0 引言
【研究意义】蛹虫草（Cordyceps militaris）又名北冬虫夏草、北虫草,属于子囊菌门肉座菌目虫草菌科虫草属。蛹虫草子实体含有丰富的优质蛋白,具有18种氨基酸,其中必需氨基酸含量占氨基酸总量的32.80%;还含有K、Na、Ca、Mg、Fe等多种人体必需的矿物质元素,此外,蛹虫草子实体中还含有虫草素、虫草酸、腺苷、虫草多糖、麦角甾醇等营养物质,具有抗病毒、延缓衰老、提高血浆渗透压、增强免疫力等功效,现已被广泛应用于原料药和东亚民间滋补食品[1-3]。与天然的冬虫夏草相比,人工栽培蛹虫草的虫草素、腺嘌呤、鸟苷、尿嘧啶等部分腺苷类物质含量较高,虫草酸、氨基酸、多糖类物质和无机元素含量较低。冬虫夏草野生资源有限,而蛹虫草价格较低、营养价值较高,可以作为一种很好的功能食品原料[4-5]。谷物杂粮在中国的膳食结构中所占比例很高,但其植物性蛋白的氨基酸营养价值较低,必需氨基酸的含量及其相互比例不够全面,其中赖氨酸和苏氨酸是大多数谷类的限制性氨基酸,而蛋氢酸（含硫氨基酸）则是大多非谷类植物蛋白质的第一限制性氨基酸,如大米缺乏苏氨酸,黄豆中蛋氨酸和胱氨酸含量较低,赖氨酸是薏米中的第一限制氨基酸,糯米中的必需氨基酸和非必须氨基酸占比不足,低于理想蛋白质标准。因此,谷物杂粮具有各自不同的优势和缺陷,如果片面食用某一种就不能充分利用其营养,以至造成浪费和营养不良。近年来,食用菌逐渐被添加到食品中以提高营养价值,如香菇面条、猴菇饼干、松露饼干、金针菇复合发芽糙米膨化食品等[6]。蛹虫草含有多种保健成分,科学合理地混合蛹虫草和谷物杂粮,并采用挤压膨化技术加工成风味独特、口感舒适的复合型食品,不仅能够强化谷物杂粮的植物性蛋白营养价值和矿物质含量,还能赋予一定的营养和功能特性,对谷物杂粮的深加工和食用菌的开发具有重要意义。【前人研究进展】挤压膨化是一个塑形和蒸煮食物的过程,被广泛用于食品工业中的粮食产品生产,挤出的物料在挤压腔末端压力瞬时降低,在水分蒸发作用下扩张成多孔结构[7]。国内外****研究挤压工艺对膨化产品品质特性的影响较多,方勇等[8]对金针菇和发芽糙米进行复合并采用挤压膨化工艺处理制成金针菇复合发芽糙米膨化产品,提高了发芽糙米中氨基酸的含量。SOBCZAK等[9]以小麦、玉米、黄豆为原料进行挤压,发现去壳大豆的加入使挤出的膨化产品硬度下降了70%。刘方等[10]以糙米和蛹虫草培养基为原料,采用双螺杆挤压技术生产出糊化度低、蛋白质含量高、富含虫草素的糙米复合米,增强了人体对糙米的消化吸收,延长了糙米的储存时间。PARK等[11]利用GC-MS技术分析蛹虫草的挥发性物质,发现蛹虫草在干燥前后的挥发性物质组成明显不同,干燥前的蛹虫草中含有大量的1-辛烯-3-醇,并且对其风味的贡献最大;而干燥后的蛹虫草具有和芝麻相似的特有香味,其中β-石竹烯和杜松烯是其典型的挥发性成分。孙军德等[12]研究发现烘干干燥处理对蛹虫草子实体的活性成分腺苷和甘露醇含量没有显著影响,但对不同的虫草菌株中的虫草素含量和超氧化物歧化酶活性的影响存在明显的差异性。余雄涛等[13]在普通饼干中添加蛹虫草粉,融合传统的烘焙和现代食品制作工艺生产出了爽脆可口、气味芬香的虫草曲奇功能食品,并赋予食品抗肿瘤、抗菌、抗氧化、抗疲劳的保健功效。翁梁[14]将蛹虫草培养物制成菌粉并添加到面粉中,经过和面、熟化、压片等工序生产出风味独特、口感绝佳的蛹虫草保健挂面,既丰富了挂面的品种,又能为蛹虫草的开发利用开辟新途径。【本研究切入点】蛹虫草子实体的蛋白含量高达29.44%,矿物质元素约6.34%,氨基酸组成较全面,目前对科学搭配的谷物杂粮和具有保健功能与风味特征的食用菌进行挤压膨化加工的研究较少。【拟解决的关键问题】通过Excel的线性规划求解功能优化谷物杂粮配方,搭配蛹虫草制成混合粉,采用双螺杆挤压加工成蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品,研究谷物杂粮膨化产品和蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品的基本营养素含量的差异以及硬度、咀嚼性、色差等理化特性的变化,利用氨基酸分析仪、电子鼻和GC-MS联用对比分析最终产品的氨基酸组成和含量以及挥发性物质,通过成熟的食品加工工艺制备出低能量、高营养价值的复合型功能性食品,为食用菌复合谷物杂粮膨化产品的加工和开发提供技术支撑。1 材料与方法
试验于2015年4月至2016年3月在南京财经大学食品科学与工程学院进行。1.1 试验材料与试剂
大米、黄豆、薏米、红豆、糯米,南京天下杂粮有限公司;蛹虫草,盐城市芝庆堂生物科技有限公司。1.2 仪器与设备
HK-180型不锈钢万能粉碎机（广州旭朗机械设备公司）;SHA-B水浴恒温振荡器（金坛市荣华仪器制造有限公司）;101-3AS型电热鼓风干燥箱（上海苏进仪器设备厂）;贝克曼Allegra 64R离心机（美国Beckman Coulter公司）;DSE-29/40D型双螺杆挤压膨化机（德国Brabender公司）;TA-XT plus型食品物性测定仪（英国Stable Micro System公司）;L-8900型全自动氨基酸分析仪（日本Hitachi公司）;CEM微波消解仪（美国培安科技有限公司）;HITACHIZ-2000火焰原子吸收分光光度计（株式会社日立制作所）;CM-5型色差仪（日本Konika-Minolta公司）;FOX3000型电子鼻（法国Alpha M.O.S.公司）;7890a-5975C GC-MS联用仪（美国Agilent公司）1.3 实验方法
