酸漿法和超微粉碎法生產(chǎn)的豌豆淀粉特性研究

時玉強(qiáng)，許 建，馬 軍，李順秀，張志國，程雪嬌

(臨邑禹王植物蛋白有限公司1，臨邑 251500) (山東禹王生態(tài)食業(yè)有限公司2，禹城 251200) (齊魯工業(yè)大學(xué)3，濟(jì)南 253521)

豌豆?fàn)I養(yǎng)全面均衡，富含蛋白質(zhì)、碳水化合物和膳食纖維，同時脂肪含量低，是B族維生素、葉酸和鈣、鐵、鉀等物質(zhì)極好來源[1]，豌豆富含淀粉占其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的45%～55%，具有凝沉性好、熱黏度高、凝膠強(qiáng)度較高等優(yōu)良特性[2]。為了提高淀粉在各個領(lǐng)域的適用性，對不同淀粉工藝及改性的研究日益受到關(guān)注[3-10]。Li等[11]利用空氣分級粉提取淀粉的工藝，獲得了淀粉純度為94.8%～97.9%的淀粉，僅含有0.9%～1.1%的受損淀粉，該淀粉的功能性與商業(yè)化生產(chǎn)的淀粉相當(dāng)。宋文天等[12]研究發(fā)現(xiàn)交聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生,交聯(lián)后抗性淀粉溶解度升高,膨潤度和凍融穩(wěn)定性下降,并在掃描電鏡觀察下淀粉顆粒的形狀和大小與原淀粉沒有顯著差異。張正茂等[13]對比綠豆、豌豆、白蕓豆、白豇豆、鷹嘴豆淀粉的凝膠性發(fā)現(xiàn)，豌豆淀粉的凝膠強(qiáng)度最大，且受濃度的影響最大。由于豌豆淀粉具有成膠能力強(qiáng)、凝膠制品色澤好、持水性好等其他淀粉無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，常被人們用于制作粉絲、粉皮、涼粉等傳統(tǒng)食品。目前豌豆淀粉生產(chǎn)方法為酸漿法和超微粉碎堿萃取法(以下稱超微法)[14],李文浩等[15]綜述了酸漿法的生產(chǎn)機(jī)理，認(rèn)為酸漿法能夠得以實(shí)現(xiàn)的機(jī)理主要體現(xiàn)在乳酸乳球菌對淀粉的凝集作用及金屬離子與有機(jī)酸對淀粉的沉降作用上，傳統(tǒng)的酸漿法主要是依靠經(jīng)驗來生產(chǎn)淀粉，常受到諸如加工車間的溫度、空氣中的菌群種類和菌數(shù)、酸漿pH、加工用水的硬度和含金屬種類、人為因素等的制約。王立東等[16]研究發(fā)現(xiàn)微細(xì)化處理降低了淀粉的糊化溫度和熱吸收焓,改變了淀粉重結(jié)晶成核方式,降低低溫儲藏環(huán)境玉米淀粉老化速率,延緩淀粉回生,利于淀粉質(zhì)食品儲存和性質(zhì)穩(wěn)定。不同工藝生產(chǎn)的淀粉的凝膠、黏度等特性存在一定的差異，影響其應(yīng)用的領(lǐng)域及功能，但酸漿法和超微粉碎法生產(chǎn)的淀粉的相關(guān)特性的差異分析鮮見報道，本文基于2種不同工藝生產(chǎn)的豌豆淀粉進(jìn)行特性分析，以期指導(dǎo)豌豆淀粉應(yīng)用及生產(chǎn)工藝優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃豌豆；液體氫氧化鈉、鹽酸，分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

DHX3/185型混合精細(xì)均質(zhì)泵，2-16KL型離心機(jī)，Kjeltec8200型凱氏定氮儀，F(xiàn)C80型沖擊磨，TAXT plus型物性分析儀，BT-9300ST激光粒度分布儀，Axio Observer.A1m型掃描電子顯微鏡，Balzers SCD 030型鍍金濺射鍍膜機(jī)，RVA4800型快速黏度分析儀。

1.3 方法

1.3.1 酸漿法工藝

豌豆淀粉的酸漿法工藝[17]如圖1，豌豆按照質(zhì)量比1∶3的比例加30 ℃溫水浸泡18 h，磨漿后過100目篩，獲得淀粉乳，加入0.1 N的鹽酸，調(diào)整pH5.8～6.2，加入酸漿(其中酸漿中為乳酸鏈球菌[18]，調(diào)整乳酸鏈球菌含量在1.58×108CFU/mL)，攪拌均勻后靜止30 min，去上清液，取沉淀淀粉加入豆?jié){調(diào)整乳酸鏈球菌含量在1～1.5×109CFU/mL，攪拌均勻后靜止30 min，去上清液，加水后過200目篩，沉淀后通過真空機(jī)脫水，脫水至含水量(40±2)%，通過氣流干燥至含水量(12±0.5)%。

