馬鈴薯淀粉對(duì)玉米醇溶蛋白凝膠特性的影響

李薇雨，王啟明，于嘉淇，徐洪峰，雷小娟,2，趙吉春,2，雷琳,2，明建,2*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(西南大學(xué))，重慶，400715)

玉米醇溶蛋白是玉米中的主要貯藏蛋白，含有大量的非極性氨基酸，如谷氨酸(21%～26%)、亮氨酸(20%)、脯氨酸(10%)和丙氨酸(10%)，可溶于60%～90%(體積分?jǐn)?shù))的乙醇-水溶液，強(qiáng)的分子間二硫鍵和疏水相互作用構(gòu)成了復(fù)合物形成的基礎(chǔ)，已被美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)為安全的食品加工原料[1]，因其具良好的生物相容性、獨(dú)特的溶解性、良好的降解性、成膜性等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，成為食品、藥品、組織材料等眾多行業(yè)的研究熱點(diǎn)。在食品行業(yè)中，常用于食品包埋劑、包裝材料、黏合劑以及與其他食品原料復(fù)合使用[4-6]。

淀粉作為一種在食品生產(chǎn)加工中常用的輔助原料，具有分布廣、成本低、易降解等優(yōu)點(diǎn)。許多研究表明，在蛋白質(zhì)中添加外源淀粉，可以改變蛋白質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)，在兩者的共同作用下復(fù)合凝膠特性得到改善[7-9]。將普通馬鈴薯淀粉和改性馬鈴薯淀粉添加到肌原纖維蛋白中，復(fù)合凝膠的強(qiáng)度和持水性得到改善；木薯淀粉和馬鈴薯淀粉的添加能對(duì)蝦蛄肌原纖維蛋白凝膠特性產(chǎn)生顯著的影響，薯類淀粉和卡拉膠的加入使得肌原纖維凝膠的質(zhì)構(gòu)特性得到提升。目前的研究主要集中在淀粉對(duì)魚類、雞肉等肉類蛋白凝膠特性的影響方面，而對(duì)植物蛋白凝膠特性的影響研究較少。因此，本文選用吸水膨脹性強(qiáng)的馬鈴薯淀粉為研究對(duì)象，將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的馬鈴薯淀粉添加到玉米醇溶蛋白中，對(duì)比分析各復(fù)合體系的凝膠特性，研究馬鈴薯淀粉對(duì)玉米醇溶蛋白的影響，為拓展馬鈴薯淀粉在玉米醇溶蛋白制品的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯淀粉、玉米醇溶蛋白，美國(guó)Sigma公司；氫氧化鈉、考馬斯亮藍(lán)G-250、牛血清蛋白等試劑均為分析純，成都科龍化工試劑公司。

1.2 儀器與設(shè)備

TGL-18MS高速冷凍離心機(jī)，上海盧湘儀儀器有限公司；UltraScan Pro測(cè)色儀，美國(guó)Hunter Lab公司；LGJ-10真空冷凍干燥機(jī)，北京松原華興科技有限公司；Spectrun100傅里葉紅外光譜儀，美國(guó)Perkin-Elmer公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 馬鈴薯淀粉-玉米醇溶蛋白復(fù)合凝膠的制備

將玉米醇溶蛋白溶于氫氧化鈉溶液(pH 12)，固定蛋白質(zhì)量濃度60 mg/mL不變，再分別加入溶液總量6%、9%、12%、15%、18%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的馬鈴薯淀粉(預(yù)實(shí)驗(yàn)表明6%以下的淀粉添加量不能形成成型的復(fù)合凝膠)，磁力攪拌混合均勻。混合溶液以1 ℃/min的速率水浴加熱到85 ℃，保溫30 min后取出，立即用冰水冷卻至室溫，再置于4 ℃冰箱過(guò)夜。制備好的凝膠測(cè)試前在室溫下(25±1) ℃平衡30 min，方可用于測(cè)定。

1.3.2 復(fù)合凝膠持水性測(cè)定

參照FOEGEDING[10]的方法稍作修改。取1 g凝膠樣品于離心管8 000 r/min離心20 min，吸取離心液，稱量離心前后樣品質(zhì)量。按公式(1)計(jì)算，得到凝膠持水性：

