5種豆類淀粉凝膠特性的比較研究

張正茂 周 穎

(湖北工程學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院;湖北省植物功能成分利用工程技術(shù)研究中心，孝感 432000)

豆類是人類三大食用作物(禾谷類、豆類、薯類)之一， 在農(nóng)作物中的地位僅次于禾谷類。目前我國栽培并已收集、繁種入庫的食用豆有 11個屬 17個種， 種植品種和產(chǎn)量均居世界第一位[1]。 除常見的蠶豆、豌豆、紅豆和綠豆等以外，一些雜豆如蕓豆、豇豆(米)、鷹嘴豆等[1-2]也越來越受到人們的重視。豆類富含淀粉，約占其質(zhì)量分數(shù)的50%～60%，因其直鏈淀粉含量較高，而具有凝沉性好、熱黏度高、凝膠強度較高等優(yōu)良特性[3]，被廣泛用于食品、化工等行業(yè)[4-5]。由于豆類淀粉具有成膠能力強、凝膠制品色澤好、持水性好等其他淀粉無法比擬的優(yōu)點，常被人們用于制作粉絲 、粉皮 、涼粉等傳統(tǒng)食品[6-7]，或被用來改善蛋白質(zhì)等復(fù)合物的凝膠特性[8-9]。對于豆類淀粉，目前國內(nèi)外也有相關(guān)報道，主要集中在物化特性和糊化特性方面，例如，繆銘等[10]對不同品種鷹嘴豆淀粉理化性質(zhì)進行了研究，包括淀粉的膨脹度和溶解度、淀粉碘復(fù)合物可見光吸收光譜、淀粉糊的透明度、凍融穩(wěn)定性、 凝沉性等物化特性；杜雙奎等[11]對扁豆的顆粒形貌、糊透明度等特性進行了研究；任順城等[3,7,12]對赤豆、刀豆、蕓豆、鷹嘴豆、飯豆、綠豆和云南特色豆類等進行了較為系統(tǒng)的研究；Ovando-Martínez M等[13]研究了不同地區(qū)種植的豆類淀粉的糊特性及聚合度。除此之外，也有對豆類淀粉凝膠強度的相關(guān)報道，例如，張正茂等[14]對不同來源淀粉進行了質(zhì)構(gòu)特性方面的比較研究，其中包含綠豆淀粉和豌豆淀粉；楊玉玲等[15]對綠豆淀粉凝膠的質(zhì)構(gòu)特性也進行了一定的研究；廖盧艷等[16]研究了綠豆淀粉的質(zhì)構(gòu)特性與粉條品質(zhì)的關(guān)系。由于豆類淀粉的凝膠特性直接影響其在食品工業(yè)中的應(yīng)用，盡管前人做了一些相關(guān)研究，但對于不同種類的豆類淀粉的凝膠質(zhì)構(gòu)特性的比較研究鮮見報道。

因此，本文擬采用質(zhì)構(gòu)儀對不同豆類淀粉在不同濃度下的凝膠質(zhì)構(gòu)特性進行研究，期望能為豆類淀粉的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

綠豆、豌豆、白蕓豆、白豇豆、鷹嘴豆：市售。

1.2 儀器與設(shè)備

TA-XT2i型質(zhì)構(gòu)儀；GT10-1T型離心機；DUG-9246A型干燥箱。

1.3 方法

1.3.1 淀粉樣品的制備

5種豆類淀粉采用研磨法制備，將種子于3倍質(zhì)量的水中浸泡36 h，每隔12 h攪拌一次，以確保種子充分吸水溶脹。浸泡后，棄去浸泡液，去皮，將種子加4倍質(zhì)量的水研磨成漿，并過200目篩網(wǎng)，將不能過篩的殘渣反復(fù)研磨2次；將過篩物沉降12 h，棄去上清液，水洗沉淀(每12 h洗滌一次)至上清液中蛋白質(zhì)雙縮脲實驗呈負反應(yīng)[15]。離心，刮去上層稀軟雜質(zhì)，取沉淀，于55 ℃中干燥12 h，粉碎過篩(100目)備用。

