李華,馬丹妮,吳瑩晗,徐同成,宗愛(ài)珍
1(揚(yáng)州大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州,225127) 2(山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品研究所,山東省特殊醫(yī)學(xué)用途配方食品 工程技術(shù)研究中心,山東省農(nóng)產(chǎn)品精深加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,農(nóng)業(yè)部新食品資源加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南,250100)
黑小麥?zhǔn)怯珊邴満托←滊s交形成的人工谷物,主要產(chǎn)于波蘭、德國(guó)、白俄羅斯、法國(guó)和俄羅斯,中國(guó)是除歐洲以外的主要產(chǎn)地[1]。研究表明,黑小麥的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高,含有豐富的蛋白質(zhì)、淀粉、膳食纖維、礦物質(zhì),同時(shí)它還含有酚酸、花色苷、戊聚糖等多種生物活性物質(zhì)[1],具有體外抗氧化和抗乙酰膽堿酯酶的作用[2]以及改善動(dòng)物血脂代謝的作用[3]。黑小麥過(guò)去只用作飼料,隨著對(duì)其營(yíng)養(yǎng)和保健價(jià)值認(rèn)識(shí)的深入,逐漸開始用于食物的制作[1]。
淀粉是谷物中的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),前瞻性流行病學(xué)研究表明飲食中淀粉的消化特性與患2型糖尿病、肥胖癥和其他代謝疾病的風(fēng)險(xiǎn)增加獨(dú)立相關(guān),長(zhǎng)期攝入高血糖指數(shù)(glycemic index, GI)的食物會(huì)增加這些疾病的風(fēng)險(xiǎn),堅(jiān)持?jǐn)z入低GI食物或限制高GI食物的攝入量,是2型糖尿病病人通過(guò)飲食控制血糖升高的主要方法[4]。因此,研究者們一直在努力篩選低GI谷物和降低谷物的GI,然而黑小麥的淀粉消化特性如何,仍有待研究。
中國(guó)的黑小麥品種繁多,品種間品質(zhì)差異較大[5]。雖然已有一些關(guān)于黑小麥的營(yíng)養(yǎng)及活性成分組成和生理活性的研究[5],但是還未見(jiàn)有對(duì)農(nóng)大系列黑小麥的相關(guān)報(bào)道,因此,本文對(duì)該系列中的5種黑小麥進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)及活性成分分析,以期為它們?cè)谑称分械拈_發(fā)利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí),研究它們的淀粉消化特性,為糖尿病等慢性病患者食物原料的選擇提供理論支撐。
農(nóng)大3685、農(nóng)大876、農(nóng)大2201、農(nóng)大2202、農(nóng)大H-02黑小麥,北京惠農(nóng)富民科技有限公司;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH),TCI公司;蘆丁,百靈威科技有限公司;2,2′-連氮基-雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)(ABTS)、6-羥基-2,5,7,8-四甲基色烷-2-羧酸(Trolox),Sigma公司;福林試劑、AlCl3、沒(méi)食子酸等其他試劑,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;胃蛋白酶(1 200 U/mg)、葡萄糖淀粉酶(130 000 U/mL),上海藍(lán)季科技發(fā)展有限公司;α-淀粉酶(4 000 U/g),上海瑞永生物科技有限公司。
