榨油温度对核桃饼粕的色泽、香气、味道及基础营养成分的影响研究

付超,白冰瑶,王辉,时春辉,杨阳,菅田田

(1 塔里木大学食品科学与工程学院,新疆 阿拉尔 843300)(2 南疆特色农产品深加工兵团重点实验室,新疆 阿拉尔 843300)(3 塔里木大学化学化工学院,新疆 阿拉尔 843300)(4 塔里木大学分析测试中心,新疆 阿拉尔 843300)

热榨核桃饼粕是核桃仁高温榨油后的副产物,含有蛋白质、膳食纤维、维生素和矿物质等。榨油后的核桃饼粕常被用作动物饲料或燃料,而在食品领域中应用很少,造成很大的资源浪费[1]。若能在热榨核桃饼粕的精深加工方面取得技术突破,将对热榨核桃油工艺整体经济效益的增加产生巨大的影响[2]。有研究表明,热榨核桃饼粕中蛋白质高度变性,功能性变差,成分复杂,但温度对榨油过程中成分的影响仍不清楚[3]。本研究拟在探索榨油温度对热榨核桃饼粕颜色、香气、味道和营养等成分的影响,为提高热榨核桃饼粕的利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用核桃为新疆阿克苏地区温宿县种植的‘温185’纸皮核桃(J.regia‘Wen185’)。

硫酸铜(天津市鑫铂特化工有限公司),石油醚(天津市致远化学试剂有限公司),95%乙醇(天津市永大化学试剂有限公司),硫酸(四川西陇化工有限公司),硼酸(天津致远化学试剂有限公司),硫酸钾(天津市鑫铂特化工有限公司),氢氧化钠(天津致远化学试剂有限公司),甲基红(上海山浦化工有限公司),溴甲酚绿(天津市化学试剂研究所),乙酸锌(天津市鑫铂特化工有限公司),六氰合铁酸钾(天津市鑫铂特化工有限公司),草酸(天津市永大化学试剂有限公司),甲醇(国药集团化学试剂有限公司)。

1.2 试验仪器

电热鼓风干燥箱(GZX-9240 MBE,上海博迅实业有限公司医疗设备厂),电子天平(LE203E,梅特勒-托利多仪器上海有限公司),箱式电阻炉(SX-4-107,北京市永光明医疗仪器有限公司),全自动凯氏定氮仪(K1100,济南海能仪器股份有限公司),石墨消解仪(SH220 N,山东海能科学仪器有限公司),全二维气相色谱三重四级杆质谱联用仪(7890B-7000 D,美国安捷伦科技有限公司),紫外可见分光光度计(J6,上海菁华科技仪器有限公司),高速冷冻离心机(TGL-20bR,上海安亭科学仪器厂),水浴氮吹仪(JOYN-DCY-24Y,上海乔跃电子科技有限公司),高效液相色谱仪(Water 2695,江苏艾康生物医药研发有限公司),色彩色差计(CR-400,柯尼卡美能达投资有限公司),调温电热套(KDM,山东鄄城赛科仪器设备厂),榨油机(X5S,东莞香聚智能有限公司),固相萃取头(85 μm PA,上海安谱实验科技股份有限公司),超声波清洗机(JP-060 S,深圳市洁盟清洗设备有限公司)。

1.3 试验方法

1.3.1 核桃饼粕出油率测定

由于预试验中榨油温度超过160 ℃核桃饼粕易被烧糊,且低于40 ℃榨油温度易受到室温波动影响,所以本试验的榨油温度范围选定为40～160 ℃。为简化赘述,将榨油温度分为5组,40 ℃榨取的核桃饼粕样品设为A、70 ℃榨取的核桃饼粕样品设为B、100 ℃榨取的核桃饼粕样品设为C,130 ℃榨取的核桃饼粕设样品为D,160 ℃榨取的核桃饼粕样品设为E。

将带种皮的核桃仁均分成25组,每组60 g,置于电热鼓风干燥箱中35 ℃烘干12 h,使用螺旋榨油机在5种温度下榨取核桃饼粕,每种温度重复榨油5次。将榨油后的核桃油进行称重,并通过公式计算出油率,5次试验取平均值,出油率计算式如下:

(1)

式(1)中,核桃油质量和核桃质量,g。

1.3.2 核桃饼粕色泽测定

将出油率测定中剩下的25组核桃饼粕用载玻片压碎,将碎片放在色彩色差计中测定饼粕的L*(明暗度)、a*(红绿值)、b*(黄绿值),同一榨油温度下的5组试验取平均值,并记录结果。

