绿豆淀粉凝胶的质构特性和超微结构研究

杨玉玲 张 沫 陈银基 王素雅 仇红娟 杨莉莉

(南京财经大学食品科学与工程学院江苏省粮油品质控制及深加工技术重点实验室，南京 210046)

绿豆是我国人民喜爱的传统杂粮，除具有食用价值外，还具有清热解毒、降低血脂、消肿利尿、明目降压等功效［1］。绿豆的最主要成分是淀粉，淀粉的凝胶特性决定着绿豆粉丝、绿豆凉粉等绿豆制品的品质，因此研究绿豆淀粉的凝胶特性具有重要意义。

淀粉的凝胶特性包括质构特性、流变特性和保水性等性质。受淀粉的组成、颗粒形态、淀粉糊化温度、淀粉糊放置时间、添加物种类和添加量等多种因素影响。梁灵等［2］研究了小麦淀粉凝胶的质构特性，认为小麦品种显著地影响其淀粉凝胶硬度。Choi等［3］报道了小麦淀粉凝胶的硬度随含水量增加而显著下降。Lu等［4］研究了大米淀粉的质构和流变特性，认为凝胶的硬度和黏性随淀粉浓度增加而增加。张兆琴等［5］认为添加蔗糖和NaCl对米淀粉凝胶硬度影响较小。Sandhu等［6］比较了不同品种的玉米淀粉凝胶的硬度、弹性、黏聚性等质构特性。陶锦鸿等［7］研究了不同淀粉乳浓度、糖的种类、pH值以及吐温－80浓度对莲子淀粉凝胶质构的影响。Santhanee等［8］研究了木薯淀粉、马铃薯淀粉和米淀粉等不同配比时凝胶的质构特性。Dhillon等［9］报道了加入碘能导致淀粉凝胶的硬度和弹性下降。近年来，金彦刚等［10］分析比较了不同品种绿豆中的淀粉含量和直链淀粉含量，钟葵等［11］报道了绿豆粉的糊化温度在70.6～78.1 ℃，林伟静等［12］研究了不同品种对绿豆淀粉质构特性的影响。王充等［13］研究了羧甲基纤维素钠、单甘酯等改良剂对绿豆淀粉凝胶质构特性的影响。熊柳等［14－15］研究了谷朊粉对绿豆淀粉质构特性的影响，并研究了绿豆发芽后淀粉的质构特性。鉴于蔗糖和柠檬酸均为食品中最常见的调味剂，本研究从绿豆中提取绿豆淀粉，研究与绿豆淀粉凝胶特性相关的淀粉颗粒形态、糊化特性等基本性质;研究淀粉浓度、蔗糖添加量、柠檬酸添加量对绿豆淀粉凝胶质构特性和凝胶超微结构的影响，以期为绿豆淀粉深加工以及新型绿豆产品开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料

绿豆:中绿1号，江苏省农科院;试剂:均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.1.2 仪器

DS－1型高速组织捣碎机:上海标本模型厂;101－3AS型电热鼓风干燥箱:上海苏进仪器设备厂;TDL－5－A型低速离心机:上海安亭仪器有限公司;DSC 8000型差示扫描量热仪:PerkinElmer公司;TA.XT.PLus型质构仪:英国 Stable Micro System公司;TM3000型扫描电子显微镜:日本Hitachi公司。

1.2 试验方法

1.2.1 绿豆淀粉的提取工艺流程

200 g绿豆→约5倍水浸泡15 h→去皮→组织捣碎机捣碎(10 000 r/min，10 s)→间隔20 s，捣碎7次→过100目筛弃去筛上部分杂质→筛下浆料静置4～5 h→倾去上清液→再加5倍水浸泡5 h后倾去上清液→重复上述浸泡步骤→至上清液中蛋白质双缩脲实验呈负反应→离心(3 000 r/min，10 min)→沉淀→在45℃下热风干燥→粉碎过100目筛→得绿豆淀粉。

1.2.2 淀粉成分分析

1.2.2.1 基本成分分析

淀粉的水分含量测定采用恒重法，具体步骤见国标GB/T 5009.3—2010;粗蛋白含量测定采用凯氏定氮法，见国标GB/T 5009.5—2010;粗脂肪含量测定采用索氏抽提法，见国标GB/T 5009.6—2003;灰分含量测定采用灼烧法，见国标 GB/T 5009.4—2010。

1.2.2.2 还原糖含量的测定

采用二硝基水杨酸(DNS)比色法［16］。分别吸取0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mL 1 mg/mL 葡萄糖标准液于20 mL具塞试管中，分别补蒸馏水至总体积为2.0 mL，各加1.5 mL DNS溶液后摇匀，沸水浴5 min，定容至20 mL，用1 cm比色皿于540 nm下测定吸光值，以葡萄糖含量为横坐标，吸光度为纵坐标作标准曲线。