(1)

式中：m為離心管質(zhì)量，g；m1為離心前凝膠加離心管質(zhì)量，g；m2為離心后凝膠加離心管質(zhì)量，g。

1.3.3 復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性的測(cè)定

采用質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行質(zhì)構(gòu)分析。參數(shù)設(shè)置如下：探頭型號(hào)：P/0.5，測(cè)前速度：2.0 mm/s；測(cè)定速度：0.5 mm/s；測(cè)后速度：2.0 mm/s；壓縮形變：50%；觸發(fā)力：5 g。

1.3.4 反復(fù)凍融處理

參考潘治利等[11]的方法并略作調(diào)整。將制備好的凝膠放入-18 ℃冰箱凍藏1 d后，取出于室溫下融解，以此為1個(gè)循環(huán)。反復(fù)凍融3次，進(jìn)行持水性、質(zhì)構(gòu)特性測(cè)定。

1.3.5 復(fù)合凝膠白度的測(cè)定

采用色度測(cè)定儀測(cè)定凝膠樣品的L*(亮度值)，a*(紅度值)和b*(黃度值)。參考PARK[12]的方法計(jì)算樣品白度，計(jì)算如公式(2)所示：

(2)

1.3.6 復(fù)合凝膠溶脹率的測(cè)定

參考王燕[13]的方法略作修改。將干燥凝膠浸泡在氫氧化鈉溶液(pH 12)中12 h，稱量浸泡前后樣品重量，根據(jù)公式(3)計(jì)算樣品平衡溶脹率：

(3)

式中：Ws是溶脹平衡后水凝膠的質(zhì)量, g；Wd為凝膠干重, g。

1.3.7 復(fù)合凝膠化學(xué)作用力的測(cè)定

參照GOMEZ-GUILLEN等[14]的方法并略作調(diào)整。準(zhǔn)確稱取1 g凝膠樣品，分別加入9 mL蛋白質(zhì)變性劑0.05 mol/L NaCl、0.6 mol/L NaCl、0.6 mol/L NaCl + 1.5 mol/L尿素、0.6 mol/L NaCl + 8 mol/L尿素、0.6 mol/L NaCl + 8 mol/L尿素 + 1.5 mol/L β-巰基乙醇，混合均質(zhì)，放在4 ℃下靜置2 h，10 000 r/min離心10 min，吸取上清液。用a、b、c、d、e分別表示用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定的上述5種上清液中溶解的蛋白質(zhì)的含量。不同試劑所溶解的蛋白質(zhì)含量之差表示各種作用力的含量。b-a表示離子鍵的含量；c-b表示氫鍵的含量；d-c表示疏水相互作用的含量；e-d表示二硫鍵的含量。

1.3.8 傅里葉紅外光譜掃描

參考OGUTU等[15]的方法。凝膠樣品冷凍干燥后，取0.5 mg于瑪瑙研缽中，按質(zhì)量比1∶50加入干燥的溴化鉀粉末，混勻研細(xì)后制片，掃描范圍4 000～400 cm-1。

1.3.9 數(shù)據(jù)分析

每個(gè)樣品平行測(cè)定3次，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。采用Minitab 17進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Origin 2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合凝膠的制備

圖1為添加6%、9%、12%、15%、18%馬鈴薯淀粉與玉米醇溶蛋白制得的復(fù)合凝膠。由圖1可知，在淀粉添加量為6%時(shí)，凝膠形狀不規(guī)則，中部較稀疏，氣體灌入導(dǎo)致鼓起，未達(dá)到完整凝膠的效果。淀粉添加量為12%時(shí)，凝膠表面平整，但邊緣相對(duì)不平滑。淀粉添加量達(dá)到18%時(shí)，凝膠的形態(tài)結(jié)構(gòu)較為完整，其硬度增強(qiáng)。

a-淀粉添加量為6%；b-淀粉添加量為9%；c-淀粉添加量為12%； d-淀粉添加量為15%；e-淀粉添加量為18%圖1 不同馬鈴薯淀粉添加量制得的復(fù)合凝膠的形貌Fig.1 Morphology of composite gels prepared by adding different amounts of potato starch

