蛋白含量對早秈米粉的微觀結(jié)構(gòu)和功能特性的影響

徐晶冰,王　韌,于秋生,馮　偉,王　莉,羅小虎,李亞男,張名位,陳正行,*

(1.江南大學(xué)食品學(xué)院糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,江蘇無錫 214122;2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,廣東廣州 510610)

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蛋白含量對早秈米粉的微觀結(jié)構(gòu)和功能特性的影響

徐晶冰1,王韌1,于秋生1,馮偉1,王莉1,羅小虎1,李亞男1,張名位2,陳正行1,*

(1.江南大學(xué)食品學(xué)院糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,江蘇無錫 214122;2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,廣東廣州 510610)

本文采用數(shù)學(xué)方程擬合的方法制備出了不同蛋白含量的早秈米粉,并研究蛋白含量對秈米粉的糊化、長期回生性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)和凝膠強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明:蛋白含量越低,秈米粉表面越光滑,糊化后的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合也越緊密。隨著蛋白含量減少,早秈米粉長期回生后的熱焓值逐漸降低,表明蛋白含量減少可延緩回生。秈米粉的凝膠強(qiáng)度也發(fā)生改變,回復(fù)力、咀嚼性和硬度都增大,而膠粘性減小。并且,不同蛋白含量秈米粉樣品的X-射線衍射圖均顯示為A型結(jié)晶,在15.17°有一個(gè)峰,在17.17°和18.14°處為一個(gè)雙峰,在23.32°處又有一個(gè)單峰;結(jié)晶度也相差不大,分別為24.26%、21.79%、19.91%、21.45%、18.73%和21.74%,可見,蛋白含量對該秈米粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)影響不顯著(p>0.05)。從以上結(jié)果分析可推測,蛋白含量和秈米粉原料的相關(guān)性能性質(zhì)確實(shí)存在密切的聯(lián)系。

秈米,蛋白,微觀結(jié)構(gòu),凝膠強(qiáng)度,結(jié)晶結(jié)構(gòu)

水稻作為我國的重要糧食作物[1],品種繁多,品質(zhì)差異也較大。其中的秈稻廣泛地種植于我國南方。隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展,我國的糧食消費(fèi)格局正在發(fā)生變化,早秈米被直接做口糧食用的比重大大降低,逐漸被制作成傳統(tǒng)米制品如米線、米粉、米糕等,因此研究原料秈米粉的相關(guān)功能性質(zhì)對秈稻的加工增值意義重大。

由于品種、生長環(huán)境、收獲時(shí)間、生產(chǎn)工藝等外部條件的不同,所生產(chǎn)出秈米粉的相關(guān)品質(zhì)和功能特性均會存在差異[2-5],但除去外部條件的影響,蛋白質(zhì)作為秈米粉的第二大組成成分,雖占比不高,但能包裹在淀粉外形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6],對秈米粉的相關(guān)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)也存在顯著影響[7]。目前,國外已有一些研究蛋白與秈米或秈米粉相互作用的報(bào)道,Likitwattanasade等人[8]研究發(fā)現(xiàn),蛋白組分會影響米飯的微觀結(jié)構(gòu),Renzetti等[9]用酶法將蛋白水解來增加米粉中淀粉組分的連續(xù)性,但關(guān)于蛋白含量對秈米粉相關(guān)性質(zhì)的具體影響很少涉及。本文以早秈米為研究對象,利用蛋白酶去除秈米中部分蛋白,并采用數(shù)學(xué)模型擬合酶反應(yīng)進(jìn)程的方法制備出不同蛋白含量的秈米粉,分析并研究了不同蛋白含量秈米粉的微觀結(jié)構(gòu)、凝膠強(qiáng)度和結(jié)晶結(jié)構(gòu),旨在為秈米粉的優(yōu)質(zhì)加工提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

早秈米(K優(yōu)66品種)江西華達(dá)昌食品有限公司;酸性蛋白酶(活力:50000 U/g,密度1.23 g/mL)無錫雪梅酶制劑公司;濃硫酸、乳酸國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

