奶白花芸豆淀粉颗粒结构及理化特性研究

韩春然，姚珊珊，许 鑫

(哈尔滨商业大学食品工程学院，黑龙江省高校食品科学与工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150076)

奶白花芸豆淀粉颗粒结构及理化特性研究

韩春然，姚珊珊，许 鑫

(哈尔滨商业大学食品工程学院，黑龙江省高校食品科学与工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150076)

研究奶白花芸豆淀粉的颗粒结构及基本理化性质。结果表明：奶白花芸豆中直链淀粉含量较高，为37.1%；芸豆淀粉-碘的最大吸收光谱在波长617nm附近；芸豆淀粉颗粒较大的呈现卵形，颗粒大小分布较均匀。X射线衍射分析表明，该芸豆淀粉属于A型结晶结构；芸豆淀粉的粒度均呈光滑单峰型，分布曲线为正态分布，高峰出现在21.12～23.51μm处。芸豆淀粉颗粒偏光十字极其明显。芸豆淀粉糊凝沉性质表明该淀粉容易老化；芸豆淀粉糊的透光率在0～12h内没有显著变化，12～24h内透明度呈显著下降趋势，24～48h内没有显著变化。在质量浓度为2g/100mL时，析水率最高，冻融稳定性最差；差示扫描量热仪(DSC)分析结果表明，起始糊化温度为61.3℃，2个糊化峰值温度分别为73℃和74.6℃，糊化结束温度为83.4℃，糊化所需焓值为50.55J/g。淀粉糊质量浓度对其黏度具有显著影响，4g/100mL为该芸豆淀粉成糊临界质量浓度。

奶白花芸豆；颗粒形貌；理化特性

芸豆(Phaseolus vulgaris)学名菜豆，豆科[1]。每100g芸豆含蛋白质23.1g、脂肪1.3g、碳水化合物56.9g、钙76mg及丰富的B族维生素[2]，芸豆是我国主要小杂粮之一[3]，芸豆中的主要化学成分是淀粉，淀粉性质直接决定着芸豆制品的加工特性。豆科植物是淀粉的四大来源之一[4]，目前对豆类淀粉的研究多集中在绿豆、红豆和豌豆，对芸豆淀粉性质的研究较少，到目前为止，仅有红芸豆[1]和花芸豆[5]两种芸豆淀粉性质的研究报告。奶白花为黑龙江地区主要芸豆品种之一，种植面积大，产量高。本实验对奶白花芸豆淀粉的基本理化性质进行研究，旨在为开发芸豆淀粉综合利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

奶白花芸豆购自黑龙江省农业科学院。

碘、碘化钾、无水乙醇、丙三醇 天津市天新精细化工开发中心。

1.2 仪器与设备

DK-98-1电控恒温水浴锅 天津泰斯特仪器公司；DHG-9123A电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科技有限公司；FDM-Z100浆渣自分离磨浆机 镇江新区天马五金厂；722分光光度计 上海精密科学仪器公司；S-3400N扫描电子显微镜 日本日立公司；BT-9300型激光粒度分布仪 丹东市百特仪器有限公司；DSC200F3差示量热扫描仪 美国PerkinElmer公司；质构仪 英国Stable Micro System公司。

1.3 方法

1.3.1 芸豆淀粉的制备

将100g芸豆浸泡于400mL、40℃水中，20h后用水洗涤，加500mL水两次磨浆后收集豆浆且过100目筛，离心，取下沉的淀粉，在沉降的淀粉中加入100mL酸浆水后调节pH值为6.0～6.5用蒸馏水清洗3次后静置5h，即得粗淀粉[6]。用乙醚除脂肪后置真空干燥箱中于40℃烘干过夜，过100目筛，筛下部分即为芸豆淀粉半成品。取10g芸豆淀粉半成品加水10mL配制成的淀粉乳，加入72mL乙醇于三角瓶中在40℃、130r/min的摇床中振荡45min后取出，离心，沉淀中加入水洗涤2～3次后置真空干燥箱中于40℃烘干过夜，白色粉末即为芸豆淀粉样品。

