豌豆淀粉的提取及其理化性質的研究

裴亞瓊 宋曉燕 楊 念 賈艷培

(河南農業大學食品科學技術學院1，鄭州 450002)(國家面粉及制品質檢中心2，商丘 476000)

豌豆是一種以淀粉和蛋白質為主的豆料植物，是世界各地廣泛種植的主要食用豆類之一。豌豆的成熟籽粒中分別含有蛋白質21%～28%和淀粉48%～52%[1]。相比谷物淀粉和薯類淀粉，豌豆淀粉中直鏈淀粉所占比例較大，光粒豌豆淀粉中含直鏈淀粉33%～50%，皺粒豌豆淀粉中含直鏈淀粉60%～88%[2-4]。豌豆淀粉用途極廣，既是食品工業原料，又可直接食用，還可廣泛地用于紡織、輕化、醫藥等方面。

由于豌豆中主要物質是淀粉和蛋白質[5-7]，因此豌豆淀粉提取率的高低主要體現在蛋白質和淀粉分離的效果上。目前，提取淀粉的方法主要有機械分離法、流板槽法及酸漿法[8-10]。機械分離法與流板槽法都存在工藝流程復雜、投資大、用水量高、能耗高、環保處理較難等缺點[11]。酸漿法提取淀粉用水量大(料∶水=1∶20～40)，難以實現機械化生產，且酸漿法受原料和氣候等的影響很大，產品的質量難保證[12]。堿液法通過對豌豆進行堿液浸泡、磨漿、離心處理，使蛋白質與淀粉分離，該法簡單方便，蛋白質殘留量低。

本試驗以中豌四號為原料，為了優化豌豆淀粉的堿法提取條件，采用響應面法研究料液比、提取時間和堿液質量分數對淀粉中蛋白質殘留量和淀粉得率的影響，并對豌豆淀粉顆粒的表面結構和糊化特性及支鏈淀粉鏈長分布進行研究，旨為豌豆淀粉的工業化生產及應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

中豌四號：市購；異淀粉酶：15284-1MU, Sigma-Alorich公司；NaOH、HCl均為分析純。

1.2 儀器與設備

2F130型漿渣自分砂輪磨：鄭州食品機械廠；LG10-2.4A型高速離心機：北京醫用離心機廠；S-3400NⅡ型掃描電子顯微鏡：日本株式會社日立高新技術國際貿易有限公司；Model 4D型黏度速測儀：澳大利亞Newport Scientific公司；DionexICS-3000 型離子色譜儀：戴安公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 堿法提取豌豆淀粉工藝

將豌豆機械去皮，按照不同料液比加入一定質量分數的NaOH溶液，浸泡過夜。將浸泡后的豌豆用磨漿機研磨2次，然后將漿狀物在膠體磨(將乳化細度調為50 μm)中研磨5 min。然后將漿狀物裝入三角瓶中，在35 ℃的水浴搖床中搖動。搖至一定時間，取出，3 000 r/min離心10 min，倒掉上清液，沉淀用自來水(約沉淀質量的3倍)洗滌2次。沉淀溶于自來水中，用3% HCl調pH至7.0，離心，去除上清液，仔細刮去沉淀的上層黑色物質。下層淀粉再用自來水洗滌2次，然后離心，上清液倒掉，樣品于50 ℃烘箱中干燥24 h，研磨并過180目篩(孔徑為90 μm)。

1.3.2 堿法提取工藝的響應面法試驗設計

為獲得理想的淀粉提取條件，采用Box-Behnken設計試驗。選擇料液比、提取時間和堿液質量分數3個因素為自變量，以蛋白質殘留量和淀粉得率為響應值。

1.3.3 水分測定

采用(103±2)℃恒溫烘箱法測定。

1.3.4 蛋白質殘留量測定

采用凱氏定氮法，參考國標GB/T 5511—2008[13]，蛋白質含量計算公式為：

蛋白質含量

(1)

式中：V1為樣品滴定所用HCl標準溶液的體積/mL；V2為空白滴定所用HCl標準溶液的體積/mL；N為HCl標準溶液的濃度/mol/L；0.014為1 mL的1 mol/L HCl標準溶液相當于氮的質量/g；6.25為氮換算為蛋白質的系數；W為樣品的質量/g；H為樣品的水分含量/%。蛋白質殘留量以2次獨立測定結果的平均值表示。

