大米谷蛋白對(duì)大米淀粉凝膠化及凝膠特性的影響

豁銀強(qiáng) 袁佰華 湯尚文 于 博 張賓佳 趙思明

(湖北文理學(xué)院1，襄陽 441053)(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)2，武漢 430070)

淀粉和蛋白質(zhì)是大米的主要成分，分別占大米干物質(zhì)重的85%～90%[1-2]和4.5%～10%[3]。由于能夠形成凝膠，淀粉和蛋白質(zhì)在食品加工中發(fā)揮著重要的作用。凝膠特性對(duì)米糊、米面包、米發(fā)糕及米粉等眾多米制品品質(zhì)有重要影響。凝膠的形成本質(zhì)上是分散系從溶膠態(tài)轉(zhuǎn)化為具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凝膠態(tài)的過程。凝膠的特性受蛋白質(zhì)和淀粉等組分含量與特性、及蛋白質(zhì)與淀粉相互作用的影響[4，5]。淀粉和蛋白質(zhì)復(fù)合物的凝膠結(jié)構(gòu)取決于蛋白質(zhì)與淀粉的相對(duì)含量及其相互作用[3，6]。蛋白含量通常與米制品黏性呈負(fù)相關(guān)，與硬度呈正相關(guān)[7,8]。稻米醇溶蛋白、谷蛋白、球蛋白及白蛋白對(duì)大米淀粉糊化特性及淀粉凝膠特性的影響不同[9-11]，可能與不同類型米蛋白的分子結(jié)果與特性及其與大米淀粉間的相互作用等不同有關(guān)。

大米谷蛋白作為大米的主要儲(chǔ)藏蛋白，占大米蛋白總量的70%以上。谷蛋白的含量不僅影響米制品的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，對(duì)大米產(chǎn)品的凝膠特性也有重要的影響。為探究大米谷蛋白對(duì)大米淀粉凝膠形成及凝膠特性的影響，本實(shí)驗(yàn)研究大米谷蛋白對(duì)秈米淀粉的流變特性、熱特性、凝膠質(zhì)構(gòu)及凝集形貌的影響，以期為以大米為主要成分的產(chǎn)品開發(fā)與利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

原料水稻產(chǎn)自湖北黃岡，品種為秈稻桂朝13，實(shí)驗(yàn)當(dāng)年收獲，精選、晾曬至含水量12%左右，使用前用礱谷機(jī)加工成糙米，然后用碾米機(jī)碾成大米，碾米時(shí)間約60 s，大米粉碎后過60目篩，密封后置于干燥器中室溫保存?zhèn)溆谩?/p>

JNMJ3檢驗(yàn)?zāi)朊讬C(jī)；TDL-5-A臺(tái)式離心機(jī)；AR-2000動(dòng)態(tài)流變儀；TA-2000差示掃描量熱儀；TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀；JSM-6390掃描電鏡。

1.2 方法

1.2.1 大米谷蛋白和淀粉的制備

大米谷蛋白制備：米粉脫脂后晾干，經(jīng)5%的NaCl以10∶1的液料比室溫?cái)嚢杼崛? h，3 200 g離心20 min，棄上清，殘?jiān)?0倍蒸餾水室溫?cái)嚢?.5 h，3 200 g離心20 min，棄上清，反復(fù)洗滌3次；殘?jiān)?0倍 0.4%的NaOH室溫下提取2 h，3 200 g離心20 min，上清液用0.6 mol/L鹽酸調(diào)pH至4.8，室溫靜置0.5 h使谷蛋白沉淀，3 200 g離心20 min，所得沉淀物冷凍干燥，粉碎過60目篩，即得大米谷蛋白，干燥器室溫保存?zhèn)溆谩?/p>

米淀粉的制備：米粉經(jīng)脫脂晾干后，用10倍100%異丙醇攪拌提取1 h，3 200 g離心5 min, 棄上清；殘?jiān)?0倍0.4%的NaOH溶液攪拌提取1 h，3 200 g離心5 min，棄上清，此操作重復(fù)2次；加10倍蒸餾水于沉淀，用0.6 mol/L的HCl調(diào)pH至中性，3 200 g離心10 min，棄上清，沉淀水洗、離心后棄上清，水洗重復(fù)3次。每次堿液提取離心后，刮去沉淀表層的黃棕色膠狀物。殘?jiān)?5 ℃烘箱干燥24 h，粉碎過60目篩得米淀粉，于干燥器保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 流變特性測(cè)定

大米谷蛋白按0%、4%、8%、10%、12%和14%的比例添加到大米淀粉中，混合均勻，配制成20% (w/w)的懸浮液，用動(dòng)態(tài)流變儀測(cè)其溫度變化時(shí)的黏彈模量。測(cè)試條件為：平板直徑40 mm，平衡時(shí)間1 min，振蕩模式，測(cè)試頻率1 Hz，溫度掃描范圍20～100 ℃，升溫速率5 ℃/min，以5 ℃/min的降溫速率從 100 ℃降至30 ℃，控制變量為應(yīng)變率2%。