1.3.1 材料准备 分别粉碎大米、黄豆、薏米、红豆、糯米、蛹虫草并过60目筛,根据沈彤等[15]的方法并略作改进,依据所选原料特性设计出目标产品的蛋白质、脂肪、膳食纤维、碳水化合物含量及各原料在混合粉中占比的约束条件,借助Excel线性规划求解功能,设计出以热量最低为目标的谷物杂粮膨化粉配方,通过预试验,确定蛹虫草添加量为10 g（每100 g谷物杂粮混合粉）,调节蛹虫草复配谷物杂粮粉的水分并置于自封袋中,4℃下保存24 h。1.3.2 复合膨化产品的挤压工艺制备 采用双螺杆挤压膨化技术处理复合物料,通过预试验确定最优工艺参数分别为：物料水分16%,机筒五段加工区温度：Ⅰ区80℃、Ⅱ区90℃、Ⅲ区120℃、Ⅳ区140℃、Ⅴ区165℃,螺杆转速180 r/min,进料速度15 r/min。
1.3.3 产品营养品质测定
1.3.3.1 基本营养物质含量测定 膳食纤维含量按GB/T 5009.88—2008中的《酶重量法》进行测定;脂肪含量按GB/T 5009.6—2003中《索氏抽提法》进行测定;蛋白质含量按GB 5009.5—2010中的《凯氏定氮法》进行测定;灰分含量按照GB 5009.4—2010进行测定;碳水化合物含量按GB/Z 21922—2008中的《碳水化合物减法计算公式》（1）;能量值根据徐永强等[16]的热价计算公式（2）。
M碳= M总-(M蛋白+M脂肪+M水分+M灰分+M纤维) （1）
式中,M碳：食物中碳水化合物质量;M总：食物总质量;M蛋白：食物中蛋白质质量;M脂肪：食物中脂肪质量;M水分：食物中水分含量;M灰分：食物中灰分质量;M纤维：食物中膳食纤维质量。
式中,C：热价（J）;V：试验用水体积（mL）;T2-T1：水体温差（℃）;M样品：样品质量（g）。
1.3.3.2 矿物质含量测定 参考萨仁高娃等[17]的方法测定产品中K、Ca和Na等微量元素含量,并略作改进。分别称取1.0000 g样品于消解管中,加入5 mL浓硝酸,1 mL过氧化氢,微波消解10 min,冷却至室温,50 mL容量瓶定容,摇匀待测,根据不同元素设定相应的波长、空气和乙炔流量等工作条件,上机测试。
1.3.3.3 氨基酸分析 参照张梦甜等[18]的方法测定膨化产品中蛋白质的氨基酸组成和含量并略作改进。准确称取一定量样品于水解管中,加入适量6 mol/L HCl,在减压下密封水解管,将其放入烘箱,在110℃条件下水解24 h。将水解后的样品过滤后放入圆底烧瓶,旋转蒸发去除盐酸。所得样品用0.02 mol·L-1 HCl定容至50 mL,吸取少量水解液经0.22 μm滤膜过滤,装入进样瓶中待测。
1.3.4 挤压膨化产品的色差和质构分析
参照王伟等[19]的方法测定膨化产品的色差值并略作改进。色差仪测定样品的L*（明度）、a*（+a*表示红色,-a*表示绿色）和b*（+b*表示黄色,-b*表示蓝色）值,每个样品测定4次,其中ΔE计算如公式3。
式中,ΔE：总色差;ΔL*：L*-L0;Δa*：a*-a0;Δb*：b*-b0;L0：标准L*值;a0：标准a*值;b0：标准b*值。
参照李素芬[20]的方法测定膨化产品质构并略作改进。刀片截取膨化产品2—4 cm,直径2 mm的探头P/25。测定条件为：测前速率2.0 mm·s-1,测试速率1 mm·s-1,测后速率2 mm·s-1,压缩比为0.4,数据采集率为每秒300组,每项测试重复5次,结果取平均值。
1.3.5 电子鼻和GC-MS分析产品挥发性物质 参照任东旭等[21]的电子鼻分析方法并略作改进。称取10 g样品粉末并量取90 g蒸馏水置于三口烧瓶中,并控制温度在100℃,加热搅拌30 min,并置于样品瓶中。以洁净干燥空气为载气,设置电子鼻测定仪采样时间为180 s,气体流量为0.3 L·min-1,等待时间为10 s,清洗时间为60 s。每个样品重复采集5次,取稳定后的3次数据。通过软件分析得出传感器信号强度图,进行主成分分析（principal component analysis,PCA）和雷达图谱分析。
参考潘雨时等[22]的方法并略作改进。GC条件：色谱柱：HP-5MS毛细管色谱柱（30 m×0.25 mm,0.25 µm）;进样口温度230℃,柱温起始温度40℃,保持5 min,以25 ℃·min-1升至140℃,再以3 ℃·min-1升至190℃,最后再以4 ℃·min-1升至220℃,保持5 min。载气：氮气,不分流进样,流速：1 mL·min-1,进样量2 µL。MS条件：电离能量70 eV,离子源温度210℃,四级杆温度150℃,扫描模式为全扫描。
1.4 数据处理
应用JMP10.0和SPSS19.0统计软件分析试验数据,差异显著性采用Student t检验法,显著性水平为0.05,每组试验重复3次,所得结果以平均值±标准差的形式表示。2 结果
2.1 原料成分分析及配方优化
表1是蛹虫草粉营养物质含量和5种谷物杂粮粉的配方表,黄豆中的蛋白质和脂肪含量在5种谷物杂粮中最高,蛹虫草的蛋白质含量仅次于黄豆;膳食纤维含量最高的谷物杂粮为红豆,而蛹虫草中的膳食纤维含量与大米、糯米无显著性差异（P>0.05）;糯米、大米、薏米的碳水化合物含量较多,尤以糯米的碳水化合物含量最高,且蛹虫草中的碳水化合物、蛋白质和脂肪含量与其他谷物杂粮均有显著性差异（P<0.05）。根据各原料营养含量和预试验结果,设定决策变量—混合粉中各原料所占比例,目标函数—能量最小值以及混合粉中各营养素含量的约束条件（g/100 g谷物杂粮粉）：蛋白质≥11,脂肪≥2,膳食纤维≥3,碳水化合物66—89,在此条件下能够满足人体一天所需的基本营养素含量。采用Excel线性规划求解功能,计算出目标配方为：在100 g谷物杂粮粉中,大米粉占60%、黄豆粉占5%、薏米粉占10%、红豆粉占10%、糯米粉占15%,综合预试验中确定的10%蛹虫草的添加量,得出蛹虫草复配谷物杂粮粉的最终配方为蛹虫草粉和谷物杂粮粉按照1﹕10的质量比混合,其中谷物杂粮粉的配比为大米粉﹕黄豆粉﹕薏米粉﹕红豆粉﹕糯米粉=12﹕1﹕2﹕2﹕3。Table 1
表1
表1蛹虫草营养成分和五种谷物杂粮营养配方