使用张巧等[4]研究中的吸光度法测核桃饼粕的褐变度。将5种温度下榨取的核桃饼粕各取5 g,分别放在5个研钵中研磨,各倒入75 mL的蒸馏水搅拌均匀,装入离心管于离心机中4 000 r/min离心20 min,取上清液2 mL装入试管并加入2 mL体积分数为95%的乙醇摇匀,将混合液装入玻璃比色皿,根据文献调研,褐色物质在波长420 nm处有较好的吸光度,所以使用分光光度计在420 nm处读取吸光度,做5次重复试验取平均值,并记录结果。

1.3.3 核桃饼粕香气成分测定

香气成分测定参照徐效圣等[5]的研究方法。样品处理:取5种温度下榨取的核桃饼粕各15 g,分别放入5个研钵中,加入蒸馏水,研磨后过滤,取溶液备用。采用气相色谱柱为VF-WAXms的气质联用仪(GC-MS)分析香气成分。前处理方法:使用固相微萃取法,将萃取头在250 ℃下老化40 min,并将样品瓶于40 ℃水浴锅加热10 min,然后将萃取头插入样品瓶在40 ℃萃取40 min后进样,解析3 min。色谱条件:进样口温度250 ℃,不分流进样,0.75 min后打开分流20 mL/min。程序升温:45 ℃保持1 min,然后以10 ℃/min的速率升至100 ℃,不保留,再以5 ℃/min的速率升至230 ℃,保留10 min。质谱条件:溶剂延迟2 min,离子源温度 230 ℃,传输线温度240 ℃。通过气质联用仪控制软件(Chromeleon 7)使用NIST谱库检索匹配所测物质种类,使用归一化法分析每种物质的含量占比。重复测定3次取平均值,并记录结果。

1.3.4 核桃饼粕呈味物质测定

氨基酸含量的测定参照李世亮等[6]水解氨基酸测定法。取40 ℃、100 ℃和160 ℃的核桃饼粕样品各0.1 g,分别移入3支水解管内,并向水解管中分别加入10 mL的6 mol/L盐酸,盖子轻扣在水解管上,放入冰箱冷冻5 min后取出,再使用水浴氮吹仪连接出氮气的气管从上往下螺旋向管内充入高纯度的氮气,2 min后,快速拧紧瓶盖,将烘箱温度调至110 ℃,将水解管放入烘箱中,水解23 h后,取出冷却,打开水解管,将3个样品过滤至25 mL容量瓶内,用去离子水少量多次冲洗水解管,将水解液全部移入容量瓶内,再抽取2 mL的滤液至水解管中,利用水浴氮吹仪往管内充入氮气,直至水解管内液体紧贴水解管底部(勿吹干),取出后用0.01 mol/L的盐酸定容至5 mL的容量瓶内,过针式滤头。取过滤液20 μL、硼酸缓冲液70 μL和10 μL衍生剂在混合器上充分混匀,于55 ℃的烘箱中烘干10 min,准备检测。并根据公式计算氨基酸占比。重复测定3次取平均值,并记录结果。氨基酸含量计算式如下:

(2)

式(2)中,w:氨基酸含量,%;C:从标准曲线中得到样品试样溶剂中被测组分浓度,μg/mL;m:样品质量,g;f为稀释因子,值为25;106为换算系数;25为定容体积,mL。

5-羟甲基糠醛测定参考吴榕等[7]的研究方法。样品处理:分别称取40 ℃、100 ℃和160 ℃处理后的核桃饼粕0.5 g,放入3个研钵中研磨均匀,然后分别转移至3个100 mL锥形瓶中,每个锥形瓶中加入50 mL蒸馏水常温超声20 min,再以10 000 r/min离心5 min后吸取10 mL上清液,依次加入5 mL草酸溶液、3 mL六氰合铁酸钾溶液、3 mL乙酸锌溶液振荡混匀并静置10 min,用甲醇定容至50 mL混匀后10 000 r/min离心5 min,过0.45 μm滤膜待测。标准品制备:称取0.02 g 5-羟甲基糠醛,加入10 mL甲醇溶解后,用水定容至100 mL,得到0.2 mg/mL 5-羟甲基糠醛对照品溶液,并用水稀释成0.02 μg/mL、0.04 μg/mL、0.10 μg/mL、0.20 μg/mL、0.50 μg/mL、1.00 μg/mL、1.50 μg/mL和2.00 μg/mL标准溶液。色谱条件:色谱柱Kormasil-C18;柱温30 ℃;流速0.1 mL/min;流动相为甲醇-水(体积比15∶85);检测波长280 nm。并计算5-羟甲基糠醛含量。重复测定3次取平均值,并记录结果。5-羟甲基糠醛含量计算式如下:

