紅小豆蒸煮過程中的糊化特性及微觀結(jié)構(gòu)

白 潔，劉麗莎，李玉美，彭義交，田 旭，金 楊，張 清，張小飛，郭 宏*

紅小豆是我國傳統(tǒng)雜豆之一，富含碳水化合物、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和水溶性維生素，營養(yǎng)價值高，常被用于加工紅豆沙、紅豆羹、蜜漬紅豆等食品，在食品領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。紅小豆種皮致密、組織堅硬、吸水困難，因此蒸煮工序成為紅小豆食品加工的關(guān)鍵步驟，決定其生產(chǎn)效率的高低及產(chǎn)品的最終品質(zhì)。

近年來，國內(nèi)外研究學(xué)者對紅小豆蒸煮過程的研究主要集中在水分分布、生理活性成分以及抗氧化活性的變化等方面。Mikac[3]、Amanda[4]等研究了蒸煮過程中紅小豆的水分分布，明確了紅小豆通過珠孔吸水，逐步進(jìn)入子葉組織發(fā)生水合，并且隨溫度升高吸水率顯著增加。Balwinder等[5]研究發(fā)現(xiàn)在蒸煮過程中，紅小豆中的酚類化合物含量隨著水溶性物質(zhì)的溶解而降低。易建勇[6]、姚鑫淼[7]等發(fā)現(xiàn)在蒸煮過程中，紅小豆籽粒中的生物活性成分指標(biāo)有明顯的降低趨勢，但在適當(dāng)?shù)募庸r間（60 min）內(nèi)仍保留很大程度的含量和活性。

關(guān)于紅小豆內(nèi)部組分及結(jié)構(gòu)變化的研究較少。研究表明，蒸煮過程直接影響豆類淀粉的糊化和水解，從而影響豆類的蒸煮品質(zhì)。喬筱童[8]研究發(fā)現(xiàn)低壓蒸煮使綠豆具有一定的糊化度，在蒸煮過程中，綠豆主要組分含量發(fā)生了變化。Gong Bing等[9]研究發(fā)現(xiàn)濕熱處理對紅小豆淀粉的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)影響顯著（P＜0.05）。紅小豆籽粒內(nèi)部除淀粉外，還含有20%的蛋白質(zhì)以及1%的脂肪，相對于純淀粉環(huán)境，豆粒中淀粉的性質(zhì)會受到其他成分的影響[10-12]。因此，在蛋白質(zhì)和脂肪的存在下，研究紅小豆淀粉的變化情況最能真實的反映紅小豆蒸煮過程中體系內(nèi)部的變化。本實驗通過研究蒸煮過程中紅小豆的糊化特性和結(jié)構(gòu)特性的變化規(guī)律，明確蒸煮過程對紅小豆的影響，以期為紅小豆蒸煮過程機理研究提供依據(jù)，為優(yōu)化和改進(jìn)現(xiàn)有紅小豆蒸煮工藝、提高紅小豆制品生產(chǎn)效率提供借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅小豆，產(chǎn)地黑龍江，品種寶清紅，采收日期為2016年10月。

溴化鉀（分析純） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

2 000 W可調(diào)電爐 北京永光明儀器廠；TA.XT Plus質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro Systems公司；UV3300紫外-可見分光光度計 上海美譜達(dá)儀器有限公司；RVA-4500快速黏度分析儀（rapid visco analyzer，RVA） 瑞典波通儀器公司；S-4800掃描電子顯微鏡日立儀器（上海）有限公司；WQF-530傅里葉變換紅外光譜儀 北京北分瑞利分析儀器（集團(tuán)）有限公司；D8型X射線衍射儀 德國布魯克公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

參照企業(yè)生產(chǎn)工藝，紅小豆與蒸餾水按1∶5（m/m）稱取，電爐（1 kW）煮沸，正式蒸煮時開始計時，分別取蒸煮0、15、30、45、60 min樣品，取出后，除去表面水分備用。

1.3.2 基本組分測定

淀粉含量的測定參照GB 5009.9—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中淀粉的測定》；脂肪含量的測定參照GB 5009.6—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測定》；蛋白質(zhì)含量的測定參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測定》。

