烤制热加工对玉米粉中玉米黄素含量的影响

奥鹏网院作业

烤制热加工对玉米粉中玉米黄素含量的影响
王娇娇1,2，郑明珠1,2，刘美宏1,2，谢佳函1,2，吴 熙1,2，靳智博1,2，刘回民2,3,*，刘景圣1,2,*
（1.吉林农业大学食品科学与工程学院，吉林 长春 130118；2.小麦和玉米深加工国家工程实验室，吉林 长春 130118； 3.吉林农业大学生命科学学院，吉林 长春 130118）
摘 要：围绕制对玉米粉中玉米黄含量的影响展开实验，以玉米粉为原料进行不同制条件的热处理，以玉米黄含量为指标，通过单因试验，探究制温度、制时间、加水量在制过程中对玉米黄含量的影响，利用响应面法对影响玉米黄含量的3 个因进行优化。制优化条件为制温度190 ℃、制时间30 min、加水量75%。在条件下，做3 次平行实验进行验证，时玉米粉中玉米黄含量为306.79 μg/100 g。
关键词：玉米粉；制时间；制温度；加水量；玉米黄
玉米黄又名玉米黄质，分子式为C4 0H5 6O2，相对分子质量为568.88，其分子结构如图1所示。玉米黄是 羟基化的类胡萝卜，玉米黄与叶黄为同分异构体，两者的区别是紫罗酮环的类型不一；玉米黄有两个β-紫罗酮环，而叶黄含有一个β-紫罗酮环和一个ε-紫罗酮环[1]。玉米黄是存在于植物、藻类、光和细菌代谢产物中的天然色。

图 1 玉米黄素的化学结构
Fig. 1 Chemical structure of zeaxanthin
玉米黄分子中的共轭多烯官能团和尾端有羟基官能团决定了光吸收、光捕获性质及抗氧化能力，可以保护生物系统免受一些因过量氧化或反应所产生的潜在危害。研究表明[2-9]玉米黄具有保护视力、预防老年黄斑变性和白内障、预防癌症发生、增强机体免疫力、预防潜在心脑血管疾病、对炎性反应和氧化应激反应具有保护作用、对糖尿病大鼠的视网膜氧化损伤和生长具有保护作用；一项离体研究中证明叶黄能够对冠心病患者产生抗炎作用[10]。玉米黄在食品领域主要应用作天然食品着色剂和保健食品添加剂等[11]，研究玉米黄 开发[12]与提取工艺优化[13]、不同热加工方式对食物中玉米黄的影响[14]、生物利用率[15]、食品中玉米黄的营养强化[16]以及生物活性研究等成为研究热点及焦点。国内外研究发现[17-26]不同热处理方式或者光诱导均会不同程度使食物中玉米黄、叶黄、β-胡萝卜含量降低或者发生异构化和降解，而国内外还未见有关单一热处理方式不同条件下玉米黄含量变化的研究。因探讨制热处理不同条件对玉米黄含量的影响，可为玉米粉工业化及日常烹调提供数据依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
玉米粉 吉林省金米粒米业有限公司；无水乙醇 天津市富宇精细化工有限公司；甲醇（色级）、玉米黄标准品 美国Sigma-Aldrich公司；甲基叔丁基醚 天津市光复精细化工研究所。
1.2 仪器与设备
圆形模具4.5 cmh 4.5 cmh 1.7 cm 沃尔玛超市；CP214型电子天平 奥豪斯仪器（上海）有限公司；ATO-36A8型电箱 北美电器（珠海）有限公司；GZX-9070MBE数显鼓风干燥箱 上海博讯实业有限公司医疗设备厂；FW-100型高速万能粉碎机 北京 市永光明医疗仪器有限公司；VCX800超声波细胞 破碎机 美国Sonics & Materials公司；超声波细胞破碎机隔音箱 宁波新芝生物科技股份有限公司；LD5-28离心机 北京雷勃尔离心机有限公司；5585氮吹仪 美国Organomation公司；ULTS5490低温冰箱 赛默飞世尔仪器有限公司；JK-3200B型超声波清洗器 合肥金尼克机械制造有限公司；Phenom Pro扫描电子显微镜 复纳科学仪器有限公司；1200型高效液相色（high performance liquid chromatography，HPLC）仪、SB-C18保护柱（4.6 mmh 12.5 mm） 美国Agilent Technologies 公司；CT99S05-2546WT C30柱 YMC（台湾）股份有限公司。
1.3 方法
1.3.1 实验流程
玉米粉→加水和制成玉米面团→用模具压成均一的玉米饼→制热处理→干燥至质量恒定→无水乙醇玉米黄提取→氮吹仪→用色级甲醇溶出→过膜（0.22 μm）→HPLC检测分析。
1.3.2 超声波辅助提取玉米黄
用电子天平精确称取4.00 g玉米粉，加入40 mL（料液比1∶10（g/mL））无水乙醇。在超声波功率12%（144 W）、作用温度45 ℃、作用时间3 s、间隔时间5 s、总时间50 min的条件下对玉米粉中的玉米黄进行超声波辅助提取。
1.3.3 离心和氮吹仪除乙醇
将完成超声波辅助提取的品倒入离心管内，3 000 r/min离心5 min，取澄清上清液用氮吹仪低温除乙醇。
1.3.4 HPLC检测
加4 mL色级甲醇于低温除乙醇的离心管中，反复摇晃使玉米黄能够充分溶解于甲醇，放置于80 ℃冰箱避光保存待到检测时取出，过0.22 μm孔径滤膜，过膜注入色进瓶中并将进瓶放置于自动进器内。
检测玉米黄采用C30 HPLC法。色条件为流动相A为甲醇，流动相B为甲基叔丁基醚（methyl tertbutyl ether，MTBE），流动相甲醇-MTBE（86∶14， V/V），洗脱时间为20 min，流速为0.9 mL/min，进量为20 μL，柱温为30 ℃，检测波长为450 nm。以玉米黄的质量浓度（μg/mL）为X，HPLC检测出的玉米黄的面积为Y绘制标准曲线：X=（Y－15.112）/195.18。
1.3.5 玉米粉制的单因试验
1.3.5.1 制温度的考察
用电子天平精确称取100.00 g玉米粉，设定制时间30 min、加水量75%，避光条件下分别在130、150、170、190、210 ℃对玉米饼进行制，进行3 次平行实验。
1.3.5.2 制时间的考察
用电子天平精确称取100.00 g玉米粉，设定制温度190 ℃、加水量75%，避光条件下分别将玉米饼制20、25、30、35、40 min，进行3 次平行实验。
1.3.5.3 加水量的考察
用电子天平精确称取100.00 g玉米粉，设定制温度190 ℃、制时间30 min，避光条件下分别在加水量65%、70%、75%、80%、85%、90%时对玉米饼进行制，进行3 次平行实验。
1.3.6 正交试验设计
在单因试验的基础上，以制温度、制时间、料液比为因设计响应面试验。因与水平见表1。
表 1 响应面试验因素与水平
Table 1 Levels and codes of independent variables used for Box-Behnken design