1.3.2 超微粉碎堿輔助法工藝

超微法工藝[19]是新興的豌豆淀粉生產(chǎn)方法，其工藝如圖2所示，豌豆經(jīng)過超微粉碎機(jī)粉碎，粉碎主機(jī)轉(zhuǎn)速1 080 r/min，分級輪轉(zhuǎn)速460 r/min，325目篩通過率88%～89%，按照質(zhì)量比1∶4的比例加25 ℃的水后，加入0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液，調(diào)整pH至10～10.5，攪拌1.5 h后，過200目篩，離心分離，刮去上層黃色物質(zhì)，沉淀按照質(zhì)量比1∶5加入水，水洗3次后，沉淀后通過真空機(jī)脫水，脫水至含水量(40±2)%，通過氣流干燥至含水量(12±0.5)%。

圖2 超微粉碎堿輔助法生產(chǎn)淀粉的工藝流程

1.3.3 RVA黏度測定

用快速黏度儀RVA對淀粉糊化特性進(jìn)行測定[20]，先用105 ℃恒重法(GB 50093—2010)測定出淀粉含水率。將干基(3±0.01)g樣品加入RVA專用鋁盒內(nèi)，然后加入水定量(25.00±0.05)g，用攪拌器將樣品攪拌均勻，然后放入儀器中進(jìn)行測定。采用升溫/降溫循環(huán)，糊化程序為：50 ℃保持1 min，4 min內(nèi)加熱至95 ℃保溫3 min，5 min內(nèi)冷卻至50 ℃并在50 ℃保持2 min。轉(zhuǎn)子在起始10 s內(nèi)旋轉(zhuǎn)速度為960 r/min，以后保持160 r/min至結(jié)束。

1.3.4 粒徑測定

使用激光粒度分布儀測試粉體粒徑，介質(zhì)為水，分散劑為水，測試范圍0.1 ～1 000 μm，超聲波分散時間2 min，循環(huán)泵速1 600 r/min，遮光率上下限5～10，分布類型為體積分布，單次采樣次數(shù)40次。其中不同占比的粒徑用D和占比百分?jǐn)?shù)表示，如D03表示按照從最小粒徑到最大粒徑排序，占比3%的淀粉顆粒的粒徑，以此類推。

1.3.5 顯微結(jié)構(gòu)測定

用Axio Observer.A1m掃描電子顯微鏡檢查表面淀粉顆粒的形態(tài)[21]。淀粉通過碳片粘附在鋁支架上，并使用Balzers SCD 030濺射鍍膜機(jī)涂上金。圖像以5 kV的加速電壓拍攝。

1.3.6 凝膠特性測試樣品的制備及檢測

參考淀粉凝膠的制作方法[22]，按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%進(jìn)行樣品的制備。分別取(8.00±0.01)g淀粉(均為扣除水分后的絕干物質(zhì)質(zhì)量)置入100 mL的燒杯中，加水至總質(zhì)量為(80.00±0.05)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0～4 ℃環(huán)境中靜置15 h，形成穩(wěn)定的淀粉凝膠樣品，每個樣品做3個平行實(shí)驗。

將淀粉凝膠拿出切成(50±1)mm高的圓柱體，將該圓柱體放至物性分析儀上檢測硬度和彈性。檢測參數(shù)設(shè)置為:探頭P0.5，校準(zhǔn)高度30 mm，測試前速度2.0 mm/s，測試速度1.0 mm/s，測試后速度10.0 mm/s，下壓距離20.00 mm，觸發(fā)力2.0 g。

1.3.7 豌豆淀粉的主要組分檢測

淀粉檢測方法參照GB 5009.9—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中淀粉的測定》。粗蛋白檢測方法參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測定》。粗脂肪檢測方法參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測定》。

1.3.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有的實(shí)驗至少進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗，結(jié)果表示為x±s，利 用SPSS Statistics 22軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA差異顯著性分析，P<0.05為顯著性差異。采用Office軟件分析進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同方法生產(chǎn)豌豆淀粉的主要組分