(3)

式(3)中,X5:样品中5-羟甲基糠醛含量,mg/kg;A1:样品中5-羟甲基糠醛峰面积;AS:标准品中5-羟甲基糠醛峰面积;CS:标准品5-羟甲基糠醛浓度,μg/mL;V:样品最后定容体积,mL;m:样品取样量,g。

1.3.5 核桃饼粕基础营养成分测定

含水量测定,参照GB/T 5009.3—2016[8],直接干燥法测定。灰分含量测定,参照GB/T 5009.4—2016[9],灼烧法测定。脂肪含量测定,参照GB/T 5009.6—2016[10],酸水解法测定。蛋白质含量测定,参照GB/T 5009.5—2016[11],凯氏定氮法测定。每个成分重复测定3次取平均值,并记录结果。

1.3.6 核桃饼粕数据分析

使用SPSS 24软件中的ANOVA-Duncan法对色泽、香气、氨基酸含量数据进行显著性分析。使用Origin 2016软件画图。

2 结果与分析

2.1 核桃饼粕出油率分析

榨油温度(40 ℃、70 ℃、100 ℃、130 ℃、160 ℃)对核桃出油率的影响如图1所示。不同榨油温度下核桃出油率在32.51%～65.28%,随着温度升高,出油率也逐渐升高,当温度达到100 ℃时出油率为59.85%,继续升温,出油率上升缓慢,考虑到经济效益,生产中热榨温度通常设置在100～130 ℃。此外,根据文献调研可知,核桃最适冷榨温度为43.43～53.23 ℃,可将40 ℃榨油近似看成冷榨[12]。

图1 榨油温度对核桃出油率的影响

2.2 核桃饼粕色泽分析

榨油温度对核桃饼粕色泽的影响如表1所示。L*值越大表示所测样品的表面越亮,反之越暗;a*值(红绿值)正值为红色,负值为绿色,它的绝对值越大表示红色或绿色越深;b*值(黄蓝值)正值为黄色,负值为蓝色,其绝对值越大表示黄色或蓝色越深。随着温度的升高,核桃饼粕的L*逐渐下降,从81.57降低至62.51,表明核桃饼粕表面越来越暗;a*值逐渐上升,表明核桃饼粕红色逐渐加深;b*值逐渐下降,表明核桃饼粕黄色逐渐变浅。核桃饼粕的总体颜色随着温度的上升由黄色逐渐向棕褐色转变。

表1 榨油温度对核桃饼粕色泽的影响

榨油温度对核桃饼粕褐变度的影响如图2所示,吸光度值能反应核桃饼粕的褐变度,数值越低说明褐变度越高,随着榨油温度的升高核桃饼粕OD值呈下降趋势,40 ℃核桃饼粕OD值为0.121,160 ℃核桃饼粕吸光度为0.094,褐变程度增加。热榨核桃饼粕褐变度比冷榨核桃饼粕更高,该现象可能与高温高压下核桃饼粕内发生美拉德反应产生褐变或有机物碳化导致深色物质累积有关。

图2 榨油温度对核桃饼粕褐变度的影响

2.3 核桃饼粕香气成分分析

榨油温度对核桃饼粕主要香气成分含量的影响如表2所示。使用气质联用色谱仪从核桃饼粕中检出15种主要香气化合物,以醛类、醇类为主。随着温度的上升各香气成分含量均逐渐升高,热榨核桃饼粕的香气含量比冷榨核桃饼粕多。当温度达到160 ℃时,正己醇含量占总香气物质的14.102%,是含量最多的香气成分,此时核桃饼粕的果香和蜡香味变强。壬醛是含量排第二的化合物,随着温度的上升,其含量由4.236%升至7.044%,此时饼粕的玫瑰和柑橘香气逐渐提高;庚醛是排第三的化合物,随着温度的上升,其含量由4.241%升至7.038%,此时饼粕的不愉快油脂气味增强;异戊醇是含量排第四的化合物,随着温度的上升,其含量由4.171%升至6.112%,饼粕的辛辣味增强。苯甲醛是含量排第五的化合物,其含量随着温度的上升变化不明显,160 ℃时香气成分含量仅为2.634%,其具有苦杏仁味。其余香气化合物含量均低于1.00%,对核桃饼粕气味影响不大。以上几种香气成分较多的原因可能是其在核桃饼粕中含量较高,且这几类物质分子量相对较小,受到高温后更易挥发到空气中。