1.3.3 糊化度測定

將蒸煮后的紅小豆放入烘箱，50 ℃干燥6 h后，用粉碎機粉碎，過40 目篩，并參照熊易強[13]的方法進(jìn)行糊化度的測定。

1.3.4 糊化特性測定

將干燥后的紅小豆樣品粉碎過80 目篩，采用RVA按照AACC 76-21標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定。所需樣品質(zhì)量按照3.5 g，水分體積分?jǐn)?shù)14%進(jìn)行校準(zhǔn)，加水量25 mL，攪拌均勻后直接用RVA標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行測定，溫度采用Std 1特定升溫程序進(jìn)行。

1.3.5 硬度測定

選取粒型大小相近，蒸煮狀態(tài)相近的10 粒豆樣，采用質(zhì)構(gòu)儀測定不同蒸煮時間的紅小豆硬度，測定參數(shù)設(shè)定為P-25圓形探頭，測試前、中、后速率分別為2.0、0.5、2.0 mm/s，觸發(fā)力5.0 g，下壓距離0.5 mm，硬度取10 次測定平均值。

1.3.6 掃描電子顯微鏡觀察

紅小豆內(nèi)部形貌采用掃描電子顯微鏡觀察[14]。選擇干燥后的紅小豆樣品，切成1/4小粒，粘貼于雙面膠上，橫截面向上，噴金后將樣品放入掃描電子顯微鏡樣品室，在5 kV加速電壓下，不同倍數(shù)進(jìn)行觀察。

1.3.7 紅外光譜掃描

稱取紅小豆樣品2 mg置于瑪瑙研缽中，同時加入200 mg溴化鉀，充分混合、研磨、壓片后置于傅里葉變換紅外光譜儀上檢測[15]。掃描范圍4 000～400 cm－1，分辨率為4 cm－1，測得樣品的紅外光譜圖用Main FTOS Suite軟件分析處理。

1.3.8 晶體特性測定

樣品過100 目篩，經(jīng)壓片后，用X射線衍射儀進(jìn)行掃描[16]。測定條件為管壓40 kV，管流40 mA，測試步長0.02°/步，掃描速率0.2 s/步，掃描區(qū)間5°～90°，得到樣品的X射線衍射圖用MDI Jade6.5軟件分析處理。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel、PASW Statistics 18.0進(jìn)行處理分析，采用ANOVA進(jìn)行差異顯著性分析，P＜0.05表示差異顯著，使用Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸煮過程中紅小豆基本組分的變化

表1 蒸煮過程中紅小豆基本組分的變化Table 1 Changes in basic components of adzuki beans during cooking

由表1可知，隨著蒸煮時間的延長，紅小豆淀粉、蛋白質(zhì)含量顯著降低（P＜0.05），其中淀粉含量降低了71.2%，脂肪含量略微升高，但不顯著（P＞0.05）。紅小豆蒸煮過程中受濕熱、酶和氧化等作用影響，淀粉糊化，蛋白質(zhì)、脂類降解，淀粉-脂復(fù)合物解體，導(dǎo)致淀粉、蛋白質(zhì)含量大幅下降，脂肪含量略微升高[8]。45 min后，紅小豆淀粉、蛋白質(zhì)的含量變化也不顯著（P＞0.05）。

2.2 蒸煮過程中紅小豆糊化度和硬度的變化

圖1 蒸煮過程中紅小豆糊化度和硬度的變化Fig. 1 Changes in gelatinization degree and hardness of adzuki beans during cooking

