红小豆蒸煮过程中的糊化特性及微观结构

白 洁，刘丽莎，李玉美，彭义交，田 旭，金 杨，张 清，张小飞，郭 宏*

红小豆是我国传统杂豆之一，富含碳水化合物、蛋白质、矿物质和水溶性维生素，营养价值高，常被用于加工红豆沙、红豆羹、蜜渍红豆等食品，在食品领域有着广泛的应用[1-2]。红小豆种皮致密、组织坚硬、吸水困难，因此蒸煮工序成为红小豆食品加工的关键步骤，决定其生产效率的高低及产品的最终品质。

近年来，国内外研究学者对红小豆蒸煮过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变化等方面。Mikac[3]、Amanda[4]等研究了蒸煮过程中红小豆的水分分布，明确了红小豆通过珠孔吸水，逐步进入子叶组织发生水合，并且随温度升高吸水率显著增加。Balwinder等[5]研究发现在蒸煮过程中，红小豆中的酚类化合物含量随着水溶性物质的溶解而降低。易建勇[6]、姚鑫淼[7]等发现在蒸煮过程中，红小豆籽粒中的生物活性成分指标有明显的降低趋势，但在适当的加工时间（60 min）内仍保留很大程度的含量和活性。

关于红小豆内部组分及结构变化的研究较少。研究表明，蒸煮过程直接影响豆类淀粉的糊化和水解，从而影响豆类的蒸煮品质。乔筱童[8]研究发现低压蒸煮使绿豆具有一定的糊化度，在蒸煮过程中，绿豆主要组分含量发生了变化。Gong Bing等[9]研究发现湿热处理对红小豆淀粉的结构及理化性质影响显著（P＜0.05）。红小豆籽粒内部除淀粉外，还含有20%的蛋白质以及1%的脂肪，相对于纯淀粉环境，豆粒中淀粉的性质会受到其他成分的影响[10-12]。因此，在蛋白质和脂肪的存在下，研究红小豆淀粉的变化情况最能真实的反映红小豆蒸煮过程中体系内部的变化。本实验通过研究蒸煮过程中红小豆的糊化特性和结构特性的变化规律，明确蒸煮过程对红小豆的影响，以期为红小豆蒸煮过程机理研究提供依据，为优化和改进现有红小豆蒸煮工艺、提高红小豆制品生产效率提供借鉴与参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

红小豆，产地黑龙江，品种宝清红，采收日期为2016年10月。

溴化钾（分析纯） 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

2 000 W可调电炉 北京永光明仪器厂；TA.XT Plus质构仪 英国Stable Micro Systems公司；UV3300紫外-可见分光光度计 上海美谱达仪器有限公司；RVA-4500快速黏度分析仪（rapid visco analyzer，RVA） 瑞典波通仪器公司；S-4800扫描电子显微镜日立仪器（上海）有限公司；WQF-530傅里叶变换红外光谱仪 北京北分瑞利分析仪器（集团）有限公司；D8型X射线衍射仪 德国布鲁克公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

参照企业生产工艺，红小豆与蒸馏水按1∶5（m/m）称取，电炉（1 kW）煮沸，正式蒸煮时开始计时，分别取蒸煮0、15、30、45、60 min样品，取出后，除去表面水分备用。

1.3.2 基本组分测定

淀粉含量的测定参照GB 5009.9—2016《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》；脂肪含量的测定参照GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》；蛋白质含量的测定参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》。

1.3.3 糊化度测定

将蒸煮后的红小豆放入烘箱，50 ℃干燥6 h后，用粉碎机粉碎，过40 目筛，并参照熊易强[13]的方法进行糊化度的测定。

1.3.4 糊化特性测定

将干燥后的红小豆样品粉碎过80 目筛，采用RVA按照AACC 76-21标准方法进行测定。所需样品质量按照3.5 g，水分体积分数14%进行校准，加水量25 mL，搅拌均匀后直接用RVA标准模式进行测定，温度采用Std 1特定升温程序进行。

1.3.5 硬度测定

选取粒型大小相近，蒸煮状态相近的10 粒豆样，采用质构仪测定不同蒸煮时间的红小豆硬度，测定参数设定为P-25圆形探头，测试前、中、后速率分别为2.0、0.5、2.0 mm/s，触发力5.0 g，下压距离0.5 mm，硬度取10 次测定平均值。