表2 榨油温度对核桃饼粕主要香气化合物含量的影响 %

2.4 核桃饼粕呈味物质分析

核桃饼粕中水解氨基酸含量如表3所示。氨基酸含量变化随榨油温度增减不一,其含量的增加可能与肽链的热分解有关,含量的减少可能与美拉德反应消耗有关[13-14]。本实验中所测核桃饼粕的必需氨基酸与非必需氨基酸之比在0.30～0.33之间,低于联合国农粮组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)提出的必需氨基酸模式标准的0.6[15]。此外,必需氨基酸占总氨基酸在23.40%～25.13%之间,低于WHO和FAO规定的40%,表明热榨核桃氨基酸营养供给水平有限[16]。

表3 核桃饼粕水解氨基酸量 %

核桃饼粕中氨基酸种类丰富,具有特殊医疗保健功效的9种氨基酸:天门冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、甘氨酸(Gly)、蛋氨酸(Met)、亮氨酸(Leu)、酪氨酸(Tyr)、苯丙氨酸(Phe)、赖氨酸(Lys)和精氨酸(Arg)占核桃饼粕中水解氨基酸总含量的75.43%～78.26%[17]。此外,3种具有参与肌肉合成、促进激素产生、增强运动耐力、修复肌肉疲劳、提高肝功能、保护心肌等功效的缬氨酸(Val)、亮氨酸(Lev)和异亮氨酸(Ile)占核桃饼粕中水解氨基酸总含量的12.21%～12.83%[18-19]。

风味氨基酸分为鲜味氨基酸:天冬氨酸(Asn);甜味氨基酸:丝氨酸(Ser)、甘氨酸(Gly)、苏氨酸(Thr)、丙氨酸(Ala)、脯氨酸(Pro);苦味氨基酸:组氨酸(His)、酪氨酸(Tyr)、缬氨酸(Val)、异亮氨酸(Ile)、苯丙氨酸(Phe)、赖氨酸(Lys)和咸味氨基酸:甲硫氨酸(Met)、半胱氨酸(Cys)[20]。核桃饼粕中检测出的风味水解氨基酸占水解氨基酸总量的比例如表4所示,随着温度的上升,鲜味氨基酸含量先下降后上升,甜味和咸味氨基酸先上升后下降,苦味氨基酸含量逐渐降低。无论是热榨还是冷榨核桃饼粕中苦味氨基酸占比都较高(均在19%以上)且苦味的阈值较低,所以核桃饼粕的味道总体呈现出苦味。

表4 核桃饼粕中风味氨基酸占比 %

核桃在榨油过程中发生美拉德反应导致褐变,其中间产物5-羟甲基糠醛是具有苦味的呋喃化合物[21]。研究5-羟甲基糠醛的含量有利于了解核桃饼粕中苦味的变化情况。不同温度下榨油核桃饼粕中5-羟甲基糠醛含量如表5所示。经检测仅在70 ℃和160 ℃核桃饼粕中可以检测出5-羟甲基糠醛,含量分别为0.76 mg/kg和1.45 mg/kg。5-羟甲基糠醛含量随温度升高而增加,进一步加重了核桃饼粕的苦味,热榨核桃饼粕相对冷榨核桃饼粕苦味更强。根据文献调研可知,5-羟甲基糠醛具有致癌作用,每天摄入30 mg以下 5-羟甲基糠醛,不会对人体健康造成危害[22]。但核桃饼粕中的5-羟甲基糠醛含量很低,每天食用超过1.5 kg核桃饼粕才可能对人体健康产生危害。

表5 不同榨油温度下核桃饼粕中5-羟甲基糠醛含量

2.5 核桃饼粕基础营养成分分析

核桃饼粕中水分、灰分、粗脂肪和粗蛋白含量如表6所示。随着榨油温度升高,核桃饼粕中水分含量逐渐降低,热榨核桃饼粕水分含量低于冷榨核桃饼粕,该现象可能与高温高压下榨油核桃饼粕失水有关,温度越高饼粕失去水越多,其含水量越低。为避免环境湿度影响核桃原料含水量而引入试验误差,榨油前会对核桃进行低温烘干处理,再加上高温高压下核桃中的水分会被挤出,所以饼粕含水量一般不高,其含水量均在7.20 g/100 g以下,不易发生霉变。核桃饼粕中灰分含量随着榨油温度的升高逐渐提高,热榨核桃饼粕灰分含量高于冷榨核桃饼粕,该现象可能与高温高压下饼粕失水失油后单位体积内固形物含量提高有关,固形物含量增多导致其单位体积内包含更多金属离子,从而灰分含量提高。核桃饼粕中粗脂肪含量随着榨油温度的升高逐渐降低,热榨核桃饼粕粗脂肪含量低于冷榨核桃饼粕,该现象可能与榨油温度越高饼粕出油率越高有关,出油率越高从而饼粕中含油量减少,其粗脂肪含量也相应减少。核桃饼粕中粗蛋白含量随着榨油温度的升高逐渐升高,热榨核桃饼粕粗蛋白含量高于冷榨核桃饼粕,该现象可能与饼粕高温高压失水失油后,单位体积内固形物含量提高有关(密度变大),从而使单位体积的饼粕包含更多粗蛋白,其粗蛋白含量提高。

