箭筈豌豆淀粉理化及消化特性研究

姚月华 唐 宁 杨舒莹 程永强 贾 鑫

(中国农业大学食品科学与营养工程学院；植物源功能食品北京市重点实验室，北京 100083)

箭筈豌豆是一种豆科类植物，生育周期短，具有较强的耐旱、耐贫瘠以及抗逆性，可通过生物固氮作用抑制土壤退化并改善土壤结构[1]，普遍用于农田覆盖物、绿肥、干草、青贮以及饲料等[2,3]。箭筈豌豆是低脂肪、高淀粉含量的作物，其蛋白质含量约为谷物的2倍[7]。Camila等[8]研究表明，箭筈豌豆种子内含有粗脂肪1.5%～1.7%，粗蛋白28.1%～30.5%，粗淀粉38.06%。箭筈豌豆种子内多酚和黄酮类化合物含量是大豆的 3～5 倍，且箭筈豌豆多酚有更好的抗 β-胡萝卜氧化的作用，其还原力和清除活性均高于大豆多酚[9]。因此，从箭筈豌豆中提取的淀粉具有较大的市场开发潜力，可用于制药、食品和化妆品等行业。

淀粉是由单一类型的葡萄糖单体组成的高分子多糖，是植物中第二丰富的多糖，仅次于纤维素，淀粉是人类重要的能量来源，也是食品工业的重要原材料[10]。从结构上看，淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成，前者是D-葡萄糖基以α-1,4-糖苷键连接的多糖链；后者中葡萄糖分子之间除以α-1,4-糖苷键相连外，还有以α-1,6-糖苷键相连的分支[11]。淀粉是豆类种子中最为丰富的碳水化物，豆类中的淀粉质量分数通常为 30%～50%[12]，而大多数其他淀粉原料的淀粉则为 25%～30%[13]。淀粉的理化性质影响食品的黏稠度、硬度和咀嚼度等品质[21, 22]，在食品深加工中，淀粉的理化性质差异决定了其应用方向[23, 24]。一般豆类淀粉中的直链淀粉含量较高，具有高的热黏度、凝胶透明度和凝胶强度等优良特性，常被用作芡粉或者制作粉丝、粉条等产品[14,15]；直链淀粉高的豆类还可作为食品添加剂，如作为稳定剂加入到罐头、饮料中提高固液相稳定性[16]；作为部分脂肪替代物加入火腿肠和香肠中改善口感[17,18]。一些支链淀粉含量高的豆类容易膨化，有利于生产豆沙类食品，如赤豆淀粉[19]；一些黏度高、吸水性差的豆类淀粉可制作糕点、面包等，如蚕豆淀粉[20]。

本实验对箭筈豌豆淀粉的溶解度、膨胀度、透光度、冻融稳定性、凝沉特性、糊化特性等理化性质及消化特性进行研究，并与普通豌豆淀粉进行比较，对箭筈豌豆淀粉的产品开发方向和价值进行讨论和探索。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

箭筈豌豆(品种17，国家绿肥产业技术体系提供)；双塔普通豌豆淀粉。

猪胰 α-淀粉酶(10 U/mg)、糖化酶(105U/g)、无水乙醇、醋酸钠、DNS，均为分析纯。

1.2 仪器与设备

MJ-BL35D5 搅拌机，4500快速黏度仪(RVA)，T6紫外分光光度计。

1.3 方法

1.3.1 淀粉的提取

取适量箭筈豌豆籽粒并洗去表面尘土，加入蒸馏水保证水量没过豌豆，浸泡 48 h以上，期间换水3次。将浸泡过后的豌豆研磨之后，40 ℃干燥24 h得到箭筈豌豆粉，加水用搅拌机将豌豆粉打浆，过 100 目筛子滤去豌豆渣。将滤液放置在室温下静置沉淀4 h，收集沉淀并将其置于40 ℃烘箱中干燥，烘至表面无水分后刮去蛋白质层，继续干燥10 h。干燥结束后，将淀粉块放入磨粉机研磨，过100目筛，得到箭筈豌豆淀粉。淀粉得率按公式计算：