高速多功能粉碎機(jī)(JP-250A),上海久品工貿(mào)有限公司;電熱鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9055A),上海一恒科技有限公司;超聲波合成萃取儀(XH-2008D),北京祥鵠科技發(fā)展有限公司;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(RE-52AA),上海亞榮生化儀器廠;可見(jiàn)分光光度計(jì)(V-100D),上海美譜達(dá)儀器有限公司;水浴恒溫振蕩器(SHZ-82A),常州金壇市盛威實(shí)驗(yàn)儀器廠;凱氏定氮儀(KDN-102C)、脂肪測(cè)定儀(SZC-C),上海纖檢儀器有限公司;馬弗爐(CWF11/13),弗爾德(上海)儀器設(shè)備有限公司;冷凍離心機(jī)(Allegra X-22R),美國(guó)貝克曼庫(kù)爾特有限公司。
1.3.1 黑小麥粉的制備
挑選籽粒飽滿的黑小麥,粉碎,過(guò)孔徑0.5 mm篩備用。
1.3.2 營(yíng)養(yǎng)成分的測(cè)定
水分、蛋白質(zhì)、脂肪、灰分、膳食纖維、淀粉、直鏈及支鏈淀粉的測(cè)定分別參照GB5009.3—2016、GB5009.5—2016、GB5009.6—2016、GB5009.4—2016、GB5009.88—2014、GB5009.9—2016、GB/T15683—2008/ISO6647—1:2007進(jìn)行。
1.3.3 活性成分的測(cè)定
1.3.3.1 黑小麥提取液的制備
準(zhǔn)確稱取黑小麥粉1 g,加入20 mL 70%甲醇,40 ℃ 1 200 W超聲提取15 min后離心(3 000×g)10 min,收集上清液,殘?jiān)瓷鲜龇椒ㄖ貜?fù)提取2次,合并上清液于45 ℃真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干,用70%甲醇復(fù)溶,定容至10 mL,即為游離型多酚提取液,-20 ℃保存待用。
在上述殘?jiān)屑尤?0 mL 4 mol/L NaOH,40 ℃ 1 200 W超聲處理90 min,用6 mol/L HCl調(diào)pH至2.0,離心(3 000×g)20 min,取澄清溶液用30 mL乙酸乙酯萃取3次,合并乙酸乙酯萃取液真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干,用2 mL 10%甲醇復(fù)溶,即為結(jié)合型多酚提取液,-20 ℃保存待用。
1.3.3.2 總酚含量的測(cè)定
采用福林酚法[6]測(cè)定黑小麥提取液的總酚含量。沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)曲線方程如公式(1)所示:
Y=20.1X+0.013 1,R2=0.999 2
(1)
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線及樣品吸光度,分別計(jì)算黑小麥的游離型酚和結(jié)合型酚含量(mg GAE/g)(GAE:gallic acid equivalent,沒(méi)食子酸當(dāng)量)。
1.3.3.3 總黃酮含量的測(cè)定
采用NaNO2-Al(NO3)3比色法[7]測(cè)定黑小麥提取液的總黃酮含量。蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線方程如公式(2)所示:
Y=1.274X-0.014 4,R2=0.999 3
(2)
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線及樣品吸光度,計(jì)算黑小麥的總黃酮含量(mg RE/g)(RE:rutin equivalent,蘆丁當(dāng)量)。
1.3.4 抗氧化能力的測(cè)定
1.3.4.1 DPPH自由基清除能力的測(cè)定
Y=0.275 5X-3.794 7,R2=0.999 7
(3)
結(jié)果表示為每千克樣品相當(dāng)?shù)目寡趸芰λ璧腡rolox的毫摩爾數(shù)。
