青稞又称裸大麦,主要种植于我国西藏自治区及青海、甘肃、云南、四川等地的藏区,具有“三高两低”即高蛋白、高维生素、高膳食纤维和低脂低糖等特点[1],符合现代膳食营养结构的需要。青稞作为我国特色优势农产品,具有巨大的种植面积和产量,截至2022年,西藏、青海、甘肃、四川和云南5省区青稞种植面积达到29.6万hm2,比2018年增长34.68%;从产量来看,2022年5个省份青稞产量达到119.51万t,增长了21.96%[2],为我国农牧业经济发展和人民增收做出了重要贡献。然而,从目前的市场销售来看,青稞产品中糌粑、原粮、酒类占80%以上[2],且大部分以初加工产品为主,高端产品较少,精深加工水平不高,产品附加值低,这就更需深入探讨加工方式对青稞的营养成分和健康效益的影响,为青稞食品的全球推广提供坚实的科学支撑,从而推动青稞食品的产业发展。
随着功能性食品在全球范围内蓬勃发展,萌动青稞的开发和利用也成为一大研究热点。有研究表明,萌动能使谷物中的淀粉、脂肪、蛋白质等大分子物质分解为更易于人体吸收代谢的小分子代谢物,显著影响谷物的理化性质[3]。经萌动的青稞,由于水分含量升高,细胞代谢活动加快,使青稞营养成分和理化结构均发生显著变化。与未萌动青稞相比,青稞萌动后具有更好的营养成分、适口性和消化率,其抗氧化活性、健康促进作用等也有所提高;以萌动青稞为基础的产品,在水合特性、热稳定性、蒸煮时间等方面均表现出优异的性能;萌动还显著改善了青稞产品的风味,延长产品的保质期[4]。此外,微波、烘烤、炒制和蒸煮处理作为青稞常见的热加工,不仅可以改变萌动青稞粉的物理化学性质,提升产品的感官品质,对其消化特性有一定的影响,还可以灭活内源性脂解酶,从而避免在青稞贮藏过程中产生酸败和异味[5]。李孟佳等[6]的研究发现,微波、炒制及过热蒸汽处理能够在灭酶的同时有效提高青稞的营养品质及抗氧化能力;BAI等[7]的研究表明,热流态化、烘烤和微波处理能够增强青稞的理化性质和营养价值;张子敬等[8]发现,微波预处理可有效提升红米蒸煮的熟化程度,提高淀粉水解率。然而,不同热加工方式对萌动青稞营养结构和消化特性的影响研究较少且缺乏系统的研究。
本研究的主要目的是探究微波、烘烤、炒制和蒸煮4种不同的热加工方法对萌动青稞营养、结构以及淀粉体外消化的影响,以期为萌动青稞的加工和工业化生产提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
甘青4号青稞,市售;玉米油,邦基(南京)粮油有限公司;次氯酸钠溶液、无水乙醇,成都海兴化工试剂厂;乙酸钠缓冲液、DNS试剂、糖化酶、α-淀粉酶(猪胰腺),上海源叶生物科技有限公司;KBr,成都市科龙化工试剂厂(光谱纯);酶标条,南通顺为实验器材有限公司。
1.2 仪器与设备
HH-4水浴锅,常州普天仪器制造有限公司;HWS-80 恒温恒湿培养箱,北京中兴伟业世纪仪器有限公司;TD-5M 台式低速离心机、TG-17 小型高速离心机,四川蜀科仪器有限公司;Bettersize 2600 激光粒度分布仪,丹东百特仪器有限公司;FTIR920 傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)仪,天津市拓普仪器有限公司;XD3 多晶X射线衍射仪,北京普析通用仪器有限责任公司;HBS-SCANX 全波长酶标分析仪,南京德铁生物科技有限公司;HNY-2102C 制冷恒温摇床,天津市欧诺仪器仪表有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 萌动青稞的制备
参考董吉林等[9]的方法,并根据前期预实验结果制备。筛选颗粒饱满的青稞用水清洗3～5遍,置于体积分数5%的次氯酸钠溶液中浸泡15 min,用清水洗涤至中性后于恒温水浴锅20 ℃浸泡14 h。将浸泡后的青稞放入带有2层加湿滤纸的培养箱中,在温度25 ℃、湿度95%下培养24 h后得到萌动青稞,烘干至恒重备用。