1.3.2 箭筈豌豆淀粉基本组分的测定

水分含量：参照GB 5009.3—2016中的直接干燥法测定；蛋白质含量：参照GB 5009.5—2016中的凯氏定氮法测定；脂肪含量：参照GB 5009.6—2016中的索氏抽提法测定；灰分含量：参照GB 5009.4—2016中的食品中总灰分的测定方法；总淀粉含量：参考 GB 5009.9—2016，采用酶水解法测定；直链淀粉含量：参考 GB/T 15683-2008，采用分光光度法测定。

1.3.3 溶解度(SA)和膨胀度(SP)的测定

参考杜双奎等[25]的方法并略作修改。称取 0.5 g 淀粉样品置于离心管中，加入 40 mL 蒸馏水，漩涡振荡均匀，分别在 50、60、70、80、90 ℃下水浴加热搅拌 30 min，冷却至室温。在 4 000 r/min 条件下离心15 min，倒出上清液于恒重的铝盒中，130 ℃下干燥至恒重，称取上清干燥物质量及管中沉淀物的质量。

式中：m为淀粉样品质量/g；m1为上清液中溶出物质量/g；m2为管中沉淀物的质量/g。

1.3.4 透明度的测定

参考许鑫等[26]的方法并略作修改。称取 1.0 g 淀粉样品于 150 mL 烧杯中，加 100 mL 蒸馏水配制成质量分数为1%的淀粉乳，在沸水浴中加热搅拌 20 min，期间需补水保持原有体积。冷却至室温后，常温静置 0、2、4、6、8、10 h，振荡摇匀后，分别在620 nm波长下测量淀粉糊的透光率。

1.3.5 糊化特性的测定

参考翟红梅等[28]的方法并略作修改。使用快速黏度仪(RVA)对箭筈豌豆淀粉的糊化特性进行测定。配制14%质量分数的淀粉乳，并取30 mL加入专用铝盒中。将铝盒卡入 RVA 旋转塔内，开始测试。实验参数：设置起始温度为 50 ℃，在此温度下维持1 min 后以 10 ℃/min 的速度升温至 95 ℃，并维持 2.5 min，此阶段结束后将温度以 10 ℃/min 的速度冷却50 ℃，并维持 2 min；前10 s搅拌速度为960 r/min，之后保持在160 r/min。测定淀粉糊的黏度曲线和特征值。

1.3.6 凝沉特性

配制1%的淀粉乳，沸水浴中加热搅拌 20 min，期间需补水保持原有体积，冷却至室温后转移至 100 mL量筒中，于4 ℃冷藏环境下静置 0、2、4、6、8、10 h后分别记录上清液体积，以上清液体积变化反应淀粉凝沉特性及老化特性。

1.3.7 淀粉的冻融稳定性

参考郭神旺等[27]的方法并略作修改。配制3%质量分数的淀粉乳，量取100 mL 淀粉乳于150 mL烧杯中，沸水浴加热下搅拌 20 min，期间需补水保持原有体积。冷却后在冰箱中(-20～-15 ℃)冷冻 24 h取出，室温下自然解冻，在 4 000 r/min 条件下离心 20 min，弃去上清液，测定沉淀物的质量。

式中：m为淀粉糊质量/g；m1为沉淀物质量/g。

1.3.8 消化特性的测定

参照Englyst等[29]的体外模拟酶水解法并略作修改。准确称取0.2 g待测淀粉于锥形瓶中，加入15 mL pH 5.2的醋酸钠缓冲溶液，沸水浴20 min。冷却至室温后加入5 mL 酶液(含有 290 U/mL α-淀粉酶和15 U/mL糖化s酶)和3颗玻璃珠，置于37 ℃恒温水浴震荡锅内培养，水解20 min和120 min 后，分别取1 mL水解液，加入8 mL无水乙醇使酶液中的淀粉酶和糖化酶失活，之后将混合物于5 000 r/min 转速下离心10 min。

