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《食品科学》:南昌大学殷军艺研究员等:4 种杂豆淀粉结构特征和理化特性比较
2023-05-22作者:来源:责任编辑:食品界 字体A+AA-
杂豆是除大豆外各种小宗豆类的通称。我国杂豆品种繁多,主要有芸豆、鹰嘴豆、豌豆、黑豆、绿豆、蚕豆等。杂豆具有高碳水化合物(24%~68%,其中淀粉占40%~60%)、高蛋白(20%~50%)、低脂肪(<1%)、B族维生素和矿物质丰富等特点,是一种优质的食物来源。此外,杂豆还具有降血脂、抗肿瘤等生理功能。
不同杂豆淀粉间的结构特征存在差异,使其具有不同的理化特性,影响淀粉在食品加工工业中的应用。然而杂豆种类繁多,对不同杂豆淀粉之间结构特征与其理化特性之间的关系的研究报道较少或缺乏全面认识。因此南昌大学 食品科学与技术国家重点实验室,中国-加拿大食品学与技术联合实验室(南昌),江西省生物活性多糖重点实验室的卢楹、殷军艺*等选取豇豆、扁豆、豌豆、红芸豆4 种杂豆为原料,采用湿磨法制备淀粉,对杂豆淀粉的特性开展系统研究,明晰不同杂豆淀粉的基本结构特征和理化特性,为杂豆淀粉的开发利用提供理论依据。
1、基本组成
采用湿磨法提取CS、LS、PS、RKBS,得率分别为18.8%、28.8%、12.8%、15.5%。Hoover等报道大多数杂豆淀粉的提取率为18%~54%,本实验淀粉得率在此范围内,但与部分文献报道不同的原因可能与品种、脱壳方法、种皮硬度、浸泡方法等有关。对所提取的淀粉基本组成进行分析(表1),4 种杂豆淀粉中的总淀粉质量分数为77.9%~88.7%。CS的直链淀粉质量分数为26.3%,显著低于其他样品 (P<0.05),而RKBS的支链淀粉质量分数最高(57.2%)。
2、分子尺寸分布
如图1所示,样品的峰形较为相似,从左到右出现2 个峰,分别归属为直链淀粉(AM)分子和支链淀粉(AP)分子。使用凝胶渗透色谱法测定其平均流体力学半径(即),结果见表2,CS、LS、PS、RKBS的
分别为116.5、113.6、115.7、99.4 nm,RKBS的平均分子半径最小。样品中支链淀粉分子的平均半径(
>29)分布范围为138.6~159.4 nm。由表1可知,不同样品间的直链淀粉含量呈现显著性差异(P<0.05),但4 种杂豆淀粉中的直链淀粉平均分子半径大小相近,均为17.9~20.8 nm。
3、结晶特性
由图2可以看出,PS在15°、17°、23°(2θ)处出现了强衍射峰,呈现典型的CC-型淀粉结晶特征。CS、LS、RKBS均在18°出现较弱衍射峰,为CA-型晶体。4 种杂豆淀粉的相对结晶度如表3所示,顺序为PS>CS>LS>RKBS。结晶度越高表明淀粉结构的稳定性越好,可能是由于双螺旋间的相互作用程度较强、晶粒取向较好以及“束簇”状(聚合度为45~63)的支链淀粉含量高。RKBS的相对结晶度(27.6%)最低,可能与其较高的直链淀粉含量(31.5%)有关。
4、短程有序性分析
如图3所示,样品均在3411、2928、1463、1163、1086、986、928、763 cm-1处出现吸收峰,呈现典型的淀粉类多糖特征。其中,3411 cm-1处的宽峰对应O—H的伸缩振动;2928 cm-1处对应C—H拉伸区域;1463 cm-1处归属为C—H的弯曲振动;1163、1086、986 cm-1处归属为葡萄糖C—O—C键的伸缩振动;928 cm-1处被认为是α-1,4糖苷键的特征峰;763 cm-1附近吸收峰为C—C键的伸缩振动。淀粉中的短程有序性结构是指双螺旋间短距离内有序堆积形成的结构,通常使用红外光谱中1047 cm-1/1022 cm-1处的吸光度比值表征(R1047/1022),1047 cm-1处对应淀粉分子中的有序结构,1022 cm-1处对应无规则线团结构,结果如表3所示。LS的R1047/1022显著高于CS、PS、RKBS(P<0.05),有序化程度最高。CS、PS、RKBS的R1047/1022无显著性差异,表明三者的短程分子有序性相似。
5、偏光十字
