蟹味菇和白玉菇的蛋白质及氨基酸营养评价与分析

吴莹莹,鲍大鹏,李 燕,李金鑫,王 莹,周陈力,曹 娜,高利慧,陈洪雨

(1 上海市农业科学院食用菌研究所,国家食用菌工程技术研究中心,农业农村部南方食用菌资源利用重点实验室,上海201403;2 上海海洋大学食品学院,上海201306;3 上海丰科生物科技股份有限公司,上海201401)

蟹味菇和白玉菇的学名都是斑玉蕈(Hypsizigus marmoreus),为该食用真菌商业化栽培后的不同品系。斑玉蕈又名玉蕈、真姬菇,是我国市场发展较快的新型食用真菌之一,2018年产量达30 万t,在我国工厂化栽培食用真菌生产总量中排名第三。斑玉蕈的野生资源分布于欧洲、北美各国和日本,以及中国的吉林、云南等地[1-2],我国企业目前生产使用的菌种主要为从日本引入的菌种或在其基础上进一步杂交选育而成的菌种。斑玉蕈的褐色品系以蟹味菇为商品名,白色品系则命名为白玉菇和海鲜菇[1,3]。斑玉蕈因外形美观、质地脆嫩爽滑、具有独特的海鲜味且价格实惠而受到消费者喜爱。近年研究发现,斑玉蕈中所含的小分子化合物、多糖和短肽等成分具有溶血活性[4-5]、抗氧化活性[6]、抑制白血病[7-8]和淋巴瘤细胞活性[9]、降脂活性[10]及抗炎、抗氧化功能[11]。因此,斑玉蕈是一种经济价值很高的食药兼用菌。

目前,关于斑玉蕈氨基酸和蛋白质营养特征的系统剖析相关研究较少。李淑荣等[12]对海鲜菇的盖、柄、根、幼菇及残菇的水解氨基酸和游离氨基酸的组成分别进行了分析,发现样品中氨基酸含量丰富,水提法得到的游离氨基酸含量是酸提法的6 倍[13];王中华等[14]研究表明,真姬菇中总游离氨基酸和必需氨基酸的含量明显高于杏鲍菇和金针菇。但上述研究未对蛋白质营养价值展开全面系统的评价,且未见不同颜色斑玉蕈品系产品蛋白品质的比较分析。主成分分析(Principle component analysis,PCA)是一种数据降维手段,可将多个参数正交变换为综合的主评价指标(主成分),在营养学中可用于评估氨基酸的综合品质[15-16],曾被用于禽蛋[17]和乳品[18]等动物蛋白质,以及食用真菌竹荪[19]的氨基酸分析。食物中必需氨基酸(Indispensable amino acid,IAA)的分布与人体需求的契合度是蛋白质品质评价的重要内容,其评估方法是依据氨基酸平衡模式谱,通过氨基酸评分等参数来分析IAA 的供需平衡[20-21]。国际食品营养学权威机构——世界卫生组织∕联合国粮农组织∕联合国大学(World Health Organization∕Food and Agricultural Organization∕United Nation University,WHO∕FAO∕UNU)和美国科学院医学研究所(Institute of Medicine,IOM)基于生物利用率、人群适应性和食物矩阵等临床营养数据的不断完善,近年来对氨基酸平衡模式谱和蛋白质评价方法进行了大量更新[20,22-23]。目前,在国内用新模式谱进行食用菌氨基酸的系统性参数评估报道较少[23]。

本研究选取6个企业的上海市售工厂化栽培的12个斑玉蕈样品,采用PCA 提取IAA 的主成分参数,比较样品的IAA 综合特征;并基于国际新版模式谱,对其蛋白质营养价值进行氨基酸评分、IOM 模式评分、化学评分、氨基酸比值系数和必需氨基酸指数等多个参数的系统性评价,旨在为消费者的日常膳食搭配提供科学指导,并为进一步打开斑玉蕈的消费市场和提高企业产能,进而促进斑玉蕈工厂化产业发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