表6 不同榨油温度下核桃饼粕中水分、灰分、粗脂肪、粗蛋白含量 g/100 g

3 讨论

榨油过程中发生美拉德反应导致核桃饼粕褐变,其中间产物5-羟甲基糠醛的积累与褐变速度密切相关[13]。本试验中5-羟甲基糠醛含量较低且并未在所有温度下测得,可能的原因:核桃饼粕中能与氨基化合物(氨基酸和蛋白质)发生美拉德反应的羰基化合物(还原糖类)含量较少,导致美拉德反应在热榨的过程中发生较少。此外,螺旋榨油机榨油时间较短,美拉德反应在短时间内反应不充分。美拉德反应底物较少且反应不充分,导致该反应的中间产物(5-羟甲基糠醛)含量较低或无。

榨油过程中核桃饼粕颜色、香气、味道及基础营养成分的变化除了与美拉德反应有关还可能与其他因素有关,如核桃饼粕颜色的变化可能还与高温高压下核桃饼粕中有机物碳化有关。香气的变化可能与高温导致油脂挥发有关。氨基酸含量的变化可能与肽链的热解有关。基础营养成分的变化可能与高温高压下单位体积固形物含量变化有关。‘温185’纸皮核桃饼粕中粗蛋白含量约占核桃饼粕的46.17%～70.21%,与国内其他地区产的核桃饼粕相比粗蛋白含量相对较高[23]。热榨核桃饼粕(100～130 ℃)中粗蛋白含量约65%,优于芝麻饼粕粗蛋白含量为48.2%,菜籽饼粕粗蛋白含量为41.08%,豆饼粕粗蛋白含量为44.13%,棉籽饼粕粗蛋白含量为45.60%,说明热榨核桃饼粕有较好的蛋白开发潜力[24-25]。

热榨核桃饼粕相对冷榨核桃饼粕,颜色更深,香气更浓,味道更苦,若直接用于开发食品并不合适,但其粗蛋白含量较高,且氨基酸种类丰富,可用作制作高蛋白食品的原料,也可以作为微生物发酵的原料。此外,还可以通过一些酶解或化学改性技术对蛋白进行处理制作功能性食品原料,如通过酶解的方法研究制备具有良好抗氧化活性的核桃多肽和功能性蛋白液,添加磷酸化试剂使核桃蛋白磷酸化提高蛋白的溶解性和乳化性等。此外,由于其含有丰富的蛋白质和氨基酸(氨基化合物)还可作为美拉德反应的原料与其他羰基化合物发生反应,为油脂增香或制作特殊风味的调味品。

4 结论

本实验研究榨油温度对核桃饼粕的色泽、香气、味道及基础营养成分的影响,温度升高,会导致核桃饼粕表面由黄色转变为棕褐色;15种主要香气成分含量均提高;饼粕的鲜味氨基酸含量呈先下降后上升趋势,甜味和咸味氨基酸含量均呈先上升后下降趋势,苦味氨基酸略有下降;仅在70 ℃和160 ℃热榨饼粕中检测出少量呈苦味的5-羟甲基糠醛,分别为0.016 ug/mL和0.023 ug/mL,较少的5-羧甲基糠醛可能意味着美拉德反应在榨油过程中发生的较少。随着榨油温度由40 ℃升至160 ℃,每100 g核桃饼粕中水分含量由7.190 g降至6.810 g,灰分含量由4.170 g升至4.310 g,粗脂肪含量由6.450 g降至5.380 g,粗蛋白含量由46.174 g升至70.205 g。热榨核桃饼粕中苦味氨基酸高达19%以上,且含有少量5-羧甲基糠醛导致其整体呈现出苦味,但饼粕中粗蛋白质含量较高且氨基酸种类丰富,是开发高蛋白食品、微生物发酵、制备功能性食品和参与美拉德反应的较好原料。