经粉碎、糊化、挤压成型等一系列加工而成的条状或扁状产品,深受大众喜爱[12],但精制大米是一种易于消化的谷物,具有高预测血糖生成指数(expected glycemic index,eGI)值,过量食用米粉可能增加糖尿病、肥胖和心血管疾病发病率[13],因此,开发营养强化、低eGI米粉是米粉产品未来的发展趋势。紫薯粉作为紫薯的精加工产品,具有延缓淀粉消化和预防癌症的功效。因此,在米粉中添加紫薯粉能够在一定程度上解决米粉营养结构单一的问题,可以更好地发挥营养膳食对疾病的防控作用。
因此,本研究按照不同紫薯粉添加量制备了紫薯米粉,研究紫薯粉对米粉食用品质及理化特性的影响,选择制备紫薯米粉的最优紫薯粉添加量,为紫薯粉在食品中的应用提供新思路,为淀粉基食品加工提供一定的理论参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
苏北大米(早籼米),市售;紫薯粉,湖北根聚地农业发展股份有限公司;醋酸酯淀粉,广西大新芸力有限公司;无水乙醇、浓盐酸、H2SO4、NaOH、KCl、乙酸、乙酸钠、CaCO3、福林酚等均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
电子分析天平,赛多利科学仪器(北京)有限公司;TGL-24MC台式高速冷冻离心机,长沙平凡仪器仪表有限公司;722 N可见分光光度计,上海仪电仪器有限公司;K9840自动凯氏定氮仪,海能仪器有限公司;TAXT plus型质构仪,英国Stable Micro Systems公司;SC-80C全自动色差计,北京康光仪器有限公司;DSC200 F3差示扫描量热仪,德国耐驰公司。
1.3 实验方法
1.3.1 原料营养成分测定
灰分、蛋白质、脂肪、总淀粉、直链淀粉含量及胶稠度分别参照国家标准GB 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》、GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》、GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》、GB 5009.9—2016《食品安全国家标准食品中淀粉的测定》、GB/T 15683—2008《大米 直链淀粉含量的测定》和GB/T 22294—2008《粮油检验 大米胶稠度的测定》测定。
1.3.2 紫薯米粉制作工艺
称取500 g早籼米浸泡10 h沥干水分后按料液比1∶1(g∶mL)磨浆,再添加62.5 g醋酸酯淀粉、10 g大豆油。0%～25%紫薯米粉制备:以100%早籼米质量为基准,分别以0%、5%、10%、15%、20%、25%(均为质量分数,下同)的紫薯粉替代早籼米磨浆。将混浆平摊于蒸盘,沸腾蒸汽蒸煮3 min后冷却至室温,将米粉切成条状于4 ℃冰箱保存备用。
1.3.3 紫薯米粉质构特性的测定
参考郭云霞等[14]的方法,测定米粉的硬度、黏附性、弹性、咀嚼性和回复性。
1.3.4 紫薯米粉色度值的测定
参考周新群等[15]的方法,使用分光色度仪测定米粉的颜色系数。记录L值(亮度)、a值(红绿值)和b值(黄蓝值)。
1.3.5 紫薯米粉断条率和蒸煮损失率的测定
断条率的测定采用罗文波等[16]的方法;蒸煮损失率的测定采用司艺蕾等[17]的方法。
1.3.6 紫薯米粉花色苷含量的测定
准确称取1 g米粉冻干粉,按料液比1∶15(g∶mL)加入体积分数60%乙醇-盐酸溶液(pH 4.0)混匀,40 ℃、45 kHz超声提取60 min后,于8 000 r/min离心10 min,收集上清液备用。参考CORONA-LEO等[7]的方法,采用pH示差法进行测定。
1.3.7 紫薯米粉总酚含量的测定
参考MAJHENI
等[8]的方法,采用福林酚法进行测定。
1.3.8 紫薯米粉热特性的测定
采用差示扫描量热仪测量紫薯米粉的热特性。参照AMIN等[18]的方法,并加以适当修改。将早籼米米粉、醋酸酯淀粉及紫薯粉按特定比例混匀,准确称取混粉5 mg与10 μL蒸馏水在铝坩锅中混合密封,静置24 h。以空坩埚作为参比,从30 ℃加热至100 ℃,升温速率10 ℃/min,N2流速20 mL/min。每组样品重复测定3次,取平均值。