1.3.4.2 ABTS自由基清除能力的測(cè)定
參照浦文君[9]的方法測(cè)定黑小麥提取液清除ABTS自由基的能力。Trolox標(biāo)準(zhǔn)曲線方程如公式(4)所示:
Y=0.100 6X-2.521,R2=0.999 3
(4)
結(jié)果表示為每千克樣品相當(dāng)?shù)目寡趸芰λ璧腡rolox的毫摩爾數(shù)。
1.3.4.3 鐵還原能力的測(cè)定
參照ATMANI等[10]的方法測(cè)定黑小麥提取液的鐵還原能力。吸光值越大表示還原能力越強(qiáng),抗氧化活性就越高。
1.3.5 淀粉消化性分析
1.3.5.1 快消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉的測(cè)定
參照繆銘[11]的方法對(duì)黑小麥粉中快、慢、抗3種淀粉進(jìn)行測(cè)定。
快消化淀粉(rapidly digestible starch, RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch, SDS)、抗性淀粉(resistant starch, RS)的計(jì)算分別如公式(5)、(6)、(7)所示:
(5)
(6)
(7)
式中:G20,酶解20 min后釋放的葡萄糖量,mg;G120,酶解120 min后釋放的葡萄糖量,mg;FG,酶解前游離葡萄糖量,mg;TS,樣品總淀粉量,mg。
1.3.5.2 黑小麥生粉估計(jì)血糖指數(shù)的測(cè)定
(8)
(9)
估計(jì)血糖指數(shù)eGI=39.7+0.549HI
(10)
1.3.5.3 黑小麥?zhǔn)旆酃烙?jì)血糖指數(shù)的測(cè)定
準(zhǔn)確稱取黑小麥粉500 mg,加入20 mL磷酸鹽緩沖液(pH 7.5),100 ℃水浴糊化20 min后置于37 ℃恒溫水浴平衡20 min。余下操作同1.3.5.2。
1.3.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析
所有指標(biāo)測(cè)定重復(fù)3次,結(jié)果以干基計(jì),用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。利用SPSS 16.0中的Duncan法分析數(shù)據(jù)間的顯著性差異(P<0.05)。
農(nóng)大系列5種黑小麥的基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)成分含量見(jiàn)表1。淀粉和蛋白質(zhì)是黑小麥的主要成分,分別占干物質(zhì)的61.97%~65.46%和13.82%~20.09%,都在國(guó)內(nèi)外其他品種黑小麥的淀粉含量(60.8%~75.9%)和蛋白質(zhì)含量(7.5%~20.5%)[1,5]范圍之內(nèi)。雖然所測(cè)黑小麥的淀粉含量不存在品種間的顯著差異,但蛋白質(zhì)含量存在顯著差異,例如,農(nóng)大2201的蛋白質(zhì)含量高達(dá)農(nóng)大2202的1.45倍,這可能與基因型、栽培年限和種植環(huán)境存在差異有關(guān)[13]。用黑小麥粉替代傳統(tǒng)面粉進(jìn)行食品加工,不僅需要考慮蛋白質(zhì)的含量,還應(yīng)注意蛋白質(zhì)的構(gòu)成,以保證加工食品的品質(zhì)。例如,制作面包時(shí)雖然某些品種黑小麥的蛋白質(zhì)含量已經(jīng)達(dá)到高筋粉的標(biāo)準(zhǔn),但由于黑小麥蛋白中麥谷蛋白的含量較傳統(tǒng)小麥低,會(huì)導(dǎo)致黑小麥面包的比容較傳統(tǒng)小麥面包低很多[1]。因此,黑小麥粉只可替代部分高筋粉,才能滿足面包感官品質(zhì)的要求。
與以往報(bào)道的黑小麥[1,5]一樣,農(nóng)大系列黑小麥的脂肪含量也很低,最高的品種農(nóng)大3685僅為2.01%。黑小麥雖然脂肪含量低,但是它的不飽和脂肪酸約占到一半,且25%左右是人體的必需脂肪酸亞油酸和亞麻酸[14]。