2 结果与分析
2.1 玉米黄标准品及玉米粉品提取液HPLC测定结果

图 2 玉米黄素标准品（A）、玉米原粉提取液（B）、烤制后 玉米粉提取液（C）的HPLC图
Fig. 2 HPLC chromatograms of zeaxanthin standard (A), corn flour extract (B) and roasted corn flour extract (C)
由图2可以得出，玉米粉提取液中可检测物质种类较多，但各物质与玉米黄可以清晰有效分离且形较好。说明该HPLC方法可以用于玉米黄检测并计其含量。
2.2 单因试验结果
2.2.1 制温度的单因试验结果

图 3 烤制温度对玉米黄素含量的影响
Fig. 3 Effect of baking temperature on the content of zeaxanthin
由图3可知，当制时间为30 min，加水量为75%时，玉米饼中玉米黄的含量随着制温度在一定范围内的升高而逐渐增加当温度达到190 ℃，玉米黄的含量为306.38 μg/100 g，当制温度高于190 ℃时，玉米黄的含量呈极具下降趋势。已有研究发现热处理可有效促进植物组织基质软化，促进类胡萝卜-蛋白质复合物的变性，促进类胡萝卜从食物基质中释放，增加植物活性物质溶出并提高其提取量[27-30]。在一定范围内随着制温度升高使玉米黄-蛋白质复合物变性，破坏了其大分子结构，使得玉米黄被释放出来从而引起玉米黄含量升高；当制温度过高时，玉米黄的热稳定性差，会将溶出的玉米黄降解或者转换为其他异构体。研究发现热处理会使水果和蔬菜中的β-胡萝卜、玉米黄的发生降解以及产生顺式异构体4%～40%[22]；热处理会导致类胡萝ト发生异构体反应，且研究发现β-胡萝卜、玉米黄更容易发生异构化[23]。
2.2.2 制时间的单因试验结果