1.3.6 扫描电子显微镜观察

红小豆内部形貌采用扫描电子显微镜观察[14]。选择干燥后的红小豆样品，切成1/4小粒，粘贴于双面胶上，横截面向上，喷金后将样品放入扫描电子显微镜样品室，在5 kV加速电压下，不同倍数进行观察。

1.3.7 红外光谱扫描

称取红小豆样品2 mg置于玛瑙研钵中，同时加入200 mg溴化钾，充分混合、研磨、压片后置于傅里叶变换红外光谱仪上检测[15]。扫描范围4 000～400 cm－1，分辨率为4 cm－1，测得样品的红外光谱图用Main FTOS Suite软件分析处理。

1.3.8 晶体特性测定

样品过100 目筛，经压片后，用X射线衍射仪进行扫描[16]。测定条件为管压40 kV，管流40 mA，测试步长0.02°/步，扫描速率0.2 s/步，扫描区间5°～90°，得到样品的X射线衍射图用MDI Jade6.5软件分析处理。

1.4 数据分析

数据采用Excel、PASW Statistics 18.0进行处理分析，采用ANOVA进行差异显著性分析，P＜0.05表示差异显著，使用Pearson相关系数进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 蒸煮过程中红小豆基本组分的变化

表1 蒸煮过程中红小豆基本组分的变化Table 1 Changes in basic components of adzuki beans during cooking

由表1可知，随着蒸煮时间的延长，红小豆淀粉、蛋白质含量显著降低（P＜0.05），其中淀粉含量降低了71.2%，脂肪含量略微升高，但不显著（P＞0.05）。红小豆蒸煮过程中受湿热、酶和氧化等作用影响，淀粉糊化，蛋白质、脂类降解，淀粉-脂复合物解体，导致淀粉、蛋白质含量大幅下降，脂肪含量略微升高[8]。45 min后，红小豆淀粉、蛋白质的含量变化也不显著（P＞0.05）。

2.2 蒸煮过程中红小豆糊化度和硬度的变化

图1 蒸煮过程中红小豆糊化度和硬度的变化Fig. 1 Changes in gelatinization degree and hardness of adzuki beans during cooking

如图1所示，随着蒸煮时间延长，红小豆糊化度显著升高（P＜0.05），硬度显著降低（P＜0.05）。蒸煮时间在15～30 min之间，糊化度升高速率变化较快，硬度降低也十分明显，变化曲线上升和下降的总体速率较大。随着蒸煮时间继续延长，红小豆糊化度和硬度变化趋缓，蒸煮45 min后，糊化度和硬度变化不显著（P＞0.05），这与绿豆蒸煮过程中糊化度、硬度的变化趋势一致[17]。蒸煮前期，水的沸腾对豆粒形成一定的冲击，使豆皮中的纤维软化或断裂，豆皮变软，水分从外部逐渐向内部迁移[4,7]。随着蒸煮继续，豆粒内部开始水合，淀粉颗粒吸水溶胀，糊化度上升，当糊化到一定程度，则趋于平衡[18]。同时，在蒸煮过程中，蛋白质含量的降低会使部分淀粉粒完全释放，使得糊化度增加[10]。蒸煮过程是一个水分与热量的传递过程，在热力的作用下，水分能够破坏红小豆内部淀粉的网络结构，降低硬度。

2.3 蒸煮过程中红小豆糊化特性的变化

图2 蒸煮过程中红小豆的糊化黏度曲线Fig. 2 RVA pasting profiles of adzuki beans during cooking

表2 蒸煮过程中红小豆糊化参数的变化Table 2 Changes in pasting parameters of adzuki bean starch during cooking

蒸煮对红小豆糊化特性的影响如图2、表2所示，随着蒸煮时间的延长，RVA曲线趋于平缓，峰值黏度、低谷黏度、衰减值、最终黏度以及回生值均逐渐降低。蒸煮45 min后，峰值黏度、低谷黏度随时间变化差异不显著（P＞0.05），最终黏度、回生值降低幅度也趋于平缓，这与绿豆蒸煮过程中糊化特性的变化趋势一致，也与湿热处理红小豆的变化趋势相似[19-20]。红小豆黏度的变化与其淀粉颗粒膨胀和破裂有关，蒸煮过程中红小豆内部淀粉不断吸水、膨胀，结晶结构遭到破坏，导致黏度下降[21-22]。衰减值的降低，说明在蒸煮过程中糊化淀粉不断增多，淀粉发生不可逆的变化，结构更加稳定[23]，淀粉糊化到一定程度趋于稳定（图1），因此最终黏度偏低，相应的回生值就低。