LXJ-IIB低速大容量多管離心機(jī)上海安亭科學(xué)儀器廠;HYP-314消化爐上海纖檢儀器有限公司;pH計(jì)瑞士梅特勒-托利多集團(tuán);PL2002電子天平瑞士梅特勒-托利多集團(tuán);HR2168攪拌機(jī)飛利浦家庭電器有限公司;GZX-9246 MBE數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱上海博訊醫(yī)療設(shè)備廠;TJM-L50膠體磨溫州市龍灣華威機(jī)械廠;MP-501A超級恒溫循環(huán)槽上海一恒科學(xué)儀器有限公司;Q2000型差示掃描量熱儀美國TA公司;Quanta-200型掃描電子顯微鏡荷蘭FEI公司;X-射線衍射儀(D8型)德國布魯克AXS有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1不同蛋白含量秈米粉的制備方法秈米浸泡1 h后濕法粉碎,過膠體磨,調(diào)漿濃度為20%,用乳酸調(diào)至特定pH后加入酸性蛋白酶,置于酶反應(yīng)器中在特定溫度下反應(yīng),反應(yīng)結(jié)束后水洗離心3次,除去上層蛋白,干燥、粉碎、過100目篩后制得秈米粉。

運(yùn)用最適反應(yīng)溫度和pH分別為50 ℃和4.5的酸性蛋白酶(無錫雪梅),參照周建新等人[10]的方法,采用數(shù)學(xué)模型擬合酶反應(yīng)進(jìn)程制備出不同蛋白含量(0.5%、1.0%、3.0%和5.0%)的秈米粉。蛋白含量為6.0%的秈米粉可以采用濕磨粉碎后過膠體磨,直接離心水洗的方法制得。

1.2.2蛋白含量的測定蛋白含量采用凱氏定氮法進(jìn)行測定(GB/T5009.5-2003,換算系數(shù)5.95)。

1.2.3不同蛋白含量秈米粉凝膠的制備取秈米粉,加蒸餾水配制成20%(干基)的懸浮液,將懸浮液于80 ℃水浴中攪拌加熱糊化20 min,然后用玻璃棒攪拌轉(zhuǎn)入培養(yǎng)皿中,放入蒸籠中蒸制15 min,取出冷卻至室溫,切成統(tǒng)一的圓柱形大小,在4 ℃下靜置1 d。

1.2.4掃描電鏡觀察秈米粉顆粒和凝膠將按照1.2.3方法制得的秈米粉凝膠進(jìn)行冷凍干燥,參照劉穎華[11]的方法,采用Quanta-200掃描電子顯微鏡觀察不同蛋白含量秈米粉和秈米粉凝膠的表面形態(tài)。將樣品固定在直徑為1 cm的樣品臺上,然后用離子濺射儀噴金,分別于2400和80倍的放大倍數(shù)下進(jìn)行觀察。

1.2.5結(jié)晶度的測定室溫下,采用德國布魯克AXS公司的D8 Advance型X射線衍射儀對樣品進(jìn)行檢測。銅靶CuKα(λ=0.15406 nm),功率1600 W(40 kV×40 mA),NaI晶體閃爍計(jì)數(shù)器測量X射線強(qiáng)度,取適量樣品粉末置于圓形孔槽中(直徑約3 cm),保持樣品表面平滑,測試條件為:管壓3 kV,管流20 mA,掃描速度4°/min,掃描區(qū)域?yàn)?°～40°,采樣步寬0.02°,掃描方式為連續(xù),得到的結(jié)果用張本山[12],Hernan[13]等人的研究方法,通過MDI Jade軟件計(jì)算出樣品的結(jié)晶度。

1.2.6熱力學(xué)和長期回生特性的測定精確稱取2.0 mg的樣品于鋁制耐高壓坩堝中,加5.0 μL蒸餾水,密封壓蓋后于室溫下隔夜放置平衡;采用差示掃描量熱儀測定不同蛋白含量秈米粉的糊化熱特性,測試程序如下:以10 ℃/min的速度升溫,溫度掃描范圍為25～95 ℃,再以10 ℃/min的速度降至室溫;糊化后的樣品在4 ℃下貯藏14 d后按照相同程序再次掃描進(jìn)行回生特性的測定,測定程序與糊化熱特性的測定測序相同。