吸取1 mL样品液于20 mL具塞试管，加1.0 mL蒸馏水，加入1.5 mL DNS溶液后摇匀，以下步骤按标准曲线制备步骤操作，根据标准曲线计算还原糖含量。

1.2.2.3 淀粉含量的测定

试样处理采用 GB/T 5009.9—2008中酸水解法，测定采用1.2.2.2 法，计算淀粉含量。

1.2.2.4 直链淀粉含量的测定

采用比色法测定［17］，准确称取40.0 mg纯直链淀粉，加1 mL 95% 乙醇润湿，加1 mol/L NaOH 9 mL，沸水浴加热10 min，定容至250 mL。分别吸取0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mL 于 100 mL 容量瓶，再分别加入 0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL 1 mol/L 醋酸酸化，加2 mL碘液(1.3 g碘 +3.5 g KI溶于500 mL水中)，定容至100 mL，静置20 min。用1 cm比色皿于620 nm下测定吸光值，以直链淀粉含量为横坐标，吸光度为纵坐标作标准曲线。

称取100.0 mg样品，加1 mL 95%的乙醇，加1 mol/L NaOH 9 mL，沸水浴中加热10 min，定容至250 mL。取5 mL定容液，加1 mol/L醋酸1 mL酸化，以下步骤按标准曲线制备步骤操作，根据标准曲线计算直链淀粉含量。

1.2.3 淀粉颗粒形态的观察

将淀粉粒撒在贴有双面胶的扫描电镜(SEM)样品台上，用吸耳球轻吹使样品单层铺于样品台的表面，喷金后用SEM观察，电压为15 kV。

1.2.4 淀粉糊化温度的测定

准确称量4 mg绿豆淀粉置于铝坩埚中，加8 μL去离子水，密封，在4℃下平衡(24 h)。利用差示扫描量热仪(DSC)测定淀粉的糊化温度和糊化热。扫描温度范围30～100℃;扫描速率10℃/min。

1.2.5 淀粉凝胶质构特性的测定

1.2.5.1 淀粉凝胶质构特性的试验设计

根据单因素试验结果，选用L9(3)4正交表设计淀粉凝胶质构特性的试验(见表1)。

表1 绿豆淀粉凝胶特性正交试验因素及水平/%

1.2.5.2 淀粉凝胶的制备

根据试验设计，称取一定量的淀粉，配成所需浓度的淀粉浆(2 g)于7 mL离心管中，90℃下搅拌20 min，冷却至室温，在4℃下静置24 h，得到淀粉凝胶样品。

1.2.5.3 淀粉凝胶的质构特性测定

使用质构仪测定淀粉凝胶的硬度和弹性。测定条件:TPA模式，P/6探头，测试前速度5 mm/s，测试中速度1 mm/s，测试后速度5 mm/s，穿刺距离5 mm。

1.2.6 淀粉凝胶超微结构的观察

淀粉凝胶切至约5 mm厚的小方块，用2.5%戊二醛固定2～3 d，用乙醇(50%、70%、90%、95%和100%)进行梯度脱水，冷冻干燥，喷金粉，在15 kV电压下进行扫描电镜观察。

1.3 数据处理

所有试验均为3个样品重复，所得数据利用SPSS 17.0数据分析软件进行处理和分析。

2 结果与讨论

2.1 绿豆淀粉的组成成分和颗粒形态

由表2可见，绿豆淀粉中含有少量的蛋白质、脂肪、灰分、还原糖等杂质，这些杂质可能会对淀粉的凝胶特性造成一定的影响。绿豆淀粉粒中直链淀粉质量分数为36.57%。淀粉中直链淀粉含量与淀粉的糊化特性、凝胶特性等关系密切。淀粉糊化后，直链淀粉从淀粉粒中沥出，在冷却的过程中形成凝胶的三维网状结构［18］，直链淀粉含量与玉米淀粉凝胶硬度呈显著正相关［6］。

表2 绿豆淀粉的成分/%

绿豆淀粉颗粒大部分呈椭圆形，表面光滑(见图1)，平均长轴直径为16.8 μm，颗粒长轴直径范围为6.5～30.8 μm，其中大部分在 15 ～25 μm 之间。淀粉凝胶的性质与淀粉的颗粒形状可能有关，淀粉凝胶根据糊化温度和时间不同形成的凝胶结构也不同。当淀粉充分糊化时，直链淀粉和支链淀粉分子均充分展开并相互缠绕形成三维网状结构，此时凝胶性质与淀粉颗粒形状无关;但当淀粉糊化不充分时，直链淀粉首先从淀粉颗粒中溢出，但支链淀粉以残余的淀粉颗粒形式存在，此淀粉糊冷却后得到凝胶的网状骨架是由直链淀粉形成的，残余的颗粒包裹在网状结构中，淀粉颗粒较大时，凝胶容易破碎，硬度较小。