1.3.2 質(zhì)構(gòu)特性測試樣品的制備

參考文獻中淀粉凝膠的制作濃度[15-16]，分3個濃度梯度(即6%、8%、10%)進行樣品的制備。分別取2.400、3.200、4.000 g淀粉(均為扣除水分后的絕干物質(zhì)質(zhì)量)置入50 mL的燒杯中，加水至總質(zhì)量為40.000 g，放入95 ℃的水浴鍋中加熱，開始邊加熱邊攪拌，防止淀粉沉淀后糊化不均勻，待淀粉有黏性后(約4 min)立即停止攪拌以保證液面平整。趁熱封保鮮膜，繼續(xù)95 ℃水浴30 min直至淀粉完全糊化，取出后冷卻至室溫，在7～10 ℃環(huán)境中靜置15 h，形成穩(wěn)定的淀粉凝膠樣品，待測，每個樣品做3個平行試驗。

1.3.3 豆類淀粉中含水量、粗蛋白質(zhì)、粗脂肪和直鏈淀粉含量的測定

淀粉含水量采用105 ℃恒重法，見GB/T 5009.3—2010。

粗蛋白采用凱氏定氮法，見GB/T 5009.5—2010。

粗脂肪采用索氏抽提法，見GB/T 5009.6—2003。

直鏈淀粉含量(碘蘭法)測定參照GB/T 15683—2008的方法：稱取淀粉樣品0.100 0 g于50 mL比色管中，小心加入1.0 mL無水乙醇，將粘在管壁上的淀粉沖下，加入9.0 mL 1.0 mol/L氫氧化鈉溶液，輕搖使淀粉完全分散，封膜后水浴加熱10 min，取出冷卻至室溫，定容至50 mL，搖勻，制得樣品母液。取4.0 mL樣液于100 mL容量瓶中，加入20 mL蒸餾水，1.0 mL 1 mol/L的乙酸溶液，搖勻，再加入碘試劑2.0 mL，搖勻，用水定容至50 mL，混勻，暗處擱置10 min。采取與測定樣品時相同的方法及試劑，將樣品換成4.0 mL 0.09 mol/L氫氧化鈉溶液作為空白溶液，在720 nm波長處用空白對照測得樣品溶液吸光度，根據(jù)標準曲線方程計算直鏈淀粉含量。

直鏈淀粉含量=(吸光度-0.048 1)/0.013 3

1.3.4 豆類淀粉凝膠強度的測定

凝膠強度的測定參考文獻[14]的方法，采用專用測試探頭(P 0.5，直徑5 mm圓柱型)，進行穿刺模式試驗，探頭測試面積小于被測樣品的表面積，測試過程中同時存在壓縮和剪切作用，可表征凝膠樣品對抗局部壓縮和剪切的能力。測定參數(shù)設(shè)定為：觸發(fā)力為2 g，測量前下降速度為1.5 mm/s，測試速度為1.0 mm/s，測量后上升速度為1.0 mm/s，壓縮深度為10 mm，凝膠強度值由質(zhì)構(gòu)儀軟件直接讀取(以測試探頭進入淀粉凝膠中4 mm(4 s)時所受的力為淀粉的凝膠強度值)，每個樣品做3個平行試驗，取平均值。

1.3.5 豆類淀粉TPA質(zhì)構(gòu)特性的測定

測試方法和數(shù)據(jù)處理參考文獻[14]的方法。TPA質(zhì)構(gòu)特性的樣品從燒杯中完整取出，用手工刀切成底面積直徑為4cm(直接利用燒杯的直徑)、高度為1.5cm的圓柱形，并且要保證橫切面平整光滑。選取大于測試樣品直徑的平板轉(zhuǎn)子 (P100，直徑100 mm平板)，采用TPA模式(兩次壓縮模式)，其探頭測試面積大于被測樣品的面積，結(jié)果可以表征凝膠樣品整體對抗外壓的能力。測定參數(shù)設(shè)定為：測定前下降速度1.0 mm/s，觸發(fā)力2 g，測定速度2.0 mm/s，壓縮比50%，測定后上升速度1.0 mm/s。

