箭筈豌豆淀粉理化及消化特性研究

姚月華 唐 寧 楊舒瑩 程永強 賈 鑫

(中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院；植物源功能食品北京市重點實驗室，北京 100083)

箭筈豌豆是一種豆科類植物，生育周期短，具有較強的耐旱、耐貧瘠以及抗逆性，可通過生物固氮作用抑制土壤退化并改善土壤結構[1]，普遍用于農田覆蓋物、綠肥、干草、青貯以及飼料等[2,3]。箭筈豌豆是低脂肪、高淀粉含量的作物，其蛋白質含量約為谷物的2倍[7]。Camila等[8]研究表明，箭筈豌豆種子內含有粗脂肪1.5%～1.7%，粗蛋白28.1%～30.5%，粗淀粉38.06%。箭筈豌豆種子內多酚和黃酮類化合物含量是大豆的 3～5 倍，且箭筈豌豆多酚有更好的抗 β-胡蘿卜氧化的作用，其還原力和清除活性均高于大豆多酚[9]。因此，從箭筈豌豆中提取的淀粉具有較大的市場開發(fā)潛力，可用于制藥、食品和化妝品等行業(yè)。

淀粉是由單一類型的葡萄糖單體組成的高分子多糖，是植物中第二豐富的多糖，僅次于纖維素，淀粉是人類重要的能量來源，也是食品工業(yè)的重要原材料[10]。從結構上看，淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，前者是D-葡萄糖基以α-1,4-糖苷鍵連接的多糖鏈；后者中葡萄糖分子之間除以α-1,4-糖苷鍵相連外，還有以α-1,6-糖苷鍵相連的分支[11]。淀粉是豆類種子中最為豐富的碳水化物，豆類中的淀粉質量分數(shù)通常為 30%～50%[12]，而大多數(shù)其他淀粉原料的淀粉則為 25%～30%[13]。淀粉的理化性質影響食品的黏稠度、硬度和咀嚼度等品質[21, 22]，在食品深加工中，淀粉的理化性質差異決定了其應用方向[23, 24]。一般豆類淀粉中的直鏈淀粉含量較高，具有高的熱黏度、凝膠透明度和凝膠強度等優(yōu)良特性，常被用作芡粉或者制作粉絲、粉條等產(chǎn)品[14,15]；直鏈淀粉高的豆類還可作為食品添加劑，如作為穩(wěn)定劑加入到罐頭、飲料中提高固液相穩(wěn)定性[16]；作為部分脂肪替代物加入火腿腸和香腸中改善口感[17,18]。一些支鏈淀粉含量高的豆類容易膨化，有利于生產(chǎn)豆沙類食品，如赤豆淀粉[19]；一些黏度高、吸水性差的豆類淀粉可制作糕點、面包等，如蠶豆淀粉[20]。

本實驗對箭筈豌豆淀粉的溶解度、膨脹度、透光度、凍融穩(wěn)定性、凝沉特性、糊化特性等理化性質及消化特性進行研究，并與普通豌豆淀粉進行比較，對箭筈豌豆淀粉的產(chǎn)品開發(fā)方向和價值進行討論和探索。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

箭筈豌豆(品種17，國家綠肥產(chǎn)業(yè)技術體系提供)；雙塔普通豌豆淀粉。

豬胰 α-淀粉酶(10 U/mg)、糖化酶(105U/g)、無水乙醇、醋酸鈉、DNS，均為分析純。

1.2 儀器與設備

MJ-BL35D5 攪拌機，4500快速黏度儀(RVA)，T6紫外分光光度計。

1.3 方法

1.3.1 淀粉的提取

取適量箭筈豌豆籽粒并洗去表面塵土，加入蒸餾水保證水量沒過豌豆，浸泡 48 h以上，期間換水3次。將浸泡過后的豌豆研磨之后，40 ℃干燥24 h得到箭筈豌豆粉，加水用攪拌機將豌豆粉打漿，過 100 目篩子濾去豌豆渣。將濾液放置在室溫下靜置沉淀4 h，收集沉淀并將其置于40 ℃烘箱中干燥，烘至表面無水分后刮去蛋白質層，繼續(xù)干燥10 h。干燥結束后，將淀粉塊放入磨粉機研磨，過100目篩，得到箭筈豌豆淀粉。淀粉得率按公式計算：

