国家重点研发计划|沈阳师范大学杨庆余教授、沈阳农业大学孙炳新副教授：超声辅助CaCl2浸泡对绿豆淀粉结构及绿豆功能特性的影响

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本文获国家重点研发计划、辽宁省揭榜挂帅科技攻关项目、国家现代农业产业技术体系辽宁省创新团队建设、2023 年度辽宁省教育厅基本科研项目重点攻关项目、区域特色食品发展与技术创新、辽宁(东戴河)带土移植转化中心科技项目、2024年辽宁省高等学校基本科研基金研究生研究专项。

摘要

    

为探究Ca²⁺对绿豆复合体系内淀粉结构和功能特性的影响，采用不同浸泡形式对绿豆进行浸泡，利用X射线衍射、扫描电镜、红外光谱等对绿豆的结构进行分析，利用水合特性、热特性、糊化特性等明确绿豆淀粉功能性质的变化规律，根据DPPH自由基清除能力、ABTS⁺自由基清除能力对绿豆抗氧化性进行表征，并分析淀粉的体外消化特性。结果表明，与超声处理、CaCl₂浸泡相比，超声辅助CaCl₂浸泡对绿豆淀粉结构及绿豆功能特性影响效果最显著，绿豆淀粉相对结晶度降低7.87%，绿豆淀粉颗粒间形成不规则块状和团状的聚集体，淀粉有序度降低0.12，双螺旋度降低0.15；吸水性指数升高2.73，膨胀力升高1.94，起始糊化温度升高26.86 ℃，焓值降低1.05 J/g；ABTS⁺自由基清除能力提高12.18%，DPPH自由基清除能力提高14.2%，绿豆淀粉水解率下降10.02%。本研究为开发低GI、高抗氧化性的绿豆食品奠定理论基础。

作为最古老且有效的食品保鲜技术，低温贮藏在维持肌肉食品、水果和蔬菜的安全及质量方面发挥着关键作用，根据贮藏环境温度的不同，现代工业中通常以冷藏（0~4 ℃）和冷冻（低于−18 ℃）两种方式来提高产品的品质稳定性。近年来，与传统肉制品相比，调理牛排因其食用方便、营养均衡等优势，越来越受到消费者的青睐。调理牛排产品通常采用冷藏或者冷冻方式进行贮运销售。传统的冷藏技术货架期较短，难以进行长线的冷链运输；此外，尽管冷冻技术可以大幅度延长货架期，但是贮藏过程中冰晶的生长/再结晶会对肌肉组织造成剧烈的机械损伤，解冻后过多的汁液损失会直接损害行业的经济效益和消费者的健康需求。因此，有必要开发新型的低温保存技术以维持食品原有的品质。

绿豆又名植豆，在我国有悠久的种植历史，可药食兼用，具有“清热解毒、利尿消暑”、降血脂、抗菌抑菌等功效。绿豆主要成分包括淀粉、蛋白质、脂肪、膳食纤维、矿物质、维生素和大量生物活性化合物，是一种高蛋白、中淀粉、低脂肪的作物。绿豆含有丰富的必需氨基酸，其中赖氨酸、苏氨酸和亮氨酸含量较高，可与谷物蛋白的必需氨基酸组成形成互补。绿豆中膳食纤维含量约为 12.6%，高膳食纤维能促进肠道蠕动和消化道健康。同时，绿豆中含有大量多酚、黄酮等生物活性成分，具有很好的抗氧化性能。绿豆淀粉占绿豆营养成分 50% 以上，其中抗性淀粉含量达到 20%~30%，具有稳定血糖的功能，然而，天然绿豆淀粉存在溶解度低、热稳定性差及易回生等问题，严重制约其食品加工适用性。为提升功能特性及扩大食品工业应用范围，对绿豆淀粉进行改性处理尤为必要。

目前主要改性方法包括化学改性、物理改性（超声、湿热等）、酶法改性、复合改性（与胶体、多酚、多糖或金属盐等形成复合物）等。超声处理作为一种绿色、安全、高效的物理技术，广泛应用于食品工业。超声效应主要包括热效应、机械效应及空化效应，可加速离子在溶液中的运动速度。CaCl₂ 是一种低毒、化学稳定性高的无机氯盐，与直链淀粉和支链淀粉化学反应活性高，可以促进淀粉、纤维素和聚乙烯醇等多羟基聚合物的相容性。Ca²⁺与淀粉上的羟基（O-H）结合形成钙-淀粉螯合物，可以提高抗性淀粉含量，起到稳定血糖的功效。Liu 等研究超声波辅助低钠盐腌制牛肉，发现超声处理加速水和 Na+的扩散，大大加快腌制液的渗透速度。胡秀发等研究超声辅助 NaCl 浸泡黑豆，发现黑豆硬度、糊化度和消化特性与 NaCl 浓度密切相关。Yang 等发现钙离子处理可通过提高黑豆活性物质的稳定性来增强黑豆的抗氧化和降血糖活性。本团队前期研究发现，Ca²⁺与淀粉 O-H 的螯合作用有利于淀粉-脂质/蛋白质-钙三元复合物形成，促进抗性淀粉含量增加。但是，Ca²⁺对绿豆淀粉结构和功能因子的功能特性研究鲜有报道，因此，本研究基于超声辅助 CaCl₂ 浸泡绿豆，分析绿豆淀粉结构及绿豆功能特性的变化规律，阐明Ca²⁺对绿豆功能特性的影响机制。