如圖1所示，隨著蒸煮時間延長，紅小豆糊化度顯著升高（P＜0.05），硬度顯著降低（P＜0.05）。蒸煮時間在15～30 min之間，糊化度升高速率變化較快，硬度降低也十分明顯，變化曲線上升和下降的總體速率較大。隨著蒸煮時間繼續(xù)延長，紅小豆糊化度和硬度變化趨緩，蒸煮45 min后，糊化度和硬度變化不顯著（P＞0.05），這與綠豆蒸煮過程中糊化度、硬度的變化趨勢一致[17]。蒸煮前期，水的沸騰對豆粒形成一定的沖擊，使豆皮中的纖維軟化或斷裂，豆皮變軟，水分從外部逐漸向內(nèi)部遷移[4,7]。隨著蒸煮繼續(xù)，豆粒內(nèi)部開始水合，淀粉顆粒吸水溶脹，糊化度上升，當(dāng)糊化到一定程度，則趨于平衡[18]。同時，在蒸煮過程中，蛋白質(zhì)含量的降低會使部分淀粉粒完全釋放，使得糊化度增加[10]。蒸煮過程是一個水分與熱量的傳遞過程，在熱力的作用下，水分能夠破壞紅小豆內(nèi)部淀粉的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低硬度。

2.3 蒸煮過程中紅小豆糊化特性的變化

圖2 蒸煮過程中紅小豆的糊化黏度曲線Fig. 2 RVA pasting profiles of adzuki beans during cooking

表2 蒸煮過程中紅小豆糊化參數(shù)的變化Table 2 Changes in pasting parameters of adzuki bean starch during cooking

蒸煮對紅小豆糊化特性的影響如圖2、表2所示，隨著蒸煮時間的延長，RVA曲線趨于平緩，峰值黏度、低谷黏度、衰減值、最終黏度以及回生值均逐漸降低。蒸煮45 min后，峰值黏度、低谷黏度隨時間變化差異不顯著（P＞0.05），最終黏度、回生值降低幅度也趨于平緩，這與綠豆蒸煮過程中糊化特性的變化趨勢一致，也與濕熱處理紅小豆的變化趨勢相似[19-20]。紅小豆黏度的變化與其淀粉顆粒膨脹和破裂有關(guān)，蒸煮過程中紅小豆內(nèi)部淀粉不斷吸水、膨脹，結(jié)晶結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致黏度下降[21-22]。衰減值的降低，說明在蒸煮過程中糊化淀粉不斷增多，淀粉發(fā)生不可逆的變化，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定[23]，淀粉糊化到一定程度趨于穩(wěn)定（圖1），因此最終黏度偏低，相應(yīng)的回生值就低。

2.4 蒸煮過程中紅小豆微觀形態(tài)的變化

圖3 蒸煮過程中紅小豆掃描電子顯微鏡圖Fig. 3 SEM photographs of adzuki beans during cooking

紅小豆由種皮和子葉構(gòu)成，不同蒸煮時間的紅小豆子葉橫截面的組織結(jié)構(gòu)如圖3所示，可以觀察到蒸煮0 min的紅小豆，其葉肉細(xì)胞呈多邊形，排列成緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各個細(xì)胞被細(xì)胞膜所包圍，內(nèi)含眾多橢球形淀粉粒，這與百合片、大米等橫截面的微觀結(jié)構(gòu)相似，都是淀粉顆粒被包裹在一層膜中[14,24]。隨著蒸煮時間的延長，紅小豆的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了不同變化：蒸煮15 min時，葉肉細(xì)胞的形貌未發(fā)生大的變化，這是因為紅小豆種皮細(xì)胞壁致密，吸水困難，短時間蒸煮對紅小豆子葉結(jié)構(gòu)無顯著影響；蒸煮30 min時，淀粉顆粒不斷吸水膨潤，此時葉肉細(xì)胞排列不再緊密，網(wǎng)絡(luò)組織更加松散，細(xì)胞間隙變大，輪廓幾乎消失，淀粉顆粒明顯暴露出來，豆粒葉肉細(xì)胞結(jié)構(gòu)明顯變形。這與大米微波處理后的橫截面結(jié)構(gòu)變化相似，并被認(rèn)為可能是淀粉顆粒內(nèi)部無定型區(qū)域和結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化所致[24]。蒸煮45 min時，細(xì)胞膜包裹著的淀粉顆粒完全暴露出來，附著在淀粉顆粒表面的蛋白質(zhì)、果膠等物質(zhì)降解，呈現(xiàn)出較為光滑、規(guī)則的橢球形顆粒，這與姚鑫淼[7]的研究相似，他認(rèn)為此時淀粉顆粒形成，幾乎所有淀粉顆粒都經(jīng)過糊化，達(dá)到煮熟狀態(tài)。此外，張曉紅等[24]也認(rèn)為這是淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新排列的結(jié)果。繼續(xù)蒸煮至60 min，紅小豆微觀形貌變化不明顯，但個別淀粉顆粒相互黏結(jié)，姚鑫淼[7]認(rèn)為這會影響紅小豆的口感。

