不同压力下蒸煮处理对鹰嘴豆淀粉结构及理化特性的影响

雷宁宇，卢 楹，宋萧萧，殷军艺*

（食品科学与资源挖掘全国重点实验室，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，南昌大学，江西 南昌 330047）

鹰嘴豆（Cicer arietinumL.）是世界上第三大重要的杂豆类作物，种植面积仅次于菜豆和豌豆，具有很高的经济价值[1]。鹰嘴豆营养丰富，含有约63%碳水化合物、22%蛋白质、8.0%粗纤维、4.5%脂质、2.7%灰分[2]，具有抗氧化[3]、抗炎[4]、降低胆固醇[5]等生理功能。淀粉是鹰嘴豆中最主要的碳水化合物，占其干质量的37.2%～50.8%[6]，根据X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）图谱可将鹰嘴豆淀粉归为C-型淀粉[7]。

鹰嘴豆一般经过初级加工后食用，蒸、煮、油炸等是鹰嘴豆乃至杂豆开发和利用中最常用的热处理方式。在加工过程中，极端温度和压力会使淀粉的多尺度结构（直/支链淀粉分子、晶体结构、淀粉颗粒等）遭到不同程度的破坏[8]。例如，Han Lihong等[9]的研究表明，随着湿热处理时间的延长，豌豆淀粉中支链淀粉的分子质量呈现逐渐下降的趋势，而4 h及以上的湿热处理使得豌豆淀粉从C-型晶体转变为A-型晶体，淀粉颗粒表面也出现凹槽和裂缝。崔文雪[10]对芋头淀粉分别进行蒸制、煮制处理，结果表明，与煮制相比，蒸制的芋头淀粉糊化速度更快且糊化结构更紧密，而芋头淀粉在煮制过程中充分吸水膨胀，结构疏松。此外，蒸汽压力也是影响淀粉结构及淀粉制品的关键因素，例如徐丹萍[11]发现米饭中的淀粉-脂质复合物——V-型结构物质含量随着蒸汽压力的增加而降低，且均低于常压蒸制的米饭。目前蒸制、煮制淀粉的相关研究主要集中于玉米淀粉[12-13]、大米淀粉[14-15]、木薯淀粉[16]等，关于两种处理方法对鹰嘴豆淀粉结构和理化性质影响的研究较少，并且研究表明淀粉的结晶结构存在于天然淀粉颗粒和老化淀粉中（糊化后重结晶的淀粉，即蒸煮或酶解后的淀粉）[17-18]，而鹰嘴豆淀粉晶体在蒸煮过程中受到的影响并不清楚。

基于此，本文采用湿磨法提取鹰嘴豆淀粉，选取常压蒸制、高压蒸制、常压煮制、高压煮制4 种常用热处理方式，探究经过蒸制、煮制处理后的鹰嘴豆淀粉结晶结构、颗粒结构以及理化特性的差异，并分析压力对其产生的影响，以期为鹰嘴豆淀粉的应用、提升淀粉类食品品质提供理论依据与参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鹰嘴豆产地为新疆乌什县。

总淀粉试剂盒、直链淀粉试剂盒 爱尔兰Megazyme公司；其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

D8 Advance XRD仪 德国Bruker公司；Nicolet 5700傅里叶变换红外光谱仪 美国Thermo公司；B-383POL偏光显微镜 意大利Optika公司；JSM 6701F场发射扫描电子显微镜及能谱仪 日本电子株式会社；RVA-Tec Master快速黏度分析仪 瑞典Perten公司；TGA4000热重分析（thermo gravimetric analysis，TGA）仪 美国Perkin Elmer公司；XS205电子分析天平 瑞士梅特勒-托利多仪器公司。

