蛋清蛋白對豌豆淀粉凝膠化及凝膠特性的影響

甘愛園 豁銀強(qiáng) 劉松繼 陳江平 何 萌 湯尚文

(湖北文理學(xué)院，襄陽 441053)

凝膠類食品主要是蛋白質(zhì)和/或淀粉凝膠化形成特定的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。凝膠的特性與蛋白質(zhì)和淀粉特性及含量有關(guān)，也受蛋白質(zhì)與淀粉相互作用的影響。蛋白質(zhì)與淀粉相互作用對食品特性的影響越來越受人們的重視。因?yàn)榫哂胸S富的營養(yǎng)、顯著的生物活性及多重功能特性，蛋白質(zhì)和淀粉已作為主要原料應(yīng)用于焙烤食品、嬰幼兒食品、甜點(diǎn)及快餐等系列食品的開發(fā)[1]。不同來源的蛋白質(zhì)和淀粉的結(jié)構(gòu)及特性不同，其形成凝膠的能力及其相互作用也存在較大差異。肌纖維蛋白與木薯淀粉通過協(xié)同作用增強(qiáng)體系的黏彈性[2]。在馬鈴薯淀粉和蛋白質(zhì)體系中，隨著蛋白質(zhì)含量增加，體系的黏性模量逐漸降低[3]。有關(guān)蛋白質(zhì)與淀粉相互作用的特征有待進(jìn)一步研究，以便改善或開發(fā)新型凝膠食品。

豌豆淀粉為加工豌豆蛋白產(chǎn)生的副產(chǎn)物，由于直鏈淀粉含量高、易回生，豌豆淀粉在食品領(lǐng)域的應(yīng)用比較有限，因此常采用物理、化學(xué)及酶法對其進(jìn)行改性[4]，但這些改性方法均存在一定的局限性。蛋白質(zhì)與淀粉通過協(xié)同作用能有效改善體系的物化及功能特性，增加其在食品及非食品領(lǐng)域的應(yīng)用潛力[5]。蛋清蛋白來源豐富、儲運(yùn)方便、具有較好的凝膠特性[6]。目前有關(guān)蛋清蛋白與淀粉相互作用的研究鮮見報(bào)道。為改善豌豆淀粉凝膠類產(chǎn)品的品質(zhì)，本實(shí)驗(yàn)研究蛋清蛋白對豌豆淀粉凝膠化及凝膠特性的影響，以期為蛋清蛋白在淀粉類凝膠食品的開發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

豌豆淀粉、雞蛋：市售。

AR-2000動(dòng)態(tài)流變儀，TA-2000差示掃描量熱儀，TechMaster快速黏度儀，NMI20-025V-I核磁共振成像儀，TA. XT. Plus質(zhì)構(gòu)儀，B-290小型噴霧干燥儀。

1.2 方法

1.2.1 蛋清蛋白粉的制備

蛋清蛋白粉制備參考文獻(xiàn)[7]稍作修改。新鮮雞蛋經(jīng)清洗、分離蛋黃、脫糖、高壓均質(zhì)后，采用小型氣流式噴霧干燥機(jī)對雞蛋清進(jìn)行干燥，蛋清液質(zhì)量濃度30%、進(jìn)料液速度450 mL/h、進(jìn)口溫度135 ℃，所得蛋清蛋白粉密封后于干燥器中室溫保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 糊化特性測定

分別向豌豆淀粉中加入0%、3%、6%、9%、12%的蛋清蛋白粉，混合均勻，每份樣品精確稱取3 g置于預(yù)先加入25 g蒸餾水的RVA測量鋁桶內(nèi)，用攪拌器上下分散均勻后，迅速上機(jī)測試。RVA測試程序如下：960 r/min攪拌10 s，隨后維持轉(zhuǎn)速160 r/min至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，在50 ℃條件下保持10 s，隨后以12℃/min的速度勻速升溫至95 ℃，在95 ℃保持150 s，以12 ℃/min勻速降溫至50 ℃，在50 ℃維持2 min。利用儀器自帶軟件獲得糊化溫度、峰值黏度、崩解值、回生值、最終黏度等參數(shù)。