采用DNS比色法测定葡萄糖含量：取1.0 mL上清液于试管中，加入2.5 mL蒸馏水和1.5 mLDNS试剂，在沸水浴中加热5 min，取出后冷却至室温，向各管中加入20.0 mL蒸馏水，混匀后在540 nm波长下测定吸光值，从葡萄糖标准曲线中查出相应的还原糖质量。

易消化淀粉(RDS)指20 min 内可在小肠被快速消化的淀粉，慢消化淀粉(SDS)指20～120 min 在小肠内缓慢被完全消化的淀粉，抗性淀粉(RS)指120 min 后没被小肠消化吸收的淀粉，三者含量的计算公式为：

式中：m为酶水解前淀粉中还原糖质量/mg；m20为淀粉酶解20 min后酶解液中还原糖的质量/mg；m120为淀粉酶解120 min后酶解液中还原糖的质量/mg；m总为样品中总淀粉的质量/mg。

2 结果与分析

2.1 淀粉样品化学组成

通过水溶提取法获得箭筈豌豆淀粉得率为11.63%，接近麦麸淀粉得率(13.85%)[4]及豌豆淀粉得率(12.3%)[5]，Vanier等[6]使用0.16%的亚硫酸氢钠提取木豆，获得了24%的得率。分别对箭筈豌豆淀粉和市售普通豌豆淀粉的化学组成进行测定，结果如表1所示。箭筈豌豆淀粉中的总淀粉质量分数高达 91.68%，高于普通豌豆淀粉，表明采用本研究中的淀粉提取方法提取淀粉，效果好，纯度高。箭筈豌豆淀粉样品中，直链淀粉质量分数高于普通豌豆淀粉，甚至高于绿豆淀粉中的直链淀粉(28.06%～40.13%)[30]。由于直链淀粉具有长线性特征，易发生缔合从而在溶液中更易凝沉，在热水中易形成胶体溶液，箭筈豌豆淀粉因直链淀粉含量高，适合用作食品中的凝胶剂及稳定剂。

表1 淀粉样品化学组成/%

2.2 溶解度和膨胀度

如图1所示，在 50～60 ℃升温范围内，箭筈豌豆淀粉与普通豌豆淀粉的溶解度均无显著变化；在60～90 ℃的升温范围内，2种淀粉的溶解度均随着温度的升高而增大，在 80～90 ℃升温范围内迅速提升。这是由于随着温度的升高，水分加速进入，淀粉受热糊化、吸水膨胀，此时非结晶区内的部分直链淀粉析出，使得淀粉溶解度上升。升温至80 ℃时超过了淀粉的糊化温度，此时水分进入到淀粉的结晶区和微晶区，体积膨胀到一定限度后，淀粉颗粒崩解破裂，颗粒内的淀粉分子溶出因此溶解度迅速上升。此外在50～90 ℃的升温范围内，箭筈豌豆淀粉的溶解度提高了11.41%，而普通豌豆淀粉则提高了7.13%，箭筈豌豆淀粉的溶解度增长程度要高于普通淀粉，且在65 ℃后箭筈豌豆淀粉的溶解度始终高于普通豌豆淀粉，但相比于马铃薯淀粉[12]、绿豆和芸豆淀粉[26]，2种豌豆淀粉在升温范围内的溶解度都处于一个较低的水平。

图1 不同温度下淀粉的溶解度

淀粉乳加热后，淀粉颗粒会膨胀，不同种类的淀粉其颗粒膨胀能力也不同。如图 2 所示，随着温度的升高，两者的膨胀度都随之上升，且在60 ℃以后，膨胀度显著提高。由于淀粉颗粒内有两部分不相等的结合力，2种淀粉均出现了两段膨胀过程。箭筈豌豆淀粉颗粒中弱的结合力出现在60～70 ℃，强的结合力在 70 ℃以上；普通豌豆淀粉颗粒中弱的结合力在 60～80 ℃，强的结合力在80 ℃以上。

