3种杂豆淀粉理化特性的比较.pdf

2010,Vol.31,No.21食品科学基础研究1863 种杂豆淀粉理化特性的比较杨红丹，杜双奎*，周丽卿，赵 佳(西北农林科技大学食品科学与工程学院，陕西 杨凌 712100)摘 要：以豇豆(Vigna unguiculata(L.)Walp.)、小黑芸豆(Phaseolus vulgaris L.)和小扁豆(Lens culinaris M.)为材料，采用湿磨法提取淀粉，以马铃薯淀粉和玉米淀粉作对照，对淀粉理化性质进行比较研究。结果表明，豇豆、小黑芸豆和小扁豆淀粉颗粒多为肾形，少数圆形，且偏光十字明显，表观直链淀粉含量分别为 34.98%、45.35%和37.24%。3 种淀粉的膨胀度和溶解度均随温度升高而增加，起糊温度在 72.977.0之间，小黑芸豆淀粉起糊温度最高，峰值黏度、破损值、最终黏度和回生值最低。豇豆淀粉糊化特性与小黑芸豆淀粉相反，起糊温度较低，峰值黏度、破损值、最终黏度和回生值最高。3 种豆类淀粉 To、Tp和 Tc具有显著性差异，但焓值差异不显著，焓值大小顺序为小扁豆淀粉豇豆淀粉小黑芸豆淀粉。关键词：豇豆；小黑芸豆；小扁豆；淀粉；理化性质Comparative Physico-chemical Properties of Starches from Three Kinds of LegumesYANG Hong-dan，DU Shuang-kui*，ZHOU Li-qing，ZHAO Jia(College of Food Science and Engineering,Northwest A&F University,Yangling 712100,China)Abstract：Starches were extracted from blackeye pea(Vigna unguiculata(L.)Walp),black bean(Phaseolus vulgaris L.)andlentil(Lens culinaris M.)by wet-grinding method,and were comparatively characterized for their physico-chemical propertieswith sweet potato and corn starches as the controls.Most of legume starch granules were kidney-shaped,while others werespherical.Obvious birefringence was also observed.The contents of apparent amylose in blackeye pea,black bean and lentilstarches were 34.98%,45.35%and 37.24%,respectively.The swelling capability and solubility of legume starch displayed anincrease at a higher temperature.The three legume starches displayed a pasting temperature ranging from 72.9 to 77.0.Blackbean starch exhibited the highest pasting temperature as well as the lowest peak viscosity,breakdown value,final viscosity andretrogradation value.The pasting property of blackeye pea starch was opposite to that of black bean starch.The To,Tp and Tcof the three legume starches revealed a significant difference.However,no