1.2.3 熱特性分析

按1.2.2方法將蛋清蛋白和豌豆淀粉混合均勻。每份稱取5 mg左右于差示掃描量熱儀專用鋁盒中，加2倍體積蒸餾水，密封，4 ℃過夜促進(jìn)完全水化。以空鋁盒作參照，進(jìn)行DSC測試。吹掃氮?dú)?0 mL/min，升溫速率5 ℃/min，溫度掃描范圍30～120 ℃。用universal analysis 2000軟件分析獲得相變起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)及焓值(ΔH)。

1.2.4 流變行為分析

按1.2.2方法將蛋清蛋白和豌豆淀粉混合均勻。取0.3 g樣品于密封瓶內(nèi)，加5 ml蒸餾水，磁力攪拌2 h，45 ℃攪拌30 min，90 ℃糊化30 min，于37 ℃水浴冷卻30 min后用于流變測試。測試夾具：40 mm平行板，間距1 000 μm。

靜態(tài)流變：在37 ℃條件下觀察體系的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化, 剪切速率范圍0.1～100 s-1。

動(dòng)態(tài)流變：37 ℃條件下觀察體系的彈性模量(G′)、黏性模量(G″)及損耗因子(Tanδ)隨頻率變化, 頻率掃描范圍0.1～100 rad/s。

1.2.5 水分子狀態(tài)分析

將1.2.2測試后樣品用保鮮膜密封，4 ℃冷藏12 h，取出后室溫放置30 min，取適量樣品用低場核磁進(jìn)行分析測試。測試參數(shù)：以Q-FID程序進(jìn)行校正，以CPMG序列采集樣品信號，采樣點(diǎn)數(shù)(TD)為139 994，RFD為0.002，RG1為10.0，DRG為3，PRG為1，重復(fù)掃描次數(shù)(NS)為4。對指數(shù)衰減曲線進(jìn)行反演后得到T2弛豫圖譜。

1.2.6 凝膠質(zhì)構(gòu)分析

將1.2.2形成的凝膠樣品于4 ℃儲藏12 h，切成厚1.5 cm、直徑5 cm的圓柱狀，置于測試探頭(P/0.5型號)正下方，進(jìn)行穿刺測試。測試參數(shù)如下：測前速率1 mm/s，測試速率1 mm/s，測后速率1 mm/s，壓縮距離7 mm，觸發(fā)力5 g。以壓縮距離7 mm時(shí)的受力表征凝膠強(qiáng)度(g)，以破裂時(shí)壓深距離的受力表征凝膠可塑性(mm)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

每個(gè)實(shí)驗(yàn)做3個(gè)重復(fù)，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。利用SAS 8.0進(jìn)行方差分析，根據(jù)Duncan多重比較分析樣品間的差異，顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 糊化特性

添加不同量蛋清蛋白豌豆淀粉的糊化曲線如圖1所示。所有樣品的RVA曲線變化趨勢整體類似，但添加蛋清蛋白使豌豆淀粉糊化曲線整體下移，下移幅度隨蛋清蛋白添加量增加而加劇。

圖1 蛋清蛋白對豌豆淀粉RVA曲線的影響

表1為添加不同量蛋清蛋白豌豆淀粉的糊化特性參數(shù)。添加蛋清蛋白使豌豆淀粉的峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最終黏度及回生值均降低，而糊化溫度隨蛋清蛋白添加量增加而不斷升高。Sun等[6]在研究花生蛋白分離物對豌豆淀粉糊化特性的影響時(shí)得到類似的結(jié)果。糊化特性與水結(jié)合力有關(guān)[8]，添加蛋白限制了淀粉顆粒的膨脹和持水力，進(jìn)而引起糊化溫度升高及相關(guān)黏度參數(shù)降低。

表1 蛋清蛋白對豌豆淀粉糊化特性參數(shù)的影響

蛋白添加量及蛋白類型等因素均會(huì)影響淀粉糊化相關(guān)的參數(shù)。黏度主要與淀粉顆粒膨脹及滲出的淀粉(主要是直鏈淀粉)分子發(fā)生聚集有關(guān)，添加蛋清蛋白形成的空間位阻減少了滲出的直鏈淀粉分子間的通過氫鍵相互交聯(lián)形成有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以蛋白替代淀粉降低了體系直鏈淀粉的有效濃度，進(jìn)而使體系糊化過程中的黏度參數(shù)降低。在用酪蛋白或酪蛋白水解物替代玉米淀粉的研究中出現(xiàn)類似的結(jié)果[9]。崩解值主要反映淀粉顆粒在高溫和高剪切力作用下的耐受力，崩解值隨蛋清蛋白添加量增加而降低，表明蛋清蛋白抑制了淀粉顆粒的崩解，其可能是由于蛋白吸收了淀粉顆粒內(nèi)部的水分，因而減小了淀粉顆粒最初的膨脹[10]?；厣党Ｓ脕肀碚髂z類食品冷藏中的穩(wěn)定性，蛋清蛋白替代淀粉導(dǎo)致回生值下降，其可能是因?yàn)榈扒宓鞍鬃璧K了直鏈淀粉通過氫鍵排列有序的凝膠結(jié)構(gòu)及降低了直鏈淀粉有效含量[11]。