1.3 方法

1.3.1 鹰嘴豆淀粉提取

参考Malumba等[19]的方法提取鹰嘴豆淀粉，得率为17.1%。

1.3.2 常压蒸制/煮制、高压蒸制/煮制处理鹰嘴豆淀粉

鹰嘴豆淀粉的加工参考文献[20-21]所报道的方法并进行修改。

常压蒸制处理：称取约30 g鹰嘴豆淀粉，放入蒸锅中常压蒸制20 min后迅速放入冰水浴中降温，然后将样品冷冻干燥，置于室温的干燥器中密封保存。

高压蒸制处理：称取约30 g鹰嘴豆淀粉，放入高压灭菌锅（121 ℃、0.2 MPa）中蒸制20 min后迅速放入冰水浴中降温，然后将样品冷冻干燥，密封保存。

常压煮制处理：称取约30 g鹰嘴豆淀粉，加入150 mL蒸馏水常压煮制20 min后迅速放入冰水浴中降温，然后将样品冷冻干燥，密封保存。

高压煮制处理：称取约30 g鹰嘴豆淀粉，加入150 mL蒸馏水后在高压灭菌锅（121 ℃、0.2 MPa）内煮制20 min后迅速放入冰水浴中降温，然后将样品冷冻干燥，密封保存。

鹰嘴豆原淀粉命名为CKS，常压蒸制、高压蒸制、常压煮制、高压煮制处理后的鹰嘴豆淀粉分别命名为CKS-APS、CKS-HPS、CKS-APB、CKS-HPB。

1.3.3 淀粉含量测定

总淀粉质量分数参照总淀粉试剂盒说明书测定。直链淀粉相对含量参照直链淀粉试剂盒说明书测定。

1.3.4 X射线衍射分析

样品过100 目筛后采用XRD仪进行测定，参数设定：管压40 kV，电流100 mA，衍射角2θ扫描范围4°～40°，数据采集步宽0.02°。使用MDI Jade 6.0软件计算相对结晶度[22]。

1.3.5 红外光谱分析

将样品与溴化钾以质量比1∶100混合后充分研磨。采用压片法置于傅里叶变换红外光谱仪上扫描，扫描范围为4 000～500 cm－1。选取波数范围为1 200～800 cm－1进行去卷积处理，选取半峰宽24，增强因子2.4，测定1 051 cm－1和1 018 cm－1处峰强度，计算1 051 cm－1、1 018 cm－1峰强度比值，即R1051cm－1/1018cm－1。

1.3.6 偏光十字显微镜观察

取少量样品置于载玻片上，加入1～2 滴蒸馏水使之均匀分散，盖上盖玻片后，置于光学显微镜下进行观察。

1.3.7 扫描电子显微镜观察

取少量样品在粘有导电双面胶的工作台上涂抹均匀，喷金处理后在500 倍下观察淀粉的颗粒形态，电子枪加速电压为5 kV[23]。

1.3.8 糊化特性的测定

糊化特性的测定参考Cao Shaopan等[24]的方法并进行部分修改。称取3.0 g样品于快速黏度分析仪（rapid visco analyser，RVA）专用铝盒内，加入25 mL蒸馏水混合均匀。测定条件：50 ℃下保持1 min，随后以12 ℃/min的速率从50 ℃升至95 ℃，95 ℃下保持2.4 min，再以相同速率降至50 ℃，50 ℃保持1.4 min，搅拌速率：前10 s为960 r/min，10 s后为160 r/min。记录淀粉糊特征参数：峰值黏度、最低黏度、最终黏度、衰减值、回生值、糊化温度。

1.3.9 热稳定性的测定

采用TGA法测定淀粉的热稳定性。称取10 mg样品并平铺于坩埚中，加热温度范围为300～600 ℃，升温速率为10 ℃/min，高纯氮气流量为20 mL/min[25]。

1.3.10 凝沉特性的测定

用蒸馏水配制1 g/100 mL的淀粉乳，沸水浴20 min，冷却至室温后量取100 mL静置，记录0、2、4、6、8、10、24 h时淀粉糊中上清液体积并绘制凝沉曲线。

1.4 数据处理与分析

实验结果以平均值±标准差表示。采用SPSS 24.0软件中单因素方差和Duncan检验进行统计分析，P＜0.05认为差异具有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 不同加工方式处理对鹰嘴豆淀粉含量的影响

鹰嘴豆淀粉及不同热加工方式处理鹰嘴豆淀粉的总淀粉质量分数和直链淀粉相对含量如表1所示。所有样品的总淀粉质量分数、直链淀粉相对含量范围分别为68.4%～86.0%、29.1%～31.3%。CKS的直链淀粉相对含量为31.3%，与文献报道的鹰嘴豆淀粉中直链淀粉相对含量（通常为20.7%～42.2%）一致[2]。与CKS相比，经过4 种热加工方式处理后的鹰嘴豆直链淀粉相对含量下降了1.1%～2.2%。

