5种豆类淀粉凝胶特性的比较研究

张正茂 周 颖

(湖北工程学院生命科学技术学院;湖北省植物功能成分利用工程技术研究中心，孝感 432000)

豆类是人类三大食用作物(禾谷类、豆类、薯类)之一， 在农作物中的地位仅次于禾谷类。目前我国栽培并已收集、繁种入库的食用豆有 11个属 17个种， 种植品种和产量均居世界第一位[1]。 除常见的蚕豆、豌豆、红豆和绿豆等以外，一些杂豆如芸豆、豇豆(米)、鹰嘴豆等[1-2]也越来越受到人们的重视。豆类富含淀粉，约占其质量分数的50%～60%，因其直链淀粉含量较高，而具有凝沉性好、热黏度高、凝胶强度较高等优良特性[3]，被广泛用于食品、化工等行业[4-5]。由于豆类淀粉具有成胶能力强、凝胶制品色泽好、持水性好等其他淀粉无法比拟的优点，常被人们用于制作粉丝 、粉皮 、凉粉等传统食品[6-7]，或被用来改善蛋白质等复合物的凝胶特性[8-9]。对于豆类淀粉，目前国内外也有相关报道，主要集中在物化特性和糊化特性方面，例如，缪铭等[10]对不同品种鹰嘴豆淀粉理化性质进行了研究，包括淀粉的膨胀度和溶解度、淀粉碘复合物可见光吸收光谱、淀粉糊的透明度、冻融稳定性、 凝沉性等物化特性；杜双奎等[11]对扁豆的颗粒形貌、糊透明度等特性进行了研究；任顺城等[3,7,12]对赤豆、刀豆、芸豆、鹰嘴豆、饭豆、绿豆和云南特色豆类等进行了较为系统的研究；Ovando-Martínez M等[13]研究了不同地区种植的豆类淀粉的糊特性及聚合度。除此之外，也有对豆类淀粉凝胶强度的相关报道，例如，张正茂等[14]对不同来源淀粉进行了质构特性方面的比较研究，其中包含绿豆淀粉和豌豆淀粉；杨玉玲等[15]对绿豆淀粉凝胶的质构特性也进行了一定的研究；廖卢艳等[16]研究了绿豆淀粉的质构特性与粉条品质的关系。由于豆类淀粉的凝胶特性直接影响其在食品工业中的应用，尽管前人做了一些相关研究，但对于不同种类的豆类淀粉的凝胶质构特性的比较研究鲜见报道。

因此，本文拟采用质构仪对不同豆类淀粉在不同浓度下的凝胶质构特性进行研究，期望能为豆类淀粉的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

绿豆、豌豆、白芸豆、白豇豆、鹰嘴豆：市售。

1.2 仪器与设备

TA-XT2i型质构仪；GT10-1T型离心机；DUG-9246A型干燥箱。

1.3 方法

1.3.1 淀粉样品的制备

5种豆类淀粉采用研磨法制备，将种子于3倍质量的水中浸泡36 h，每隔12 h搅拌一次，以确保种子充分吸水溶胀。浸泡后，弃去浸泡液，去皮，将种子加4倍质量的水研磨成浆，并过200目筛网，将不能过筛的残渣反复研磨2次；将过筛物沉降12 h，弃去上清液，水洗沉淀(每12 h洗涤一次)至上清液中蛋白质双缩脲实验呈负反应[15]。离心，刮去上层稀软杂质，取沉淀，于55 ℃中干燥12 h，粉碎过筛(100目)备用。

1.3.2 质构特性测试样品的制备

参考文献中淀粉凝胶的制作浓度[15-16]，分3个浓度梯度(即6%、8%、10%)进行样品的制备。分别取2.400、3.200、4.000 g淀粉(均为扣除水分后的绝干物质质量)置入50 mL的烧杯中，加水至总质量为40.000 g，放入95 ℃的水浴锅中加热，开始边加热边搅拌，防止淀粉沉淀后糊化不均匀，待淀粉有黏性后(约4 min)立即停止搅拌以保证液面平整。趁热封保鲜膜，继续95 ℃水浴30 min直至淀粉完全糊化，取出后冷却至室温，在7～10 ℃环境中静置15 h，形成稳定的淀粉凝胶样品，待测，每个样品做3个平行试验。