1.3.2 箭筈豌豆淀粉基本組分的測定

水分含量：參照GB 5009.3—2016中的直接干燥法測定；蛋白質含量：參照GB 5009.5—2016中的凱氏定氮法測定；脂肪含量：參照GB 5009.6—2016中的索氏抽提法測定；灰分含量：參照GB 5009.4—2016中的食品中總灰分的測定方法；總淀粉含量：參考 GB 5009.9—2016，采用酶水解法測定；直鏈淀粉含量：參考 GB/T 15683-2008，采用分光光度法測定。

1.3.3 溶解度(SA)和膨脹度(SP)的測定

參考杜雙奎等[25]的方法并略作修改。稱取 0.5 g 淀粉樣品置于離心管中，加入 40 mL 蒸餾水，漩渦振蕩均勻，分別在 50、60、70、80、90 ℃下水浴加熱攪拌 30 min，冷卻至室溫。在 4 000 r/min 條件下離心15 min，倒出上清液于恒重的鋁盒中，130 ℃下干燥至恒重，稱取上清干燥物質量及管中沉淀物的質量。

式中：m為淀粉樣品質量/g；m1為上清液中溶出物質量/g；m2為管中沉淀物的質量/g。

1.3.4 透明度的測定

參考許鑫等[26]的方法并略作修改。稱取 1.0 g 淀粉樣品于 150 mL 燒杯中，加 100 mL 蒸餾水配制成質量分數(shù)為1%的淀粉乳，在沸水浴中加熱攪拌 20 min，期間需補水保持原有體積。冷卻至室溫后，常溫靜置 0、2、4、6、8、10 h，振蕩搖勻后，分別在620 nm波長下測量淀粉糊的透光率。

1.3.5 糊化特性的測定

參考翟紅梅等[28]的方法并略作修改。使用快速黏度儀(RVA)對箭筈豌豆淀粉的糊化特性進行測定。配制14%質量分數(shù)的淀粉乳，并取30 mL加入專用鋁盒中。將鋁盒卡入 RVA 旋轉塔內，開始測試。實驗參數(shù)：設置起始溫度為 50 ℃，在此溫度下維持1 min 后以 10 ℃/min 的速度升溫至 95 ℃，并維持 2.5 min，此階段結束后將溫度以 10 ℃/min 的速度冷卻50 ℃，并維持 2 min；前10 s攪拌速度為960 r/min，之后保持在160 r/min。測定淀粉糊的黏度曲線和特征值。

1.3.6 凝沉特性

配制1%的淀粉乳，沸水浴中加熱攪拌 20 min，期間需補水保持原有體積，冷卻至室溫后轉移至 100 mL量筒中，于4 ℃冷藏環(huán)境下靜置 0、2、4、6、8、10 h后分別記錄上清液體積，以上清液體積變化反應淀粉凝沉特性及老化特性。

1.3.7 淀粉的凍融穩(wěn)定性

參考郭神旺等[27]的方法并略作修改。配制3%質量分數(shù)的淀粉乳，量取100 mL 淀粉乳于150 mL燒杯中，沸水浴加熱下攪拌 20 min，期間需補水保持原有體積。冷卻后在冰箱中(-20～-15 ℃)冷凍 24 h取出，室溫下自然解凍，在 4 000 r/min 條件下離心 20 min，棄去上清液，測定沉淀物的質量。

式中：m為淀粉糊質量/g；m1為沉淀物質量/g。

1.3.8 消化特性的測定

參照Englyst等[29]的體外模擬酶水解法并略作修改。準確稱取0.2 g待測淀粉于錐形瓶中，加入15 mL pH 5.2的醋酸鈉緩沖溶液，沸水浴20 min。冷卻至室溫后加入5 mL 酶液(含有 290 U/mL α-淀粉酶和15 U/mL糖化s酶)和3顆玻璃珠，置于37 ℃恒溫水浴震蕩鍋內培養(yǎng)，水解20 min和120 min 后，分別取1 mL水解液，加入8 mL無水乙醇使酶液中的淀粉酶和糖化酶失活，之后將混合物于5 000 r/min 轉速下離心10 min。

采用DNS比色法測定葡萄糖含量：取1.0 mL上清液于試管中，加入2.5 mL蒸餾水和1.5 mLDNS試劑，在沸水浴中加熱5 min，取出后冷卻至室溫，向各管中加入20.0 mL蒸餾水，混勻后在540 nm波長下測定吸光值，從葡萄糖標準曲線中查出相應的還原糖質量。