1.3.2 不同热加工萌动青稞粉的制备
未处理(W);微波熟化(B):萌动青稞于650 W微波处理3 min;烘烤熟化(H):萌动青稞于150 ℃烤箱上下火烘烤25 min;炒制熟化(C):萌动青稞于200 ℃的锅中炒制15 min;蒸煮熟化(Z):萌动青稞于蒸锅中蒸煮40 min,冷却后50 ℃热风干燥12 h。所有样品均粉碎过60目筛,装入密封袋于-20 ℃冰箱中保存备用。
1.3.3 不同热加工萌动青稞粉营养成分测定
水分含量:参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》,用直接干燥法进行测定。脂肪含量:参照GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》的索氏抽提法进行测定。粗蛋白含量:参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》,用凯氏定氮法进行测定。灰分含量:参照GB 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》,用灼烧法进行测定。膳食纤维测定:参照GB 5009.88—2023《食品安全国家标准 食品中膳食纤维的测定》。总淀粉含量:使用Solarbio淀粉含量检测试剂盒测定。
1.3.4 不同热加工萌动青稞粉理化性质测定
1.3.4.1 持水力(water-holding capacity)和持油力(oil-holding capacity)的测定
参照DANG等[10]的方法,稍作修改。准确称取2.00 g热加工萌动青稞粉(m0)于离心管并称取重量m1,加入30 mL蒸馏水(食用油),沸水浴加热并搅拌15 min,冷却至室温后静置1 h,于4 000 r/min离心20 min,弃去上清液并称重m2。计算如公式(1)所示。
持水力/持油力
(1)
1.3.4.2 膨胀力(swelling power,SP)测定
参照符群等[11]的方法,稍作修改,准确称取1.00 g 热加工萌动青稞粉于10 mL比色管,加入5 mL 蒸馏水摇匀并记录体积V1,室温静置24 h后记录体积V2。计算如公式(2)所示。
(2)
1.3.4.3 水溶性指数测定
参照常逍柯等[12]的方法,稍作修改,准确称取1.00 g萌动青稞粉(m0)于离心管,加入25 mL蒸馏水,旋涡混匀后于25 ℃摇床恒温振荡2 h,3 000 r/min离心20 min后,将上清液倒入恒重的平皿(m1)中在105 ℃下干燥至再次恒重,记录平皿质量m2。计算如公式(3)所示。
水溶性指数
(3)
1.3.5 不同热加工萌动青稞粉结构特征测定
1.3.5.1 粒径分布测定
参考赵萌萌等[13]的方法,稍作修改。取适量经不同热加工的萌动青稞样品,以去离子水为分散剂,置于激光粒度仪中进行粒径分析,遮光率在18%～30%。
1.3.5.2 傅里叶红外光谱测定
参考文献[14]的方法。准确称取1.2 mg经不同热加工后的萌动青稞粉,加入120 mg KBr研磨成粉末压片,并用空白KBr作为背景。扫描次数为64次,分辨率为4 cm-1,扫描范围为400～4 000 cm-1。
1.3.5.3 X-射线衍射测试
参考文献[15]的方法,衍射条件:采用连续扫描法,管电压:40 kV;管电流:40 mA;靶型:CuKα;扫描范围:5°～90°;扫描速度:5°/min;步长:0.02。采用MDI Jade 6软件计算相对结晶度。
1.3.6 不同热加工萌动青稞粉淀粉体外消化率测定
1.3.6.1 淀粉的酶水解动力学
