黑龍江地區(qū)不同品種蕓豆淀粉的物化特性研究

劉淑婷， 王 穎，2， 佘鐵軍， 佐兆杭， 宮 雪， 張艷莉， 王 迪

（1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江大慶 163319；2. 國家雜糧工程技術(shù)研究中心，黑龍江大慶 163319；3. 齊齊哈爾市疾病預(yù)防控制中心二部，黑龍江齊齊哈爾 161000）

蕓豆（Phaseolus vulgaris），又名菜豆，蝶形花亞科菜豆屬，是一種可食用的豆科植物，原產(chǎn)于美洲的墨西哥和阿根廷。16世紀(jì)末，我國開始引種栽培蕓豆。蕓豆屬于小宗糧豆作物，含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、膳食纖維等營養(yǎng)成分，每100 g干蕓豆粒中蛋白質(zhì)約占22.5%，淀粉約占59.6%，鉀和鈉分別占1.52%和0.08%。因此，蕓豆還是一種高鉀低鈉的食品，具有極高的營養(yǎng)價值[1-3]。目前，黑龍江省是我國種植蕓豆種類和數(shù)量最多的省份之一。隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，蕓豆的生產(chǎn)量和出口量逐年增加，其作為黑龍江雜糧種植的主要種類之一，在營養(yǎng)價值、品種資源和種植產(chǎn)量等方面具有不可替代的優(yōu)勢。

淀粉通常以淀粉粒的形式貯存在植物細(xì)胞中，是豆科植物中的主要碳水化合物。淀粉作為蕓豆中的主要化學(xué)成分，其物化特性直接影響蕓豆制品的加工特性和食用品質(zhì)。由于品種、種植環(huán)境、栽培模式等因素的影響，淀粉的理化性質(zhì)存在差異[4]。目前，關(guān)于單一品種蕓豆淀粉的物化特性（如顆粒形貌、糊化特性、老化特性等）研究已有一定報道，但缺乏對同一地區(qū)、不同品種蕓豆淀粉理化性質(zhì)間的差異性研究。試驗以黑龍江地區(qū)產(chǎn)量較高的紫花蕓豆、紫圓蕓豆、奶白花蕓豆、紅蕓豆為原料，系統(tǒng)地探究同一地區(qū)、不同品種蕓豆淀粉的物化特性，旨在為不同品種蕓豆淀粉資源的開發(fā)及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

紫花蕓豆、紫圓蕓豆、奶白花蕓豆、紅蕓豆，產(chǎn)自黑龍江黑河市；鹽酸、氫氧化鈉，均為分析純，遼寧泉瑞試劑公司提供。

BS224S型電子天平，鶴壁市鑫泰高科儀器制造有限公司產(chǎn)品；S220型pH計、RVA4500型快速黏度分析儀，瑞典波通儀器公司產(chǎn)品；MJ-10A型磨粉機，上海浦恒信息科技有限公司產(chǎn)品；高速臺式離心機，上海安亭科學(xué)儀器廠產(chǎn)品；DGG-9023A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海森信實驗儀器有限公司產(chǎn)品；Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），美國Thermo Fisher 公司產(chǎn)品。

1.3.1 蕓豆淀粉的制備

將不同品種蕓豆分別清洗3次，浸泡8 h，去皮，于35 ℃條件下烘干，干磨并過80目篩，將蕓豆粉加入料液比為1∶7（g∶mL），0.2 g/100 mL的NaOH溶液中，用置頂式攪拌器攪拌均勻后，于室溫下浸提3 h，以轉(zhuǎn)速4 000 r/min離心10 min，棄去上清液，除去沉淀區(qū)中上層黃褐色的物質(zhì)，將最底層沉淀水洗并離心，重復(fù)4次，直至淀粉漿呈白色。用1 mol/L HCl調(diào)節(jié)溶液pH值至7.0，離心，于30 ℃條件下干燥24 h，研磨過80目篩，即得蕓豆淀粉。

1.3.2 蕓豆基本成分分析及淀粉得率測定

水分含量：參照GB 5009.3—2016食品中水分的測定；灰分含量：參照GB 5009.4—2016食品中灰分的測定；蛋白質(zhì)含量：參照GB 5009.5—2016食品中蛋白質(zhì)的測定；脂肪含量，GB 5009.6—2016食品中脂肪的測定；淀粉含量，GB 5009.9—2016食品中水分的測定。

