雜豆的烹飪性能分析與品質(zhì)提升技術(shù)研究進(jìn)展

郭 晨 王穩(wěn)航

(天津科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457)

雜豆，也稱(chēng)為食用豆類(lèi)(Food Legumes)，是豆科蝶形花亞科(Papilionoideae)植物的種子，我國(guó)栽培的主要雜豆品種有蠶豆、豌豆、綠豆、豇豆、蕓豆，其次為四棱豆、木豆、利馬豆、鷹嘴豆等[1]。作為世界雜豆生產(chǎn)大國(guó)，我國(guó)大多數(shù)雜豆是以原糧或是初級(jí)加工的形式進(jìn)行銷(xiāo)售，附加值不高[2]，另外雜豆消化性較低、適口性較差等自身問(wèn)題也一定程度限制了雜豆的消費(fèi)市場(chǎng)。雜豆種子結(jié)構(gòu)致密、堅(jiān)硬，不易蒸煮，食用前一般需要進(jìn)行預(yù)處理[3]，這與其細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)組成密切相關(guān)。

適當(dāng)?shù)募庸ぬ幚砟芷茐碾s豆的相關(guān)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，縮短其蒸煮時(shí)間并改善適口性和消化特性，同時(shí)也可去除雜豆中的部分抗?fàn)I養(yǎng)因子和豆腥味，改善產(chǎn)品的外觀(guān)和適口性[4]。選擇適當(dāng)?shù)奶幚矸椒軌蛴行У靥岣唠s豆質(zhì)地結(jié)構(gòu)、改善營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及活性成分的吸收與利用，從而有力推動(dòng)了適口性強(qiáng)、營(yíng)養(yǎng)豐富的雜豆食品的開(kāi)發(fā)與市場(chǎng)化。

本文對(duì)比了雜豆種皮和子葉的細(xì)胞壁的異同，分析了雜豆不易蒸煮和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化利用速率低的原因，闡述了去皮、浸泡、蒸煮等不同加工技術(shù)對(duì)雜豆質(zhì)地結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)成分的影響，旨在為合理開(kāi)發(fā)豆類(lèi)健康食品提供參考。

1 植物細(xì)胞壁的組成和形成

植物細(xì)胞壁(Plant cell wall，PCW)可分為初生壁和次生壁兩種類(lèi)型，前者出現(xiàn)較早，后者則是在細(xì)胞壁加厚過(guò)程中才開(kāi)始出現(xiàn)。初生壁的理化性質(zhì)可以決定單個(gè)細(xì)胞的大小和形狀，而次生壁通常更厚，含水量更低[5]。

1.1 植物細(xì)胞壁的組成

植物細(xì)胞壁是多糖(如纖維素、半纖維素、果膠)、非碳水化合物(如木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì))和水組成的超分子基質(zhì)，纖維素、半纖維素、果膠等多糖的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。半纖維素的主要類(lèi)型有木聚糖、木葡聚糖、甘露聚糖和混聯(lián)型葡聚糖。組成果膠的結(jié)構(gòu)域包括同型半乳糖醛酸結(jié)構(gòu)域、鼠李半乳糖醛酸聚糖I結(jié)構(gòu)域和鼠李半乳糖酸聚糖II結(jié)構(gòu)域。除了上述物質(zhì)，細(xì)胞壁中還含有少量的木質(zhì)素、結(jié)構(gòu)蛋白和礦物質(zhì)。雜豆細(xì)胞壁具有一定的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，允許一些小分子物質(zhì)和可溶性因子穿過(guò)細(xì)胞壁，與細(xì)胞膜上的受體結(jié)合[6, 7]。

圖1 植物細(xì)胞壁中主要多糖的結(jié)構(gòu)示意圖[6]

1.2 植物細(xì)胞壁的合成

細(xì)胞壁的形成主要涉及到細(xì)胞壁多糖的合成和組裝，是通過(guò)一系列復(fù)雜的步驟完成的。細(xì)胞壁多糖合成過(guò)程所需的酶及其作用見(jiàn)表1。纖維素在細(xì)胞的質(zhì)膜上合成，半纖維素和果膠多糖在高爾基體上合成，并通過(guò)囊泡運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞外。這些物質(zhì)到達(dá)細(xì)胞外，通過(guò)自組裝和酶介導(dǎo)組裝的方式形成細(xì)胞壁的空間結(jié)構(gòu)。木葡聚糖內(nèi)轉(zhuǎn)糖基酶、酯酶、氧化酶等酶類(lèi)參與了細(xì)胞壁的組裝[8]。此外，與細(xì)胞壁連接的類(lèi)受體激酶將組成細(xì)胞壁的碳水化合物和蛋白質(zhì)與質(zhì)膜連接起來(lái)，促進(jìn)了植物細(xì)胞壁形成[9]。