1.3.3 豆类淀粉中含水量、粗蛋白质、粗脂肪和直链淀粉含量的测定

淀粉含水量采用105 ℃恒重法，见GB/T 5009.3—2010。

粗蛋白采用凯氏定氮法，见GB/T 5009.5—2010。

粗脂肪采用索氏抽提法，见GB/T 5009.6—2003。

直链淀粉含量(碘兰法)测定参照GB/T 15683—2008的方法：称取淀粉样品0.100 0 g于50 mL比色管中，小心加入1.0 mL无水乙醇，将粘在管壁上的淀粉冲下，加入9.0 mL 1.0 mol/L氢氧化钠溶液，轻摇使淀粉完全分散，封膜后水浴加热10 min，取出冷却至室温，定容至50 mL，摇匀，制得样品母液。取4.0 mL样液于100 mL容量瓶中，加入20 mL蒸馏水，1.0 mL 1 mol/L的乙酸溶液，摇匀，再加入碘试剂2.0 mL，摇匀，用水定容至50 mL，混匀，暗处搁置10 min。采取与测定样品时相同的方法及试剂，将样品换成4.0 mL 0.09 mol/L氢氧化钠溶液作为空白溶液，在720 nm波长处用空白对照测得样品溶液吸光度，根据标准曲线方程计算直链淀粉含量。

直链淀粉含量=(吸光度-0.048 1)/0.013 3

1.3.4 豆类淀粉凝胶强度的测定

凝胶强度的测定参考文献[14]的方法，采用专用测试探头(P 0.5，直径5 mm圆柱型)，进行穿刺模式试验，探头测试面积小于被测样品的表面积，测试过程中同时存在压缩和剪切作用，可表征凝胶样品对抗局部压缩和剪切的能力。测定参数设定为：触发力为2 g，测量前下降速度为1.5 mm/s，测试速度为1.0 mm/s，测量后上升速度为1.0 mm/s，压缩深度为10 mm，凝胶强度值由质构仪软件直接读取(以测试探头进入淀粉凝胶中4 mm(4 s)时所受的力为淀粉的凝胶强度值)，每个样品做3个平行试验，取平均值。

1.3.5 豆类淀粉TPA质构特性的测定

测试方法和数据处理参考文献[14]的方法。TPA质构特性的样品从烧杯中完整取出，用手工刀切成底面积直径为4cm(直接利用烧杯的直径)、高度为1.5cm的圆柱形，并且要保证横切面平整光滑。选取大于测试样品直径的平板转子 (P100，直径100 mm平板)，采用TPA模式(两次压缩模式)，其探头测试面积大于被测样品的面积，结果可以表征凝胶样品整体对抗外压的能力。测定参数设定为：测定前下降速度1.0 mm/s，触发力2 g，测定速度2.0 mm/s，压缩比50%，测定后上升速度1.0 mm/s。

1.3.6 数据分析

采用SASv 8.1软件进行数据分析，所用数据为3次平行试验数据，用ANOVA进行方差分析，显著性检验方法为Duncan，检测限为0.05；用CORR进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 几种豆类淀粉的直链淀粉含量的比较

测定5种豆类淀粉的基本成分如表1所示。

表1 5种豆类淀粉的基本成分表/%

注：同一列不同的小写字母表示差异显著(P≤0.05)，其中直链淀粉含量以绝干物质质量计。

由表1可知，5种豆类淀粉的粗蛋白和粗脂肪含量无明显差异，但直链淀粉含量有显著差异，其中以豌豆淀粉的直链淀粉含量最高，白豇豆淀粉和鹰嘴豆淀粉的最低，白芸豆淀粉和绿豆淀粉的直链淀粉含量居中，这与杨红丹等[2]、任顺成等[7]的相关报道一致。直链淀粉含量的多少对淀粉凝胶质构特性有较大的影响[17]。