根據(jù)所得蕓豆淀粉的干基質(zhì)量與蕓豆粉總質(zhì)量的百分比進(jìn)行計算，得出不同品種蕓豆淀粉的得率[5]。

式中：m1——提取到的干燥淀粉質(zhì)量，g；

m2——蕓豆全粉質(zhì)量，g。

1.3.3 淀粉基團(tuán)分析（FTIR）

稱取干燥過的蕓豆淀粉1～2 mg，再加入200 mg經(jīng)過磨細(xì)干燥的KBr粉末，充分研磨，混合均勻后，放入傅里葉紅外光譜儀中進(jìn)行全波段掃描，掃描范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，得到蕓豆淀粉的紅外光譜圖[6]。

1.3.4 淀粉溶解度和膨脹度測定

準(zhǔn)確稱取0.5 g蕓豆淀粉樣品，置于45 mL已知質(zhì)量的帶蓋離心管中，加入蒸餾水40 mL，振蕩混勻后，分別于50，60，70，80，90 ℃恒溫水浴鍋中水浴加熱30 min，每隔5 min振蕩1次，取出冷卻至室溫，以轉(zhuǎn)速3 500 r/min離心20 min。倒出上清液，于120 ℃條件下干燥至恒質(zhì)量后稱取溶出物質(zhì)量，同時稱取管中沉淀物質(zhì)量[7]。

式中：m1——上清液溶出物質(zhì)量，g；

m2——離心管中沉淀物質(zhì)量，g；

SA——溶解度；

SP——膨脹度；

淀粉乳加熱后易形成膠體溶液，若離心后上清液中仍有少量膠體懸浮則一并倒出，僅以留在離心管沉淀質(zhì)量計算膨脹度[8]。

1.3.5 淀粉凍融穩(wěn)定性分析

稱取1.5 g蕓豆淀粉（干基），置于帶蓋離心管中，加入25 mL蒸餾水，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的淀粉乳溶液，振蕩混勻后快速加熱到95 ℃，恒溫水浴30 min，取出后迅速冷卻到25 ℃。將得到的凝膠在4 ℃下冷藏24 h，再在-18 ℃下冷凍12 h后取出，于室溫下溶解，振蕩溶化后的淀粉溶液使之分散均勻，以轉(zhuǎn)速3 500 r/min離心20 min，倒掉上清液，稱取沉淀物質(zhì)量，計算析水率[9]。

式中：I——析水率，%，

m1——淀粉糊質(zhì)量，g，

m2——沉淀質(zhì)量，g。

1.3.6 淀粉凝沉特性分析

稱取1.0 g淀粉樣品，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的淀粉糊，置于45 mL的離心管中，振蕩混勻后于95 ℃恒溫水浴30 min，每隔5 min振蕩1次，取出后快速冷卻至室溫，靜置，觀察淀粉顆粒沉降及樣品分層情況，每隔一段時間記錄上層清液的體積，用上清液的體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化來繪制曲線，從而表示淀粉糊的凝沉性。

1.3.7 淀粉糊老化特性分析

準(zhǔn)確稱取3.5 g蕓豆淀粉（干基） 樣品于鋁盒中，加入25 mL蒸餾水，于35 ℃條件下保溫3 min，以6 ℃/min的速率加熱到95 ℃，保溫5 min，以6 ℃/min的速率降溫到50 ℃，用儀器配套軟件分析得到曲線[10]。