2.2 復(fù)合凝膠持水性分析

不同馬鈴薯淀粉添加量和反復(fù)凍融對(duì)復(fù)合凝膠持水性的影響如圖2所示。未凍融的復(fù)合凝膠，馬鈴薯淀粉添加量為9%時(shí)，持水性為81.68%，比添加量為6%時(shí)提高了27.41%(P<0.05)。添加量為18%時(shí)，持水性最大，為94.50%。表明未凍融的復(fù)合凝膠的持水性隨著淀粉添加量的增加而增加。這與楊明等[16]的研究結(jié)果類似，馬鈴薯淀粉的添加使整個(gè)體系形成了更致密的淀粉-蛋白網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效地截留住更多水分，提高了復(fù)合凝膠持水力。

凍融1、2、3次的復(fù)合凝膠的持水性也隨淀粉添加量的增加呈上升趨勢(shì)。相同的淀粉添加量下，凍融后的復(fù)合凝膠持水能力下降，這可能與凍融后復(fù)合凝膠的結(jié)構(gòu)遭到破壞，束縛水的能力減弱有關(guān)。凍融3次的凝膠持水性上升，可能是因?yàn)槎啻蝺鋈诤竽z網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改變成海綿狀，將析出的水分再次吸收[17]。

圖2 凍融次數(shù)和馬鈴薯淀粉添加量對(duì)玉米醇溶 蛋白凝膠持水性的影響Fig.2 Effects of freezing-thawing times and potato starch addition on water-holding capacity of zein gel(P<0.05) 注：不同大寫字母表示同一淀粉添加量不同凍融次數(shù)間差異顯著， 不同小寫字母表示同一凍融次數(shù)不同馬鈴薯淀粉添加量間差異顯著 (P<0.05)(下同)

2.3 復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性分析

馬鈴薯淀粉添加量和反復(fù)凍融處理對(duì)玉米醇溶蛋白復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響如圖3所示。隨著淀粉添加量的增加，復(fù)合凝膠的硬度和咀嚼性都隨之顯著增強(qiáng)(P<0.05)。當(dāng)添加量為18%，凍融2次處理時(shí)，復(fù)合凝膠達(dá)到最大硬度2 127.7 g，最大咀嚼度1 709.7 g，這與劉靜雪等[18]的研究結(jié)果相一致。淀粉加入后，在加熱形成凝膠的過(guò)程中淀粉分子相互纏繞、填充，被包裹在蛋白中形成更加緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[19-20]，硬度和咀嚼性可能因此得到提升。而且馬鈴薯淀粉中的支鏈淀粉中長(zhǎng)鏈成分多，會(huì)使老化速度加快[21]，也使得凝膠的硬度增大。凍融0次和凍融1、2次的復(fù)合凝膠彈性均隨淀粉添加量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，凍融3次的凝膠彈性變化不明顯(P>0.05)。其中，凍融0次的凝膠彈性變化最明顯，當(dāng)?shù)矸厶砑恿繛?5%時(shí)，彈性最大(0.960 5)，是添加量為6%時(shí)的1.58倍。而淀粉添加量為18%時(shí)，復(fù)合凝膠彈性下降。其原因可能是馬鈴薯淀粉中支鏈淀粉多，易膨脹糊化形成富有彈性的膠體[22]，但是淀粉含量過(guò)高導(dǎo)致體系中的游離水分減少，出現(xiàn)多余的淀粉顆粒，彈性反被削弱[23]。

內(nèi)聚性是凝膠內(nèi)部的結(jié)合能力。凍融0次的復(fù)合凝膠，隨馬鈴薯淀粉添加量的增加，內(nèi)聚性呈先降低后增加的趨勢(shì)，凍融后的復(fù)合凝膠內(nèi)聚性變化相對(duì)不明顯。同一馬鈴薯淀粉添加量下，凍融后凝膠的硬度、咀嚼性、彈性和內(nèi)聚性均比未凍融的好。硬度和咀嚼性的大小在反復(fù)凍融次數(shù)間表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)。彈性與內(nèi)聚性在凍融與未凍融的凝膠之間表現(xiàn)出顯著差異，但是凍融1、2、3次之間差異不明顯。這可能與凍融使淀粉-蛋白結(jié)構(gòu)空隙中的水分凝結(jié)成細(xì)小的冰晶，改變內(nèi)部水分存在狀態(tài)與空間結(jié)構(gòu)有關(guān)。