参照顾启新等[16]的方法并稍做修改,准确称取200 mg经不同热加工处理后的萌动青稞粉于离心管中,加入5颗玻璃珠和0.2 mol/L的pH 5.2的乙酸钠缓冲液15 mL,涡旋混匀后置于37 ℃恒温摇床(200 r/min)中保温10 min,当样品内外温度达到一致时,添加5 mL猪胰α-淀粉酶(290 U/mL)和糖化酶(15 U/mL)的混合酶液开始酶解,并准确计时。在水解不同时间(0、20、40、60、90、120、150、180 min)后,分别取0.5 mL反应液至4.5 mL无水乙醇中灭酶,4 000 r/min离心取上清液,采用DNS法在540 nm处测定其产生的葡萄糖含量(Gt)并计算水解率(%)、快消化淀粉(rapidly digestible starch, RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch, SDS)及抗性淀粉(resistant starch, RS),其计算如公式(4)～公式(7)所示:
淀粉消化水解率
(4)
(5)
(6)
RS/%=100-RDS-SDS
(7)
式中:Gt,t时刻葡萄糖的含量,mg;FG,酶水解前淀粉中游离葡萄糖含量,mg;G20、G120,酶水解20 min和120 min时的葡萄糖含量,mg;TS,样品中总淀粉的含量,mg。
1.3.6.2 预估血糖生成指数
参考左慧玉等[17]的方法,根据不同时间下淀粉的消化率,按照公式(8)绘出水解动力曲线,计算出水解指数(hydrolysis index, HI),依照公式(9)计算出预估血糖生成指数(expected glycemic index, eGI)[18]:
C/%=C∞(1-e-kt)
(8)
eGI=8.198 1+0.862HI
(9)
式中:C,t时刻的淀粉水解率;C∞,反应结束时的淀粉消化水解率;k,淀粉消化动力学常数,min-1;t,消化时间,min。
1.4 数据统计与分析
所有数据均为“平均值±标准差”表示,采用GraphPad Prism 8.2.0和Origin 2024作图,SPSS 22.0进行差异显著性分析。
2 结果与分析
2.1 不同热加工对萌动青稞粉营养成分的影响
由表1可知,萌动青稞经不同热加工处理后,烘烤和蒸煮的脂肪含量显著高于对照组(P<0.05),原因可能是萌动青稞受热处理后,复合脂肪游离增加[19];热加工处理后萌动青稞粉的灰分含量均增加但不显著,可能是热加工时水分含量降低,导致萌动青稞籽粒皮层产生微膨化效果,降低了萌动青稞麸皮的韧性,使萌动青稞麸皮在制粉过程中更容易粉碎,灰分含量增加[20];粗蛋白含量均有些许上升,但差异不显著,与景孝男等[21]的结果一致;与对照组相比,经不同热处理后,萌动青稞的总淀粉含量均显著下降(P<0.05),可能是热加工过程中部分淀粉受热降解成了还原糖或糊精[22],其中炒制熟化下降幅度最大,下降了11.93%,原因可能是炒制过程中萌动青稞被不断的翻转,受热更均匀,更有利于淀粉受热降解;膳食纤维含量均有不同程度的上升,其中烘烤和炒制萌动青稞膳食纤维含量显著增加(P<0.05),由原来的14.81%增加到15.47%和16.1%,可能是由于加热过程中一部分脂肪与淀粉或蛋白质结合,另一部分脂肪由结合态转变为游离态,分子运动更为剧烈,便于膳食纤维溶出[23]。
表1 热加工对萌动青稞营养成分的影响 单位:%
Table 1 Effect of thermal processing on the nutrient composition of germinating highland barley
营养成分对照组微波熟化烘烤熟化炒制熟化蒸煮熟化脂肪 2.04±0.06b1.94±0.03c2.16±0.02a2.05±0.03b2.18±0.03a灰分 1.65±0.04b1.73±0.12ab1.69±0.07ab1.68±0.02ab1.80±0.04a蛋白质 9.53±0.04a9.63±0.04a9.68±0.04a9.93±0.03a9.65±0.02a淀粉 66.01±0.24a62.25±0.17b58.19±0.2c54.08±0.1e56.55±0.24d总膳食纤维14.81±0.15c14.85±0.11c15.47±0.19b16.16±0.19a15.02±0.13c