significant difference was observed in their enthalpy.The order of starch enthalpy from strong to weak was lentil starch,blackeye pea starch and black bean starch.Key words：blackeye pea；black bean；entil；starch；physico-chemical property中图分类号：TS231 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2010)21-0186-05收稿日期：2010-03-11基金项目：陕西省科技厅科技攻关项目(2008K01-02)；西北农林科技大学科研启动基金项目(Z111020903)作者简介：杨红丹(1985)，女，硕士研究生，研究方向为杂粮资源开发与利用。E-mail：*通信作者：杜双奎(1972)，男，副教授，博士，研究方向为杂粮资源开发与利用。E-mail：豇豆又名婆豇豆、饭豆、蔓豆和黑脐豆，豆科豇豆属一年生植物。在我国栽培历史悠久，全国各地均有栽培，南方各省市栽培较多。豇豆的蛋白质含量一般约为质量分数 4%，碳水化合物含量约为质量分数62%，还含有丰富的胡萝卜素、多种维生素，较多的钙、磷、铁等矿质元素，是营养价值较高的一种蔬菜1213。豇豆种子入药，能健胃补气、滋养消食。芸豆俗称二季豆或四季豆，豆科菜豆属。原产美洲的墨西哥和阿根廷，我国在 16 世纪末才开始引种栽培。芸豆含有黄酮类化合物、尿毒酶和多种球蛋白等独特成分，具有预防心脏和肾脏疾病，降低糖尿病人血糖指数，抑制癌细胞扩散等多种有益生理作用2，尤其适合心脏病、动脉硬化、高血脂、低血钾症和忌盐患者食用。小黑芸豆是芸豆中的一种，其籽粒中粗脂肪含量约为质量分数3%，粗蛋白质含量约为质量分数 23%，粗淀粉含量约为质量分数 45%3。小扁豆又名滨豆、鸡眼豆，豆科小扁豆属一年生或越年生草本植物。世界约有40 个国家栽培小扁豆，亚洲生产最多，我国主产于山西、陕西、187基础研究食品科学2010,Vol.31,No.21甘肃、河北、河南、云南等省。小扁豆籽粒蛋白质含量约为质量分数25%，脂肪含量约为质量分数0.7%，碳水化合物含量约为质量分数60%及多种维生素和矿物质营养元素，可以提供能够降低胆固醇的可溶纤维，含铁量是其他豆类的两倍；VB 和叶酸含量也较高。其籽粒淀粉可用于食品、纺织和印刷工业1279。淀粉不仅是许多植物的重要储藏物质，也是人类膳食摄取的主要碳水化合物4。豆类淀粉是淀粉四大来源之一，近年来绿豆淀粉、鹰嘴豆淀粉和蚕豆淀粉等豆类淀粉在工业上得到了广泛应用5-8。然而迄今有关豇豆、小黑芸豆和小扁豆淀粉的研究报道还较少9-10。淀粉理化特性影响食品的品质，如硬度、黏稠度和咀嚼度等，加工过程中原料的输送、搅拌、混合、能量的损耗等均与淀粉糊的流变特性密切相关11。本研究以豇豆、小黑芸豆和小扁豆为材料，采用水磨法提取淀粉，分析 3 种豆类淀粉的颗粒特性、糊化特性和热特性，旨在为豇豆、小黑芸豆和小扁豆资源及其淀粉的开发利用提供参考。1材料与方法1.1材料与试剂豇豆、小黑芸豆和小扁豆由西北农林科技大学小宗粮豆研究中心提供，籽粒饱满，色泽正常，用于淀粉提取；马铃薯淀粉和玉米淀粉购自 Sigma 公司。所用试剂均为分析纯。1.2仪器与设备FW100 高速万能粉碎机 天津泰斯特仪器有限公司；DMBA400 数码显微镜 麦克奥迪实业集团中国有限公司；JSM-6360LV 型扫描电子显微镜 日本电子株式会社；Mastersizer 2000 式粒度分析仪 英国Malvern公司；702 SM Titrino自动电位滴定仪 瑞士Metrohm公司；UVmini-1240 紫外-可见分光光度计 日本岛津公司；TDL-5-A 低速台式大容量离心机 上海安亭科学仪器厂；快速黏度分析仪RVA 澳大利亚Newport Scien-tific 仪器公司；差示扫描量热计 美国PerkinElmer公司。1.3方法1.3.1豇豆、小黑芸豆和小扁豆淀粉提取12取杂豆 50g，用水漂洗 3 次，除去表面灰尘。