2.2 几种豆类淀粉的凝胶强度的比较

图1为5种豆类淀粉在3个浓度下的凝胶强度测试曲线，得凝胶强度值如表2所示。

图1 5种豆类淀粉凝胶强度测定曲线图

淀粉浓度白豇豆淀粉白芸豆淀粉绿豆淀粉豌豆淀粉鹰嘴豆淀粉6%49.63±1.96c71.40±1.08a67.62±1.34ab71.76±2.86a64.76±3.03b8%125.32±13.22c191.95±1.77ab183.721±12.05ab201.63±3.15a178.83±0.35b10%172.23±38.69e454.10±4.93b422.55±22.51c543.63±8.49a298.20±24.16d

注：同一行不同的小写字母表示差异显著(P≤0.05)。

从图1a可以看出，浓度为6%的5种豆类淀粉凝胶强度的测定过程中，白芸豆淀粉、豌豆淀粉、白豇豆淀粉的测试曲线都具有折点，说明这3种豆类淀粉凝胶在测试过程中出现破裂现象，而绿豆淀粉和鹰嘴豆淀粉凝胶的图形中未出现转折，说明其淀粉凝胶在测试过程中没有出现破裂[14]。由图1b可以看出，8%的淀粉浓度下，5种豆类淀粉凝胶强度测定过程中仅鹰嘴豆淀粉未出现折点，而其他4种淀粉凝胶均出现折点，说明鹰嘴豆淀粉在8%浓度下结构稳定不破裂。在浓度为10%时，5种豆类淀粉的凝胶强度测定过程中，测试曲线均出现转折点，说明凝胶在测试过程中均出现了破裂现象。

分析表2可知，3个淀粉浓度下均以豌豆淀粉的凝胶强度最大(分比为71.76 g、201.63 g和543.63 g)，白豇豆淀粉的凝胶强度最小(分别为49.63、125.32、172.23 g)，且淀粉浓度越大，5种豆类淀粉的凝胶强度的差异越显著。相同浓度条件下，凝胶强度越大，说明分子间的作用力越大，所形成的分子结构也越稳定。由直链淀粉含量结果可知，豌豆淀粉的直链淀粉最大，白豇豆淀粉的最小，与其凝胶强度的大小一致，说明淀粉的凝胶强度与所含直链淀粉有较大的关系[17]。此淀粉浓度下凝胶强度的大小顺序为豌豆淀粉>白芸豆淀粉>绿豆淀粉>鹰嘴豆淀粉>白豇豆淀粉，豌豆淀粉、白芸豆淀粉和绿豆淀粉的差异不明显(P>0.05)。

分析表2还可以看出，随着淀粉浓度的增大，5种淀粉凝胶强度值都逐渐增大。其中豌豆淀粉凝胶强度随淀粉浓度的增长的最为明显，其次是白芸豆淀粉，增长最慢的是白豇豆淀粉。由此说明，豌豆淀粉凝胶强度受淀粉浓度的影响最大，这可能与其中直链淀粉和支链淀粉的结构有一定的关系[17]。

2.3 几种豆类淀粉的TPA质构特性的比较

2.3.1 相同浓度不同豆类淀粉的TPA质构特性的比较

5种豆类淀粉在淀粉浓度为6%时TPA质构特性测试曲线如图2所示，得到的TPA特性参数如表3所示。

图2 6%淀粉浓度下5种豆类淀粉的TPA质构特性测试曲线

由图2可知，豌豆淀粉的第一个峰为钝峰，表明豌豆淀粉凝胶在探头挤压过重中出现崩溃现象，从而导致豌豆淀粉凝胶第二次压缩产生的峰比第一个峰小很多，即表现为回复性最小(0.165，见表3)。

综合分析图2和表3可知，在豆类淀粉浓度为6%情况下的TPA质构特性有显著差异。对硬度而言，鹰嘴豆淀粉、白芸豆淀粉、绿豆淀粉的较大(2 281.9～2 687.6) g，豌豆淀粉和白豇豆淀粉形成的较小(1 179.7～1 253.7) g；而黏性则以白芸豆淀粉的最大(-280.3 g)，鹰嘴豆淀粉的最小(-52.0 g)；弹性以鹰嘴豆淀粉、白豇豆淀粉和绿豆淀粉的最大(0.962～0.984)，白芸豆淀粉和豌豆淀粉的较小(分别为0.918和0.893)；5种豆类淀粉凝胶的咀嚼性和回复性均以鹰嘴豆淀粉的最大(2 440.1和0.752)，豌豆淀粉的最小(分别为370.4和0.165)，这是由于豌豆淀粉在6%浓度下形成的凝胶在TPA测试过程中出现破裂(表现为图2中豌豆淀粉凝胶TPA图谱的第一个峰为钝峰)，破裂后的凝胶不能恢复原状，第二次压缩形成第二个峰较第一个峰小很多，从而导致回复性较小。

