蚕豆淀粉的研究进展与展望

刘玉玲,侯万伟

(1.青海大学，青海 西宁 810016；2.青海省农林科学院，青海 西宁 810016)

蚕豆(VicialfabaL)，又称胡豆、罗汉豆、兰花豆、佛豆等，豆科，野豌豆属，为粮食、蔬菜、饲料、绿肥兼用作物。蚕豆营养价值丰富，含8种必需氨基酸，蛋白质含量30%左右，碳水化合物含量47%-60%。世界上有43个国家种植蚕豆，中国是蚕豆生产大国，种植面积、总产分别占世界的53%和61%，平均单产低于法国、德国和埃塞俄比亚，位于第四，我国蚕豆的种植面积、生产水平将直接影响世界蚕豆生产[1]。国内蚕豆资源丰富，地域分布广泛，不同品种与产地的蚕豆资源的化学组成和理化性质差异甚大[2]。淀粉是豆类碳水化合物中最为丰富的一类，淀粉的理化性质可直接影响其功能特性。豆类淀粉因直链淀粉含量较高，常具有热糊稳定性好、凝胶温度高、抗性淀粉含量高、凝胶弹性佳和透明度高等特性，在食品和工业领域均有较为广泛的应用。本篇主要对蚕豆淀粉的含量在不同发育时期的动态变化、蚕豆淀粉的理化特性、理化特性的外界影响因素、消化率以及应用特性进行了综述。

1 蚕豆淀粉含量在不同发育时期的动态变化

王耀芝等[3]研究发现，在发育早期，由于营养物质被快速发育的组织消耗殆尽，整个胚珠中未见淀粉粒；其后，首先在合点区出现淀粉，而后从合点向珠孔逐渐扩大分布范围，珠孔处几乎不含淀粉，而合点处的淀粉粒数量多且体积大，此外，珠心和内、外珠被都出现了淀粉，尤以内珠被的淀粉增长迅速，数量多、个体大。胚囊形成后，合点、珠心和内、外珠均会向胚囊中运送淀粉，而后这些淀粉同功能大孢子中贮存的丰富淀粉粒一起为胚囊发育提供营养。卵细胞受精后，所含淀粉粒的数量和大小明显增长，随着合子和胚细胞的分裂，其中贮存的淀粉逐渐被消耗，到多细胞球形胚时完全消失，胚乳核周围始终未出现淀粉粒。胚器官分化之后，子叶和胚轴等处逐渐出现淀粉粒，其中生长活跃的结构如生长点、维管束等不贮存淀粉；子叶中的淀粉含量迅速增加，颗粒特大，是种子内营养物质的最终贮存场所。

赵娜等[4]分析了粮用、兼用和鲜食型蚕豆籽粒不同发育时期的淀粉含量的变化规律，研究发现，不同食用类型蚕豆籽粒的淀粉含量随着种子发育均逐渐升高，与植物种子生长过程中淀粉积累过程结果相一致，且不同食用类型蚕豆品种成熟籽粒的淀粉含量没有差异。

2 蚕豆淀粉的理化特性

2.1 蚕豆淀粉的含量及组成

淀粉是蚕豆籽粒中含量最丰富的一类碳水化合物，占籽粒质量的40%-50%左右，不同蚕豆品种间，存在较大的变化幅度。傅翠真等[5]曾报道，相对于四川及贵州品种的淀粉含量(40%左右)而言，青海和云南品种淀粉含量较高(46%以上)，表现出明显的品种差异性。这与田晓红等[6]的研究一致。

