黑豆蛋白和扁豆蛋白對(duì)小麥淀粉理化性質(zhì)的影響

任順成，張丹丹

河南工業(yè)大學(xué) 河南省天然色素制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001

淀粉是一種廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)的多糖，也是人們?nèi)粘ｏ嬍持械闹饕妓衔?，是人體代謝的主要能量來源[1]。然而，以淀粉為基礎(chǔ)的食品通常能量密集，蛋白質(zhì)不足，表現(xiàn)出較高的升糖指數(shù)[2]。因此，蛋白質(zhì)通常被用來與淀粉混合制備低血糖指數(shù)(GI)、營養(yǎng)均衡的食品[3-4]。但淀粉與蛋白復(fù)配后不僅會(huì)影響淀粉的消化特性，也會(huì)影響淀粉的回生、凍融等加工特性，這種影響與蛋白質(zhì)來源、濃度和組成等因素有關(guān)[5-6]。

關(guān)于蛋白質(zhì)對(duì)淀粉回生及凍融穩(wěn)定性的研究多集中于谷物蛋白。林旭輝等[12-13]發(fā)現(xiàn)麥谷蛋白和乳清蛋白水解物能夠延緩淀粉的回生。付田田等[14]發(fā)現(xiàn)大米肽能夠改善淀粉的凍融穩(wěn)定性。Luo等[15]發(fā)現(xiàn)大豆分離蛋白-黃原膠復(fù)合物能與淀粉分子之間形成靜電和疏水相互作用，從而抑制淀粉回生并延緩淀粉的脫水收縮。作者通過預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黑豆蛋白和扁豆蛋白能夠減緩小麥淀粉的消化，而關(guān)于黑豆蛋白和扁豆蛋白對(duì)淀粉老化、凍融穩(wěn)定性等的影響目前尚未見報(bào)道。因此，作者主要對(duì)黑豆蛋白和扁豆蛋白對(duì)小麥淀粉的糊化、老化、凍融穩(wěn)定性等理化性質(zhì)進(jìn)行了分析，以期為改善淀粉類食品品質(zhì)以及低GI功能食品開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黑豆(產(chǎn)地遼寧朝陽)、扁豆(產(chǎn)地內(nèi)蒙古赤峰)：贛州康瑞農(nóng)產(chǎn)品有限公司；黑豆蛋白(含量87%)、扁豆蛋白(含量92%)：實(shí)驗(yàn)室自制；直鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)品(A0152)、支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)品(10120)：北京索萊寶科技有限公司；小麥淀粉、異硫氰酸熒光素(FITC，偶聯(lián)級(jí))、羅丹明B(AR)：上海源葉生物科技有限公司；其他試劑:鄭州新豐化驗(yàn)器材有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

UV-1600B紫外可見分光光度計(jì)：上海美譜達(dá)儀器有限公司；PHS-3C雷磁酸度計(jì)：上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；BT-9300S粒度分布儀：丹東百特儀器有限公司；FV3000激光掃描共聚焦顯微鏡：奧林巴斯(中國)有限公司；Q20差示掃描量熱儀：美國TA儀器；TDL-5A臺(tái)式低速離心機(jī)：江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠；TA-XT Plus 質(zhì)構(gòu)儀：英國SMS公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 小麥淀粉基本成分的測定

小麥淀粉水分測定參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》。小麥淀粉中直鏈淀粉含量測定參照GB/T 15683—2008《大米直鏈淀粉含量測定》。

1.3.2 小麥淀粉粒徑的測定

準(zhǔn)確稱取0.5 g小麥淀粉于試管中，加入黑豆蛋白和扁豆蛋白溶液，使黑豆蛋白和扁豆蛋白質(zhì)量均占淀粉干基的10%、20%、40%，加去離子水得到1%的淀粉溶液，混合均勻后80 ℃加熱10 min，冷卻至室溫后在粒度儀上測定，折光率5%～6%，介質(zhì)折射率1.33。