淀粉浓度为8%时的5种豆类淀粉质构特性的测定曲线形状与浓度为6%时类似，但第一个峰均为尖峰，未出现凝胶破裂现象。淀粉浓度为8%时TPA特征参数见表4所示。

从表4可以看出，硬度以白芸豆淀粉和豌豆淀粉最大(分别为8 705.3 g和8 247.2 g)，绿豆淀粉和鹰嘴豆淀粉次之(分别为7 162.3 g和6 254.4 g)，白豇豆淀粉最小(仅为2 438.0 g)；黏性则以绿豆淀粉和白豇豆淀粉的最大(-330.1 g和-300.0 g)，白芸豆淀粉和鹰嘴豆淀粉的最小(分别为-77.7 g和-59.3 g)；此浓度下5种豆类淀粉凝胶的弹性差异不大，以豌豆淀粉和白芸豆淀粉的稍大；咀嚼性和硬度的大小规律相同，仍以白芸豆淀粉和豌豆淀粉的较大，白豇豆淀粉的最小(仅为2 079.9)；回复性以鹰嘴豆淀粉的最大(0.617)，白芸豆淀粉的次之(0.602)，其他3种淀粉的最小(0.565～0.577之间)且差别不显著(P>0.05)。

10%浓度下的TPA质构特性测试曲线与8%类似，第一个峰均为尖峰。对图形进行分析得表5所示的特征参数。

从表5可以看出，硬度仍以白芸豆淀粉和豌豆淀粉的较大(分别为16 330.5 g和14 635.0 g)，绿豆淀粉和鹰嘴豆淀粉的次之(分别为12 783.0 g和11 576.6 g)，白豇豆淀粉的最小(仅为5 146.2 g)；黏性则以白豇豆淀粉的最大(-293.2 g)，鹰嘴豆淀粉的最小(-63.0 g)；此浓度下5种豆类淀粉凝胶的弹性差异不大，以鹰嘴豆淀粉的稍大；咀嚼性仍以白芸豆淀粉的最大，绿豆淀粉、豌豆淀粉和鹰嘴豆淀粉的次之，白豇豆淀粉的最小(仅为4 131.9)；回复性以白芸豆淀粉和鹰嘴豆淀粉的最大(分别为0.575和0.581)，白豇豆淀粉和绿豆淀粉的次之(0.525和0.543)，豌豆淀粉的最小(0.509)。

表3 5种豆类淀粉在6%浓度下的TPA质构特性参数

注：同一列不同的小写字母表示差异显著(P≤0.05)，余同。

表4 5种豆类淀粉在8%浓度下的TPA质构特性参数

表5 5种豆类淀粉在10%浓度下的TPA质构特性参数

2.3.2 相同豆类淀粉不同淀粉浓度的质构特性参数的比较

5种豆类淀粉凝胶在3个浓度下凝胶的TPA质构特性参数如图3所示。

由图3可知，5种豆类淀粉凝胶的硬度随淀粉浓度的变化趋势与咀嚼性相似；而5种豆类淀粉凝胶的弹性和回复性随淀粉浓度的变化规律不同。对白芸豆淀粉和豌豆淀粉凝胶而言，其硬度和咀嚼性随淀粉浓度的增大而增大的趋势最明显，其中豌豆淀粉凝胶的咀嚼性在6%～8%时增长明显，而后变得平缓，且两种豆类淀粉凝胶弹性和回复性则是随淀粉浓度的增大呈现先增大后减小的趋势(∧型)，由此说明，豌豆淀粉和白芸豆淀粉需在中等浓度(8%)下才能得到较好的凝胶制品。对绿豆淀粉和鹰嘴豆淀粉而言，其凝胶的硬度和咀嚼性均随淀粉浓度的增大而增大，浓度较低时增长速度快，而弹性则随淀粉浓度的增大先减小后增大，回复性一直减小，这说明绿豆淀粉和鹰嘴豆淀粉凝胶在低浓度下的弹性和回复性较好，高浓度下硬度和咀嚼性较好。对白豇豆淀粉凝胶而言，硬度和咀嚼性随淀粉浓度的增大而增大，而弹性和回复性随淀粉浓度的增大一直减小，说明白豇豆淀粉凝胶也是在低浓度下的弹性和回复性较好，高浓度下硬度和咀嚼性较好。对比5种豆类淀粉发现，白豇豆淀粉虽然硬度和咀嚼性最小，但其弹性和回复性并非最小，说明豇豆淀粉能制作弹性和回复性相对较好的凝胶产品，如果冻等，是一种值得开发的凝胶食品原料。

