食用菌复配即食杂粮粉的营养品质及特征风味成分分析

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(1.南京财经大学食品科学与工程学院,农业农村部食用菌加工重点实验室,江苏南京 210023; 2.江苏安惠生物科技有限公司,江苏南通 226009; 3.南京农业大学食品科学技术学院,江苏南京 210095)

我国自古就有“五谷为养”的说法,杂粮在中国的膳食结构中占比很高,但其植物性蛋白的氨基酸营养价值较低,必需氨基酸的含量及其相互比例不够全面,如小米、玉米中赖氨酸含量较低,大豆中蛋氨酸和胱氨酸含量较低[1]。因此,谷物杂粮具有各自优势和营养缺陷,单独食用谷物杂粮容易造成营养不均衡。另外,我国是世界上主要的谷物杂粮粉生产国,但多数是中小型民营企业,技术设备落后,所生产的杂粮产品口感粗糙、下咽困难是制约我国谷物杂粮粉加工企业发展的主要因素。

猴头菇(Hericiumerinaceus)含有多糖、寡糖、多肽和甾醇等多种活性成分,具有抗溃疡、增强免疫力、抗肿瘤和降血糖等生理功能[2-4]。蛹虫草(Cordycepsmilitaris)含有丰富的优质蛋白,含18种氨基酸,其中必需氨基酸含量占氨基酸总量的32.80%,且含多种人体必需的矿物质元素,具有抗病毒、延缓衰老、增强免疫力等功效,现已被广泛应用于民间滋补食品[5-7]。杏鲍菇(Pleurotuseryngii)质地脆嫩、有杏仁香味,富含人体必需氨基酸,具有降血脂、润肠胃、提高免疫力等多种生物功效[8-9]。金针菇(Flammulinavelutiper)味鲜、热量低,富含多糖、免疫调节蛋白等,具有较高营养价值和药用价值[10]。由于这4种食用菌味道鲜美、营养配比合理,含有多种人体必需氨基酸,可以作为很好的功能食品原料[11]。近年来,食用菌逐渐被应用到食品中,如黑木耳燕麦饼干、松茸曲奇、香菇面包等[12-14]。猴头菇、蛹虫草、杏鲍菇、金针菇含有多种功能成分,且具有丰富的呈香物质,将4种食用菌与谷物杂粮以科学比例混合,采用挤压膨化工艺加工,制备出营养全面、风味独特、口感适宜的复配食品,不仅弥补了谷物杂粮的营养不足,还可以改善食品的风味品质,对谷物杂粮的深加工和食用菌的开发具有重要意义。

挤压工艺被广泛地应用在谷物产品的加工,主要通过优化挤压工艺,改善产品品质。谷物杂粮与食用菌结合,能进一步提高杂粮的营养价值、保健价值,改善杂粮的风味、口感。胡秋辉等[15]利用双螺杆挤压工艺制成蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品,提高了产品的营养价值并改善了产品的品质。方勇等[16]研究的金针菇复配发芽糙米表明金针菇的添加增加了产品的氨基酸含量,提高了产品营养价值;姜璐等[17]利用香菇对普通曲奇饼干进行营养强化,增加了饼干中膳食纤维的含量;Ng等[18]研究的白菇粉饼干表明食用菌添加可提高产品的保健功能并维持产品理想的感官特性。目前,国内外关于添加食用菌对谷物产品品质影响的研究报道有很多,但是对于科学配比的谷物杂粮和具有保健功能、特征风味的食用菌粉复配谷物杂粮产品的开发及该类产品的营养及风味进行评价的研究较少。

本研究通过猴头菇、蛹虫草、杏鲍菇、金针菇四种食用菌,与谷物杂粮粉进行复配,比较分析了普通谷物杂粮粉与食用菌复配即食杂粮粉的营养及风味品质，以期为开发营养全面、风味适佳的新型食用菌复配谷物产品提供依据,为食品生产企业提供营养搭配参考，为实现谷物资源的高效整合提供可选择的新途径。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

猴头菇粉、蛹虫草粉、金针菇粉、杏鲍菇粉 盐城市芝庆堂生物科技有限公司;玉米、小米、燕麦、黄豆、紫薯 燕之坊食品有限公司。

HK-180型不锈钢粉碎机 广东旭朗机械设备公司;SHA-B型水浴恒温振荡器 金坛市荣华仪器制造有限公司;101-3AS型电热鼓风干燥箱 上海苏进仪器设备厂;贝克曼 Allegra 64R型离心机 美国Beckman Coulter公司;DSE-29/40D型双螺杆挤压膨化机 德国Brabender公司;FOX 3000型电子鼻系统 法国Alpha M.O.S.公司;手动固相微萃取进样器 美国Supelco公司;7890A型气相色谱-质谱联用仪 美国Agilent公司。