图 4 烤制时间对玉米黄素含量的影响
Fig. 4 Effect of baking time on the content of zeaxanthin
由图4可知，当制温度为190 ℃，加水量为75%时，当制时间在20～30 min之间玉米黄的含量随着制时间的增加呈平稳下降趋势，当制大于30 min时玉米黄的含量下降幅度明显提高。研究发现菠菜长时间热处理时叶黄的含量下降明显[23]，朱倩等[31]研究发现延长加热时间可促进番茄红异构化甚至使其发生降解。玉米黄具有高温瞬时处理稳定，长时间处理不稳定的特点。
2.2.3 加水量的单因试验结果

图 5 加水量对玉米黄素含量的影响
Fig. 5 Effect of water addition on the content of zeaxanthin
由图5可知，当制温度和制时间分别为190 ℃、30 min时，随着加水量的增加玉米黄的含量呈上升趋势，当加水量为65%～75%之间时曲线的增长幅度较高，后随着加水量的增加玉米黄含量增加趋势趋于平稳。其主要的原因是水的比热容比较大，当制温度和制时间一定时，随着加水量的增加玉米黄真正受热时间和受热温度并没有达到设定的值；另一方面是玉米粉中淀粉含量较高，当淀粉与水处在受热加温的条件下，水分子开始逐渐进入淀粉颗粒内的结晶区域，淀粉分子内的一些化学键变得很不稳定、易断裂，淀粉颗粒内结晶区域则由原来排列紧密的状态变为疏松状态，使得淀粉的吸水量迅速增加，出现了不可逆吸水的现象，当淀粉颗粒仍在继续吸水膨胀，其体积膨胀到一定限度后，颗粒便出现破裂现象，有利于玉米黄溶出。
2.3 响应面试验结果
在单因试验基础上，综合考虑各因对玉米黄含量的影响，根据Box-Behnken试验原理，选择制时间、制温度、加水量，设计3因3水平的响应面分析方法，确定玉米粉最佳制条件，结果见表2。将所得的试验数据采用Design-Expert 7.1软件进行多元回归拟合，得到玉米黄含量对制温度（A）、制时间 （B）、加水量（C）的次多项回归方程：
Y＝48.845.00A8.55B1.80C3.09AB 2.58AC1.48BC15.36A215.36B213.80C2
由表3可知，模型F值为104.030 5，P＜0.000 1，表明响应回归模型达到了极显著水平。失拟项P＞0.05，表示失拟不显著，模型的确定系数R2为0.943 0，说明该模型能解释94.30%响应值的变化，因而该模型拟合程度比较好，可以用模型对玉米粉制条件进行分析和预测。由回归模型和方差分析可知，方程一次项A、B、A2、B2、C2对玉米黄含量的影响达到极显著水平 （P＜0.01）；方程一次项C，交互项AB、AC对玉米黄含量的影响达到显著水平（P＜0.05）。根据F值可知，各个因对玉米黄含量影响的大小顺序为：制温度（B）＞制时间（A）＞加水量（C）。
表 2 响应面试验设计及结果
Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

表 3 回归模型和方差分析
Table 3 Analysis of variance for the regression model

注：*.差异显著（P＜0.05）；**.差异极显著（P＜0.01）。
2.4 响应面分析
制对玉米粉中玉米黄影响的等高线和响应面见图6，等高线图可直观地反映各因对玉米黄含量的交互作用程度。等高线呈圆形表示两因交互作用不显著，而呈椭圆形或马鞍形则表示两因交互作用显著。由图可知，制时间（A）和制温度（B）、制时间（A）和加水量（C）等高线图呈明显的椭圆形，表明两因间交互作用显著。相比之下，制温度（B）和加水量（C）交互作用较小。比较3 组图可知，制温度对玉米黄含量影响最为显著，其曲线较陡，制时间、加水量次之，其曲线较平滑。


图 6 各因素交互作用对玉米黄素含量影响的等高线和响应面图
Fig. 6 Response surface and contour plots showing the interactive effects of any of baking temperature and water addition on the
content of zeaxanthin
c. 制温度和加水量
2.5 制热处理对玉米粉表面形态的影响