图1 绿豆淀粉的颗粒形态

2.2 绿豆淀粉的糊化温度和糊化热

绿豆淀粉糊化的起始温度 TO为(62.37±0.05)℃，峰值温度 TP为(67.07 ±0.04)℃，糊化的终了温度 TC为(73.21 ±0.05)℃，H=(7.28 ±0.01)J/g(见图2)。

图2 绿豆淀粉的糊化特性

一般情况下用DSC法测定淀粉糊化温度时，通常采用峰值温度简单表达淀粉的糊化温度，但在制备淀粉凝胶中，需要确保淀粉完全糊化，因此糊化的终了温度更有参考价值。Sandhu等［6］报道了9种玉米淀粉的 TC在75.1～79.3 ℃之间;杨玉玲等［19］报道了籼米淀粉的 TC为86.79℃;李洁等［20］报道了莲藕淀粉的TC为74.7℃。在加水量充分的条件下，淀粉的糊化温度与淀粉的来源、淀粉的提取工艺、淀粉纯度等因素有关。林伟静等［12］用快速黏度计测定了绿豆淀粉的成糊温度在66.8～72.1℃之间，这种成糊温度是淀粉糊黏度在加热的过程中开始增加时的温度，此法不能测定淀粉糊化的终了温度 TC。

2.3 淀粉凝胶的质构特性

2.3.1 淀粉浓度对凝胶硬度及弹性的影响

从图3可以看出，随着淀粉浓度增加，其凝胶的硬度和弹性均呈增加趋势。淀粉质量分数从5%增加到6%，再增加到7%时，凝胶的硬度和弹性随淀粉浓度增加均显著增加(P＜0.05)，并且几乎均呈线性增加趋势，但超过7%后，凝胶的质构特性变化不再显著。

陶锦鸿等［7］报道了随着淀粉浓度增加，莲藕淀粉凝胶硬度呈线性关系增加，而凝胶弹性增加不明显;杜先锋等［21］报道了随着浓度增加，葛根淀粉凝胶硬度呈线性增加。淀粉浓度显著影响凝胶质构特性是因为随着淀粉浓度增加，参与形成凝胶三维网状结构骨架的基本物质增加，必然会导致代表凝胶特性的凝胶硬度和弹性显著增加;但当淀粉凝胶的网状结构充分形成后，淀粉浓度对凝胶质构特性的影响减小成为必然，但不同来源的淀粉而言，这种使其凝胶质构特性从显著变化到非显著变化所需的淀粉浓度不同。

图3 淀粉浓度对凝胶质构特性的影响

2.3.2 蔗糖浓度对凝胶硬度及弹性的影响

从图4可见，绿豆淀粉凝胶的硬度和弹性均随蔗糖添加量增加而增大。但在添加的蔗糖质量分数低于8%时，淀粉凝胶的硬度和弹性增加均不显著(P＞0.05);在蔗糖浓度达到16%时，淀粉凝胶硬度与未添加蔗糖的对照样相比显著增加(P＜0.05);在蔗糖浓度为12%时，淀粉凝胶的弹性与对照样相比显著增加，并显著低于蔗糖浓度为16%的样品弹性(P ＜0.05)。

图4 蔗糖浓度对凝胶质构特性的影响

曾婷婷等［22］报道了添加一定浓度的蔗糖能导致酸改性淀粉凝胶强度增加，但当添加的蔗糖质量分数增加到30%时，凝胶强度反而下降;张兆琴等［5］认为，蔗糖质量分数为6%时，大米淀粉糊的硬度达到最大值。Kim等［23］认为蔗糖分子通过羟基稳定淀粉分子周围的水分子而改变淀粉凝胶的质构特性。本研究认为，蔗糖与对淀粉凝胶特性产生影响的部分原因可能在于蔗糖分子通过羟基与水分子中的羟基形成氢键，从而削弱了水分子与淀粉之间的氢键作用，致使淀粉分子间的氢键作用增强，进而导致凝胶的硬度和弹性增加;但加入太多的蔗糖时，一部分蔗糖分子与淀粉分子间形成氢键，导致淀粉分子间的氢键作用减弱，最终导致凝胶硬度等质构特性变差。

2.3.3 柠檬酸浓度对凝胶硬度及弹性的影响

从图5可以看出，当柠檬酸质量分数为0.1%时，绿豆淀粉凝胶硬度最大，此后随着柠檬酸浓度增加，凝胶硬度降低，但添加柠檬酸对淀粉凝胶硬度的影响不显著(P＞0.05)。柠檬酸添加量在0～0.2%时，淀粉凝胶弹性随着柠檬酸浓度增加而显著增大，并在质量分数为0.2%时达到最大值，但超过0.2%时，柠檬酸浓度对凝胶弹性影响很小。