1.2.7不同蛋白含量早秈米粉的凝膠強(qiáng)度的測定按1.2.3的方法制得秈米粉凝膠樣品,用物性分析儀選擇TPA模式,測試參數(shù)設(shè)定如下:選用平底圓柱形探頭P/36R;測試前速度5 mm/s;測試速度2 mm/s;測試后速度5 mm/s;應(yīng)變位移30%;觸及壓力5.0 g。

1.2.8數(shù)據(jù)處理方法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差并采用Duncan檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性分析(p<0.05)。采用Origin 8.5對數(shù)據(jù)作圖,各實(shí)驗(yàn)均重復(fù)三次。

2　結(jié)果與討論

2.1不同蛋白含量秈米粉的制備

通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),酶活條件對酶反應(yīng)進(jìn)程的影響十分顯著,在反應(yīng)初始階段(0～0.5 h),蛋白含量急劇降低,不利于反應(yīng)的精確控制,因此本文不研究此階段的反應(yīng)進(jìn)程。如圖1所示,同一加酶量條件下,隨著反應(yīng)時(shí)間的延長,蛋白含量的降低速度逐漸放緩。利用Origin8.5軟件中的多項(xiàng)式模型對不同酶活條件下的反應(yīng)進(jìn)程進(jìn)行非線性擬合得到回歸方程(見圖1),校正R2介于0.973～0.993之間,表明這些回歸方程能很好地模擬各自酶活條件下的反應(yīng)進(jìn)程。

制備不同蛋白含量(0.5%～6.0%)的秈米粉可通過不同酶活條件下的反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。

表1　制備不同蛋白含量秈米粉的理論反應(yīng)條件與實(shí)際蛋白含量

圖1　不同加酶量下反應(yīng)進(jìn)程的數(shù)學(xué)擬合Fig.1　Mathematical simulation of the process of enzymatic reaction under different amounts of enzyme dosage

根據(jù)圖1中回歸方程,分別計(jì)算出制備不同蛋白含量(5.0%、3.0%、1.0%和0.5%)秈米粉所需的理論反應(yīng)時(shí)間,再按照理論反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行酶反應(yīng)制備出秈米粉,并測定出其實(shí)際蛋白含量,結(jié)果列于表1中。如表1所示,實(shí)測的蛋白含量與目標(biāo)值較為接近,進(jìn)一步證實(shí)了上述回歸方程對酶反應(yīng)進(jìn)程擬合的準(zhǔn)確性。

2.2蛋白含量對秈米粉顆粒和凝膠微觀形態(tài)的影響

圖2　不同蛋白含量秈米粉顆粒的掃描電鏡圖Fig.2　Scanning electron micrograph of indica rice flour with different protein contents

由圖2可知,蛋白含量越低,在相同放大倍數(shù)下,秈米粉顆粒表面越光滑。這是由于大米淀粉是以復(fù)粒形式緊緊包含在蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中,兩者之間結(jié)合得非常緊密,當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)被部分去除后,剩余淀粉的表面就會變光滑。圖3是秈米粉凝膠的微觀結(jié)構(gòu),從圖中可以看出,各種蛋白含量的秈米粉凝膠均呈現(xiàn)出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。圖3a是蛋白含量為7.64%的秈米粉樣品的凝膠微觀結(jié)構(gòu)圖,淀粉分子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較粗糙松散,但隨著秈米粉樣品蛋白含量減小,糊化后的淀粉分子結(jié)合更加緊密,淀粉分子在水分子間的分布也更加均勻,對比圖3b～圖3f可知,相同放大倍數(shù)下,形成的凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也越明顯。由Jeng-June等人[14]的研究結(jié)果可知,糊化時(shí),淀粉滲出后吸附在蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的孔洞中,最終形成凝膠,這也解釋了本研究中蛋白含量減少后凝膠微觀結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化的現(xiàn)象。