1.3.9 紫薯米粉微观结构的测定
利用扫描电子显微镜观察紫薯粉的加入对米粉微观结构的影响。冻干米粉选取截面,置于双面导电胶上,喷金处理,在5 kV电压下,以500倍的放大倍数观察米粉的微观结构。
1.3.10 紫薯米粉消化特性的测定
参照ENGLYST等[19]的方法并加以修改。将米粉切成2.5 mm的小块,称取0.2 g样品,加入15 mL 0.1 mol/L磷酸盐标准缓冲液(pH=6.8)和5 mL 0.01 mol/L NaOH溶液,然后加入0.043 g α-淀粉酶溶液(250 U/mL)、0.01 g糖化酶、0.072 g胰蛋白酶,随后样品在37 ℃下恒温水浴振荡3 h。分别在0、20、60、90、120、150和180 min取0.1 mL消化液,加入0.5 mL无水乙醇灭活酶,加入1.5 mL的3,5-二硝基水杨酸试剂和1.9 mL的蒸馏水,沸水浴5 min,冷却至室温,定容至25 mL,混匀,于540 nm波长下测定其吸光度。按照公式(1)～公式(4)计算快速消化淀粉(rapidly digestible starch,RDS)、缓慢消化淀粉(slowly digestible starch,SDS)、高抗性淀粉(resistant starch,RS)及淀粉水解率:
RDS/%=(G20-G0)×0.9×100/TS
(1)
SDS/%=(G120-G20)×0.9×100/TS
(2)
RS/%=[1-RDS-SDS]×100
(3)
淀粉水解率/%=(G×0.9/TS)×100
(4)
式中:G,取样点水解葡萄糖含量,%;TS,总淀粉含量,%;G0,水解0 min时产生的葡萄糖含量,%;G20,水解20 min时产生的葡萄糖含量,%;G120,水解120 min时产生的葡萄糖含量,%。
绘制淀粉水解率曲线,计算曲线下面积(area under curve,AUC),按照公式(5)计算样品的水解指数(hydrolysis index, HI):
HI/%=AUC样品/AUC白面包×100
(5)
最后,依据公式(6)计算血糖生成指数eGI:
eGI=0.862HI+8.189
(6)
1.3.11 数据处理与数据分析
采用WPS office对数据进行整理,SPSS 26.0软件Duncan检验法进行差异显著性分析(P<0.05)。实验结果以平均值±标准差表示,并利用Origin 2021软件进行线性拟合。
2 结果与分析
2.1 原料营养成分分析
由表1可知,早籼米中总淀粉、直链淀粉、蛋白质、灰分和脂肪含量分别为73.27%、25.37%、6.50%、0.33%和1.74%,胶稠度为59.32 mm。紫薯粉中总淀粉、直链淀粉、蛋白质、灰分和脂肪含量分别为61.27%、2.41%、9.32%、2.18%和1.32%,花色苷含量为84.12 mg/100 g。制作米粉宜选用早籼米,其中直链淀粉、蛋白质含量分别介于23%～28%、6%～7%时成品米粉品质较佳[20],故本研究选用的早籼米适合加工米粉。
表1 原料营养成分分析
Table 1 Analysis of nutrient composition of raw materials
原料总淀粉/%直链淀粉/%蛋白质/%灰分/%脂肪/%花色苷含量/(mg/100 g)胶稠度/mm早籼米73.27±0.3225.37±0.176.50±0.090.33±0.011.74±0.12-59.32±0.21紫薯粉61.27±0.192.41±0.039.32±0.132.18±0.061.32±0.1084.12±0.29-
注:-表示未检出(下同)。
2.2 紫薯米粉质构特性分析
由表2可知,紫薯粉的添加会改变米粉的质构特性。相对未添加紫薯粉的米粉,紫薯粉的添加显著(P<0.05)增加了米粉的硬度、回复性、弹性、咀嚼性,降低了米粉的黏性;且随着紫薯粉添加量的增加,米粉的硬度、回复性、弹性、咀嚼性呈现先上升后下降趋势,而黏性呈现先下降后上升趋势。这些结果表明,随紫薯粉的加入,淀粉分子之间的交联程度增强。
表2 紫薯米粉质构特性
Table 2 Texture characteristics of purple sweet potato rice noodles