1.2 实验方法

1.2.1 材料准备 分别利用HK-180型不锈钢粉碎机粉碎小米、玉米、燕麦、大豆、紫薯、猴头菇粉、蛹虫草粉、金针菇粉、杏鲍菇粉并过60目筛,根据沈彤等[19]的方法,依据所选原料的特性设计出目标产品的蛋白质、脂肪、膳食纤维、碳水化合物含量及各原料在混合粉中占比的约束条件,借助Excel线性规划求解功能,设计出以热量最低为目标的谷物杂粮膨化粉配方,通过预试验,确定食用菌粉添加量为11.5 g(每100 g谷物杂粮混合粉),食用菌粉配比为猴头菇∶蛹虫草∶金针菇∶杏鲍菇=1∶1∶1∶1,调节食用菌复配即食杂粮粉的水分并置于自封袋中,4 ℃下保存24 h。

1.2.2 挤压工艺 在配好的谷物杂粮粉及食用菌粉中加水,在室温、40 r/min转速条件下搅拌20 min,得混合物料;将所得混合物料进行挤压膨化处理,最后膨化产物进行电热鼓风干燥后粉碎,过60目筛得食用菌复配即食杂粮粉。挤压膨化过程中,物料水分含量为16%,螺杆转速为180 r/min,挤压区五个区的温度分别为80、90、120、140、165 ℃,进料速度为15 r/min。挤压结束后,所有产品置于烘箱中,60 ℃烘干(1～2 d即可)至松脆。膨化产品用磨粉机磨粉并装袋。普通谷物杂粮粉制备工艺及参数同食用菌复配即食杂粮粉。普通杂粮粉配方为小米、玉米、燕麦、大豆、紫薯=8∶8∶8∶1∶1。

1.2.3 产品品质分析

1.2.3.1 营养品质测定 膳食纤维含量按GB/T 5009.88-2008中的《酶重量法》[20]进行测定;脂肪含量按 GB/T 5009.6-2003中《索氏抽提法》[21]进行测定;蛋白质含量按 GB 5009.5-2010中的《凯氏定氮法》[22]进行测定;灰分含量按照GB 5009.4-2010[23]进行测定;碳水化合物含量由燕之坊提供;能量值根据徐永强等[24]的热价计算式(1)。

式(1)

式中,C热价(J);V:试验用水体积(mL);T2-T1:水体温差(℃);M样品:样品质量(g)。

1.2.3.2 微生物品质测定 食用菌复配即食杂粮产品和普通谷物杂粮粉微生物指标测定包括大肠菌群以及致病菌等数量的测量,测定方法根据食品安全国家标准检验：GB 4789.3-2016大肠菌群检验[25]、GB 4789.4-2016沙门氏菌测定[26]、GB 4789.4-2012志贺氏菌检验[27]、GB 4789.10-2016金黄色葡萄球菌检验[28]、GB 4789.15-2016霉菌检验[29]。

表2 五种谷物杂粮配方线性规划初始模型Table 2 The linear programming initial model of five kinds of coarse cereals formula

1.2.3.3 电子鼻风味分析 按照何余勤等[30]方法并略作修改,精确称取2.0 g样品置于20 mL顶空瓶内,样品采集时间为180 s,气体流速为150 mL/min;顶空采集温度为60 ℃,进样量为2500 μL,注射速率为2500 μL/s;数据采集时间为300 s,延滞时间为120 s,通过12个不同的气体传感器(LY2/LG、LY2/G、LY2/AA、LY2/GH、LY2/gCTL、LY2/gCT、T30/1、P10/1、P10/2、P40/1、T70/2和PA/2)对样品的挥发性气体成分进行分析。

表1 α-Fox3000气味指纹分析仪 12根MOS传感器型号及其敏感性响应气体类型Table 1 Twelve MOS sensors and sensing range of α-Fox3000 E-Nose

1.2.3.4 顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术风味物质分析 参照高永欣等[31]测定方法对样品进行风味成分分析。精确称取2.0 g样品置于20 mL顶空瓶内,萃取头在250 ℃活化30 min后,置于60 ℃水浴锅吸附40 min,将萃取头插至进样口,解离分析挥发性物质。设置测试条件:GC条件:DB-5MS毛细管柱(30 m×250 μm,0.25 μm);载气:He气,不分流进样,流速1.0 mL/min;进样口温度:250 ℃。初始柱温为40 ℃,保持5.0 min,随后以6 ℃/min升温至200 ℃,再以 10 ℃/min升至250 ℃保持5 min。MS条件:离子源:电子电离(electron ionization,EI)模式;电离能量70 eV;离子源温度220 ℃,四极杆温度150 ℃;质量扫描范围35～400 u。香气成分的质量分数采用参数峰面积归一化法积分获得,香气成分的化合物及数量采用 NIST08.L 谱图库的检索结果经过人工分析而确定。

