綠豆淀粉凝膠的質構特性和超微結構研究

楊玉玲 張 沫 陳銀基 王素雅 仇紅娟 楊莉莉

(南京財經大學食品科學與工程學院江蘇省糧油品質控制及深加工技術重點實驗室，南京 210046)

綠豆是我國人民喜愛的傳統雜糧，除具有食用價值外，還具有清熱解毒、降低血脂、消腫利尿、明目降壓等功效［1］。綠豆的最主要成分是淀粉，淀粉的凝膠特性決定著綠豆粉絲、綠豆涼粉等綠豆制品的品質，因此研究綠豆淀粉的凝膠特性具有重要意義。

淀粉的凝膠特性包括質構特性、流變特性和保水性等性質。受淀粉的組成、顆粒形態、淀粉糊化溫度、淀粉糊放置時間、添加物種類和添加量等多種因素影響。梁靈等［2］研究了小麥淀粉凝膠的質構特性，認為小麥品種顯著地影響其淀粉凝膠硬度。Choi等［3］報道了小麥淀粉凝膠的硬度隨含水量增加而顯著下降。Lu等［4］研究了大米淀粉的質構和流變特性，認為凝膠的硬度和黏性隨淀粉濃度增加而增加。張兆琴等［5］認為添加蔗糖和NaCl對米淀粉凝膠硬度影響較小。Sandhu等［6］比較了不同品種的玉米淀粉凝膠的硬度、彈性、黏聚性等質構特性。陶錦鴻等［7］研究了不同淀粉乳濃度、糖的種類、pH值以及吐溫－80濃度對蓮子淀粉凝膠質構的影響。Santhanee等［8］研究了木薯淀粉、馬鈴薯淀粉和米淀粉等不同配比時凝膠的質構特性。Dhillon等［9］報道了加入碘能導致淀粉凝膠的硬度和彈性下降。近年來，金彥剛等［10］分析比較了不同品種綠豆中的淀粉含量和直鏈淀粉含量，鐘葵等［11］報道了綠豆粉的糊化溫度在70.6～78.1 ℃，林偉靜等［12］研究了不同品種對綠豆淀粉質構特性的影響。王充等［13］研究了羧甲基纖維素鈉、單甘酯等改良劑對綠豆淀粉凝膠質構特性的影響。熊柳等［14－15］研究了谷朊粉對綠豆淀粉質構特性的影響，并研究了綠豆發芽后淀粉的質構特性。鑒于蔗糖和檸檬酸均為食品中最常見的調味劑，本研究從綠豆中提取綠豆淀粉，研究與綠豆淀粉凝膠特性相關的淀粉顆粒形態、糊化特性等基本性質;研究淀粉濃度、蔗糖添加量、檸檬酸添加量對綠豆淀粉凝膠質構特性和凝膠超微結構的影響，以期為綠豆淀粉深加工以及新型綠豆產品開發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料

綠豆:中綠1號，江蘇省農科院;試劑:均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.2 儀器

DS－1型高速組織搗碎機:上海標本模型廠;101－3AS型電熱鼓風干燥箱:上海蘇進儀器設備廠;TDL－5－A型低速離心機:上海安亭儀器有限公司;DSC 8000型差示掃描量熱儀:PerkinElmer公司;TA.XT.PLus型質構儀:英國 Stable Micro System公司;TM3000型掃描電子顯微鏡:日本Hitachi公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 綠豆淀粉的提取工藝流程

200 g綠豆→約5倍水浸泡15 h→去皮→組織搗碎機搗碎(10 000 r/min，10 s)→間隔20 s，搗碎7次→過100目篩棄去篩上部分雜質→篩下漿料靜置4～5 h→傾去上清液→再加5倍水浸泡5 h后傾去上清液→重復上述浸泡步驟→至上清液中蛋白質雙縮脲實驗呈負反應→離心(3 000 r/min，10 min)→沉淀→在45℃下熱風干燥→粉碎過100目篩→得綠豆淀粉。

