大米淀粉與大豆粉比例對糊化特性及物性學性質的影響

龐志花，劉 萍，曹金諾，劉新旗，陳存社

（中國食品風味與營養(yǎng)健康創(chuàng)新中心 北京工商大學 北京 100048）

谷物在煮制熟化過程中主要發(fā)生淀粉的糊化與蛋白的變性，其中淀粉的糊化過程是影響谷物品質的主要因素，有助于形成獨特的營養(yǎng)和質地特性[1]，而且淀粉糊化后黏度增加，可用作黏結劑、增稠劑等，對改善食品的組織結構及風味等具有重要作用，在食品工業(yè)有著廣泛的應用[2]。大米淀粉具有許多獨特的性質，當期糊化能夠產生溫和的味道，并且具有良好的光滑，奶油狀和涂抹特性。大米淀粉還具有多種理想特性的獨特組合，包括易消化性、質地光滑和味道清淡，這使其適用于嬰兒食品和醫(yī)藥產品[3-4]。大豆作為重要的植物蛋白來源，富含人體必需的8 種氨基酸[5]，不含膽固醇，營養(yǎng)價值高[6]。大豆中的蛋白含量相對較高，心腦血管疾病患者完全可用其取代動物蛋白[7]。將大豆蛋白與大米淀粉混合，可以實現(xiàn)營養(yǎng)上的互補，同時可能構建具有特定物性特征結構的食品體系。

食品的物性學參數是口腔感官特征量化的重要途徑[8-9]。食品口腔加工從起初的力學主導逐漸轉變?yōu)槟Σ翆W和流變學主導。其中反映粉碎咀嚼階段食品品質的質構力學參數可量化食品質地[10-12]。流變學用于模擬食品進入口腔初期的咀嚼過程，即外界給予食物一定的剪切力，通過其抗剪切力的變化來模擬食品的感官性質。其中一個重要的參數是黏度，黏度是舌頭與上顎接觸時食品粘連殘留的體現(xiàn)[13]。摩擦學是一個用來量化食品質地的新興學科，其與口腔處理的吞咽階段的相關性仍在探索中。其摩擦包括舌尖和上顎的摩擦，食物顆粒和口腔表面的摩擦，食物顆粒對于口腔內部的黏附作用[14-15]。摩擦學與流變學相輔相成，共同描述食品的口腔加工過程。

淀粉和蛋白質混合使食品物性學特征發(fā)生一定程度的改變。大米淀粉的糊化性質和質構特性與產品品質關系密切[16]。在大米中添加水不溶性蛋白質（谷蛋白和球蛋白）可以控制大米淀粉的糊化和質地特性[17]。Lim等[18]研究了由商品大豆蛋白和改性玉米淀粉制成的漿體的糊化和流變行為，添加大豆蛋白提高了淀粉/HFCS（高果糖玉米糖漿）糊的糊化溫度和總黏度，這種趨勢與固體含量增加和大豆球蛋白的自聚集有關。有研究通過擠壓加工大米、豆類混合物或大米、大豆分離蛋白（SPI），以改善大米產品的理化性質[19-20]。本文研究大米淀粉和大豆粉制備的復合體系，分析其糊化特性、顆粒特性、流變學特性及摩擦學特征，為淀粉、大豆蛋白混合食品體系的構建提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大米、大豆，京東天地糧人；乙醇、氫氧化鈉等試劑均為分析純級，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

流變儀（DHR-1），美國TA 儀器公司；激光衍射粒度儀（SALD-2300），日本島津；快速黏度分析儀（RVA），Newport 公司；電子天平（AR1502CN），奧豪斯儀器（上海）有限公司；高速萬能粉碎機（FW100），天津市泰斯特儀器有限公司；標準檢驗篩（80 目），浙江上虞市公路儀器廠；HH 系列數顯恒溫水浴鍋（XMTD203），金壇市科析儀器有限公司；電子攪拌器（EURO-ST 40 D S025），德國IKA 公司；膠帶1527-2（3M），美國醫(yī)療器械公司。