1.3.5 淀粉得率

淀粉得率的計算公式為：

(2)

1.3.6 掃描電鏡觀察

將樣品均勻地撒在有膠性物質的樣品臺上，鍍金處理后，置于掃描電子顯微鏡樣品室中，對樣品進行觀察并拍照。

1.3.7 糊化特性測定

采用黏度速測儀測定豌豆淀粉的糊化特性，參考AACC 標準方法[14]，稍做改動。樣品量2.0 g, 加蒸餾水25.0 mL。測定時, 罐內溫度變化如下：50 ℃下保持1 min，上升到95 ℃(3.42 min), 然后在95 ℃下保持2.7 min, 以后下降到50 ℃(3.88 min)，50 ℃下保持2.0 min。

1.3.8 支鏈淀粉鏈長分布分析

精確稱量豌豆淀粉50 mg溶于5 mL的0.05 mol/L醋酸-醋酸鈉(pH=3.5)緩沖溶液中，之后在沸水浴中保持20 min使淀粉完全糊化，待溶液冷卻至室溫，加入20 μL異淀粉酶，之后在37 ℃恒溫水浴震蕩48 h。待反應完全后取出樣品放入沸水浴中保持20 min，使異淀粉酶失活。過0.45 μm的過濾膜，在反應器中進樣。采用離子色譜儀分析，色譜柱為CarboPacTMPA100(4 mm×250 mm)糖分析柱。流動相A：水；流動相B：100 mmol/L NaOH溶液；流動相C：100 mmol/L NaOH溶液+1 mol/L NaAc溶液，流速：0.8 mL/min。進樣前過0.22 μm濾膜。

1.3.9 數據處理

RVA黏度曲線和淀粉鏈長分布采用Origin 8.0作圖；響應面法試驗結果采用Design Expert 7.0軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 響應面試驗結果

按照表1中試驗設計進行淀粉提取的優化，可得試驗結果。由試驗結果看出，通過控制料液比、提取時間和NaOH溶液質量分數，可以得到蛋白質殘留量為0.12%～2.08%的豌豆淀粉，淀粉得率為豌豆干基質量的12.8%～30.1%。

表1 堿法提取豌豆淀粉的響應面法試驗設計方案

2.2 最佳制備工藝條件的確定

以蛋白殘留量和淀粉得率為響應值，對表1中的試驗結果進行方差分析，見表2。在一次項中，料液比、提取時間和堿液質量分數對蛋白殘留量的影響極顯著，其顯著順序為：堿液質量分數>提取時間>料液比；在二次項上，料液比的平方影響顯著，提取時間和NaOH溶液質量分數的平方影響極顯著；料液比與提取時間交互項對蛋白殘留量的影響不顯著；提取時間對淀粉得率的影響顯著(P=0.022 1)。

表2 方差分析表

注：*和**分別表示0.05(顯著)和0.01(極顯著)顯著水平。

由方差分析可知，模型的F=119.42，P<0.000 1，模型在99%的概率水平上是顯著的。由失擬性分析可知，失擬項的F=6.38，P=0.052 7>0.05，不顯著，說明模型設計的擬合程度較好。因此，該二次方程是預測豌豆淀粉最優提取條件的一個比較合適的模型。

根據表1所示的試驗結果繪出Y1值隨X1、X2和X3變化的關系，如圖1所示，是三個開口向上的曲面圖，說明在試驗區域內存在預測的最低點。對表1中試驗結果進行回歸分析可以得出以下二次多項式的擬合方程：

Y1=0.27-0.17X1-0.24X2-0.71X3-0.09X1X2+0.12X1X3-0.11X2X3+0.12X12+0.24X22+0.61X32

(3)

Y2=21.62+2.55X1+3.13X2-3.05X12

(4)

依據模型可預測在穩定狀態下：蛋白殘留量為0.073%，淀粉得率為25.3%，此時X1=0.42，X2=1.00，X3=0.16，與其對應的實際值分別是：料液比1∶7.26，提取時間18.00 h，NaOH溶液質量分數0.43%。在此條件下進行3次放大試驗。結果表明，制備的豌豆淀粉蛋白質殘留量為(0.081±0.005)%，淀粉得率為豌豆干基質量的30.5%。