1.2.2 淀粉成分分析

1.2.2.1 基本成分分析

淀粉的水分含量測定采用恒重法，具體步驟見國標GB/T 5009.3—2010;粗蛋白含量測定采用凱氏定氮法，見國標GB/T 5009.5—2010;粗脂肪含量測定采用索氏抽提法，見國標GB/T 5009.6—2003;灰分含量測定采用灼燒法，見國標 GB/T 5009.4—2010。

1.2.2.2 還原糖含量的測定

采用二硝基水楊酸(DNS)比色法［16］。分別吸取0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mL 1 mg/mL 葡萄糖標準液于20 mL具塞試管中，分別補蒸餾水至總體積為2.0 mL，各加1.5 mL DNS溶液后搖勻，沸水浴5 min，定容至20 mL，用1 cm比色皿于540 nm下測定吸光值，以葡萄糖含量為橫坐標，吸光度為縱坐標作標準曲線。

吸取1 mL樣品液于20 mL具塞試管，加1.0 mL蒸餾水，加入1.5 mL DNS溶液后搖勻，以下步驟按標準曲線制備步驟操作，根據標準曲線計算還原糖含量。

1.2.2.3 淀粉含量的測定

試樣處理采用 GB/T 5009.9—2008中酸水解法，測定采用1.2.2.2 法，計算淀粉含量。

1.2.2.4 直鏈淀粉含量的測定

采用比色法測定［17］，準確稱取40.0 mg純直鏈淀粉，加1 mL 95% 乙醇潤濕，加1 mol/L NaOH 9 mL，沸水浴加熱10 min，定容至250 mL。分別吸取0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mL 于 100 mL 容量瓶，再分別加入 0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL 1 mol/L 醋酸酸化，加2 mL碘液(1.3 g碘 +3.5 g KI溶于500 mL水中)，定容至100 mL，靜置20 min。用1 cm比色皿于620 nm下測定吸光值，以直鏈淀粉含量為橫坐標，吸光度為縱坐標作標準曲線。

稱取100.0 mg樣品，加1 mL 95%的乙醇，加1 mol/L NaOH 9 mL，沸水浴中加熱10 min，定容至250 mL。取5 mL定容液，加1 mol/L醋酸1 mL酸化，以下步驟按標準曲線制備步驟操作，根據標準曲線計算直鏈淀粉含量。

1.2.3 淀粉顆粒形態的觀察

將淀粉粒撒在貼有雙面膠的掃描電鏡(SEM)樣品臺上，用吸耳球輕吹使樣品單層鋪于樣品臺的表面，噴金后用SEM觀察，電壓為15 kV。

1.2.4 淀粉糊化溫度的測定

準確稱量4 mg綠豆淀粉置于鋁坩堝中，加8 μL去離子水，密封，在4℃下平衡(24 h)。利用差示掃描量熱儀(DSC)測定淀粉的糊化溫度和糊化熱。掃描溫度范圍30～100℃;掃描速率10℃/min。

1.2.5 淀粉凝膠質構特性的測定

1.2.5.1 淀粉凝膠質構特性的試驗設計

根據單因素試驗結果，選用L9(3)4正交表設計淀粉凝膠質構特性的試驗(見表1)。

表1 綠豆淀粉凝膠特性正交試驗因素及水平/%

1.2.5.2 淀粉凝膠的制備

根據試驗設計，稱取一定量的淀粉，配成所需濃度的淀粉漿(2 g)于7 mL離心管中，90℃下攪拌20 min，冷卻至室溫，在4℃下靜置24 h，得到淀粉凝膠樣品。

1.2.5.3 淀粉凝膠的質構特性測定

使用質構儀測定淀粉凝膠的硬度和彈性。測定條件:TPA模式，P/6探頭，測試前速度5 mm/s，測試中速度1 mm/s，測試后速度5 mm/s，穿刺距離5 mm。

1.2.6 淀粉凝膠超微結構的觀察

淀粉凝膠切至約5 mm厚的小方塊，用2.5%戊二醛固定2～3 d，用乙醇(50%、70%、90%、95%和100%)進行梯度脫水，冷凍干燥，噴金粉，在15 kV電壓下進行掃描電鏡觀察。

