奇亚籽营养成分分析及其饮料工艺优化

韩 凯,李欣阳,赵相宇,羊镇涛,马 跃,马 婕,刘 悦,回 晶,*

(1.辽宁大学生命科学院,辽宁沈阳 110036; 2.秦皇岛海洋环境监测中心站,河北秦皇岛 066000)

奇亚籽(Salviahispanica)属于唇形科,是一种表面光滑呈椭圆形状的薄荷类植物芡欧鼠尾草的种子[1-2]。奇亚籽最早种植于危地马拉和墨西哥等地区,作为人类食用的食物已有几千年的历史[3-4]。2014年,奇亚籽正式作为一种新的食品原料进入中国市场。奇亚籽含有丰富的营养成分,主要包括蛋白质、脂肪、膳食纤维、omega-3不饱和脂肪酸、矿物质等。此外,还包括很多种天然抗氧化活性成分,如VC、VE、黄酮类、多酚类物质等[4-6]。

已有研究表明,奇亚籽具有缓解便秘、抗氧化、抗肥胖、改善血脂代谢、预防心脑血管疾病等功能[7-8]。相启森等[9]对奇亚籽提取物体外抗氧化活性进行了研究,发现黑、白两种奇亚籽提取物均具有清除DPPH·和ABTS+·自由基的能力,并对脂质过氧化和蛋白质氧化降解具有抑制作用。Rafaela等[8]发现膳食奇亚籽及其油均能够使肥胖大鼠体重减轻,具有一定的减肥功能。然而,奇亚籽作为一种新型超级食物,目前在食品方面主要应用于谷物棒、饼干、面包、面条和酸奶等[10-11],尚缺少在饮料工业中的应用。

因此,为更好地利用奇亚籽的营养价值,本文分别对不同种类奇亚籽的基本营养成分进行测定,并通过单因素实验和响应面试验优化饮料制作工艺,为奇亚籽在饮料深加工领域提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

黑、白奇亚籽 购买于美国;浓缩柠檬水果饮料 购买于可罗食品有限公司;所有试剂 均为分析纯;麦芽糖醇、结冷胶、甜蜜素均为食品级 河北格贝达。

KJELTEC 2300自动定氮仪 瑞典特卡托公司;S-433D型氨基酸自动分析仪 德国塞卡姆公司;6890-5973N气相色谱-质谱仪 美国Agilent公司。

1.2 实验方法

1.2.1 奇亚籽预处理 取适量奇亚籽在105 ℃干燥箱中烘2 h左右,除去多余水分,粉碎过40目筛得到奇亚籽粉末,贮藏于干燥密闭容器中备用。

1.2.2 基本成分含量的测定 水分测定:参照GB 5009.3-2010[12];灰分测定:参照GB 5009.4-2010[13];粗蛋白测定:参照GB 5009.5-2010[14];粗脂肪测定:参照GB/T 5009.6-2003[15];膳食纤维测定:参照GB 5009.88-2014[16];碳水化合物测定:参照GB/Z 21922-2008[17]。

1.2.3 氨基酸含量的测定 参照GB 5009.124-2016[18]。

1.2.4 营养价值评价 黑、白奇亚籽营养价值通过氨基酸评分(amino acid score,AAS)和化学评分(chemical score,CS)进行评价[10],计算公式如下:

1.2.5 脂肪酸组成的测定 奇亚籽油的提取:称取过40目筛的奇亚籽粉5 g于索氏抽提器中,加入100 mL石油醚(30～60 ℃),于65 ℃水浴中提取6 h。过滤,于真空旋转蒸发器上回收溶剂至干,得奇亚籽油。

样品的甲酯化[19-20]:将0.2 g上述油样置于10 mL磨口试管中,加入1 mL 0.5 mol/L KOH-CH3OH溶液,并在60～70 ℃水浴中皂化1 h,加热至油珠完全溶解,并不断摇晃,冷却后加入2 mL正己烷,充分摇匀,加入5 mL蒸馏水,振荡1 min,以4 ℃、4500 r/min离心15 min,取上层液体经无水Na2SO4干燥后,通过气相色谱(GC)分析、质谱(MS)定性,面积归一化法测定。