斑玉蕈样品统一收集自上海市江桥批发市场,12个样品分别产自上海及江苏的6 家工厂化栽培企业(为避免涉及商业利益,此处匿去企业名)。其中褐色品系的蟹味菇样品编号为A1—A6,白色品系的白玉菇样品编号为B1—B6。

硫酸、盐酸、硼酸、柠檬酸、氢氧化锂、氢氧化钠、硫酸铜、硫酸钾、柠檬酸钠和氯化钠均为分析纯,为上海国药集团化学试剂有限公司产品;茚三酮为日本日立集团产品。

DHG-9246A 型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司);Scientz-48 型样品研磨机(宁波新芝生物科技股份有限公司);FB224 型自动内校电子分析天平(上海舜宇恒平科学仪器有限公司);Kjeltec 8400 型全自动凯氏定氮仪(丹麦FOSS 公司);835-50 型氨基酸自动分析仪(日本日立集团)。

1.2 试验方法

1.2.1 取样及样品预处理

采集鲜样后,从每个样品中选择无变质、无损伤、成熟度相近的5 朵成簇生长的成熟子实体,由内至外随机分离可食部位约500 g,剪碎,称取50 g。将样品置于研磨管中,在液氮中浸渍后,用研磨机粉碎60 s,并充分混合。

1.2.2 水分的测定

参照国家标准GB 5009.3—2016[24]的直接干燥法,用电子天平称取5—10 g 经过预处理的12个斑玉蕈样品(精确至0.0001 g),在105 ℃干燥箱中干燥至恒重,计算水分含量。

1.2.3 粗蛋白的测定

参照国家标准GB 5009.5—2016[25]的自动凯氏定氮法,用电子天平随机称取2—5 g 经过预处理的12个斑玉蕈样品(精确至0.001 g),在消化炉中完成消化后,使用Kjeltec 8400 型全自动凯氏定氮仪测定氮含量,并换算为蛋白质含量。

1.2.4 氨基酸的测定

参照国家标准GB∕T 18246—2000 的碱水解法[26]、GB∕T 15399—94 的过氧化酸氧化法[27]和GB 5009.124—2016的酸水解法[28],使用835-50 型氨基酸自动分析仪,分别测定12个斑玉蕈样品的Trp、Cys 和其他16 种常见氨基酸(Ala、Arg、Asp、Glu、Gly、His、Ile、Leu、Lys、Met、Phe、Pro、Ser、Thr、Tyr 和Val)的含量。

1.2.5 统计与分析

每个样品在相同前处理及仪器参数条件下进行3 次平行测定,取均值,采用SPSS 22.0 软件对18 种氨基酸进行主成分分析。主成分分析时,先将数据集标准化,然后通过因子分析进行降维处理,抽取主成分(PC)及向量特征贡献值。采用Sigma Plot 11.0 软件绘制结果图。

1.2.6 蛋白质营养价值评估

氨基酸评分(Amino acid score,AAS)依据WHO∕FAO∕UNU 联合发布的模式谱[29]计算;蛋白质消化率校正氨基酸得分(Protein digestibility corrected amino acid score,PDCAAS)依据WHO∕FAO∕UNU 推荐的方法[20]计算;氨基酸比值系数(Ratio coefficient,RC)及比值系数分(Score of RC,SRC)采用朱圣陶等[30]提出的方法计算;IOM 模式评分(IOMS)参照IOM 的指南[31]计算;化学评分(Chemical score,CS)采用Seligson等[32]的方法,以全鸡蛋蛋白质为参比蛋白[33]计算;必需氨基酸指数(Essential amino acid index,EAAI)依据Oser[34]提出的方法计算。