1.3.6 數(shù)據(jù)分析

采用SASv 8.1軟件進行數(shù)據(jù)分析，所用數(shù)據(jù)為3次平行試驗數(shù)據(jù)，用ANOVA進行方差分析，顯著性檢驗方法為Duncan，檢測限為0.05；用CORR進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 幾種豆類淀粉的直鏈淀粉含量的比較

測定5種豆類淀粉的基本成分如表1所示。

表1 5種豆類淀粉的基本成分表/%

注：同一列不同的小寫字母表示差異顯著(P≤0.05)，其中直鏈淀粉含量以絕干物質(zhì)質(zhì)量計。

由表1可知，5種豆類淀粉的粗蛋白和粗脂肪含量無明顯差異，但直鏈淀粉含量有顯著差異，其中以豌豆淀粉的直鏈淀粉含量最高，白豇豆淀粉和鷹嘴豆淀粉的最低，白蕓豆淀粉和綠豆淀粉的直鏈淀粉含量居中，這與楊紅丹等[2]、任順成等[7]的相關(guān)報道一致。直鏈淀粉含量的多少對淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性有較大的影響[17]。

2.2 幾種豆類淀粉的凝膠強度的比較

圖1為5種豆類淀粉在3個濃度下的凝膠強度測試曲線，得凝膠強度值如表2所示。

圖1 5種豆類淀粉凝膠強度測定曲線圖

淀粉濃度白豇豆淀粉白蕓豆淀粉綠豆淀粉豌豆淀粉鷹嘴豆淀粉6%49.63±1.96c71.40±1.08a67.62±1.34ab71.76±2.86a64.76±3.03b8%125.32±13.22c191.95±1.77ab183.721±12.05ab201.63±3.15a178.83±0.35b10%172.23±38.69e454.10±4.93b422.55±22.51c543.63±8.49a298.20±24.16d

注：同一行不同的小寫字母表示差異顯著(P≤0.05)。

從圖1a可以看出，濃度為6%的5種豆類淀粉凝膠強度的測定過程中，白蕓豆淀粉、豌豆淀粉、白豇豆淀粉的測試曲線都具有折點，說明這3種豆類淀粉凝膠在測試過程中出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，而綠豆淀粉和鷹嘴豆淀粉凝膠的圖形中未出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，說明其淀粉凝膠在測試過程中沒有出現(xiàn)破裂[14]。由圖1b可以看出，8%的淀粉濃度下，5種豆類淀粉凝膠強度測定過程中僅鷹嘴豆淀粉未出現(xiàn)折點，而其他4種淀粉凝膠均出現(xiàn)折點，說明鷹嘴豆淀粉在8%濃度下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不破裂。在濃度為10%時，5種豆類淀粉的凝膠強度測定過程中，測試曲線均出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，說明凝膠在測試過程中均出現(xiàn)了破裂現(xiàn)象。

分析表2可知，3個淀粉濃度下均以豌豆淀粉的凝膠強度最大(分比為71.76 g、201.63 g和543.63 g)，白豇豆淀粉的凝膠強度最小(分別為49.63、125.32、172.23 g)，且淀粉濃度越大，5種豆類淀粉的凝膠強度的差異越顯著。相同濃度條件下，凝膠強度越大，說明分子間的作用力越大，所形成的分子結(jié)構(gòu)也越穩(wěn)定。由直鏈淀粉含量結(jié)果可知，豌豆淀粉的直鏈淀粉最大，白豇豆淀粉的最小，與其凝膠強度的大小一致，說明淀粉的凝膠強度與所含直鏈淀粉有較大的關(guān)系[17]。此淀粉濃度下凝膠強度的大小順序為豌豆淀粉>白蕓豆淀粉>綠豆淀粉>鷹嘴豆淀粉>白豇豆淀粉，豌豆淀粉、白蕓豆淀粉和綠豆淀粉的差異不明顯(P>0.05)。