2.4 蒸煮过程中红小豆微观形态的变化

图3 蒸煮过程中红小豆扫描电子显微镜图Fig. 3 SEM photographs of adzuki beans during cooking

红小豆由种皮和子叶构成，不同蒸煮时间的红小豆子叶横截面的组织结构如图3所示，可以观察到蒸煮0 min的红小豆，其叶肉细胞呈多边形，排列成紧密的网络结构，各个细胞被细胞膜所包围，内含众多椭球形淀粉粒，这与百合片、大米等横截面的微观结构相似，都是淀粉颗粒被包裹在一层膜中[14,24]。随着蒸煮时间的延长，红小豆的微观形态结构也发生了不同变化：蒸煮15 min时，叶肉细胞的形貌未发生大的变化，这是因为红小豆种皮细胞壁致密，吸水困难，短时间蒸煮对红小豆子叶结构无显著影响；蒸煮30 min时，淀粉颗粒不断吸水膨润，此时叶肉细胞排列不再紧密，网络组织更加松散，细胞间隙变大，轮廓几乎消失，淀粉颗粒明显暴露出来，豆粒叶肉细胞结构明显变形。这与大米微波处理后的横截面结构变化相似，并被认为可能是淀粉颗粒内部无定型区域和结晶结构发生变化所致[24]。蒸煮45 min时，细胞膜包裹着的淀粉颗粒完全暴露出来，附着在淀粉颗粒表面的蛋白质、果胶等物质降解，呈现出较为光滑、规则的椭球形颗粒，这与姚鑫淼[7]的研究相似，他认为此时淀粉颗粒形成，几乎所有淀粉颗粒都经过糊化，达到煮熟状态。此外，张晓红等[24]也认为这是淀粉颗粒内部结构重新排列的结果。继续蒸煮至60 min，红小豆微观形貌变化不明显，但个别淀粉颗粒相互黏结，姚鑫淼[7]认为这会影响红小豆的口感。

2.5 蒸煮对红小豆晶体结构的影响

图4 蒸煮对红小豆样品的X射线衍射图谱的影响Fig. 4 Effect of cooking on X-ray diffraction pattern of adzuki beans

从图4可以看出，蒸煮0 min的红小豆样品在衍射角2θ在15°、17°、18°和23°左右有强烈的吸收峰，再结合晶面间距（d值）可以确定红小豆淀粉属于典型的A型晶体结构，这与Reddy等[25]的研究一致。从表3可以看出，随着蒸煮时间的延长，红小豆样品4 个特征峰的强度逐渐变小，尖峰宽度也逐渐变窄，说明结晶结构破坏程度逐渐加大，当蒸煮60 min时，2θ在23°处的衍射峰消失，晶体结构几乎消失，这与绿豆的晶体结构变化相似[8]。

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

图5 蒸煮过程中红小豆样品的结晶度Fig. 5 Crystallinity of adzuki beans during cooking

由图5可以看出，蒸煮0 min红小豆的结晶度为42.02%。随着蒸煮时间的延长，红小豆淀粉的结晶度显著降低（P＜0.05），说明红小豆内部颗粒遭到破坏，淀粉结晶区域破坏。在蒸煮15 min之前结晶度下降趋势较为缓慢，蒸煮15 min后结晶度大幅降低，说明此时淀粉开始糊化，而当蒸煮时间超过45 min时，结晶度变化不显著（P＞0.05），说明在蒸煮45 min时红小豆样品的糊化程度达到最大[26]，这与红小豆糊化度的变化趋势一致（图1）。这可能是因为短时间蒸煮红小豆淀粉吸收的水分少，热量小，对结晶区影响较弱，随着蒸煮时间的延长，淀粉中非晶体区链段的活动增加，导致致密的结晶区链段结构松散，稳定性下降；淀粉糊化开始后，淀粉结晶区中的微晶束发生熔融，颗粒形态破裂并伴随着直链淀粉溶出、双螺旋打开的过程，无定型胶体网络形成，结晶度大幅降低[26-27]。