Table 1Essential nutrients of C. militaris and formulation of five kinds of cereal grains
| 产品 Name of product | 大米 Rice | 黄豆 Soybean | 薏米 Adlay | 红豆 Red bean | 糯米 Glutinous rice | 蛹虫草 C. militaris | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 营养成分 Nutrition | 蛋白质 Protein (g·kg-1) | 108.52±0.023* | 307.43±0.156* | 111.56±0.042* | 175.60±0.165* | 81.60±0.034* | 294.382±2.126 |
| 脂肪 Fat (g·kg-1） | 12.51±0.205* | 184.12±0.504* | 41.20±0.373* | 8.10±0.018* | 5.20±0.030* | 25.128±1.402 | |
| 膳食纤维 Dietary fiber (g·kg-1） | 15.62±0.007 | 69.10±0.103* | 31.25±0.030* | 79.00±0.151* | 12.00±0.073 | 12.013±1.133 | |
| 碳水化合物 Carbohydrate (g·kg-1） | 735.52±0.136* | 347.54±0.012* | 695.26±0.041* | 645.15±0.528* | 762.38±0.019* | 375.2±0.862 | |
| 线性规划 LP | 配方质量 Quality of formulation | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | — |
| 能量 Energy (kcal·kg-1） | 3511.5 | 3447.5 | 3461.1 | 3446.2 | 4226.1 | 2761.3 | |
| 初始解 Initial value | 0.6 | 0.05 | 0.1 | 0.1 | 0.15 | — | |
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2.2 膨化产品营养品质特性分析
2.2.1 膨化产品基本营养素含量分析 表2是两组膨化产品的基本营养指标,由表可知,添加蛹虫草对谷物杂粮膨化产品的脂肪和膳食纤维含量没有显著影响（P>0.05）。与谷物杂粮膨化产品相比,蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品的热量、碳水化合物分别降低了4.45%、3.81%（P<0.05）,而蛋白质、灰分、钾、钙、钠、镁、铁分别上升了32.5%、32.96%、9.51%、19.49%、107.97%、31.28%、69.43%（P<0.05）。Table 2
表2
表2蛹虫草复合谷物杂粮和谷物杂粮挤压膨化产品营养物质含量分析（100 g干重）
Table 2Nutrients of the extruded products from cereal grains compounded with C. militaris and non-supplemented cereal grains (100 g dry weight)
| 指标 Index | 谷物杂粮膨化产品 Extruded products of cereal grains | 蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品 Extruded products of cereal grains compounded with C. militaris |
|---|---|---|
| 热量 Energy (kcal) | 345.64 | 330.26* |
| 蛋白质 Protein (g) | 10.360±0.128 | 13.727±0.241* |
| 脂肪 Fat (g) | 1.457±0.068 | 1.410±0.121 |
| 灰分 Ash (g) | 1.265±0.096 | 1.682±0.056* |
| 碳水化合物 Carbohydrate (g) | 82.455±0.167 | 79.316±0.287* |
| 膳食纤维 Dietary fiber (g) | 2.815±0.038 | 2.802±0.221 |
| 钾 K (mg) | 222.743±0.153 | 243.920±0.141* |
| 钙 Ca (mg) | 41.163±0.136 | 49.186±0.105* |
| 钠 Na (mg) | 4.643±0.087 | 9.656±0.025* |
| 镁 Mg (mg) | 35.738±0.173 | 46.917±0.208* |
| 铁 Fe (mg) | 2.211±0.006 | 3.746±0.013* |
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Table 3
表3
表3添加蛹虫草和未添加蛹虫草的谷物杂粮膨化产品的氨基酸含量变化（mg/100 g干重）
Table 3Changes of amino acids content in extruded products from cereal grains compounded with C. militaris and non-supplemented cereal grains (mg/100 g DW)