紫薯粉添加量/%硬度/g黏性回复性/%弹性/%咀嚼性010 738.68±554.60c-491.95±16.95c46.26±4.46e97.10±1.30c8 282.26±729.97c513 847.55±598.53b-57.72±4.89b54.59±1.90d96.26±1.98c13 210.72±1 143.74b1014 169.52±881.35ab-64.36±4.50b69.78±6.35bc100.30±3.38bc13 119.00±995.50b1515 365.04±1 141.99a-14.76±1.38a81.61±3.63a141.25±7.21a18 016.79±348.33a2014 893.30±1 024.17b-13.37±1.16a73.49±5.99b102.53±2.32bc12 556.32±230.84b2514 545.77±872.01ab-69.17±4.54b63.19±5.37c109.56±9.75b16 933.93±1 474.15a
注:同一列中,不同上标小写字母表示组间差异显著(P<0.05)(下同)。
当添加量为15%时,米粉的硬度、咀嚼性、弹性、回复性达到最大值,分别为15 365.04 g、81.61%、141.25%、18 016.79,黏性最小,为-14.76;当添加量超过15%时,硬度、咀嚼性、弹性和回复性显著(P<0.05)下降,黏性显著(P<0.05)增加,这可能是由于过高紫薯粉添加量会破坏大米淀粉原有结构,导致游离淀粉含量增加。另一方面,米粉的硬度和咀嚼性与直链淀粉含量有关,紫薯粉中直链淀粉含量远低于早籼米,增加紫薯粉添加量可相对降低紫薯米粉中直链淀粉含量,阻碍直链淀粉间形成双螺旋结构,进而导致紫薯米粉中由淀粉作用形成的凝胶结构逐渐弱化[21]。此外,紫薯米粉形成过程不仅受淀粉分子之间相互作用的影响,紫薯粉中花色苷、蛋白质、膳食纤维等其他物质的存在也会对其结构形成产生影响。因此,向米粉中添加适量紫薯粉可以起到强化淀粉凝胶化,改善加工特性的作用。
2.3 紫薯米粉色泽分析
色泽是评价产品是否符合感官要求的重要指标之一。由表3可知,紫薯粉的添加显著降低了米粉的L和b值(P<0.05),增大了a值,随紫薯粉添加量的增大,L、b值呈下降趋势,而a值呈上升趋势。这些结果表明,添加紫薯粉会降低米粉亮度,相对于纯大米制作米粉,紫薯米粉更红更蓝,紫色色调加深。此外,当紫薯粉添加量超过15%后,紫薯粉分别对米粉的L、a、b值无显著影响(P>0.05),这些现象表明,当紫薯粉的添加量为15%时,紫薯米粉的色泽已达到饱和,继续添加紫薯粉后,紫薯米粉色泽无显著变化(P>0.05)。紫薯粉对米粉色度值的影响主要源于紫薯粉中的花色苷等酚类物质,当紫薯粉添加量为15%时紫薯米粉色泽均匀、色彩艳丽。
表3 紫薯米粉色度值
Table 3 Color value of purple sweet potato rice noodles
紫薯粉添加量/%Lab073.26±0.43a-1.19±0.03d2.03±0.10a549.10±0.98b5.39±0.22c-0.63±0.23b1043.77±0.86c6.03±0.10b-0.86±0.04b1542.25±1.68d6.28±0.31b-1.43±0.14c2041.31±1.42d6.59±0.28a-1.58±0.14d2541.12±1.10d6.84±0.34a-1.83±0.10e
2.4 紫薯米粉断条率和蒸煮损失率分析
蒸煮品质是评价产品整体质量的一个重要参数,通常用蒸煮损失率和断条率来衡量产品的蒸煮品质,损失率和断条率值越低米粉的蒸煮品质越高[21-23]。如图1所示,紫薯粉的加入显著降低了米粉的蒸煮损失率及断条率(P<0.05),随紫薯粉添加量的增大,米粉的蒸煮损失率与断条率呈先下降后上升趋势。当紫薯粉添加量为15%时,米粉的蒸煮损失率和断条率最低,分别为9.76%、18.65%。当添加量<15%时,紫薯米粉蒸煮损失率与断条率显著降低,推测是由于紫薯粉中的花色苷及多酚类物质与淀粉形成络合物,导致蒸煮品质损失降低;添加量>15%时,蒸煮损失率与断条率呈上升趋势,另外,当添加量为25%时米粉的断条率显著(P<0.05)高于对照组,这可能是由于体系中花色苷和多酚含量进一步增加,在蒸煮过程中花色苷及多酚发生溢出,导致淀粉结构被破坏。因此,适量紫薯粉的加入能使多羟基的酚类与大米淀粉结合,网络结构更加致密,并且添加量为15%时紫薯米粉蒸煮品质最佳。
