薛　峰,孙锦杨,刘　琪,潘苏华,吴启南,2，*

(1.南京中医药大学药学院,江苏南京 210023;2.江苏省中药资源产业化过程协同创新中心,江苏南京 210023)



芡实精深加工研究进展

薛峰1,孙锦杨1,刘琪1,潘苏华1,吴启南1,2，*

(1.南京中医药大学药学院,江苏南京 210023;2.江苏省中药资源产业化过程协同创新中心,江苏南京 210023)

芡实是我国重要的水生植物之一,既有丰富的营养价值,又有药用价值。芡实的种仁富含多种营养素,可作为食品加工的原辅料。此外,芡实的种皮、壳、叶柄和花梗富含多种活性成分,可作为活性成分制备的原材料。本文对近年来关于芡实脱壳技术、保鲜技术、干燥技术、大分子物质研究、副产物综合利用以及芡实食品的开发与研究进行了综述,为充分利用芡实资源提供理论依据。

芡实,加工,进展

芡实(EuryaleferoxSalisb)俗称“鸡头米”,始载于《神农本草经》,是睡莲科水生草本植物,多生长于湖泊、池塘、滩地及沟溪中。芡实原产于我国和东南亚,目前广泛分布于中国、俄罗斯、朝鲜、日本以及印度等国家。在我国其主产区为江苏、山东、湖南、安徽、广东等省。芡实是芡属下唯一的一个物种,主要有两个变种,即北方的“刺芡”与南方的“苏芡”。作为一种珍贵的药食兼用的植物,芡实已有几千年的药用历史。据《中国药典》记载,芡的成熟种仁,具有益肾固精、补脾止泻、祛湿止带的功效,主治梦遗、滑精,遗尿、尿频,脾虚久泻,白浊、带下[1-2]。芡实中的主要生物活性成分包括多酚、有机酸、新木脂素、生育酚、核苷、脑苷脂和环二肽。目前的研究显示,芡实具有抗氧化、清除自由基、降血糖、抗心肌缺血、抗黑素合成、降低尿蛋白、抗高血脂、抑菌、防治胃黏膜损伤、保护神经细胞、治疗糖尿病和慢性肾炎等生物活性[3-10]。

作为药食两用的水生补品,芡实除了含有多种功效成分外,还含有丰富的营养成分。芡实的主要营养成分为碳水化合物,另含有蛋白质、矿物质及维生素等,其丰富的基本营养成分含量与黄花菜、银耳、木耳等相当,可作为食品加工的原辅料。因此以芡实为原料,开发和综合利用芡实有效成分成为近年来学者们关注的重点内容。本文结合笔者研究团队在芡实质量控制、加工、功效成分研究等方面开展的工作,以及近年来国内外关于芡实利用现状对芡实的精深加工研究进行了综述,为深度开发利用芡实资源提供依据。