GC条件:TR-FAME 30 m×250 μm×0.25 μm弹性石英毛细管柱;载气为He;程序升温,柱初温80 ℃,保持1.0 min,以4 ℃/min升温至220 ℃,保持10 min;运行时间45 min;分流比50∶1;流速0.9 mL/min;进样口温度230 ℃;进样量1.0 μL。

MS条件:EI电离源;四级杆温度150 ℃;离子源温度230 ℃;辅助加热器温度285 ℃;Scan全扫描方式;质量扫描范围35-520 amu。

1.2.6 奇亚籽柠檬汁饮料的生产工艺

1.2.6.1 工艺流程

1.2.6.2 操作要点 奇亚籽前处理:称取一定量的奇亚籽于纯净水中,在80～85 ℃下熬煮10 min,冷却至室温,制得膨胀奇亚籽粒;配料液制备:向无菌容器中加入适量的纯净水,加热到约80 ℃左右,向其中加入一定量的麦芽糖醇(甜味剂),搅拌至溶解,待冷却至室温,加入一定量的浓缩柠檬汁、0.02%甜蜜素,三者混匀;调配:将制得的膨胀奇亚籽与配料液充分混匀,继续加热至80 ℃左右,向其中加入一定量的结冷胶(稳定剂)进行调配、稳定;杀菌:采用巴氏杀菌法在63～65 ℃条件下,加热30 min后快速冷却,即得产品。

1.2.7 单因素实验 以奇亚籽柠檬汁饮料的感官评分为标准,分别对浓缩柠檬汁(v/v)、麦芽糖醇、结冷胶和奇亚籽(w/v)添加量进行筛选。

1.2.7.1 浓缩柠檬汁添加量的选择 在麦芽糖醇添加量13%、结冷胶添加量0.16%、奇亚籽添加量3%时,以浓缩柠檬汁添加量6%、8%、10%、12%、14%进行实验。

1.2.7.2 麦芽糖醇添加量的选择 在浓缩柠檬汁添加量为10%、结冷胶添加量为0.16%、奇亚籽添加量为3%时,以麦芽糖醇添加量11%、12%、13%、14%、15%进行实验。

1.2.7.3 结冷胶添加量的选择 在浓缩柠檬汁添加量10%、麦芽糖醇添加量13%、奇亚籽添加量3%时,以结冷胶添加量0.10%、0.12%、0.14%、0.16%、0.18%进行实验。

1.2.7.4 奇亚籽添加量的选择 在浓缩柠檬汁添加量10%、麦芽糖醇添加量13%、结冷胶添加量0.16%时,以奇亚籽添加量1%、2%、3%、4%、5%进行实验。

1.2.8 响应面优化试验设计 基于单因素实验,依据Box-Behnken实验设计原理,以感官评分为响应值,以浓缩柠檬汁、麦芽糖醇、结冷胶和奇亚籽添加量为因变量,设计四因素三水平试验,优化奇亚籽柠檬汁饮料工艺参数,响应面试验因素及水平如表1所示。

表1 响应面试验设计因素与水平Table 1 Factors and levels used in response surface experiments

1.2.9 饮料感官评定方法 由10名专业感官评估员(男∶女=1∶1)进行感官评定,采用百分制评定该饮料产品的组织状态(20分)、色泽(30分)、滋味(30分)和香气(20分)等,参照吴德智等[21]感官评分标准,制定评分标准如表2所示。

表2 奇亚籽柠檬汁饮料感官评分标准Table 2 Criteria for sensory evaluation of lemon juice beverage of chia seed