1.3 數據處理

所有試驗均為3個樣品重復，所得數據利用SPSS 17.0數據分析軟件進行處理和分析。

2 結果與討論

2.1 綠豆淀粉的組成成分和顆粒形態

由表2可見，綠豆淀粉中含有少量的蛋白質、脂肪、灰分、還原糖等雜質，這些雜質可能會對淀粉的凝膠特性造成一定的影響。綠豆淀粉粒中直鏈淀粉質量分數為36.57%。淀粉中直鏈淀粉含量與淀粉的糊化特性、凝膠特性等關系密切。淀粉糊化后，直鏈淀粉從淀粉粒中瀝出，在冷卻的過程中形成凝膠的三維網狀結構［18］，直鏈淀粉含量與玉米淀粉凝膠硬度呈顯著正相關［6］。

表2 綠豆淀粉的成分/%

綠豆淀粉顆粒大部分呈橢圓形，表面光滑(見圖1)，平均長軸直徑為16.8 μm，顆粒長軸直徑范圍為6.5～30.8 μm，其中大部分在 15 ～25 μm 之間。淀粉凝膠的性質與淀粉的顆粒形狀可能有關，淀粉凝膠根據糊化溫度和時間不同形成的凝膠結構也不同。當淀粉充分糊化時，直鏈淀粉和支鏈淀粉分子均充分展開并相互纏繞形成三維網狀結構，此時凝膠性質與淀粉顆粒形狀無關;但當淀粉糊化不充分時，直鏈淀粉首先從淀粉顆粒中溢出，但支鏈淀粉以殘余的淀粉顆粒形式存在，此淀粉糊冷卻后得到凝膠的網狀骨架是由直鏈淀粉形成的，殘余的顆粒包裹在網狀結構中，淀粉顆粒較大時，凝膠容易破碎，硬度較小。

圖1 綠豆淀粉的顆粒形態

2.2 綠豆淀粉的糊化溫度和糊化熱

綠豆淀粉糊化的起始溫度 TO為(62.37±0.05)℃，峰值溫度 TP為(67.07 ±0.04)℃，糊化的終了溫度 TC為(73.21 ±0.05)℃，H=(7.28 ±0.01)J/g(見圖2)。

圖2 綠豆淀粉的糊化特性

一般情況下用DSC法測定淀粉糊化溫度時，通常采用峰值溫度簡單表達淀粉的糊化溫度，但在制備淀粉凝膠中，需要確保淀粉完全糊化，因此糊化的終了溫度更有參考價值。Sandhu等［6］報道了9種玉米淀粉的 TC在75.1～79.3 ℃之間;楊玉玲等［19］報道了秈米淀粉的 TC為86.79℃;李潔等［20］報道了蓮藕淀粉的TC為74.7℃。在加水量充分的條件下，淀粉的糊化溫度與淀粉的來源、淀粉的提取工藝、淀粉純度等因素有關。林偉靜等［12］用快速黏度計測定了綠豆淀粉的成糊溫度在66.8～72.1℃之間，這種成糊溫度是淀粉糊黏度在加熱的過程中開始增加時的溫度，此法不能測定淀粉糊化的終了溫度 TC。

2.3 淀粉凝膠的質構特性

2.3.1 淀粉濃度對凝膠硬度及彈性的影響

從圖3可以看出，隨著淀粉濃度增加，其凝膠的硬度和彈性均呈增加趨勢。淀粉質量分數從5%增加到6%，再增加到7%時，凝膠的硬度和彈性隨淀粉濃度增加均顯著增加(P＜0.05)，并且幾乎均呈線性增加趨勢，但超過7%后，凝膠的質構特性變化不再顯著。

