乳清醋营养成分分析及功能性评价研究

玛丽娜,刘扬,乌兰塔娜,陈玉萍*

(1.内蒙古农业大学 生命科学学院,呼和浩特 010020;2.内蒙古农业大学食品科学与工程学院,呼和浩特 010020)

谷物制曲酿醋是中华民族对世界饮食文明的贡献之一,各具风味特色的米醋在我国已有上千年的历史。关于米醋从工艺、风味、营养、保健等方面的研究报道很多[1-3]。本文报道的乳清醋是近年出现于酿造王国的新兵。它是以乳清为原料酿制的醋,而乳清则是现代乳品工业的副产品,其干物质含量相对较低,渗透压较高,导致加工处理技术复杂,设备昂贵,处理成本高,往往被企业当作废水排弃。然而乳清液中仍然含有乳糖、乳清蛋白等多种有机物质和矿物质等可利用物质[4-6]。研制和开发乳清醋则是变废为宝,既可减少对环境的污染又能获得经济效益。国外有乳清粉、乳清饮料、制取乙醇的研究报道[7-9],也有很多酿制果醋的报道[10-13],但没有查阅到乳清醋的报道。如同米醋和果醋,乳清醋也涉及到工艺、风味、营养、功能等方面的研究和探讨。研究分析乳清醋的主要营养成分及其保健特点,找出与米醋营养成分的不同之处,可以全面地认识乳清醋这一新生食物,有利于实现加工增值和综合提高乳业资源的利用率,并为产业化开发乳清醋提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 原料

乳清液样本由内蒙古伊利股份公司提供。在内蒙古农业大学乳品实验室对乳清样品分别进行了马克斯克鲁维酵母酒精发酵和巴斯德醋酸杆菌醋酸发酵工艺而制得乳清醋(总酸为5.52 mg/dL)作为测试样本。

1.1.2 主要试剂

5-磺基水杨酸、盐酸、硝酸、高氯酸、氧化镧(均为优级纯);纯镁、纯锌、铁粉、金属锰(均为光谱纯)。

1.1.3 主要仪器设备

6890N/5975B气相色谱-质谱联用仪 美国安捷伦公司;L-8900氨基酸自动分析仪 日立高新技术公司;WFX-210原子吸收分光光度计 北京科瑞海科学仪器有限公司;固相微萃取手动进样器 美国Supelco公司。

1.2 试验方法

1.2.1 乳清醋中游离氨基酸含量的测定

使用L-8900氨基酸自动分析仪测定。取1 mL样品,加入3 mL 10%的5-磺基水杨酸,振荡混匀,4 ℃静置30 min;高速离心机在12 000×g、4 ℃下离心15 min,上清液经0.22 μm膜过滤上机。根据质量浓度与峰面积的关系,使用外标法定量确定氨基酸组分,单位ng/μL。条件:855-350型色谱柱(4.6 mm×60 mm);柱温134 ℃;双通道紫外检测波长440 nm 和570 nm;进样量20 μL,时间148 min。

1.2.2 乳清醋中挥发性风味物质的测定

采样前将固相微萃取器插在气相色谱-质谱联用仪的进样口处,在250 ℃下进行老化,同时做空白试验,直至无色谱峰出现。量取5 mL乳清醋样于150 mL顶空瓶中,加入2 g氯化钠,密封后置于水浴锅中30 ℃平衡30 min,取出老化好的萃取头,插在样品瓶中,50 ℃下萃取40 min,将萃取头取出,插入气相色谱-质谱联用仪的进样口,250 ℃下解吸5 min。色谱条件 Agilent 6890N气相色谱仪,HP-SMS毛细管色谱柱(30 m×250 μm,0.25 μm)。柱温按程序升温,初温35 ℃保持6 min,然后以5 ℃/min升至150 ℃,再以10 ℃/min升至250 ℃。采用不分流进样,进样口温度270 ℃,载气为He,流量1.0 mL/min。 质谱条件:Agilent 5975 MSD质谱仪,电子轰击离子源(EI),离子源温度230 ℃,接口温度280 ℃,扫描质量范围(m/z)10～450。环境条件:室温25 ℃。

1.2.3 乳清醋中矿物质及维生素含量的测定

钾、钠、钙、铁、镁、锰、锌的测定采用GB 5413.21—2010的方法;氯的测定采用GB/T 12457-2008的方法;磷的测定采用GB/T 5009.87-2003的方法;硒的测定采用GB 5009.93-2010的方法;碘的测定采用GB/T 13882-2010的方法;维生素B1的测定采用GB/T 5009.84-2003的方法;维生素B2的测定采用GB/T 5009.85-2003的方法;维生素C的测定采用 GB/T 5009.86-2003的方法;维生素A和维生素E的测定采用GB/T 5009.82-2003的方法。

2 试验结果与分析

2.1 乳清醋中游离氨基酸含量的测定结果与分析

乳清醋中游离氨基酸含量的测定结果见表1。发现25种氨基酸,包含9种人体必需的氨基酸(Thr、Val、Met、Leu、Ile、Phe、Trp、Lys、His),占氨基酸总量的33.35%。