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 不同种类奇亚籽基本营养成分分析

不同种类奇亚籽的营养成分含量不同。由表3可知,白奇亚籽粗蛋白质含量远高于黑奇亚籽,但均低于大豆蛋白质含量(40.00%)[22],高于玉米(9.42%)、小麦(13.68%)[4]等蛋白含量。奇亚籽中粗脂肪含量较高,可用于提取奇亚籽油,其中白奇亚籽粗脂肪含量高达30.48 g/100 g,略高于黑奇亚籽粗脂肪含量(28.32 g/100 g)。研究表明奇亚籽油具有抑制肥胖、预防心脑血管疾病等功能,是一种值得开发的植物油脂[23]。奇亚籽中含有大量膳食纤维,且黑奇亚籽膳食纤维含量(34.67 g/100 g)高于白奇亚籽,食用约100 g奇亚籽就能达到成人的每日膳食推荐量。Capitani等[24]证实了奇亚籽膳食纤维具有增强饱腹感、促进肠道蠕动、改善便秘等功效。黑、白奇亚籽水分及灰分含量均低于10%。通过上述分析可得出,奇亚籽是一种优质食品原料,富含高蛋白、高脂肪、高膳食纤维,具有良好的开发利用价值。

表3 不同种类奇亚籽基本营养成分分析(g/100 g)Table 3 Analysis of nutritional composition of different kinds of chia seeds(g/100 g)

2.2 不同种类奇亚籽蛋白质的氨基酸成分含量及其评分

氨基酸是构成蛋白质的基本单位,是生命代谢的物质基础,只有氨基酸种类齐全,才能满足机体自身需要。氨基酸组成分析结果如表4所示,共检出16种氨基酸,包括9种非必需氨基酸(non-essential amino acids,NEAA)和7种必需氨基酸(essential amino acid,EAA)。黑、白奇亚籽EAA含量分别为7.37和7.77 g/100 g。总氨基酸(total amino acids,TAA)含量为20.24～22.39 g/100 g,其中黑奇亚籽以谷氨酸含量最高,达到4.66 g/100 g;白奇亚籽精氨酸含量丰富,达到3.34 g/100 g,这与Olivos-Lugo等[25]研究结果一致。白奇亚籽EAA/TAA为38.39%,EAA/NEAA为62.31%。根据FAO/WHO推荐的理想模式,蛋白质氨基酸组成EAA/TAA在40%左右,EAA/NEAA在60%以上时蛋白质质量较好[26]。白奇亚籽氨基酸组成接近FAO/WHO的理想模式,即氨基酸组成及比例较为合理,属于优质蛋白质源。

表4 不同种类奇亚籽的氨基酸组成及含量(g/100 g)Table 4 Amino acid composition of different kinds of chia seeds(g/100 g)

不同种类奇亚籽EAA组成评价如表5所示,奇亚籽EAA总量均超过FAO/WHO和大豆,但低于鸡蛋EAA总量。以AAS为标准,两种奇亚籽中最高的AAS是缬氨酸,其次是异亮氨酸;以CS为标准,两种奇亚籽中最高的CS是苯丙氨酸+酪氨酸,其次是缬氨酸;第一限制性氨基酸均为蛋氨酸+半胱氨酸。根据AAS可得出,两种奇亚籽EAA组成中除蛋氨酸+半胱氨酸含量为40%左右,其余EAA含量均超过90%,白奇亚籽尤为显著,说明白奇亚籽蛋白质质量优于黑奇亚籽。根据AAS分析,奇亚籽中氨基酸种类齐全,比例均衡,可作为优质蛋白质来源。

表5 不同种类奇亚籽中EAA组成评价Table 5 Evaluation of essential amino acids in different kinds of chia seeds

2.3 不同种类奇亚籽油主要脂肪酸组成分析

不同产地、不同种类的奇亚籽是引起脂肪酸种类差异性的主要原因。结果如表6所示,本研究就奇亚籽油中7种主要的脂肪酸进行分析,包括饱和脂肪酸(saturated fatty acids,SFA)3种,不饱和脂肪酸(unsaturated fatty acids,UFA)4种,其中单不饱和脂肪酸(monounsaturated fatty acids,MUFA)1种,多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFA)3种。黑奇亚籽油中SFA占脂肪酸总量的11.37%,略高于白奇亚籽油中的含量10.72%;UFA占脂肪酸总量的88.63%,略低于白奇亚籽油中的含量89.28%,其中MUFA含量(4.39%～5.81%)均低于PUFA含量(82.82%～84.89%)。