| 氨基酸种类 Amino acids species | 谷物杂粮膨化产品 Extruded products of cereal grains | 蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品 Extruded products of cereal grains compounded with C. militaris |
|---|---|---|
| 天冬氨酸 Asp | 1476.283±8.125 | 1489.072±10.243* |
| 苏氨酸 Thr | 865.745±12.762 | 891.733±15.271* |
| 丝氨酸 Ser | 1077.213±20.322 | 1087.287±19.672 |
| 谷氨酸 Glu | 1921.814±29.876 | 1935.801±31.376* |
| 甘氨酸 Gly | 1098.523±12.343 | 1164.426±10.287* |
| 丙氨酸 Ala | 1110.24±9.922 | 1104.447±17.233 |
| 半胱氨酸 Cys | 738.153±1.232 | 770.323±1.938* |
| 缬氨酸 Val | 465.216±3.292 | 578.549±4.332* |
| 甲硫氨酸 Met | 650.852±8.091 | 753.218±9.101* |
| 异亮氨酸 Ile | 751.354±14.232 | 838.328±18.302* |
| 亮氨酸 Leu | 910.221±11.398 | 990.236±10.293* |
| 酪氨酸 Tyr | 925.843±30.243 | 916.192±28.642 |
| 苯丙氨酸 Phe | 934.223±11.611 | 1018.154±13.982* |
| 赖氨酸 Lys | 1017.912±3.481 | 1194.826±6.081* |
| 组氨酸 His | 826.265±7.229 | 828.143±5.985 |
| 精氨酸 Arg | 719.109±22.661 | 723.278±18.344 |
| 脯氨酸 Pro | 639.219±3.488 | 699.298±4.290* |
| 总必需氨基酸 TEAA | 5595.523±35.751 | 6265.0±40.176* |
| 总氨基酸 TAA | 16128.185±48.928 | 16983.311±50.883* |
| TEAA/TAA | 30% | 40% |
| TEAA/NEAA | 50% | 60% |
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2.2.2 添加蛹虫草对谷物杂粮膨化产品氨基酸的影响
表3是两组膨化产品的氨基酸含量变化,由表可知,添加蛹虫草和未添加蛹虫草的谷物杂粮膨化产品的总必需氨基酸和总氨基酸含量有显著性差异,其中,天冬氨酸、苏氨酸、谷氨酸、甘氨酸、半胱氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸和脯氨酸具有显著性差异。与谷物杂粮膨化产品相比,蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品的总必需氨基酸和总氨基酸含量均增加了11.96%、5.30%;必需氨基酸中,苏氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸分别增加了3%、24.36%、15.73%、11.58%、8.79%、8.98%、17.38%;非必需氨基酸中,脯氨酸含量上升的幅度最大,增加了9.40%。添加蛹虫草后,谷物杂粮膨化产品的总必需氨基酸占总氨基酸比例达到40%,必需氨基酸占非必需氨基酸达到60%。由表4可知,谷物杂粮膨化产品和蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品的第一限制氨基酸为缬氨酸,添加蛹虫草后,谷物杂粮膨化产品的缬氨酸RC值、SRC值、必需氨基酸指数分别升高至0.96、0.54、1.08。
Table 4
表4
表4谷物杂粮和蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品蛋白质的RAA、RC、SRC和必需氨基酸指数分析
Table 4Analysis of RAA, RC and SRC in extruded products from cereal grains compounded with C. militaris and non-supplemented cereal grains
| FAO/WHO必须氨基酸参考模式 The reference pattern of essential acid in FAO/WHO | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 苏氨酸 Thr | 异亮氨酸 Ile | 亮氨酸 Leu | 赖氨酸 Lys | Met+Cys 甲硫氨酸+半胱氨酸 | Phe+Tyr 苯丙氨酸+酪氨酸 | Val 缬氨酸 | 氨基酸比值 系数分 SRC | 必需氨基酸 指数 Index of EAA | ||
| 40 | 40 | 70 | 55 | 35 | 60 | 50 | ||||
| 谷物杂粮膨化产品 Extruded products of cereal grains | 必需氨基酸比值RAA | 0.22 | 0.19 | 0.13 | 0.19 | 0.40 | 0.31 | 0.09 | 0.5175 | 1.06 |
| 氨基酸比值系数RC | 1.97 | 1.71 | 1.18 | 1.68 | 3.61 | 2.82 | 0.85 | |||
