蕓豆萌發(fā)前后淀粉理化特性變化

曹龍奎，王倩文

（1.國家雜糧工程技術(shù)研究中心/黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院）

蕓豆萌發(fā)前后淀粉理化特性變化

曹龍奎1，王倩文2

（1.國家雜糧工程技術(shù)研究中心/黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院）

通過對蕓豆萌發(fā)前后各時期淀粉理化特性進(jìn)行研究，采用掃描電子顯微鏡法、激光粒度分布儀、X-射線衍射等方法測定淀粉理化特性變化并進(jìn)行分析。結(jié)果表明：萌發(fā)過程中淀粉酶活性增加，在酶的作用下淀粉發(fā)生降解，淀粉的結(jié)構(gòu)、組成等發(fā)生變化，從而影響淀粉的特性，對食品加工產(chǎn)生影響。隨著萌發(fā)的進(jìn)行，淀粉顆粒形態(tài)發(fā)生變化，完整的淀粉顆粒被破壞，表面出現(xiàn)不規(guī)則的缺痕和孔道，直鏈淀粉、支鏈淀粉含量比例先減小后增加，淀粉的溶解度先降低后增加，膨脹度先增加后降低。

萌發(fā)；蕓豆淀粉；理化特性

蕓豆是我國雜豆出口最主要的商品，約占我國各雜豆出口的60%。蕓豆?fàn)I養(yǎng)成分含量豐富，富含蛋白質(zhì)、必需氨基酸、維生素B族、礦物質(zhì)元素鈣、鐵等。具有提高人體免疫能力，增強抗病能力，對腫瘤細(xì)胞的發(fā)展有抑制作用等。但蕓豆存在營養(yǎng)不平衡和抗?fàn)I養(yǎng)成分等不利因素，這些問題限制了蕓豆的開發(fā)與加工。萌發(fā)使酶活性增強，催化酶促反應(yīng)發(fā)生并進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、理化特性等發(fā)生變化。食品加工與淀粉來源，直鏈淀粉、支鏈淀粉的比例，熱機械歷程等存在很大的相關(guān)性。萌發(fā)過程中淀粉酶活性增加，在酶的作用下淀粉發(fā)生降解，淀粉酶將淀粉轉(zhuǎn)化成葡萄糖。淀粉的降解使淀粉的結(jié)構(gòu)、組成等發(fā)生變化，從而影響淀粉的特性，對食品加工產(chǎn)生影響。

國內(nèi)外有研究表明，經(jīng)萌發(fā)處理后的雜糧具有良好的風(fēng)味和口感，降低或消除其中有毒有害物質(zhì)或抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的含量，改變了淀粉的理化特性，增加了蛋白質(zhì)和淀粉的消化性，在一定程度上調(diào)整了營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，提高了其營養(yǎng)價值及保健功能。通過對蕓豆萌發(fā)各時期的主要營養(yǎng)成分、理化特性變化進(jìn)行分析，為進(jìn)一步研究和開發(fā)具有生理活性的雜糧食品提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫花蕓豆，大慶市谷麥良園米業(yè)有限公司；直鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)品，Sigma試劑公司；支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)品，Sigma試劑公司；氫氧化鉀，天津市大茂化學(xué)試劑廠；鹽酸，廣州萬從化工有限公司；碘化鉀，鄭州智逸化工產(chǎn)品有限公司；碘，上海氏典化工科技發(fā)展有限公司；石油醚，廊坊維爾康生物化工有限公司；乙醇，中國醫(yī)藥上?；瘜W(xué)試劑公司。

1.2 儀器與設(shè)備

酸度計FE20K，瑞士METTLER TOLEDO公司；紫外可見分光光度計T6，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；掃描電子顯微鏡Quanta 200F，荷蘭FEI公司；激光粒度分布儀Bettersize2000，丹東百特儀器有限公司；電熱恒溫水浴鍋DK-S24型，上海森信實驗儀器有限公司；離心機TD5A型，長沙英太儀器有限公司；低速大容量離心機LD4-40，北京京立離心機有限公司；鼓風(fēng)干燥箱DGG-9053A型，上海森信實驗儀器有限公司；冰箱，Haier公司；差式掃描量熱儀DSC1，瑞士METTLER TOLEDO公司；水份分析儀MB25，常州奧豪斯儀器有限公司。