表1 細(xì)胞壁主要成分合成時(shí)所需的酶

2 細(xì)胞壁的物理特性

2.1 細(xì)胞壁的物理性質(zhì)

纖維素是雜豆細(xì)胞壁的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)特性使細(xì)胞壁具有較高的拉伸強(qiáng)度和一定的抗化學(xué)降解能力[14]。在雙子葉植物的初生壁中，黏附性能在很大程度上取決于果膠多糖上的鈣交聯(lián)[15]。木質(zhì)素具有疏水性，而細(xì)胞壁多糖具有親水性，因此木質(zhì)素與多糖的比例會(huì)影響細(xì)胞壁的持水性和結(jié)合能力。果膠多糖含量高的細(xì)胞壁具有較高的水化特性和流變特性，木質(zhì)素和較長(zhǎng)纖維則可增強(qiáng)細(xì)胞壁的油結(jié)合能力[16]。

2.2 細(xì)胞壁的維系力

維持細(xì)胞壁的化學(xué)鍵可分為共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵兩類(lèi)，包括糖苷鍵、醚鍵、酯鍵、共價(jià)鍵、氫鍵、范德華力等。葡萄糖通過(guò)糖苷鍵彼此連接成鏈，大量的氫鍵使得纖維素的結(jié)晶極為穩(wěn)定，高度致密。半纖維素與纖維素通過(guò)氫鍵結(jié)合，其分支結(jié)構(gòu)促進(jìn)了細(xì)胞壁基質(zhì)中各物質(zhì)之間的結(jié)合。果膠中HG、RG I和RG Ⅱ結(jié)構(gòu)域主鏈通過(guò)共價(jià)鍵連接，D-半乳糖醛酸參與了酯鍵的形成，果膠與果膠之間還形成了鈣離子橋[7, 17]。細(xì)胞壁中還存在著其他成分之間的相互作用。延展蛋白中的堿性氨基酸與果膠的羧基之間能形成離子鍵，蛋白質(zhì)分子與糖分子間會(huì)形成糖苷鍵，酚類(lèi)化合物之間可形成醚鍵[18]。

3 種皮細(xì)胞壁和子葉細(xì)胞壁的異同

雜豆種子結(jié)構(gòu)可大致分為種皮、胚和子葉三部分(見(jiàn)圖2)，種皮附著在種子的最外層，含有較多的結(jié)構(gòu)多糖和多酚類(lèi)化合物。子葉是雜豆貯藏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要器官，含有豐富的淀粉、蛋白質(zhì)、B族維生素和礦物質(zhì)，其細(xì)胞壁多糖和淀粉大約占種子干重的四分之三[19]。雜豆細(xì)胞壁雖然都是由纖維素、果膠和半纖維素組成，在種皮和子葉中也存在著較大差異[20]。

雜豆細(xì)胞壁中的纖維素、半纖維素、果膠等成分可統(tǒng)稱(chēng)為非淀粉多糖，其中不溶性的非淀粉多糖主要存在于種皮中，可溶性的非淀粉多糖多存在于種子內(nèi)部[21]。子葉細(xì)胞壁的主要成分是阿拉伯聚糖、木葡聚糖、半乳糖和RGI，而種皮細(xì)胞壁主要由木聚糖、阿拉伯聚糖等組成[22]。有研究表明，蕓豆種皮中含有大量木糖聚合物，而子葉中含有大量富含阿拉伯糖的聚合物；非淀粉多糖在子葉中的摩爾質(zhì)量普遍高于在種皮中的摩爾質(zhì)量[23]。鷹嘴豆種皮中同時(shí)存在葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸，而在子葉中只檢測(cè)到半乳糖醛酸[24]。