| 蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品 Extruded products of cereal grains compounded with C. militaris | 必需氨基酸比值RAA | 0.22 | 0.21 | 0.14 | 0.22 | 0.44 | 0.32 | 0.12 | 0.5400 | 1.08 |
| 氨基酸比值系数RC | 1.86 | 1.75 | 1.18 | 1.81 | 3.63 | 2.69 | 0.96 | |||
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2.3 膨化产品的理化特性分析
由表5可知,除硬度和脆度外,谷物杂粮和蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品的质构指标均无显著性差异。其中,蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品的脆度下降幅度达到13.54%,而硬度、粘度、弹性、咀嚼性分别升高了9.85%、2.10%、19.15%、0.73%。产品的色泽能够反映物料中的营养物质在挤压加工中变化的程度,与谷物杂粮膨化产品相比,蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品的L*显著降低,而a*、b*、△E显著升高,说明蛹虫草的加入能够增强谷物杂粮膨化产品的褐变程度。Table 5
表5
表5蛹虫草复合谷物杂粮和谷物杂粮挤压膨化产品的质构和色差分析
Table 5The analysis of texture and colour difference of the extruded products from cereal grains compounded of Cordyceps militaris and non-supplemented cereal grains
| 指标 Index | 谷物杂粮膨化产品 Extruded products of cereal grains | 蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品 Extruded products of cereal grains compounded of Cordyceps militaris | |
|---|---|---|---|
| 质构 Texture | 硬度 Hardness (g) | 1478.9±11.701 | 1624.6±15.342* |
| 脆度 Fracturability (mm) | 44.602±1.769 | 38.563±2.403* | |
| 粘度Adhesiveness (m2) | 3.287±0.563 | 3.356±0.472 | |
| 弹性Springiness (mm) | 0.094±0.104 | 0.112±0.0216 | |
| 咀嚼性Chewiness (g) | 15.659±0.588 | 15.773±0.575 | |
| 色差 Color difference | L* | 73.348±0.124 | 64.826±0.039* |
| a* | 5.796±0.067 | 12.152±0.050* | |
| b* | 26.912±0.374 | 38.052±0.166* | |
| △E | 4.101±0.081 | 5.496±0.034* | |
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2.4 蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品挥发性物质分析
2.4.1 谷物杂粮和蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品PCA图和雷达图 电子鼻是通过模拟人类嗅觉系统来评价检测对象的品质,主要对气体或挥发性成分做定性的检测,是一种新兴智能感官仪器。烘干后的蛹虫草粉具有一种特殊的香味,从图1-A中可以看出,两种膨化产品的电子鼻指纹雷达图谱并未重合,且谷物杂粮膨化产品和蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品在LY2/AA、LY2/gCTL、LY2/gCT、P10/2这四根传感器上的响应值具有显著性差异,说明添加蛹虫草粉对谷物杂粮膨化产品风味产生了一定的影响。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品与谷物杂粮膨化产品的雷达图谱（A）和PCA图（B）
-->Fig. 1The radar images (A) and PCA (B) of extruded products from cereal grains compounded with C. militaris and non- supplemented cereal grainsa：谷物杂粮膨化产品,b：蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品a represents extruded products of cereal grains, b represents extruded products of cereal grains compounded with C. militaris
-->