表6 不同种类奇亚籽油主要脂肪酸组成及含量分析Table 6 Analysis of main fatty acid composition and antent of different kinds of oil of chia seed

实验结果与荣旭等[10]所研究的奇亚籽油中PUFA含量大于80%一致。亚油酸和亚麻酸是奇亚籽油中主要的不饱和脂肪酸,二者是人体生长发育所必需的脂肪酸,适量补充可预防心血管、高血压、哮喘等疾病,同时还可抑制肿瘤生长[27]。研究表明,食物中n-3/n-6比值越高,对人体越有利[28]。此外,FAO/WHO建议食物中n-3/n-6 PUFA比值应大于0.2[26]。黑奇亚籽油的n-3/n-6值为3.22,低于白奇亚籽油(4.12),亚麻籽油(4.00)介于二者之间[29]。因此,奇亚籽油是一种值得开发的植物油脂。

2.4 奇亚籽柠檬汁饮料单因素试验结果

2.4.1 浓缩柠檬汁添加量对奇亚籽柠檬汁饮料感官评分的影响 由图1可知,随着浓缩柠檬汁添加量的增加,感官评分呈先上升后下降趋势。这可能与糖酸比有关。当浓缩柠檬汁添加量为10%,感官评分达到最大值,此条件下奇亚籽柠檬汁饮料的口感和稳定效果较好。因此,选择浓缩柠檬汁添加量为10%进行后续优化试验。

图1 浓缩柠檬汁添加量对奇亚籽柠檬汁饮料感官评分的影响Fig.1 Effects of concentrated lemon juice addition on the sensory score of lemon juice beverage of chia seed

2.4.2 麦芽糖醇添加量对奇亚籽柠檬汁饮料感官评分的影响 由图2可知,当麦芽糖醇含量小于14%时,随着麦芽糖醇含量的增大,感官评分呈线性增加。当麦芽糖醇含量增加到14%,感官评分随麦芽糖醇含量的增加而减小。这可能与糖酸比、结冷胶添加量有关,饮料中的麦芽糖醇直接影响着饮料的酸甜风味[30]。因此,选择麦芽糖醇添加量为14%进行后续优化试验。

图2 麦芽糖醇添加量对奇亚籽柠檬汁饮料感官评分的影响Fig.2 Effect of maltitol addition on the sensory score of lemon juice beverage of chia seed

2.4.3 结冷胶添加量对奇亚籽柠檬汁饮料感官评分的影响 由图3可知,当结冷胶添加量在0.10%～0.18%范围内,随着结冷胶含量的增加,感官评分也逐渐增加,但当结冷胶添加量达到0.16%后,继续增加结冷胶的量,感官评分趋于平稳。这可能是因为麦芽糖醇的添加量在小范围内改变了整个体系的黏度,间接影响结冷胶的添加量,加胶越多,口感越差。因此,选择结冷胶添加量为0.16%进行后续优化试验。

图3 结冷胶添加量对奇亚籽柠檬汁饮料感官评分的影响Fig.3 Effects of gellan gum addition on the sensory score of lemon juice beverage of chia seed

2.4.4 奇亚籽添加量对奇亚籽柠檬汁饮料感官评分的影响 由图4可知,当奇亚籽添加量为3%时,感官评分达到最大值,此条件下饮料的口感和稳定效果较好。随着奇亚籽添加量(3%～5%)的增加,感官评分反而降低,这可能与奇亚籽自身吸水膨胀形成类似青蛙卵状的结构有关。此外,奇亚籽是进口原料,考虑到其成本,宜选择奇亚籽添加量为3%进行后续优化试验。

图4 奇亚籽添加量对奇亚籽柠檬汁饮料感官评分的影响Fig.4 Effects of chia seed addition on the sensory score of lemon juice beverage of chia seed