圖2 雜豆種子(左)及細(xì)胞(右)結(jié)構(gòu)示意圖

4 雜豆烹飪性能的限制因素

4.1 雜豆蒸煮特性的限制因素

雜豆結(jié)構(gòu)致密，需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的烹飪才能軟化，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是多方面的。雜豆種皮較厚，在存儲(chǔ)過(guò)程中逐漸硬化，會(huì)在一定程度上阻礙水分進(jìn)入種子內(nèi)部，導(dǎo)致了雜豆子葉在烹飪過(guò)程中不易變軟，烹飪時(shí)間延長(zhǎng)。纖維素是種皮細(xì)胞壁的主要成分，從其單體結(jié)構(gòu)來(lái)看，天然纖維素應(yīng)該是高度親水的，但實(shí)際上纖維素不溶于水，這是由于羥基之間形成了分子間和分子內(nèi)氫鍵，高含量的羥基形成了氫鍵網(wǎng)絡(luò)，纖維素的這種性質(zhì)使種皮具有疏水性[25, 26]。單寧酸的氧化、單寧酸-蛋白質(zhì)復(fù)合物的形成等原因使種皮的透水性變差，限制了水分在雜豆內(nèi)部的遷移[27]。脂質(zhì)氧化、不溶性果膠的形成、木質(zhì)化等都會(huì)導(dǎo)致雜豆不易煮制[28]。果膠在酶的作用下水解成果膠酸，果膠酸與植酸水解過(guò)程中釋放的鈣、鎂等二價(jià)陽(yáng)離子反應(yīng)，在中間層形成不溶性的果膠化合物，阻礙蒸煮過(guò)程中子葉細(xì)胞彼此分離[29]。

4.2 雜豆消化性能的限制因素

細(xì)胞壁中各成分之間彼此相互作用形成的致密結(jié)構(gòu)是限制消化酶進(jìn)入雜豆細(xì)胞的天然屏障，影響著雜豆中淀粉和蛋白質(zhì)等物質(zhì)消化率。細(xì)胞壁的存在使雜豆細(xì)胞能夠在蒸煮之后保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整，細(xì)胞內(nèi)部淀粉的吸水和糊化會(huì)受到一定程度的限制，消化液中的淀粉酶對(duì)淀粉的水解作用也會(huì)減弱；淀粉酶在細(xì)胞壁上的非特異性結(jié)合同樣會(huì)阻礙淀粉水解。不溶性蛋白質(zhì)將淀粉顆粒包裹，也會(huì)延緩淀粉的消化性[30-33]。雜豆中抗?fàn)I養(yǎng)因子如單寧、凝集素、植酸以及其他蛋白酶抑制劑可以通過(guò)與消化酶、淀粉和金屬離子結(jié)合，形成復(fù)合物的方式降低蛋白質(zhì)、淀粉的消化性[21, 34]。

5 不同預(yù)處理加工方式對(duì)雜豆質(zhì)地結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)特性的影響

豆類(lèi)通常在加工后食用，這不僅能改善食物的適口性，縮短蒸煮時(shí)間，還可以提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)生物利用度[35]。常見(jiàn)的處理方法有去皮、浸泡、熱處理、微波處理、發(fā)芽、發(fā)酵、輻照、微粉化等。不同的處理方法對(duì)雜豆質(zhì)地結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)特性都有不同程度的影響。

5.1對(duì)質(zhì)地結(jié)構(gòu)的影響

雜豆表面有一層起保護(hù)作用的、不易消化的、高度纖維狀的種皮，種皮中含有相當(dāng)數(shù)量的不溶性非淀粉多糖、木質(zhì)素和抗?fàn)I養(yǎng)因子。在進(jìn)行其他加工處理或食用之前，可以對(duì)雜豆進(jìn)行去皮處理，以減少烹飪時(shí)間，提高雜豆適口性、消化率和整體營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。雜豆品種、種子大小、含水量、種子硬度、種皮和子葉之間膠質(zhì)的黏附程度等因素均會(huì)影響去皮效果。為了提高去皮效率，需要對(duì)雜豆進(jìn)行預(yù)處理，常見(jiàn)的預(yù)處理方法有浸泡法、化學(xué)藥品處理法、酶法、水熱法等[36]。雜豆的種類(lèi)不同，進(jìn)行預(yù)處理的次數(shù)也有差別，木豆、綠豆等需要進(jìn)行多次預(yù)處理，而鷹嘴豆、扁豆、豌豆等僅需進(jìn)行一次預(yù)處理就可達(dá)到較好的去皮效果[37]。