1.2.3 熱特性分析

不同量的大米谷蛋白與大米淀粉混合均勻，稱混合物3 mg左右于差示掃描量熱儀專用鋁盒中，添加2倍重量的蒸餾水后密封，4 ℃過夜以促進(jìn)水化。以空鋁盒作參照，進(jìn)行DSC測(cè)試。試驗(yàn)過程為氮?dú)鈿夥眨郎厮俾蕿? ℃/min，吹掃氮?dú)鉃?0 mL/min，溫度掃描范圍為30～120 ℃。

1.2.4 凝膠質(zhì)構(gòu)測(cè)定

將不同大米谷蛋白添加量的淀粉配成20%(m/m)懸浮液，攪拌混合均勻后，取20 mL于50 mL 燒杯內(nèi)，用保鮮膜封口后，95 ℃水浴20 min，冷卻至室溫后4 ℃靜止24 h。用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定凝膠的質(zhì)構(gòu)特性。采用兩次壓縮(TPA，Texture Profile Analysis)模式進(jìn)行測(cè)定。測(cè)試探頭：p/36R；探頭測(cè)試前下壓速度、測(cè)試速度和測(cè)試后的上升速度均為1 mm/s；測(cè)試壓力為5 g；探頭感受到壓力后下壓50%。

1.2.5 凝膠的掃描電鏡觀察

利用掃描電鏡分析凝膠的表觀形貌。添加不同量大米谷蛋白的淀粉配制成20%(m/m)的懸浮液，裝入直徑20 mm腸衣中，95 ℃水浴20 min，用自來水快速冷卻，4 ℃靜止24 h。切成厚度2 mm左右的薄片。于0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液(pH 7.2)配制的2.5%戊二醛和4%甲醛(1∶1V/V)混合液中固定2 h，再經(jīng)0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液(pH7.2)浸泡漂洗30 min，重復(fù)3次，然后放入用0.1 mol/L(pH7.2)磷酸鹽緩沖液配制的1%四氧化鋨溶液中固定1 h，隨后用蒸餾水清洗3次。樣品分別經(jīng)濃度為30%、50%、70%、90%和100%乙醇梯度脫水，最后用醋酸異戊酯脫乙醇，在HCP-2臨界點(diǎn)干燥儀上采用臨界點(diǎn)干燥法進(jìn)行干燥，離子濺射儀噴金后，最后用掃描電鏡進(jìn)行掃描觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 米谷蛋白對(duì)米淀粉流變特性的影響

圖1 不同米谷蛋白添加量米淀粉的動(dòng)態(tài)流變溫掃圖譜

表1 不同米谷蛋白添加量米淀粉動(dòng)態(tài)流變溫掃特定參數(shù)

注：同一行不同字母間有顯著差異(P<0.05),余同。

降溫過程中，彈性模量G′和黏性模量G″隨溫度降低而升高。隨著溫度降低，從淀粉顆粒中滲析出來的直鏈淀粉分子通過氫鍵交聯(lián)形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。凝膠體系的黏性和彈性隨溫度降低逐漸增大，導(dǎo)致彈性模量G′和黏性模量G″不斷升高。表明凝膠網(wǎng)絡(luò)在此溫度范圍快速形成，體系的黏彈性增加而流動(dòng)性降低[16]。

2.2 米谷蛋白對(duì)米淀粉熱特性的影響

淀粉是典型的多晶體系，支鏈淀粉側(cè)鏈形成的微晶束組成了淀粉顆粒的骨架，直鏈淀粉穿插在支鏈淀粉的鏈間。淀粉顆粒分散于水中并加熱，當(dāng)溫度從30 ℃升至100 ℃過程中，淀粉顆粒內(nèi)部分子間氫鍵斷裂，進(jìn)而淀粉分子與水分子之間形成氫鍵，顆粒吸水膨脹，淀粉糊黏度逐漸上升最終形成黏稠的淀粉糊，此過程伴隨著能量變化，在DSC圖譜中出現(xiàn)吸熱峰。如圖2所示，所研究樣品均出現(xiàn)兩個(gè)明顯的吸熱峰，且隨著谷蛋白添加量增加，吸熱峰的強(qiáng)度逐漸減弱。不同植物來源的淀粉顆粒在加熱過程中均會(huì)產(chǎn)生雙吸熱峰[17]，人們通常將其命名為G和M1吸熱峰。在含水量有限的體系中，峰G和峰M1可能分別與淀粉晶體的凝膠化和熔融有關(guān)[18]。在過量水分的體系中，峰G和峰M1可能分別與淀粉聚合物的吸水膨脹和溶解有關(guān)[19-20]。