1　芡实加工技术

1.1芡实脱壳技术

由于芡实颗粒小、外壳坚硬,外壳与种仁之间间隙小等特点,芡实自动化脱壳技术发展缓慢,成为制约芡实加工业发展的瓶颈。目前,芡实脱壳技术的研究主要包括芡实物料特性与芡实破壳性能研究及其相关机械设备的研发。Jha和宋率展等[11-12]通过对芡实可脱壳性的理论分析,在归纳现有坚果的脱壳工艺技术的基础上,提出了芡实脱壳工艺流程,即分选-干燥-预破壳-柔性揉搓的组合脱壳方式,并根据脱壳方案分别完成了分选装置、预切割装置和柔性揉搓装置主体设计,结果显示该设备可显著提高芡实脱壳率和内仁完整率,并且对芡实大小的适应性也比较强。邓丽君[13]对芡实的基本物料特性,例如物理特性、力学特性、摩擦特性、悬浮特性、光学特性以及电学特性进行了实验研究,并分析了成熟度、含水率、载荷类型、载荷方向、接触材料、粒径大小等因素对芡实各种物料特性的影响。研究结果显示:可依据光学特性对不同成熟度的芡实进行分选;可以通过向垂直于整芡脐眼方向施加剪切力进行剪切破壳加工;可以利用无纺布或橡胶板这两种接触材料的斜面对芡实的壳仁进行分离,该结果对研究实用高效的芡实加工机械具有重要的现实意义。张琴等[14]对芡实机械脱壳中的摩擦特性进行了研究,结果显示芡实颗粒大小和成熟度均会影响摩擦特性,粒径越小,成熟度越低,芡实内摩擦系数越大,且采用橡胶板斜面可以对芡壳、芡仁进行有效分离,该结果可为芡实脱壳、分离等相关机械的研发提供参考。此外,叶盛[15]还开展了芡实切口长度与破壳性能之间的相关性分析,结果显示当芡实切口长度为3 mm左右,芡实破壳特性较好,该成果对芡实自动化加工设备的研发具有重要的指导意义。综上所述,研究芡实脱壳技术及其配套机具将有助于突破种植容易加工难的瓶颈,带动芡实产业发展,扩大种植面积,加快发展绿色农业,给芡实产区带来巨大的经济和社会效益。

1.2芡米保鲜技术

随着人们对芡实功能特性的认识,如今芡实已成为国内外消费者喜爱的保健食品。然而,目前市面上芡实产品多为干芡米,其风味和口感均与鲜芡米有较大差异,因此研究芡米速冻保鲜技术具有重要意义。李海林等[16]对芡米的速冻保鲜工艺进行了研究,结果显示烫漂处理能显著抑制多酚氧化酶的活性,从而较好地保存鲜芡实米的感官品质,同时采用注水包装后再进行冻结工艺处理,芡米可贮藏保鲜一年以上,且口感如初。夏红等[17]对芡米速冻保鲜工艺进行了研究,并对各项工艺中的操作要点进行了诠释,芡米预冷温度为5～10 ℃,护色可采用1.5%食盐或0.1%柠檬酸浸泡,芡米的热烫温度和时间分别为放90～95 ℃和1～2 min,冻结温度和时间分别为-30 ℃和10～15 min,冻藏保存温度为-18 ℃。

1.3芡实干燥技术

干燥作为保证食品品质的重要措施,是食品加工中一个必不可少的工艺过程。传统的芡实干燥技术主要包括差压干燥、减压干燥和真空冷冻干燥[18]。目前关于芡实干燥技术的研究大多以脱水率为评价指标,缺少干燥工艺对芡实感官品质和营养品质影响的研究。本研究团队以芡实中总多糖、总酚、总黄酮、VE含量及抗氧化活性为指标,考察了6种不同干燥方法(阴干、晒干、烘干、真空冷冻干燥、红外干燥、微波干燥)对芡实品质的影响。结果显示,采用微波干燥能够最大程度地保留样品中总多糖、总酚和总黄酮类物质;采用真空冷冻干燥能够在最大程度上积累VE各类构型成分,且其产品表现出最佳的抗氧化活性[19]。此外,传统的干燥方法具有设备简单、操作简便、费用低等优点,但存在干燥周期长,干燥不均匀,热效率低等问题。因此,将来芡实的干燥工艺需要将传统干燥技术与现代干燥技术(冲击干燥、渗透干燥、卤素干燥、流化床干燥、红外干燥、微波干燥)相结合,实现高效节能的同时,最大程度保留芡实的营养品质和感官特性。