1.3.3 小麥淀粉熱力學(xué)特性的測定

稱取2 mg小麥淀粉，加入黑豆蛋白和扁豆蛋白溶液6 μL于鋁盒中，使黑豆蛋白和扁豆蛋白質(zhì)量均占淀粉干基的10%、20%、40%，封蓋后在4 ℃條件下平衡24 h，使用差示掃描量熱儀測定黑豆蛋白和扁豆蛋白對(duì)小麥淀粉糊化特性的影響。以空鋁盒作空白對(duì)照，以10 ℃/min從30 ℃加熱到95 ℃，由DSC曲線確定起始溫度(To)、峰值溫度(Tp)、終止溫度(Tc)及糊化焓(ΔHg)。將測定后的樣品于4 ℃儲(chǔ)存7 d，在相同條件下再次掃描樣品可得到回生焓(ΔHr)，計(jì)算老化度(R)。

R=ΔHg/ΔHr×100%。

1.3.4 小麥淀粉凍融穩(wěn)定性的測定

參考陳金玉等[16]使用的方法并稍加修改，配制3%的淀粉溶液，糊化后于-20 ℃保存24 h，25 ℃解凍4 h，3 500 r/min離心20 min，計(jì)算析水率。

析水率=(Wp-Ws)/Wp×100%，

式中：Wp為淀粉糊質(zhì)量，g；Ws為沉淀物質(zhì)量，g。

1.3.5 小麥淀粉質(zhì)構(gòu)特性的測定

稱取1 g淀粉，加入10 mL的黑豆蛋白和扁豆蛋白溶液，使黑豆蛋白和扁豆蛋白質(zhì)量均占淀粉干基的10%、20%、40%，然后把加熱糊化后的樣品放置在4 ℃冰箱中24 h，取出放至室溫后進(jìn)行測定，參數(shù)設(shè)置參考衛(wèi)攀杰等[17]使用的方法。

1.3.6 小麥淀粉微觀結(jié)構(gòu)的觀察

參考Yang等[18]的方法用激光共聚焦顯微鏡觀察有無黑豆蛋白和扁豆蛋白添加的小麥淀粉的微觀形態(tài)，取適量的糊化淀粉于載玻片上，分別加10 μL的FITC(0.25%，m/V)和羅丹明B(0.025%，m/V)，然后用蓋玻片密封樣品，使用激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行觀察，F(xiàn)ITC和羅丹明B的激發(fā)波長分別設(shè)為488 nm和553 nm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 25、Microsoft Excel 2016、Origin 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥淀粉基本成分測定

圖1為直鏈和支鏈淀粉混合標(biāo)品的標(biāo)準(zhǔn)曲線，擬合得到的回歸方程為y=0.010 6x+0.043，R2=0.999 8。曲線擬合良好，由此方程計(jì)算得到的小麥淀粉直鏈淀粉含量為(28.77±2.02)%。測定小麥淀粉的水分含量為(11.23±0.13)%。

圖1 直鏈和支鏈淀粉混合標(biāo)品的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of amylose and amylopectin mixture

2.2 黑豆蛋白和扁豆蛋白對(duì)小麥淀粉粒徑的影響

表1是不同濃度的黑豆蛋白和扁豆蛋白對(duì)小麥淀粉糊化過程中粒徑的影響。從表1可以看出，加熱后小麥淀粉的平均粒徑為35.28 μm，黑豆蛋白和扁豆蛋白的添加能使復(fù)合物的平均粒徑分別增加至38.66 μm和38.06 μm。隨著黑豆蛋白和扁豆蛋白的加入，蛋白質(zhì)-小麥淀粉體系中復(fù)合物的D10、D50、D90均有增大的趨勢，但與蛋白質(zhì)的添加量不成正比。表明在糊化過程中2種蛋白質(zhì)均能夠影響小麥淀粉的膨脹和糊化性質(zhì)。蛋白質(zhì)分子能夠與淀粉相互作用而導(dǎo)致粒徑增大的原因可能有兩種：一是蛋白質(zhì)分子能夠包裹在淀粉顆粒周圍，與淀粉分子鏈相互纏繞導(dǎo)致淀粉分子聚集從而使淀粉顆粒增大；二是通過氫鍵等相互作用與糊化過程中滲出的直鏈淀粉分子結(jié)合導(dǎo)致粒徑明顯增加。

表1 2種蛋白質(zhì)對(duì)小麥淀粉粒徑的影響Table 1 Effects of two proteins on grain size of wheat starch