黄倩[7]和郭红梅[8]报道，蚕豆淀粉的蛋白质、脂肪、灰分含量分为0.28%、0.34%和0.08%。王鹏等[9]研究发现，从蚕豆中提取的淀粉含蛋白质0.27%、脂肪0.25%、灰分含量0.07%。Zhang等[10]报道，蚕豆淀粉的蛋白质、脂肪、灰分含量分为0.30%,0.38%和0.07%。潘元风等[11]对4种不同品种蚕豆淀粉理化性质进行分析，发现淀粉中灰分含量在0.03%-0.04%之间，蛋白质含量在0.22%-0.27%之间，脂肪含量在0.03%-0.04%之间，试验结果表明，不同品种蚕豆淀粉的基本化学组成没有显著差异。

淀粉由直链和支链两种淀粉共同组成，其中直链淀粉含量与众多理化特性密切相关。蚕豆淀粉具有较高的直链淀粉含量，一般高于杂粮，而低于部分豆类[12]。田晓红等[6]对所选20种蚕豆直链淀粉含量研究发现其含量在37.08%-47.12%，其中曲靖小粒蚕豆直链淀粉含量最高，慈溪大粒1号直链淀粉含量最低，青海马牙蚕豆的直链淀粉含量次低(37.77%)，其余均在40%以上，表明不同品种蚕豆淀粉的直链淀粉含量存在显著差异。潘元风[11]和S.U.A.K.Gunasekera等[13]对不同品种蚕豆淀粉的研究表明，直链淀粉含量在17%-32%之间不等，具体表现为大种子品种直链淀粉含量较低，小种子品种直链淀粉含量较高。

2.2 颗粒特性

2.2.1 颗粒形态

通常使用扫描电子显微镜(SEM)和偏光显微镜来分析观察淀粉粒的颗粒形态和偏光十字形态以区别不同来源的淀粉。蚕豆淀粉颗粒多呈圆形和椭圆形，表面光滑或粗糙存在沟纹，粒径在10-42um之间波动，平均粒径为28um[7-9,10,11,14,15]。蚕豆淀粉粒的粒径一般大于鹰嘴豆淀粉粒，小于红豆淀粉粒，约为杂粮淀粉粒的5-10倍[7-9,10]。蚕豆淀粉的偏光十字非常明显，形状不规则，较小的圆形颗粒十字交叉在颗粒中央，较大椭圆颗粒的十字不规律，有的颗粒呈十字形，若干呈“X”形，出现中间盲区[7-9,14]。

2.2.2 结晶结构

淀粉颗粒的内部结构一般分为结晶区和无定形区。结晶区由支链淀粉分子以双螺旋结构致密团聚形成，结晶区外为直链淀粉松散包裹的无定形区，结晶区的含量以结晶度表示[16]。而根据淀粉颗粒在X衍射图谱上所呈现的特征，可将淀粉的晶体结构分为3类，即A型、B型和C型。蚕豆淀粉多为C型[7,9,14]。淀粉颗粒的相对结晶度在20.2%-21.9%之间[15]。

2.3 溶解度和膨润度

溶解度和膨润度反映了淀粉样品的水合能力，主要与淀粉组成、直支链淀粉含量、结构、淀粉微晶束结构等因素有关[17]。蚕豆淀粉的溶解度和膨润度同其他豆类一样，普遍表现出随着温度的上升而增加的理化特性，在50℃-90℃温度范围内，具体表现为70℃以后，溶解度和膨润度迅速上升，淀粉颗粒快速吸水膨胀，且存在初始和快速两个膨润阶段，这可能是由于随着水温的升高分子运动加快，淀粉氢键逐渐断裂，直支链淀粉极性基团重新与水分子缔合形成氢键，从而使淀粉表现出吸水溶胀的特性[8-10,18]。

谭斌等[19]在对20种中国蚕豆淀粉的物理特性与糊化回生特性进行研究时发现，30℃-50℃时20种中国蚕豆淀粉的溶解度和膨润度都较低，50℃以后随着温度的增加，溶解度和膨润度剧增，到90℃时，膨润度平均达到18.42%，溶解度平均达到16.13%，蚕豆淀粉的膨润度与溶解度和品种、产地不同而有较大差异。在各不同温度段，蚕豆淀粉的溶解度均低于绿豆淀粉和豌豆淀粉的溶解度，而膨润度高于绿豆淀粉，低于豌豆淀粉[12,19,20]。