2.6 蒸煮对红小豆官能团的影响

图6 蒸煮过程中红小豆样品的红外光谱Fig. 6 Infrared spectra of adzuki beans during cooking

如图6所示，蒸煮0 min时，红小豆在3 417、2 927、1 650、1 409、1 315 cm-1附近均具有较强吸收峰，它们分别是氢键缔合伸缩振动吸收峰、碳氢键反对称伸缩振动峰、C＝O伸缩振动峰以及—CH2的弯曲振动吸收峰；指纹区在1 047、1 018、928 cm-1附近的分别是结晶区、无定形态区的相关振动，在858、756、575 cm-1附近的都是—CH2的摇摆振动吸收特征峰，上述这些峰都属于原淀粉的特征吸收峰[15,26]。除了原淀粉的吸收峰以外，红小豆样品在3 280、1 540、1 238 cm-1处也有强峰，他们是蛋白质N—H键的伸缩振动峰、蛋白质的酰胺Ⅱ峰以及酰胺Ⅲ峰[28]。

随着蒸煮时间的延长，红小豆样品的吸收峰波数并没有出现明显的红移或蓝移，但部分吸收峰的图谱宽度出现窄化，吸收峰的强度改变。一般认为，红外光谱图中1 300～900 cm-1区域内的吸收峰为淀粉的构型敏感带，也是指纹区的一部分[29-30]。蒸煮过程中1 047 cm-1处的吸收峰逐渐减弱，说明淀粉的结晶区随时间延长被破坏；指纹区928、858 cm-1处的吸收峰消失，说明蒸煮过程中淀粉短程有序的结构遭到破坏，这是因为淀粉吸水膨胀后极易被水解，化学键发生改变，导致指纹区的图谱部分消失[16]。

2.7 相关性分析

表4 相关性分析Table 4 Correlation analysis

对红小豆基本组分、糊化度、硬度、糊化特性及结晶度进行相关性分析，结果见表4。红小豆蒸煮过程中淀粉含量与硬度、糊化特性参数以及结晶度均呈极显著正相关（P＜0.01），与糊化度呈极显著负相关（P＜0.01），糊化度与硬度、结晶度均呈极显著负相关（P＜0.01），蛋白质含量与糊化度、硬度、衰减值以及结晶度无显著相关性（P＞0.05），脂肪含量与其他指标均无显著相关性（P＞0.05）。蛋白质、脂肪含量的变化对红小豆的硬度影响不大，但蛋白质含量与部分糊化特性参数有一定相关性，这是因为蛋白质的水合作用会影响淀粉的吸水状况进而影响糊化性质[10]。结合上述研究可知，淀粉含量的变化在红小豆蒸煮过程中至关重要，随着蒸煮时间的延长，淀粉含量降低，糊化度升高，结构变化，红小豆变软。因此，在红小豆蒸煮过程中，可以通过淀粉含量来预测红小豆的糊化程度及结构状态，从而判断红小豆蒸煮品质的优劣。

3 结 论

随着蒸煮时间的延长，红小豆淀粉、蛋白质含量、糊化特性、硬度以及结晶度均呈现显著降低（P＜0.05）后又趋于平缓的趋势，糊化度变化趋势相反，脂肪含量变化不显著（P＞0.05）。蒸煮过程中红小豆叶肉细胞横截面的组织结构发生明显变化，细胞间隙变大，轮廓几乎消失，淀粉颗粒明显暴露出来，呈现较为光滑、规则的椭球形颗粒。红外光谱图表明蒸煮过程中，红小豆样品的吸收峰波数并没有出现明显的红移或蓝移，但部分吸收峰的图谱出现窄化，吸收峰的强度改变，其中表征淀粉构型敏感带的吸收峰强度减弱，指纹区的部分吸收峰减弱甚至消失。X射线衍射图谱中特征吸收峰强度及宽度也都逐渐变小。X射线衍射、红外光谱扫描两种方法都证明了蒸煮过程中淀粉结构的变化。

从相关性分析可知，红小豆淀粉含量与糊化度、糊化特性、硬度以及结晶度之间具有极显著的相关性（P＜0.01），这一研究结果将为实现通过淀粉含量对蒸煮过程中红小豆品质及糊化程度的预测提供参考，并为红小豆相关制品的高效工业化生产提供技术和理论依据。

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