1.3.2 直链淀粉含量及淀粉-碘复合物蓝值测定

1.3.2.1 直链淀粉含量测定

[7]绘制直链淀粉标准曲线，并进行直链淀粉含量的测定。

1.3.2.2 淀粉-碘复合物最大吸收光谱测定

碘储备溶液的配制：准确称取碘2.5g、碘化钾5.0g，先用少量蒸馏水溶解，然后用蒸馏水定容至25mL，转入棕色试剂瓶中保存，放置于冰箱中备用。取1mL碘储备液，用水定容至5mL，混匀即为碘显色溶液，限当日使用。

吸取10mL蒸馏水，加入0.2mL碘显色液，用蒸馏水定容至25mL，即为碘空白溶液，待测。精确称取25mg的脱脂淀粉样品，用少量蒸馏水溶解，加入0.2mL碘显色液，用蒸馏水定容至25mL，在400～800nm波长范围内对已配制的溶液进行光谱扫描[8]。

1.3.3 芸豆淀粉颗粒结构研究

1.3.3.1 芸豆淀粉颗粒形态扫描

将已真空干燥过的芸豆淀粉颗粒样品镀金(金60%，铂40%)，然后在扫描电镜(加速电压20kV)下分别观察放大500倍和1000倍时芸豆淀粉的颗粒形态。

1.3.3.2 芸豆淀粉X射线衍射分析

称取样品2g，用无水乙醇洗涤后在40℃干燥10h，研磨后用自动X射线衍射仪分析。测定条件：粉末法，特征射线Cu Kα，管压40kV，电流30mA，扫描范围10～80°，扫描速度 10°/min[9-10]。

1.3.3.3 芸豆淀粉颗粒粒度分析

采用BT-9300型粒度分布仪测定芸豆淀粉的粒度分布。称1.0g淀粉，置于带帽试管中，加入10mL乙醇，用超声波振荡，使淀粉颗粒分布均匀。使用蒸馏水为分散剂，遮光度为17%，颗粒折射率为1.53，颗粒吸收率为0.01。测定粒径范围：0.1～340μm。

1.3.3.4 芸豆淀粉颗粒光学性质

以甘油、水按体积比1∶1配制成溶剂，将芸豆淀粉配成2g/100mL的淀粉乳，滴于载玻片上在偏光显微镜下于100倍观察淀粉颗粒的双折射性质[11]。

1.3.4 芸豆淀粉基本理化特性研究

1.3.4.1 芸豆淀粉糊凝沉性质

配制1g/100mL的芸豆淀粉乳，沸水浴糊化20min后，冷却至室温，将淀粉乳倒入100mL量筒中，在室温下分别放置0、12、24、36、48h后记录上清液体积。

1.3.4.2 芸豆淀粉糊透明度

芸豆淀粉样品加水配成1g/100mL的淀粉乳，取50mL放入烧杯中，置于沸水浴中加热搅拌20min，在620nm波长处分别测放置0、12、24、36、48h后的透光率，以蒸馏水作为空白，设蒸馏水的透光率为100%[12]。

1.3.4.3 芸豆淀粉糊冻融稳定性

将塑料离心管进行编号并称其质量。分别配制质量浓度为2、4、6、8、10g/100mL淀粉乳，在100℃水浴中糊化20min后置于塑料离心管中，冷却至室温后，再称取其质量，并放－18℃冰箱中冷却20h后取出，让其自然解冻8h， 以1000×g离心20min，倒出上清液后称量沉淀物质量，计算析水率[12]。

1.3.4.4 芸豆淀粉糊质构分析

将芸豆淀粉配制成质量浓度10g/100mL淀粉乳并在100℃的水浴中糊化20min，冷却1h左右后以质构仪进行TPA测定，参数为前压速率4mm/s、测定速率1mm/s、后压速率1mm/s，探头为P0.5，高度10mm[13]。

1.3.4.5 芸豆淀粉糊热学性质

精密称取10mg淀粉溶于30mg去离子水混合并封盖，样品平衡1h后DSC分析，温度扫描范围30～130℃，以10℃/min的速度扫描样品，以空白盘为参数对照，记录起始温度(t0)、峰值温度(tp)、终止温度(tc)，用流动水冷却至室温[14-15]。

1.3.4.6 芸豆淀粉糊质量浓度对黏度的影响

配制质量浓度为2、4、6、8、10g/100mL的芸豆淀粉乳，测定其黏度曲线。设定快速黏度分析仪参数：采用升温-降温循环：50℃保持1min；3.75min内加热到95℃；在95℃保持 2.5min，在3.75min内降到50℃；然后在50℃保持2min。测得淀粉糊黏度曲线，分析峰值黏度、谷值黏度、最终黏度、破损值、回生值、出峰时间及成糊温度。