本文探究不同浸泡方式对绿豆淀粉结构及绿豆功能特性影响。采用 X 射线衍射、扫描电镜、红外光谱等对绿豆结构进行表征，通过水合特性、热特性、糊化特性等明确绿豆性质的变化规律，利用DPPH 自由基清除能力、ABTS⁺自由基清除能力对绿豆抗氧化性进行表征，分析绿豆淀粉体外消化特性，阐明 Ca²⁺对绿豆淀粉结构和功能特性的影响机制，为开发高品质绿豆基食品提供理论基础。

结果与分析

2.1   超声辅助浸泡对绿豆结晶结构的影响

图 1 为不同处理方式对绿豆结晶特性的影响。由图 1 可知，绿豆原淀粉的结晶度为 13.25%，CaCl₂ 浸泡、超声处理、超声辅助 CaCl₂ 浸泡的结晶度分别为 7.81%、6.84%、5.38%。三种处理方式后的绿豆淀粉结晶度均呈现降低的趋势，超声辅助CaCl₂ 处理使淀粉结晶度降低显著（P<0.05）。可能是因为超声引起的空化作用，导致淀粉解旋，单螺旋解聚，淀粉有序结构受到破坏，淀粉相对结晶度下降。Yang等研究发现，超声处理糯玉米淀粉导致糯玉米淀粉结晶度降低。Ca²⁺与直链淀粉上的 O-H 相互作用，阻碍直链淀粉的重排，从而阻碍其结晶。该结果与樊艳叶的研究结果一致。超声波促进了Ca²⁺对绿豆淀粉颗粒结晶区的破坏。因此，超声辅助Ca²⁺浸泡对绿豆淀粉结构影响显著。

图 2 为不同处理方式对绿豆红外光谱的影响。在 3000~3600 cm⁻¹ 区域的光谱带归属于 O-H 的伸缩振动，1700~1750 cm⁻¹区域的谱带归属于 C=O的伸缩振动，800~1000 cm⁻¹归属于 C-O 和 CH₂ 的伸缩振动。由图 2 可知，经过处理后的绿豆，3282 cm⁻¹处的吸收峰减小，这对应 O-H 吸收峰，说明淀粉分子中 O-H 吸收强度减弱，可能是Ca²⁺与淀粉 O-H 之间形成螯合结构，导致 O-H 吸收强度减弱；在 1743 cm⁻¹处的吸收峰增强，这对应 C=O 吸收峰，说明 C=O 吸收强度增强，可能是 Ca²⁺与绿豆蛋白质中的羧基结合，形成羧酸钙，这种结合会导致蛋白质构象变化，使 C=O 吸收峰强度增大。Wu 等研究发现，酸性条件有利于羧基与钙螯合，可能是羧基在去质子化后形成与 Ca²⁺有效配位的羧酸盐阴离子，与Ca²⁺形成稳定的螯合物；而超声辅助 CaCl₂ 浸泡有助于Ca²⁺与淀粉 O-H 和蛋白质羧基之间形成稳定螯合物。

表 1 为不同处理方式对绿豆短程有序结构的影响。淀粉的有序性和无定型区与淀粉在 1047 cm⁻¹和 1022 cm⁻¹ 处的特征峰有所关联，利用峰高比1047/1022 cm⁻¹和 995/1022 cm⁻¹的变化作为淀粉有序度（DO）和双螺旋度（DD）变化的指标。由表 1可知，与对照组相比，通过超声辅助 CaCl₂ 浸泡的绿豆，1047/1022 cm⁻¹比值由 1.17 降低到 1.05，995/1022 cm⁻¹比值由 1.41 降低到 1.26，绿豆淀粉的短程有序性下降。可能是超声处理过程中产生的空化效应、机械效应和剪切效应等多种作用方式共同作用于淀粉，破坏淀粉分子链间和分子内的氢键，导致淀粉螺旋或原有的有序排列被破坏，从而降低淀粉短程有序性。 Ca²⁺与淀粉的羟基氧之间的阳离子吸引力可能降低 O-H 和醚氧之间形成的强氢键的比例，从而降低了淀粉的有序度和双螺旋度。Huang 等研究发现，超声改性玉米淀粉导致玉米淀粉的短程有序度降低。

