豌豆淀粉的提取及其理化性质的研究

裴亚琼 宋晓燕 杨 念 贾艳培

(河南农业大学食品科学技术学院1，郑州 450002)(国家面粉及制品质检中心2，商丘 476000)

豌豆是一种以淀粉和蛋白质为主的豆料植物，是世界各地广泛种植的主要食用豆类之一。豌豆的成熟籽粒中分别含有蛋白质21%～28%和淀粉48%～52%[1]。相比谷物淀粉和薯类淀粉，豌豆淀粉中直链淀粉所占比例较大，光粒豌豆淀粉中含直链淀粉33%～50%，皱粒豌豆淀粉中含直链淀粉60%～88%[2-4]。豌豆淀粉用途极广，既是食品工业原料，又可直接食用，还可广泛地用于纺织、轻化、医药等方面。

由于豌豆中主要物质是淀粉和蛋白质[5-7]，因此豌豆淀粉提取率的高低主要体现在蛋白质和淀粉分离的效果上。目前，提取淀粉的方法主要有机械分离法、流板槽法及酸浆法[8-10]。机械分离法与流板槽法都存在工艺流程复杂、投资大、用水量高、能耗高、环保处理较难等缺点[11]。酸浆法提取淀粉用水量大(料∶水=1∶20～40)，难以实现机械化生产，且酸浆法受原料和气候等的影响很大，产品的质量难保证[12]。碱液法通过对豌豆进行碱液浸泡、磨浆、离心处理，使蛋白质与淀粉分离，该法简单方便，蛋白质残留量低。

本试验以中豌四号为原料，为了优化豌豆淀粉的碱法提取条件，采用响应面法研究料液比、提取时间和碱液质量分数对淀粉中蛋白质残留量和淀粉得率的影响，并对豌豆淀粉颗粒的表面结构和糊化特性及支链淀粉链长分布进行研究，旨为豌豆淀粉的工业化生产及应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

中豌四号：市购；异淀粉酶：15284-1MU, Sigma-Alorich公司；NaOH、HCl均为分析纯。

1.2 仪器与设备

2F130型浆渣自分砂轮磨：郑州食品机械厂；LG10-2.4A型高速离心机：北京医用离心机厂；S-3400NⅡ型扫描电子显微镜：日本株式会社日立高新技术国际贸易有限公司；Model 4D型黏度速测仪：澳大利亚Newport Scientific公司；DionexICS-3000 型离子色谱仪：戴安公司。

1.3 试验方法

1.3.1 碱法提取豌豆淀粉工艺

将豌豆机械去皮，按照不同料液比加入一定质量分数的NaOH溶液，浸泡过夜。将浸泡后的豌豆用磨浆机研磨2次，然后将浆状物在胶体磨(将乳化细度调为50 μm)中研磨5 min。然后将浆状物装入三角瓶中，在35 ℃的水浴摇床中摇动。摇至一定时间，取出，3 000 r/min离心10 min，倒掉上清液，沉淀用自来水(约沉淀质量的3倍)洗涤2次。沉淀溶于自来水中，用3% HCl调pH至7.0，离心，去除上清液，仔细刮去沉淀的上层黑色物质。下层淀粉再用自来水洗涤2次，然后离心，上清液倒掉，样品于50 ℃烘箱中干燥24 h，研磨并过180目筛(孔径为90 μm)。

1.3.2 碱法提取工艺的响应面法试验设计

为获得理想的淀粉提取条件，采用Box-Behnken设计试验。选择料液比、提取时间和碱液质量分数3个因素为自变量，以蛋白质残留量和淀粉得率为响应值。

1.3.3 水分测定

采用(103±2)℃恒温烘箱法测定。

1.3.4 蛋白质残留量测定

采用凯氏定氮法，参考国标GB/T 5511—2008[13]，蛋白质含量计算公式为：

蛋白质含量

(1)