豌豆淀粉的主要組分見表1，2種工藝生產(chǎn)的淀粉中的主要組分淀粉、粗蛋白、粗脂肪的含量差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.1)。因此組分差異對特性差異的影響相對較小。酸漿法存在著生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)，淀粉的回收率較低約為50.9%[23]；超微法生產(chǎn)周期短，約為酸漿法的十分之一，生產(chǎn)效率高，淀粉的回收率可高達(dá)88.9%。

表1 不同加工工藝的豌豆淀粉組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(干基)

2.2 RVA黏度對比

淀粉的糊化特性是考察淀粉性能的關(guān)鍵指標(biāo)[24]，不同工藝生產(chǎn)的豌豆淀粉糊化特性參數(shù)見表2。可以看出2種淀粉的糊化特性參數(shù)值存在統(tǒng)計學(xué)差異(P<0.05)。超微法生產(chǎn)的豌豆淀粉的峰值黏度低5.52%，說明超微法生產(chǎn)的淀粉在生產(chǎn)糊化過程中膨脹程度較低，分析原因為超微粉碎破壞了的淀粉顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，淀粉顆粒較小，改善了淀粉糊化的流體性能，方便淀粉應(yīng)用的加工過程操作，進(jìn)而可減少加工設(shè)備的能耗；超微法生產(chǎn)的豌豆淀粉的衰減值低16.70%，表明淀粉顆粒膨脹過程中強(qiáng)度比較大，不易破裂，熱糊的穩(wěn)定性好[25,26]；超微法生產(chǎn)的豌豆淀粉的最終黏度高6.66%，有利于淀粉凝膠的形成和強(qiáng)度的提升；超微法生產(chǎn)的豌豆淀粉的回生值高3.20%，回生值反映淀粉冷糊的穩(wěn)定性和老化趨勢，在回生過程中，由于溫度降低，分子運(yùn)動減弱，直鏈淀粉和支鏈淀粉的分子都回頭趨向于平行排列，通過氫鍵結(jié)合，相互靠攏，重新結(jié)合為微晶束，使淀粉具有硬性的整體結(jié)構(gòu)，是淀粉凝膠硬度的反映，回生值越高冷糊的穩(wěn)定性越強(qiáng)，這與王立東等[27]研究的結(jié)果有差異，原因可能為，超微粉碎豌豆時，豌豆中的纖維和蛋白對淀粉顆粒有一定的保護(hù)作用且粉碎粒徑相對較大，與直接粉碎淀粉相比，對淀粉的損傷較小。超微法生產(chǎn)的豌豆淀粉的峰值時間長5.78%，糊化溫度高2.06%，淀粉的糊化速度較慢，糊化需要的熱能較高，分析認(rèn)為超微法生產(chǎn)的淀粉破壞了豌豆中白體包裹的淀粉顆粒，但沒有影響淀粉分子鏈的斷裂，淀粉的分子結(jié)構(gòu)完整，功能性強(qiáng)；而酸漿法通過乳酸鏈球菌等微生物的生長消化淀粉產(chǎn)生了莢膜多糖，同時產(chǎn)生的胞外酶促進(jìn)了淀粉的水解，造成了淀粉的糖苷鍵斷裂，進(jìn)而提高淀粉的溶脹速度，降低糊化所需的熱能，因此加快了糊化速度，降低了糊化所需的溫度使淀粉更易加工，進(jìn)而有利于降低能耗，提高加工效率。

表2 不同工藝生產(chǎn)的淀粉的糊化特征值

表3 不同工藝生產(chǎn)的淀粉的百分點(diǎn)粒徑的分布

2.3 粒徑對比分析

干法粉碎對多淀粉類植物原料的特性存在一定的影響[28]，不同工藝生產(chǎn)的豌豆淀粉的粒徑分析結(jié)果如表3。通過粒徑分布可以看出酸漿法生產(chǎn)的豌豆淀粉的峰值明顯后移，通過百分點(diǎn)的粒徑分布可以看出，超微法生產(chǎn)的淀粉的百分點(diǎn)粒徑均低于酸漿法的淀粉，說明經(jīng)過超微超粉碎后淀粉顆粒整體小于酸漿法，淀粉顆粒的粒徑與淀粉的加工工藝存在明顯差異(P<0.01)，其中酸漿法高于超微粉碎的粒徑8%以上的分別是D06、D10、D16、D97，高出的比例分別為20.34%、22.78%、9.23%、10.29%。由于豌豆淀粉的溶解性差，在冷水生產(chǎn)過程中淀粉顆粒從豌豆子葉的白體中釋放，淀粉顆粒處于不溶解狀態(tài)，淀粉顆粒間不能形成足夠強(qiáng)的化學(xué)鍵，從而使淀粉顆粒單獨(dú)存在，氣流干燥時迅速失水避免了淀粉糊化，保證了淀粉顆粒盡可能的保持了各自獨(dú)立的狀態(tài)，超微粉碎法粉碎的粒徑較小，導(dǎo)致豌豆淀粉顆粒受到較大的損傷和破碎，因此生產(chǎn)的淀粉粒徑也較小。