1.3 数据处理

采用Excel 2016软件进行Excel线性规划,JMP 10分析数据显著性差异,V9.1Alphasoft分析挥发性物质的风味,Origin 8.0分析数据并作图。

2 结果与分析

2.1 原料成分分析及配方分析

Excel线性规划法是食品配方设计中应用最广泛的方法,在全面考虑各种原料的营养特性前提下,能够快速、高效地优选食品配方[32]。由表2可知,大豆和燕麦中含有较高的蛋白质、脂肪和膳食纤维。除了大豆,其他四种谷物杂粮均具有较高的碳水化合物含量。参考胡秋辉等[15]的配比条件,预设五种谷物杂粮粉各自占比、目标函数—能量最低值,各营养素在混合粉中的含量约束值(g/100 g谷物杂粮粉):蛋白质≥11,脂肪≥2,膳食纤维≥3,碳水化合物66～89(表2)。基于以上条件建立线性规划初始模型,通过Excel规划求解功能优化出混合粉的目标配比(表3):在100 g 混合粉中,小米、玉米和燕麦各占30.77%,大豆和紫薯各占3.85%,在此配比条件下,能够满足混合粉中各营养素的预设约束值(表4)。综合预实验中的食用菌添加量,得出食用菌复合即食杂粮粉的配比为小米:玉米:燕麦:黄豆:紫薯:食用菌粉(猴头菇∶蛹虫草∶杏鲍菇∶金针菇)=8∶8∶8∶1∶1∶3。

2.2 营养品质分析

如表5所示,与谷物杂粮粉相比,食用菌复配即食杂粮粉的膳食纤维和蛋白质含量分别提升15.67%和6.22%,脂肪含量降低了32.48%,碳水化合物含量基本持平,两种粉的基本营养素含量达到了线性规划模型的优化标准。根据《中国居民膳食指南(2016)》建议,食用菌复配即食杂粮粉能够满足一个成年人一天所需的营养素需求。此外,大肠杆菌群和霉菌小于10 CFU/g,而沙门氏菌、志贺氏菌和金黄色葡萄球菌在两种粉中均未检出,符合GB19640-2016(冲调谷物制品)[33]。猴头菇、蛹虫草、金针菇和杏鲍菇这四种食用菌含有丰富的蛋白质和膳食纤维,脂肪含量较低,是一种不可多得的高营养食品。食用菌粉的添加能够辅助人体降低胆固醇,调节免疫,增强人体抗癌和抗肿瘤的能力,从而实现谷物杂粮粉保健功能[34]。

表4 五种谷物杂粮营养配方约束表Table 4 TheTable of the nutrition formula restraint condition of five kinds of coarse cereals

注:型数值是最后求解行中单元格值与该变量的极限(公式栏数值)的差值。

表3 五种谷物杂粮配方运算结果Table 3 The operation result report of five kinds of coarse cereals formula

表5 谷物杂粮及食用菌复配即食杂粮粉的 营养成分和微生物含量Table 5 The content of nutrition and microorganism of instant coarse cereals powders compounded with coarse cereals and edible mushroom

注:*表示差异显著(P<0.05)。

2.3 风味物质分析

2.3.1 风味成分的电子鼻检测分析 电子鼻分析技术是一种快速、灵敏、便捷的分析技术,与HS-SPME-GC-MS分析相比,电子鼻可以针对食品不同类型的香气特征进行准确、快速的区分,明显提高了检测效率。应用电子鼻对两种谷物杂粮粉风味进行了电子鼻分析,通过FOX3000电子鼻含有的12个金属氧化物传感器,得出两种谷物杂粮粉的电子鼻响应值原始曲线图,如图1所示,12个传感器信号值变化趋势和两种粉的挥发性成分强度差异是一致的,根据各传感器间的相应数值,建立雷达指纹图谱(图2)。两种谷物杂粮粉的挥发性风味成分整体的风味强度轮廓相似,说明两种粉的香气组成特征有一定的相似性[35]。对谷物杂粮粉和食用菌复合即食杂粮粉挥发性成分电子鼻响应值进行主成分分析(图3),第一主成分贡献率为91.078%,第二主成分的贡献率为8.460%,总贡献率为99.538%,几乎提取了原始数据的全部信息,该结果可作为判定样品是否具有挥发性成分差异的依据[36]。食用菌复合即食杂粮粉样本在PC1正的一侧,谷物杂粮粉样本在PC1负的一侧,两个样品间存在一定的距离,说明两种不同的杂粮粉挥发性成分存在一定的差异。

图1 不同杂粮粉挥发性风味成分的 电子鼻传感器响应强度曲线Fig.1 E-Nose response intensity curves for volatile flavor components in different kinds of coarse cereals powder 注:a.谷物杂粮;b.食用菌复配即食杂粮粉。