图 3 为不同处理方式对绿豆微观结构的影响。由图 3 可知，未经处理的绿豆，其淀粉颗粒形状完整，大部分呈现椭圆形，表面光滑。超声处理的绿豆颗粒表面粗糙，其表面出现裂纹，颗粒皱缩，颗粒碎片增加。经过 CaCl₂  浸泡的绿豆仍能观察到完整的颗粒结构，颗粒出现相互聚集的现象，形成不规则的块状和团状的聚集体，经超声和 CaCl₂ 共处理的绿豆，团聚现象更显著。可能是 Ca²⁺与淀粉分子中的氧原子形成配位键，促进淀粉与Ca²⁺之间交联生成螯合物，导致团聚现象产生，引起颗粒变大。这与红外光谱的研究结果一致。

图 4 为不同处理方式对绿豆水合特性的影响。由图 4 可知，通过超声处理、 CaCl₂浸泡和超声辅助CaCl₂浸泡的绿豆，WAI 分别升高 0.39、2.37、2.73；SP 分别升高 0.43、1.48、1.94；其中，CaCl₂浸泡组水合特性高于超声处理组，超声辅助 CaCl2 浸泡组与CaCl2 浸泡组吸水性指数没有显著性差异。可能是超声破坏淀粉颗粒的结晶结构，无定形区比例增加，从而提高绿豆的水合能力。Ca²⁺具有较高的电荷密度，能够与水分子发生静电相互作用，从而减少体系中的游离水含量。同时，Ca²⁺还能与淀粉分子中的脱水葡萄糖环上的氧原子形成强相互作用，促使淀粉分子间的氢键解离，增强淀粉分子的吸水能力。CaCl₂浸泡组通过化学键重构淀粉网络与水分子捕获效应，在分子尺度实现“吸水-锁水”双重优化；超声处理依赖物理结构破坏，提升吸水速率，缺乏化学稳定机制，导致保水性不足，因此，CaCl₂浸泡组处理效果优于超声组；当 CaCl₂的化学吸水机制已接近饱和状态时，与CaCl₂浸泡组相比，超声辅助CaCl₂浸泡组吸水性指数没有显著差异。

表 2 为不同处理方式对绿豆热力学性质的影响。由表 2 可知，与对照组相比，超声处理的绿豆起始糊化温度和焓值显著降低（P<0.05），通过 CaCl₂  和超声辅助 CaCl₂ 浸泡的绿豆，起始糊化温度分别上升 25.66、26.86 ℃；焓值分别下降 0.67、1.05 J/g。可能是超声波处理后，淀粉颗粒破损，表面出现裂纹，水分子容易渗入淀粉颗粒内部，导致起始糊化温度降低；焓值降低可能是超声破坏淀粉分子间氢键，晶体结构强度减弱，双螺旋堆积密度变松散，因此破坏结晶结构所需要的能量降低。Ca²⁺具有较强的水合能力，当其与淀粉共存时，会与淀粉颗粒竞争体系中的自由水分子，降低淀粉颗粒对水分的可利用性，淀粉分子链的展开和糊化需要克服更大的能垒，淀粉糊化需要更多的能量，起始糊化温度升高；Ca²⁺与 OH 配位，氢键数量减少，双螺旋结构被破坏，焓值降低。研究结果与淀粉结构研究结果一致。超声处理导致绿豆结构改变使得Ca²⁺更容易渗透到淀粉基质中，增强Ca²⁺与淀粉中 O-H 的螯合能力。因此， CaCl₂ 浸泡提高了绿豆的热稳定性，超声与Ca²⁺联合具有协同增效的作用。