2.4 掃描電鏡對比分析

如圖4所示，酸漿法的淀粉顆粒比較完整，顆粒大，表面磨損較少，超微法生產(chǎn)的淀粉顆粒破損較明顯，顆粒小，表面磨痕明顯。超微粉碎對淀粉的損傷程度較高，說明在超微粉碎時豌豆子葉細(xì)胞組織受到的剪切作用強(qiáng)烈，有利于淀粉顆粒充分得到釋放，分析認(rèn)為這是超微法生產(chǎn)豌豆淀粉回收率高的關(guān)鍵原因，但使得細(xì)胞白體包裹的淀粉也受到了損傷，這與Naguleswaran等[29]研究結(jié)果結(jié)論可相互驗證。超微粉碎避免了淀粉分子層次上的破損，有利于保持淀粉的功能特性。

圖3 不同工藝生產(chǎn)的淀粉顆粒電鏡掃描圖

2.5 凝膠特性對比分析

不同工藝生產(chǎn)的豌豆淀粉的凝膠分析結(jié)果如表4.超微法生產(chǎn)的淀粉與酸漿法生產(chǎn)的淀粉的凝膠在脆度和強(qiáng)度上差異極顯著(P<0.01)，在硬度和黏著性上沒有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。分析原因認(rèn)為，超微法生產(chǎn)的淀粉破壞了豌豆中白體包裹的淀粉顆粒，使淀粉顆粒能夠更快更充分的崩解，進(jìn)而形成較致密的凝膠，而酸漿法利用乳酸鏈球菌及其產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物、次級代謝產(chǎn)物協(xié)助淀粉的分離和純化，但是部分蛋白和淀粉被乳酸鏈球菌利用，同時產(chǎn)生了蛋白胨、蛋白肽以及莢膜多糖等低分子質(zhì)量的次級代謝產(chǎn)物，進(jìn)而影響了淀粉凝膠的界面硬度和整體凝膠強(qiáng)度。脆度高的產(chǎn)品能夠帶來愉悅的口感，而淀粉的凝膠強(qiáng)度與淀粉生產(chǎn)粉絲時的淀粉凝膠的硬度與粉條硬度、拉伸強(qiáng)度正相關(guān)，與粉條的斷條率負(fù)相關(guān)[30]，因此生產(chǎn)粉絲時使用超微法生產(chǎn)的淀粉更具有優(yōu)勢。

表4 不同工藝生產(chǎn)的淀粉的凝膠性

3 結(jié)論

酸漿法和超微法生產(chǎn)的豌豆淀粉的組分無明顯差異，但是淀粉的得率和特性差異較大，超微粉碎生產(chǎn)的豌豆淀粉得率高38%，超微粉碎法生產(chǎn)的淀粉在峰值黏度、衰減值、最終黏度、回生值有利于淀粉性能的提高，而酸漿法在糊化溫度和糊化時間上占優(yōu)勢，有利于縮短加工時間、降低能耗；超微粉碎法生產(chǎn)的淀粉在各百分點(diǎn)的粒徑均小于酸漿法，淀粉的顆粒大小與加工工藝的粉碎程度相關(guān)；掃描電子顯微照片顯示超微法生產(chǎn)的豌豆淀粉顆粒損傷明顯，不利于產(chǎn)品的品質(zhì)控制；超微法淀粉的強(qiáng)度和脆度較高，有利于提高粉絲的品質(zhì)。乳酸鏈球菌在輔助淀粉分離的同時利用淀粉產(chǎn)生莢膜多糖及其他次級代謝產(chǎn)物，這些產(chǎn)物對淀粉生產(chǎn)帶來的影響較為復(fù)雜，如乳酸鏈球菌素能夠抑制微生物的生長，起到防腐的作用，但產(chǎn)生的效率和產(chǎn)生量及安全性有待評估。超微法生產(chǎn)的淀粉在凝膠性和黏度表現(xiàn)上優(yōu)于酸漿法，產(chǎn)品回收率高。