图 7 烤制热处理前后玉米粉扫描电子显微镜图
Fig. 7 Scanning electron micrographs of corn flour before and after baking heat treatment
a.未经热处理玉米粉（×500）；b.未经热处理玉米粉（×1 000）；c.制热处理后玉米粉（×500）；d.制热处理后玉米粉（×1 000）。
图7a、b为玉米原粉扫描电子显微镜图，可以看到玉米淀粉颗粒分散均匀且玉米原粉中有少量纤维和蛋白质；当经过制热处理后通过扫描电子显微镜得图7c、d， 可以明显观察到有大块联结状出现，且纤维和蛋白质含量比未经热处理时含量有所降低，这是因为玉米粉中含有大量淀粉，在制热处理过程中使得淀粉糊化老化形成淀粉凝胶，淀粉凝胶将部分玉米黄和玉米黄——蛋 白质复合体包裹起来，使得玉米黄含减少。通过扫描电子显微镜可以更加直观了解到制热处理对玉米粉表面形态变化，从而影响玉米黄含量变化。
2.6 验证实验结果
根据回归模型分析可知，制玉米粉工艺最优条件为制时间27.00 min、制温度189.65 ℃、加水量78%。根据实际情况稍做调整，即制时间30 min、制温度190 ℃、加水量75%，进行3 次平行实验，时玉米黄的平均提取量为理论值接近。
3 结 论
本实验研究日常热加工制对玉米粉中玉米黄含量的影响，通过实验优化制热加工工艺，根据Box-Benhnken试验设计，建立制时间、制温度、加水量对玉米黄含量的回归模型，并对模型进行失拟，经过实验验证了该方法的可靠性，能较好地预测出玉米黄的含量。制热加工最优条件为制时间30 min、制温度190 ℃、加水量75%，在条件下玉米黄含量为306.79 μg/100 g，原粉中玉米黄含量为755.14 μg/100 g，制热处理后玉米黄的含量降低55%。玉米黄作为天然安全的植物色具多种生物学活性，随着膳食营养健康意识的日益增强，在食物热加工过程中探究玉米黄含量变化、保护玉米黄免受降解且提高其生物利用率成为科研人员关注的问题。本实验深入研究玉米黄的热变规律，对指导玉米及其他杂粮精深加工、提高玉米及其他杂粮产品营养品质具有十分重要的科学意义。通过本实验的研究，可以优化制玉米粉加工工艺，指导人们日常烹调方式从而达到玉米黄含量最大化。
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Effect of Baking on Zeaxanthin Content in Corn Flour
WANG Jiaojiao1,2, ZHENG Mingzhu1,2, LIU Meihong1,2, XIE Jiahan1,2, WU Xi1,2, JIN Zhibo1,2, LIU Huimin2,3,*, LIU Jingsheng1,2,*
(1. College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China; 2. National Engineering Laboratory on Wheat and Corn Further Processing, Changchun 130118, China; 3. College of Life Science, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)
Abstract: In this research, the effect of baking on the content of zeaxanthin in corn flour was analyzed. First of all, we explored the effect of baking temperature, baking time and water addition on zeaxanthin content using one-factor-at-a-time method. Next, the three factors were optimized using response surface methodology. The optimized conditions were as follows: baking temperature 190 ℃, baking time 30 min, and water addition at 75%. In three parallel experiments performed under these conditions, the zeaxanthin content in baked corn dough was 306.79 μg/100 g.
Keywords: corn flour; baking time; baking temperature; water addition; zeaxanthin
收稿日期：2018-12-27
基金项目：“十三五”国家重点研发计划重点专项（2016YFD0400700；2016YFD0400702）；粮食公益性行业科研专项（201313011-3）；吉林省“双十工程”重大科技攻关项目（20150201010NY）；国家现代农业产业技术体系建设专项（CARS02-29）
第一作者简介：王娇娇（1992ü ）（ORCID: 0000-0003-0017-2729），女，硕士研究生，研究方向为食品生物化学工程与功能性食品。E-mail: 1175429975@qq.com
*通信作者简介：
刘回民（1984ü ）（ORCID: 0000-0002-2265-2961），男，讲师， 博士，研究方向为食品生物技术与长白山特色植物资源开发利用。E-mail: liuhuimin@jlau.edu.cn
刘景圣（1964ü ）（ORCID: 0000-0002-6591-1759），男，教授，博士，研究方向为粮食深加工、发酵工程、食品资源综合利用与功能性食品。E-mail: liujs1007@vip.sina.com.cn
DOI:10.7506/spkx1002-6630-20181227-321
中图分类号：TS213.4
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2020）02-0284-07
引文格式：王娇娇, 郑明珠, 刘美宏, 等. 制热加工对玉米粉中玉米黄含量的影响[J]. 食品科学, 2020, 41(2): 284-290. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20181227-321. http://www.spkx.net.cn
WANG Jiaojiao, ZHENG Mingzhu, LIU Meihong, et al. Effect of baking on zeaxanthin content in corn flour[J]. Food Science, 2020, 41(2): 284-290. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20181227-321. http://www.spkx.net.cn