式中：V1为样品滴定所用HCl标准溶液的体积/mL；V2为空白滴定所用HCl标准溶液的体积/mL；N为HCl标准溶液的浓度/mol/L；0.014为1 mL的1 mol/L HCl标准溶液相当于氮的质量/g；6.25为氮换算为蛋白质的系数；W为样品的质量/g；H为样品的水分含量/%。蛋白质残留量以2次独立测定结果的平均值表示。

1.3.5 淀粉得率

淀粉得率的计算公式为：

(2)

1.3.6 扫描电镜观察

将样品均匀地撒在有胶性物质的样品台上，镀金处理后，置于扫描电子显微镜样品室中，对样品进行观察并拍照。

1.3.7 糊化特性测定

采用黏度速测仪测定豌豆淀粉的糊化特性，参考AACC 标准方法[14]，稍做改动。样品量2.0 g, 加蒸馏水25.0 mL。测定时, 罐内温度变化如下：50 ℃下保持1 min，上升到95 ℃(3.42 min), 然后在95 ℃下保持2.7 min, 以后下降到50 ℃(3.88 min)，50 ℃下保持2.0 min。

1.3.8 支链淀粉链长分布分析

精确称量豌豆淀粉50 mg溶于5 mL的0.05 mol/L醋酸-醋酸钠(pH=3.5)缓冲溶液中，之后在沸水浴中保持20 min使淀粉完全糊化，待溶液冷却至室温，加入20 μL异淀粉酶，之后在37 ℃恒温水浴震荡48 h。待反应完全后取出样品放入沸水浴中保持20 min，使异淀粉酶失活。过0.45 μm的过滤膜，在反应器中进样。采用离子色谱仪分析，色谱柱为CarboPacTMPA100(4 mm×250 mm)糖分析柱。流动相A：水；流动相B：100 mmol/L NaOH溶液；流动相C：100 mmol/L NaOH溶液+1 mol/L NaAc溶液，流速：0.8 mL/min。进样前过0.22 μm滤膜。

1.3.9 数据处理

RVA黏度曲线和淀粉链长分布采用Origin 8.0作图；响应面法试验结果采用Design Expert 7.0软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 响应面试验结果

按照表1中试验设计进行淀粉提取的优化，可得试验结果。由试验结果看出，通过控制料液比、提取时间和NaOH溶液质量分数，可以得到蛋白质残留量为0.12%～2.08%的豌豆淀粉，淀粉得率为豌豆干基质量的12.8%～30.1%。

表1 碱法提取豌豆淀粉的响应面法试验设计方案

2.2 最佳制备工艺条件的确定

以蛋白残留量和淀粉得率为响应值，对表1中的试验结果进行方差分析，见表2。在一次项中，料液比、提取时间和碱液质量分数对蛋白残留量的影响极显著，其显著顺序为：碱液质量分数>提取时间>料液比；在二次项上，料液比的平方影响显著，提取时间和NaOH溶液质量分数的平方影响极显著；料液比与提取时间交互项对蛋白残留量的影响不显著；提取时间对淀粉得率的影响显著(P=0.022 1)。

表2 方差分析表

注：*和**分别表示0.05(显著)和0.01(极显著)显著水平。

由方差分析可知，模型的F=119.42，P<0.000 1，模型在99%的概率水平上是显著的。由失拟性分析可知，失拟项的F=6.38，P=0.052 7>0.05，不显著，说明模型设计的拟合程度较好。因此，该二次方程是预测豌豆淀粉最优提取条件的一个比较合适的模型。

根据表1所示的试验结果绘出Y1值随X1、X2和X3变化的关系，如图1所示，是三个开口向上的曲面图，说明在试验区域内存在预测的最低点。对表1中试验结果进行回归分析可以得出以下二次多项式的拟合方程：

Y1=0.27-0.17X1-0.24X2-0.71X3-0.09X1X2+0.12X1X3-0.11X2X3+0.12X12+0.24X22+0.61X32

(3)