易消化淀粉(RDS)指20 min 內可在小腸被快速消化的淀粉，慢消化淀粉(SDS)指20～120 min 在小腸內緩慢被完全消化的淀粉，抗性淀粉(RS)指120 min 后沒被小腸消化吸收的淀粉，三者含量的計算公式為：

式中：m為酶水解前淀粉中還原糖質量/mg；m20為淀粉酶解20 min后酶解液中還原糖的質量/mg；m120為淀粉酶解120 min后酶解液中還原糖的質量/mg；m總為樣品中總淀粉的質量/mg。

2 結果與分析

2.1 淀粉樣品化學組成

通過水溶提取法獲得箭筈豌豆淀粉得率為11.63%，接近麥麩淀粉得率(13.85%)[4]及豌豆淀粉得率(12.3%)[5]，Vanier等[6]使用0.16%的亞硫酸氫鈉提取木豆，獲得了24%的得率。分別對箭筈豌豆淀粉和市售普通豌豆淀粉的化學組成進行測定，結果如表1所示。箭筈豌豆淀粉中的總淀粉質量分數(shù)高達 91.68%，高于普通豌豆淀粉，表明采用本研究中的淀粉提取方法提取淀粉，效果好，純度高。箭筈豌豆淀粉樣品中，直鏈淀粉質量分數(shù)高于普通豌豆淀粉，甚至高于綠豆淀粉中的直鏈淀粉(28.06%～40.13%)[30]。由于直鏈淀粉具有長線性特征，易發(fā)生締合從而在溶液中更易凝沉，在熱水中易形成膠體溶液，箭筈豌豆淀粉因直鏈淀粉含量高，適合用作食品中的凝膠劑及穩(wěn)定劑。

表1 淀粉樣品化學組成/%

2.2 溶解度和膨脹度

如圖1所示，在 50～60 ℃升溫范圍內，箭筈豌豆淀粉與普通豌豆淀粉的溶解度均無顯著變化；在60～90 ℃的升溫范圍內，2種淀粉的溶解度均隨著溫度的升高而增大，在 80～90 ℃升溫范圍內迅速提升。這是由于隨著溫度的升高，水分加速進入，淀粉受熱糊化、吸水膨脹，此時非結晶區(qū)內的部分直鏈淀粉析出，使得淀粉溶解度上升。升溫至80 ℃時超過了淀粉的糊化溫度，此時水分進入到淀粉的結晶區(qū)和微晶區(qū)，體積膨脹到一定限度后，淀粉顆粒崩解破裂，顆粒內的淀粉分子溶出因此溶解度迅速上升。此外在50～90 ℃的升溫范圍內，箭筈豌豆淀粉的溶解度提高了11.41%，而普通豌豆淀粉則提高了7.13%，箭筈豌豆淀粉的溶解度增長程度要高于普通淀粉，且在65 ℃后箭筈豌豆淀粉的溶解度始終高于普通豌豆淀粉，但相比于馬鈴薯淀粉[12]、綠豆和蕓豆淀粉[26]，2種豌豆淀粉在升溫范圍內的溶解度都處于一個較低的水平。

圖1 不同溫度下淀粉的溶解度

淀粉乳加熱后，淀粉顆粒會膨脹，不同種類的淀粉其顆粒膨脹能力也不同。如圖 2 所示，隨著溫度的升高，兩者的膨脹度都隨之上升，且在60 ℃以后，膨脹度顯著提高。由于淀粉顆粒內有兩部分不相等的結合力，2種淀粉均出現(xiàn)了兩段膨脹過程。箭筈豌豆淀粉顆粒中弱的結合力出現(xiàn)在60～70 ℃，強的結合力在 70 ℃以上；普通豌豆淀粉顆粒中弱的結合力在 60～80 ℃，強的結合力在80 ℃以上。

圖2 不同溫度下淀粉的膨脹度

淀粉的溶解度和膨脹度在一定程度上反應了淀粉類加工產(chǎn)品蒸煮后的糊湯和膨脹情況，在蒸煮過程中，溶解度隨溫度上升而增大，會造成淀粉顆粒的溶出從而使得產(chǎn)品損失率增加，箭筈豌豆淀粉與普通豌豆淀粉的溶解度相似，且都較低，因此加工的產(chǎn)品具有良好的蒸煮特性。同時，在較高溫度下，箭筈豌豆淀粉的膨脹度低于普通豌豆淀粉，反映出其加工產(chǎn)品在蒸煮過程中不易膨脹破裂，產(chǎn)生糊湯現(xiàn)象。因此箭筈豌豆淀粉可能是制作粉條、粉絲等老化類產(chǎn)品的較好原料。