图2 不同温度下淀粉的膨胀度

淀粉的溶解度和膨胀度在一定程度上反应了淀粉类加工产品蒸煮后的糊汤和膨胀情况，在蒸煮过程中，溶解度随温度上升而增大，会造成淀粉颗粒的溶出从而使得产品损失率增加，箭筈豌豆淀粉与普通豌豆淀粉的溶解度相似，且都较低，因此加工的产品具有良好的蒸煮特性。同时，在较高温度下，箭筈豌豆淀粉的膨胀度低于普通豌豆淀粉，反映出其加工产品在蒸煮过程中不易膨胀破裂，产生糊汤现象。因此箭筈豌豆淀粉可能是制作粉条、粉丝等老化类产品的较好原料。

2.3 透明度

淀粉糊的透明度可以用透光率来反映，透光率越高则表示透明度越好，所加工的淀粉产品的亮度也就越高[25]。在室温下，淀粉透光率随放置时间变化的情况如图 3 所示，可见随着放置时间的延长，2种淀粉的透光率都逐渐下降，且箭筈豌豆淀粉的透光率下降程度大于普通豌豆淀粉，放置 10 h 后，箭筈豌豆淀粉的透光率下降 61.05%，普通豌豆淀粉下降 23.25%。箭筈豌豆淀粉较低的透明度与其具有更较高的直链淀粉含量有关，直链淀粉分子的分子量较小，糊化后更容易相互凝聚缔合使淀粉糊回生，当光线穿过淀粉糊时，会产生反射和散射现象而减弱了光的穿透百分率，使得淀粉的透明程度下降。

图3 淀粉透光度随静置时间的变化情况

2.4 糊化特性

图4为箭筈豌豆淀粉与普通豌豆淀粉的标准糊化曲线，反映了淀粉在水中由于加热和冷却而发生的黏度变化，2种淀粉呈现出了相同的变化趋势。当温度低于淀粉糊化温度时，黏度几乎保持不变，在温度高于糊化温度时，淀粉黏度迅速上升，并在升温终点达到峰值；在保温过程中，淀粉黏度下降并在保温终点达到低谷，保温过程中的黏度下降值即为淀粉的崩解值；在降温阶段淀粉黏度持续上升，保温终点与降温终点的黏度差值即为淀粉的回生值。

图4 2种豌豆淀粉的RVA曲线

由RVA曲线得到淀粉的糊化参数如表2所示。箭筈豌豆淀粉的糊化温度为77.35 ℃，高于普通豌豆淀粉，表明箭筈豌豆淀粉中的淀粉颗粒结构更加紧密，淀粉分子间的结合力强，从而使得其抵抗溶胀和破裂的能力更强，因此不易糊化。崩解值反映了淀粉的热糊稳定性，崩解值越大则热糊稳定性越差，箭筈豌豆淀粉的崩解值低于普通豌豆淀粉，说明箭筈豌豆淀粉的热糊稳定性优于普通豌豆淀粉，高温下具有更强的耐热性和抗剪切性，适合用来加工高温罐制食品。回复值反映淀粉的冷糊稳定性，回复值越大则淀粉的冷糊稳定性越差。箭筈豌豆淀粉的回复值低于普通豌豆淀粉，具有更好的热糊稳定性与冷糊稳定性。这可能是由于箭筈豌豆中含有更多的直链淀粉，而直链淀粉会与脂类形成复合体，这种复合体对热稳定，可抑制糊化或膨润。

表2 淀粉的糊化特性参数

2.5 凝沉特性

与淀粉糊化相反，老化是淀粉分子重结晶的过程。淀粉在糊化后由于老化作用，会出现上清液和下层沉淀分层的凝沉现象，上清液体积比越大，则表示凝沉性越强，淀粉越易老化。如图5所示，随着静置时间的延长，2种淀粉都产生了不同程度的凝沉，且箭筈豌豆淀粉的上清液体积比在2 h就上升到了较高水平，高达68.17%，并在之后缓慢增加，而普通豌豆淀粉在4 h上升至 68.00%，之后缓慢增加但都处于箭筈豌豆淀粉水平之下。相比于普通豌豆淀粉，箭筈豌豆淀粉凝沉速度更快且凝沉性也更强，说明箭筈豌豆淀粉更易老化。易老化这一特性对淀粉类食品的感官与储存质量等有不利的影响，但对于利用淀粉回生机理而制成的食品如虾片、粉皮、粉丝、粉条等，箭筈豌豆淀粉可作为适宜的原材料进行生产。

