杂豆的烹饪性能分析与品质提升技术研究进展

郭 晨 王稳航

(天津科技大学食品科学与工程学院，天津 300457)

杂豆，也称为食用豆类(Food Legumes)，是豆科蝶形花亚科(Papilionoideae)植物的种子，我国栽培的主要杂豆品种有蚕豆、豌豆、绿豆、豇豆、芸豆，其次为四棱豆、木豆、利马豆、鹰嘴豆等[1]。作为世界杂豆生产大国，我国大多数杂豆是以原粮或是初级加工的形式进行销售，附加值不高[2]，另外杂豆消化性较低、适口性较差等自身问题也一定程度限制了杂豆的消费市场。杂豆种子结构致密、坚硬，不易蒸煮，食用前一般需要进行预处理[3]，这与其细胞壁结构组成密切相关。

适当的加工处理能破坏杂豆的相关细胞壁结构，缩短其蒸煮时间并改善适口性和消化特性，同时也可去除杂豆中的部分抗营养因子和豆腥味，改善产品的外观和适口性[4]。选择适当的处理方法能够有效地提高杂豆质地结构、改善营养物质以及活性成分的吸收与利用，从而有力推动了适口性强、营养丰富的杂豆食品的开发与市场化。

本文对比了杂豆种皮和子叶的细胞壁的异同，分析了杂豆不易蒸煮和营养物质消化利用速率低的原因，阐述了去皮、浸泡、蒸煮等不同加工技术对杂豆质地结构和营养成分的影响，旨在为合理开发豆类健康食品提供参考。

1 植物细胞壁的组成和形成

植物细胞壁(Plant cell wall，PCW)可分为初生壁和次生壁两种类型，前者出现较早，后者则是在细胞壁加厚过程中才开始出现。初生壁的理化性质可以决定单个细胞的大小和形状，而次生壁通常更厚，含水量更低[5]。

1.1 植物细胞壁的组成

植物细胞壁是多糖(如纤维素、半纤维素、果胶)、非碳水化合物(如木质素、蛋白质、矿物质)和水组成的超分子基质，纤维素、半纤维素、果胶等多糖的结构见图1。半纤维素的主要类型有木聚糖、木葡聚糖、甘露聚糖和混联型葡聚糖。组成果胶的结构域包括同型半乳糖醛酸结构域、鼠李半乳糖醛酸聚糖I结构域和鼠李半乳糖酸聚糖II结构域。除了上述物质，细胞壁中还含有少量的木质素、结构蛋白和矿物质。杂豆细胞壁具有一定的动态结构，允许一些小分子物质和可溶性因子穿过细胞壁，与细胞膜上的受体结合[6, 7]。

图1 植物细胞壁中主要多糖的结构示意图[6]

1.2 植物细胞壁的合成

细胞壁的形成主要涉及到细胞壁多糖的合成和组装，是通过一系列复杂的步骤完成的。细胞壁多糖合成过程所需的酶及其作用见表1。纤维素在细胞的质膜上合成，半纤维素和果胶多糖在高尔基体上合成，并通过囊泡运输到细胞外。这些物质到达细胞外，通过自组装和酶介导组装的方式形成细胞壁的空间结构。木葡聚糖内转糖基酶、酯酶、氧化酶等酶类参与了细胞壁的组装[8]。此外，与细胞壁连接的类受体激酶将组成细胞壁的碳水化合物和蛋白质与质膜连接起来，促进了植物细胞壁形成[9]。

表1 细胞壁主要成分合成时所需的酶

2 细胞壁的物理特性

2.1 细胞壁的物理性质

纤维素是杂豆细胞壁的重要组成部分，其结构特性使细胞壁具有较高的拉伸强度和一定的抗化学降解能力[14]。在双子叶植物的初生壁中，黏附性能在很大程度上取决于果胶多糖上的钙交联[15]。木质素具有疏水性，而细胞壁多糖具有亲水性，因此木质素与多糖的比例会影响细胞壁的持水性和结合能力。果胶多糖含量高的细胞壁具有较高的水化特性和流变特性，木质素和较长纤维则可增强细胞壁的油结合能力[16]。