表1 乳清醋游离氨基酸含量测定结果Table 1 Determination results of free amino acid content in whey vinegar

此外,有16种具有增强人和动物免疫功能作用的蛋白和非蛋白氨基酸,其中含量最高的是精氨酸(27.531 8 ng/μL),对于人体排尿解毒、调节人体酸碱平衡有重要作用。值得注意的是,乳清醋中含有非蛋白氨基酸氨基丁酸及其3种异构体:α-氨基丁酸、β-氨基异丁酸和γ-氨基丁酸(GABA)。后者GABA的浓度为8.493 8 ng/μL,占氨基酸总含量的3.3%,具有重要的生理活性功能。

2.2 乳清醋中挥发性风味物质含量的测定结果与分析

乳清醋中挥发性风味物质在GC-MS图中的出峰情况见图1,测定结果见表2。

图 1 乳清醋中挥发性风味物质GC-MS图Fig.1 GC-MS spectra of volatile flavor substances in whey vinegar

表2 乳清醋挥发性风味物质的测定结果Table 2 Determination results of volatile flavor substances in whey vinegar

由表2可知,通过顶空固相微萃取-气质联用测得乳清醋中挥发性风味物质有36种,包括7大类化合物,其中酸类5种、酯类5种、酮类4种、醇类10种、醛类6种、酚类2种、烷烃类4种。在酸类物质中作为主要功能成分的乙酸的相对百分含量为34.85%。 酯类物质包括乙酸乙酯(10.435%)、乳酸乙酯(0.161%)、乙酸异戊酯(0.046%)、乙酸甘油酯(0.086%)、2-羟基己酸乙酯(0.359%)。其中乙酸乙酯具有水果香气,它是所测得5种酯类化合物中含量最丰富的,并且乙酸乙酯的相对百分含量仅次于乙酸,在36种化合物中位于第二位,因此对乳清醋的香气起着重要的呈味作用。 此外,乙酸异戊酯在乳清醋中含量虽然不高,但由于它具有较强的新鲜果香,有类似熟香蕉、生梨和苹果的气味,因此是酿造制品中所希望得到的香味物质之一。而乳酸乙酯的存在增加了乳清醋的浓厚感,改善了液态发酵醋的口味单调感。

除了酯类物质,其他几类化合物对乳清醋香气的形成同样是不可缺少的。其中 2-庚酮具有梨的香气,糠醛和苯甲醛具有苦杏仁的香气,己醇具有水果香气,庚醇、苯甲醇都有特殊的芳香气味,2-壬酮具有奶油的香气,苯乙醇具有柔和、愉快而持久的玫瑰香气。三癸醛具有甜橘香气,4-乙基苯酚具有木酚香气。

在表2中列出的序号27的α-萜烯醇和序号34的叔丁基对甲酚(BHT),相对百分含量依次为0.418%和0.104%。它们不仅是风味成分,而且具有重要的生物活性功能。

2.3 乳清醋矿物质与维生素含量的测定结果与分析

乳清醋矿物质与维生素含量的测定结果见表3和表4。同国产白米醋和苹果醋相应含量做了对比,结果见表3。

表3 乳清醋、白米醋、苹果醋中矿物质含量的测定结果Table 3 Determination results of mineral content in whey vinegar, white rice vinegar and apple vinegar

由表3可知,在11种矿物质成分中,乳清醋中除氯和钠的含量远低于白米醋和苹果醋,铁含量略低于白米醋和苹果醋,其他8种成分的含量均高于白米醋和苹果醋。乳清醋的钾、钙、镁、锌、硒的含量远高于白米醋和苹果醋。以钾的含量为例,乳清醋71.80 mg/dL,相应的山西白米醋、广东白米醋、苹果醋的钾含量依次为0.028,0.825,22.10 mg/dL。又以硒的含量为例,乳清醋硒含量为1.026 1 μg/L,而山西白米醋、广东白米醋和苹果醋依次为 <0.05 μg/L,0.069 3 μg/L和 0.214 3 μg/L。乳清醋高钾低钠的特点正符合健康摄食的要求,钾、钙、镁、锌、硒等元素在调节人类免疫功能方面有着非常重要的作用,钙是补体的激活剂,其对免疫系统有多方面的作用。锌可直接刺激胸腺细胞的增殖,使胸腺素分泌增加,维持细胞免疫的完整性。硒能增强抗体对抗原的应答反应,促进淋巴细胞增殖,提高机体抗感染能力,还可提高NK细胞对肿瘤的杀伤力[14]。