2.3 黑豆蛋白和扁豆蛋白對(duì)小麥淀粉熱力學(xué)特性的影響

2.3.1 糊化熱力學(xué)特性

表2是小麥淀粉及不同添加量的黑豆蛋白和扁豆蛋白的蛋白-淀粉復(fù)合物的糊化結(jié)果。由表2可知，黑豆蛋白和扁豆蛋白的加入均能使淀粉的起始溫度(To)和相變終止溫度(Tc)升高，但與添加量不成正比，蛋白質(zhì)-淀粉復(fù)合物與純小麥淀粉相比相變峰值溫度(Tp)略有增加。To和Tp升高說明蛋白質(zhì)的添加使小麥淀粉不易發(fā)生糊化。與純小麥淀粉相比，添加了黑豆蛋白和扁豆蛋白的復(fù)合物的糊化焓(ΔHg)也顯著降低(除添加10%扁豆蛋白外)，表明2種蛋白質(zhì)會(huì)導(dǎo)致小麥淀粉的最終糊化程度降低。蛋白質(zhì)能夠改變淀粉糊化特性的原因可能是：蛋白質(zhì)與淀粉爭奪水分，改變淀粉糊化過程中的水化程度；蛋白質(zhì)與直鏈淀粉發(fā)生相互作用從而減少了淀粉分子與水分子的結(jié)合導(dǎo)致其糊化溫度升高。

表2 黑豆蛋白和扁豆蛋白對(duì)小麥淀粉糊化溫度和焓變化的影響Table 2 Effects of black bean protein and lentil bean protein on gelatinization temperature and enthalpy of wheat starch

2.3.2 老化熱力學(xué)特性

將糊化后的淀粉及復(fù)合物在4 ℃條件下儲(chǔ)存7 d后，通過DSC分析小麥淀粉的老化特性，結(jié)果見表3。與天然小麥淀粉相比，黑豆蛋白和扁豆蛋白的添加使混合體系的To、Tp、Tc均發(fā)生改變。添加黑豆蛋白使小麥淀粉的回生焓降低，當(dāng)添加量為20%時(shí)，小麥淀粉的老化度從11.87%降至2.59%,而扁豆蛋白的加入使小麥淀粉的回生焓增加，說明黑豆蛋白能夠抑制小麥淀粉的回生，而扁豆蛋白則能促進(jìn)小麥淀粉的回生。但是當(dāng)扁豆蛋白添加量達(dá)到40%時(shí)回生焓降低，促進(jìn)回生效果減弱，可能是由于高添加量的蛋白質(zhì)加入使得混合體系相分散，抑制了支鏈淀粉的重結(jié)晶，說明不同添加量的同一蛋白質(zhì)對(duì)淀粉的回生性質(zhì)的影響也有所不同。

表3 黑豆蛋白和扁豆蛋白對(duì)小麥淀粉老化溫度和焓的影響Table 3 Effects of black bean protein and lentil bean protein on retrogradation temperature and enthalpy of wheat starch

2.4 黑豆蛋白和扁豆蛋白對(duì)小麥淀粉凍融穩(wěn)定性的影響

凍融穩(wěn)定性是淀粉的關(guān)鍵特性指標(biāo)，用來確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或結(jié)構(gòu)抵抗凍融過程中發(fā)生的不良溫度沖擊的能力。脫水是一種水從凝膠結(jié)構(gòu)中分離的現(xiàn)象，由于被浸出的淀粉分子重組而使凝膠網(wǎng)絡(luò)收縮[19]。然而，脫水是淀粉凝膠或含淀粉產(chǎn)品的不良現(xiàn)象，因?yàn)樗c產(chǎn)品變質(zhì)有關(guān)。從圖2可以看出，在第1次凍融循環(huán)中，隨黑豆蛋白和扁豆蛋白的添加，小麥淀粉的析水率顯著下降，說明黑豆蛋白和扁豆蛋白能夠有效提高小麥淀粉的凍融穩(wěn)定性，當(dāng)黑豆蛋白添加量為40%時(shí)小麥淀粉的析水率從60.24%降至49.13%。在第2次凍融循環(huán)中，在蛋白質(zhì)添加量相同的條件下，小麥淀粉的析水率沒有第1次變化顯著。2種蛋白質(zhì)能夠提高小麥淀粉的凍融穩(wěn)定性的原因可能是蛋白質(zhì)能夠與小麥淀粉發(fā)生相互作用，降低淀粉糊的凍結(jié)冰點(diǎn)，增強(qiáng)淀粉形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使水分子不易從中析出，與王慧云等[20]的研究結(jié)果一致。

a．第1次凍融循環(huán) b.第2次凍融循環(huán)注：不同字母表示數(shù)值有顯著差異(P<0.05)。圖2 2種蛋白質(zhì)對(duì)小麥淀粉凍融穩(wěn)定性的影響Fig.2 Effects of two proteins on freeze-thaw stability of wheat starch