Y2=21.62+2.55X1+3.13X2-3.05X12

(4)

依据模型可预测在稳定状态下：蛋白残留量为0.073%，淀粉得率为25.3%，此时X1=0.42，X2=1.00，X3=0.16，与其对应的实际值分别是：料液比1∶7.26，提取时间18.00 h，NaOH溶液质量分数0.43%。在此条件下进行3次放大试验。结果表明，制备的豌豆淀粉蛋白质残留量为(0.081±0.005)%，淀粉得率为豌豆干基质量的30.5%。

图1 液料比、提取时间和碱液质量分数对蛋白 残留量影响的响应面图

2.3 扫描电镜分析

碱法提取的豌豆淀粉的扫描电镜照片如图2所示。由图2中看出，豌豆淀粉颗粒为不规则的椭圆形或卵形，表面光滑圆润，与资料报道一致[15-18]。说明碱法提取豌豆淀粉没有对淀粉颗粒表面产生损坏。

图2 豌豆淀粉的扫描电镜照片

2.4 RVA谱分析

淀粉的应用主要是利用其成糊性能，为了研究豌豆淀粉的糊化特性，采用黏度速测仪测定豌豆淀粉、绿豆淀粉、豇豆淀粉和红豆淀粉的RVA图谱，如图3所示。RVA的主要参数，如峰值黏度、热浆黏度、冷胶黏度和糊化温度均在表3中列出。由图3和表3可知，峰值黏度：绿豆淀粉>豇豆淀粉>红豆淀粉>豌豆淀粉；糊化温度：豌豆淀粉>红豆淀粉>绿豆淀粉>豇豆淀粉。

注：1. 绿豆淀粉; 2. 豇豆淀粉; 3. 红豆淀粉; 4. 豌豆淀粉。图3 不同豆类淀粉的RVA黏度曲线

表3 不同豆类淀粉的RVA主要参数

样品峰值黏度/mPa·s热浆黏度/mPa·s冷胶黏度/mPa·s糊化温度/℃豌豆淀粉12361172151277．2豇豆淀粉21521495271169．0红豆淀粉16401516245176．6绿豆淀粉23791644289774．2

2.5 豌豆淀粉的链长分布

本试验采用异淀粉酶对支链淀粉进行脱支处理，并利用离子色谱仪对豌豆淀粉的分子结构进行研究，其链长分布如图4所示。从图4中可以发现，最高峰值出现在聚合度(DP)15，在DP 15之前聚合度是呈递增趋势，而在DP 15之后则呈递减趋势。并且，豌豆淀粉的链长主要分布在DP 9～25。前人以稻米淀粉分子链长分布比值(链长比值=∑DP ≤11 / ∑DP ≤ 24)将淀粉分子分为长链型(L型)和短链型(S型)[19]；应用此理论，豌豆淀粉分子为长链型(L型)：L型淀粉有较高的糊化温度，前人的研究及本试验的结果均与此一致。支链淀粉链长的分配及聚合度影响着淀粉的黏滞特性。在加热升温过程中，长的支链分子阻碍淀粉颗粒的膨胀、破裂程度、糊化及冷却后滞黏度的回升。这也很好的解释了豌豆淀粉的低峰值黏度、低热浆黏度及低冷胶黏度。

图4 豌豆淀粉的链长分布

3 结论

3.1 影响豌豆淀粉中蛋白残留量的因素顺序为：NaOH溶液质量分数>提取时间>料液比；提取时间对淀粉得率影响显著。

3.2 碱法提取豌豆淀粉的最佳工艺条件为：料液比1∶7.26，提取时间18.00 h, NaOH溶液质量分数0.43%，在此工艺条件下制得豌豆淀粉的蛋白质残留量为(0.081±0.005)%，淀粉得率为豌豆干基质量的30.5%。