除了去皮外，浸泡也是一種常用的提高雜豆烹飪性的方法。浸泡不僅可以軟化籽粒，也可以減少抗?fàn)I養(yǎng)因子的含量。浸泡過(guò)程中，水分會(huì)進(jìn)入豆類(lèi)的淀粉顆粒和蛋白組分中，有利于淀粉凝膠化和蛋白質(zhì)變性，使豆類(lèi)的質(zhì)地變軟，從而縮短烹飪時(shí)間。雜豆經(jīng)過(guò)浸泡后，組織結(jié)構(gòu)略有膨脹，體積增大，密度變小[38]。綠豆在不同溫度下浸泡的微觀(guān)結(jié)構(gòu)如圖3所示，未吸水時(shí)綠豆橫截面較為粗糙，吸水后淀粉粒結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)，但溫度繼續(xù)升高后，淀粉開(kāi)始糊化、黏連，因此，浸泡溫度不宜過(guò)高。超聲和微波處理可以減少水分子進(jìn)入籽粒的阻礙，促進(jìn)種子吸水膨脹。有研究表明，綠豆種皮表面的膳食纖維在酶的作用下降解，種皮的通透性提高，吸水速率加快[39]。堿性溶液浸泡可導(dǎo)致蛋白質(zhì)、多糖和果膠物質(zhì)的分解，Na2CO3、NaHCO3等單價(jià)鹽離子浸泡能適當(dāng)縮短雜豆的蒸煮時(shí)間，CaCl2則會(huì)延長(zhǎng)蒸煮時(shí)間[40]。

注：a 未浸泡；b 20 ℃浸泡；c 40 ℃浸泡；d 60 ℃浸泡。圖3 綠豆在不同溫度浸泡前后的微觀(guān)結(jié)構(gòu)[39]

熱處理是一種常見(jiàn)的為提高食物烹飪性和消化率的加工手段。熱處理會(huì)導(dǎo)致半纖維素溶解，細(xì)胞壁中間層果膠多糖降解，組織軟化，使可溶性膳食纖維含量增加[41]。同時(shí)，熱處理可能會(huì)破壞淀粉和纖維之間的鍵合，影響其增溶，在這種條件下，由于變性和聚集，蛋白質(zhì)的溶解度也可能受到影響[42]。干熱處理對(duì)蕓豆子葉細(xì)胞內(nèi)淀粉的消化程度并沒(méi)有顯著的促進(jìn)作用，這是因?yàn)樽尤~細(xì)胞中的淀粉使鑲嵌在蛋白質(zhì)之中，不能與淀粉酶結(jié)合，但干熱處理會(huì)對(duì)細(xì)胞壁的通透性造成破壞[19]。

5.2 對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的影響

5.2.1 對(duì)常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分的影響

在加工處理的過(guò)程中，雜豆中的部分水溶性成分溶于水中，再加上濕熱處理使得糖類(lèi)分解、蛋白質(zhì)部分變性等原因，經(jīng)過(guò)處理的雜豆蛋白質(zhì)、粗纖維及淀粉含量均有所降低，氨基酸含量稍有減少，粗脂肪含量略有升高[38]。