2.2 细胞壁的维系力

维持细胞壁的化学键可分为共价键和非共价键两类，包括糖苷键、醚键、酯键、共价键、氢键、范德华力等。葡萄糖通过糖苷键彼此连接成链，大量的氢键使得纤维素的结晶极为稳定，高度致密。半纤维素与纤维素通过氢键结合，其分支结构促进了细胞壁基质中各物质之间的结合。果胶中HG、RG I和RG Ⅱ结构域主链通过共价键连接，D-半乳糖醛酸参与了酯键的形成，果胶与果胶之间还形成了钙离子桥[7, 17]。细胞壁中还存在着其他成分之间的相互作用。延展蛋白中的碱性氨基酸与果胶的羧基之间能形成离子键，蛋白质分子与糖分子间会形成糖苷键，酚类化合物之间可形成醚键[18]。

3 种皮细胞壁和子叶细胞壁的异同

杂豆种子结构可大致分为种皮、胚和子叶三部分(见图2)，种皮附着在种子的最外层，含有较多的结构多糖和多酚类化合物。子叶是杂豆贮藏营养物质的主要器官，含有丰富的淀粉、蛋白质、B族维生素和矿物质，其细胞壁多糖和淀粉大约占种子干重的四分之三[19]。杂豆细胞壁虽然都是由纤维素、果胶和半纤维素组成，在种皮和子叶中也存在着较大差异[20]。

杂豆细胞壁中的纤维素、半纤维素、果胶等成分可统称为非淀粉多糖，其中不溶性的非淀粉多糖主要存在于种皮中，可溶性的非淀粉多糖多存在于种子内部[21]。子叶细胞壁的主要成分是阿拉伯聚糖、木葡聚糖、半乳糖和RGI，而种皮细胞壁主要由木聚糖、阿拉伯聚糖等组成[22]。有研究表明，芸豆种皮中含有大量木糖聚合物，而子叶中含有大量富含阿拉伯糖的聚合物；非淀粉多糖在子叶中的摩尔质量普遍高于在种皮中的摩尔质量[23]。鹰嘴豆种皮中同时存在葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸，而在子叶中只检测到半乳糖醛酸[24]。

图2 杂豆种子(左)及细胞(右)结构示意图

4 杂豆烹饪性能的限制因素

4.1 杂豆蒸煮特性的限制因素

杂豆结构致密，需要经过较长时间的烹饪才能软化，出现这种现象的原因是多方面的。杂豆种皮较厚，在存储过程中逐渐硬化，会在一定程度上阻碍水分进入种子内部，导致了杂豆子叶在烹饪过程中不易变软，烹饪时间延长。纤维素是种皮细胞壁的主要成分，从其单体结构来看，天然纤维素应该是高度亲水的，但实际上纤维素不溶于水，这是由于羟基之间形成了分子间和分子内氢键，高含量的羟基形成了氢键网络，纤维素的这种性质使种皮具有疏水性[25, 26]。单宁酸的氧化、单宁酸-蛋白质复合物的形成等原因使种皮的透水性变差，限制了水分在杂豆内部的迁移[27]。脂质氧化、不溶性果胶的形成、木质化等都会导致杂豆不易煮制[28]。果胶在酶的作用下水解成果胶酸，果胶酸与植酸水解过程中释放的钙、镁等二价阳离子反应，在中间层形成不溶性的果胶化合物，阻碍蒸煮过程中子叶细胞彼此分离[29]。

4.2 杂豆消化性能的限制因素

细胞壁中各成分之间彼此相互作用形成的致密结构是限制消化酶进入杂豆细胞的天然屏障，影响着杂豆中淀粉和蛋白质等物质消化率。细胞壁的存在使杂豆细胞能够在蒸煮之后保持细胞结构的完整，细胞内部淀粉的吸水和糊化会受到一定程度的限制，消化液中的淀粉酶对淀粉的水解作用也会减弱；淀粉酶在细胞壁上的非特异性结合同样会阻碍淀粉水解。不溶性蛋白质将淀粉颗粒包裹，也会延缓淀粉的消化性[30-33]。杂豆中抗营养因子如单宁、凝集素、植酸以及其他蛋白酶抑制剂可以通过与消化酶、淀粉和金属离子结合，形成复合物的方式降低蛋白质、淀粉的消化性[21, 34]。