图1 紫薯米粉蒸煮品质
Fig.1 Cooking quality of purple sweet potato rice noodles
注:不同小写字母表示不同紫薯粉添加量的差异显著(P<0.05)(下同)。
2.5 紫薯米粉花色苷和总酚含量分析
如表4所示,添加紫薯粉可以显著(P<0.05)提升米粉的花色苷及总酚含量。随着紫薯粉添加量的增加,米粉中花色苷、总酚含量整体呈现上升的趋势,紫薯米粉的花色苷含量介于2.21～6.86 mg/100 g,总酚含量介于113.41～166.67 mg/100 g,当紫薯粉添加量为15%时,米粉的花色苷与总酚含量最高,分别为6.61 mg/100 g、166.67 mg/100 g。研究表明,紫薯粉中花色苷等多酚类物质与大米淀粉络合作用有限[24],当物料中花色苷等多酚类含量增加到一定值时,可能会破坏大米淀粉的结构,导致游离淀粉含量增加,改变花色苷等多酚类物质与大米淀粉的结合作用,另一方面,过量紫薯粉的加入会导致米粉蒸煮过程中花色苷及多酚类物质的大量溶出,使紫薯米粉营养流失,品质降低。
表4 紫薯米粉花色苷和总酚含量分析
Table 4 Analysis of anthocyanins and total phenols in purple sweet potato rice noodles
紫薯粉添加量/%花色苷含量/(mg/100 g)总酚含量/(mg/100 g)0-88.33±2.13d52.21±0.11d113.41±6.32cd103.43±0.11c121.67±5.32bc156.61±0.18a166.67±6.56a206.73±0.12a153.25±5.16ab256.86±0.11a143.61±8.63ab
2.6 紫薯米粉热特性分析
如表5所示,紫薯粉的加入显著提高了米粉的TO、TP、TC(P<0.05),显著降低了ΔH(P<0.05)。随紫薯粉添加量的增大,紫薯米粉的ΔH呈不断减小的趋势,TO、TP呈不断增大趋势,而TC没有显著的规律性变化。这些结果表明,紫薯粉的加入对淀粉糊化具有促进作用。
表5 紫薯米粉热特性分析
Table 5 Analysis of thermal characteristics of purple sweet potato rice noodles
紫薯粉添加量/%起始温度TO/℃峰值温度TP/℃终止温度TC/℃焓ΔH/(J/g)064.10±0.14c78.90±0.42d84.00±2.40b3.76±0.01a565.77±2.80bc80.30±0.26c85.97±1.62ab3.25±0.14b1067.90±0.00b80.80±0.16b87.80±0.13a2.61±0.00c1567.20±0.10b80.90±0.17ab86.97±0.85ab2.57±0.18c2071.03±0.64a81.03±0.12ab89.03±2.55a1.89±0.11d2571.83±0.47a81.30±0.00a86.47±0.12ab1.62±0.11d
米粉热特性是米粉内部淀粉热特性的直观反映。淀粉糊化特性与淀粉颗粒大小、形态、直链淀粉含量及链长分布有关[25],ΔH与双螺旋的数量、淀粉结晶区内淀粉分子之间的相互作用强度有关,其相对结晶度越高,越难糊化[26]。研究发现紫薯粉中的花色苷具有多羟基结构,可与淀粉作用形成结晶,导致大米淀粉结晶区和无定形薄片之间的耦合力发生变化,淀粉结晶区被破坏而影响水分扩散到淀粉分子内部的能力和速度[27]。这与MIAO等[24]研究结果一致,添加花色苷后大米淀粉的相对结晶度降低,ΔH降低。另一方面,紫薯粉的加入会使大米淀粉体系中出现花色苷-3-葡萄糖苷,2种直链淀粉之间的双螺旋结构形成受到干扰,大米淀粉结晶区域减少,相对结晶度和ΔH降低。这两方面共同影响形成了本实验中米粉糊化热特性的变化。
2.7 紫薯米粉微观结构分析