因此，綜合考慮復(fù)合凝膠的硬度、咀嚼性、彈性和內(nèi)聚性4種質(zhì)構(gòu)特性以及加工條件與生產(chǎn)成本等因素，淀粉添加量15%，凍融2次處理的復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性較好，為實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

a-硬度；b-咀嚼性；c-彈性；d-內(nèi)聚性圖3 凍融次數(shù)和馬鈴薯淀粉添加量對(duì)玉米醇溶蛋白凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響Fig.3 Effects of freeze-thaw cycles and potato starch addition on texture of zein gel

2.4 復(fù)合凝膠白度分析

復(fù)合凝膠的白度隨馬鈴薯淀粉添加量的增加而增大(圖4)。玉米醇溶蛋白呈黃色，白度較低。而馬鈴薯淀粉呈白色，添加到玉米醇溶蛋白中，使復(fù)合凝膠的白度增加。此外，HONG等[24]研究表明，L*值受到凝膠內(nèi)部水分含量影響，水分含量增加，光反射發(fā)生改變，L*值增大。而隨著淀粉添加量的增多，凝膠持水性會(huì)增強(qiáng)，凝膠內(nèi)部水分變多，白度因此隨之變大。

圖4 馬鈴薯淀粉添加量對(duì)玉米醇溶蛋白凝膠白度的影響Fig.4 Effect of potato starches on the whiteness of zein gel

2.5 溶脹率

復(fù)合凝膠溶脹前后的形貌有明顯的差異，溶脹后復(fù)合凝膠都有一定的膨脹。玉米醇溶蛋白復(fù)合凝膠溶脹性隨著馬鈴薯淀粉添加量的增加而降低(圖5)，添加量為15%時(shí)溶脹率增加，繼續(xù)增加到18%，溶脹率再次下降；淀粉添加量為6%和15%時(shí)溶脹性能較優(yōu)，12%時(shí)較差。這可能是因?yàn)榈矸鄣奶砑犹畛淞说鞍椎膬?nèi)部結(jié)構(gòu)，使復(fù)合凝膠內(nèi)部可彈性收縮膨脹的空間小，影響了溶脹率[25]。王燕[13]制備玉米醇溶蛋白復(fù)合凝膠作為藥物的載體，發(fā)現(xiàn)溶脹能力較弱的凝膠緩釋效果好，此時(shí)選用12%淀粉添加量的復(fù)合凝膠較為合適。高靖陽(yáng)[21]利用淀粉基氣凝膠制備得到新型固體材料，要求凝膠吸濕溶脹效果好，此時(shí)6%淀粉添加量的復(fù)合凝膠較為合適。

圖5 不同馬鈴薯淀粉添加量下zein復(fù)合凝膠溶脹率Fig.5 Swelling ratio of zein gels with different amounts of potato starch

2.6 復(fù)合凝膠化學(xué)作用力分析

在淀粉蛋白凝膠的形成過(guò)程中，化學(xué)作用力是決定凝膠特性的重要因素，通過(guò)共價(jià)鍵(二硫鍵)和非共價(jià)鍵(氫鍵、疏水相互作用)共同作用穩(wěn)定凝膠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[26]。凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成是蛋白質(zhì)間、蛋白質(zhì)與溶劑之間作用力相互平衡的結(jié)果，離子鍵、氫鍵、疏水相互作用和二硫鍵等是形成和維持凝膠的主要作用力。用不同試劑處理凝膠后，凝膠中作用力間的平衡被破壞。不同試劑所溶解的蛋白質(zhì)含量之差表示各種作用力的含量[27]。如圖6所示，隨馬鈴薯淀粉的增加，氫鍵含量呈先減小后增加的趨勢(shì)；二硫鍵含量隨淀粉添加量的增加先下降后上升；離子鍵和疏水相互作用先上升后下降。表明馬鈴薯淀粉的添加會(huì)對(duì)復(fù)合凝膠的化學(xué)作用力產(chǎn)生影響。從整個(gè)馬鈴薯淀粉-玉米醇溶蛋白復(fù)合凝膠體系來(lái)看，氫鍵和疏水相互作用的貢獻(xiàn)較大，在復(fù)合凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中起主要作用；離子鍵和二硫鍵貢獻(xiàn)較小。這與許多研究認(rèn)為凝膠形成過(guò)程中非共價(jià)鍵作用更大的結(jié)論相一致[28]。O′KANE等[29]研究認(rèn)為氫鍵和疏水相互作用是保證復(fù)合凝膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要作用力。因此，在研究淀粉添加量對(duì)玉米醇溶蛋白復(fù)合凝膠化學(xué)作用力的影響時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注氫鍵和疏水相互作用，但是二硫鍵和離子鍵的作用也不能忽略。