5 不同预处理加工方式对杂豆质地结构和营养特性的影响

豆类通常在加工后食用，这不仅能改善食物的适口性，缩短蒸煮时间，还可以提高营养物质生物利用度[35]。常见的处理方法有去皮、浸泡、热处理、微波处理、发芽、发酵、辐照、微粉化等。不同的处理方法对杂豆质地结构和营养特性都有不同程度的影响。

5.1对质地结构的影响

杂豆表面有一层起保护作用的、不易消化的、高度纤维状的种皮，种皮中含有相当数量的不溶性非淀粉多糖、木质素和抗营养因子。在进行其他加工处理或食用之前，可以对杂豆进行去皮处理，以减少烹饪时间，提高杂豆适口性、消化率和整体营养价值。杂豆品种、种子大小、含水量、种子硬度、种皮和子叶之间胶质的黏附程度等因素均会影响去皮效果。为了提高去皮效率，需要对杂豆进行预处理，常见的预处理方法有浸泡法、化学药品处理法、酶法、水热法等[36]。杂豆的种类不同，进行预处理的次数也有差别，木豆、绿豆等需要进行多次预处理，而鹰嘴豆、扁豆、豌豆等仅需进行一次预处理就可达到较好的去皮效果[37]。

除了去皮外，浸泡也是一种常用的提高杂豆烹饪性的方法。浸泡不仅可以软化籽粒，也可以减少抗营养因子的含量。浸泡过程中，水分会进入豆类的淀粉颗粒和蛋白组分中，有利于淀粉凝胶化和蛋白质变性，使豆类的质地变软，从而缩短烹饪时间。杂豆经过浸泡后，组织结构略有膨胀，体积增大，密度变小[38]。绿豆在不同温度下浸泡的微观结构如图3所示，未吸水时绿豆横截面较为粗糙，吸水后淀粉粒结构清晰可见，但温度继续升高后，淀粉开始糊化、黏连，因此，浸泡温度不宜过高。超声和微波处理可以减少水分子进入籽粒的阻碍，促进种子吸水膨胀。有研究表明，绿豆种皮表面的膳食纤维在酶的作用下降解，种皮的通透性提高，吸水速率加快[39]。碱性溶液浸泡可导致蛋白质、多糖和果胶物质的分解，Na2CO3、NaHCO3等单价盐离子浸泡能适当缩短杂豆的蒸煮时间，CaCl2则会延长蒸煮时间[40]。

注：a 未浸泡；b 20 ℃浸泡；c 40 ℃浸泡；d 60 ℃浸泡。图3 绿豆在不同温度浸泡前后的微观结构[39]

热处理是一种常见的为提高食物烹饪性和消化率的加工手段。热处理会导致半纤维素溶解，细胞壁中间层果胶多糖降解，组织软化，使可溶性膳食纤维含量增加[41]。同时，热处理可能会破坏淀粉和纤维之间的键合，影响其增溶，在这种条件下，由于变性和聚集，蛋白质的溶解度也可能受到影响[42]。干热处理对芸豆子叶细胞内淀粉的消化程度并没有显著的促进作用，这是因为子叶细胞中的淀粉使镶嵌在蛋白质之中，不能与淀粉酶结合，但干热处理会对细胞壁的通透性造成破坏[19]。

5.2 对营养成分的影响

5.2.1 对常规营养成分的影响

在加工处理的过程中，杂豆中的部分水溶性成分溶于水中，再加上湿热处理使得糖类分解、蛋白质部分变性等原因，经过处理的杂豆蛋白质、粗纤维及淀粉含量均有所降低，氨基酸含量稍有减少，粗脂肪含量略有升高[38]。