1.3 方法

1.3.1 大米淀粉與大豆粉的制備 取適量大米破碎、過篩（80 目）制得大米粉。將大米粉以料液比1∶2 置于0.3% NaOH 中，攪拌浸泡4 h。將浸泡后的液體4 000 r/min 離心15 min，去上清去黃色部分。調pH 6.5～7.0，4 000 r/min 離心15 min，去上清，重復3 次。將沉淀置于乙醇溶液中，與離心收集的沉淀1∶1 混合，靜置2 h，4 000 r/min 離心15 min，去上清；調pH 6.5～7.0，4 000 r/min 離心15 min，去上清，去暗沉，重復3 次。取沉淀45 ℃烘箱干燥8 h，破碎，過80 目篩，備用。取適量大豆破碎、過篩（80 目）制得大豆粉。

1.3.2 樣品的制備 將大米淀粉（RS）、大豆粉（S）分別按10∶0，9∶1，8∶2，7∶3，6 ∶4，5 ∶5，4 ∶6，3 ∶7，2 ∶8，1∶9，0∶10 的配比進行復配并混合均勻[21]。分別取10 g 樣品于燒杯中，加入100 mL 50 ℃蒸餾水，置于磁力攪拌加熱器上加熱，升溫程序50～95 ℃，30 min。制備完成后冷卻樣品至室溫，備測。

1.3.3 糊化特性的檢測 將大米淀粉與大豆粉復配，混合均勻，備用。按照美國谷物化學師協(xié)會（American Association Cereal Chemists，AACC）規(guī)定方法 檢測樣品水分含量。取3.0 g 混合物，使用快速黏度分析儀（RVA）測定混合物的RVA 糊化參數，用TCW 配套軟件分析?；旌衔锖考s14%，上樣量3.0 g，蒸餾水25 mL，檢測程序如表1。

表1 RVA 程序設定Table 1 RVA program settings

1.3.4 顆粒特性的檢測 用SALD-3000 激光衍射粒度儀測定凝膠中凝固物的粒度分布。將預處理所得樣品用蒸餾水稀釋10 倍，在細胞勻漿機中勻漿10 s，混勻，立即取適量樣品于流通池內連續(xù)測量。粒子折射率設為1.5，精準率為0.001。每個樣品做兩個重復，每個重復3 個平行。

1.3.5 流變學特性的檢測 使用TA 流變儀測定剪切掃描數據。測試條件：溫度37 ℃，4 mm、2°不銹鋼錐板探頭，錐板與底座的距離（Gap）為57 μm，剪切速率0～100-1s。將樣品置于底板上，設置Gap 值59 μm，修邊，調整Gap 為57 μm，檢測。每個樣品做兩個重復，每個重復3 個平行。

使用流變儀分析軟件對剪切掃描曲線進行數據分析。其中下流動的曲線用Hershele-Bulkley 模型（σ=σ0+Kγn）進行擬合，取參數σ、σ0、K、γ、n，其中σ為剪切應力、σ0為屈服應力、K 為稠度指數、γ 為剪切速率以及n 為流動行為指數。另取參數上行線和下行線所包圍的面積（ΔA），以及剪切速率在50 s-1時的表觀黏度η50。

1.3.6 摩擦學特性的檢測 使用平板摩擦流變儀測量谷物的摩擦曲線，使用3M 傳輸孔外科膠帶1527-2 模擬口腔舌頭[22]。為模擬口腔加工過程，對樣品施加2 N 的法向力[23]。上樣時將膠帶剪成方形，平整的粘貼于底座上，多余部分粘于底座外側。每次測量結束后更換膠帶，清理底座。測試條件：溫度37 ℃，應力2 N（即壓力27.83 kPa），樣品量1.5 mL，轉速0.01～100 s-1。每個樣品做兩個重復，每個重復3 個平行。

1.3.7 數據處理 使用SPSS Statistics 軟件對試驗數據進行差異性和顯著性分析，用Origin 8.5.1、Excel 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 糊化特性