分析表2還可以看出，隨著淀粉濃度的增大，5種淀粉凝膠強度值都逐漸增大。其中豌豆淀粉凝膠強度隨淀粉濃度的增長的最為明顯，其次是白蕓豆淀粉，增長最慢的是白豇豆淀粉。由此說明，豌豆淀粉凝膠強度受淀粉濃度的影響最大，這可能與其中直鏈淀粉和支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)系[17]。

2.3 幾種豆類淀粉的TPA質(zhì)構(gòu)特性的比較

2.3.1 相同濃度不同豆類淀粉的TPA質(zhì)構(gòu)特性的比較

5種豆類淀粉在淀粉濃度為6%時TPA質(zhì)構(gòu)特性測試曲線如圖2所示，得到的TPA特性參數(shù)如表3所示。

圖2 6%淀粉濃度下5種豆類淀粉的TPA質(zhì)構(gòu)特性測試曲線

由圖2可知，豌豆淀粉的第一個峰為鈍峰，表明豌豆淀粉凝膠在探頭擠壓過重中出現(xiàn)崩潰現(xiàn)象，從而導(dǎo)致豌豆淀粉凝膠第二次壓縮產(chǎn)生的峰比第一個峰小很多，即表現(xiàn)為回復(fù)性最小(0.165，見表3)。

綜合分析圖2和表3可知，在豆類淀粉濃度為6%情況下的TPA質(zhì)構(gòu)特性有顯著差異。對硬度而言，鷹嘴豆淀粉、白蕓豆淀粉、綠豆淀粉的較大(2 281.9～2 687.6) g，豌豆淀粉和白豇豆淀粉形成的較小(1 179.7～1 253.7) g；而黏性則以白蕓豆淀粉的最大(-280.3 g)，鷹嘴豆淀粉的最小(-52.0 g)；彈性以鷹嘴豆淀粉、白豇豆淀粉和綠豆淀粉的最大(0.962～0.984)，白蕓豆淀粉和豌豆淀粉的較小(分別為0.918和0.893)；5種豆類淀粉凝膠的咀嚼性和回復(fù)性均以鷹嘴豆淀粉的最大(2 440.1和0.752)，豌豆淀粉的最小(分別為370.4和0.165)，這是由于豌豆淀粉在6%濃度下形成的凝膠在TPA測試過程中出現(xiàn)破裂(表現(xiàn)為圖2中豌豆淀粉凝膠TPA圖譜的第一個峰為鈍峰)，破裂后的凝膠不能恢復(fù)原狀，第二次壓縮形成第二個峰較第一個峰小很多，從而導(dǎo)致回復(fù)性較小。

淀粉濃度為8%時的5種豆類淀粉質(zhì)構(gòu)特性的測定曲線形狀與濃度為6%時類似，但第一個峰均為尖峰，未出現(xiàn)凝膠破裂現(xiàn)象。淀粉濃度為8%時TPA特征參數(shù)見表4所示。

從表4可以看出，硬度以白蕓豆淀粉和豌豆淀粉最大(分別為8 705.3 g和8 247.2 g)，綠豆淀粉和鷹嘴豆淀粉次之(分別為7 162.3 g和6 254.4 g)，白豇豆淀粉最小(僅為2 438.0 g)；黏性則以綠豆淀粉和白豇豆淀粉的最大(-330.1 g和-300.0 g)，白蕓豆淀粉和鷹嘴豆淀粉的最小(分別為-77.7 g和-59.3 g)；此濃度下5種豆類淀粉凝膠的彈性差異不大，以豌豆淀粉和白蕓豆淀粉的稍大；咀嚼性和硬度的大小規(guī)律相同，仍以白蕓豆淀粉和豌豆淀粉的較大，白豇豆淀粉的最小(僅為2 079.9)；回復(fù)性以鷹嘴豆淀粉的最大(0.617)，白蕓豆淀粉的次之(0.602)，其他3種淀粉的最小(0.565～0.577之間)且差別不顯著(P>0.05)。