通过电子鼻对谷物杂粮和蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品进行香气成分分析得出PCA图。从图1-B中可知,第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）的贡献率分别为97.942%和1.858%,总贡献率为99.8%,大于90%,因此,这两个主成分能够代表谷物杂粮膨化产品的主要信息特征。谷物杂粮和蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品在PCA图中完全分开,没有交叉区域,表明电子鼻可以很好地区分两种产品的挥发性物质。
2.4.2 谷物杂粮膨化产品和蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品的挥发性物质分析 GC-MS检测到的挥发性成分如表6,由表可知,谷物杂粮膨化产品共检测出27种物质：分别属于精萘（0.43%）、醇类（0.71%）、醛类（4.68%）、胺类（0.16%）、烷烃类（12.42%）、酮类（1.72%）、烯烃类（1.07%）、酸类（0.61%）、呋喃类（3.49%）;蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品共检测出31种物质：分别属于帕罗昔丁（0.074%）、醇类（1.784%）、醛类（3.653%）、胺类（1.441%）、烷烃类（7.574%）、酯类（1.102%）、酮类（2.777%）、烯烃类（0.335%）、酸类（0.225%）、咔唑类（0.373%）、醚类（0.539%）、炔烃类（0.21%）、呋喃类（2.916%）、吡咯类（0.549%）。添加蛹虫草后的谷物杂粮中的风味物质明显增多,其中,2,2,4,6,6-五甲基庚烷、2-戊基呋喃、3-辛烯-2-酮、苯乙酮、壬醛、丙烯酰胺、十二烷、十三烷、氯代十六烷为两种产品的共有物质,与谷物杂粮膨化产品相比,蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品中主要的挥发性物质2-戊基呋喃、十二烷、十三烷分别显著降低了16.447%、40.856%、43.125%,而3-辛烯-2-酮显著升高了78.034%。
Table 6
表6
表6蛹虫草复合谷物杂粮和谷物杂粮膨化产品挥发性成分GC-MS分析结果
Table 6Results of analysis of volatiles of the extruded products from cereal grains compounded with C. militaris and non-supplemented cereal grains by GC-MS
| 序号 Number | 保留时间 Retention time (min) | 物质名称 Name of substance | 谷物杂粮膨化产品 Extruded products of cereal grains (%) | 蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品 Extruded products of cereal grains compounded with C. militaris (%) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 5.053 | 5-甲基-1-己炔 5-Methyl-1-hexyne | — | 0.21±0.012 |
| 2 | 5.305 | (E)-2-庚烯醛 Trans-2-Heptenal | 0.75±0.021 | — |
| 3 | 5.383 | 苯甲醛 Phenylmethanal | 0.84±0.128 | — |
| 4 | 5.401 | 1-苯乙胺 1-Phenylethylamine | — | 0.647±0.141 |
| 5 | 5.467 | 2-甲基苄胺 2-Methylbenzylamine | — | 0.246±0.012 |
| 6 | 5.516 | α-氰基苄醇 Mandelonitrile | 0.18±0.024 | — |
| 7 | 5.575 | 异氰酸丙酯 Propyl isocyanate | — | 1.102±0.149 |
| 8 | 5.733 | 2-甲基-3-丁炔-2-胺 1,1-Dimethylpropargylamine | — | 0.144±0.112 |
| 9 | 5.836 | 1-辛烯-3-醇 1-Octen-3-ol | — | 1.42±0.132 |
| 10 | 5.959 | 2,2,4,6,6-五甲基庚烷 2,2,4,6,6-pentamethyl-Heptane | 1.37±0.098 | 1.602±0.087 |
| 11 | 6.097 | 2-戊基呋喃 2-Pentylfuran | 3.49±0.129 | 2.916±0.123* |
| 12 | 6.259 | (E,E)-2,4-壬二烯醛 (E,E)-2,4-Nonadienal | 0.57±0.165 | — |
| 13 | 6.309 | 正辛醛 Octanal | — | 0.809±0.194 |
| 14 | 6.545 | N-甲基吡咯 N-Methyl pyrrole | — | 0.549±0.025 |
| 15 | 6.584 | 2-辛炔酸 2-Octynoic acid | 0.61±0.150 | — |
| 16 | 6.958 | 3,3-二甲基己烷 3,3-Dimethylhexane | 0.6±0.032 | — |
| 17 | 7.022 | 二乙二醇乙醚 2(2-Ethoxyethoxy)ethanol | — | 0.539±0.065 |
