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菊芋全粉特性及功能强化机理与作用研究

于济洋  
【摘要】:菊芋(Jerusalem artichoke),俗称鬼子姜、洋姜。鲜菊芋中含有丰富的营养物质,包括碳水化合物为16.6%(其中78%为菊糖,又称菊芋多糖),此外,还含有少量蛋白质、粗纤维、氨基酸以及多种矿物质。菊芋种植分布广,耐寒旱耐贫瘠,在我国有广阔的栽种面积,在辽宁省内的阜新、大连瓦房店和鞍山岫岩地区更具有广泛的种植基础,是-种非常具有开发潜力的宝贵资源。在菊糖的加工过程中需要脱蛋白、除杂等复杂工艺,制备成本高,而且获得的产品中可能会有化学试剂的残留,导致菊糖使用时可能会有一定的安全隐患。将不易贮存的鲜菊芋经脱皮、干燥、粉碎后制成以菊糖为主要成分的菊芋全粉,即避免了加工溶剂的残留,保留了菊芋中大量的营养物质,又能更好地解决鲜菊芋存储和运输的问题。因此,与菊糖相比较,菊芋全粉的研究开发更具有现实意义。 研究发现,菊糖具有非常好的加工特性,在食品工业中可以作为增稠剂替代品、脂肪替代品及保湿剂,广泛应用于速冻肉制品、发酵乳制品和糕点等食品的加工过程中,不仅能改变食品的流变及质构特性,而且还具有膳食纤维和促进益生菌增殖等生理功能。以往的研究主要集中在菊糖上,而对于菊芋全粉的研究则未见报道,因此,菊芋全粉能否替代菊糖的某些重要加工特性,需要进行比较分析后才能得出结论。本文通过比较分析菊芋全粉与菊糖的基本性质,进一步了解菊芋全粉的加工特性,同时分别对两种重要加工特性凝胶特性和发酵特性进行了基础研究,在菊芋全粉特性研究基础上,对其进行改性,利用改性后菊芋全粉具有的螯合特性,制备出螯合钙产品,并对其增加钙吸收的效果和机理进行研究,既为菊芋全粉的应用提供了技术支持,又实现了菊芋产品高附加值的合理利用,研究项目具有一定的社会效益、经济效益,更有利于提高人民健康水平,对推进我国高效农业和绿色食品的发展具有重要意义。主要结论如下: 一、在辽宁大连地区种植的三种主要菊芋品种中,辽东小红更适合用作生产菊糖的原料。通过热风干燥并粉碎制得的菊芋全粉中,淀粉、蛋白质、脂肪、灰分和粗纤维含量比菊糖中相应含量高,纯菊糖含量为73.70±3.65%,比菊糖中纯菊糖含量低14%左右,但菊芋全粉中纯菊糖仍占主要成分,自制的菊芋全粉呈淡黄色、粉末状。菊芋全粉和菊糖虽然二者的基本成分相差较大,但凝胶指数、凝胶时间、保水性、透光性、冻融稳定性、粘度在一定程度上差异不大,二者在一定程度上可以相互替代。菊芋全粉的持油性要好于菊糖,差异极显著(P0.001),可以应用到含油脂原料的加工食品中。 二、菊芋全粉具有良好的凝胶性。其主要凝胶参数即凝胶强度、黏性、弹性、黏聚性、咀嚼性和恢复性随菊芋全粉浓度增加而增大,增加菊糖浓度是改善菊芋全粉体系凝胶性能的有效手段。凝胶强度和黏性随菊芋全粉浓度的提高呈线性关系,菊芋全粉浓度≤50%时,凝胶强度变化较显著;菊芋全粉浓度≤60%时,咀嚼性变化较显著。其余参数受菊芋全粉浓度影响差异不显著。放置时间对凝胶质构性能影响不显著,放置温度可以显著影响全粉的凝胶性能,当温度介于60℃~80℃范围时,全粉形成凝胶。酸、糖、盐能显著影响菊芋全粉凝胶的形成,当pH=6时,凝胶强度达到最大,比自然条件下全粉凝胶体系(pH=6.6)时凝胶强度提高了8%;多糖与二糖和单糖相比,改善全粉凝胶性能的作用更明显;低浓度的食盐可以促进全粉的凝胶性,而高浓度食盐促进凝胶性的增幅有所降低。 三、菊芋全粉分别对乳酸菌、双歧杆菌、保加利亚乳杆菌和嗜酸乳杆菌具有良好的发酵性,其做为乳酸菌培养基的增值效果是菊糖的2倍,是葡萄糖的9.7倍;作为碳源对双歧杆菌的增殖效果是菊糖的5.3倍,是葡萄糖的16.8倍;作为碳源对保加利亚乳杆菌的增殖效果是菊糖的4.8倍,是葡萄糖的9.6倍;作为碳源对嗜酸乳杆菌的增殖效果是菊糖的3.7倍,是葡萄糖的9.3倍;菊糖对嗜热链球菌的发酵性较差,使用菊糖作为培养基碳源对嗜热链球菌起不到增殖的效果,但是在菊芋全粉作为碳源的培养基中,嗜热链球菌生长状况与MC培养基的生长状况相差不大。