2.7 復(fù)合凝膠傅里葉紅光譜分析

a-氫鍵；b-二硫鍵；c-離子鍵；d-疏水相互作用圖6 馬鈴薯淀粉添加量對(duì)玉米醇溶蛋白復(fù)合凝膠化學(xué)作用力的影響Fig.6 Effect of potato starch addition on chemical forces of zein gels

酰胺Ⅰ帶(1 700～1 600 cm-1)是能靈敏反映不同結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)和多肽振動(dòng)頻率變化的特征譜帶，因此常常被用于分析蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)[31]。將此段譜帶進(jìn)行分峰擬合，擬合后根據(jù)各子峰的面積，可計(jì)算得到如圖7-b所示的復(fù)合凝膠的二級(jí)結(jié)構(gòu)及其所占的比例。復(fù)合凝膠二級(jí)結(jié)構(gòu)占比β-折疊>β-轉(zhuǎn)角>無(wú)規(guī)則卷曲≈α-螺旋。玉米醇溶蛋白在溶液中的結(jié)構(gòu)以α-螺旋為主，溶劑蒸發(fā)過(guò)程中一部分α-螺旋會(huì)轉(zhuǎn)變成β-折疊，再重組構(gòu)型[30,32-33]。二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化在淀粉添加量從6%增加到9%時(shí)最明顯，β-轉(zhuǎn)角含量顯著增加，β-折疊、無(wú)規(guī)則卷曲和α-螺旋均減少；淀粉添加量繼續(xù)增加，二級(jí)結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)變化不明顯。說(shuō)明淀粉的添加會(huì)對(duì)復(fù)合凝膠二級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。并且結(jié)合淀粉添加量對(duì)復(fù)合凝膠持水性和質(zhì)構(gòu)特性的影響，可以推測(cè)β-折疊的減少，β-轉(zhuǎn)角的增加可能有助于提高復(fù)合凝膠的持水性和質(zhì)構(gòu)特性。

a-紅外光譜圖；b-二級(jí)結(jié)構(gòu)含量圖圖7 不同馬鈴薯淀粉添加量下玉米醇溶蛋白 復(fù)合凝膠紅外光譜圖和二級(jí)結(jié)構(gòu)含量圖Fig.7 Infrared spectrum and secondary structure content of zein gel under different potato starch content

3 結(jié)論

馬鈴薯淀粉的添加可以改善玉米醇溶蛋白的凝膠特性。隨著馬鈴薯淀粉添加量的增加，復(fù)合凝膠的硬度、咀嚼性和彈性均呈總體上升趨勢(shì)；持水性和白度也不同程度的增大。凍融處理對(duì)復(fù)合凝膠的質(zhì)構(gòu)特性和持水性均產(chǎn)生了一定影響，綜合考慮復(fù)合凝膠的硬度、咀嚼性、彈性和內(nèi)聚性4種質(zhì)構(gòu)特性以及加工條件與生產(chǎn)成本等因素，淀粉添加量15%，凍融2次處理的復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性較好，為實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。氫鍵和化學(xué)作用力是凝膠形成的主要作用力。馬鈴薯淀粉的添加改變了凝膠的一級(jí)結(jié)構(gòu)和二級(jí)結(jié)構(gòu)。本研究為馬鈴薯淀粉在玉米醇溶蛋白制品的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)。