吕振磊等［24］报道了随着柠檬酸添加量增大，马铃薯淀粉凝胶的硬度逐渐下降;杜先锋等［25］报道了改变pH对淀粉凝胶的弹性影响不大，这与本试验结果不太一致，造成不一致的原因除了与淀粉种类有关外，还与酸性物质添加量的试验设计有关。当添加柠檬酸质量分数为0.1%时，体系的pH值为4.2，当柠檬酸质量分数增加至0.5%时，pH值为3.2，2种体系中氢离子浓度相差10倍。pH影响凝胶硬度的原因可能是:在pH呈弱酸性情况下，体系中的氢离子主要与水分子结合以H3O+形式存在，导致水分子形成氢键作用减弱，并促进了淀粉分子间氢键作用，因而凝胶的硬度有所增加;但当氢离子浓度较大时，由于淀粉分子上羟基中的氧具有一定的电负性，也吸引了部分氢离子与之结合，因此导致淀粉分子间形成氢键的能力减弱，并导致凝胶硬度下降。

图5 柠檬酸浓度对凝胶质构特性的影响

2.3.4 3种因素对绿豆淀粉凝胶质构特性的综合影响

绿豆淀粉浓度、柠檬酸浓度及蔗糖浓度3个因素对绿豆淀粉凝胶质构特性影响的正交试验结果见表3。

表3 绿豆淀粉凝胶硬度及弹性正交试验结果

由表3可知，在正交试验的9个试验号中，第7号试验所得的凝胶硬度和弹性均最大，其条件为:淀粉质量分数8%，蔗糖质量分数12%，柠檬酸质量分数0.2%。对表3的试验结果进行极差分析见表4。

表4 凝胶硬度和弹性正交试验结果的极差分析

比较表4中影响淀粉凝胶硬度的各因素的K值，发现淀粉浓度、蔗糖浓度和柠檬酸浓度均为K3水平时凝胶的硬度最大，即当淀粉质量分数为8%，蔗糖质量分数为12%，柠檬酸质量分数为0.4%时凝胶硬度获得最大值。比较各因素的R值发现，影响绿豆淀粉凝胶硬度的主次因子依次为:淀粉浓度、柠檬酸浓度、蔗糖浓度。淀粉凝胶弹性的极差分析结果表明，绿豆淀粉凝胶弹性在淀粉质量分数8%，蔗糖质量分数12%，柠檬酸质量分数0.2%时取得最大值。影响绿豆淀粉凝胶弹性的主次因子依次为:淀粉浓度、蔗糖浓度、柠檬酸浓度。由于凝胶硬度取得最大值的条件与正交试验的第7号试验条件基本一致，而凝胶弹性取得最大值的条件与第7号试验条件完全一致，因此可以确定凝胶质构特性的最佳条件为:淀粉质量分数8%，蔗糖质量分数12%，柠檬酸质量分数0.2%。

2.4 绿豆淀粉凝胶的超微结构

图6 绿豆淀粉凝胶的超微结构

图6为绿豆淀粉凝胶的超微结构。从图6a可见，绿豆淀粉分子经糊化后充分展开呈长链状，长链状淀粉分子通过相互缠结、交联形成凝胶的三维网状结构。添加蔗糖后淀粉凝胶的网状结构变得细密、有序，凝胶孔洞大小相对均一(图6b)。添加柠檬酸后淀粉凝胶的部分网状结构变密，但存在着较大的空洞，均匀度变差(图6c)。同时添加蔗糖和柠檬酸时，淀粉凝胶的网状结构均匀、致密、网状结构的骨架变粗，因而能表现出最佳质构特性(图6d)。

3 结论

绿豆淀粉颗粒大多呈椭圆形，平均长轴直径为16.8 μm，长轴直径范围为 6.5 ～30.8 μm。淀粉的糊化温度 TO为62.37 ℃，TP为67.07 ℃，TC为73.21 ℃。

绿豆淀粉凝胶的硬度和弹性均随淀粉浓度或蔗糖添加量增加而显著增加。获得凝胶质构特性的最佳条件为:淀粉质量分数8%、蔗糖质量分数12%、柠檬酸质量分数0.2%。影响凝胶硬度的主次因素依次为:淀粉浓度、柠檬酸浓度、蔗糖浓度;影响凝胶弹性的主次因素为:淀粉浓度、蔗糖浓度、柠檬酸浓度。

绿豆淀粉分子经糊化后充分展开、相互缠结和交联形成凝胶的三维网状结构，添加蔗糖和柠檬酸能改善凝胶的网状结构。

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