10%濃度下的TPA質(zhì)構(gòu)特性測試曲線與8%類似，第一個峰均為尖峰。對圖形進行分析得表5所示的特征參數(shù)。

從表5可以看出，硬度仍以白蕓豆淀粉和豌豆淀粉的較大(分別為16 330.5 g和14 635.0 g)，綠豆淀粉和鷹嘴豆淀粉的次之(分別為12 783.0 g和11 576.6 g)，白豇豆淀粉的最小(僅為5 146.2 g)；黏性則以白豇豆淀粉的最大(-293.2 g)，鷹嘴豆淀粉的最小(-63.0 g)；此濃度下5種豆類淀粉凝膠的彈性差異不大，以鷹嘴豆淀粉的稍大；咀嚼性仍以白蕓豆淀粉的最大，綠豆淀粉、豌豆淀粉和鷹嘴豆淀粉的次之，白豇豆淀粉的最小(僅為4 131.9)；回復(fù)性以白蕓豆淀粉和鷹嘴豆淀粉的最大(分別為0.575和0.581)，白豇豆淀粉和綠豆淀粉的次之(0.525和0.543)，豌豆淀粉的最小(0.509)。

表3 5種豆類淀粉在6%濃度下的TPA質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)

注：同一列不同的小寫字母表示差異顯著(P≤0.05)，余同。

表4 5種豆類淀粉在8%濃度下的TPA質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)

表5 5種豆類淀粉在10%濃度下的TPA質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)

2.3.2 相同豆類淀粉不同淀粉濃度的質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)的比較

5種豆類淀粉凝膠在3個濃度下凝膠的TPA質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)如圖3所示。

由圖3可知，5種豆類淀粉凝膠的硬度隨淀粉濃度的變化趨勢與咀嚼性相似；而5種豆類淀粉凝膠的彈性和回復(fù)性隨淀粉濃度的變化規(guī)律不同。對白蕓豆淀粉和豌豆淀粉凝膠而言，其硬度和咀嚼性隨淀粉濃度的增大而增大的趨勢最明顯，其中豌豆淀粉凝膠的咀嚼性在6%～8%時增長明顯，而后變得平緩，且兩種豆類淀粉凝膠彈性和回復(fù)性則是隨淀粉濃度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(∧型)，由此說明，豌豆淀粉和白蕓豆淀粉需在中等濃度(8%)下才能得到較好的凝膠制品。對綠豆淀粉和鷹嘴豆淀粉而言，其凝膠的硬度和咀嚼性均隨淀粉濃度的增大而增大，濃度較低時增長速度快，而彈性則隨淀粉濃度的增大先減小后增大，回復(fù)性一直減小，這說明綠豆淀粉和鷹嘴豆淀粉凝膠在低濃度下的彈性和回復(fù)性較好，高濃度下硬度和咀嚼性較好。對白豇豆淀粉凝膠而言，硬度和咀嚼性隨淀粉濃度的增大而增大，而彈性和回復(fù)性隨淀粉濃度的增大一直減小，說明白豇豆淀粉凝膠也是在低濃度下的彈性和回復(fù)性較好，高濃度下硬度和咀嚼性較好。對比5種豆類淀粉發(fā)現(xiàn)，白豇豆淀粉雖然硬度和咀嚼性最小，但其彈性和回復(fù)性并非最小，說明豇豆淀粉能制作彈性和回復(fù)性相對較好的凝膠產(chǎn)品，如果凍等，是一種值得開發(fā)的凝膠食品原料。