數(shù)據(jù)采用SPSS 20統(tǒng)計學(xué)軟件進(jìn)行差異分析，Excel軟件繪制相關(guān)圖表。

2 結(jié)果與分析

蕓豆基本成分含量和淀粉得率見表1。

從表1可以看出，蕓豆全粉中淀粉和蛋白質(zhì)含量較高，其他物質(zhì)含量較少。在同一栽培地區(qū)內(nèi)，不同品種蕓豆中所含基本成分含量不同。其中不同品種中淀粉含量差異較大，蛋白質(zhì)、脂肪、水分和灰分含量較為接近。紫圓蕓豆中淀粉含量最高為48.90%±0.09%，紅蕓豆中淀粉含量為40.69%±0.15%，相對較少。但所測不同品種蕓豆中淀粉含量均在40%～50%，與楊紅丹所測得雜豆中粗淀粉含量相符[2]。同一區(qū)域不同品種的蕓豆淀粉組成成分的含量差異可能與蕓豆品種的遺傳基因有關(guān)[11]。采用堿液浸提法提取的不同品種蕓豆淀粉，其得率大小表現(xiàn)為紫圓蕓豆＞奶白花蕓豆＞紫花蕓豆＞紅蕓豆。在同一工藝條件下制備的不同蕓豆淀粉得率不同，這主要與蕓豆自身所含淀粉含量有關(guān)，而蕓豆中蛋白質(zhì)和脂肪會包裹在淀粉顆粒表面，或通過與淀粉結(jié)合形成脂質(zhì)-淀粉復(fù)合物的形式間接影響蕓豆淀粉的得率。

表1 蕓豆基本成分含量和淀粉得率

不同品種蕓豆淀粉紅外光譜圖見圖2。

圖2 不同品種蕓豆淀粉紅外光譜圖

中紅外光譜分為官能團(tuán)區(qū)和指紋區(qū)，其頻率范圍為 4 000～1 300 cm-1及 1 300～400 cm-1。利用傅里葉紅外光譜儀研究不同品種蕓豆淀粉分子基團(tuán)結(jié)構(gòu)及化學(xué)鍵的區(qū)別。紫花蕓豆、紫圓蕓豆、奶白花蕓豆、紅蕓豆淀粉分別在2 929.35，2 929.98，2 928.92，2 928.10 cm-1處出現(xiàn)特征吸收峰，對應(yīng)著C-H的伸縮振動峰， 1 648.33，1 648.30， 1 648.87， 1 650.75 cm-1對應(yīng)為C=O振動吸收峰，指紋區(qū)在1 166，979，859，573 cm-1處出現(xiàn)吸收峰，分別對應(yīng)C-O，C-C伸縮振動峰和C-H面外彎曲振動吸收峰。不同品種的蕓豆淀粉所出現(xiàn)的特征吸收峰基本相同。

不同品種蕓豆淀粉溶解度變化曲線見圖2，不同品種蕓豆淀粉膨脹度變化曲線見圖3。

圖2 不同品種蕓豆淀粉溶解度變化曲線

圖3 不同品種蕓豆淀粉膨脹度變化曲線

膨脹度表示淀粉顆粒在受熱膨脹過程中的吸水能力，反映了淀粉顆粒內(nèi)鍵的結(jié)合程度，而溶解度與淀粉顆粒在膨脹中的溶解能力相關(guān)[4]。

由圖2可知，不同品種的蕓豆淀粉溶解度不同，但其溶解度隨溫度變化趨勢相同，溶解度均隨溫度升高而逐漸增大。在溫度低于70 ℃時，4種蕓豆淀粉溶解度隨溫度變化緩慢，不同品種間的蕓豆淀粉溶解度差異不顯著；當(dāng)溫度高于70 ℃時，淀粉溶解度有明顯增加趨勢，紫花蕓豆淀粉的溶解度最高，奶白花蕓豆淀粉溶解度相對較低。由圖3可知，不同品種蕓豆淀粉的膨脹度隨溫度升高逐漸增加，在50 ℃時4種蕓豆淀粉的膨脹度相近，可能由于溫度過低導(dǎo)致淀粉顆粒無法吸水膨脹，膨脹度差異不顯著；而溫度高于70 ℃時，蕓豆淀粉的膨脹度隨溫度升高迅速上升，其中紫花蕓豆淀粉的膨脹度顯著低于其他3種淀粉，這可能是由于溫度升高使淀粉乳溶液形成膠體，離心不充分，使得此刻的蕓豆淀粉溶解度增加而膨脹度減小。