2　芡实大分子功能特性研究

2.1芡实淀粉的制备与研究

淀粉是芡实中含量最高的生物大分子,其结构和性质对芡实的加工和应用至关重要。芡实淀粉分子结构中,直链淀粉和支链淀粉质量分数分别为18.37%～23.06%和37.66%～48.30%,支链与直链比值为1.63～2.55,其组分差异主要受产地影响显著,在扫描电子显微镜下,芡实淀粉颗粒呈不规则多面体,平均粒径为1.2～6.5 μm,属于小颗粒淀粉,在α-淀粉酶作用下较易水解[20-22]。目前,芡实淀粉的研究主要包括淀粉制备工艺、理化性质及其功能特性研究。陈晓明等采用浸泡法制备芡实淀粉,并对其理化性质进行了研究。结果显示,芡实淀粉冻融稳定性较差,不适合应用于冷冻食品,而芡实淀粉的热糊稳定性较好,适用于高温食品的生产[23]。熊柳等[24]对芡实淀粉理化性质和消化性进行了研究。结果显示,芡实淀粉的糊化温度为77.70 ℃,芡实淀粉中快速消化性淀粉、慢速消化性淀粉、抗性淀粉的含量分别为79.63%、10.68%、9.69%。Zhao等[25]对不同地区的芡实淀粉的理化性质进行了类比研究,结果显示,地区差异对芡实中淀粉含量,淀粉的分子量分布、结晶度、短程有序结构、溶胀度和消化特性影响不大,地区差异对芡实淀粉糊化特性、溶解性、抗性淀粉含量影响显著。王晶[26-27]对芡实淀粉的制备工艺进行了优化,并对芡实淀粉的理化性质、糊化特性、质构性质、流变学特性进行了系统性研究。结果显示与马铃薯和玉米淀粉相比,芡实淀粉的溶解度、膨胀度、透明度以及峰值粘度的值较低,糊化温度的值和直链淀粉的含量较高,冻融稳定性与玉米淀粉相近。综上所述,通过对芡实淀粉的各项理化指标和功能特性的研究,可为芡实在食品加工中的精深加工与开发利用提供重要的理论和实验依据。

2.2芡实蛋白的制备与研究

芡实的蛋白质含量可达9.95%,其氨基酸种类齐全,配比合理,必需氨基酸占氨基酸总量的47.05%,可作为人体优质蛋白的理想来源[28-30]。芡实种仁蛋白质主要由清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白构成[21]。陈蓉等[31]对不同产地芡实中的水溶性蛋白质含量进行了分析。结果显示芡实水溶性蛋白质的含量平均值为0.4577 mg/g,长江流域的芡实水溶性蛋白质含量较高,南方芡实次之,而北方芡实的水溶性蛋白质含量最少。陈蓉等[32]还对不同产地芡实氨基酸组成进行了分析与营养价值评价。结果显示,芡实中总氨基酸平均值为103.33 mg/g,必需氨基酸平均值为38.22 mg/g,游离氨基酸为0.98 mg/g,其中Lys、Thr 占总氨基酸的比例略低于模式谱标准,其他各种必需氨基酸均接近甚至高于模式谱标准。这表明芡实中人体必需氨基酸配比合理,是一种优质的膳食蛋白,与各类食品氨基酸模式相比,芡实蛋白与大米蛋白相似。目前,关于芡实蛋白的制备已经形成了成熟的工艺。张晓云等[33]建立了超声波辅助碱法提取芡实蛋白的最优工艺,结果显示碱法提取芡实蛋白的最优工艺为料液比1∶25(g/mL),浸泡时间为12 h,pH11,提取温度50 ℃,提取时间2 h;超声波辅助提取的最优工艺为超声功率800 W,工作时间2 s,间歇时间4 s,提取时间20 min。黎卫等[34]建立了芡实谷蛋白提取的最优工艺并对其亚基组成进行了分析,结果显示芡实谷蛋白的最佳提取工艺条件为液料比10.3(V/m),提取温度51 ℃,时间2.2 h,碱浓度4.5 g/L,凝胶电泳分析显示芡实谷蛋白中分子量为15 ku的亚基含量最高。谭五丰等[35]采用响应面法优化酶法提取芡实蛋白工艺,结果显示酶法提取芡实蛋白的最优工艺为料液比1∶20(g/mL),酶解(复合植物水解酶)时间2 h,pH5.0,酶添加量0.35%,酶解温度49 ℃。在芡实蛋白理化性质和功能性质研究方面,周香云等[36]对芡实分离蛋白的理化性质、凝胶特性以及流变学特性进行了系统性研究,结果显示,芡实分离蛋白主要有四个等电点组分,芡实分离蛋白中二硫键含量比较高,其主要由三种亚基组成,芡实分离蛋白的二级结构中β-折叠占50%左右,β-转角和无规则卷曲结构的含量各占20%左右,α-螺旋的含量占10%左右,且芡实分离蛋白具有较好的凝胶特性,所形成的凝胶外观坚固,成形性非常好。综上所述,目前关于芡实蛋白的研究主要集中在其制备技术以及简单的理化性质分析,对于其加工特性研究较少。因此,将来的研究可以集中在芡实蛋白乳化特性、成膜特性、酶解特性,致敏性、芡实多肽制备及构效关系研究等,为芡实蛋白在食品医药领域的应用提供理论依据。