2.5 黑豆蛋白和扁豆蛋白對(duì)小麥淀粉質(zhì)構(gòu)特性的影響

不同添加量黑豆蛋白和扁豆蛋白的淀粉凝膠的硬度、彈性、黏聚性及膠著性如表4所示。隨著2種蛋白質(zhì)添加量的增加，小麥淀粉的硬度、黏聚性和膠著性顯著增大，黑豆蛋白的增加彈性無顯著變化，而扁豆蛋白的加入彈性顯著增加。淀粉凝膠的硬度主要與體系中的直鏈淀粉有關(guān)，淀粉分子交聯(lián)程度越大，其硬度就越大。因此推測黑豆蛋白和扁豆蛋白的加入使淀粉凝膠質(zhì)地變得堅(jiān)硬，可能是蛋白質(zhì)促進(jìn)了直鏈淀粉分子的交聯(lián)和纏繞所致。

表4 2種蛋白質(zhì)對(duì)小麥淀粉質(zhì)構(gòu)特性的影響Table 4 Effects of two proteins on texture properties of wheat starch

2.6 黑豆蛋白和扁豆蛋白對(duì)小麥淀粉微觀結(jié)構(gòu)的影響

小麥淀粉和添加了20%黑豆蛋白與扁豆蛋白的復(fù)合物的激光共聚焦顯微鏡結(jié)果如圖3所示。羅丹明B能將蛋白質(zhì)染成紅色，F(xiàn)ITC能將蛋白質(zhì)和淀粉都染成綠色[18]，因此，在激光共聚焦顯微鏡下小麥淀粉呈綠色，蛋白質(zhì)因紅色和綠色疊加而呈黃色(如圖3b和圖3c中箭頭處)。由圖3可知，小麥淀粉以大小兩種顆粒類型存在，大的呈圓盤狀，顆粒粒徑為40～50 μm；小的呈圓形，粒徑在10 μm左右。經(jīng)加熱糊化以后，吸水膨脹的淀粉顆粒傾向于聚集起來，黑豆蛋白和扁豆蛋白主要存在于大顆粒的間隙和破損顆粒的周圍，推測2種蛋白質(zhì)可能會(huì)與糊化過程中浸出的直鏈淀粉發(fā)生相互作用而結(jié)合，形成更加致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這也解釋了2種蛋白質(zhì)能夠改善淀粉的凍融穩(wěn)定性，提高糊化溫度的原因。

注：a為小麥淀粉對(duì)照，b為含20%黑豆蛋白的復(fù)合物，c為含20%扁豆蛋白的復(fù)合物。圖3 糊化后小麥淀粉激光共聚焦圖Fig.3 Confocal laser image of wheat starch after gelatinization

3 結(jié)論

黑豆蛋白和扁豆蛋白的添加使蛋白-小麥淀粉體系中復(fù)合物的D10、D50、D90均有增大的趨勢，但與蛋白質(zhì)的添加量不成正比；黑豆蛋白和扁豆蛋白的加入均能使淀粉的起始溫度和相變終止溫度升高，糊化焓(除添加10%扁豆蛋白外)降低，使之不易發(fā)生糊化；黑豆蛋白能抑制小麥淀粉的老化，黑豆蛋白添加量為20%時(shí)，小麥淀粉的老化度從11.87%降至2.59%，扁豆蛋白則能促進(jìn)小麥淀粉的老化；2種蛋白質(zhì)均能提高小麥淀粉的凍融穩(wěn)定性，黑豆蛋白添加量為40%時(shí)，小麥淀粉的析水率從60.24%降至49.13%；2種蛋白質(zhì)均能使小麥淀粉凝膠的硬度增加，黑豆蛋白的加入彈性無顯著變化，而扁豆蛋白的加入彈性顯著增加。激光共聚焦顯微鏡圖表明，2種蛋白質(zhì)與小麥淀粉糊化過程中滲出的直鏈淀粉發(fā)生相互作用，形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為了更好地了解蛋白質(zhì)對(duì)淀粉的影響機(jī)制，應(yīng)進(jìn)一步從分子層面探究二者的作用機(jī)理。