1.4 数据分析

数据采用SPSS17.0进行统计分析，数据间的差异性采用单向方差分析(one-way ANOVA)进行多重比较，显著水平设为0.05。所有实验重复3次进行。

2 结果与分析

2.1 芸豆淀粉颗粒结构研究

2.1.1 直链淀粉含量测定

植物品种、品种栽培条件及储藏条件的差异，均会导致直链淀粉含量的不同。一般而言，豆类淀粉中直链淀粉含量在30%～40%[16]。本研究测得芸豆淀粉中直链淀粉含量为37.1%，与陈振家等[1]报道的红芸豆淀粉中直链淀粉含量是36.54%基本一致。

2.1.2 淀粉-碘复合物最大吸收光谱测定

向芸豆淀粉中加入碘显色液后，经过紫外-可见光光谱扫描发现，芸豆淀粉-碘的最大吸收光谱在波长617nm附近，与黄智慧等[5]报道的花芸豆淀粉-碘最大吸收光谱在波长620nm基本一致。碘与淀粉所形成的复合物颜色深浅与分子特性有关，直链淀粉的链越长，越显蓝色，颜色越深。天然淀粉的显色与直链淀粉含量有关，直链淀粉含量较高者蓝色较深。芸豆淀粉的碘复合物吸收光谱如图1所示。

图1 芸豆淀粉与碘复合物最大吸收光谱图Fig.1 Maximum absorbance of light speckled kidney bean starchiodine complex

2.1.3 芸豆淀粉颗粒形态扫描

图2 芸豆淀粉颗粒形态扫描图Fig.2 Transmission electron microscopic images of light speckled kidney bean starch granules

由图2可知，芸豆淀粉颗粒较大的呈现卵形，表层光滑见有受到外力损伤的迹象，颗粒大小分布较均匀。

2.1.4 芸豆淀粉X射线衍射分析

淀粉粒由结晶部分和非结晶部分组成，通过X射线粉末衍射法分析可获得明显的淀粉结晶图谱。原淀粉颗粒主要产生A、B、C 3种不同类型的X射线衍射图谱。谷物淀粉大多属于A型，根茎和球状根茎类的淀粉大多属于B型，而豆类的淀粉大多数属于C型[17]。衍射图中的峰高(衍射强度)和半峰宽(衍射角)与颗粒内部结晶区的晶粒大小有关，晶粒越大，衍射峰越高，半峰宽越小，背景高度主要来自非结晶区。本实验采用X射线衍射法测定芸豆淀粉的结晶结构和分子结构。芸豆淀粉晶体结构的X射线衍射图分别如图3所示。

图3 芸豆淀粉X射线谱图Fig.3 X-ray pattern of light speckled kidney bean starch granules

由图3可知，芸豆淀粉在2θ角为15.26°、17.14°、18.20°、23.10°分别有强吸收峰出现，在此衍射角下对应的峰的积分面积分别是48、62、52、70，可以看出芸豆淀粉属于A型结晶结构，这与黄智慧等[5]报道的一致。2.1.5 芸豆淀粉颗粒粒度分析

图4 淀粉颗粒粒度分布扫描图Fig.4 Granularity distribution curve of light speckled kidney bean starch

由图4可知，芸豆淀粉的粒度均呈光滑单峰型，分布曲线为正态分布，高峰出现在21.12～23.51μm处。淀粉颗粒大小的比表面积、个数平均径、长度平均径、面积平均径、重量平均径见表1。从淀粉的粒径分布情况看，芸豆淀粉直径处在21.12～23.51μm的占到10.14%。

表1 淀粉粒度分析数据Table 1 Granularity distribution analysis of light speckled kidney bean starch

2.1.6 芸豆淀粉颗粒光学性质

图5 淀粉颗粒马耳他十字扫描图Fig.5 Maltese cross scanning of light speckled kidney bean starch granules

由图5可知，芸豆淀粉颗粒较大呈现卵形或椭圆形，偏光十字及其明显而且大多数位于颗粒中央，较小颗粒的脐心处呈现“一”字型而较大，颗粒脐心处呈现“X”型或“十”字型或“T”字型。