通过单因素试验和响应面曲面分析确定乳酸菌在菊芋全粉替代葡萄糖培养基的最佳发酵条件为:碳源的浓度为2.1%,发酵温度为38℃,接种量为10%,实际测得发酵后的乳酸菌的菌落总数为2.48×109cfu/mL。 四、制备羧甲基菊芋全粉的因素中,碱化时间、氢氧化钠与菊芋全粉质量比、一氯乙酸与菊芋全粉质量体积比对羧甲基取代度的影响效果显著,最佳工艺条件为:一氯乙酸与菊芋全粉质量比为1.6:1,氢氧化钠与菊芋全粉质量比为1.1:1,醚化时间3h,此时取代度为1.3。制备羧甲基菊芋全粉螯合钙过程中,溶液pH值、CaCl2与羧甲基菊芋全粉的质量比和螯合时间三个因素对取代度有显著影响,最佳螯合工艺为pH值7,CaCl2与羧甲基菊芋全粉的质量比9:100,螯合时间30min,此时螯合率为63.7%。不同取代度的羧甲基菊芋全粉螯合钙离子的能力不同,在低取代度范围内(0.2DS 0.67),钙离子螯合率随着取代度的增加迅速提高,在中取代度范围内(0.67DS1.05),螯合率继续增加,但增幅不大,在高取代度范围内(1.05DS1.27),螯合率呈现下降趋势。 五、液相质谱和取代度测试可知,羧甲基菊芋全粉螯合钙可能有三种螯合形式,即果糖内螯合、菊芋全粉分子内螯合和菊芋全粉分子间螯合,果糖内螫合结构所占比例很低,螯合以后两种结构为主。红外光谱测试可知,羧甲基特征主体峰1596cm-1和1425.14cm-1,分别分裂成1608.34cm-1和1562.06cm-1及1450.21cm-1和1425.14cm-1两个特征吸收峰;核磁质谱测试羧甲基化及螯合钙并未改变菊糖的主体结构,羧甲基菊芋全粉螯合钙仍为呋喃型多糖,C-3、C-4和C-6上的羟基具有反应活性,均能被羧甲基取代,羰基碳化学位移由螯合前的175.1变为螯合后的181.9;X-射线衍射测试可知,螯合钙离子后,2θ=5.3°、10.3°和10.7°等处出现新的尖锐衍射峰,7.6°、25.4°和27.2°处衍射峰仍存在,而8.2°、21.3°和29.7°处衍射峰强度较羧甲基菊芋全粉而言减弱;电子显微镜测试可知,羧甲基菊芋全粉螯合钙离子后,丧失了原来的形貌,颗粒表面出现了很多白色钙晶粒“镶嵌”在羧甲基菊糖表面;差式量热扫描和热重分析可知,羧甲基菊芋全粉螯合钙后,热力学性质发生了变化,钙离子螯合量为4.99mmol/g (20.01mg/g)。 六、采用双侧卵巢摘除的方法,给成年雌性大鼠去势,建立大鼠骨质疏松模型并以骨质疏松模型大鼠作为载体进行研究,模型组大鼠双侧卵巢摘除10周后,股骨重量、血钙含量、尿钙UCa含量、股骨骨密度FTD指标全部低于空白对照组,且差异显著,组织切片发生减少。从模型组大鼠股骨组织病理切片的形态学改变和测定结果可判断,该模型复制成功。菊芋全粉钙组股骨干重、湿重、血钙、骨密度均显著高于高钙片组,尿钙含量显著低于高钙片组。对大鼠股骨进行切片,切片中较模型组骨小梁明显增多、变粗,骨小梁表面破骨细胞也较少,而成骨细胞较模型组显著增多、增生活跃。羧甲基菊芋全粉螯合钙可有效提高骨质疏松模型大鼠血钙水平,增高骨密度,减轻骨质疏松,其对钙制剂的吸收度优于传统碳酸钙制剂。 七、采用羧甲基菊芋全粉螯合钙干预肠道菌群失调模型小鼠,建立肠道菌群失调小鼠模型。通过测试可知,羧甲基菊芋全粉螯合钙具有调节肠道菌群的功能,可以改善小鼠的活动状态,使活动度较低小鼠的精神状态转好,使水样便转为正常;可以使模型组小鼠血清中SOD活性显著上升,MDA活性显著下降;可以降低模型小鼠肠道大肠杆菌DNA水平,升高模型小鼠肠道乳酸菌DNA水平。对于在大肠内钙才被吸收的羧甲基菊芋全粉螯合钙,提高机体抗氧化能力和调整大肠内菌群平衡是可能促进钙离子吸收的机制之一。


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