加入 150mL 0.45g/100mL Na2S2O5溶液浸泡，放置过夜，用微型搅拌机磨浆，用53m 尼龙筛过滤以除去纤维，用0.45%Na2S2O5溶液不断洗涤纤维至没有黏性为止。将收集所得淀粉乳离心，刮去蛋白质层，加入 450mL NaCl溶液和 50mL 甲苯搅拌洗涤数次以除去剩余蛋白质，直到甲苯层清亮，随后加入乙醇，3000r/min 离心 5min，重复洗涤数次，洗除甲苯。取下层沉淀物淀粉平铺于干燥器皿中，32干燥 48h。干燥好的淀粉过 100目筛，装入自封袋中备用。1.3.2颗粒形貌观察1.3.2.1光学形貌观察以水和甘油体积比 1:1 作溶剂，制备适宜浓度的淀粉乳，滴于载玻片上，盖上盖玻片，显微镜下观察淀粉颗粒的形貌，偏光显微镜放大400 倍观察淀粉颗粒的偏光十字。1.3.2.2淀粉颗粒扫描电子显微镜观察把双面胶固定在样品台上，取少量淀粉均匀地洒在双面胶上，然后喷金处理。样品保存于干燥器中，经过短暂干燥后，用扫描电子显微镜观察并拍摄具有代表性的淀粉颗粒形貌。1.3.3淀粉颗粒粒度分布将淀粉样品悬浮于水中，超声波分散后进样，用Mastersizer 2000 式粒度分析仪根据激光衍射法进行自动分析，经计算机软件自动处理分析结果，可得样品的粒径分布数据。1.3.4表观直链淀粉含量测定淀粉碘结合力由自动电位滴定仪测定。淀粉先用85%甲醇溶液脱脂，表观直链淀粉含量计算公式如下13：淀粉碘结合力表观直链淀粉含量/%100 (1)0.2式中：0.2 表示每克纯净的直链淀粉能结合 200mg碘，即其质量的 2 0%。1.3.5淀粉溶解度(SA)与膨胀力(SP)14-15称取0.5g 样品，放入45mL 已知质量的带盖离心管中，加入 40mL 蒸馏水，振荡后分别于 50、60、70、80、90水浴 30min，每 5min 振荡 1 次，取出冷却至室温，3800r/min 离心 20min。倒出上清液，于 130干燥 2h 后称取溶出物质量，同时称取管中沉淀物质量(若淀粉乳加热后形成低黏度的胶体溶液，导致离心后不分层，则将胶体溶液一并倒出干燥，仅将残留于管壁的胶体作为沉淀计算膨胀力)。m1SA/%=100 (2)0.5 m2SP=(3)0.5m1式中：m1为上清液中溶出物质量/g；m2为管中沉淀物质量/g。2010,Vol.31,No.21食品科学基础研究1881.3.6淀粉糊化特性淀粉含量为g/100g 干质量(总质量为 28g)。快速黏度分析仪(RVA)测定参数设定：从 50开始计时，以6/min 速度升温至 95，保温5min；再以6/min 速度冷却到 50，保温 2min。搅拌子旋转速度起初为960 r/min搅拌10s，混匀物料，随后转速设置为160r/min。1.3.7热特性16淀粉热特性用配有热分析数据库和数据记录软件的差示扫描量热计测量。称取淀粉3.0mg 装入DSC 样品盘中，按质量比 1:3 的比例加入去离子水，压盖密封后，置于 25平衡 2h 后测定。测定时以空坩埚为参比，扫描温度范围 10110，加热速率10/min。计算热特征参数To(起始温度)、Tp(峰值温度)、Tc(终止温度)及热焓(H)值。2结果与分析2.1淀粉颗粒形貌和大小观察a、A.豇豆淀粉；b、B.小黑芸豆淀粉；c、C.小扁豆淀粉；d、D.马铃薯淀粉；e、E.玉米淀粉。下同。图1 淀粉颗粒形貌(AE)和偏光十字照片(ae)(400)Fig.1 Shape and polarization cross photographs of starch granulesfrom different sources(400)ABCDEabcde由图 1(AE)可以看出，不同来源淀粉的颗粒形貌、轮纹结构有所不同。3 种豆类淀粉颗粒多为肾形，少数为圆形，轮纹均较明显，而且分布均匀，类似于指纹形状，与扁豆淀粉轮纹形状相似11。马铃薯淀粉多为卵形，少数为圆形，轮纹明显。玉米淀粉颗粒多为多角形，轮纹不明显。5 种淀粉粒心都比较明显，除马铃薯淀粉粒心偏向一端外，其余淀粉粒心基本居于正中。由图 1(ae)可以看出，不同品种淀粉颗粒的偏光十字的位置和形状以及明显程度有差别。