2.2 芸豆淀粉糊化特性研究

2.2.1 芸豆淀粉糊凝沉性质

图6 芸豆淀粉在不同时间的凝沉性质变化图Fig.6 Retrogradation curve of light speckled kidney bean starch

淀粉的凝沉性与淀粉的老化具有相关性，选取淀粉凝沉性作为淀粉老化的考察指标，同时凝沉性又是淀粉糊性能测定的一项重要指标。当水合并分散的淀粉分子重新缔合时就产生胶凝现象，并且含直链淀粉多的淀粉生成凝胶的过程极为迅速，因为主要是直链淀粉聚合发生凝沉作用，即直链淀粉含量越高凝沉性越强越易发生老化。图6表明随着时间的增加，芸豆淀粉糊上清液的高度逐渐增加。在0～2h范围内，芸豆淀粉糊的上清液体积显著(P＜0.05)增加，3～12h芸豆淀粉糊的沉降体积稳定，上清液体积无变化，说明芸豆淀粉较易发生老化，这与其直链淀粉含量测定的实验结果相一致。

2.2.2 芸豆淀粉糊透明度

由图7可知，芸豆淀粉透明度随测定时间延长总体呈现缓慢下降的趋势。淀粉糊的透明度与淀粉老化具有相关性，透明度越差的淀粉糊其老化速度越快。芸豆淀粉的透光率在0～12h内没有显著变化，12～24h内透明度呈显著下降趋势(P＜0.05)，24～48h内没有显著(P＜0.05)变化。

图7 芸豆淀粉在不同时间的透明度变化图Fig.7 Transparency curve of light speckled kidney bean starch gel

2.2.3 芸豆淀粉糊冻融稳定性

淀粉糊的冻融稳定性是反映淀粉冻融后析出水多少的考察指标，在冷冻食品中应用的淀粉要求具有良好的冻融稳定性以确保食品具有良好的质构状态。

图8 不同质量浓度芸豆淀粉冻融稳定性变化图Fig.8 Freeze-thaw stability of light speckled kidney bean starch gel with concentration

由图8可知，芸豆淀粉冻融稳定性随质量浓度增加析水率总体呈现显著(P＜0.05)下降的趋势。在质量浓度为2g/100mL时，析水率最高，说明此时淀粉稳定性最差；在质量浓度为4g/100mL和6g/100mL时，芸豆淀粉析水率依然维持较高的水平，说明此时芸豆淀粉的稳定性较差。

2.2.4 芸豆淀粉糊质构分析

表2 芸豆淀粉TPA测定结果Table 2 TPA parameters of light speckled kidney bean starch

芸豆淀粉糊的TPA测定结果如表2所示。淀粉经过糊化后冷却，淀粉分子重新排列以氢键结合，重新组成混合微晶束。直链淀粉的含量直接决定了淀粉的回生速率。淀粉回生程度越高，淀粉凝胶的硬度越大。

2.2.5 芸豆淀粉糊热学性质

淀粉作为一种具有结晶结构和无定形结构的高分子聚合物，也具有玻璃化相变，在相变过程中，其热学性质发生了明显的变化。淀粉糊化时伴随的能量变化在差示扫描量热仪(DSC)图谱上表现为吸热峰通过DSC测定后芸豆淀粉的热力学性质数据如表3所示。

表4 不同质量浓度芸豆淀粉乳黏度变化(，n=3)Table 4 Change in viscosity of light speckled kidney bean starch with concentration (，n=3)

表4 不同质量浓度芸豆淀粉乳黏度变化(，n=3)Table 4 Change in viscosity of light speckled kidney bean starch with concentration (，n=3)

注：数据为3次实验结果的平均值±标准差；同一列数据肩标字母不同，具有显著差异(P＜0.05)。

淀粉质量浓度/(g/100mL) 峰黏度/RU 谷黏度/RU 破损值 终黏度/RU 回值 出峰时间/min 成糊温度/℃2 0 0 0 0 0 0 无明显糊化5.25±0.12a 5.25±0.26a 0 11.33±0.78a 6.08±0.69a 7.00±0.76b 79.88±2.45b 6 31.42±3.34b 31.5±2.31b －0.08±0.0a 44.42±3.43b 12.92±1.45b 6.93±0.47b 79.08±3.67a 8 112.33±15.67c 99.5±8.12c 12.83±1.03b 156.33±14.45c 56.83±8.24c 5.13±0.41ab 78.9±5.23a 10 265.5±25.98d 206.92±12.2d 58.58±3.45c 441.58±25.96d 234.66±18.87d 4.53±0.88a 77.15±2.85a 4