由图4可以看出,4 种杂豆淀粉的偏光十字均比较明显,交叉点都接近于颗粒中心位置,LS、PS、RKBS中存在“X”形和斜十字形两种,CS主要呈现“X”形。
6、颗粒形貌
如图5所示,4 种杂豆淀粉颗粒形貌相似,大部分颗粒呈肾型、椭圆形,少数呈球形和不规则形态。多数颗粒表面光滑,表明湿磨法提取基本保留了淀粉颗粒的完整结构。
7、糊化特性
如表4 所示,4 种杂豆淀粉中,C S 的峰值黏度(5338.3 mPa·s)显著高于LS、PS、RKBS(P<0.05),表明其与水结合能力更强,吸水膨胀后淀粉糊更黏稠,具有作为食品增稠剂的潜力。回生值反映淀粉的冷糊稳定性,回生值越小则淀粉的冷糊稳定性越佳,越不易老化。样品的回生值大小为RKBS>PS>LS>CS,与直链淀粉含量高低顺序一致,推测样品的易老化程度主要是受到直链淀粉含量的影响。衰减值反映了淀粉的热糊稳定性,衰减值越大则热糊稳定性越差。CS的衰减值最高,表明其热糊稳定性最差,溶胀后的淀粉颗粒易破裂,PS的衰减值低于CS、LS、RKBS,表明溶胀后的PS颗粒强度较大,不易破裂。高温环境下有更强的耐热性和抗剪切性,这可能是由于其结晶度(38.5%)较高。样品的糊化温度均较高(75.3~82.8 ℃),均不易糊化,其中LS的糊化温度显著高于其他样品,表明LS中的淀粉颗粒结构更加紧密,具有较强的抵抗溶胀和破裂的能力,最不易糊化。
8、热稳定性分析
如图6所示,根据热重曲线可看出,4 种杂豆淀粉的降解主要有2 个过程,第1阶段质量损失发生在30~130 ℃之间,样品的质量损失了10%左右,这一阶段主要与水分的蒸发有关。第1阶段脱水过程结束后,杂豆淀粉在250 ℃以下处于稳定状态,超过250 ℃后,可以明显观察到样品在250~400 ℃之间发生降解,这一失重阶段主要由于淀粉在高温下发生分解,淀粉结构被破坏。导数热重曲线是由热重曲线一阶求导所得,其表示降解过程的质量损失速率。导数热重曲线分别在98~118 ℃和303~320 ℃出现2 个峰,分别与淀粉脱水和结构分解有关,这与热重曲线图相对应。303~320 ℃内,CS、LS、PS、RKBS的出峰温度分别为320、317、318、303 ℃,与部分玉米淀粉相比,杂豆淀粉均具有良好的热稳定性,顺序为CS>PS>LS>RKBS,这与样品的平均分子半径为CS>PS>LS>RKBS相对应,推测分解温度主要是受到分子尺寸的影响,分子尺寸越大则热稳定性越佳。
9、凝沉特性
如图7所示,随着放置时间的延长,4 种杂豆淀粉糊都产生了不同程度的凝沉。CS、LS、PS、RKBS在2 h内大幅度上升,2 h时,PS、RKBS的上清液体积分别达到82.7%、83.3%,随后趋于平缓,10 h后PS的上清液体积保持在82.7%,RKBS则缓慢增加至84.5%。LS和CS的上清液体积在4 h内大幅度上升,在4 h时分别上升至76.8%和40.0%,4 h后上升程度平缓,10 h时缓慢增加到80.3%和53.7%。放置时间为10 h时,这4 种杂豆淀粉的易老化趋势为RKBS>PS>LS>CS,与糊化特性结果一致。24 h时,CS、LS、PS、RKBS的沉降积分别为37.3、18.5、16.3 mL和14.8 mL,CS沉降积最大,最不易老化,可能是由于其直链淀粉含量最低(26.3%)。
结论
4 种杂豆淀粉的组成、分子结构以及晶型方面均存在一定差异。总淀粉含量、直链淀粉含量、支链淀粉含量范围分别为77.9%~88.7%、26.3%~31.5%、52.7%~57.2%。4 种杂豆淀粉颗粒完整,平均流体力学半径大小顺序为CS>PS>LS>RKBS;均具有典型的双折射现象,CS主要呈现“X”形,PS、LS、RKBS存在“X”形和斜十字形2 种;此外,4 种杂豆淀粉均为C-型淀粉,其中PS为CC-型晶体,其余为CA-型晶体。4 种杂豆淀粉因组成、结构不同,其理化特性存在较大差异:受高直链淀粉含量的影响,RKBS的回生值高、凝沉性差,最易发生老化行为。CS的直链淀粉含量最低,沉降积最大,最不易老化,并且因其平均分子半径较大而具有良好的热稳定性。糊化性质方面,样品中PS较易糊化,LS最不易糊化。