湿热处理会使杂豆中的淀粉颗粒吸水膨胀，更易被淀粉酶水解。经过浸泡处理的芸豆淀粉消化率没有明显改变，而经过蒸煮处理的芸豆淀粉的消化率显著地提高[43, 44]。Dhital等[45]发现鹰嘴豆、豌豆、绿豆和红芸豆的细胞壁经常压蒸煮后仍能保持完整并抵抗淀粉酶的水解，细胞壁破坏后，细胞内淀粉的水解率增加。微粉化通常是指利用近红外辐射在相对短的时间内对晶粒进行高温热处理的过程，会使杂豆淀粉会发生部分凝胶化，能提高淀粉的消化率和适口性，减少烹饪时间[46]。经过辐照处理的豇豆、扁豆的蒸煮时间减少，这是由于红外处理使胚乳内的淀粉发生了预糊化、相邻子叶细胞之间的中间层分解、蛋白质变性[47]。微波通过产生自由基在分子水平上改变食品的物理化学和流变特性，自由基会与食品中的其他成分发生反应，从而导致多种变化，可大大缩短烹饪时间，提高脂质/蛋白质比值[48, 49]。Khattab等[50]探究了不同处理方法对豆科植物(豇豆、芸豆和豌豆)营养品质的影响，研究结果表明，高压蒸煮是提高蛋白质质量最有效的方法，其次是微粉化和微波处理。发芽成本较低，也能提高某些维生素、矿物质和蛋白质的利用率[35]。发酵能改善杂豆的味道、颜色和质地，提高植物蛋白的消化率[51]。

5.2.2 对活性物质的影响

不同处理方式也能够对杂豆中非营养物质产生影响。杂豆种子中存在着植酸、蛋白酶抑制剂和凝集素等抗营养物质(Antinutritional factors，ANFs)。大多数ANFs可通过热处理即可失活，热稳定性较好的ANFs可以通过去皮、浸泡、发芽等方式来处理[52, 53]。

浸泡是进行其他处理的前提，有研究表明，浸泡可以降低杂豆中总糖、半乳糖苷、矿物质、凝集素和草酸的水平，却对植酸影响不大[54, 55]。浸泡和蒸煮对杂豆中α-淀粉酶，胰蛋白酶和糜蛋白酶抑制剂的水平均有显著影响[56]。蚕豆经煮沸、微波和高压处理后，植酸含量分别提高了9.1%、4.8%和3.9%，这是由于植酸的耐热性较好[57]。烘烤会使杂豆中的总酚类化合物和总黄酮含量均有不同程度的降低，抗氧化活性也由此下降[58]。杂豆种皮中的游离酚类物质和类黄酮化合物在浸泡和发芽过程中很容易流失[59]。

加工处理方法对杂豆的烹饪特性和营养成分有不同程度的影响。浸泡是最常见、最经济的方法，但是这种方法会造成一定程度上的营养物质流失。蒸煮也是常用的处理方法，高压蒸煮和常压蒸煮均可改善杂豆的食用品质，高压蒸煮对颗粒破坏较小，但相对来说能耗较高。辐照有消毒、消除杂豆种子虫害的作用，可显著减少种子的蒸煮时间，降低其糊化峰值黏度，提高氮溶指数，能够作为提高杂豆品质的可行办法[60]。微波、微粉化等新型加工技术在改善杂豆品质方面也有较好效果。

6 展望

我国在杂豆的开发利用方面相对落后，大部分杂豆产品还停留在传统的生产阶段，深加工产品较少。由于杂豆在食用前需要经过较长时间的蒸煮，费事费力，因此，人们对结构完整的速熟杂豆产品的需求更加迫切。针对杂豆不易煮制的问题，了解杂豆的结构和组成成分，深入研究细胞壁结构与烹饪性的相关性，开发适宜不同杂豆产品生产的预处理技术，并改善杂豆主营养成分的消化吸收性，调节杂豆功能物质的功能活性，可以为杂豆全食品包括功能性杂豆产品的设计和制造提供参考。