1.3 試驗方法

國內(nèi)外許多研究表明，經(jīng)萌發(fā)處理后可以降低或消除雜糧中有毒、有害或抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的含量，在一定程度上可調(diào)整營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，改善風(fēng)味、口感，改變淀粉的理化特性，增強雜糧的營養(yǎng)價值及消化性等。通過對紫云蕓豆進(jìn)行萌發(fā)處理，取同一生長條件下，不同芽長、不同萌發(fā)時間的蕓豆為樣品，研究萌發(fā)前后蕓豆淀粉理化性質(zhì)變化。

1.3.1 蕓豆萌發(fā)處理

選擇色澤新鮮、籽粒飽滿、無蟲蛀、無霉?fàn)€、無殘破豆粒、發(fā)芽勢強的優(yōu)質(zhì)紫云蕓豆，清洗3遍，用0.5%次氯酸鈉浸泡5 min，進(jìn)行殺菌處理，再用去離子水反復(fù)沖洗，洗去殘留的次氯酸鈉。將蕓豆撈出，用蒸餾水浸泡12 h（無光照）。將浸泡后的蕓豆放置在發(fā)芽盤中室溫下進(jìn)行萌發(fā)處理（無光照），每天淋水3次。分別取萌發(fā)后不同時期、不同長度蕓豆作為試驗樣品并放在40℃烘箱中烘干，然后將種子用粉碎機粉碎，過60目篩。測定樣品以可食部100%取樣。

表1 蕓豆樣品（共1 0個樣品）Table 1 The samples of kidney bean（A total of 10）

1.3.2 淀粉提取

對萌發(fā)前后各時期的樣品采用堿法進(jìn)行淀粉的提取。取蕓豆全粉，按料液比1∶3室溫下浸泡12 h（0.3%NaOH溶液），將混勻的浸泡液過200目篩進(jìn)行除雜處理，在3 000 r·min-1條件下離心5 min，棄去上清液后取下層沉淀，加入同比例蒸餾水混勻成漿，調(diào)節(jié)pH至中性，重復(fù)離心與清洗過程，剝刮掉沉淀上層的殘余物質(zhì)。在40℃條件下干燥處理，粉碎過100目篩，即得蕓豆淀粉。

1.3.3 蕓豆淀粉組分測定

萌發(fā)前后各時期的蕓豆樣品采用堿法提取淀粉。對淀粉中水分，蛋白質(zhì)，脂肪，灰分含量分別進(jìn)行測定，采用雙波長法測定淀粉中直鏈、支鏈淀粉含量［1-2］。

1.3.4 蕓豆淀粉顆粒形態(tài)測定

1.3.4.1 蕓豆淀粉顆粒形貌測定

蕓豆萌發(fā)前后淀粉顆粒形貌采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。測定前樣品首先干燥處理，使用雙面膠粘取適量干燥好的樣品固定，并進(jìn)行噴金處理，以10 KV的加速電壓進(jìn)行觀察并拍攝具有代表性的淀粉顆粒形貌，照片放大倍率為5 000×5 000。

1.3.4.2 蕓豆淀粉顆粒粒度分布測定

淀粉顆粒粒度分布采用Bettersize2000激光粒度分布儀進(jìn)行測定，通過自動循環(huán)分散系統(tǒng)將樣品輸送到激光粒度儀的測定區(qū)域，分散劑采用蒸餾水，根據(jù)Mie散射原理對散射光產(chǎn)生的電信號進(jìn)行處理，得到所測樣品的粒度分布結(jié)果。

1.3.4.3 蕓豆淀粉顆粒晶體結(jié)構(gòu)測定

蕓豆萌發(fā)前后淀粉的結(jié)晶度采用XRD法進(jìn)行測定。特征射線為Cu Kα，入射線波長λ=0.154 18 nm，Ni濾波片，管壓40 kV，管流40 mA，掃描范圍3～60°，掃描步長0.02度，每步停留時間6 s，狹縫1 mm。