陶錦鴻等［7］報道了隨著淀粉濃度增加，蓮藕淀粉凝膠硬度呈線性關系增加，而凝膠彈性增加不明顯;杜先鋒等［21］報道了隨著濃度增加，葛根淀粉凝膠硬度呈線性增加。淀粉濃度顯著影響凝膠質構特性是因為隨著淀粉濃度增加，參與形成凝膠三維網狀結構骨架的基本物質增加，必然會導致代表凝膠特性的凝膠硬度和彈性顯著增加;但當淀粉凝膠的網狀結構充分形成后，淀粉濃度對凝膠質構特性的影響減小成為必然，但不同來源的淀粉而言，這種使其凝膠質構特性從顯著變化到非顯著變化所需的淀粉濃度不同。

圖3 淀粉濃度對凝膠質構特性的影響

2.3.2 蔗糖濃度對凝膠硬度及彈性的影響

從圖4可見，綠豆淀粉凝膠的硬度和彈性均隨蔗糖添加量增加而增大。但在添加的蔗糖質量分數低于8%時，淀粉凝膠的硬度和彈性增加均不顯著(P＞0.05);在蔗糖濃度達到16%時，淀粉凝膠硬度與未添加蔗糖的對照樣相比顯著增加(P＜0.05);在蔗糖濃度為12%時，淀粉凝膠的彈性與對照樣相比顯著增加，并顯著低于蔗糖濃度為16%的樣品彈性(P ＜0.05)。

圖4 蔗糖濃度對凝膠質構特性的影響

曾婷婷等［22］報道了添加一定濃度的蔗糖能導致酸改性淀粉凝膠強度增加，但當添加的蔗糖質量分數增加到30%時，凝膠強度反而下降;張兆琴等［5］認為，蔗糖質量分數為6%時，大米淀粉糊的硬度達到最大值。Kim等［23］認為蔗糖分子通過羥基穩定淀粉分子周圍的水分子而改變淀粉凝膠的質構特性。本研究認為，蔗糖與對淀粉凝膠特性產生影響的部分原因可能在于蔗糖分子通過羥基與水分子中的羥基形成氫鍵，從而削弱了水分子與淀粉之間的氫鍵作用，致使淀粉分子間的氫鍵作用增強，進而導致凝膠的硬度和彈性增加;但加入太多的蔗糖時，一部分蔗糖分子與淀粉分子間形成氫鍵，導致淀粉分子間的氫鍵作用減弱，最終導致凝膠硬度等質構特性變差。

2.3.3 檸檬酸濃度對凝膠硬度及彈性的影響

從圖5可以看出，當檸檬酸質量分數為0.1%時，綠豆淀粉凝膠硬度最大，此后隨著檸檬酸濃度增加，凝膠硬度降低，但添加檸檬酸對淀粉凝膠硬度的影響不顯著(P＞0.05)。檸檬酸添加量在0～0.2%時，淀粉凝膠彈性隨著檸檬酸濃度增加而顯著增大，并在質量分數為0.2%時達到最大值，但超過0.2%時，檸檬酸濃度對凝膠彈性影響很小。

呂振磊等［24］報道了隨著檸檬酸添加量增大，馬鈴薯淀粉凝膠的硬度逐漸下降;杜先鋒等［25］報道了改變pH對淀粉凝膠的彈性影響不大，這與本試驗結果不太一致，造成不一致的原因除了與淀粉種類有關外，還與酸性物質添加量的試驗設計有關。當添加檸檬酸質量分數為0.1%時，體系的pH值為4.2，當檸檬酸質量分數增加至0.5%時，pH值為3.2，2種體系中氫離子濃度相差10倍。pH影響凝膠硬度的原因可能是:在pH呈弱酸性情況下，體系中的氫離子主要與水分子結合以H3O+形式存在，導致水分子形成氫鍵作用減弱，并促進了淀粉分子間氫鍵作用，因而凝膠的硬度有所增加;但當氫離子濃度較大時，由于淀粉分子上羥基中的氧具有一定的電負性，也吸引了部分氫離子與之結合，因此導致淀粉分子間形成氫鍵的能力減弱，并導致凝膠硬度下降。