表1 不同加工方式处理鹰嘴豆淀粉的总淀粉和直链淀粉含量（n＝3）Table 1 Total starch and amylose contents of chickpea starch treated by different cooking methods (n = 3)

2.2 不同加工方式处理对鹰嘴豆淀粉晶体结构的影响

XRD常被用来检测淀粉分子的长程有序结构即结晶结构，图1为不同加工方式处理鹰嘴豆的XRD图谱，CKS在15°、17°、23°处出现尖锐的衍射峰，在18°处衍射峰较弱，为典型的CA-型晶体[2]。经过常压蒸制、高压蒸制加工处理后的鹰嘴豆淀粉与原淀粉晶体类型相同，表明蒸制未改变鹰嘴豆淀粉的晶体类型。鹰嘴豆淀粉经过常压煮制、高压煮制处理后，在15°、23°处的衍射峰逐渐弥散化，仅在17°附近出现衍射峰并且衍射强度较弱，表明煮制严重破坏了鹰嘴豆淀粉的晶体结构。

图1 不同加工方式处理鹰嘴豆淀粉的XRD图Fig.1 X-ray diffractograms of chickpea starch treated by different cooking methods

样品的具体出峰位置、晶型及相对结晶度如表2所示，相较于CKS，CKS-APS、CKS-HPS的相对结晶度均降低，可能是由于热处理使得部分双螺旋结构发生移动，淀粉的微晶结构遭到破坏，导致结晶区域面积下降[26]。与CKS相比，样品CKS-APB、CKS-HPB的晶体类型均不典型，相对结晶度均大幅度下降，从31.4%分别降至5.9%、3.6%，表明煮制对淀粉分子双螺旋结构的破坏程度更严重，这是由于在煮制过程中，淀粉分子与大量水接触，水分子进入了淀粉的无定形区和结晶区，造成淀粉分子间氢键断裂并且与水分子产生氢键，晶体有序程度下降，无定形区域增加，同时淀粉分子在水煮冷却过程中老化，部分淀粉链自动排列成序，形成结晶[12,27]。此外，CKS-HPS（20.4%）、CKS-HPB（3.6%）的相对结晶度分别低于CKS-APS（25.5%）、CKS-APB（5.9%），表明在一定的压力下，淀粉分子的结晶区向无定形区的转变程度更大，这与Liu Hang等[28]的研究结果一致，可能是高压使淀粉颗粒表面孔洞变大，导致水分子更易进入颗粒内部[26,29]。

表2 不同加工方式处理鹰嘴豆淀粉的XRD结果和短程有序程度Table 2 X-ray diffraction results and short-range order of chickpea starch treated by different cooking methods

2.3 不同加工方式处理对鹰嘴豆淀粉短程有序性的影响

不同热加工方式处理的鹰嘴豆淀粉红外光谱波形基本一致（图2）。样品的主要出峰位置及对应官能团为：3 411 cm－1处对应O—H伸缩振动；2 928 cm－1处对应—CH2的反对称伸缩振动；1 463 cm－1处对应—CH2的弯曲振动；1 163 cm－1处对应C—O 以及C—C键的伸缩振动；1 086 cm－1处和928 cm－1处对应淀粉的非对称环模式（α-1,4糖苷键（C—O—C））的骨架振动；986 cm－1处对应C—O键的伸缩振动和C—OH弯曲振动；763 cm－1处对应C—C键的伸缩振动[30-31]。

图2 不同加工方式处理鹰嘴豆淀粉的红外光谱Fig.2 Infrared spectra of chickpea starch treated by different cooking methods

与原淀粉相比，经过蒸制、煮制后的鹰嘴豆淀粉官能团总体上未发生明显变化，出峰位置及强度有所区别，表明加工处理后的鹰嘴豆淀粉分子没有产生新的官能团和化学键，但是结构上存在差异，例如CKS在986 cm－1处的特征吸收峰，CKS-APB、CKS-HPB均偏移至1 021 cm－1处，表明常压煮制、高压煮制影响了淀粉分子结构。