圖1 液料比、提取時間和堿液質量分數對蛋白 殘留量影響的響應面圖

2.3 掃描電鏡分析

堿法提取的豌豆淀粉的掃描電鏡照片如圖2所示。由圖2中看出，豌豆淀粉顆粒為不規則的橢圓形或卵形，表面光滑圓潤，與資料報道一致[15-18]。說明堿法提取豌豆淀粉沒有對淀粉顆粒表面產生損壞。

圖2 豌豆淀粉的掃描電鏡照片

2.4 RVA譜分析

淀粉的應用主要是利用其成糊性能，為了研究豌豆淀粉的糊化特性，采用黏度速測儀測定豌豆淀粉、綠豆淀粉、豇豆淀粉和紅豆淀粉的RVA圖譜，如圖3所示。RVA的主要參數，如峰值黏度、熱漿黏度、冷膠黏度和糊化溫度均在表3中列出。由圖3和表3可知，峰值黏度：綠豆淀粉>豇豆淀粉>紅豆淀粉>豌豆淀粉；糊化溫度：豌豆淀粉>紅豆淀粉>綠豆淀粉>豇豆淀粉。

注：1. 綠豆淀粉; 2. 豇豆淀粉; 3. 紅豆淀粉; 4. 豌豆淀粉。圖3 不同豆類淀粉的RVA黏度曲線

表3 不同豆類淀粉的RVA主要參數

樣品峰值黏度/mPa·s熱漿黏度/mPa·s冷膠黏度/mPa·s糊化溫度/℃豌豆淀粉12361172151277．2豇豆淀粉21521495271169．0紅豆淀粉16401516245176．6綠豆淀粉23791644289774．2

2.5 豌豆淀粉的鏈長分布

本試驗采用異淀粉酶對支鏈淀粉進行脫支處理，并利用離子色譜儀對豌豆淀粉的分子結構進行研究，其鏈長分布如圖4所示。從圖4中可以發現，最高峰值出現在聚合度(DP)15，在DP 15之前聚合度是呈遞增趨勢，而在DP 15之后則呈遞減趨勢。并且，豌豆淀粉的鏈長主要分布在DP 9～25。前人以稻米淀粉分子鏈長分布比值(鏈長比值=∑DP ≤11 / ∑DP ≤ 24)將淀粉分子分為長鏈型(L型)和短鏈型(S型)[19]；應用此理論，豌豆淀粉分子為長鏈型(L型)：L型淀粉有較高的糊化溫度，前人的研究及本試驗的結果均與此一致。支鏈淀粉鏈長的分配及聚合度影響著淀粉的黏滯特性。在加熱升溫過程中，長的支鏈分子阻礙淀粉顆粒的膨脹、破裂程度、糊化及冷卻后滯黏度的回升。這也很好的解釋了豌豆淀粉的低峰值黏度、低熱漿黏度及低冷膠黏度。

圖4 豌豆淀粉的鏈長分布

3 結論

3.1 影響豌豆淀粉中蛋白殘留量的因素順序為：NaOH溶液質量分數>提取時間>料液比；提取時間對淀粉得率影響顯著。

3.2 堿法提取豌豆淀粉的最佳工藝條件為：料液比1∶7.26，提取時間18.00 h, NaOH溶液質量分數0.43%，在此工藝條件下制得豌豆淀粉的蛋白質殘留量為(0.081±0.005)%，淀粉得率為豌豆干基質量的30.5%。

3.3 掃描電鏡照片顯示，豌豆淀粉顆粒為不規則的橢圓形或卵形，表面光滑圓潤，堿法提取豌豆淀粉沒有對淀粉顆粒表面產生損壞，不破壞淀粉顆粒的完整性。

3.4 與綠豆淀粉、豇豆淀粉和紅豆淀粉比較，豌豆淀粉具有較低的峰值黏度、熱漿黏度、冷膠黏度和較高的糊化溫度。

3.5 豌豆淀粉支鏈鏈長主要分布在DP 9～25，屬于長鏈型(L型)淀粉，具有較高的糊化溫度。

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