3.3 扫描电镜照片显示，豌豆淀粉颗粒为不规则的椭圆形或卵形，表面光滑圆润，碱法提取豌豆淀粉没有对淀粉颗粒表面产生损坏，不破坏淀粉颗粒的完整性。

3.4 与绿豆淀粉、豇豆淀粉和红豆淀粉比较，豌豆淀粉具有较低的峰值黏度、热浆黏度、冷胶黏度和较高的糊化温度。

3.5 豌豆淀粉支链链长主要分布在DP 9～25，属于长链型(L型)淀粉，具有较高的糊化温度。

[1]莫重文. 豌豆蛋白及淀粉制取的研究[J]. 郑州粮食学院学报, 1999, 20 (4): 84-88

[2]于密军. 柠檬酸改性豌豆淀粉的研究[D]. 天津: 天津大学, 2008

[3]Colonna P, Buleon A, Lemaguer M, et al. Pisum sativum and vicia faba carbohydrates: part IV—granular structure of wrinkled pea starch [J]. Carbohydrate Polymers, 1982, 2(1): 43-59

[4]Colonna P, Mercier C. Macromolecular structure of wrinkled and smooth-pea starch components [J]Carbohydrate Research, 1984, 126(2): 233-247

[5]Ratnayake W S, Hoover R. Composition, molecular structure, and physicochemical properties of starches from four field pea (PisumsativumL.) cultivars [J]. Food Chemistry, 2001, 74(2): 189-202

[6]De Almeida Costa G E, Da Silva Queiroz-Monici K, Pissini Machado Reis S M, et al. Chemical composition, dietary fibre and resistant starch contents of raw and cooked pea, common bean, chickpea and lentil legumes [J]. Food Chemistry, 2006, 94(3): 327-330

[7]Aggarwal V, Singh N, Kamboj S S, et al. Some properties of seeds and starches separated from different Indian pea cultivars [J]. Food Chemistry, 2004, 85(4): 585-590

[8]李兆丰, 顾正彪, 洪雁. 豌豆淀粉的研究进展[J]. 食品与发酵工业, 2003, 29 (4): 70-74

[9]周显青. 食用豆类加工与利用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2003: 115-156

[10]熊柳, 初丽君, 孙庆杰, 等. 酶法制取龙口粉丝专用淀粉工艺优化及性质[J]. 中国粮油学报, 2012, 27 (12): 41-46

[11]王德培. 绿豆和豌豆淀粉的分离方法及其品质特性[J]. 仲恺农业技术学院学报, 1996, 9(2): 93-97

[12]刘文菊, 沈群, 刘杰. 酸浆法生产淀粉机理研究初探[J]. 食品科学, 2006, 27(1): 79-82

[13]GB/T 5511—2008，谷物和豆类氮含量测定和粗白质质含量计算 凯氏法[S]

[14]AACC: Approved Methods of the AACC, 10thed., American Association of Cereal Chemists: St. Paul, MN, 2000, Method 76-21.01

[15]高群玉, 周俊侠, 张力田. 豌豆淀粉颗粒性质的研究[J]. 粮食与饲料工业, 1998, 19(6): 41-42

[16]Ovando-Martínez M, Luis A, Bello P, et al. Starch characteristics of bean (Phaseolus vulgaris L.) grown in different localities [J]. Carbohydrate Polymers, 2011, 85(1): 54-64

[17]Wang S J, Sharp P, Copeland L. Structural and functional properties of starches from field peas [J]. Food Chemistry, 2011, 126(4): 1546-1552

[18]Wang S J, Yu J L, Yu J G. The semi-crystalline growth rings of C-type pea starch granule revealed by SEM and HR-TEM during acid hydrolysis [J]. Carbohydrate Polymers, 2008, 74(3): 731-739

[19]贺晓鹏, 朱昌兰, 刘玲珑, 等. 不同水稻品种支链淀粉的差异及其与淀粉理化特性的关系[J]. 作物学报, 2010, 36(2): 276-284.