2.4 透明度和凝沉性

淀粉糊透明度反映了淀粉与水互溶的能力，直链淀粉含量和淀粉的纯度会影响淀粉糊的透明度，直链淀粉与脂肪生成的复合物量越少，淀粉糊的透明度越高[21,22,23]。蚕豆淀粉糊的透明度一般低于豌豆淀粉和清亮透明的马铃薯淀粉，而明显高于玉米、小麦等[11,12]。同其他豆类一样，蚕豆淀粉糊透明度常表现出随放置时间的延长而逐渐见减小的变化特性，一般在前48h内，淀粉糊透明度迅速下降，之后下降速度缓慢[8,18]。这可能是因为淀粉糊在低温静置的过程中，淀粉分子重新排列、互相缔合发生老化影响淀粉糊透明度[24]。谭斌等[19]报道，其研究作用的20种蚕豆淀粉糊透光率平均值为75.31%，变幅6.10%，结果表明，不同品种淀粉糊透光率不同。潘元风等[11]人也发现了相同的结论。

稀淀粉糊经过一段时间后会逐渐变浑浊再分层沉淀，出现上方清液下方沉淀物的现象，即凝沉，又称老化或回生。凝沉性的强弱主要与淀粉的来源、种类、脂类含量、直链淀粉含量、直链淀粉的聚合度等因素有关，一般凝沉体积越大凝沉性越强[25,26]。蚕豆淀粉糊的凝沉性一般弱于玉米淀粉糊和红豆淀粉糊，而强于马铃薯淀粉糊、糯米淀粉糊、豌豆淀粉糊和鹰嘴豆淀粉糊[8,9,12,14]。潘元风等[11]研究发现，蚕豆淀粉糊在静置的前6h快速沉降，6h以后速度变缓，12h以后趋于平稳，不同蚕豆品种在24h时的凝沉体积不同，结果表明，不同品种的蚕豆淀粉糊具有相似的凝沉特性，但凝沉性强弱存在差异。

2.5 冻融稳定性和持水性

淀粉在冷冻和解冻的循环过程中承受物理变化的能力称为冻融稳定性，冻融稳定性的好坏与淀粉中直支链淀粉比例、浓度及其它组分密切相关，一般用析水率大小来表示冻融稳定性的好坏，析水率越小，说明淀粉糊的冻融稳定性越好[27]。蚕豆淀粉的冻融稳定性较差，一般冻融1次后凝胶体便析出水，且随着冻融次数的增加，缩水率逐渐增加[14,19]。

淀粉持水率反映淀粉一定条件下保持水分的能力，淀粉因含有大量的亲水基团-OH，能与水形成氢键和共价键，所以具有持水性，淀粉持水性强弱可能与淀粉的结构、亲水基团有关[28]。谭斌等[19]研究发现，实验所用的20种蚕豆淀粉持水力均在89.43%-106.48%之间，平均为97.97%，持水力超过100%以上的有绿叶蚕豆、大白白脐蚕、青海10号等，持水力较低的有浙江青皮蚕豆、青海马牙蚕豆淀粉等。这与潘元风等[11]报道的结果相一致。蚕豆淀粉一般具有较高的持水力，但仍远远低于甘薯淀粉的平均持水力(138.0%)[20]。

2.6 糊化特性和热力学特性

淀粉在高温下溶胀、分裂形成均匀糊状溶液的特性，称为淀粉的糊化。一般与淀粉的脂肪含量、直链淀粉含量、晶体结构以及支链淀粉链长分布有关[29]。谭斌等[19]研究发现，不同品种的蚕豆淀粉在60.25℃-73.08℃时开始糊化，峰黏度、保持强度、衰减度、最终黏度和回生值在不同品种间也均各不相同。蚕豆淀粉的糊化温度一般低于红豆淀粉和豌豆淀粉糊，而高于鹰嘴豆[9,12]。但任顺成等[18]曾报道，保山透心绿蚕豆淀粉的成糊温度在8种豆类中最高，达94.9℃。