圖1 為大米淀粉與大豆粉混合物的RVA 糊化曲線。可以看出兩者混合物的糊化曲線較大米淀粉的糊化曲線整體下移，且隨大豆粉比例的增加，下移加大。從表2 也可以看出，與純淀粉相比，各RVA 參數均隨大豆粉濃度的增加發(fā)生明顯的變化。添加大豆粉提高了糊化溫度，降低了糊化黏度，這種影響總體上取決于蛋白濃度升高，也可能是由于淀粉含量降低。目前，普遍認為蛋白質對淀粉糊化特性具有抑制作用[24-25]，大豆粉中蛋白質的存在可能限制水分子與淀粉顆粒的接觸，從而提高糊化溫度。Baxter等[26]也報道在大米淀粉中添加谷蛋白會導致糊化溫度升高。RS/S 混合體系黏度較低，表明體系黏度主要由淀粉決定，淀粉含量越低，體系黏度越低。此外，大豆蛋白還能抑制淀粉顆粒的溶脹，從而降低淀粉顆粒的峰值黏度[27]。上述結果表明，添加大豆粉對大米淀粉的糊化有一定的抑制作用。蛋白質/蛋白質水解物通過在淀粉周圍形成物理屏障，并可以利用水分子來延緩淀粉糊化過程。一方面，分子質量及帶電荷數較高的蛋白質/蛋白質水解物具有很大的比表面積及結合力，可以更好地與淀粉結合或形成包裹，附著在淀粉顆粒表面[28-29]。另一方面，親水/疏水氨基酸殘基可對淀粉顆粒糊化、吸水膨脹產生影響，從而最終影響混合體系的糊化特性[26]。

圖1 大米淀粉與大豆粉混合體系的RVA 糊化曲線Fig.1 RVA gelatinization curve of rice starch and soybean meal mixed system

表2 大米淀粉與大豆粉混合體系RVA 糊化參數Table 2 RVA gelatinization parameters of rice starch and soybean meal mixed system

2.2 顆粒特性

淀粉在熱作用下發(fā)生糊化，黏度增加，更易吸附周圍溶液中的分子，因此糊化程度是影響顆粒大小的因素[30]。蛋白質在95 ℃水溶液中發(fā)生熱變性，變性后次級鍵被破壞，蛋白質分子從原來有序卷曲的緊密結構變?yōu)闊o序松散的伸展狀結構，原來處于分子內部的疏水基團大量暴露在分子表面，而親水基團在表面的分布相對減少，使蛋白質顆粒不能與水相溶而失去水膜，很容易引起分子間相互碰撞而聚集沉淀，從而造成顆粒增大，因此蛋白的變性程度是影響混合體系顆粒大小的因素之一[31-32]。大米淀粉與大豆粉混合體系粒徑如圖2所示，粒徑主要累積、分布在3 個區(qū)域5，15，162 μm?；旌象w系的粒徑隨大豆粉占比增加，蛋白質含量同時增加，粒徑向大粒徑方向移動。淀粉的糊化特性是淀粉性質的體現(xiàn)，淀粉凝膠的三維網狀結構的形成是在淀粉膨脹融出的直鏈淀粉中交聯(lián)形成的[33]?；旌象w系中淀粉的粒徑分布可表征凝膠形成的難易程度，粒徑越大凝膠越不易形成，同時體系越不穩(wěn)定[34]。粒徑結果表明，隨著大豆粉的添加，混合體系粒徑增大，導致凝膠不易形成，說明添加大豆粉抑制淀粉凝膠的形成。

圖2 大米淀粉與大豆粉混合體系粒徑Fig.2 Particle size of rice starch and soybean meal mixed system