豇豆淀粉偏光十字比较粗，为“X”形，有盲区；小黑芸豆和玉米偏光十字多为斜“十”形，十字交叉点位于颗粒中央；小扁豆偏光十字形状不规则，有“X”形和斜“十”形两种，十字交叉点都位于颗粒中央；马铃薯淀粉偏光十字最明显，十字交叉点位于颗粒的一端。由图 2 可以看出，豇豆淀粉、小黑芸豆淀粉、小扁豆淀粉、马铃薯淀粉和玉米淀粉颗粒大小呈正态分布。不同来源淀粉的粒径范围和平均粒径有差异(表1)。豆类淀粉粒径范围为6.6160.25m，略大于玉米淀粉粒径范围，而小于马铃薯淀粉粒径范围。豆类淀粉的平均粒径居于玉米淀粉和马铃薯淀粉之间。3 种豆类淀粉颗粒大部分都在中等粒径范围内，所占淀粉总体积比例均高于 69%。豇豆淀粉和小扁豆淀粉有很少一部分小颗粒淀粉，小黑芸豆淀粉的大颗粒淀粉所占比例明显高于前两种豆类淀粉，高达 30.50%，说明小黑芸豆淀粉具有比豇豆淀粉和小扁豆淀粉大的颗粒结构。20151050豇豆小黑芸豆小扁豆马铃薯玉米体积分数/%颗粒尺寸/m1101001000图2 淀粉颗粒粒度分布(n=2)Fig.2 Granular size distribution of blackeye pea,black bean,lentil,sweet potato and corn starches(n=2)2.2淀粉颗粒扫描电子显微镜观察ABCDE图3 淀粉颗粒扫描电子显微镜照片(1200)Fig.3 Scanning electron micrographs of starch granules from differentsources(1200)由图 3 可以看出，3 种豆类淀粉和其他豆类淀粉形貌类似17，与马铃薯淀粉、玉米淀粉有所不同，大多数淀粉颗粒表面光滑，部分淀粉中间有裂纹，这可能是由于提取过程中受机械作用而损伤所致，大淀粉颗粒多呈卵形、不规则形，小颗粒多呈圆形。利用电镜标尺测量淀粉颗粒的粒径可知，豇豆淀粉、小黑芸豆淀粉、小扁豆淀粉、马铃薯淀粉和玉米淀粉颗粒粒径范围分别为645、1047、540、4100m 和 325m，长轴平均粒径分别为 17.15、18.08、14.07、22.06m注：同一列数据肩标不同字母表示差异显著，P 0.05。下同。粒径范平均粒体积分数/%淀粉围/m径/m小颗粒中等颗粒大颗粒(10m)(1030m)(30m)豇豆淀粉6.6145.7120.020.03d0.700.18b91.470.78a7.830.60d小黑芸豆淀粉10.0060.2526.200.01b0.000.00c69.490.05d30.500.05b小扁豆淀粉7.5852.4821.780.03c0.120.00c87.630.09b12.250.09c马铃薯淀粉11.48120.23 44.000.15a0.000.00c22.530.27e77.460.27a玉米淀粉5.0139.8116.420.09e9.190.20a86.580.03c4.230.23e表1 不同来源淀粉颗粒的粒度分布特征量(xs，n=2)Table 1 Characteristics of granular size distribution of starches fromdifferent sources(xs，n=2)189基础研究食品科学2010,Vol.31,No.21和 11.43m。3 种豆类淀粉粒径比紫花豌豆淀粉大18，与利马豆淀粉和麻芸豆淀粉相近9。2.3表观直链淀粉含量5040302010034.98C表观直链淀粉含量/%ABCDE45.35a37.24b24.28d34.51cA.豇豆淀粉；B.小黑芸豆淀粉；C.小扁豆淀粉；D.马铃薯淀粉；E.玉米淀粉。下同。不同小写字母表示差异显著，P 0.05。图 4 表观直链淀粉含量Fig.4 Apparent amylase contents in starches from different sources由图 4 可以看出，小黑芸豆淀粉的表观直链淀粉含量明显高于其他 4 种淀粉，豇豆淀粉表观直链淀粉含量与玉米淀粉表观直链淀粉含量没有显著差异，略低于小扁豆淀粉表观直链淀粉含量。