2.4 豆类淀粉的质构特性与直链淀粉含量的相关性分析

为了探究豆类淀粉中直链淀粉含量对豆类淀粉凝胶特性的影响，将豆类淀粉的直链淀粉含量与质构数据进行相关性分析，结果如表6所示。

由表6可知，3个淀粉浓度下，凝胶强度与直链淀粉含量呈正相关，其中8%和10%淀粉浓度下达到0.01极显著水平，结果与2.2的结果一致；硬度在较高淀粉浓度下(8%和10%)与直链淀粉含量呈显著正相关(P<0.05)，说明直链淀粉含量对凝胶强度的影响大于对硬度的影响。对于弹性而言，在6%和10%淀粉浓度下，其与直链淀粉含量呈现负相关，其中6%浓度达到极显著水平(P<0.01)，而在8%淀粉浓度下呈显著正相关，说明高直链淀粉浓度的淀粉在中等浓度下(8%)能形成弹性较好的凝胶，这与2.3.2的分析结果一致。3个淀粉浓度下，黏聚性均与直链淀粉含量呈现极显著的负相关(P<0.01)，说明直链淀粉含量较高的豆类淀粉凝胶的黏聚性较小，受外力作用时保持自身完整性的能力较弱[18]。咀嚼性在低浓度下(6%)与直链淀粉含量呈极显著负相关(P<0.01)，而高浓度下则呈现正相关，浓度为8%时达到显著水平(P<0.05)，说明直链淀粉含量较高的豆类淀粉在高浓度下形成的凝胶制品咀嚼性较好。回复性均与直链淀粉含量呈负相关，其中低浓度(6%)下达到极显著水平(P<0.01)，说明直链淀粉含量较高的豆类淀粉在较低淀粉浓度下(6%)的形成的凝胶制品在外力作用下易发生变形或破裂，这与图2分析结果一致。

图3 5种豆类淀粉TPA质构参数随淀粉浓度的变化

淀粉浓度/%凝胶强度/g硬度/g黏性/g弹性黏聚性咀嚼性回复性直链60.636∗-0.472-0.429-0.877∗∗-0.982∗∗-0.729∗∗-0.963∗∗淀粉80.669∗∗0.637∗0.1570.540∗-0.737∗∗0.607∗-0.467含量100.841∗∗0.607∗-0.280-0.359-0.946∗∗0.388-0.460

注： **表示极显著相关(P<0.01)，*表示显著相关(0.01

3 结论

5种豆类淀粉的凝胶强度以豌豆淀粉最大，白豇豆淀粉最小，其大小顺序为豌豆淀粉>白芸豆淀粉>绿豆淀粉>鹰嘴豆淀粉>白豇豆淀粉。豌豆淀粉的质构特性受淀粉浓度的影响最大，且在中等浓度下(8%)形成较好的淀粉凝胶；白芸豆淀粉在高浓度下(8%和10%)制作的淀粉凝胶硬度大，弹性和回复性好；白豇豆淀粉凝胶的硬度和咀嚼性小，但弹性和回复性较大，适合制作软而弹的凝胶制品(例如果冻等)；豆类淀粉的凝胶特性和直链淀粉含量有较大关系，其中凝胶强度与直链淀粉含量呈极显著正相关，而黏聚性则与直链淀粉含量呈极显著负相关，其他质构参数与直链淀粉含量的相关性因淀粉浓度不同而呈现差异。