2.3 流變學特性

大米淀粉（RS）與大豆粉（S）混合物的表觀黏度隨剪切速率的增加而減小。選用Hershelbuckley 模型對剪切掃描曲線的下行線進行擬合，結果表明擬合程度較高，所得流變學參數見表3。隨著剪切速率的增加，樣品黏度降低，為典型的假塑性或剪切變稀流體。純淀粉糊的黏度最高，蛋白質的存在使大米淀粉的流動行為發(fā)生明顯的變化。S 對RS/S 混合物黏度的影響取決于添加濃度。從表3 也可以看出，RS/S 10/0 誘發(fā)的屈服應力最大，說明觸發(fā)樣品流動所需剪切應力最大。黏度系數（K）和表觀黏度（η50）在RS/S 10/0 時最高。流動指數（n）是衡量剪切稀化流體與牛頓流動的偏差。一般來說，淀粉含量超過50%的樣品比淀粉比例較低的樣品顯示出較低的數值，表明混合體系的假塑性更好。此外，計算了滯回線（△A）的面積，△A 可以表征混合體系網絡結構的破壞和重建。淀粉比例越高的樣品△A 值越高，說明這些混合體系在剪應力作用下結構被破壞，剪切后難以重構成連貫的網絡結構。

表3 大米淀粉與大豆混合體系的流變學參數Table 3 Rheological parameters of rice starch and soybean meal mixed system

2.4 摩擦學特性

口腔摩擦學用于表征口服加工過程中某些食品的特性，口腔摩擦阻力直接影響感官特性，如光滑度、乳脂度[35]。圖3 顯示大米淀粉和大豆粉混合體系的摩擦系數（μ）與夾帶速度（mm/s）的關系。純大米淀粉體系與大豆粉混合體系顯示出完全不同的摩擦曲線。RS/S 10/0 顯示典型的Stribeck 曲線，在初始滑動速度下，摩擦系數μ 隨著速度的增加而增加，當滑動速度達1 mm/s 時，摩擦系數停止增加，這個區(qū)域被稱為邊界區(qū)。隨著滑動速度的進一步增加，顆粒被夾帶到表面并形成潤滑薄膜，被稱為混合區(qū)。摩擦力隨著滑動速度的增加而降低，在這種狀態(tài)下，黏度有助于潤滑膜的形成。更高的滑動速度顯示出μ 的增加，這個區(qū)域被稱為流體力層區(qū)，其中流體力學膜完全形成，兩個接觸面被很好地分開，摩擦力與樣品黏度成正相關，并隨滑動速度的增加而增加。在整個速度范圍，RS/S 0/10 顯示平坦的摩擦曲線，摩擦力比RS/S 10/0高。當滑動速度低于0.3 mm/s 時，觀察到短暫的摩擦力增加。在進一步增加速度時，摩擦力沒有明顯的變化。從圖3 可以看出大多數含淀粉的樣品顯示了邊界、混合和流體力層區(qū)。將淀粉和大豆粉組合在一起產生的摩擦比單獨的大米淀粉更大，然而在滑動速度為<10 mm/'s 時，RS/S 1/9 比純大米淀粉產生的摩擦小。這可能表明兩種成分間存在一定的相互作用，導致摩擦增大。RRS/S 7∶3 顯示比純淀粉體系更晚的流體動力層區(qū)，RS/S 5/5在與其它混合體系摩擦曲線趨勢一致的情況下，摩擦系數整體高于其它混合體系。

圖3 大米淀粉與大豆粉混合體系的摩擦曲線Fig.3 Friction curve of rice starch and soybean meal mixed system

3 結論

添加大豆粉對大米淀粉的糊化變性有一定的抑制作用。大米淀粉/大豆粉混合體系的糊化性能受兩種組分配比的影響較大。淀粉比例越高，混合體系糊化后黏度越高。大豆粉比例越高，混合體系糊化后黏度越低。根據顆粒特性，添加大豆粉導致混合體系粒徑增加，抑制大米淀粉的凝膠化。摩擦學結果表明，大米淀粉和大豆蛋白具有明顯不同的潤滑性能。摩擦曲線也證實兩種聚合物之間的關聯(lián)或相互作用，在滑動速度<10 mm/'s 時，RS/S 1/9 比純大米淀粉產生的摩擦更小，隨著大豆粉的加入使體系的摩擦系數升高，當RS/S 5/5 時，摩擦系數整體最高。