表1 五種黑小麥的營(yíng)養(yǎng)素含量 單位:%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
注:含量以黑小麥的干基計(jì);同列標(biāo)注字母不同者表示差異顯著(P<0.05)(下同)
農(nóng)大系列黑小麥的灰分含量為1.80%~2.23%,也與國(guó)內(nèi)外其他品種黑小麥(1.3%~2.5%)[1,5]相當(dāng),其中農(nóng)大2201顯著高于其他品種?;曳趾康母叩鸵矔?huì)影響食品的感官品質(zhì)。MARTINEZ等[15]發(fā)現(xiàn)灰分是影響意大利面亮度和紅度的主要因素。因此,鑒于黑小麥全粉的高灰分含量,若對(duì)感官品質(zhì)要求高的人群,它更適合制作對(duì)色度要求不高的食品,如餅干。
流行病學(xué)研究表明,長(zhǎng)期堅(jiān)持?jǐn)z入全谷物食品可以降低各種慢性病的風(fēng)險(xiǎn),這主要?dú)w功于全谷物所含的豐富的植物化學(xué)物如酚類、β-葡聚糖、類胡蘿卜素、菊粉、木脂素,同時(shí)也部分歸因于這些活性物的抗氧化作用,因?yàn)檫^(guò)量的自由基可以引起生物大分子的氧化損傷而導(dǎo)致慢性病風(fēng)險(xiǎn)的提高[20]。本研究對(duì)農(nóng)大系列5種黑小麥的總酚和總黃酮含量進(jìn)行了分析,結(jié)果見(jiàn)表2。所測(cè)黑小麥的游離酚和結(jié)合酚含量范圍分別為0.57~0.68 mg GAE/g和0.53~0.57 mg GAE/g,品種間雖有顯著差異,但數(shù)值差別很??;總體上游離酚含量略高于結(jié)合酚含量。甘人友等[21]發(fā)現(xiàn)黑小麥的游離酚和結(jié)合酚含量分別為1.05 mg GAE/g和1.38 mg GAE/g,約是農(nóng)大系列黑小麥的2~3倍。產(chǎn)生這種差異的原因可能是所測(cè)黑小麥的品種和多酚提取方法不同。黃酮是谷物中最普遍存在的酚類化合物之一,農(nóng)大3685的總黃酮含量最高,為3.35 mg RE/g,比含量最低的農(nóng)大876高出17%。宗學(xué)鳳等[22]研究表明:黑粒小麥76、河?xùn)|烏麥和漯珍1號(hào)這3種黑小麥的總黃酮含量分別為2.461、2.594、2.326 mg RE/g,都低于農(nóng)大系列黑小麥。
表2 五種黑小麥的游離酚、結(jié)合酚及總黃酮含量和抗氧化能力Table 2 Contents of free and bound phenolics and total flavonoids and antioxidant activities in five triticale varieties
由于植物樣品的抗氧化能力會(huì)受到多種因素的影響,如提取溶劑和測(cè)試系統(tǒng)[23],因此本研究采用了3種不同的抗氧化活性測(cè)定方法,即DPPH自由基清除能力、ABTS自由基清除能力和鐵還原能力來(lái)反映5種黑小麥提取液的抗氧化能力,結(jié)果如表2所示。樣品間抗氧化能力存在顯著差異。農(nóng)大2201清除DPPH及ABTS自由基的能力和鐵還原能力都最強(qiáng),分別為2.525 mmol TE/kg、6.906 mmol TE/kg、0.535;DPPH自由基清除和鐵還原能力最弱的都是農(nóng)大2202,分別僅為農(nóng)大2201的75%和65%;ABTS自由基清除能力最弱的則是農(nóng)大876,僅為3.506 mmol TE/kg,約是農(nóng)大2201的50%。通常,有色谷物比白色谷物具有更高的抗氧化能力。整體上,農(nóng)大系列黑小麥清除DPPH自由基及ABTS自由基的能力要大于普通小麥[23],這可能與其含有較高的酚類物質(zhì)如酚酸、黃酮和花青素有關(guān)[20]。BHANJA等[24]采用霉菌發(fā)酵使小麥的總酚含量提高了14倍,DPPH自由基及ABTS自由基清除能力分別提高了6.6倍和5倍。DORDEVIC′等[25]用乳酸菌和酵母發(fā)酵也提高了谷物的總酚含量和抗氧化能力。甘人友等[21]發(fā)現(xiàn)發(fā)芽3~8 d顯著提高了黑小麥可溶性和結(jié)合性提取物的總酚含量和抗氧化活性。因此,可嘗試采用發(fā)芽、發(fā)酵等方法提高農(nóng)大系列黑小麥的多酚含量和抗氧化能力,來(lái)更好地發(fā)揮其保健作用。