2.5 蒸煮對紅小豆晶體結(jié)構(gòu)的影響

圖4 蒸煮對紅小豆樣品的X射線衍射圖譜的影響Fig. 4 Effect of cooking on X-ray diffraction pattern of adzuki beans

從圖4可以看出，蒸煮0 min的紅小豆樣品在衍射角2θ在15°、17°、18°和23°左右有強烈的吸收峰，再結(jié)合晶面間距（d值）可以確定紅小豆淀粉屬于典型的A型晶體結(jié)構(gòu)，這與Reddy等[25]的研究一致。從表3可以看出，隨著蒸煮時間的延長，紅小豆樣品4 個特征峰的強度逐漸變小，尖峰寬度也逐漸變窄，說明結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞程度逐漸加大，當(dāng)蒸煮60 min時，2θ在23°處的衍射峰消失，晶體結(jié)構(gòu)幾乎消失，這與綠豆的晶體結(jié)構(gòu)變化相似[8]。

表3 紅小豆樣品的主要衍射峰特征值Table 3 X-ray diffraction intensities of major peaks of adzuki beans during cooking

圖5 蒸煮過程中紅小豆樣品的結(jié)晶度Fig. 5 Crystallinity of adzuki beans during cooking

由圖5可以看出，蒸煮0 min紅小豆的結(jié)晶度為42.02%。隨著蒸煮時間的延長，紅小豆淀粉的結(jié)晶度顯著降低（P＜0.05），說明紅小豆內(nèi)部顆粒遭到破壞，淀粉結(jié)晶區(qū)域破壞。在蒸煮15 min之前結(jié)晶度下降趨勢較為緩慢，蒸煮15 min后結(jié)晶度大幅降低，說明此時淀粉開始糊化，而當(dāng)蒸煮時間超過45 min時，結(jié)晶度變化不顯著（P＞0.05），說明在蒸煮45 min時紅小豆樣品的糊化程度達(dá)到最大[26]，這與紅小豆糊化度的變化趨勢一致（圖1）。這可能是因為短時間蒸煮紅小豆淀粉吸收的水分少，熱量小，對結(jié)晶區(qū)影響較弱，隨著蒸煮時間的延長，淀粉中非晶體區(qū)鏈段的活動增加，導(dǎo)致致密的結(jié)晶區(qū)鏈段結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性下降；淀粉糊化開始后，淀粉結(jié)晶區(qū)中的微晶束發(fā)生熔融，顆粒形態(tài)破裂并伴隨著直鏈淀粉溶出、雙螺旋打開的過程，無定型膠體網(wǎng)絡(luò)形成，結(jié)晶度大幅降低[26-27]。

2.6 蒸煮對紅小豆官能團(tuán)的影響

圖6 蒸煮過程中紅小豆樣品的紅外光譜Fig. 6 Infrared spectra of adzuki beans during cooking

如圖6所示，蒸煮0 min時，紅小豆在3 417、2 927、1 650、1 409、1 315 cm-1附近均具有較強吸收峰，它們分別是氫鍵締合伸縮振動吸收峰、碳?xì)滏I反對稱伸縮振動峰、C＝O伸縮振動峰以及—CH2的彎曲振動吸收峰；指紋區(qū)在1 047、1 018、928 cm-1附近的分別是結(jié)晶區(qū)、無定形態(tài)區(qū)的相關(guān)振動，在858、756、575 cm-1附近的都是—CH2的搖擺振動吸收特征峰，上述這些峰都屬于原淀粉的特征吸收峰[15,26]。除了原淀粉的吸收峰以外，紅小豆樣品在3 280、1 540、1 238 cm-1處也有強峰，他們是蛋白質(zhì)N—H鍵的伸縮振動峰、蛋白質(zhì)的酰胺Ⅱ峰以及酰胺Ⅲ峰[28]。