2.2 熱特性

圖2為不同比例蛋清蛋白替代豌豆淀粉樣品的 DSC 曲線。所有樣品的 DSC 曲線總體類似，在 60～70 ℃均出現(xiàn)一個(gè)明顯吸熱峰。

圖2 蛋清蛋白對豌豆淀粉DSC曲線的影響

如表2所示，添加蛋清蛋白并未引起相變起始溫度(To)和峰值溫度(Tp)發(fā)生顯著的變化，但相轉(zhuǎn)變焓值(ΔH)隨著蛋清蛋白添加量增加而降低。

表2 蛋清蛋白對豌豆淀粉熱特性參數(shù)的影響

在一定含水量下加熱，淀粉顆粒吸水膨脹，維持淀粉分子有序排列的氫鍵斷裂，結(jié)晶區(qū)有序排列的淀粉分子轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序態(tài)，伴隨著能量變化。添加蛋清蛋白對體系中豌豆淀粉產(chǎn)生了稀釋作用，降低了體系中淀粉顆粒的有效濃度，進(jìn)而使相轉(zhuǎn)變吸熱焓值減小。淀粉的相轉(zhuǎn)變溫度通常受體系可利用水分子的量影響，可利用水分子越多，相轉(zhuǎn)變溫度越低。蛋清蛋白對豌豆淀粉相變溫度影響比較小，可能是由于體系中有充分的水供淀粉顆粒發(fā)生相轉(zhuǎn)變時(shí)利用，也可能是蛋清蛋白對水分子的結(jié)合力與豌豆淀粉相似。由于添加的蛋清蛋白量相對較低，本實(shí)驗(yàn)中僅觀察到一個(gè)相轉(zhuǎn)變吸熱峰，其主要是淀粉發(fā)生凝膠化的吸熱峰，沒有表現(xiàn)出所添加蛋白質(zhì)變性的吸熱峰，可能是由于蛋白質(zhì)的添加量不足。馬鈴薯淀粉和馬鈴薯蛋白混合物的熱特性共混實(shí)驗(yàn)表明，只有當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于20%時(shí)，才能觀察到蛋白質(zhì)變性和淀粉向轉(zhuǎn)變兩個(gè)分開的吸熱峰[3]。

2.3 靜態(tài)流變相

圖3為不同比例蛋清蛋白代替豌豆淀粉糊的靜態(tài)流變曲線。所有樣品剪切應(yīng)力隨剪切速率增加而變大，且前期上升迅速，后逐漸趨于平緩，表明樣品均為假塑性非牛頓流體。添加不同量蛋白粉淀粉的流變曲線差異明顯，隨著蛋白粉添加量增加，相同剪切速率對應(yīng)的剪切應(yīng)力呈逐漸下降的趨勢，表明添加蛋清蛋白使豌豆淀粉形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對剪切的抗性降低。淀粉糊的黏度與淀粉顆粒的膨脹及滲出的直鏈淀粉量成正比[12]，添加蛋清蛋白使豌豆淀粉糊的黏度降低，可能是由于蛋清蛋白抑制了淀粉顆粒受熱膨脹及體系中直鏈淀粉的有效濃度降低，蛋清蛋白阻礙從淀粉顆粒中滲出的直鏈淀粉分子通過氫鍵結(jié)合成有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也會(huì)引起體系的黏度降低。

圖3 蛋清蛋白-豌豆淀粉靜態(tài)流變曲線

在理論研究及實(shí)際應(yīng)用中，Herchel-Bulkley模型常用于表征非牛頓流體的流動(dòng)行為。利用該模型對添加不同蛋清蛋白豌豆淀粉糊的靜態(tài)流變行為進(jìn)行擬合，結(jié)果見表3。添加蛋清蛋白使屈服應(yīng)力以濃度依賴的方式顯著降低。所有樣品的決定系數(shù)均高于0.99，表明該模型能很好地?cái)M合樣品的流變行為。