3 种豆类淀粉表观直链淀粉含量高于 Hoover 等9所报道的黑芸豆淀粉、鹰嘴豆淀粉、小扁豆淀粉和白芸豆淀粉表观直链淀粉含量，低于绿豆淀粉表观直链淀粉含量19。马铃薯淀粉表观直链淀粉含量最低。不同来源的淀粉，其直链淀粉含量主要由遗传因素控制，一些外部因素，如机械活化、光照、温度等也会影响直链淀粉的百分含量20。2.4膨胀力(SP)与溶解度(SA)由图 5A 可以看出，除豇豆淀粉和马铃薯淀粉外，其余淀粉 SP 随温度增大而增大。马铃薯淀粉和豇豆淀粉 SP 分别在70和80前随温度增大而增大，之后迅速降低，这是由于低质量浓度的马铃薯淀粉乳和豇豆淀粉乳在一定温度下加热后，形成了稳定的低黏度胶体溶液，胶体溶液被视为溶出物一并倒出，离心管壁残留胶体(视为沉淀)很少，所得到的 SP 值较低。木薯淀粉和蜡质玉米淀粉在一定温度下加热后也有类似现象14。由图 5B 可以看出，5 种淀粉SA 随温度升高而增大。淀粉在过量水中受热糊化，水分进入淀粉颗粒，使淀粉颗粒吸水膨胀，同时造成未结晶部分直链淀粉受热作用而逐渐溶于水中，因而 SA 随温度上升而增加。60前淀粉颗粒吸水膨胀不明显，SA 变化不大；60后小扁豆淀粉和马铃薯淀粉吸水膨胀较快，其他3 种淀粉在70后膨胀较快，均存在一个初始膨胀阶段和迅速膨胀阶段，为典型的二段膨胀过程，属限制型膨胀淀粉21。淀粉的溶解和膨胀与淀粉的大小、形态、组成，直链和支链淀粉的比例以及支链淀粉中长链短链所占的比例有关22。淀粉起糊温度/峰值黏度/(Pas)谷底黏度/(Pas)破损值/(Pas)最终黏度/(Pas)回生值/(Pas)豇豆淀粉75.6 0.0c3.151 0.010b2.146 0.014a1.007 0.023b3.925 0.041a1.781 0.054a小黑芸豆淀粉77.0 0.3b1.786 0.053d1.452 0.059c0.332 0.006e2.702 0.107c1.250 0.048b小扁豆淀粉72.9 0.8d1.888 0.044c1.468 0.022c0.420 0.023d3.190 0.082b1.722 0.060a马铃薯淀粉62.1 0.2e7.010 0.060a1.757 0.103b5.254 0.094a2.462 0.048d0.706 0.064c玉米淀粉81.2 0.8a1.753 0.043d1.109 0.043d0.646 0.034c1.880 0.038e0.772 0.030c表2 不同淀粉的糊化特性Table 2 Pasting properties of starches from different sources2.5淀粉糊化特性由表2 可以看出，豆类淀粉起糊温度在72.977.0之间，显著高于马铃薯淀粉，而低于玉米淀粉。豆类淀粉中，小黑芸豆淀粉起糊温度最高，峰值黏度、破损值、最终黏度和回生值最低，表明小黑芸豆不易糊化，成胶能力强，热稳定性好，具有良好的抗剪切能力。这可能与其直链淀粉含量较高有关23-25。豇豆淀粉糊化特性与小黑芸豆淀粉相反，起糊温度较低，峰值黏度、破损值、最终黏度和回生值最高。豆类淀粉的峰值黏度和破损值明显低于马铃薯淀粉，与玉米淀粉相近；其回生值明显大于马铃薯和玉米淀粉，说明豆类淀粉糊具有较高的回生趋势。403020100溶解度/%温度/5060708090100豇豆淀粉小黑芸豆淀粉小扁豆淀粉马马铃薯淀粉玉米淀粉B图5 淀粉的膨胀力(A)和溶解度(B)Fig.5 Swelling power and solubility of starches from different sources403020100膨胀力温度/5060708090100豇豆淀粉小黑芸豆淀粉小扁豆淀粉马铃薯淀粉玉米淀粉A 2010,Vol.31,No.21食品科学基础研究1902.6淀粉热学特性淀粉起始温度To/峰值温度Tp/终止温度Tc/焓值H/(J/g)豇豆淀粉67.90.6a73.70.6a80.80.9a14.00.9bc小扁豆淀粉65.80.0b70.40.0c75.30.0c14.30.1b小黑芸豆淀粉64.40.4c72.00.8b79.00.7b13.11.0bc马铃薯淀粉59.00.6d63.60.6d69.50.6d16.11.0a玉米淀粉66.10.2b71.00.3c75.80.6c12.80.3c表3 不同淀粉热学特性Table 3 Thermal properties of starches from difference sources由表 3 可以看出，3 种豆类淀粉的 To、Tp、Tc与马铃薯淀粉的具有显著性差异。