由表4可知, 乳清醋的维生素A、B1、B2、C、E均高于山西白米醋几倍乃至几十倍,广东白米醋和苹果醋的相应含量,以维生素A为例, 乳清醋为20.2 μg/L,而山西白米醋为0.594 μg/L,广东白米醋为3.57 μg/L,苹果醋为0.446 μg/L。又如维生素B1,乳清醋含量为43.6 μg/L,而后3种依次为1.28,0.18,0.69 μg/L。这些维生素在人类和动物机体免疫系统的正常功能中发挥着重要作用,维生素E能维持机体生物膜的完整性和稳定性,可调节免疫细胞的信号转导和基因表达,从而改善免疫状况,提高抗感染能力。而维生素A是T细胞生长分化、激活过程中不可缺少的因子,可促进B细胞产生抗体,和NK细胞增殖。Friedman和Sklan认为对动物而言,维生素A在扩大和增强免疫能力方面显示的作用远比饲料效价和最佳生长大得多。维生素B1与B2可提高粒细胞的数量及其吞噬能力[14]。

3 讨论

我们在乳清醋营养分析中发现了几点值得研究讨论之处。第一,在乳清醋的氨基酸分析中检测到了色氨酸(Tryptophan,Trp)和γ-氨基丁酸(GABA)成分。通过谢晓材[2]、李利军等[3]、Xia等[15]对米醋产品氨基酸成分的分析研究可知,国内诸多品牌的米醋(如山西老陈醋、镇江香醋、四川保宁麸醋、天津独流老醋等)中均未发现色氨酸和γ-氨基丁酸。色氨酸是必需氨基酸之一,虽然其含量在必需氨基酸中排位靠后,但它有很多重要生理功能,它是人体血清素,也称5-羟基色胺的前体物质,广泛存在于大脑、血管、神经系统、胃肠道系统,是抑制性神经递质,具有调控血管收缩、平滑肌肉收缩、调节人体循环等作用,有抗高血压、抗抑郁、抗失眠、抗胃肠道紊乱等功能,人体缺失色氨酸会引发很多疾病[16-18]。γ-氨基丁酸(GABA)的生理活性近年来得到了许多学者的关注,这方面的研究报道很多。作为非蛋白质氨基酸,GABA具有生物活性功能,参与很多生理活动[19-20],在大脑神经传导和T细胞抗炎反应中起着关键作用。Xia等[21]发现GABA转运蛋白能维持巨噬细胞产生白细胞介素-1β。GABA是人体抑制神经传导质,褪黑素组成成分之一,对于生长激素和催乳激素有增强作用。对失眠、高血压等病症有治疗作用,大脑缺乏GABA时易患上阿尔茨海默症、抑郁症、精神分裂症等疾病[22-23]。乳清醋的色氨酸来源于乳清蛋白的水解产物,而GABA则来源于乳酸菌代谢过程中产生的脱羧酶,使得谷氨酸脱去羧基产生GABA。许多米醋中检测不到色氨酸的原因与原料来源有关。谷物中的蛋白属于非完全蛋白,不含色氨酸或含量较低,且加工过程也会造成营养损失。此外,在米醋的谷物性原料中虽含有谷氨酸,但由于缺乏脱羧酶,不能降解产生GABA,因此在最终的米醋产品中难以检测到这一氨基酸(除非另行添加)。第二,乳清醋风味物质中含有α-萜烯醇和叔丁基对甲酚(见表2中序号27和34)。在米醋风味物质研究中,则未见到含有这两项风味物质的报道。它们不仅是芳香性风味成分,而且具有生物活性功能。α-萜烯醇具有抗炎作用,Suza等[24]报道了α-萜烯醇对胃溃疡有保护性治疗效果,叔丁基对甲酚(BHT)是公认的具有抗氧化作用和阻断体内自由基链反应从而保护细胞膜的功能。此外,Abrew等[25]研究报道,BHT对于内分泌(甲状腺激素、雄激素、雌激素)紊乱具有调节作用。在米醋中缺少该两种成分的原因尚不清楚。第三,乳清醋具有高钾富硒的特点。高钾低钠是健康摄食的方向。硒是微量元素,从20世纪50年代开始,人们认识到了硒在人体生理活动中的重要作用,认同了第21位蛋白氨基酸就是硒代半胱氨酸(Se-Cys)[26]。人体许多酶类的活性离不开硒的参与,Romagne等[27]报道,人体内有54 种蛋白质含有Se-Cys。Bermano等[28]报道,补充富硒食物可以有效地抵抗COVID-19疫病。Chen等[29]进行了用强化硒的食物饲喂小白鼠试验,发现硒对于动物免疫调节和免疫抑制有明显影响。Kang等[30]报道,缺少磷酸化硒合成酶会加重骨关节炎病情。乳清醋的高钾富硒特点源于其乳清原料,而米醋矿物质检测中缺少硒,我们认为这是由于原料中缺少硒。

本研究对乳清醋中的有机酸组分研究不足,对于乳清醋中水溶性短肽类没有涉及。短肽类水解物可能具有更多生物活性功能值得研究。乳清醋在成熟陈酿期,也会发生各种螯合、络合、酯化和内酯化等反应,产生新的风味物质或其他功能性成分,这些都有待于进一步研究。

4 结论

乳清醋营养成分中必需氨基酸种类齐全,具有全价蛋白质特点,而且含有γ-氨基丁酸,α-萜烯醇和叔丁基对甲酚等生物活性成分,高钾富硒,除餐桌调味外,还具有营养增补和保健功能。