2.3芡实多糖制备与研究

植物多糖在提高人体免疫力、抗肿瘤活性、防治动脉硬化、抗病毒、抗氧化、抗辐射等方面均有作用。近年来,芡实多糖受到广泛关注,陈蓉等[37]对芡实多糖理化性质进行了相关研究,结果显示芡实多糖分子量为15367 u,其单糖组成为葡萄糖∶鼠李糖(0.0142∶0.0026)。芡实多糖的提取工艺研究主要包括水提醇沉法、超声波辅助提取、纤维素酶超声辅助法、微波辅助酶法和双水相萃取法[38-41]。芡实多糖的纯化方法主要采用大孔树脂吸附法、纤维素柱和葡聚糖凝胶柱分离纯化,常用的大孔树脂型号为AB-8,洗脱溶剂为40%乙醇,纤维素柱的型号为DEAE-52,洗脱溶剂为氯化钠,葡聚糖凝胶柱的型号为Sephadex G-100,洗脱溶剂为去离子水[42]。在体外研究中,芡实多糖对1,1-二苯基-2-三硝基苯肼、羟基自由基、超氧阴离子自由基及过氧化氢均有一定的清除效果,对抑制脱氧核糖核酸损伤具有显著作用,对猪油和芝麻油有一定的抗氧化效果,对金黄色葡萄球菌、酿酒酵母、枯草杆菌和大肠杆菌有抑制作用[39,43]。体内抗氧化实验显示,芡实多糖能够显著提高D-半乳糖所致衰老小鼠的SOD、CAT、GSH-Px水平,降低MDA水平[37]。此外,芡实多糖能显著提高小鼠的运动能力、心肌的抗氧化能力以及具有明显的抗运动性疲劳作用[44-45]。综上所述,目前芡实多糖的研究主要集中在提取、分离纯化以及活性评价,尚缺乏对多糖高级结构的解析以及构效关系研究。

3　芡实副产物加工利用及芡实食品研究与开发

3.1芡实副产物的加工利用

芡实种皮来源丰富,但利用很少,往往作为秋季芡实采收加工后的废物被丢弃。然而其富含的多酚具有一定的生物活性,可作为天然植物栲胶的来源。Liu等从芡实种皮中提取得到芡实多酚类物质,利用高效液相色谱法与标准物质对比,鉴定出4种化合物,分别为焦性没食子酸、没食子酸、绿原酸和芦丁[46]。本研究团队在芡实种皮多酚提取条件优化、结构鉴定、抗氧化和抗疲劳活性方面开展了相关研究,并证实芡实种皮符合栲胶原料标准,由芡实种皮纯化的多酚可用于工业生产[47-48]。除种皮外,芡实壳通常被用作饲料或废弃,不仅浪费资源,而且还污染环境。因此,开展芡实壳的加工研究,对提高芡实附加价值,具有重要意义。芡实壳中含有大量的棕色色素,其主要成分为多元酚类物质,可作为天然染料的来源。纪俊玲等对芡实壳天然染料的提取工艺进行了优化并将其用于真丝织物的染色[49]。芡实壳多酚提取物因具有很好的抗氧化性能还被用于肉肠制品中防止脂质氧化[50]。芡实壳中还含有三萜系化合物,可作为这类化合物提取的原料[51]。芡实壳还可作用生产活性炭的原料[52]。芡实的叶柄和花梗还可作为制备活性多糖的原料[53]。综上所述,大力开展芡实加工副产物综合利用,不仅可以变废为宝,减少环境污染,更能大幅度提高芡实加工附加值。