圖3　不同蛋白含量秈米粉凝膠的掃描電鏡圖Fig.3　Scanning electron micrograph of indica rice gel with different protein contents

2.3蛋白含量對秈米粉結(jié)晶度的影響

圖4和表2為不同蛋白含量秈米粉樣品的X-射線衍射圖譜及其相應(yīng)的結(jié)晶參數(shù)。不同蛋白含量秈米粉的X-射線衍射圖譜均顯示為典型的A型峰,基本都在2θ接近15.17°、17.17°、18.14°和23.32°處時(shí)能觀察到強(qiáng)峰。并且結(jié)晶度也相差不大,如表2所示,分別為24.26%,21.79%,19.91%,21.45%,18.73%和21.74%。因此,蛋白含量對該秈米粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)無顯著影響(p>0.05)。而King等人[15]的研究發(fā)現(xiàn),氨基酸卻會對大米淀粉的結(jié)晶性質(zhì)造成影響。因此,本研究中結(jié)晶度變化不大可能是因?yàn)楸蝗コ牡鞍踪|(zhì)是大分子蛋白,還未被降解到氨基酸小分子。

表3　不同蛋白含量秈米粉的糊化溫度和熱焓值

表4　不同蛋白含量秈米粉在4 ℃長期回生后的糊化溫度和回生焓值

圖4　不同蛋白含量秈米粉的X-射線衍射圖譜Fig.4　X-ray diffraction of indica rice flour with different protein contents注：a：7.64%、b：6.0%、c：5.0%、d：3.0%、e：1.0%、f：0.5%。

樣品號蛋白含量(%)結(jié)晶度(%)17.64±0.213524.26±0.64a25.98±0.056621.79±0.37b35.02±0.020519.91±0.92b42.94±0.023221.45±0.21b51.00±0.012018.73±0.43c60.56±0.001921.74±0.62b

注:同列上標(biāo)不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05),表3～表5同。

2.4蛋白含量對秈米粉熱特性和長期回生特性的影響

表3是通過DSC測量得到的淀粉糊化過程中結(jié)晶區(qū)損失所引起的熱焓變化,糊化過程中,結(jié)晶區(qū)破壞比顆粒膨脹發(fā)生的時(shí)間更早。并且支鏈淀粉側(cè)鏈的雙螺旋束狀結(jié)構(gòu)是淀粉結(jié)晶區(qū)的主要組成部分[16],溫度升高,淀粉從蛋白網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部逐漸滲出,剛開始受到破壞的是支鏈淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu),溫度進(jìn)一步升高后,淀粉逐漸吸附在蛋白網(wǎng)絡(luò)的孔洞中,最終無任何完整的淀粉顆粒,即完成糊化過程。

糊化后的秈米粉在低溫下長期貯藏時(shí),由于溫度的降低,分子運(yùn)動減慢,淀粉分子結(jié)構(gòu)重新排列,分子鏈之間以氫鍵形式相互作用,形成有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu),即淀粉發(fā)生長期回生。淀粉的回生可以采用DSC進(jìn)行表征,回生后的淀粉在DSC圖譜中表現(xiàn)為向上的吸熱曲線,吸熱峰的大小與淀粉回生程度呈正相關(guān),可以通過晶體融化所需要的熱焓ΔH表示[17]。不同蛋白含量秈米粉的長期回生特性見表4。由表4可知,隨著蛋白含量的減少,早秈米粉回生的熱焓值逐漸降低,表明蛋白含量降低可延緩長期回生[18]。這是由于糊化后的淀粉大分子在蛋白網(wǎng)絡(luò)的包圍下,分子鏈之間更易相互接觸進(jìn)而發(fā)生有序排列;而當(dāng)?shù)鞍兹コ?沒有了外部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),無序排列的淀粉大分子就不易再回歸有序,因此長期回生延緩。