淀粉糊化过程中伴随有热力学性质包括能量的变化，这些变化可以用差示扫描量热法进行检测，观察到的指标包括样品糊化过程中的起始温度、终止温度、峰值温度、热焓值以及糊化范围等，一定程度反映淀粉的糊化特性，参数值低则说明淀粉易糊化[30,31]。

2.7 质构特性

淀粉凝胶质构性能与多种因素有关，包括淀粉颗粒的流变性、凝胶结构、直链淀粉含量、支链淀粉结构、淀粉间相互作用以及凝胶体积[32,33]。黄倩等[7]研究发现，在储藏期内包括蚕豆在内的三种豆类淀粉凝胶的硬度、黏性和咀嚼度均明显高于杂粮淀粉凝胶，反映出较强的老化能力，这主要与豆类含高直链淀粉，而杂粮含低直链淀粉有关。

3 蚕豆淀粉理化性质的外界影响因素

众多学者研究发现，蚕豆淀粉的理化特性常受到众多因素的影响，一般分为两类，第一类是内部因素，如淀粉来源、结晶性质、颗粒特性、直链淀粉和支链淀粉比率、淀粉中的其他物质等；第二类则是外界因素，如储藏时间、蔗糖、热处理时间、淀粉浓度、pH、NaCl浓度等。外界因素主要是通过内部因素间接的对蚕豆淀粉的理化性质产生影响。

淀粉浓度是影响蚕豆淀粉理化性质较为直接的因素之一。淀粉糊化后，再放置一段时间，温度降低，直链淀粉分子进行平行取向，以氢键的方式结合形成三维网络结构，淀粉浓度增大，则所含的直链淀粉分子增多，增强了分子之间的氢键作用力，因此淀粉凝胶的强度得以升高[34,35]。研究发现，随着淀粉浓度的增加，蚕豆淀粉的黏度增大，热稳定性变差，凝胶强度、硬度、胶黏度和咀嚼性均增加，弹性、凝聚力和回复值不变或降低[7,14,36]。储藏时间和储藏温度是淀粉储藏的重要指标，在不同的储藏时间和储藏温度下不同淀粉凝胶特性常不同。

pH值在蚕豆淀粉中主要表现为，当介质条件为酸性时，蚕豆淀粉凝胶的硬度、黏性、咀嚼度和回复值最大，凝聚性最小；当介质条件为碱性时，蚕豆淀粉凝胶的弹性和凝聚性最大[7,36]。蚕豆淀粉凝胶的硬度、弹性、胶黏度、咀嚼性和回复性等质构特性也呈现出随着NaC1浓度的增加而先增加后降低的趋势[36]。葡萄糖和蔗糖是2种富含-OH的甜味剂，黄倩等[7]研究表明，添加葡萄糖和蔗糖可提高蚕豆淀粉的凝胶特性值、凝胶硬度以及冻融稳定性，这可能是由于糖分子能跟淀粉分子附近的水结合，从而提高淀粉凝胶体系稳定性。辐照剂对蚕豆淀粉理化特性的影响，主要表现为随着辐照量的增加，蚕豆淀粉聚合物的溶解度、羧基含量、吸水能力和冻融稳定性显著提高，淀粉峰强度降低，扫描电镜下的颗粒形态为圆形、椭圆形、不规则形，颗粒不同长度从6.8-14.9μm，宽度从3.1-10.5μm[37]。