表 3 为不同处理方式对绿豆糊化特性的影响。由表 3 可知，与对照组相比，通过超声处理、 CaCl₂ 浸泡以及超声辅助 CaCl₂ 浸泡的绿豆，峰值粘度分别上升 196.66、601.66、673 cP；终值粘度分别上升 638、35、 161 cP；超声处理使得淀粉的回生值上升394.33 cP，通过 CaCl₂ 浸泡以及超声辅助  CaCl₂ 浸泡绿豆，回生值分别降低 119.67、62.34 cP，且超声处理组的谷值粘度和终值粘度均高于其他组。可能是超声作用使淀粉颗粒的溶胀力增大，导致淀粉颗粒体积分数增大，颗粒间的摩擦力增大，从而提高绿豆淀粉的峰值粘度和终值粘度，而支链淀粉的部分降解和静电排斥力的降低可能导致更高的回生值；超声辅助 CaCl₂ 浸泡导致粘度增加可能是：一方面，淀粉上Ca²⁺和 O-H 之间形成配位键，抑制了淀粉颗粒在加热过程中的爆裂。另一方面，Ca²⁺会增强淀粉颗粒的吸水和溶胀，因此峰值粘度和终值粘度上升。回生值下降可能是因为Ca²⁺与淀粉相互交联作用，使得直链淀粉不易发生重结晶。超声处理通过深度溶胀和预糊化层保护，显著提高淀粉颗粒体积分数和结构稳定性，从而在高温剪切阶段（谷值）和冷却阶段（终值）维持更高粘度；而 CaCl₂ 处理增强溶胀，但抑制崩解和高温结构失稳限制了粘度提升，因此，超声处理组谷值粘度和终值粘度优于其他组。Wang等研究发现，与常规碱萃相比，超声辅助碱萃取的豌豆淀粉具有更高的粘度。Bin 等对不同甲氧基果胶浓度下的小麦粉进行研究，果胶分子的 COO−和Ca²⁺离子之间充分形成交联导致体系的粘度增加，而Ca²⁺含量不足会导致体系粘度降低。

图 5 为不同处理方式对绿豆淀粉水解率的影响。由图 5 可知，经过 180 min 体外消化，清水浸泡的绿豆淀粉水解率为 59.94%，超声处理的绿豆淀粉水解率上升到 60.13%， CaCl₂ 浸泡和超声辅助 CaCl₂ 浸泡的绿豆淀粉水解率分别下降到 55.51%、49.92%。可能是超声处理过程中产生的强大剪切力会破坏颗粒结晶度，解聚淀粉链，淀粉颗粒表面空隙增大，增加淀粉与淀粉酶的接触概率，淀粉水解率增加。超声处理的绿豆淀粉经过 30 min 体外消化后，其淀粉水解率明显增加。可能是超声处理促进淀粉与淀粉酶之间的充分接触，显著提高淀粉水解效率。Ca²⁺与果胶中的羧基形成交联，可有效维持细胞结构完整性，提高细胞壁的屏障功能，阻止淀粉消化酶进入细胞，从而抑制淀粉的消化。超声处理下，绿豆淀粉与 CaCl₂ 的充分作用，显著提高Ca²⁺对绿豆淀粉的作用，超声辅助 CaCl₂ 浸泡对抑制绿豆淀粉水解具有协同增效的作用。

表 4 为不同处理方式对绿豆抗氧化性的影响。由表 4 可知，通过超声处理、 CaCl₂ 浸泡和超声辅助 CaCl₂ 浸泡的绿豆，ABTS+自由基清除率分别升高4.99%、4.28%、12.18%；DPPH 自由基清除率分别升高 8.99%、5.07%、14.2%。可能是超声波的机械效应可增强苯丙氨酸解氨酶（PAL）和酪氨酸解氨酶（TAL）的活性，PAL 和 TAL 是多酚合成途径中的关键酶，有效增加绿豆体系中多酚含量。同时，超声波的空化和机械效应增强了细胞膜的通透性，促进了离子和代谢物的扩散和跨膜转运；Ca²⁺与酚羟基的氧原子形成配位键，Ca-O 配位键的形成降低了 O-H间的电子云密度，提高了酚羟基的供氢能力，Ca²⁺与细胞壁上的羧基之间形成了交联桥，降低了多酚的甲氧基化程度，防止了细胞中多酚羟基的取代，因此，超声辅助 CaCl₂ 浸泡有利于多酚在绿豆体系内的富集，有效提高多酚的稳定性和抗氧化性，超声辅助 CaCl₂ 浸泡对提高绿豆的抗氧化性具有显著作用。

结论

本文探究了超声处理、 CaCl₂ 浸泡以及超声辅助 CaCl₂浸泡处理对绿豆淀粉结构和绿豆功能的影响。与对照组相比，三种处理方式均降低绿豆相对结晶度、淀粉颗粒内部结构向无序状态转变；O-H 吸收峰减小，C=O 吸收峰增大；其中，超声处理的绿豆颗粒表面粗糙，颗粒碎片增加，CaCl₂浸泡的绿豆颗粒出现相互聚集现象，且超声辅助CaCl₂处理团聚现象更显著。此外，三种处理方式均提高了绿豆的水合特性和粘度，降低了焓值，超声辅助CaCl₂浸泡显著提高绿豆的热稳定性；超声处理导致绿豆淀粉水解率上升，CaCl₂浸泡以及超声辅助CaCl₂浸泡处理导致绿豆淀粉水解率下降；在抗氧化性方面，三种处理方式均能有效提高绿豆的抗氧化性。实验结果表明，超声辅助CaCl₂浸泡对改善绿豆淀粉结构和绿豆功能特性有协同增效作用，本研究可为绿豆低升糖、高抗氧化性食品的开发提供理论基础。

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