淀粉是人類食物中最主要的碳水化合物,分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。ENGLYST等根據(jù)淀粉體外消化的速率和程度,將它分為三類,即RDS、SDS和RS。RDS可以在十二指腸和小腸的近端區(qū)域被快速消化吸收,導(dǎo)致血糖和胰島素水平迅速上升;SDS對(duì)于促進(jìn)血糖的緩釋有積極作用,使體內(nèi)血糖供應(yīng)持久穩(wěn)定;RS不能被小腸中的酶水解消化,而是在大腸內(nèi)由腸道菌群發(fā)酵,釋放出短鏈脂肪酸等有益物質(zhì),具有預(yù)防結(jié)腸癌、降低GI和調(diào)節(jié)血清膽固醇水平等作用[26]。本研究對(duì)農(nóng)大系列5種黑小麥的淀粉組成情況進(jìn)行了分析,結(jié)果見(jiàn)表3。樣品間直鏈淀粉的含量存在顯著差異,農(nóng)大2202的直鏈淀粉含量最高,為14.12%,而含量最低的農(nóng)大2201僅為9.04%;支鏈淀粉含量范圍為50.10%~55.48%,樣品間沒(méi)有顯著差異;直/支鏈淀粉比例最高和最低的分別是農(nóng)大2202(27.50%)和農(nóng)大2201(16.29%)。農(nóng)大系列黑小麥的直鏈淀粉占總淀粉的比例范圍為14%~22%,明顯低于普通小麥(25%~28%),與部分糯性小麥相當(dāng)(16%~22%),而遠(yuǎn)大于糯小麥(0%~3%)[27]。研究表明[28-30],小麥的RDS、SDS、RS含量因品種和測(cè)定方法的差異,具有很廣的范圍(如RS,從痕量至81%)。本研究所測(cè)樣品間RDS、SDS、RS也都存在顯著差異,RDS含量最高的是農(nóng)大2202,為20.65%,而其余4種黑小麥的RDS含量無(wú)顯著差異;農(nóng)大2201、876、3685的SDS含量相當(dāng),明顯高于農(nóng)大H-02和農(nóng)大2202;RS含量最高的是農(nóng)大H-02(67.77%),其次是農(nóng)大2202(63.84%),農(nóng)大2201、農(nóng)大876和農(nóng)大3685三者含量相當(dāng)。
表3 五種黑小麥的淀粉組成和估計(jì)血糖指數(shù)Table 3 Starch composition and estimated glycemic index of five triticale varieties
注:+單位為%,以黑小麥的干基計(jì);#單位為%,以黑小麥的淀粉計(jì)
GI是反映某種食物與含等量碳水化合物的參考食物如葡萄糖和白面包相比升高血糖能力的指標(biāo),常通過(guò)人體試食實(shí)驗(yàn)測(cè)定[12],但體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的影響因素復(fù)雜,常造成結(jié)果的精度和重復(fù)性較差[31],而反映餐后淀粉消化速率和程度的體外指標(biāo)eGI,與體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性很好且測(cè)定簡(jiǎn)便、成本低[12]。因此,本研究測(cè)定了農(nóng)大系列5種黑小麥的eGI,結(jié)果見(jiàn)表3。樣品間存在顯著差異,無(wú)論是糊化前還是糊化后,農(nóng)大2201的eGI都最低,分別為47.53和74.23,但熟化后的黑小麥粉血糖指數(shù)略大于70,仍屬于高血糖指數(shù)食物,具有較強(qiáng)的升糖能力。黑小麥粉的體外淀粉消化曲線見(jiàn)圖1和圖2。在整個(gè)水解過(guò)程中,農(nóng)大2201的淀粉水解率都明顯低于其他黑小麥;水解3 h后,未經(jīng)和經(jīng)糊化處理的農(nóng)大2201的淀粉水解率都最低,分別為14.89%和56.16%,僅是水解率最高的農(nóng)大2202(未經(jīng)糊化)和農(nóng)大3685(經(jīng)糊化)的65%和77%。這與eGI的測(cè)試結(jié)果相一致。DA SILVEIRA等[32]研究了13種小麥?zhǔn)旎蟮牡矸巯闆r,發(fā)現(xiàn)水解2 h時(shí),淀粉水解率為51.93%~84.54%,而農(nóng)大系列黑小麥為51.62%~69.08%,淀粉消化性整體上較弱,尤其是農(nóng)大2201最適合被用于糖尿病患者食物的深入研究。