如图2所示,不同添加比例紫薯米粉的微观结构差异明显。对照组表面光滑、孔隙小,呈现致密的网状结构,随着紫薯粉的加入,米粉网状结构遭到破坏,孔隙逐渐变大,这可能是由于紫薯粉的淀粉颗粒粒径较大,在凝胶网络结构中易形成大孔,米粉凝胶网络结构被弱化[25]。当紫薯粉添加量<10%时,米粉仍具有致密的网状结构,此时紫薯粉与大米淀粉结合紧密;当紫薯粉添加量>10%时,紫薯粉中花色苷等多酚类物质的大量加入稀释了大米淀粉的比例,米粉的内聚结构显著破坏,紫薯米粉品质逐步降低[11]。
a-0%紫薯米粉;b-5%紫薯米粉;c-10%紫薯米粉;d-15%紫薯米粉;e-20%紫薯米粉;f-25%紫薯米粉
图2 紫薯米粉微观结构
Fig.2 Microstructure of purple potato rice noodles
2.8 米粉消化特性分析
2.8.1 淀粉组分分析
如图3所示,紫薯粉的加入对米粉的RDS、SDS、RS含量具有显著(P<0.05)影响,其中RDS含量由69.54%下降至47.69%;SDS含量由18.25%增加至23.78%;RS含量由12.21%增加至29.84%。
图3 紫薯米粉消化特性
Fig.3 Digestive characteristics of purple sweet potato rice noodles
紫薯粉添加量为15%时,米粉的RDS含量最低、SDS含量最高,RS含量为28.53%。低RDS含量、高RS含量食物是糖尿病患者的理想选择[22],因此,当紫薯粉添加量为15%时,米粉的消化特性最佳。据研究报道,花色苷及多酚可以通过非共价键与大米淀粉相互作用,形成淀粉消化酶无法识别的大米淀粉-花色苷、大米淀粉-多酚复合物[23],另一方面,直链淀粉之间形成双螺旋结构时会受到花色苷的干扰,阻碍与淀粉消化酶的结合,可以降低淀粉的消化率,有利于控制餐后血糖反应。
2.8.2 淀粉水解速率和eGI值分析
由图4可知,以白面包、0%紫薯粉添加量的米粉水解速率作为参照,随紫薯粉的加入,米粉的淀粉水解速率显著降低,其中15%与25%添加量的米粉淀粉水解速率无明显差异(P>0.05)。
图4 紫薯米粉淀粉水解速率
Fig.4 Hydrolysis rate of purple sweet potato rice noodles starch
由图5可知,紫薯粉的加入可以显著降低米粉的eGI值(P<0.05),0%～25%紫薯粉添加量的米粉eGI值由77.15降低至61.89,呈现先下降后上升的趋势。当紫薯粉添加量为15%时,eGI值最低,这可能由于紫薯粉中富含的花色苷等多酚类物质可以改变大米淀粉的结构,并与大米淀粉的活性位点结合、底物竞争和改变酶的二级结构抑制淀粉消化酶活性,使淀粉水解速率和eGI显著降低(P<0.05)。
图5 紫薯米粉血糖生成指数值
Fig.5 GI value of purple sweet potato rice noodles
3 结论
紫薯粉为紫薯精加工产品,营养成分保留度高,添加到米粉中后能够改善米粉营养结构单一的问题,发挥营养膳食对疾病的防控作用。本研究制备了不同紫薯粉添加量(0%、5%、10%、15%、20%、25%)的紫薯米粉,探究了紫薯粉对米粉食用品质和理化特性的影响。结果表明,相较于0%添加量,5%～25%添加量紫薯米粉的花色苷、总酚含量分别增加了61.79%～223.58%、38.64%～89.77%,eGI值降低至61.89。随紫薯粉添加量的增加,紫薯米粉的糊化起始温度(To)、峰值温度(Tp)、终止温度(Tc)逐渐升高,而热焓值(ΔH)逐渐降低。当紫薯粉添加量由0%增加至15%时,米粉的蒸煮损失率、断条率分别由13.49%、24.77%下降至9.65%、18.65%,食用品质逐步提升;当添加量由15%继续增加至25%时,米粉的蒸煮损失率、断条率分别达到12.71%、27.71%,米粉品质下降。紫薯粉的过量添加导致米粉网状结构被破坏,孔隙增大,表现为食用品质劣化。当添加量为15%时,紫薯米粉色泽均匀,色彩艳丽,食用品质和理化特性最佳。因此,适量紫薯粉的加入可以改善传统大米米粉的食用品质及营养价值,后续可在此基础上将紫薯粉进一步应用在淀粉制食品中,为淀粉基食品加工提供一定的理论参考。
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