1.3.5 蕓豆淀粉膨脹度與溶解度測定

取500 mg蕓豆淀粉于50 mL離心管中，加入蒸餾水25 mL，振蕩后分別在30～90℃不同溫度下加熱30 min，每5 min振蕩1次，取出冷卻至室溫，3 000 r·min-1離心20 min，將上清液倒入恒重鋁盒中，于130℃烘干至恒重，在干燥箱中冷卻至室溫稱重，同時準(zhǔn)確稱取離心管和沉淀的質(zhì)量，計算淀粉溶解度與膨脹度。

m1——鋁盒質(zhì)量，g；m2——干燥冷卻后上清液與鋁盒共同質(zhì)量，g；m——稱取樣品質(zhì)量，g；w1——離心后離心管與沉淀共同質(zhì)量，g；w2——離心管質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 蕓豆淀粉組成

蕓豆淀粉基本組分見表2。通過作圖法（如圖1）確認(rèn)直鏈淀粉、支鏈淀粉的最大吸收波長和參比波長為λ直1=612 nm，λ直2=425 nm；λ支1=535 nm，λ支2= 725 nm。利用已知的吸收波長和參比波長進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制，以濃度為橫坐標(biāo)，直鏈淀粉、支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)溶液中分別取一定梯度的濃度為橫坐標(biāo)，以其相應(yīng)的吸光度值△A（△A=λ1-λ2）為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（如圖2、3）。得直鏈淀粉回歸方程為y=0.007 7x-0.002 7，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 4，支鏈淀粉回歸方程為y=0.002 1x-0.000 8，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 2。計算直鏈淀粉、支鏈淀粉含量。如表2所示，蕓豆淀粉10種樣品蛋白質(zhì)、脂肪、灰分含量均較少，提取淀粉含量較高，直鏈淀粉、支鏈淀粉含量及比例發(fā)生變化，直鏈淀粉含量先降低后增加，支鏈淀粉含量先增加后降低。

表2 蕓豆淀粉基本成分T a b le 2 T h e c o m p o s itio n o f th e k id n e y b e a n s ta rc h

2.2 蕓豆淀粉顆粒形態(tài)

2.2.1 蕓豆萌發(fā)前后淀粉顆粒形貌

蕓豆萌發(fā)前后淀粉顆粒形貌變化通過掃描電子顯微鏡觀察。如圖4所示，淀粉顆粒多呈卵形，小淀粉顆粒呈圓形，并且表面光滑。蕓豆萌發(fā)初期，淀粉顆粒保持完整僅有微小變化，隨著萌發(fā)的進(jìn)行，完整的淀粉顆粒被破壞，表面出現(xiàn)不規(guī)則的缺痕和孔道。在整個萌發(fā)過程中酶催化使淀粉發(fā)生水解作用，酶水解作用首先攻擊淀粉顆粒表面，使表面形成不規(guī)則的缺痕和孔道［3］，隨著萌發(fā)的進(jìn)行，酶作用于表面上的離散點，形成淀粉內(nèi)部的通道，酶進(jìn)入內(nèi)部通道，然后從內(nèi)部向外水解淀粉［4］，淀粉不斷被分解，缺痕繼續(xù)增多、擴(kuò)展，連成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使淀粉分裂成細(xì)粒。此外，淀粉在提取過程中，離心后對淀粉的提取、剝刮，上層淀粉顆粒遭到了一定程度的破壞［5］。掃描電子顯微鏡對淀粉團(tuán)粒表面、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、酶攻擊和轉(zhuǎn)換模式等方面的觀察發(fā)揮著極其重要的作用［6］。對淀粉內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解，有助于掌握淀粉的功能特性和轉(zhuǎn)化方式，優(yōu)化淀粉改性條件，提高淀粉產(chǎn)品品質(zhì)性能。

圖1 直鏈淀粉、支鏈淀粉光譜掃描圖Fig.1 UV-visible scanning spectra of amylose and amylopecti

圖2 直鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Standard curve of amylase

圖3 支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.3 Standard curve of amylopectin