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
2.2 不同热加工对萌动青稞粉理化性质的影响
由图1可知,热加工处理前萌动青稞的持水力和持油力分别为1.45、1.44 g/g,而经不同热加工后,萌动青稞粉的持水力显著提高,持油力提高但不显著;其中微波熟化方式提升效果最好,持水力和持油力分别增加了2.26、0.18 g/g;说明热加工处理后的萌动青稞粉具有良好的水合性能。造成这种现象的原因可能是萌动青稞粉结构紧密,经过热加工处理后空间结构变得疏松,比表面积变大,亲水亲油基团更多的暴露了出来[24]。水溶性指数代表样品在水中的溶解能力,除微波熟化外,另外3种热加工方式水溶性指数均有不同程度的降低,尤其是烘烤熟化降低最显著,可能是因为萌动青稞粉中蛋白质含量较高,长时间的加热导致蛋白的溶解性降低,且在加热过程中形成了蛋白质-淀粉复合物和直链淀粉-脂肪复合物,从而导致溶解性降低[25]。膨胀力和水溶性指数的趋势基本相同,微波熟化的萌动青稞粉膨胀力显著提高(P<0.05),可能的原因是短时高温的微波加热增加了青稞结构的孔隙度和松散度,有利于籽粒细胞的吸水[26];而其余热加工萌动青稞粉膨胀力均降低,烘烤和炒制熟化显著降低(P<0.05),可能是由于组织中碎片较少,胚乳结构较为完整,因此水化程度低,膨胀力降低[27]。
图1 热加工对萌动青稞理化性质的影响
Fig.1 Effect of thermal processing on physicochemical properties of germinating highland barley
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
2.3 不同热加工对萌动青稞结构表征的影响
2.3.1 粒径分析
如表2所示,不同的热加工显著提高了萌动青稞粉的D10值,D50值也得到不同程度的提高,与WANG等[28]的研究结果一致。这表明热加工处理增加了颗粒尺寸,可能是经过热处理的萌动青稞颗粒易碎,硬度较低,因此碾磨过程中机械力随之降低,从而增加了颗粒尺寸。Span值用于表示粒径的平均值,结果表明,未经处理的萌动青稞粉跨度范围较大,表现出粒径分布大、粒径不均匀等特点;经过不同的热加工处理后,各萌动青稞粉的跨度显著降低,粉质更为均匀,尤其是蒸煮熟化最明显。
表2 不同热加工萌动青稞粒径分布
Table 2 Particle size distribution of germinating highland barley under different thermal processes
样品处理方式D10/μmD50/μmD90/μmSpan未处理 4.49±0.11d46.11±4.81c419.53±13.03a9.05±0.66a微波熟化7.43±0.08c49.15±0.7c329.13±4.65d6.53±0.14b烘烤熟化7.26±0.19b68.37±3.21b387.17±4.01b5.57±0.29c炒制熟化8.22±0.15b48.13±1.08c289.67±13.84e5.84±0.16c蒸煮熟化8.8±0.05a88.82±2.69a348.1±6.19c3.82±0.07d
2.3.2 傅里叶红外光谱分析