圖5 檸檬酸濃度對凝膠質構特性的影響

2.3.4 3種因素對綠豆淀粉凝膠質構特性的綜合影響

綠豆淀粉濃度、檸檬酸濃度及蔗糖濃度3個因素對綠豆淀粉凝膠質構特性影響的正交試驗結果見表3。

表3 綠豆淀粉凝膠硬度及彈性正交試驗結果

由表3可知，在正交試驗的9個試驗號中，第7號試驗所得的凝膠硬度和彈性均最大，其條件為:淀粉質量分數8%，蔗糖質量分數12%，檸檬酸質量分數0.2%。對表3的試驗結果進行極差分析見表4。

表4 凝膠硬度和彈性正交試驗結果的極差分析

比較表4中影響淀粉凝膠硬度的各因素的K值，發現淀粉濃度、蔗糖濃度和檸檬酸濃度均為K3水平時凝膠的硬度最大，即當淀粉質量分數為8%，蔗糖質量分數為12%，檸檬酸質量分數為0.4%時凝膠硬度獲得最大值。比較各因素的R值發現，影響綠豆淀粉凝膠硬度的主次因子依次為:淀粉濃度、檸檬酸濃度、蔗糖濃度。淀粉凝膠彈性的極差分析結果表明，綠豆淀粉凝膠彈性在淀粉質量分數8%，蔗糖質量分數12%，檸檬酸質量分數0.2%時取得最大值。影響綠豆淀粉凝膠彈性的主次因子依次為:淀粉濃度、蔗糖濃度、檸檬酸濃度。由于凝膠硬度取得最大值的條件與正交試驗的第7號試驗條件基本一致，而凝膠彈性取得最大值的條件與第7號試驗條件完全一致，因此可以確定凝膠質構特性的最佳條件為:淀粉質量分數8%，蔗糖質量分數12%，檸檬酸質量分數0.2%。

2.4 綠豆淀粉凝膠的超微結構

圖6 綠豆淀粉凝膠的超微結構

圖6為綠豆淀粉凝膠的超微結構。從圖6a可見，綠豆淀粉分子經糊化后充分展開呈長鏈狀，長鏈狀淀粉分子通過相互纏結、交聯形成凝膠的三維網狀結構。添加蔗糖后淀粉凝膠的網狀結構變得細密、有序，凝膠孔洞大小相對均一(圖6b)。添加檸檬酸后淀粉凝膠的部分網狀結構變密，但存在著較大的空洞，均勻度變差(圖6c)。同時添加蔗糖和檸檬酸時，淀粉凝膠的網狀結構均勻、致密、網狀結構的骨架變粗，因而能表現出最佳質構特性(圖6d)。

3 結論

綠豆淀粉顆粒大多呈橢圓形，平均長軸直徑為16.8 μm，長軸直徑范圍為 6.5 ～30.8 μm。淀粉的糊化溫度 TO為62.37 ℃，TP為67.07 ℃，TC為73.21 ℃。

綠豆淀粉凝膠的硬度和彈性均隨淀粉濃度或蔗糖添加量增加而顯著增加。獲得凝膠質構特性的最佳條件為:淀粉質量分數8%、蔗糖質量分數12%、檸檬酸質量分數0.2%。影響凝膠硬度的主次因素依次為:淀粉濃度、檸檬酸濃度、蔗糖濃度;影響凝膠彈性的主次因素為:淀粉濃度、蔗糖濃度、檸檬酸濃度。

綠豆淀粉分子經糊化后充分展開、相互纏結和交聯形成凝膠的三維網狀結構，添加蔗糖和檸檬酸能改善凝膠的網狀結構。

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