圖2 不同米谷蛋白添加量米淀粉的DSC圖譜

峰G的起始溫度(T1o)、峰值溫度(T1p)和焓值(ΔH1)及峰M1的起始溫度(T2o)、峰值溫度(T2p)和焓值(ΔH2)如表2所示。隨著米谷蛋白添加量增加，體系峰G和峰M1的起始溫度和峰值溫度均沒有出現(xiàn)顯著的變化，而峰G與峰M1的焓值均隨著谷蛋白添加量增加而呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。該結(jié)果表面，所添加的谷蛋白對(duì)淀粉顆粒的相變沒有產(chǎn)生顯著的影響，所添加的谷蛋白在加熱過程中也沒有產(chǎn)生明顯的吸熱信號(hào)，其可能是由于堿法制備導(dǎo)致谷蛋白變性而沒有表現(xiàn)出明顯的熱信號(hào)，也可能是由于谷蛋白在體系中的含量較低而沒有出現(xiàn)明顯的熱轉(zhuǎn)變信號(hào)。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)含量高于20%時(shí)，蛋白質(zhì)和淀粉混合物加熱時(shí)會(huì)分別出現(xiàn)淀粉凝膠化和蛋白質(zhì)變性的峰，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)濃度低于20%時(shí)，蛋白質(zhì)和淀粉混合物受熱時(shí)僅表現(xiàn)出淀粉的吸熱信號(hào)[21]。本研究中的蛋白質(zhì)含量均低于20%，因此大米粉中的蛋白變性可能沒有產(chǎn)生獨(dú)立的吸熱峰。

2.3 大米谷蛋白對(duì)米淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響

淀粉與蛋白質(zhì)除營(yíng)養(yǎng)特性外，兩者都可以作為膠凝劑、增稠劑及穩(wěn)定劑等，其特性極大地影響著食品的食用品質(zhì)及其質(zhì)構(gòu)特性。本研究利用質(zhì)構(gòu)儀TPA模式測(cè)定大米谷蛋白添加量對(duì)淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響，比較了大米谷蛋白添加量對(duì)淀粉凝膠的硬度、黏聚性、回彈性和黏結(jié)性等的影響。

表2 不同米谷蛋白添加量米淀粉的熱特性參數(shù)

不同大米谷蛋白添加量秈米淀粉凝膠的特定參數(shù)與表3所示。淀粉凝膠硬度隨米谷蛋白添加量增加而增大，其可能是由于谷蛋白分子的剛性比淀粉分子大，谷蛋白在淀粉凝膠化之前發(fā)生了凝膠化，凝膠化的蛋白包裹了淀粉顆粒進(jìn)而提高了淀粉凝膠的硬度。Baxter等[10]發(fā)現(xiàn)非糯性稻米淀粉凝膠硬度隨米蛋白添加量增加呈線性上升。秈米淀粉凝膠的黏結(jié)性隨谷蛋白添加量增加總體呈升高趨勢(shì)。隨米蛋白添加量增加，淀粉凝膠的黏結(jié)性表現(xiàn)為先減小后增大，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)又出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，淀粉凝膠黏結(jié)性隨蛋白添加量增加的整體變化趨勢(shì)類似于S型[11]。兵豆蛋白與兵豆淀粉混合物質(zhì)構(gòu)特性也表現(xiàn)出類似的特征，當(dāng)兵豆蛋白占30%和40%時(shí)，混合物的黏結(jié)性最高[19]。秈米淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)的黏聚性隨米谷蛋白添加量增加而升高。這與Baxter等[11]報(bào)道的結(jié)果相一致，即非糯性稻米淀粉凝膠黏聚性隨谷蛋白添加量增加呈線性升高。秈米淀粉凝膠的回彈性隨米谷蛋白添加量增加先增加后趨于平穩(wěn)。兵豆淀粉和蛋白混合物凝膠的回彈性隨兵豆蛋白含量增加而升高。

表3 不同米谷蛋白添加量米淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特征參數(shù)

2.4 大米谷蛋白對(duì)米淀粉凝膠形貌的影響

圖3 不同米谷蛋白添加量米淀粉凝膠掃描電鏡圖

圖3是大米谷蛋白添加對(duì)秈米淀粉凝膠的掃描電鏡圖。由圖3可見，添加大米谷蛋白與未添加谷蛋白米淀粉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)明顯不同，未添加大米谷蛋白米淀粉凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為致密緊湊，出現(xiàn)一些較淺的凹槽。添加大米谷蛋白淀粉凝膠呈蜂窩狀，表面凸凹不平，有許多大小不一的孔洞及蜂窩結(jié)構(gòu)。隨著谷蛋白添加量增加，孔洞直徑增大、變深增加，凝膠結(jié)構(gòu)變得越來越松散。花生蛋白添加對(duì)豌豆淀粉凝膠形貌影響也出現(xiàn)類似的現(xiàn)象[22]。產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能是由于蛋白的凝膠能力不如淀粉。蛋白表現(xiàn)出的剛性結(jié)構(gòu)限制了聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成[23]。

3 結(jié)論