表3 芸豆淀粉热分析数据Table 3 DSC analysis of light speckled kidney bean starch

由表3可知，芸豆淀粉的峰值糊化温度有两个峰值，其原因可能是：开始是非晶型的淀粉颗粒首先吸水、膨胀，出现一个峰值，而具有晶型结构的淀粉颗粒随着温度的升高，晶体结构开始熔化，因而出现第二个峰值。糊化程度高低的影响因素较复杂，包括颗粒大小、直链淀粉含量、水分、碱、脂类等。

2.2.6 芸豆淀粉糊质量浓度对黏度的影响

分别配制成质量浓度为2、4、6、8、10g/100mL芸豆淀粉乳，测定不同质量浓度的淀粉糊的黏度变化，结果如表4所示。随着淀粉质量浓度的增加，峰黏度、谷黏度、终黏度、回值都显著增加(P＜0.05)，而出峰时间和成糊温度有降低趋势，淀粉质量浓度越高，出峰时间越早，成糊温度越低，即黏度增加越快。而4g/100mL可视为该芸豆淀粉成糊的一个临界质量浓度。

3 结 论

奶白花芸豆中直链淀粉含量较高，为37.1%；芸豆淀粉-碘的最大吸收光谱在波长617nm附近；扫描电镜结果表明，芸豆淀粉颗粒较大呈现卵形，表层光滑见有受到外力损伤的迹象，颗粒大小分布较均匀。X射线衍射分析表明，该芸豆淀粉属于A型结晶结构；芸豆淀粉的粒度均呈光滑单峰型，分布曲线为正态分布，高峰出现在21.12～23.51μm处。直径处在21.12～23.51μm的占到10.14%。偏光十字极其明显。芸豆淀粉糊凝沉性质表明该淀粉容易老化，这与其直链淀粉含量高有关；芸豆淀粉的透光率在0～12h内没有显著变化，12～24h内透明度呈显著下降趋势，24～48h内没有显著变化。在质量浓度为2g/100mL时，析水率最高，冻融稳定性最差；DSC结果表明，起始糊化温度为61.3℃，2个糊化峰值温度分别为73℃和74.6℃，糊化结束温度为83.4℃，糊化所需焓值为50.55J/g。淀粉糊浓度对其黏度具有显著影响，4g/100mL为成糊临界质量浓度。

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Granule Structure and Physico-chemical Properties of Light Speckled Kidney Bean Starch

HAN Chun-ran，YAO Shan-shan，XU Xin
(Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Food Science and Engineering, College of Food Engineering,Harbin University of Commerce, Harbin 150076, China)

The granule structure and basic physico-chemical properties of starch from light speckled kidney bean grown in Heilongjiang province were studied. The amylose content of light speckled kidney bean starch was 37.1%. The starch showed maximum absorbance at 617 nm after complexing with iodine. The starch granules were large and oval in shape and showed an uniform size distribution. The crystal structure of the starch, as indicated by X-ray analysis, belonged to type A. The granularity distribution showed a single smooth peak at 21.12－23.51μm and was in a normal manner. The birefringence cross of starch granules was very obvious and the starch revealed an obvious retrogradation property. In addition, the transparency of the starch gel had no significant change during 0－12 h and 24－48 h, while a significant change was observed during 12－24 h. The freeze-thaw stability was the weakest at the concentration of 2%. DSC results showed that the original pasting temperature was 61.3 ℃ and that the pasting peak temperatures were 73 ℃ and 74.6 ℃, respectively. The complete pasting temperature was 83.4 ℃ and the enthalpy required for complete pasting was 50.55 J/g. The concentration of the starch had a significant effect on viscosity. The critical concentration for the pasting of the starch was 4%.

light speckled kidney been；granule morphology；physico-chemical properties

TS235.3

A

1002-6630(2012)03-0063-05

2011-07-23

韩春然(1970—)，女，副教授，硕士，研究方向为食品基础原料开发。E-mail：hanchr@hrbcu.edu.cn