隨著蒸煮時間的延長，紅小豆樣品的吸收峰波數(shù)并沒有出現(xiàn)明顯的紅移或藍(lán)移，但部分吸收峰的圖譜寬度出現(xiàn)窄化，吸收峰的強度改變。一般認(rèn)為，紅外光譜圖中1 300～900 cm-1區(qū)域內(nèi)的吸收峰為淀粉的構(gòu)型敏感帶，也是指紋區(qū)的一部分[29-30]。蒸煮過程中1 047 cm-1處的吸收峰逐漸減弱，說明淀粉的結(jié)晶區(qū)隨時間延長被破壞；指紋區(qū)928、858 cm-1處的吸收峰消失，說明蒸煮過程中淀粉短程有序的結(jié)構(gòu)遭到破壞，這是因為淀粉吸水膨脹后極易被水解，化學(xué)鍵發(fā)生改變，導(dǎo)致指紋區(qū)的圖譜部分消失[16]。

2.7 相關(guān)性分析

表4 相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis

對紅小豆基本組分、糊化度、硬度、糊化特性及結(jié)晶度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表4。紅小豆蒸煮過程中淀粉含量與硬度、糊化特性參數(shù)以及結(jié)晶度均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與糊化度呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），糊化度與硬度、結(jié)晶度均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），蛋白質(zhì)含量與糊化度、硬度、衰減值以及結(jié)晶度無顯著相關(guān)性（P＞0.05），脂肪含量與其他指標(biāo)均無顯著相關(guān)性（P＞0.05）。蛋白質(zhì)、脂肪含量的變化對紅小豆的硬度影響不大，但蛋白質(zhì)含量與部分糊化特性參數(shù)有一定相關(guān)性，這是因為蛋白質(zhì)的水合作用會影響淀粉的吸水狀況進(jìn)而影響糊化性質(zhì)[10]。結(jié)合上述研究可知，淀粉含量的變化在紅小豆蒸煮過程中至關(guān)重要，隨著蒸煮時間的延長，淀粉含量降低，糊化度升高，結(jié)構(gòu)變化，紅小豆變軟。因此，在紅小豆蒸煮過程中，可以通過淀粉含量來預(yù)測紅小豆的糊化程度及結(jié)構(gòu)狀態(tài)，從而判斷紅小豆蒸煮品質(zhì)的優(yōu)劣。

3 結(jié) 論

隨著蒸煮時間的延長，紅小豆淀粉、蛋白質(zhì)含量、糊化特性、硬度以及結(jié)晶度均呈現(xiàn)顯著降低（P＜0.05）后又趨于平緩的趨勢，糊化度變化趨勢相反，脂肪含量變化不顯著（P＞0.05）。蒸煮過程中紅小豆葉肉細(xì)胞橫截面的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，細(xì)胞間隙變大，輪廓幾乎消失，淀粉顆粒明顯暴露出來，呈現(xiàn)較為光滑、規(guī)則的橢球形顆粒。紅外光譜圖表明蒸煮過程中，紅小豆樣品的吸收峰波數(shù)并沒有出現(xiàn)明顯的紅移或藍(lán)移，但部分吸收峰的圖譜出現(xiàn)窄化，吸收峰的強度改變，其中表征淀粉構(gòu)型敏感帶的吸收峰強度減弱，指紋區(qū)的部分吸收峰減弱甚至消失。X射線衍射圖譜中特征吸收峰強度及寬度也都逐漸變小。X射線衍射、紅外光譜掃描兩種方法都證明了蒸煮過程中淀粉結(jié)構(gòu)的變化。

從相關(guān)性分析可知，紅小豆淀粉含量與糊化度、糊化特性、硬度以及結(jié)晶度之間具有極顯著的相關(guān)性（P＜0.01），這一研究結(jié)果將為實現(xiàn)通過淀粉含量對蒸煮過程中紅小豆品質(zhì)及糊化程度的預(yù)測提供參考，并為紅小豆相關(guān)制品的高效工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)和理論依據(jù)。

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