| 18 | 7.086 | 3-辛烯-2-酮 3-Octen-2-one | 1.17±0.059 | 2.083±0.152* |
| 19 | 7.396 | 2-丁基辛醇 2-Butyloctanol | 0.53±0.153 | — |
| 20 | 7.451 | 反式-2-癸烯醛 3-Heptylacrolein | — | 1.105±0.178 |
| 21 | 7.485 | 反-2-辛烯醛 (E)-2-Octenal | 0.34±0.113 | — |
| 22 | 7.544 | 2,6-二甲基辛烷 2,6-Dimethyloctane | 0.83±0.007 | — |
| 23 | 8.081 | 苯乙酮 Acetophenone | 0.55±0.075 | 0.694±0.041 |
| 24 | 8.213 | 正十一烷 n-Hendecane | 0.20±0.136 | — |
| 25 | 8.307 | 壬醛 1-Nonanal | 1.98±0.036 | 1.739±0.175 |
| 26 | 8.528 | 2,4-二甲基-1-庚烯 2,4-Dimethyl-1-heptene | 0.83±0.089 | — |
| 27 | 8.686 | 1,2:7,8-二苯并咔唑 1,2:7,8-Dibenzocarbazole | — | 0.373±0.064 |
| 28 | 8.799 | 丙烯酰胺 Acrylamide | 0.16±0.071 | 0.135±0.058 |
| 29 | 9.749 | 精萘 Naphthalene | 0.43±0.025 | — |
| 30 | 9.872 | 十二烷 Dodecane | 3.74±0.079 | 2.212±0.148* |
| 31 | 10.084 | 马来酰胺酸 Maleamic acid | — | 0.116±0.182 |
| 32 | 10.089 | 壬烷 n-Nonane Nonane nonyl hydride | 0.32±0.080 | — |
| 33 | 10.163 | (E,E)-2,4-十二碳二烯醛 (E,E)-2,4-Dodecadienal | 0.2±0.189 | — |
| 34 | 10.532 | 3-氨基吡啶-2-羧酸 3-Amino-2-pyridinecarboxylic acid | — | 0.109±0.064 |
| 35 | 10.537 | 环十二烷 Cyclododecan | 0.17±0.120 | — |
| 36 | 10.901 | 帕罗昔丁 Paroxetine | — | 0.074±0.014 |
| 37 | 11.245 | 1-壬烯 1-Nonene | 0.24±0.111 | — |
| 38 | 11.359 | 十三烷 Tridecane | 4.16±0.191 | 2.366±0.060* |
| 39 | 11.856 | 氯代十六烷 1-Chlorohexadecane | 0.42±0.148 | 0.125±0.092 |
| 40 | 12.102 | 4-甲基辛烷 4-Methyloctane | — | 0.408±0.159 |
| 41 | 12.333 | 2-甲基十一烷 2-Methylundecane | 0.48±0.008 | — |
| 42 | 12.54 | 叔十六硫醇 Tert-Hexadecanethiol | — | 0.364±0.095 |
| 43 | 12.722 | 十四烷 Tetradecane | — | 0.728±0.192 |
| 44 | 12.988 | 长叶烯 d-Longifolene | — | 0.335±0.063 |
| 45 | 14.509 | α-DL-丙氨酰-DL-天冬酰胺 Asparagine,N2-DL-alanyl- (7CI) | — | 0.072±0.123 |
| 46 | 14.681 | 丙烯基环庚烷 Cyclohexane, 2-propen-1-yl- | 0.13±0.102 | — |
| 47 | 15.942 | 正丁基环己烷 n-Butylcyclohexane | — | 0.133±0.163 |
| 48 | 18.358 | 二仲丁胺 Di-sec-butylamine | — | 0.106±0.119 |
| 49 | 22.852 | 丙酰胺 Propionamide | — | 0.091±0.041 |
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3 讨论
蛹虫草中的蛋白质和矿物质含量较高,碳水化合物含量较低,本研究中添加蛹虫草粉使谷物杂粮粉中蛋白质、矿物质含量提高,碳水化合物含量降低。所以在相同挤压条件下,蛹虫草复合产品的总碳水化合物含量降低,粗蛋白和矿物质含量增加,而总碳水化合物的减少和矿物质的增加分别会引起产品的热量下降和灰分含量的上升。挤压膨化工艺对产品的氨基酸含量没有显著影响[23],在高温、强剪切力的作用下,蛋白质的氢键、二硫键断裂,部分蛋白质被分解成多肽和氨基酸,虽然美拉德褐变会消耗部分氨基酸,但是损失程度很小,而一些氨基酸的减少和增加主要与加工条件有关[8]。王博[24]发现对绿茶渣进行挤压膨化后,其游离氨基酸含量提高了2.3倍。本研究中,挤压膨化前的蛹虫草复合谷物杂粮粉蛋白质含量较高,由此导致挤压后的膨化产品中氨基酸含量上升;与谷物杂粮膨化产品相比,蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品缬氨酸的RC值与模式氨基酸更接近。