不同品種蕓豆淀粉的析水率見表2。

表2 不同品種蕓豆淀粉的析水率/ %

由表2可知，不同品種蕓豆淀粉的析水率隨凍融時間逐漸增加，不同品種間蕓豆淀粉凍融穩(wěn)定性差異顯著。凍融1 d后蕓豆淀粉的析水率大小為奶白花蕓豆＞紫圓蕓豆＞紫花蕓豆＞紅蕓豆，當(dāng)凍融時間為2 d時，蕓豆淀粉的析水率迅速上升。凍融穩(wěn)定性直接反映了淀粉糊接受低溫冷凍和室溫溶解條件下的穩(wěn)定能力，從而影響到冷凍類淀粉食品的風(fēng)味和質(zhì)地。由此可見，奶白花蕓豆的凍融穩(wěn)定性最差，不適合作為淀粉原料制作冷凍食品。

不同品種蕓豆淀粉的凝沉特性變化曲線見圖4。

圖4 不同品種蕓豆淀粉的凝沉特性變化曲線

凝沉是淀粉分子由無序到有序的重排過程，淀粉的凝沉特性主要與淀粉的老化性質(zhì)相關(guān)，因此可將凝沉特性作為淀粉老化的考查指標(biāo)，以此判斷淀粉糊的老化性能。由圖4可知，同一地區(qū)不同品種蕓豆淀粉的凝沉率均隨時間增加而升高，但當(dāng)靜置時間超過3 h，淀粉的凝沉率隨時間增加趨于平穩(wěn)。在相同時間內(nèi)，紫花蕓豆淀粉的凝沉率明顯低于其他3種，說明紫花蕓豆淀粉較其他3種蕓豆更易發(fā)生老化現(xiàn)象，紫花蕓豆淀粉顆粒與水結(jié)合力較強，所以凝沉率低。

不同品種蕓豆淀粉糊老化特征參數(shù)見表3。

蕓豆淀粉糊化溫度75.10±0.04～79.05±0.03 ℃，其中紫花蕓豆淀粉糊化溫度最高，紅蕓豆淀粉糊化溫度最低，這與杜雙奎的研究結(jié)果相符[7]，糊化溫度越小，表明淀粉越易吸水和膨脹，越易糊化，紅蕓豆淀粉糊化溫度最低，說明其所含的淀粉對膨脹和破裂的抵抗性較小，易于糊化。峰值黏度反映了淀粉與水的結(jié)合能力，紫圓蕓豆淀粉的峰值黏度顯著低于其他3種淀粉，說明紫圓蕓豆淀粉與水結(jié)合能力相對較弱；4種蕓豆淀粉的谷值黏度差異不大。衰減值表示淀粉糊的熱穩(wěn)定性，回生值反映淀粉糊的老化趨勢，紅蕓豆的衰減值最低，奶白花蕓豆的回生值最大，所以紅蕓豆的熱穩(wěn)定性相對較好，奶白花蕓豆則具有較好的回升趨勢。

表3 不同品種蕓豆淀粉糊老化特征參數(shù)

3 結(jié)論

以黑龍江地區(qū)產(chǎn)量較高的紫花蕓豆、紫圓蕓豆、奶白花蕓豆、紅蕓豆為原料探究同一地區(qū)不同品種蕓豆淀粉的物化特性。結(jié)果表明，不同品種的蕓豆淀粉基本成分含量不同，紫圓蕓豆的淀粉得率最高為31%。不同蕓豆品種出現(xiàn)的特征吸收峰基本相同，說明同一地區(qū)不同品種蕓豆淀粉基團(tuán)一致。同一地區(qū)不同品種蕓豆淀粉的溶解度和膨脹度不同，溫度低于50 ℃時，不同品種蕓豆淀粉溶解度和膨脹度差異不顯著；當(dāng)溫度高于70 ℃時，紫花蕓豆淀粉溶解度最高，奶白蕓豆淀粉膨脹度最高。奶白花蕓豆的析水率最大，凍融穩(wěn)定性最差，不適合作為淀粉原料制作冷凍食品。在同一時間段內(nèi)，紫花蕓豆淀粉的凝沉率相對較低，更易發(fā)生老化現(xiàn)象。4種蕓豆淀粉糊化特性不同，其中紅蕓豆淀粉糊化溫度最低，更易糊化，但紅蕓豆淀粉的回生值相對較高，說明紅蕓豆淀粉糊化后易回生。試驗系統(tǒng)地研究黑龍江地區(qū)4種蕓豆淀粉的顆粒形貌、基本理化特性及淀粉糊老化性質(zhì)，為不同品種蕓豆在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供依據(jù)。