圖4 蛋清蛋白-豌豆淀粉頻率掃描曲線

所有樣品的流體行為指數(shù)均小于1，表明樣品均是剪切稀釋型假塑性流體，不同樣品的n值差異不顯著。稠度指數(shù)常用來表征體系的黏度大小，K值越高樣品的黏度越大，添加蛋清蛋白使豌豆淀粉糊的K值呈降低的趨勢，表明添加蛋清蛋白降低了豌豆淀粉糊的黏度，該結(jié)果與糊化特性結(jié)果一致。其他蛋白-淀粉體系的研究中也得到類似的結(jié)果，推測可能是蛋白質(zhì)-淀粉分子間的作用力較弱，進(jìn)而降低了體系的K值[13,14]。

表3 蛋清蛋白對豌豆淀粉靜態(tài)流變參數(shù)的影響

2.4 動(dòng)態(tài)流變行為

圖4為添加不同量蛋清蛋白豌豆淀粉糊的動(dòng)態(tài)流變曲線。樣品的儲能模量(G′)和耗能模量(G″)均隨頻率增大而增加，黏彈性表現(xiàn)為頻率依賴性，表明樣品形成的弱凝膠產(chǎn)生了松弛現(xiàn)象[14]。添加蛋清蛋白使樣品的G′整體呈下降趨勢，且隨蛋清蛋白添加量增加而加劇。添加蛋清蛋白使豌豆淀粉糊的G″曲線也呈整體下降趨勢，但不同添加量樣品間的差異不明顯。蛋白對淀粉糊動(dòng)態(tài)流變的影響與直鏈淀粉含量有關(guān)，添加乳清蛋白降低了普通玉米淀粉和高直鏈玉米淀粉糊的彈性模量，但對糯玉米淀粉糊的影響不顯著[16]。在高直鏈淀粉樣品中，添加的蛋白質(zhì)作為惰性填充劑抑制直鏈淀粉重排而減弱凝膠強(qiáng)度；對于低直鏈淀粉樣品，蛋白質(zhì)作為一種活性填充介質(zhì)增加彈性模量[17]。豌豆淀粉的直鏈淀粉含量較高，由于減弱了直鏈淀粉重排形成有序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力，添加蛋清蛋白降低了體系的黏彈性。

圖4c為樣品損耗因子隨角頻率變化的曲線圖。所有樣品的損耗因子均隨角頻率增加而增大，但均小于1，添加蛋清蛋白樣品的損耗因子曲線整體上升，表明添加蛋清蛋白使豌豆淀粉糊的黏性屬性降低而彈性屬性增強(qiáng)。隨著蛋清蛋白含量增加，淀粉糊由黏性體向彈性體轉(zhuǎn)變。

2.5 水分子狀態(tài)

質(zhì)子自旋弛豫時(shí)間(T2)能夠提供氫原子弛豫和遷移的信息，可用來評價(jià)凝膠體系中不同狀態(tài)水分子的運(yùn)動(dòng)性[18,19]。由圖5可見，所有樣品的T2經(jīng)反演擬合后均呈現(xiàn)3個(gè)峰，位于0～1 ms之間的T21為與食品基質(zhì)緊密結(jié)合的水，弛豫時(shí)間1～10 ms之間的T22為凝膠網(wǎng)絡(luò)束縛的不可流動(dòng)水，在10～100 ms之間的T23為自由水的弛豫信號。T23的信號最強(qiáng)，表明樣品體系中的水主要是可自由流動(dòng)的自由水。

圖5 蛋清蛋白豌豆淀粉凝膠水分狀態(tài)的影響

分別以A21、A22、A23表示T21、T22、T23對應(yīng)弛豫譜的峰面積所占百分比，以表征相應(yīng)狀態(tài)水分子的含量比。由表4可見，添加蛋清蛋白引起結(jié)合水的含量增加、不可流動(dòng)水的含量降低，而對自由水的含量的影響不顯著。由于蛋清蛋白分子表面含有較多的氨基和羧基等帶電基團(tuán)能夠與水分子緊密結(jié)合，蛋清蛋白比淀粉分子具有更強(qiáng)的持水力，添加蛋清蛋白引起結(jié)合水含量增加。同時(shí)，由于阻礙了淀粉分子通過氫鍵形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，添加蛋清蛋白對豌豆淀粉凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的破壞，使凝膠網(wǎng)絡(luò)束縛水的量減少，進(jìn)而表現(xiàn)為不可流動(dòng)束縛水含量降低。添加米蛋白也減少了大米淀粉凝膠不可流動(dòng)水，可能是米蛋白對凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的破壞[20]。