3.2芡实食品研究与开发

刘静等[54]对2011年以前传统芡实食品的研究开发现状进行了论述,传统芡实食品主要包括芡实固液饮料、芡实香肠、芡实罐头、芡实糕、芡实保健粥、芡实药膳。表1中列出了目前芡实食品的主要种类及其制备工艺。然而,目前关于芡实食品加工的研究主要以其制备工艺研究为主,尚未见到芡实粉体特性、物化性质与其加工品质之间的相关性研究。因此,将来关于芡实食品的研究重点应集中在特殊用途芡实食品加工专用粉的生产及其性质研究。此外,近年来随着发酵食品保健功能的研究,芡实食品的研究与开发也集中在传统发酵食品中。目前,学者们已经研发出一些列具有保健功效的芡实发酵食品,例如:芡实酒、芡实醋、芡实发酵乳制品等[61-63]。这些产品不仅风味独特,且具有特殊功效,例如,芡实酒中富含具有抗氧化活性的多酚类物质。此外,这些产品的出现也为芡实精深加工提供了更为广阔的渠道。

表1　芡实食品及其制备工艺

4　结论与展望

综上所述,为了解决芡实加工品种单一、利润偏低等问题,学者们开展了一系列芡实精深加工技术研究。这些技术的出现促进了新产品的研发,对提高芡实的附加值,增加芡实产地农民收入,带动产地经济发展具有重要意义。然而,目前芡实的加工仍存在加工水平低,综合利用度低等问题,这些问题的存在使得芡实的大规模生产加工受到限制。未来仍需要进一步开展芡实精深加工技术研究,例如,采用机电一体化的手段改善芡实脱壳设备的自动化水平;采用新型干燥技术改善芡实干制品的感官品质和贮藏品质;利用分子修饰手段提升芡实淀粉的加工品质;利用芡实蛋白资源为原料制备生物活性多肽等。从而为芡实产业化发展提供技术支持和理论依据。

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Research progress in deep processing ofEuryaleferox

XUE Feng1,SUN Jin-yang1,LIU Qi1,PAN Su-hua1,WU Qi-nan1,2,*

(1.College of Pharmacy,Nanjing University of Chinese Medicine,Nanjing 210023,China;2.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Chinese Medicinal Resources Industrialization,Nanjing 210023,China)

Euryaleferoxis one of the important aquatic plants in China and is of edible and medical values. Due to abundant nourishment composition in the seed ofEuryaleferox,it could be used as raw materials for food processing. Furthermore,the coat,shell,petiole and peduncle ofEuryaleferoxarecould also be used as raw materials for preparation of bioactive compounds. The study on processing ofEuryaleferoxarein recent years,such as dehulling,preservation,drying,macromolecules reseraches,byproducts utilization andEuryaleferoxarefood researches,was summarized in this review to provide a theoretical basis for the full use ofEuryaleferoxresources.

Euryaleferox;processing;review

2015-11-05

薛峰(1985-)，男，博士，讲师，研究方向：食品化学， E-mail：xfnjucm@126.com。

吴启南(1963-)，男，博士，教授，研究方向：中药资源生产与品质评价，E-mail：qnwyjs@163.com。

科技部“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAI04B06)；江苏高校优势学科建设工程资助项目。

TS202.1

A

1002-0306(2016)11-0390-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.11.071