圖4 掃描電子顯微鏡觀察淀粉顆粒形貌Fig.4 Morphology of the kidney bean starch granules observed by scanning electron microscop

2.2.2 蕓豆萌發(fā)前后淀粉顆粒粒度分布

粒度分布反映出一系列不同粒徑顆粒分別占粉體總量的百分比。蕓豆萌發(fā)前后淀粉顆粒粒度分布采用激光粒度分布儀進(jìn)行測定。萌發(fā)前后的淀粉顆粒粒度分布圖均為單一峰，淀粉顆粒粒度范圍為0.452～61.74 μm。未萌發(fā)的蕓豆淀粉顆粒體積平均徑為28.91 μm，中位徑（D50）為28.97 μm，即大于或小于28.97 μm的顆粒的體積均占總體積的50%。蕓豆萌發(fā)過程中，淀粉水解酶催化淀粉水解，完整淀粉粒被破壞，隨著芽長的增長，淀粉顆粒粒徑逐漸減小，淀粉顆粒不斷分解直至分裂成細(xì)粒。當(dāng)芽長大于3.51 cm時，蕓豆淀粉體積平均徑為25.42 μm，中位徑（D50）為25.81 μm，即大于或小于25.81 μm的顆粒的體積均占總體積的50%。

2.2.3 蕓豆萌發(fā)前后淀粉X射線衍射

淀粉顆粒不是一種淀粉分子，而是由許多直鏈和支鏈淀粉分子構(gòu)成的聚合體，這種聚合體不是無規(guī)律的，它由兩部分組成，即有序的結(jié)晶區(qū)和無序的非結(jié)晶區(qū)。X-射線衍射可以反映出淀粉顆粒大范圍的有序排列（結(jié)晶度）。淀粉顆粒的晶體結(jié)構(gòu)類型有三種，即為A型、B型、C型。蕓豆萌發(fā)前后X-射線衍射圖如圖5所示，萌發(fā)處理后的蕓豆淀粉保留了未萌發(fā)時蕓豆淀粉的衍射圖譜特征峰，并與C型圖譜相一致，即蕓豆萌發(fā)前后淀粉顆粒晶型為C型。由此表明，萌發(fā)過程中的淀粉水解反應(yīng)主要發(fā)生在淀粉顆粒的無定形區(qū)［7］。蕓豆萌發(fā)前后2θ為14.920～ 15.190，16.980～17.200，22.940～23.180處出現(xiàn)明顯的強吸收峰，但不同芽長的蕓豆淀粉衍射強度及位置略有差異。淀粉顆粒的結(jié)晶部分主要來自支鏈淀粉分子的非還原性末端附近［8］，結(jié)晶度與萌發(fā)過程中直鏈淀粉和支鏈淀粉含量及其比例的變化有關(guān)，結(jié)晶度總體呈下降趨勢。結(jié)晶度的大小與淀粉的物理、機械性能有著緊密的關(guān)系。

表3 淀粉顆粒粒度分布Table 3 Particle size distribution for the kidney bean starch

表4 淀粉顆粒X射線衍射Table4 Degree of starch granuleo bserved by X-ray diffraction

圖5 淀粉顆粒射線衍射圖Fig.5 X-ray diffraction patterns of the kidney bean starc

2.3 蕓豆萌發(fā)前后淀粉溶解度、膨脹度

溶解度和膨脹度是淀粉顆粒與水結(jié)合強度的表征。淀粉的溶解度主要反映直鏈淀粉特性。隨著溫度的增加，開始大量吸水，部分直鏈淀粉分子從顆粒中被瀝濾出來，水溶性組分浸出增加，溫度增加，淀粉分子的流動性加強，削弱了淀粉分子的結(jié)合力，可溶部分逐漸浸出，提高了淀粉的溶解度及淀粉間的孔隙度。淀粉的膨脹主要反映支鏈淀粉的特性。水分子進(jìn)入淀粉顆粒，是從非結(jié)晶部分開始，淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變。