傅里叶变换红外光谱对淀粉结晶、分子链的构象及螺旋结构的改变十分敏感，常用于淀粉粒短程有序结构的研究。其中，1 051 cm－1和1 018 cm－1处的谱带分别对晶态和非晶态淀粉敏感，两者比值越大，淀粉颗粒内有序程度越高[32]。不同加工方式处理鹰嘴豆淀粉的R1051cm－1/1018cm－1如表2所示，CKS-APS、CKS-HPS的R1051cm－1/1018cm－1低于CKS，可能是由于蒸制处理破坏了淀粉分子内氢键，造成双螺旋结构被破坏，但是与CKS无显著性差异（P＞0.05）。CKS-HPB、CKS-APB的R1051cm－1/1018cm－1显著低于CKS、CKS-APS、CKS-HPS（P＜0.05），表明煮制处理对鹰嘴豆淀粉双螺旋结构的破坏程度更高，可能是大量水分进入淀粉分子内部，破坏了淀粉结晶结构和无定形区域内的螺旋结构，造成短程有序程度下降。此外，本研究结果还表明压力对鹰嘴豆淀粉短程有序性的影响不显著。

2.4 不同加工方式处理对鹰嘴豆淀粉偏光十字性的影响

天然淀粉中的结晶结构和无定形结构在密度和折射率上存在差异，即淀粉具有各向异性，在偏光显微镜下能够产生偏光十字现象[33]。如图3所示，CKS、CKSAPS、CKS-HPS的偏光十字清晰明亮，主要呈现“X”型，表明蒸制处理20 min仍保留了鹰嘴豆淀粉的结晶结构。CKS-APB、CKS-HPB常温下不能溶解，有团聚物出现，因此无法观察其偏光十字现象，可能是由于鹰嘴豆淀粉经过常压煮制、高压煮制处理后，淀粉颗粒几乎全部糊化，结晶区被严重破坏。这与XRD分析结果相印证，即常压煮制、高压煮制严重破坏了淀粉中紧密排列的双螺旋结构，导致淀粉颗粒的偏光十字消失。

图3 不同加工方式处理鹰嘴豆淀粉的偏振光学显微图Fig.3 Cross-polarized images of chickpea starch treated by different cooking methods

2.5 不同加工方式处理对鹰嘴豆淀粉表观形貌的影响

样品的颗粒形貌如图4所示，CKS颗粒较为分散，主要为肾形和椭圆形，多数颗粒表面光滑、无裂痕。经过常压蒸制、高压蒸制后的鹰嘴豆淀粉颗粒结构完整，与CKS无明显差异。而常压煮制、高压煮制后的鹰嘴豆淀粉颗粒破损严重，可能是煮制的过程中淀粉颗粒发生吸水糊化行为，膨胀、破裂成不规则形状，这与XRD及偏光十字分析结果相印证。

图4 不同加工方式处理鹰嘴豆淀粉的扫描电子显微镜图Fig.4 Scanning electron microscopic images of chickpea starch treated by different cooking methods

2.6 不同加工方式处理对鹰嘴豆淀粉糊化特性的影响

图5为使用RVA测定的样品黏度随温度变化曲线，具体糊化特性参数如表3 所示。可以看出，C K S、CKS-APS、CKS-HPS的糊化曲线具有杂豆类淀粉糊化曲线的典型特征，表明蒸制过程没有完全破坏鹰嘴豆淀粉的结构[34]。CKS-APS、CKS-HPS的峰值黏度、最低黏度、衰减值、最终黏度、回生值均低于CKS，其中峰值黏度和最低黏度的降低表明蒸制处理后的鹰嘴豆淀粉颗粒内部结合紧密程度弱于原淀粉，结合水的能力减弱，老化后形成凝胶的能力降低，可能是由于蒸制样品的结晶结构受损，分子间结合力减弱，使得分子流动的黏性阻力减小。衰减值的降低表明鹰嘴豆淀粉的热糊稳定性变差，抗剪切性提升，回生值的下降表明鹰嘴豆淀粉的短期回生速率加快[31]。在蒸制过程中，压力对鹰嘴豆淀粉的影响不明显。

图5 不同加工方式处理鹰嘴豆淀粉的糊化特性Fig.5 Pasting properties of chickpea starch treated by different cooking methods