2.3 透明度

淀粉糊的透明度可以用透光率來反映，透光率越高則表示透明度越好，所加工的淀粉產(chǎn)品的亮度也就越高[25]。在室溫下，淀粉透光率隨放置時間變化的情況如圖 3 所示，可見隨著放置時間的延長，2種淀粉的透光率都逐漸下降，且箭筈豌豆淀粉的透光率下降程度大于普通豌豆淀粉，放置 10 h 后，箭筈豌豆淀粉的透光率下降 61.05%，普通豌豆淀粉下降 23.25%。箭筈豌豆淀粉較低的透明度與其具有更較高的直鏈淀粉含量有關，直鏈淀粉分子的分子量較小，糊化后更容易相互凝聚締合使淀粉糊回生，當光線穿過淀粉糊時，會產(chǎn)生反射和散射現(xiàn)象而減弱了光的穿透百分率，使得淀粉的透明程度下降。

圖3 淀粉透光度隨靜置時間的變化情況

2.4 糊化特性

圖4為箭筈豌豆淀粉與普通豌豆淀粉的標準糊化曲線，反映了淀粉在水中由于加熱和冷卻而發(fā)生的黏度變化，2種淀粉呈現(xiàn)出了相同的變化趨勢。當溫度低于淀粉糊化溫度時，黏度幾乎保持不變，在溫度高于糊化溫度時，淀粉黏度迅速上升，并在升溫終點達到峰值；在保溫過程中，淀粉黏度下降并在保溫終點達到低谷，保溫過程中的黏度下降值即為淀粉的崩解值；在降溫階段淀粉黏度持續(xù)上升，保溫終點與降溫終點的黏度差值即為淀粉的回生值。

圖4 2種豌豆淀粉的RVA曲線

由RVA曲線得到淀粉的糊化參數(shù)如表2所示。箭筈豌豆淀粉的糊化溫度為77.35 ℃，高于普通豌豆淀粉，表明箭筈豌豆淀粉中的淀粉顆粒結構更加緊密，淀粉分子間的結合力強，從而使得其抵抗溶脹和破裂的能力更強，因此不易糊化。崩解值反映了淀粉的熱糊穩(wěn)定性，崩解值越大則熱糊穩(wěn)定性越差，箭筈豌豆淀粉的崩解值低于普通豌豆淀粉，說明箭筈豌豆淀粉的熱糊穩(wěn)定性優(yōu)于普通豌豆淀粉，高溫下具有更強的耐熱性和抗剪切性，適合用來加工高溫罐制食品。回復值反映淀粉的冷糊穩(wěn)定性，回復值越大則淀粉的冷糊穩(wěn)定性越差。箭筈豌豆淀粉的回復值低于普通豌豆淀粉，具有更好的熱糊穩(wěn)定性與冷糊穩(wěn)定性。這可能是由于箭筈豌豆中含有更多的直鏈淀粉，而直鏈淀粉會與脂類形成復合體，這種復合體對熱穩(wěn)定，可抑制糊化或膨潤。

表2 淀粉的糊化特性參數(shù)

2.5 凝沉特性

與淀粉糊化相反，老化是淀粉分子重結晶的過程。淀粉在糊化后由于老化作用，會出現(xiàn)上清液和下層沉淀分層的凝沉現(xiàn)象，上清液體積比越大，則表示凝沉性越強，淀粉越易老化。如圖5所示，隨著靜置時間的延長，2種淀粉都產(chǎn)生了不同程度的凝沉，且箭筈豌豆淀粉的上清液體積比在2 h就上升到了較高水平，高達68.17%，并在之后緩慢增加，而普通豌豆淀粉在4 h上升至 68.00%，之后緩慢增加但都處于箭筈豌豆淀粉水平之下。相比于普通豌豆淀粉，箭筈豌豆淀粉凝沉速度更快且凝沉性也更強，說明箭筈豌豆淀粉更易老化。易老化這一特性對淀粉類食品的感官與儲存質量等有不利的影響，但對于利用淀粉回生機理而制成的食品如蝦片、粉皮、粉絲、粉條等，箭筈豌豆淀粉可作為適宜的原材料進行生產(chǎn)。