未萌發(fā)和萌發(fā)的蕓豆淀粉的溶解度（如圖6）和膨脹度（如圖7）均隨著溫度的增加而增強。當(dāng)溫度為30～60℃時，淀粉的溶解度和膨脹度增加較小，當(dāng)溫度為70～90℃時，溶解度和膨脹度明顯增加。蕓豆萌發(fā)，酶活性增強，淀粉酶被激活，使淀粉發(fā)生降解［9-10］，淀粉結(jié)構(gòu)、組成發(fā)生變化，引起了直鏈淀粉、支鏈淀粉發(fā)生變化。淀粉的溶解和膨脹與淀粉顆粒的大小、形態(tài)、組成等有關(guān)［11］。蕓豆萌發(fā)，直鏈淀粉含量先增加后減小，70℃時未萌發(fā)的蕓豆淀粉溶解度、膨脹度為1.789 9%、3.588 8，芽長為0.01～0.50 cm時蕓豆淀粉的溶解度、膨脹度為1.274 6%、5.239 8，芽長大于3.51 cm時淀粉的溶解度、膨脹度為2.751 2%、3.318 2。隨蕓豆萌發(fā)的進(jìn)行，淀粉的溶解度先降低后增加，膨脹度先增加后降低，淀粉的溶解度和膨脹度為顆粒內(nèi)鍵的結(jié)合程度提供了有力依據(jù)［12］，反映了萌發(fā)后內(nèi)部結(jié)合程度的變化。脂類物質(zhì)及脂肪與直鏈淀粉形成的脂肪-直鏈淀粉復(fù)合物對淀粉的溶解度、膨脹度有抑制作用。

圖6 30～90℃下蕓豆淀粉溶解度Fig.6 Kidney bean starch solubility under 30-90℃

圖7 30～90℃下蕓豆淀粉膨脹度Fig.7 Kidney bean starch swelling under 30-90℃

3 結(jié)論

萌發(fā)過程中淀粉酶活性增加，在酶的作用下淀粉發(fā)生降解，淀粉的結(jié)構(gòu)、組成等發(fā)生變化，從而影響淀粉的特性，對食品加工產(chǎn)生影響。以萌發(fā)前后10種紫云蕓豆全粉作為原料提取淀粉，分析理化特性變化及原因。萌發(fā)促使了直鏈淀粉含量呈先減小后增加的趨勢。淀粉的溶解度、膨脹度均隨溫度的增加而增加，隨著萌發(fā)的進(jìn)行，溶解度先減小后增加，膨脹度先增加后減小。通過研究萌發(fā)處理前后紫云蕓豆淀粉理化性質(zhì)的變化規(guī)律，對蕓豆及其淀粉加工及品質(zhì)產(chǎn)生影響，并在一定程度上使理化特性可控，有利于蕓豆食品的開發(fā)和利用，為進(jìn)一步研究、開發(fā)、生產(chǎn)加工具有生理活性的雜糧食品提供理論基礎(chǔ)。

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Changes in before and after Germ ination of Physicochem ical Properties of K idney Bean Starch

Cao Longkui1，W ang Qianwen2
（1.National Engineering Research Center for Coarse Cereals，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.College of Food Science，Heilongjiang Bayi Agricultural University）

The changes of physicochemical properties of the kidney bean starches during kidney bean germination were investigated and analyzed by Scanning Electron Microscope method，Laser Particle Size Distribution Analyzer and X-Ray Diffraction.The results showed that the germination process increased enzyme activation，the starch degraded by the enzyme，the structure and component of starch changed.The results may affect the food quality during processing.Starch particle morphology changed，it was destroyed after germination and pits and holes appeared on the surface of some starch granules.The amylopectin/amylose ratio decreased first，then increased during germination.The changes of solubility were similar to the ratio，the changes of swelling were opposite to the ratio.

germination；kidney bean starch；physicochemical properties

S856.5

A

1002-2090（2016）03-0087-08

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.03.018

2015-09-10

黑龍江省科技攻關(guān)項目（GC12B401）；國家星火計劃項目（2013GA670001）；國家雜糧工程技術(shù)研究中心組建項目（2011FU125X07）。

曹龍奎（1965-）男，教授，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事糧油精深加工方面的教學(xué)與研究工作。