4 蚕豆淀粉的消化率

Englyst等[38]根据其消化率(通过体外酶测量)将淀粉分类为快消化的淀粉(RDS，20min内消化)，抗性淀粉可分为RS1、RS2、RS3和RS4四类，其中RS3类抗性淀粉是抗性淀粉的主要成分，主要由糊化后的淀粉冷却凝沉产生，又称老化淀粉，分为RS3a和RS3b两部分，其中RS3a为凝沉的支链淀粉，RS3b为凝沉的直链淀粉，RS3b的抗酶解性最强，经过加热也不被淀粉酶降解[39]。一般直链淀粉含量越高，淀粉消化率越低。Bello Perez等[40]报道了蚕豆淀粉中RS含量在33g/kg-65g/kg之间。蚕豆淀粉的RDS和SDS含量普遍较小，分别为15.3%和34.5%，而RS含量较大，分别为46.7%，说明蚕豆淀粉具有较强的酶解抗性。杂豆淀粉消化性高于马铃薯和高直链玉米淀粉，但比谷类淀粉消化性低得多[41]。研究发现，发芽和热处理可有效提高蚕豆淀粉的消化率，而单宁却会通过抑制淀粉酶活性，从而降低蚕豆淀粉消化率[42-44]。

5 蚕豆淀粉的应用

蚕豆淀粉因其特有的理化性质，在食品加工方面常具有极为重要的应用。例如在粉丝制作和抗性淀粉制作方面的应用。由于蚕豆淀粉的直链淀粉含量高，比较容易老化，因此常常用于粉丝等制品，且在不同品种与产地的蚕豆淀粉间，粉丝品质具体表现为，持水性越低，溶解度越低，膨润度越低，粉丝品质则越好，凝胶强度越大，粉丝的烹煮品质和感官品质就越好，粉丝品质的优劣可直接由蚕豆淀粉的众多理化性质评定[20]。抗性淀粉被视为膳食纤维，对人体健康非常有益，具有降低血糖、降血脂、降胆固醇、缩短粪便在消化道内停留时间、增加排便、降低粪便值、降低二级胆汁酸等生理活性。因抗性淀粉可由直链淀粉在回生过程中的凝沉得到，所以高直链淀粉含量的蚕豆淀粉可用于抗性淀粉的制备[39]。除此之外，蚕豆淀粉还可用于改性淀粉胶粘剂的获得[45]、菜肴风味的改善[46]、身体保健和疾病治疗[47]等方面。

6 展望

综上所述，前人在蚕豆淀粉的理化性质及外界影响因素、消化性和应用特性等方面做了大量研究，使得蚕豆淀粉的生物工程展现出了良好的前景。但对蚕豆淀粉性质的研究仍具较大局限性，缺乏系统性，基础性研究完善性不强，许多细节问题还有待进一步研究。例如对于蚕豆淀粉的生物合成途径及其关键酶，所知甚少；对于蚕豆其他成分与淀粉的相互作用机制和效应还不是很清楚；对于环境因素对蚕豆淀粉性质的影响仍不明确；有关蚕豆淀粉性质中的一些参数、蚕豆淀粉理化特性与品质之间的关系以及不同蚕豆品种间性质的差异特性等仍需进一步研究。

另外，随着国民经济发展和人民生活水平的不断提高，人们对作物品质的要求越来越高，在对作物品质研究的基础上，以作物品质遗传改良为重点的作物品质育种日益受到重视。淀粉性质作为蚕豆品质优劣的主要影响因素，其应是蚕豆品质改良的首要目标，然而有关蚕豆淀粉品质改良的研究仍是空白。研究表明，品质育种技术的实现，具有以下四个关键点：第一，建立切合实际的作物品质指标和鉴定方法；第二，广泛收集种质资源，注重优质资源的创新；第三，研究品质改善的遗传规律，减少育种工作的盲目性；第四，确定有效的育种途径，提高品质改良的效益。因此，蚕豆想要实现淀粉品质育种，在今后的研究中，应加强对蚕豆淀粉遗传规律、优良种质资源筛选、品质育种途径等方面的探索。