图2 不同杂粮粉挥发性成分的雷达指纹图Fig.2 Radar fingerprint charts of volatile flavor components of different kinds of coarse cereals powder

2.3.2 顶空固相微萃取-气质联用分析 谷物杂粮粉和食用菌复配即食杂粮粉样品经HS-SPME-GC-MS分析后,两种杂粮粉总离子流色谱图所反映的挥发性物质及相对含量对比结果见表6。经过物质匹配度筛选,确定谷物杂粮粉和食用菌复配即食杂粮粉分别有43种和46种挥发性风味物质,该结果显示猴头菇、蛹虫草、金针菇、杏鲍菇等食用菌的添加使其相较谷物杂粮粉具有更为丰富的香气成分。谷物杂粮粉的挥发性成分组成为烃类(15.6971%)、醛类(58.3395%)、醇类(2.7111%)、酮类(5.4709%)、酯类(8.4091%)、杂环和芳香族化合物(9.3721%),食用菌复配即食杂粮粉主要的挥发性成分组成为烃类(16.9019%)、醛类(18.6878%)、醇类(1.6119%)、酮类(11.1107%)、酯类(12.2835%)、酸类(11.3941%)以及杂环和芳香族化合物(25.6333%)。相较于谷物杂粮粉,食用菌复配即食杂粮粉挥发性成分中烃类、酮类、酯类、酸类及杂环和芳香族化合物含量明显提升,而醛类、醇类相对含量较低。通过HS-SPME-GC-MS所检测的挥发性成分变化与电子鼻分析风味类型的变化趋势结论是一致的。

表6 不同谷物杂粮粉挥发性风味成分的相对含量Table 6 The relative content of volatile flavor components in different kinds of coarse cereals powder

图3 不同杂粮粉挥发性成分PCA主成分分析图Fig.3 Principle component analysis of E-Nose data for volatile flavor components in different kinds of coarse cereals powder

续表

续表

食用菌具有丰富的挥发性呈味物质,主要为酸类、呋喃和吡嗪等杂环和芳香族类物质,其中代表性特征风味成分包括茴香脑、己酸、2-正戊基呋喃、3-丁基-2,5-二甲基吡嗪等。本研究中由于食用菌的添加,在杂粮粉中引入了食用菌特征风味物质,其中食用菌复配即食杂粮粉成分中2-正戊基呋喃的含量明显高于无菌菇谷物杂粮粉,杂环化合物(如呋喃和吡嗪类)是食用菌的独特香气来源,气味强度较高[37]。另外苯乙醛等食用菌普遍具有的香气成分也被检测出,由此赋予了谷物杂粮粉果香、脂香以及坚果香等风味元素,食用菌中的有机酸种类非常复杂,是其产生独特风味的来源。谷物杂粮粉的香味除了与具有发香基团的风味物质有关外,还同挥发性成分的碳链结构有关,不饱和化合物比饱和化合物的风味强度高,随着碳链不饱和度的增高,风味强度也随之提升,同时,碳链长度对香气呈现也有一定的影响。食用菌复配即食杂粮粉的风味物质中烷烃类挥发性成分占到16.9019%,其中主要由中长链(C6～C11)及长链(C11～C20)饱和及不饱和烃类组成,较谷物杂粮粉而言,碳链长度增大,不饱和烃类比例上升,香气强度更为馥郁,而食用菌中的酮类化合物来源于不饱和脂肪酸的氧化降解和氨基酸的微生物氧化,为谷物杂粮粉贡献了花香和果香[38]。

3 结论

通过线性规划优化出食用菌复配即食杂粮粉配方:小米∶燕麦∶黄豆∶紫薯∶食用菌粉=8∶8∶8∶1∶1∶3(猴头菇∶蛹虫草∶杏鲍菇∶金针菇=1∶1∶1∶1),然后采用挤压工艺制成食用菌复配即食杂粮粉。与谷物杂粮粉相比,食用菌复配即食杂粮粉的膳食纤维和蛋白质含量分别提升了15.67%和6.22%,脂肪含量降低了32.48%。电子鼻以及HS-SPME-GC-MS联用分析结果表明,谷物杂粮和食用菌复配即食杂粮粉的风味成分分别为43种和46种。添加食用菌后在谷物杂粮中引入了呋喃和吡嗪等杂环和芳香族类物质,引入的特征风味成分主要为3-乙基-2,5-二甲基吡嗪、3-丁基-2,5-二甲基吡嗪和2-正戊基呋喃,在原有的粮谷类香味基础上增进了果香、脂香以及坚果香等风味元素。因此,通过挤压膨化技术可以加工出营养和风味兼具的食用菌复配即食杂粮粉。