2 结果与分析

2.1 粗蛋白含量测定结果

经检测,12个斑玉蕈样品中粗蛋白在干质量(DW)中的含量为181.50—243.79 mg∕g DW(表1),平均粗蛋白含量为215.47 mg∕g DW。其中蟹味菇样品的平均粗蛋白含量为224.17 mg∕g DW,高于白玉菇样品的均值206.17 mg∕g DW。各样品中粗蛋白含量存在差异,含量最高的蟹味菇A2 样品比含量最低的白玉菇B1 样品高62.29 mg∕g DW。

2.2 氨基酸组成及含量测定结果

经检测,12个斑玉蕈样品中均含有18 种常见氨基酸(表1),其中含量最高的为谷氨酸;包括8 种IAA,含量最高的IAA 为甲硫氨酸(Met)。所有样品的平均总氨基酸(Total amino acids,TAA)含量为132.35 mg∕g DW,蟹味菇样品的平均TAA 含量(139.84 mg∕g DW)略高于白玉菇的平均TAA 含量(123.38 mg∕g DW)。各斑玉蕈样品中,IAA∕TAA 含量比为36.74%—45.95%,均值41.69%,高于FAO∕WHO∕UNU 提出理想蛋白模式(IAA∕TAA ≥40%),表明斑玉蕈蛋白质可提供丰富的IAA。

2.3 18 种常见氨基酸的主成分分析

对12个斑玉蕈样品的18 种常见氨基酸含量标准化后的数据集进行主成分分析(PCA),按起始特征值大于1 的原则抽取主成分(表2)。PCA 综合性地区分了各个样品,抽取出的4个主成分共解释了90.016%的样品差异。

表1 斑玉蕈的氨基酸组成Table 1 Amino acid composition of Hypsizigus marmoreus mg·g -1 DW

表2 斑玉蕈氨基酸的PCA 解释方差Table 2 PCA explained variance of Hypsizigus marmoreus amino acids

依据载荷表,以载荷绝对值大于0.75(正向或负向载荷超过75%)来确定各主成分(PC)的决定性因子,结果表明:PC1 由Lys、 Leu、 Ile、 Phe 和Asp 5 种氨基酸决定,PC2 由Thr、Val、 Gly、 Ala 和Arg 5 种氨基酸决定,PC3 由Met 和His 2 种氨基酸决定,PC4 由Cys 单个氨基酸决定(表3)。

表3 斑玉蕈氨基酸的PCA 载荷Table 3 PCA loading of Hypsizigus marmoreus amino acids

进一步由元件评分系数矩阵计算发现,样品存在PC 得分差异,其中蟹味菇样品在PC2 的平均得分高于白玉菇。A5 和A4 在PC1 的得分较高,A1 和B1(来自1 号企业)在PC3 的得分较高,A6 和B6(来自6号企业)在PC4 的得分较高。

表4 斑玉蕈氨基酸的PCA 得分Table 4 PCA scores of Hypsizigus marmoreus amino acids

2.4 蛋白质营养价值评价

2.4.1 蛋白质中的必需氨基酸分布

参照WHO 和IOM 列出的IAA 当量[29,31],以氨基酸总量记为蛋白质含量,计算得到斑玉蕈蛋白质中的总IAA 含量为436.18—533.00 mg∕g pro(表5),存在企业间差异性,但均超过参考氨基酸平衡模式谱中所需求的总IAA 含量,是IAA 充足的优质蛋白源。IAA 中,含量最高的是含硫氨基酸当量(甲硫氨酸+半胱氨酸)。除苏氨酸和含硫氨基酸外,斑玉蕈蛋白中其他IAA 水平低于鸡蛋蛋白。

表5 斑玉蕈蛋白质的必需氨基酸分布Table 5 IAA distribution of Hypsizigus marmoreus proteins mg·g -1 pro