玉米淀粉与小扁豆淀粉差异不显著，与其他淀粉也具有显著性差异。To和 Tc以豇豆淀粉最大，说明其相变起始温度较高，且可能存在较多弱的结晶区(可能主要以支链结晶为主)26。马铃薯淀粉 To、Tp和 Tc均低于豆类淀粉，结合图 4 可知，马铃薯淀粉直链淀粉含量明显低于其他几种淀粉，由此可以推断：直链淀粉含量对淀粉的糊化起始、峰值和终点温度会产生一定影响。但糊化起始、峰值和终点温度与直链淀粉含量并不形成严格的线性关系，说明淀粉颗粒内部结构和淀粉分子结构也同样影响淀粉的糊化起始、峰值和终点温度，与文献27观点一致。3 种豆类淀粉焓值没有显著差别，说明淀粉分子结晶度相近，糊化难易程度比较接近。马铃薯淀粉焓值最大，可能与其较高的结晶度有关。糊化焓越高，淀粉颗粒的精细结构越复杂，糊化时需要更多的热能28。3结 论3.13 种豆类淀粉颗粒多为卵形，少数呈圆形，大多数淀粉颗粒表面光滑，部分淀粉中间有裂纹，轮纹明显，粒心基本居于正中。偏光十字较明显，豇豆淀粉比较粗，为“X”形，有盲区；小黑芸豆淀粉多为斜“十”形，十字交叉点位于颗粒中央；小扁豆淀粉有“X”形和斜“十”形两种，十字交叉点都位于颗粒中央。豇豆淀粉、小黑芸豆淀粉和小扁豆淀粉颗粒大小分布均呈正态分布，颗粒都较大，分布在6.6160.25m 范围内，平均粒径分别为 20.02、26.20、21.78m，表观直链淀粉含量分别为34.98%、45.35%、37.24%。直链淀粉含量对淀粉溶解度、糊化特性和热特性影响较明显。淀粉膨胀力随温度升高而增大，有典型的二段膨胀过程，属限制型膨胀淀粉。3.23 种豆类淀粉起糊温度在 72.977.0之间，高于马铃薯淀粉，低于玉米淀粉。小黑芸豆淀粉起糊温度最高，峰值黏度、破损值、最终黏度和回生值最低，表明不易糊化，成胶能力强，热稳定性好，抗剪切能力强。豇豆淀粉起糊温度较低，峰值黏度、破损值、最终黏度和回生值最高。相比马铃薯淀粉和玉米淀粉，豆类淀粉回生趋势较大。3 种豆类淀粉和马铃薯淀粉To、Tp和 Tc具有显著性差异，但焓值差异不显著，豇豆淀粉和小黑芸豆淀粉焓值与玉米淀粉焓值差异不显著。焓值大小顺序为小扁豆淀粉豇豆淀粉小黑芸豆淀粉，高于玉米淀粉，明显低于马铃薯淀粉。参 考 文 献：1郑卓杰.中国食用豆类学M.北京:中国农业出版社,1997:213;279.2KAURA S,SINGHA N,SODHI N S,et al.Diversity in properties ofseed and flour of kidney bean germplasmJ.Food Chemistry,2009,117(2):282-289.3柴岩,冯伯利,孙世贤.中国小杂粮品种M.北京:中国农业科学技术出版社,2007:12.4APOLONIO V T,PERLA O D,JOSEJ I H,et al.Starch digestibility offive cooked black bean(Phaseolus vulgaris L.)varietiesJ.Journal ofFood Composition and Analysis,2004,17(5):605-612.5赵凯,张守文,方桂珍,等.不同热处理方式对绿豆淀粉颗粒特性影响研究J.中国粮油学报,2007,22(6):71-73;81.6曹维强,王静.绿豆综合开发及利用J.粮食与油脂,2003(3):37-39.7郝小燕,麻浩.豆类淀粉研究综述J.粮油食品科技,2007,15(3):10-13.8汪丹媚,高群玉,黄立新.蚕豆淀粉的性质研究J.食品科技,2004(9):4-7.9HOOVER R,RATNAYAKE W S.Starch 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