由图2可知,未处理萌动青稞粉与热加工后的萌动青稞粉曲线趋势和峰型都相似,表明热处理并未产生新的基团,而在相应波数下峰的吸收强度稍有差异,影响了萌动青稞粉的理化性质。3 312 cm-1处有强烈而宽广的吸收峰,是O—H在相邻淀粉分子之间的振动拉伸,峰的宽度表示分子间和分子内氢键的形成程度[29]。经过热加工处理后,吸收峰的强度增加,表明,O—H和N—H叠加的对称拉伸振动具有促进作用[1]。2 900 cm-1附近的波段是C—H拉伸振动带,经过热加工后,因淀粉糊化发生了C—H不对称拉伸振动,导致吸收峰强度有所增强[30]。1 657 cm-1处有一个较大的吸收峰,为—COOH的吸收峰,表明萌动青稞全粉中含有糖醛酸[31]。而800～1 200 cm-1条带则被认为是淀粉的指纹图谱,反映了淀粉C—C、C—OH和C—H键的拉伸振动[29]。本研究结果表明,萌动青稞粉经4种热加工处理前后总体上具有相似的红外光谱图,4种加工方法并未改变萌动青稞粉的主要官能团,这与景孝男等[21]采用过热蒸汽、远红外烘烤和微波烘烤处理青稞,发现热加工并未改变青稞官能团结构的结果类似。
图2 不同热处理对萌动青稞的FTIR光谱的影响
Fig.2 Effect of different heat treatments on FTIR spectra of germinating highland barley
2.3.3 X-射线衍射光谱图结构分析
图3为热加工前后萌动青稞的X-射线衍射谱图。由图3可以看出,萌动青稞粉呈现典型的A型晶体结构,在15.06°和23.04°处出现2个强衍射峰,在17.3°和18.04°处有1个双峰,在20°左右处有1个弱衍射峰和几个V型晶体排列,这与LYU等[32]的研究结果一致。热加工处理前后,4种萌动青稞在15.06°和23.04° 附近都出现了结晶衍射峰,表明热处理并未改变萌动青稞粉的原始晶型类型。通过Jade 6软件拟合出,经微波、烘烤、炒制、蒸煮处理后萌动青稞的相对结晶度为26.79%、22.42%、19.29%和11.94%,均低于热加工前的28.76%,表明萌动青稞淀粉在热加工过程中无定形区域发生了部分重组。相对结晶度的降低可能是因为热加工过程淀粉颗粒的双螺旋运动,破坏了淀粉微晶或改变了晶粒方向[33];此外,晶体尺寸、萌动青稞粉中的结晶度以及非淀粉成分的影响和非晶区在热加工过程中热变化也可能导致萌动青稞粉的相对结晶度降低[34]。这与吴晓江等[35]研究湿热处理对藜麦淀粉结构的影响结果类似。
图3 不同热处理萌动青稞的X射线衍射图
Fig.3 X-ray diffraction patterns of germinating highland barley under different heat treatments
2.4 热处理对萌动青稞淀粉体外消化的影响
2.4.1 热处理对萌动青稞淀粉水解率的影响
如图4所示,经不同热加工后萌动青稞淀粉水解率的顺序为:蒸煮>炒制>烘烤>微波,与未处理组相比,经4种热加工处理的萌动青稞粉淀粉水解率均显著提高,这是由于热处理影响了萌动青稞粉的内部结构,使其更加松散,从而提高了萌动青稞粉的水解率,这与邓佳琪[36]蒸制、烘烤和微波处理增加燕麦体外消化率的结果一致。4种热加工处理后,蒸煮熟化的水解率最高,达到了70.29%,可能是相比另外3种热加工方式,长时间的蒸煮更容易使淀粉糊化,使得淀粉颗粒内部的氢键被打开,淀粉酶和糖苷键更容易结合,因此水解率要更高,这与张素敏等[37]通过蒸煮、高温油炸、烘焙等3种热加工方式处理黄米淀粉,得出蒸煮处理后黄米淀粉体外消化率较另外2种热加工方式高的研究结果相一致。
图4 不同热加工对萌动青稞淀粉水解率的影响
Fig.4 Effects of different thermal processes on the hydrolysis rate of germinating highland barley starch
2.4.2 热处理对萌动青稞淀粉消化片段的影响
如图5所示,未处理萌动青稞粉的RDS、SDS、RS分别为16.28%、33.2%和50.52%;烘烤处理使萌动青稞粉的RDS和SDS含量分别增加5.11%和2.71%,RS含量降低7.28%;炒制处理使萌动青稞粉的RDS和SDS含量分别增加10.5%和2.88%,RS含量降低13.38%;蒸煮处理使萌动青稞粉的RDS和SDS含量分别增加7.09%和2.88%,RS含量降低13.38%。结果表明热处理显著增加了萌动青稞粉RDS和SDS的含量,RS的含量也显著降低,这与顾启新等[16]将燕麦麸皮进行蒸制、热风干燥、微波和炒制处理后,RDS和SDS含量显著增加,RS含量显著降低的结论一致。RDS含量增加可能是因为热处理导致了萌动青稞淀粉部分糊化,使得萌动青稞粉在水解前20 min内更容易被消化酶水解;SDS含量增加是因为热加工过程中,萌动青稞中的脂质或蛋白与淀粉之间相互作用,形成的淀粉-脂质类复合物较小,进而限制了淀粉颗粒与酶接触[38]。