圖5 淀粉的凝沉特性

2.6 凍融穩(wěn)定性

凍融穩(wěn)定性是淀粉類食品的重要性質，而析水率反映了淀粉在冷加工或貯存中的穩(wěn)定性。凍融析水率低，說明低溫穩(wěn)定性好。將豌豆淀粉的析水率與其他各類淀粉比較，結果如圖 5 所示。箭筈豌豆淀粉的析水率大于普通豌豆淀粉，這也與箭筈豌豆淀粉中的直鏈淀粉比例更高相關。淀粉的凝沉特性結果表示箭筈豌豆淀粉更易凝沉老化，淀粉老化后導致水分的析出，在冷凍過程中，析出的水形成冰晶對淀粉結構造成破壞，從而進一步加劇水分的析出[31]，使得析水率更高。豌豆淀粉的析水率小于刀豆[32]、大于蠶豆[33]、花蕓豆[32]、綠豆[12]，與赤豆[32]類似，且豆類淀粉的析水率遠遠大于馬鈴薯淀粉[12]。這說明豆類淀粉的凍融穩(wěn)定性普遍較差，淀粉糊耐受冷凍、融解等劇烈物理變化的能力較弱。因此箭筈豌豆淀粉不適合應用于需要反復凍融的冷凍食品中。

圖6 豌豆淀粉的析水率及與其他淀粉析水率的比較

2.7 消化特性

豌豆淀粉中的RDS、SDS和RS含量如圖7所示。RSD在 0～20 min 消化時間內會迅速產(chǎn)生高血糖應答，對糖尿病患者和中老年人等人群不利[20]，箭筈豌豆淀粉中的RSD含量低于普通豌豆淀粉，表明其產(chǎn)生的血糖應答反應速度要低于普通豌豆淀粉；SDS在長時間(20～120 min)內緩慢水解，具有緩慢消化吸收、持續(xù)產(chǎn)生葡萄糖維持飽腹感并釋放能量，維持餐后血糖穩(wěn)態(tài)等特殊功能[34]，箭筈豌豆淀粉中的SDS含量與普通豌豆淀粉無顯著性差異；RS則是在120 min內未能被水解的部分，其在人體中不能被消化吸收，能在結腸中發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸與一些小分子化合物，具有高膳食纖維含量、低熱量的特點，有助于潤腸輕體、降低血糖水平，RS含量較高的食物可以作為糖尿病、肥胖患者等特殊人群的主食[35]，箭筈豌豆淀粉中的抗性淀粉含量高于普通豌豆淀粉，消化性較低，因此更有利于在混合膳食中起到降低碳水化合物消化速率的作用，從而降低食品的血糖生成指數(shù)。

圖7 豌豆淀粉中RDS、SDS和RS的質量分數(shù)

3 結論

箭筈豌豆淀粉中直鏈淀粉質量分數(shù)為 46.70%，高于普通豌豆淀粉，在糊化之后更易發(fā)生短期老化，是米線、蝦片等老化類食品的適宜原材料。箭筈豌豆淀粉在高溫下具有較低水平的溶解度和膨脹度，說明箭筈豌豆淀粉適合于生產(chǎn)耐蒸煮的產(chǎn)品，不易發(fā)生糊湯現(xiàn)象。相比普通豌豆淀粉，箭筈豌豆淀粉的凝沉速度更快且凝沉性也更強，說明箭筈豌豆淀粉更易老化，適合于利用回生原理生產(chǎn)的產(chǎn)品，如粉絲、粉條等。箭筈豌豆淀粉呈現(xiàn)出典型的豆類 RVA 曲線，糊化溫度高于普通豌豆淀粉，說明箭筈豌豆淀粉顆粒結構更緊密，不易糊化，具有更優(yōu)的熱糊穩(wěn)定性和冷糊穩(wěn)定性。體外模擬消化結果顯示箭筈豌豆淀粉中可消化淀粉含量低于普通豌豆淀粉，且具有更豐富的抗性淀粉，可用于生產(chǎn)具有高抗性淀粉含量的食品。本研究拓展了綠肥作物的經(jīng)濟價值，為綠肥作物的高值化加工提供了參考，同時也為以箭筈豌豆淀粉為原材料的新型產(chǎn)品的研究與開發(fā)提供了借鑒。