研究表明,高直鏈淀粉含量的谷物對(duì)淀粉酶和淀粉葡糖苷酶的敏感性較低,從而導(dǎo)致較低的eGI[4];此外,eGI與RS的含量常呈反比[31]。然而本研究并未得到相似的結(jié)論,農(nóng)大2202的直鏈淀粉含量雖是農(nóng)大2201的1.6倍,農(nóng)大H-02的RS含量雖比農(nóng)大2201高14%,但農(nóng)大2202和農(nóng)大H-02的eGI明顯高于農(nóng)大2201。這與SHUMOY等[4]的研究結(jié)果一致,因?yàn)榈矸鄣南軆?nèi)外多種因素的綜合影響,除了淀粉本身的分子和理化性質(zhì)外,還有很多外在因素如食物基質(zhì)效應(yīng)。研究表明,食物中的膳食纖維可通過(guò)抑制淀粉的糊化來(lái)延緩淀粉的酶解[33],也可通過(guò)增加食物的黏度,延緩淀粉顆粒與消化酶的接觸[34];蛋白質(zhì)和脂質(zhì)可附著在淀粉顆粒表面,抑制淀粉與消化酶的接觸,還可通過(guò)抑制淀粉顆粒的膨脹,減少表面積來(lái)降低消化[35];谷物酚類可通過(guò)與淀粉消化酶和/或與淀粉形成復(fù)合物來(lái)減少淀粉的酶解[36]。農(nóng)大2201具有較低的eGI可能與其蛋白質(zhì)和膳食纖維含量較高有關(guān)。因此,可以嘗試通過(guò)改變食物的基質(zhì)條件,來(lái)降低黑小麥的淀粉消化程度和速率,延緩餐后血糖水平的上升,促進(jìn)黑小麥在糖尿病飲食中的應(yīng)用。
圖1 糊化前5種黑小麥的體外淀粉水解曲線
Fig.1Invitrostarch hydrolysis of five triticale varieties before gelatinization
圖2 糊化后5種黑小麥的體外淀粉水解曲線
Fig.2Invitrostarch hydrolysis of five triticale varieties after gelatinization
為了更好地將黑小麥應(yīng)用于人類尤其是糖尿病、心血管疾病、肥胖癥等慢性病患者的日常飲食,本研究對(duì)農(nóng)大系列5種黑小麥的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、抗氧化能力和淀粉消化性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)這些黑小麥含有豐富的蛋白質(zhì)、淀粉、膳食纖維和酚類物質(zhì),具有較強(qiáng)的抗氧化活性;然而,雖然品種間的eGI存在顯著差異,但各品種仍都具有較強(qiáng)的升糖能力。將黑小麥應(yīng)用于食品的制作,涉及到配方、加工方式及條件等諸多影響淀粉消化的因素。研究表明[37],優(yōu)化配方如添加一些全谷物或谷物麩皮、油料種子、植物提取物等來(lái)增加原料中膳食纖維、多酚、蛋白質(zhì)、直鏈淀粉和抗性淀粉等物質(zhì)的含量,或者改變加工方式及條件如老面發(fā)酵、縮短揉面時(shí)間、適當(dāng)延長(zhǎng)發(fā)酵時(shí)間、冷凍貯藏等,都可以降低食物的血糖指數(shù)。因此對(duì)于本研究?jī)?yōu)選出的農(nóng)大2201黑小麥,可以根據(jù)制作的具體食物,采用恰當(dāng)?shù)呐浞胶图庸し绞郊皸l件,來(lái)進(jìn)一步降低相應(yīng)黑小麥?zhǔn)称返纳悄芰?,從而擴(kuò)大黑小麥?zhǔn)称返倪m用人群范圍,充分實(shí)現(xiàn)其營(yíng)養(yǎng)和保健價(jià)值。