图5 淀粉的凝沉特性

2.6 冻融稳定性

冻融稳定性是淀粉类食品的重要性质，而析水率反映了淀粉在冷加工或贮存中的稳定性。冻融析水率低，说明低温稳定性好。将豌豆淀粉的析水率与其他各类淀粉比较，结果如图 5 所示。箭筈豌豆淀粉的析水率大于普通豌豆淀粉，这也与箭筈豌豆淀粉中的直链淀粉比例更高相关。淀粉的凝沉特性结果表示箭筈豌豆淀粉更易凝沉老化，淀粉老化后导致水分的析出，在冷冻过程中，析出的水形成冰晶对淀粉结构造成破坏，从而进一步加剧水分的析出[31]，使得析水率更高。豌豆淀粉的析水率小于刀豆[32]、大于蚕豆[33]、花芸豆[32]、绿豆[12]，与赤豆[32]类似，且豆类淀粉的析水率远远大于马铃薯淀粉[12]。这说明豆类淀粉的冻融稳定性普遍较差，淀粉糊耐受冷冻、融解等剧烈物理变化的能力较弱。因此箭筈豌豆淀粉不适合应用于需要反复冻融的冷冻食品中。

图6 豌豆淀粉的析水率及与其他淀粉析水率的比较

2.7 消化特性

豌豆淀粉中的RDS、SDS和RS含量如图7所示。RSD在 0～20 min 消化时间内会迅速产生高血糖应答，对糖尿病患者和中老年人等人群不利[20]，箭筈豌豆淀粉中的RSD含量低于普通豌豆淀粉，表明其产生的血糖应答反应速度要低于普通豌豆淀粉；SDS在长时间(20～120 min)内缓慢水解，具有缓慢消化吸收、持续产生葡萄糖维持饱腹感并释放能量，维持餐后血糖稳态等特殊功能[34]，箭筈豌豆淀粉中的SDS含量与普通豌豆淀粉无显著性差异；RS则是在120 min内未能被水解的部分，其在人体中不能被消化吸收，能在结肠中发酵产生短链脂肪酸与一些小分子化合物，具有高膳食纤维含量、低热量的特点，有助于润肠轻体、降低血糖水平，RS含量较高的食物可以作为糖尿病、肥胖患者等特殊人群的主食[35]，箭筈豌豆淀粉中的抗性淀粉含量高于普通豌豆淀粉，消化性较低，因此更有利于在混合膳食中起到降低碳水化合物消化速率的作用，从而降低食品的血糖生成指数。

图7 豌豆淀粉中RDS、SDS和RS的质量分数

3 结论

箭筈豌豆淀粉中直链淀粉质量分数为 46.70%，高于普通豌豆淀粉，在糊化之后更易发生短期老化，是米线、虾片等老化类食品的适宜原材料。箭筈豌豆淀粉在高温下具有较低水平的溶解度和膨胀度，说明箭筈豌豆淀粉适合于生产耐蒸煮的产品，不易发生糊汤现象。相比普通豌豆淀粉，箭筈豌豆淀粉的凝沉速度更快且凝沉性也更强，说明箭筈豌豆淀粉更易老化，适合于利用回生原理生产的产品，如粉丝、粉条等。箭筈豌豆淀粉呈现出典型的豆类 RVA 曲线，糊化温度高于普通豌豆淀粉，说明箭筈豌豆淀粉颗粒结构更紧密，不易糊化，具有更优的热糊稳定性和冷糊稳定性。体外模拟消化结果显示箭筈豌豆淀粉中可消化淀粉含量低于普通豌豆淀粉，且具有更丰富的抗性淀粉，可用于生产具有高抗性淀粉含量的食品。本研究拓展了绿肥作物的经济价值，为绿肥作物的高值化加工提供了参考，同时也为以箭筈豌豆淀粉为原材料的新型产品的研究与开发提供了借鉴。