濕熱處理會(huì)使雜豆中的淀粉顆粒吸水膨脹，更易被淀粉酶水解。經(jīng)過(guò)浸泡處理的蕓豆淀粉消化率沒(méi)有明顯改變，而經(jīng)過(guò)蒸煮處理的蕓豆淀粉的消化率顯著地提高[43, 44]。Dhital等[45]發(fā)現(xiàn)鷹嘴豆、豌豆、綠豆和紅蕓豆的細(xì)胞壁經(jīng)常壓蒸煮后仍能保持完整并抵抗淀粉酶的水解，細(xì)胞壁破壞后，細(xì)胞內(nèi)淀粉的水解率增加。微粉化通常是指利用近紅外輻射在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)對(duì)晶粒進(jìn)行高溫?zé)崽幚淼倪^(guò)程，會(huì)使雜豆淀粉會(huì)發(fā)生部分凝膠化，能提高淀粉的消化率和適口性，減少烹飪時(shí)間[46]。經(jīng)過(guò)輻照處理的豇豆、扁豆的蒸煮時(shí)間減少，這是由于紅外處理使胚乳內(nèi)的淀粉發(fā)生了預(yù)糊化、相鄰子葉細(xì)胞之間的中間層分解、蛋白質(zhì)變性[47]。微波通過(guò)產(chǎn)生自由基在分子水平上改變食品的物理化學(xué)和流變特性，自由基會(huì)與食品中的其他成分發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致多種變化，可大大縮短烹飪時(shí)間，提高脂質(zhì)/蛋白質(zhì)比值[48, 49]。Khattab等[50]探究了不同處理方法對(duì)豆科植物(豇豆、蕓豆和豌豆)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響，研究結(jié)果表明，高壓蒸煮是提高蛋白質(zhì)質(zhì)量最有效的方法，其次是微粉化和微波處理。發(fā)芽成本較低，也能提高某些維生素、礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)的利用率[35]。發(fā)酵能改善雜豆的味道、顏色和質(zhì)地，提高植物蛋白的消化率[51]。

5.2.2 對(duì)活性物質(zhì)的影響

不同處理方式也能夠?qū)﹄s豆中非營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生影響。雜豆種子中存在著植酸、蛋白酶抑制劑和凝集素等抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)(Antinutritional factors，ANFs)。大多數(shù)ANFs可通過(guò)熱處理即可失活，熱穩(wěn)定性較好的ANFs可以通過(guò)去皮、浸泡、發(fā)芽等方式來(lái)處理[52, 53]。

浸泡是進(jìn)行其他處理的前提，有研究表明，浸泡可以降低雜豆中總糖、半乳糖苷、礦物質(zhì)、凝集素和草酸的水平，卻對(duì)植酸影響不大[54, 55]。浸泡和蒸煮對(duì)雜豆中α-淀粉酶，胰蛋白酶和糜蛋白酶抑制劑的水平均有顯著影響[56]。蠶豆經(jīng)煮沸、微波和高壓處理后，植酸含量分別提高了9.1%、4.8%和3.9%，這是由于植酸的耐熱性較好[57]。烘烤會(huì)使雜豆中的總酚類(lèi)化合物和總黃酮含量均有不同程度的降低，抗氧化活性也由此下降[58]。雜豆種皮中的游離酚類(lèi)物質(zhì)和類(lèi)黃酮化合物在浸泡和發(fā)芽過(guò)程中很容易流失[59]。

加工處理方法對(duì)雜豆的烹飪特性和營(yíng)養(yǎng)成分有不同程度的影響。浸泡是最常見(jiàn)、最經(jīng)濟(jì)的方法，但是這種方法會(huì)造成一定程度上的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失。蒸煮也是常用的處理方法，高壓蒸煮和常壓蒸煮均可改善雜豆的食用品質(zhì)，高壓蒸煮對(duì)顆粒破壞較小，但相對(duì)來(lái)說(shuō)能耗較高。輻照有消毒、消除雜豆種子蟲(chóng)害的作用，可顯著減少種子的蒸煮時(shí)間，降低其糊化峰值黏度，提高氮溶指數(shù)，能夠作為提高雜豆品質(zhì)的可行辦法[60]。微波、微粉化等新型加工技術(shù)在改善雜豆品質(zhì)方面也有較好效果。

6 展望

我國(guó)在雜豆的開(kāi)發(fā)利用方面相對(duì)落后，大部分雜豆產(chǎn)品還停留在傳統(tǒng)的生產(chǎn)階段，深加工產(chǎn)品較少。由于雜豆在食用前需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的蒸煮，費(fèi)事費(fèi)力，因此，人們對(duì)結(jié)構(gòu)完整的速熟雜豆產(chǎn)品的需求更加迫切。針對(duì)雜豆不易煮制的問(wèn)題，了解雜豆的結(jié)構(gòu)和組成成分，深入研究細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)與烹飪性的相關(guān)性，開(kāi)發(fā)適宜不同雜豆產(chǎn)品生產(chǎn)的預(yù)處理技術(shù)，并改善雜豆主營(yíng)養(yǎng)成分的消化吸收性，調(diào)節(jié)雜豆功能物質(zhì)的功能活性，可以為雜豆全食品包括功能性雜豆產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造提供參考。