豌豆淀粉的提取及其理化性質(zhì)的研究

裴亞瓊 宋曉燕 楊 念 賈艷培

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

豌豆是一種以淀粉和蛋白質(zhì)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(zhì)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(yè)原料，又可直接食用，還可廣泛地用于紡織、輕化、醫(yī)藥等方面。

由于豌豆中主要物質(zhì)是淀粉和蛋白質(zhì)[5-7]，因此豌豆淀粉提取率的高低主要體現(xiàn)在蛋白質(zhì)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(huán)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(xiàn)機械化生產(chǎn)，且酸漿法受原料和氣候等的影響很大，產(chǎn)品的質(zhì)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(zhì)與淀粉分離，該法簡單方便，蛋白質(zhì)殘留量低。

本試驗以中豌四號為原料，為了優(yōu)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(zhì)量分數(shù)對淀粉中蛋白質(zhì)殘留量和淀粉得率的影響，并對豌豆淀粉顆粒的表面結(jié)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(yè)化生產(chǎn)及應用提供理論依據(jù)。

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(yī)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(mào)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(zhì)量分數(shù)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(diào)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(zhì)量的3倍)洗滌2次。沉淀溶于自來水中，用3% HCl調(diào)pH至7.0，離心，去除上清液，仔細刮去沉淀的上層黑色物質(zhì)。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(zhì)量分數(shù)3個因素為自變量，以蛋白質(zhì)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(zhì)殘留量測定

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

蛋白質(zhì)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(zhì)量/g；6.25為氮換算為蛋白質(zhì)的系數(shù)；W為樣品的質(zhì)量/g；H為樣品的水分含量/%。蛋白質(zhì)殘留量以2次獨立測定結(jié)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(zhì)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(nèi)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(shù)據(jù)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(jié)果采用Design Expert 7.0軟件進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應面試驗結(jié)果

按照表1中試驗設計進行淀粉提取的優(yōu)化，可得試驗結(jié)果。由試驗結(jié)果看出，通過控制料液比、提取時間和NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)，可以得到蛋白質(zhì)殘留量為0.12%～2.08%的豌豆淀粉，淀粉得率為豌豆干基質(zhì)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(jié)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(zhì)量分數(shù)對蛋白殘留量的影響極顯著，其顯著順序為：堿液質(zhì)量分數(shù)>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(zhì)量分數(shù)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(yōu)提取條件的一個比較合適的模型。

根據(jù)表1所示的試驗結(jié)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(qū)域內(nèi)存在預測的最低點。對表1中試驗結(jié)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(jù)模型可預測在穩(wěn)定狀態(tài)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(zhì)量分數(shù)0.43%。在此條件下進行3次放大試驗。結(jié)果表明，制備的豌豆淀粉蛋白質(zhì)殘留量為(0.081±0.005)%，淀粉得率為豌豆干基質(zhì)量的30.5%。

圖1 液料比、提取時間和堿液質(zhì)量分數(shù)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(guī)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(chǎn)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(shù)，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(shù)

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(jié)構進行研究，其鏈長分布如圖4所示。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，最高峰值出現(xiàn)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(jié)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(jié)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(zhì)量分數(shù)>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(zhì)量分數(shù)0.43%，在此工藝條件下制得豌豆淀粉的蛋白質(zhì)殘留量為(0.081±0.005)%，淀粉得率為豌豆干基質(zhì)量的30.5%。

3.3 掃描電鏡照片顯示，豌豆淀粉顆粒為不規(guī)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(chǎn)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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