2.4 豆類淀粉的質(zhì)構(gòu)特性與直鏈淀粉含量的相關(guān)性分析

為了探究豆類淀粉中直鏈淀粉含量對豆類淀粉凝膠特性的影響，將豆類淀粉的直鏈淀粉含量與質(zhì)構(gòu)數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表6所示。

由表6可知，3個淀粉濃度下，凝膠強度與直鏈淀粉含量呈正相關(guān)，其中8%和10%淀粉濃度下達到0.01極顯著水平，結(jié)果與2.2的結(jié)果一致；硬度在較高淀粉濃度下(8%和10%)與直鏈淀粉含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，說明直鏈淀粉含量對凝膠強度的影響大于對硬度的影響。對于彈性而言，在6%和10%淀粉濃度下，其與直鏈淀粉含量呈現(xiàn)負相關(guān)，其中6%濃度達到極顯著水平(P<0.01)，而在8%淀粉濃度下呈顯著正相關(guān)，說明高直鏈淀粉濃度的淀粉在中等濃度下(8%)能形成彈性較好的凝膠，這與2.3.2的分析結(jié)果一致。3個淀粉濃度下，黏聚性均與直鏈淀粉含量呈現(xiàn)極顯著的負相關(guān)(P<0.01)，說明直鏈淀粉含量較高的豆類淀粉凝膠的黏聚性較小，受外力作用時保持自身完整性的能力較弱[18]。咀嚼性在低濃度下(6%)與直鏈淀粉含量呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，而高濃度下則呈現(xiàn)正相關(guān)，濃度為8%時達到顯著水平(P<0.05)，說明直鏈淀粉含量較高的豆類淀粉在高濃度下形成的凝膠制品咀嚼性較好?；貜?fù)性均與直鏈淀粉含量呈負相關(guān)，其中低濃度(6%)下達到極顯著水平(P<0.01)，說明直鏈淀粉含量較高的豆類淀粉在較低淀粉濃度下(6%)的形成的凝膠制品在外力作用下易發(fā)生變形或破裂，這與圖2分析結(jié)果一致。

圖3 5種豆類淀粉TPA質(zhì)構(gòu)參數(shù)隨淀粉濃度的變化

淀粉濃度/%凝膠強度/g硬度/g黏性/g彈性黏聚性咀嚼性回復(fù)性直鏈60.636?-0.472-0.429-0.877??-0.982??-0.729??-0.963??淀粉80.669??0.637?0.1570.540?-0.737??0.607?-0.467含量100.841??0.607?-0.280-0.359-0.946??0.388-0.460

注： **表示極顯著相關(guān)(P<0.01)，*表示顯著相關(guān)(0.01

3 結(jié)論

5種豆類淀粉的凝膠強度以豌豆淀粉最大，白豇豆淀粉最小，其大小順序為豌豆淀粉>白蕓豆淀粉>綠豆淀粉>鷹嘴豆淀粉>白豇豆淀粉。豌豆淀粉的質(zhì)構(gòu)特性受淀粉濃度的影響最大，且在中等濃度下(8%)形成較好的淀粉凝膠；白蕓豆淀粉在高濃度下(8%和10%)制作的淀粉凝膠硬度大，彈性和回復(fù)性好；白豇豆淀粉凝膠的硬度和咀嚼性小，但彈性和回復(fù)性較大，適合制作軟而彈的凝膠制品(例如果凍等)；豆類淀粉的凝膠特性和直鏈淀粉含量有較大關(guān)系，其中凝膠強度與直鏈淀粉含量呈極顯著正相關(guān)，而黏聚性則與直鏈淀粉含量呈極顯著負相關(guān)，其他質(zhì)構(gòu)參數(shù)與直鏈淀粉含量的相關(guān)性因淀粉濃度不同而呈現(xiàn)差異。