2.5蛋白含量對秈米粉凝膠強(qiáng)度的影響

由表5可知,蛋白含量減小,淀粉含量增加,回復(fù)性、咀嚼性、硬度增加,膠粘性減小。可見,蛋白含量與咀嚼性、回復(fù)力、硬度呈負(fù)相關(guān),而與膠粘性呈正相關(guān)。其中咀嚼性定義為硬度、彈性和膠粘性的乘積,表示咀嚼食品需要的能量。蛋白質(zhì)在大米粉體系中能夠與部分直鏈淀粉相互纏繞形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),蛋白含量減少[19],更多的直鏈淀粉能夠相互重新聚集排列,分子間的纏繞程度增強(qiáng),使秈米粉內(nèi)部聯(lián)結(jié)更緊密,因此,硬度更大、咀嚼性與回復(fù)性也越大。前人有研究表明[7],高溫下淀粉會發(fā)生互相分離,單純由直鏈和支鏈淀粉形成的連續(xù)性組分粘度很小,這與本文得出的結(jié)論一致。并且,將不同蛋白含量秈米粉凝膠的微觀結(jié)構(gòu),與相同條件的凝膠強(qiáng)度對應(yīng),也可以發(fā)現(xiàn)兩者具有密切的關(guān)系[20]。

表5　蛋白含量對大米粉凝膠強(qiáng)度特性的影響

3　結(jié)論

本研究采用數(shù)學(xué)模型擬合酶反應(yīng)進(jìn)程制備出不同蛋白含量的秈米粉,并且實(shí)驗(yàn)表明蛋白含量會影響秈米粉的微觀結(jié)構(gòu)和凝膠強(qiáng)度,但對結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響不顯著。蛋白含量越小,秈米粉表面越光滑,糊化后的凝膠體系聚合越緊密。同時(shí),蛋白含量降低可延緩長期回生。秈米粉的秈米粉的凝膠強(qiáng)度也發(fā)生改變,隨著蛋白含量減小,回復(fù)力、咀嚼性和硬度都增大,而膠粘性減小。

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Effect of protein content on the microstructure and functional properties of indica rice flour

XU Jing-bing1,WANG Ren1,YU Qiu-sheng1,FENG Wei1,WANG Li1,LUO Xiao-hu1, LI Ya-nan1,ZHANG Ming-wei2,CHEN Zheng-xing1,*

(1.National Engineering Laboratory of Cereal Fermentation Technology,Food College,Jiangnan University,Wuxi 214122,China； 2.Sericultural & Agri-Food Research Institute Guangdong Academy of Agricultural Sciences,Guangzhou 510610,China)

The method of mathematical equations’ simulation was used to prepare early indica rice flour with different protein contents(0.5%,1.0%,3.0%,5.0% and 6.0%),and then the effect of protein content on gelatinization,the long-term retrogradation properties,microstructure,gel strength and crystallinity of early indica rice flour were investigated. The results showed that as the protein content was decreased,flour surface became smoother and microstructure of rice gel were tighter. The enthalpy value after long-term retrogradation was gradually reduced with the decrease of protein content,which indicated that low protein content could delay retrogradation. The indica rice gel strength also changed,when protein content was decreased,restoring force and chewiness force were increased,adhesiveness was decreased,and hardness was increased. The X-ray diffraction patterns of these six rice flours showed similarly a peak centered on 2θ=15.17°,a doublet on 17.17° and 18.14°,and another single peak at 23.32°. And the crystallinity were 24.26%,21.79%,19.91%,21.45%,18.73% and 21.74% respectively. Consequently,protein content had little impact on the indica rice’s crystallinity. All the results indicated that protein content interacted closely with related properties of indica rice.

indica rice;protein;microstructure;gel strength;crystallinity

2016-02-01

徐晶冰(1991-)，女，碩士研究生，從事糧食精深加工研究，E-mail：grace911229@163.com。

陳正行(1960-)，男，博士，教授，從事糧食精深加工研究，E-mail：zxchen_2008@126.com。

國家自然科學(xué)基金(31201381，31471616)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303071、201203037、201303069)。

TS213.3

A

1002-0306(2016)17-0059-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.003