2.5 奇亚籽柠檬汁饮料的响应面优化试验结果

2.5.1 响应模型的建立与分析 利用软件Design-Expert 8.0.6中的Box-Behnken进行试验设计,以浓缩柠檬汁、麦芽糖醇、结冷胶和奇亚籽添加量为响应变量,感官评分为响应值,进行试验,结果如表7所示,对表7试验数据进行二次多项式回归拟合,得到回归方程为:

表7 Box-Behnken试验方案及结果Table 7 Box-Behnken design and experimental results

Y=89.20+2.58A+3.50B-3.08C+0.33D-2.25AB-0.25AC+0.75AD+1.75BC+0.50BD-0.25CD-13.18A2-11.06B2-3.43C2-2.81D2

表8 回归方程方差分析Table 8 Regression equation analysis of variance

2.5.2 响应面优化试验 通过Box-Behnken试验设计得到响应面图,响应面图可用于分析各因素对饮料感官评分影响的两两交互作用,如图5所示。响应面曲线越陡,说明该因素对饮料感官评分影响越大。从等高线的稀疏程度也能看出交互作用大小,当两因素之间交互作用显著时,等高线呈椭圆形或马鞍形;反之,等高线呈圆形[31]。

图5 各因素交互作用对饮料感官评分影响的响应面和等高线图Table 5 Response surface and contour plots of the interactive effects of various factors on the sensory score of lemon juice beverage of chia seed

由图5可知,在交互项对奇亚籽柠檬汁饮料感官评分的影响中,浓缩柠檬汁添加量与麦芽糖醇添加量和麦芽糖醇添加量与结冷胶添加量之间交互作用极显著(p<0.01),其他因素之间交互作用不显著,这与ANOVA分析的结果相符。

2.5.3 最佳工艺条件的确定和验证实验 通过响应面优化得出奇亚籽柠檬汁饮料最佳工艺条件分别为浓缩柠檬汁添加量10.19%、麦芽糖醇添加量14.12%、结冷胶添加量0.15%、奇亚籽添加量3.11%,在此条件下得到的感官评分为90.20分。考虑到实际生产中遇到问题,将此工艺条件修改为:浓缩柠檬汁添加量10%、麦芽糖醇添加量14%、结冷胶添加量0.15%、奇亚籽添加量3%,进行多次验证实验后,得到的感官评分为(88.5±0.71)分,与理论值基本吻合,说明该模型试验设计可靠。

3 结论

本研究分别对黑、白两种奇亚籽营养成分含量及饮料工艺优化进行了探讨,结果表明,奇亚籽营养成分呈现明显的种类差异性。黑、白奇亚籽粗蛋白质、粗脂肪和膳食纤维含量分别为16.40%、28.32%、34.67%和29.10%、30.48%、26.65%,说明黑、白奇亚籽均具有高蛋白、高脂肪、高膳食纤维的特点。共检出16种氨基酸,其中黑奇亚籽EAA/TAA为32.92%,EAA/NEAA为49.07%;白奇亚籽EAA/TAA为38.39%,EAA/NEAA为62.31%,根据FAO/WHO推荐的理想模式,得出白奇亚籽更符合此标准,属于优质蛋白质源。脂肪酸组成分析表明,黑、白奇亚籽油中PUFA分别占脂肪酸总量的82.82%和84.89%,其中omega-3含量最为丰富,分别占脂肪酸总量的63.18%和68.37%,具有较高的营养价值。

以浓缩柠檬汁、奇亚籽等为原料,在单因素试验的基础上,使用Design-Expert 8.0.6软件进行Box-Behnken试验设计,确定了饮料最佳工艺条件:浓缩柠檬汁添加量10%、麦芽糖醇添加量14%、结冷胶添加量0.15%、奇亚籽添加量3%，采用此配比生产的奇亚籽柠檬汁饮料口感好、色泽明亮、体系稳定均一,可应用于实际生产中。