表4 蛋清蛋白對豌豆淀粉凝膠A21、A22和A23的影響

2.6 凝膠質(zhì)構(gòu)

添加不同量蛋清蛋白豌豆淀粉凝膠穿刺結(jié)果如圖6所示。所有樣品壓縮力隨壓縮距離增加而近似線性增加。當(dāng)?shù)扒宓鞍滋砑恿康陀?%時(shí)，壓縮力隨時(shí)間增加的幅度與對照差異不明顯，當(dāng)?shù)扒宓鞍滋砑淤|(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%和12%時(shí)，壓縮力隨時(shí)間增加的幅度與對照相比明顯減小。該結(jié)果表明添加少量的蛋清蛋白對豌豆淀粉凝膠硬度影響不大，高濃度蛋清蛋白使豌豆淀粉凝膠的硬度顯著降低。

圖6 蛋清蛋白對豌豆淀粉凝膠穿曲線的影響

不同含量蛋清蛋白對豌豆淀粉凝強(qiáng)度及可塑性的影響結(jié)果見表5。添加蛋清蛋使豌豆淀粉凝膠的強(qiáng)度和可塑性均降低，降低幅度具有蛋清蛋白濃度依賴性。

凝膠的硬度、強(qiáng)度和可塑性主要與凝膠化時(shí)淀粉顆粒的膨脹及滲出的直鏈淀粉形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)。凝膠硬度和強(qiáng)度與直鏈淀粉含量呈正相關(guān)[21]，蛋清蛋白替代豌豆淀粉降低了體系中直鏈淀粉的有效濃度，蛋清蛋白也可能阻礙了滲出的直鏈淀粉分子間發(fā)生有序的重排作用，進(jìn)而對直鏈淀粉形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，從而減弱了凝膠的強(qiáng)度、硬度及可塑性[22]。同時(shí)，蛋清蛋白吸附在淀粉顆粒表面包裹著淀粉顆粒，抑制了凝膠化時(shí)淀粉顆粒的膨脹，也一定程度上降低了凝膠的硬度、強(qiáng)度和可塑性。Sun等[5]發(fā)現(xiàn)花生蛋白分離物也顯著降低了豌豆淀粉凝膠的彈性、硬度和可塑性等物理特性。

表5 蛋清蛋白對豌豆淀粉質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)的影響

3 結(jié)論

添加的蛋清蛋白包裹在淀粉顆粒表面，抑制了淀粉顆粒受熱膨脹度及直鏈淀粉的滲出量，同時(shí)阻礙了直鏈淀粉分子通過氫鍵形成有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而引起淀粉糊化相關(guān)的峰值黏度、低谷黏度、崩解值、回生值、最終黏度均以濃度依賴的方式不斷降低，而糊化溫度和糊化時(shí)間不斷增加。由于稀釋了體系中淀粉顆粒有效濃度，體系的凝膠化焓值隨蛋清蛋白添加量增加而不斷減小。添加不同量蛋清蛋白的豌豆淀粉糊均為非牛頓流體，表現(xiàn)出剪切稀釋型假塑性流體特征，由于對直鏈淀粉的稀釋作用及對淀粉顆粒膨脹的抑制作用，體系的稠度指數(shù)和流動(dòng)指數(shù)均隨蛋清蛋白添加量增加而不斷降低。添加的蛋清蛋白對淀粉凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成的破壞及對直鏈淀粉濃度造成的稀釋，凝膠的強(qiáng)度、硬度及可塑性均隨蛋清蛋白添加量增加而不斷降低。由于蛋白質(zhì)表面的羧基和氨基等基團(tuán)對水分子有較強(qiáng)的作用力，添加蛋清蛋白使豌豆淀粉凝膠中的結(jié)合水含量增加，而由于對凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的破壞，添加蛋清蛋白引起凝膠中的不可流動(dòng)束縛水含量有所減少。