2.4.2 蛋白质的氨基酸评分和消化率校正氨基酸得分

AAS 是基于受试蛋白质中IAA 分布与模式谱推荐值的接近程度分析蛋白质营养价值的方法。参照WHO∕FAO∕UNU 模式谱,采用AAS 模型对斑玉蕈蛋白中的IAA 进行评分(表6)。结果表明,12个样品中IAA 的AAS 均达到了模式谱要求(100),说明斑玉蕈蛋白所含IAA 充足。各样品中AAS 得分最高的IAA均为Met+Cys,12个样品的Met+Cys 平均含量为模式谱推荐值的3.95 倍,表明斑玉蕈蛋白具有提供丰富含硫氨基酸的优势。AAS 模型同时反映出各个IAA 的AAS 存在样品间差异性,其中5个样品(A1、B1、A4、A5、B5)得分最低的IAA 为缬氨酸,其他7 种样品AAS 得分最低的IAA 为亮氨酸(A6 样品为亮氨酸和异亮氨酸)。

依据AAS 结果,以蛋白质中相对不足的IAA 当量乘以消化率系数(食用菌的消化率系数为73%)[36]计算消化率校正氨基酸得分(PDCAAS),得到12个样品的PDCAAS 在79.03—95.40,平均值为86.92 (表6),高于此前报道的糙皮侧耳、沙漠松露、金针菇和杏鲍菇等食用菌[23,37-40]。

表6 斑玉蕈蛋白质的氨基酸评分Table 6 Amino acid scores of Hypsizigus marmoreus proteins

2.4.3 氨基酸比值系数和比值系数分

基于2.4.2 中得到的AAS,采用氨基酸比值系数(RC)对IAA 的相对平衡性进行分析(表7)。结果发现,斑玉蕈蛋白质中各IAA 的RC 平均值为0.63—2.02。其中, Phe+Tyr、His、Trp 和Thr 的RC 平均值接近于1,相对较贴近模式谱要求;而Met+Cys 和Leu 的RC 平均值则分别为正向和负向偏离平衡谱最远。进一步计算氨基酸比值系数分(SRC),通过RC 离散程度来评估蛋白质中IAA 与模式谱贴合的整体情况,得到斑玉蕈蛋白质的SRC 为47.52—63.68,12个样品的均值为55.74,整体略高于灰褐牛肝菌(50.05)[41],低于香菇(66.29)、秀珍菇(76.48—89.13)、平菇(78.78)[42]和金针菇(77.80)[37]。

表7 斑玉蕈蛋白质的氨基酸比值系数Table 7 Amino acid ratio coefficients of Hypsizigus marmoreus proteins

2.4.4 IOM 模式评分

根据美国科学院医学研究所提出的IOM 氨基酸平衡模式谱[31],计算得到12个斑玉蕈样品中各IAA得分均超过100(表8),符合IOM 模式谱的标准,说明斑玉蕈作为一种完全蛋白来源,可提供充足比例的、满足人类需求的必需氨基酸。

表8 斑玉蕈蛋白质的IOM 模式评分Table 8 IOM model scores of Hypsizigus marmoreus proteins

2.4.5 化学评分和必需氨基酸指数

以全鸡蛋蛋白质[33]作为参照,对斑玉蕈蛋白质进行了化学评分(CS)。测得各样品IAA 的平均CS 在68.32—152.42(表9),其中Met+Cys 和Thr 的CS 超过100,赖氨酸的CS 接近100,表明斑玉蕈蛋白质中上述几种IAA 的含量超过或接近鸡蛋;其他几种IAA 的CS 均低于100,表明斑玉蕈蛋白质中这些IAA 的供应量和平衡性均不如鸡蛋蛋白质。

必需氨基酸指数(EAAI)与100 的接近程度可反映样品蛋白质与高价参比蛋白质(鸡蛋蛋白质)的相对营养价值。在化学评分的基础上计算EAAI,得到所测斑玉蕈样品的EAAI 在77.53—100.76,平均值为90.46(表9)。其中6个蟹味菇样品的平均EAAI 为88.10,6个白玉菇样品的平均EAAI 为92.18。斑玉蕈的EAAI 与笔者之前通过同样方法计算得到的金针菇EAAI(90.62—96.08)近似;与杏鲍菇的EAAI(113.89—142.89)相比,更接近参考值100。上述结果表明:斑玉蕈蛋白质的IAA 平衡性虽然不如鸡蛋蛋白质,但因其含有优势氨基酸(如Met+Cys 和Thr)而取得了较理想的EAAI 值,可作为优良的蛋白质来源。