此外,添加蛹虫草后,氨基酸比值系数提高,谷物杂粮膨化产品的总必需氨基酸占总氨基酸的比例和总必需氨基酸占非必需氨基酸的比例符合FAO/WHO标准模式所规定的40%和60%,由此说明蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品的营养价值更高[18,25]。硬度是质构仪测定的参数之一,是用来描述与食品变形或穿透产品所需的力有关的机械质构特性,是食品保持形状的内部结合力。产品中的水分含量和淀粉含量都会影响产品的硬度值[26],本研究中,与谷物杂粮膨化产品相比,蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品的硬度上升,推测是由于混合物料在高温高压下迅速失水,蛹虫草和谷物杂粮在螺杆的高剪切力作用下结合更加紧密,从而挤出的产品结构更加致密,硬度上升[27]。此外,物料在强烈的热作用下,淀粉颗粒结构容易被破坏,变成无序结构并产生碎片[28];由此推测谷物杂粮中的大量淀粉在机筒内被破坏,丧失天然晶型结构,并产生碎片,硬度降低,而蛹虫草复合产品中被破坏的淀粉含量较少,且蛹虫草的存在会对谷物杂粮中的淀粉起到保护作用,降低高温高压和高剪切力对淀粉的破坏,从而提高产品最终的硬度。蛋白质的降解,凝胶强度的减弱会导致产品脆性的降低[29]。由此推测,蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品中的大量蛋白质在挤压过程中发生降解,凝胶强度大幅度减弱,导致产品脆性降低,这与任嘉嘉[30]发现膨化产品的硬度与脆性呈极显著负相关的研究结果一致。淀粉大颗粒物料在挤压过程中与机筒的接触面积小,受到机筒温度的影响小,导致L*值升高[31]。本研究中物料均经过磨粉过60目筛,物料颗粒较小,易与挤压腔壁完全接触,受热更均匀,因此,与未添加蛹虫草的谷物杂粮膨化产品相比,蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品的L*下降;而a*、b*、△E值均上升,这与挤压过程中物料受到热效应和剪切效应而发生美拉德褐变和焦糖化反应有关[32]。此外,张杰等[33]发现蛹虫草色素对温度较稳定,由此推测蛹虫草中的色素在挤压环境下降解率较低,从而导致添加蛹虫草和未添加蛹虫草的膨化产品的色泽差异显著。
两种产品的电子鼻分析结果表明,谷物杂粮膨化产品和蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品的挥发性物质存在显著性差异,说明蛹虫草赋予了谷物杂粮膨化产品特殊的风味,使其异于普通谷物杂粮膨化产品[34]。GC-MS研究表明,干燥的蛹虫草子实体中有醇类、酮类、呋喃类、烯烃类、烷烃类等物质,其中1-辛烯-3-醇含量较高,呋喃是贡献蛹虫草主要的挥发性物质[11],与谷物杂粮膨化产品相比,蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品的醛类、烷烃类、酸类、烯烃类含量下降,而其总挥发性物质数量显著增加,其中酯类、咔唑类、醚类、炔烃类、吡咯类和帕罗昔丁是其独有的挥发性物质,说明蛹虫草在高温挤压过程中的挥发性物质会有一部分损失,还有一些会改变原来的风味成分而生成新的挥发性成分[35],其中吡咯类化合物具有烘烤坚果香,使得蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品具有咖啡味焦香[36]。姜平等[37]发现自然封闭贮藏下的大米经过蒸煮后,2-戊基呋喃含量显著上升。本研究中,大米是两种膨化产品在挤压前的主要成分,由于蛹虫草的加入,可能会影响大米在高温下的挥发性物质含量,从而导致蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品中2-戊基呋喃含量降低。许多食用菌主要挥发性成分都含有1-辛烯-3-醇,且含量较高[38],这与本研究结果一致。此外,添加蛹虫草后的谷物杂粮膨化产品的醇类物质含量升高,说明蛹虫草在高温高压下能够减少醇类成分的损失,抑制其发生一系列化学反应[39]。YANG等[40]发现松茸曲奇中烃类香气成分的升高是由于松茸粉在加热干燥过程中会发生酯降解和烷氧基的裂解,本研究中,烃类物质在蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品的挥发性成分中较少,而酯类物质在谷物杂粮膨化产品中并未检测到,可能是蛹虫草能够减少谷物杂粮在高温下发生酯降解和烷氧基的降解,从而极大地保留酯类物质,降低烃类物质含量。张敏等[41]发现糊化淀粉和蛋白质对膨化产品的香气有一定的保护作用,经过挤压膨化的产品具有更强的保留低挥发性气味的能力,同时大量淀粉的亲水极性也有利于极性风味分子的保留[42],所以,在本研究中挤压蛹虫草复合谷物杂粮而获得的膨化产品兼具蛹虫草和谷物杂粮特有的香气。添加蛹虫草后并没有对谷物杂粮膨化产品风味产生负面影响,都在感官可接受范围之内,电子鼻和GC-MS结合分析可以显著地反映不同样品的整体风味轮廓和特征香气成分。
4 结论
通过Excel线性规划优解出谷物杂粮粉的配比：大米粉60%、黄豆粉5%、薏米粉10%、红豆粉10%、糯米粉15%,每100 g谷物杂粮搭配10 g蛹虫草制成复配粉,并采用挤压工艺加工成蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品。添加蛹虫草后,谷物杂粮膨化产品的营养价值得到明显改善。此外,蛹虫草复合产品在谷物杂粮的原有米香味基础上增加了蛹虫草的独特风味,显著增进了食品的香气。因此,通过挤压膨化技术可以加工出营养、风味和功能兼具特色的蛹虫草复合谷物杂粮膨化产品。The authors have declared that no competing interests exist.