表3 不同加工方式处理鹰嘴豆淀粉的糊化特性参数Table 3 Gelatinization characteristic parameters of chickpea starch treated by different cooking methods

CKS-APB、CKS-HPB的典型峰均消失（图5），可能是由于鹰嘴豆淀粉在水煮过程中吸水膨胀，结晶结构被破坏，但是仍存在少量的结晶结构表现出抗剪切的行为。同时淀粉糊黏度受到了压力的影响，高压处理后的鹰嘴豆淀粉糊黏度低于常压处理样品，表明煮制过程中高压处理对鹰嘴豆淀粉结构的破坏程度更大。

2.7 不同加工方式处理对鹰嘴豆淀粉热稳定性的影响

TGA曲线及对应的微分热重（derivative thermo gravimetric，DTG）曲线通过样品随温度升高所形成的质量损失来反映其热稳定性。由图6A可看出，样品在50～160 ℃间出现第一个质量损失峰，其主要是淀粉颗粒中自由水和结合水的损失所导致；第二个质量损失峰（＞200 ℃）主要是由于淀粉在高温下发生热降解，破裂成小分子，与图6B急剧下降的峰相对应。CKS、CKSAPS、CKS-APB、CKS-HPS、CKS-HPB样品达到最大质量损失速率时的温度分别为320、309、310、319、319 ℃，经过热处理的鹰嘴豆淀粉的最大质量损失速率温度低于CKS，可能是由于无定形区域的增加[35]。

图6 不同加工方式处理鹰嘴豆淀粉的TGA（A）和DTG（B）曲线Fig.6 Thermo gravimetric analysis (TGA) (A) and derivative thermo gravimetric (DTG) (B) curves of chickpea starch treated by different cooking methods

2.8 不同加工方式处理对鹰嘴豆淀粉凝沉特性的影响

鹰嘴豆淀粉在经过常压煮制、高压煮制处理后，扫描电子显微镜、偏光十字现象、XRD分析结果均证实其淀粉结构遭到了严重破坏，颗粒结构不完整，糊化后没有明显的凝沉特性，因此本实验中不列出。如图7所示，CKS、CKS-APS、CKS-HPS的上清液体积占比在静置2 h内快速上升，随后趋于稳定，符合杂豆类淀粉易老化的特性[34]。淀粉糊静置24 h内，CKS-APS、CKSHPS的上清液体积占比均高于CKS，易凝沉程度为：CKS-HPS＞CKS-APS＞CKS，表明蒸制处理后的鹰嘴豆淀粉在24 h的静置时间内更易发生老化，并且高压蒸制处理后的鹰嘴豆淀粉易老化程度高于常压蒸制处理。

图7 不同加工方式处理鹰嘴豆淀粉的凝沉特性（n＝2）Fig.7 Retrogradation properties of chickpea starch treated by different cooking methods (n = 2)

3 结 论

蒸制、煮制处理对鹰嘴豆淀粉结构和理化特性的影响存在差异：1）蒸制处理20 min后，鹰嘴豆淀粉颗粒完整，结晶结构被轻微破坏，能观察到明显的偏光十字现象，糊化特征曲线保留了杂豆类淀粉的典型特征，颗粒内部结合紧密程度和结合水能力减弱，更容易老化；2）煮制处理20 min后，鹰嘴豆淀粉颗粒吸水膨胀后破损成不规则形状，结晶结构破坏严重，结构的变化对理化特性的直接影响体现为：在常温下无法观察到偏光十字现象，凝沉现象不明显，糊化过程中黏度明显下降；3）与低压处理相比，高压处理对鹰嘴豆淀粉晶体的破坏程度更严重，但是常压蒸制处理与高压蒸制处理、常压煮制处理与高压煮制处理样品间的颗粒结构、偏光十字现象无明显差异。

综上所述，相较于蒸制处理，煮制过程对鹰嘴豆淀粉结晶结构和颗粒结构的破坏更严重。本研究侧重于对鹰嘴豆淀粉结晶结构和颗粒结构的探究，未来可进一步表征鹰嘴豆淀粉在热处理过程中分子结构的具体变化，更全面地研究淀粉的基础理论并为其应用奠定基础。