图5 不同热加工对萌动青稞的RDS、SDS和RS含量的影响
Fig.5 Effects of different thermal processes on RDS, SDS and RS contents of germinating highland barley
2.4.3 热处理对萌动青稞预估血糖生成指数的影响
通过对各萌动青稞样品实验数据进行一阶动力学数学模型拟合,可得各样品组的最大淀粉水解度(C∞)、水解速率(k)、水解指数和预估血糖指数(eGI)。如表3所示,未处理萌动青稞组的最大淀粉水解度(C∞)和水解速率(k)分别为66.58%、0.012 min-1;其中,蒸煮熟化的C∞值最高,为70.47%;炒制熟化的k值最高,为0.027 min-1。k值越高代表体外消化的速率越高,与对照组萌动青稞相比,4种热加工组的k值均显著上升,这与淀粉体外消化曲线结果一致,说明热加工能有效提高萌动青稞消化速率,这与申瑞玲等[39]的研究结果一致。血糖生成指数能评价淀粉类食品的消化情况,由表3可知未处理萌动青稞的eGI值为54.01,属于低GI食品,经热加工过后,萌动青稞的血糖生成指数均显著高于原粉,但仍属于中GI食品,其中,微波熟化eGI值增加最少,增加了8.96,炒制熟化eGI值增加最多,增加了16.97,这与淀粉体外消化的数据吻合。在BAI等[40]的研究中也发现了类似现象,燕麦麸皮经热风干燥处理后,eGI值提高,由低血糖指数食物变成中血糖指数食物。说明热加工对萌动青稞血糖生成指数的影响很大,可根据不同的需求选择不同的加工方法,这也为开发适合高血糖人群的萌动青稞产品提供了理论依据。
表3 不同热加工萌动青稞预估血糖生成指数
Table 3 Estimated glycemic index of germinating highland barley under different thermal processes
样品处理方式C∞/%k/min-1水解指数eGI未处理 66.58±0.14d0.012±0.0001e53.15±0.08d54.01±0.07d微波熟化64.23±0.26e0.021±0.0005b63.54±0.21c62.97±0.19c烘烤熟化67.45±0.09c0.018±0.0001c63.73±0.06c63.14±0.04c炒制熟化68.38±0.02b0.027±0.0001a72.83±0.09a70.98±0.08a蒸煮熟化70.47±0.16a0.018±0.0002d65.83±0.11b64.95±0.09b
3 结论
微波、烘烤、炒制、蒸煮4种热加工方式都能改变萌动青稞的营养成分、理化性质及消化特性,且不同热处理方式对萌动青稞性质改变存在差异。经4种热处理后,萌动青稞蛋白质、膳食纤维、脂肪含量均提高;总淀粉含量显著下降;持水力、持油力等理化指标也得到有效提高,改善了萌动青稞的水合特性;经热加工处理后,萌动青稞粒径增大、跨度减小,粉质更为均匀;4种热加工后萌动青稞晶型结构均未发生改变但相对结晶度降低;主要官能团结构没有发生显著改变;4种热加工均提升了萌动青稞的淀粉体外消化率,RDS、SDS的含量以及eGI值也得到显著提升。由此可见,热加工可以显著改变萌动青稞粉的营养结构和淀粉消化特性,这为下一步研究萌动青稞的深加工和功能性萌动青稞食品提供了一定的理论基础。
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