表9 斑玉蕈蛋白质的化学评分Table 9 Chemical scores of Hypsizigus marmoreus proteins

3 讨论

本研究测得12个市售斑玉蕈样品的粗蛋白平均含量为215.47 mg∕g DW,说明斑玉蕈是一种丰富的膳食蛋白来源。所测样品的蛋白质中总IAA 平均含量为129.30 mg∕g DW,占总氨基酸的40.20%,与已报道的人工栽培食用菌金针菇(42.15%—45.62%)、杏鲍菇(46.4%—49.5%)[43]、野生食用菌亚东黑耳(38.29%)[23]和灰褐牛肝菌(38%)[41]相当,高于小米和花生等粮食或经济作物[44-45],是能够提供充足IAA 的蛋白质。多种参数模型分析结果表明,斑玉蕈蛋白质中含量最丰富的IAA 是含硫氨基酸(Met +Cys)。Met 作为最主要的甲基供体,是大多数真核生物蛋白质合成的起始氨基酸;半胱氨酸则通过形成二硫键,在维持蛋白质结构和蛋白质折叠途径中发挥关键作用;缺乏含硫氨基酸会导致机体代谢紊乱,肝脏组织和心肌受损[46]。日常膳食中,含硫氨基酸在豆类、蔬菜和水果等植物蛋白中含量相对较低[33,46],将斑玉蕈与上述食物共同食用,可很好地提升人体摄入膳食蛋白的IAA 平衡性。

斑玉蕈的白色品系是褐色品系的白色突变种,白玉菇、海鲜菇由于外观洁白如玉受到消费者喜爱,在我国的销量远高于蟹味菇。食用菌颜色的变异来源于次级代谢产物的生物合成途径发生改变,生物体的代谢网络也会受到影响,从而引起外观、营养和生理等方面的变化。常见食用菌中还有一些野生型的白色变异品种被用于大量生产,如双孢蘑菇是棕色蘑菇的白色变种。杨红澎等[47]发现,双孢蘑菇子实体中总氨基酸含量高于棕色蘑菇。斑玉蕈的白色品系与褐色品系相比,具有栽培周期长、抗病性差和产量低等特点,二者的氨基酸特征比较未见报道。本研究发现,蟹味菇的平均总氨基酸含量高于白玉菇。进一步运用PCA 方法比较各斑玉蕈样品的IAA 特征,从6个样品中提取出2个PC,发现蟹味菇在PC2(由缬氨酸和苏氨酸组成)的得分高于白玉菇,说明不同颜色品系的斑玉蕈在氨基酸含量和分布特征方面均存在一定差异。

综上所述,本研究采用PCA 方法分析了蟹味菇和白玉菇两个不同颜色品系的市售斑玉蕈的氨基酸分布特征,并结合WHO∕FAO∕UNU 和IOM 的新版模式谱进行了蛋白营养评价,发现斑玉蕈蛋白质含量较高,氨基酸配比较为均衡,满足多种国际权威氨基酸平衡模式谱的要求,是一种能够为人体提供充足IAA 的优良蛋白质来源。蟹味菇和白玉菇的氨基酸营养均衡性相当,二者的氨基酸分布差异可通过PCA 结果显示。与其他已报道的食用菌类似,斑玉蕈蛋白质中含硫氨基酸含量丰富,亮氨酸相对缺乏,可作为辅助食材与乳制品、豆类和蔬果等其他食物进行搭配,以促进人体对氨基酸的平衡摄取。本研究建立的蛋白质品质评价体系可用于其他食用菌的营养分析,研究结果进一步证明“一荤一素一菇”具有理论基础,可为消费者日常膳食搭配提供科学指导。